СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ ПРИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК E21B47/04 

Изобретение относится к области измерений в процессе геофизических исследований бурящихся нефтяных и газовых скважин.

Известен способ определения глубины скважины, выполняемый без использования каротажного кабеля (заявка на патент РФ №93055889, G01V 1/40, 1996.), согласно которому на забой скважины спускают сейсмический приемник, вблизи устья скважины с учетом точных координат устанавливают источник сейсмических сигналов, инициируя источником сейсмические колебания, производят регистрацию времен распространения сейсмического сигнала от устья скважины до сейсмического приемника на забое скважины. Затем производят импульсное сейсмическое воздействие в трех точках на поверхности земли с известными координатами и регистрацию времен распространения сейсмической волны от этих точек до сейсмического приемника на забое. На основе зарегистрированных данных распространения сейсмических сигналов вычисляют координаты забоя скважины. При этом вертикальная координата с учетом превышения земной поверхности над уровнем моря соответствует глубине скважины по вертикали.

Известный способ позволяет достаточно точно вычислить глубину вертикальной скважины. Однако для таких вычислений следует с высокой точностью учитывать скорость распространения упругих волн по породам пересекаемого скважиной разреза, что требует большого объема дополнительных исследовательских работ.

Известен способ измерения глубины скважины (патент РФ №2272130, Е21В 47/00, 2006.), взятый за прототип. Согласно этому способу источник и приемник колебаний среды размещают на буровом инструменте, спускаемом в скважину. При этом в качестве источника импульсов колебаний среды используют управляемый клапан, установленный вблизи долота. Посредством управляемого клапана перекрывают проходное сечение бурильных труб и генерируют импульсы давления буровой жидкости. В качестве приемника импульсов колебаний среды используют два идентичных датчика давления, один из которых устанавливают на колонне бурильных труб вблизи устья скважины, а второй - ниже по оси трубопровода на 10-20 метров. По времени распространения импульсов давления от источника к приемнику и между приемниками рассчитывают скорость распространения импульсов давления в данной среде, а глубину скважины вычисляют по формуле:

H={[h/(T-t)]+D-P,

где Н - глубина скважины; h - расстояние между датчиками давления;

t - время распространения импульса давления от управляемого клапана до первого датчика давления; Т - время распространения импульса давления от управляемого клапана до второго датчика давления; D - расстояние от управляемого клапана до долота; р - расстояние от первого датчика давления до стола ротора.

Известный способ позволяет определять искомую глубину в любой точке ствола как вертикальной, так и наклонной скважины с достаточно высокой точностью измерений. Однако возможность применения известного способа ограничена, поскольку осуществим он только в процессе бурения и невозможен при работе с геофизическими приборами на кабеле или с автономными приборами.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности измерения глубины скважины методом акустического воздействия на скважинную жидкость при различных технологиях проведения геофизических исследований с высокой надежностью и точностью измерения полученных параметров.

Поставленная задача решается тем, что по способу измерения глубины скважины, включающему операции размещения на забое и вблизи устья скважины соответственно источника и приемника импульсов колебаний среды, измерение промежутка времени от момента отправки из источника импульса колебаний среды до его поступления в приемник и вычисление по полученным данным глубины скважины, согласно первому варианту осуществления изобретения источник импульсов колебаний среды устанавливают на устье скважины, на геофизическом приборе устанавливают два приемника колебаний среды, разнесенные по оси геофизического прибора друг от друга на базовое расстояние, соизмеримое с габаритными размерами геофизического прибора, спускают геофизический прибор в скважину на каротажном кабеле, далее импульсы колебаний среды, принятые по гидравлическому каналу скважины от источника на устье скважины, преобразуют посредством приемников в электрические нормированные импульсы, которые передают по геофизическому кабелю к наземным системам регистрации, при этом глубину скважины определяют по формуле: H₁=T₁/(Т₂-Т₁), где H₁ - текущая глубина скважины; T₁ и Т₂ - время пробега импульса колебаний среды от источника до первого и второго приемника соответственно.

Аналогично, по способу измерения глубины скважины, включающему операции размещения на забое и вблизи устья скважины соответственно источника и приемника импульсов колебаний среды, измерение промежутка времени от момента отправки из источника импульса колебаний среды до его поступления в приемник и вычисление по полученным данным глубины скважины, согласно второму варианту осуществления изобретения источник импульсов колебаний среды устанавливают на устье скважины, на геофизическом приборе устанавливают два приемника колебаний среды, разнесенные по оси прибора друг от друга на базовое расстояние, соизмеримое с габаритными размерами геофизического прибора, спускают геофизический прибор в скважину на колонне труб или колтюбинге, фиксируют на поверхности текущее время излучения каждого импульса колебаний среды, одновременно фиксируя в памяти геофизического прибора текущее время поступления каждого соответствующего импульса колебаний среды, принятого по колонне труб, при этом путем изменения как минимум одного из параметров излучаемых импульсов колебаний среды в процессе спуско-подъемных операций производят управление режимами измерений геофизического прибора, а по окончании исследования наземной системой регистрации путем сопоставления и обработки данных определяют глубину скважины по формуле:

Hi=V_T(Tiп-Tiи), где Hi - текущая глубина скважины в i-й момент измерения;

Tiп и Tiи - текущее время приема и излучения соответственно i-го импульса колебаний среды; V_T - скорость распространения импульса по трубе.

