КОРРЕКЦИЯ ГЛУБИНЫ Российский патент 2008 года по МПК E21B47/04 

Настоящее изобретение относится к способу определения глубины опущенного в скважину на кабеле оборудования. В частности, изобретение представляет способ для определения глубины устройства в скважине, опущенного для осуществления измерений или выполнения операций, или для коррекции результатов определений глубин, выполненных на поверхности.

При осуществлении операций по геофизическим исследованиям скважин (ГИС) (см. фиг.1) аппаратура в виде зонда, включающая в себя одно или более устройств, опускается в скважину на конце кабеля (каната), который подсоединяет устройство к системе получения данных на поверхности и передает энергию для питания устройства и/или данные с поверхности. После того как устройство опустится до забоя скважины, оно затем поднимается на поверхность, осуществляя в процессе подъема измерения на горных породах или параметров в - скважине. Кабель поступает с барабана лебедки (не показано) в установке на поверхности и глубина устройства в скважине определяется измерением длины кабеля, поступающего или выходящего из скважины, посредством измерительного ролика, который отнесен на некоторое расстояние от кабельного барабана.

При проведении геофизических исследований скважины устройством на кабеле измеренная глубина (местоположение устройства для ГИС, определенная вдоль скважины) часто считается наиболее важным измерением, осуществляемым в скважине. Например, диаграммы ГИС из разных скважин одного и того же месторождения часто сопоставляются по глубине для определения протяженности и изменения толщины нефтегазоносных зон. Любая ошибка при измерениях глубины, выполненная во время получения данных, может существенно влиять на последующую интерпретацию данных.

Кабели для ГИС в какой-то мере эластичны (то есть их длина изменяется с нагрузкой) и также подвержены тепловому расширению (то есть их длина изменяется с температурой). В настоящее время при ГИС на кабеле осуществляются только грубые измерения глубины при помощи замера вращения измерительного ролика, прижатого к кабелю. Возможно это удивит, но это измерение автоматически учитывает в большой степени эффект растяжения кабеля за счет различных напряжений.

Рассмотрим короткий отрезок кабеля, сходящего с барабана лебедки при спуске устройства в скважину. Как только силы трения, удерживающие этот отрезок, сняты при сходе его с барабана, на отрезок будет действовать натяжение за счет веса зонда с устройствами и кабеля, уже опушенного в скважину. В общем, это натяжение вызывает изменение длины этого отрезка кабеля, но это изменение длины происходит до того, как этот отрезок кабеля дойдет до измерительного устройства, что приводит к тому, что измерительное устройство правильно измеряет длину растянутого кабеля. Так как устройство продолжает опускаться в скважину, каждый отрезок кабеля также движется по скважине вниз. В вертикальной скважине натяжение отрезка кабеля не изменится, так как он продолжает принимать на себе вес зонда и кабеля, расположенных ниже. Таким образом, не учитывая расширение кабеля с изменением температуры, его длина не изменится и измерительный ролик, таким образом, правильно измерит истинную глубину зонда. Можно использовать те же самые рассуждения, чтобы показать, что измерение глубины с помощью измерительного ролика будет точным и при последующем подъеме устройств из скважины.

В наклонной скважине проблема более сложная. При спуске устройств в скважину наклон скважины от вертикали меняется и соответственно распределение натяжения в кабеле также меняется. Таким образом, замер, уже сделанный при помощи измерительного ролика, будет содержать ошибку, так как каждый отрезок кабеля в скважине изменит свою длину. Те же самые рассуждения показывают, что измерения, сделанные в процессе подъема устройства из скважины, будут вновь неточными.

Проблема прогнозирования или, более точно, моделирования натяжений кабеля, которые наблюдаются во время получения данных, довольно хорошо понимается, и некоторые программные продукты пытаются сделать это. Один такой пакет программ - "Cerberus" был создан фирмой "Coiled Tubing Engineerings Services" (CTES, LC of Conroe, Texas). Полагая, что профиль натяжения кабеля может быть смоделирован для всех глубин устройства ГИС, довольно простая дополнительная программа позволяет сделать расчет "растяжения" кабеля как функцию глубины устройства. Пакет программ "Cerberus" делает это.

Однако основной интерес заключается в оценке ошибки измерения глубины устройства, которая не равна растяжению, вычисленному, как указано выше, так как некоторая часть растяжения уже учтена для процесса измерения глубины. Можно показать, что предыдущие способы замера глубин приводят к существенным ошибкам, потенциально порядка 5 метрам при глубине скважины в 3000 м.

Из уровня техники известны различные способы для обеспечения правильных замеров глубины с использованием измерительного ролика, описанного выше. Примеры этих способов могут быть найдены в патентах США №4117600, №4545242, и №5019978 и в работе Chan, David, S.K., "Accurate Depth Determination in Well Logging" IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. ASSP - 32, №1, Feb. 1984, pp.42-48. Однако ни один из этих способов не направлен на решение проблемы, указанной выше.

Объектом настоящего изобретения является обеспечение коррекции глубины, измеренной по кабелю на поверхности, для получения истинной глубины устройства.

С одной стороны настоящее изобретение обеспечивает способ определения глубины оборудования в подземной скважине, причем оборудование подвешено посредством кабеля, протягивающегося от поверхности в скважину; способ который включает в себя следующие этапы:

- определение длины кабеля, спущенного в скважину с поверхности;

- разделение кабеля в скважине на серию элементов (отрезков);

- определение натяжения в каждом элементе кабеля в скважине;

- определение растяжения кабеля в скважине для определенного натяжения во всех элементах; и

- определение глубины оборудования по определенной длине кабеля, спущенного в скважину, и по определенному растяжению кабеля в скважине.

С другой стороны изобретение обеспечивает способ корректировки замера глубины или определения ошибки в измерении глубины, сделанного по кабелю на поверхности, при помощи определения поправочного коэффициента, используя методологию, описанную выше.

Коррекция или определение ошибки может быть применена прямо к диаграмме ГИС, а также к замеру глубины.

Эти способы согласно изобретению могут применяться к измерениям или данным либо после получения данных или в реальном времени во время получения данных.

Настоящее изобретение будет описана на примере со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых:

Фиг.1 показывает проведение ГИС устройством на кабеле.

Фиг.2 показывает трехмерный профиль скважины в пространстве с проекциями ее в каждом измерении.

Фиг.3 показывает график зависимости определенных отклонений глубины от накопленной ошибки глубины при проведении ГИС и

Фиг.4 показывает график коррекции глубины для применения к измерениям при ГИС.

Изобретение реализуется с помощью программного обеспечения с помощью компьютера, который может работать как в установке на поверхности, так и в компьютере, расположенном в другом месте.

Пользователь вводит описание обстановки скважины, устройств и кабеля, используемых для ГИС. Программа разбивает скважину на короткие секции, затем для каждой возможной глубины устройства она вычисляет профиль натяжения вдоль скважины от устройства до поверхности.

Параметры, которые требуется вводить для расчета на компьютере, описывающие обстановку в скважине, устройство и кабель, используемые для ГИС, могут быть подразделены на следующие группы:

Описание скважины

- Наклон и азимут скважины на различных глубинах

- Диаметр скважины в зависимости от глубины

Эта информация известна по данным, полученным во время бурения.

- Температура в скважине как функция глубины и температура на поверхности

Эта информация известна по измерениям, сделанным во время бурения, ГИС или на поверхности.

- Плотность и другие свойства скважинного флюида

Эта информация известна по данным, полученным во время фазы бурения скважины, или по анализам скважинного флюида, когда скважина работает.