Аналогично, по способу измерения глубины скважины, включающему операции размещения на забое и вблизи устья скважины соответственно источника и приемника импульсов колебаний среды, измерение промежутка времени от момента отправки из источника импульса колебаний среды до его поступления в приемник и вычисление по полученным данным глубины скважины, согласно третьему варианту осуществления изобретения источник импульсов колебаний среды размещают непосредственно в геофизическом приборе, спускаемом в скважину на каротажном кабеле либо на колонне труб, а прием импульсов колебаний среды осуществляют наземной системой регистрации, которой фиксируют текущее время излучения первого импульса из пакета передаваемых импульсов от источника колебаний среды и текущее время его прихода по гидравлическому каналу скважины, при этом глубину скважины вычисляют по формуле:

Hi=Vж(Тiи-Tiп), где Hi - текущая глубина скважины; Vж - скорость распространения импульса по жидкости; Тiи и Tiп - текущее время излучения и приема i-го импульса колебаний среды соответственно.

Предложенные варианты способа измерения глубины при геофизических исследованиях нефтяных и газовых скважин имеют следующие преимущества по сравнению с известными способами:

- при реализации предложенного способа по первому и второму варианту применение двух приемников импульсов колебаний среды с базовым расстоянием относительно друг друга, соизмеримым с габаритными размерами геофизического прибора, позволяет устанавливать их на геофизическом приборе и проводить измерение глубин непосредственно в процессе геофизических исследований приборами, спускаемыми в скважину как на кабеле, так и на колонне труб. Базовое расстояние между приемниками импульсов колебаний среды позволяет исключить влияние параметров скважинной жидкости (температуры, давления, плотности) на показатель скорости распространения импульсов колебаний среды;

- предложенные варианты способа не ограничивают частоту следования зондирующих импульсов колебаний среды (частоту измерения), что позволяет одновременно с измерением глубины скважины, путем изменения как минимум одного из параметров зондирующего импульса (период следования, модуляция по частоте или по фазе и т.д.), управлять режимами работы отдельных каналов геофизического прибора и проводить каротаж скважины без подъема инструмента. При этом значительно сокращается потребление энергии в скважинных приборах, а также время проведения исследований и, соответственно, время задалживания скважины;

- применение третьего варианта предложенного способа измерения глубины позволяет проводить измерение глубин непосредственно в процессе бурения скважины с одновременным проведением геофизических исследований путем выделения характерного признака импульса от излучателя, размещенного в геофизическом приборе, из общего пакета передаваемой на поверхность информации. При этом для реализации этого варианта способа не требуется использование специальных приемников импульсов колебаний среды, что значительно упрощает конструкцию геофизического прибора;

- для реализации предложенного способа измерения глубины по первому и второму варианту не требуется создания специального излучателя импульсов колебания среды, поскольку в качестве акустического излучателя может использоваться промышленный сейсмический излучатель, широко применяемый при сейсмических исследованиях.

На практике предложенный способ измерения глубины методом акустического воздействия на скважинную жидкость при геофизических исследованиях нефтяных и газовых скважин осуществляется следующим образом.

Вариант 1. Измерение глубины скважины в процессе проведения каротажных исследований необсаженной скважины

Вблизи скважины в направлении устья устанавливают сейсмический излучатель АИ. На геофизическом приборе устанавливают первый и второй приемники колебаний среды - гидрофоны Г1 и Г2 соответственно, разнесенные друг от друга на базовое расстоянии L=1 м по оси прибора (при этом в случае работы с комплексными геофизическими приборами гидрофоны Г1 и Г2 устанавливают на первом модуле). Спускают геофизический прибор в скважину на каротажном кабеле В процессе проведения скважинных исследований АИ периодически излучает акустические импульсы, которые проходя по скважинной жидкости принимаются гидрофонами Г1 и Г2, преобразуются в нормированные электрические сигналы и передаются по каротажному кабелю к наземным системам регистрации. Системы регистрации рассчитывают время Т1 и Т2 распространения акустического импульса от АИ до гидрофонов Г1 и Г2 соответственно. Расстояние H1 от АИ до гидрофона Г1 будет равно H1=Vж·Т1, а расстояние Н2 от АИ до гидрофона Г2 будет равно Н2=Vж·Т2 (где Vж - скорость распространения акустического импульса в скважинной жидкости). Поскольку базовое расстояние между гидрофонами Г1 и Г2 равно 1 м, то скорость Vж будет определяться как Vж=1/(Т2-Т1). Следовательно, расстояние от АИ до гидрофона Г1, то есть текущая глубина скважины, определится по формуле H1=Т1/(Т2-Т1).