Полные свойства флюидов и объемные дебиты (совместно с более полной информацией о конфигурации устройства) необходимы для учета влияния протекающего флюида на устройство (силы, поднимающие устройство). Например, если в работающей скважине устройство осуществляет ГИС в работающей скважине, такое как дебитометрия, поток жидкости вверх по скважине будет оказывать влияние на натяжение, которое будет зависеть от дебита флюида и его плотности, которая может изменяться по скважине.

Вязкость флюида в скважине как функция от глубины и скорость движения зонда вверх и вниз (если желательно учитывать влияние вязкости скважинного флюида на движущейся зонд).

Описание забойного оборудования

- Вес зонда на воздухе и в скважинном флюиде

- Размеры зонда

- Характеристики кабеля (диаметр, вес единицы длины в воздухе и в воде, коэффициенты теплового расширения и растяжения под нагрузкой)

Все перечисленные параметры обеспечиваются из информации, получаемой на поверхности.

Параметры для моделирования

- Коэффициенты трения кабеля и зонда в обсаженных и открытых частях скважины

Эти параметры могут быть получены по данным из соседних скважин в том же самом регионе или оценены по набору таких данных из скважин с подобной геометрией и по свойствам, для которых имеются в распоряжении точные данные.

- Дополнительные воздействия, возникающие за счет центраторов, каверномеров и так далее, которые могут варьировать в зависимости от направления движения устройств - вверх или вниз.

Эти параметры могут быть рассчитаны или теоретически, или получены по эмпирическим данным, полученным в другом месте.

- Устьевое давление

Замеряется на поверхности.

- Дополнительное трение, обусловленное оборудованием для контроля давления на устье скважины

Оценивается по результатам измерений на поверхности.

Программа работает, рассчитывая натяжение на головке (это соединение между кабелем и устройством) зонда, когда устройство находится в определенной позиции в скважине. Оно вычисляется как сумма ряда сил:

- Вес зонда, распределенный вдоль скважины

- Трение за счет поперечных сил (вес устройства и дополнительной силы, обусловленной центраторами), которые прибавляются (при движении устройства вверх) или вычитаются (если устройство двигается вниз)

- Любая дополнительная сила, обусловленная движением флюида ("подъемная сила") или движением устройства в скважинном флюиде.

Принимая эти данные в качестве граничных условий, можно сделать расчет по каждому отрезку кабеля непосредственно над головкой устройства: так как локальное отклонение скважины и кривизна известны, так же как и коэффициенты трения и свойства флюидов, то изменения в натяжении вдоль каждого отрезка кабеля могут быть рассчитаны как сумма сил как для самого устройства. Можно видеть, что, повторяя этот процесс для всех отрезков кабеля до поверхности, можно вычислить полный профиль натяжения кабеля. Затем, полагая, что устройство находится в другом положении в скважине, можно повторить этот процесс.

Способ, по которому осуществляется определение отрезков по всему кабелю, может изменяться по потребностям. Обычно отрезок кабеля выделяется, как часть кабеля, натяжение которой, может считаться постоянным для этого измерения. Например, отрезок кабеля может быть определен как часть кабеля в таком участке ствола скважины, для которого отклонение, наклон или азимут меньше чем 1 градус. Другими индикаторами для определения отрезков кабеля может быть смена обсаженной части скважины на открытый ствол, известным изменением диаметра ствола или условий и т.д.

По завершении этой процедуры программа может оценить для каждой "истинной" глубины устройства длину кабеля (в растянутом состоянии), которая прошла перед устройством для измерения глубины.

С устройством на поверхности (которое может быть рассмотрено в скважине, но на нулевой глубине) напряжение в первом отрезке кабеля, когда он проходит перед измерительным роликом, может быть оценено, как было описано выше. Таким образом, может быть оценено растяжение кабеля по сравнению с его длиной при нулевом натяжении. По мере движения устройства вниз по скважине натяжение в этом отрезке и его температура будет изменяться. Так как известно, что растяжение кабеля является функцией натяжения и температуры, отличие в длине этого отрезка по сравнению с той, которая была измерена на поверхности, может быть вычислена, просто рассматривая его натяжение и температуру, когда устройство находится в скважине на данной глубине, и его натяжение и температура, когда оно проходит перед измерительным роликом на поверхности. Суммирование этих отличий по глубине по всей длине кабеля с устройством на всех возможных глубинах позволяет нам оценить разницу между "глубиной, измеренной по измерительному ролику" и "истинной глубиной устройства" (или "ошибку глубины") как функцию глубины устройства.

Так как натяжение каждого отрезка кабеля варьирует в зависимости от того, движется ли устройство вниз или вверх (так как знак трения изменяется), следовательно, "ошибка глубины" также меняется. Используя способ, описанный выше, можно осуществлять вычисление ошибки глубины при движении устройства вверх.

Непрерывная оценка требуемой поправки глубины в зависимости от истинной (или определенной по расчетам, или измеренной) глубины может быть применима к диаграмме ГИС или при воспроизведении данных, которые были получены ранее, или во время получения данных для создания диаграммы данных по ГИС в зависимости от исправленной глубины.

На фиг.2 показан пример рассчитанных напряжений, которые, как прогнозируется, будут наблюдаться на поверхности при проведении ГИС вверх и вниз по скважине в типичной наклонной скважине. На фиг.3 показана ожидаемая "ошибка глубин", когда устройство опускается по скважине, и прогнозируемая начальная ошибка по глубине, в случае когда лебедка остановлена и устройство поднято в скважине. На фиг.4 показано оценка того, как "ошибка глубины" меняется во время процесса ГИС, когда устройство поднято из скважины, полагая что, была сделана коррекция глубины при максимальной глубине, так что ошибка там установлена на ноль. Она также показывает ожидаемую разницу глубин между диаграммами ГИС, записанных, когда устройство двигалось вниз, и когда устройство поднималось, как функцию глубины. Эта последняя величина является полезной проверкой применимости обеих используемых алгоритмов и выбранных параметров, так как простая корреляция диаграмм, записанных при спуске и подъеме при проведении типичных работ по ГИС, позволяет провести простое сравнение между прогнозируемыми и наблюдаемыми значениями. Следует отметить, что нет прямого способа для определения абсолютного значения "ошибки глубины", но оценка этой разницы дает уверенность в прогнозах этой ее абсолютной величины. Дополнительная оценка, но менее полная, может быть сделана при помощи сравнения моделируемых и замеренных натяжений при различных глубинах устройства.

Программа для реализации способа согласно изобретению может использовать двухэтапный подход. На первом этапе натяжение в кабеле определяется для каждого положения устройства в скважине. На втором этапе растяжение кабеля рассчитывается согласно определенным натяжениям. На обоих этапах используются рассмотренные выше параметры, что позволяет с помощью программного обеспечения выполнить вычисления.

Вычисление натяжения

Натяжение каждого отрезка кабеля в скважине вычисляется для каждой позиции устройства в скважине и хранится в виде таблицы.

Поскольку натяжение кабеля будет различным при движении устройства вверх и вниз, вычисление выполняется для каждого направления:

1. Определяют в таблице позицию устройства, которая будет использована для расчета первого натяжения.

2. Устанавливают вес устройства (это может быть вес в воздухе, скважинном флюиде или комбинация двух параметров, зависящих от положения устройства в скважине и уровня флюида в скважине).

3. Определяют направление движения (движется ли устройство вверх или вниз по скважине?). Определяют, какие параметры, зависящие от направления, применяются при вычислении и каким способом.

4. Определяют изгибающие усилия, при их наличии. Поскольку при большой длине зонда или больших отклонениях в траектории скважин возможно, что зонду придется изгибаться для прохода через часть скважины, и усилие, возникающее при изгибе, может быть вычислено. Для осуществления этой операции определяется разница в азимутах и отклонениях верхней и нижней части участка скважины (данные имеются во вводимых параметрах).

5. Включают другие наложенные напряжения (например, тянущее усилие, если в скважине работает устройство позиционирования).

6. Вычисляют натяжение на головке устройства, возникающее за счет веса устройства, эффектов трения, подъемных сил, отклонения скважины и т.д.

7. Обрабатывают кабель по одному отрезку за раз, вычисляя натяжение в каждом отрезке. Это будет зависеть от веса устройства и других факторов (как определено выше), веса отрезка или отрезков кабеля, расположенных ниже, и других факторов, влияющих на вклад кабеля, расположенного ниже рассматриваемого отрезка, в вычисленное натяжение (трение, отклонение и т.д.).

Результатом этого вычисления является таблица с "картами" натяжения кабеля для каждого положения устройства в скважине.

Вычисление растяжения

На втором этапе вычисления при помощи предварительно рассчитанной таблицы натяжений определяется растяжение кабеля для каждого положения устройства в скважине. Могут быть сделаны три расчета растяжения: растяжение, определяемое при помощи измерительного ролика на поверхности, растяжения кабеля при движении устройства вниз и растяжения кабеля при движении устройства вверх. Следует отметить, что растяжение, видимое на поверхности, и растяжение, наблюдаемое при опускающемся устройстве, должно быть одним и тем же, если скважина вертикальна и трение постоянно, то есть измерительный ролик будет замерять "истинную" глубину устройства.

1. Вычисляют расширение/сжатие кабеля за счет температуры в скважине для каждого отрезка кабеля.

2. Вычисляют растяжение поверхностной измерительной системы. Так как каждый отрезок кабеля сматывается в скважину, он имеет известное натяжение (вычисленное на предыдущей стадии как натяжение кабеля на поверхности с устройством на соответствующей глубине). Это натяжение приводит к растяжению отрезка, так как он размотан в скважину. Поскольку (растянутая) длина кабеля, попавшего в скважину известна, может быть определено растяжение кабеля, замеренное на поверхности для устройства на этой глубине. Предыдущая стадия расчетов обеспечила значения вычисленных натяжений для каждого отрезка в момент его поступления в скважину, так по поверхностным замерам может быть вычислено общее удлинение на поверхности для устройства на данной глубине. Для этого вычисления полагается, что длина кабеля, движущегося на поверхности мимо измерительной системы, равна изменению в глубине устройства. Пока это не абсолютная истина, там имеется некоторое растяжение, но ошибка относительна мала.

3. Вычисляют растяжение кабеля в скважине от поверхности до глубины устройства. Поскольку вычислены натяжение в каждом отрезке кабеля на поверхности для каждого положения устройства, расположенного в скважине между поверхностью и текущей глубиной, (на первом этапе), и натяжение в каждом отрезке кабеля в скважине с устройством на текущей глубине в скважине (снова, на первом этапе), может быть вычислена разница между этими двумя величинами; таким образом, определяется разница в растяжении кабеля и отсюда вносится корректировка в измеренную глубину.

4. Для устройства на данной глубине определяются разница в растяжениях при движении вверх и вниз и между растяжениями, замеренными на поверхности и при движении наверх, для создания корректировок глубины или оценки ошибок измерения глубин.

Для изобретения не существенен точный способ, по которому параметризируется и моделируется физическое поведение кабеля и устройства, но он может варьировать, например, в зависимости от особых потребностей системы, используемой для измерения глубины.

Может быть рассмотрен пример реализации настоящего изобретения, связанный с траекторией скважины, изображенной на фиг.2, которая иллюстрирует ствол скважины, а также отклонения его в каждом из трех измерений. Параметры скважины, зонда, кабеля и так далее показаны ниже в Таблице 1:

Таблица 1Параметры, связанные со скважиной Открытый или обсаженный стволОбсаженныйГлубина флюида в скважине0 футовИзмеренная глубина12000 футовУстьевое давление по манометру0 фунтов/квадратный дюймТемпература на поверхности75 град. по ФаренгейтуТемпература на забое200 град. по ФаренгейтуПараметры устройства и кабеля Вес зонда в воздухе1200 фунтовДиаметр зонда3,375 дюймаДлина зонда70 футовВес зонда во флюиде900 фунтовГидродинамическое сопротивление в выкидной линии0 фунтовСопротивление центратора при движении вверх200 фунтовСопротивление центратора при движении вниз200 фунтовПрисутствие устройства позиционированияНетКоэффициент трения кабеля (обсаженная скважина)0,35Коэффициент трения кабеля (открытый ствол)0,35Внешний диаметр кабеля0,464 дюймаВес кабеля в воздухе332 фунта/футВес кабеля в воде265 фунта/футКоэффициент растяжения9,63×10^-7 фут/фут фунтТемпературный коэффициент-8,36 10^-6 фут/фут град. Фаренгейта

Применение этих параметров в заявленном способе обеспечивает следующую информацию:

Нормальное натяжение на поверхности при устройстве на полной глубине7965,6 фунтовПоправка по глубине для прибавления к общей глубине28,2 фунтаРазница в общей глубине, измеренная при движении устройства вверх и вниз37,2 фунта

Измеренная глубина, футыНатяжение при движении вверх, фунтыНатяжение при движении вниз, фунты01100,0700,05001225,9825,910001351,7951,715001477,61077,620001603,41203,425001729,31329,330001855,11455,135002212,41291,440002386,71308,845002543,91381,150002793,61303,155003034,21210,060003235,31146,165003420,01167,970003604,71188,575004374,11325,180005223,51418,485005872,31475,090006238,81507,295006605,41539,0100006972,21570,7105007848,91661,0

На фиг.3 показан график зависимости разницы между глубинами по диаграммам ГИС, определенными при движении устройства вверх и вниз, и накопленной ошибки в диаграмме ГИС, сделанной при движении устройства вверх. На фиг.4 показан график поправки, которую необходимо применять при определении глубины устройства по измеренной глубине.

Изобретение относится к способу определения глубины расположения спущенного в скважину на кабеле оборудования. Техническим результатом является коррекция глубины, измеренной по кабелю на поверхности, для получения истинной глубины устройства. Способ включает определение длины кабеля, спущенного в скважину, на поверхности, деление кабеля в скважине на серию элементов. Причем каждый элемент в серии задают как часть кабеля, для которого натяжение рассматривается как эффективно постоянная величина. Затем определяют натяжение в каждом элементе кабеля в скважине, растяжение кабеля в скважине для определенного натяжения во всех элементах и определяют глубину оборудования по длине кабеля, спущенного в скважину с поверхности, и определенному растяжению кабеля в скважине. 8 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

1. Способ определения глубины оборудования в подземной скважине, причем оборудование подвешено в скважине посредством кабеля, протягивающегося с поверхности в скважину, который включает в себя:

(i) определение длины кабеля, спущенного в скважину, на поверхности;

(ii) деление кабеля в скважине на серию элементов;

(iii) задают каждый элемент в серии как часть кабеля, для которого натяжение рассматривается как эффективно постоянная величина;

(iii) определение натяжения в каждом элементе кабеля в скважине;

(iv) определение растяжения кабеля в скважине для определенного натяжения во всех элементах и

(v) определение глубины оборудования по длине кабеля, спущенного в скважину с поверхности, и определенному растяжению кабеля в скважине.

(i) определение серии параметров, относящихся к скважине;

(ii) определение серии параметров, относящихся к оборудованию;

(iii) использование параметров скважины и оборудования для определения серии параметров, связанных с взаимодействием оборудования со скважиной;

(iv) определение натяжения в каждом элементе кабеля, используя определенные параметры.