Учитывая, что H1>>L, амплитуды сигналов обоих гидрофонов будут практически одинаковы. Следовательно, погрешности, связанные с затуханием сигналов по базе L, будут минимальными.

На практике при глубине скважины 4000 м и средней скорости Vж=1500 м/с максимальное время T1max и Т2max составило соответственно Т1max=2666,66 мс и Т2max=2667,33 мс. Минимальное время определялось минимально необходимым шагом квантования по глубине_Н=0,1 м и составило T1min=67 мкс и T2min=733 мкс. Частота следования зондирующих импульсов (частота измерения) в данном случае может быть любой и ограничивается только длительностью зондирующих импульсов во избежание их наложения и интерференции.

Вариант 2. Измерение глубины скважины в процессе проведения каротажных исследований геофизическим прибором, спускаемым в скважину на колонне бурильных труб, в том числе при работе с колтюбингом

Вблизи скважины в направлении устья устанавливают сейсмический излучатель АИ. На геофизическом приборе устанавливают первый и второй приемники колебаний среды - гидрофоны Г1 и Г2 соответственно, разнесенные друг от друга на базовое расстоянии L=1 м по оси прибора (при этом в случае работы с комплексными геофизическими приборами гидрофоны Г1 и Г2 устанавливают на первом модуле). Опускают в скважину геофизический прибор на колонне бурильных труб или колтюбинге.

В процессе проведения скважинных исследований АИ периодически излучает акустические импульсы. Наземные системы фиксируют текущее время Тiи излучения каждого импульса колебаний среды. Излученные импульсы распространяются по скважинной жидкости и колонне бурильных труб. Так как скорость распространения импульсов колебаний среды по колонне бурильных труб значительно выше, чем по скважинной жидкости, первыми гидрофонами Г1 и Г2 принимаются импульсы, распространяющиеся по колонне труб. Гидрофоны Г1 и Г2 преобразует их в нормированные электрические сигналы. Системы регистрации геофизического прибора фиксируют текущее время Tiп поступления соответствующего импульса по колонне труб от АИ к гидрофонам Г1 и Г2, сохраняя его в памяти прибора. По окончании геофизических исследований сохраненные данные сопоставляют с данными наземной аппаратуры и производят расчет текущих глубин Hi исследуемой скважины.

Текущая глубина скважины рассчитывается по формуле:

Hi=Vт(Тiп-Тiи),

где Hi - текущая глубина скважины; Тiи, Tiп - текущее время излучения и приема i-го импульса колебаний среды соответственно; Vт - скорость распространения импульса колебаний среды по трубе (с учетом материала трубы).

Измерение глубины скважины по импульсам колебаний среды, поступающим по колонне бурильных труб, в данном случае предпочтительнее, поскольку практически исключается зависимость скорости распространения излученного импульса колебаний среды от параметров скважинной жидкости и скорость определяется только материалом труб.

На практике применялась колонна стальных труб. Скорость распространения излученного импульса колебаний среды по колонне стальных труб составила V_T=5600 м/с.

Наряду с регистрацией параметров Тiи и Tiп, путем изменения какого либо из параметров самого зондирующего импульса (импульса, посылаемого АИ), например, периода следования, производится управление режимом работы скважинного геофизического прибора. Так, путем изменения периода следования зондирующих импульсов можно управлять коэффициентами усиления трактов усиления, включать и выключать отдельные каналы и т.д.

Вариант 3. Измерение глубины скважины при проведении каротажа скважины в процессе бурения

Акустический излучатель АИ устанавливается непосредственно в геофизическом приборе. В процессе проведения каротажа скважины АИ излучает импульсы колебаний среды. Скважинная система геофизического прибора регистрирует текущее время Тiи излучения первого импульса из пакета передаваемых сигналов и передает эту информацию наземной системе регистрации. Наземная система регистрации фиксирует текущее время поступления Tiп данного импульса по гидравлическому каналу связи. С учетом полученных данных рассчитывается текущая глубина скважины в i-й момент времени по формуле:

Hi=Vж(Tiп-Tiи),

где Hi - текущая глубина скважины; Tiи, Tiп - текущее время излучения и приема i-го импульса колебаний среды соответственно; Vж - скорость распространения импульса колебаний среды по скважинной жидкости.

Так как плотность скважинной жидкости известна и контролируется в процессе бурения, а температура не имеет значительных аномалий, данная формула не требует поправок и обеспечивает достаточно высокую точность измерений.

Таким образом, предложенный способ измерения глубины скважины методом акустического воздействия на скважинную жидкость в процессе геофизических исследований нефтяных и газовых скважин обеспечивает возможность измерения глубины скважины достаточно простым и надежным методом при любых геофизических исследованиях независимо от типа скважин.

Использование при этом гидроакустического канала связи в комбинации с каналами забойных телесистем является простым и доступным средством, обеспечивающим высокую точность измерений.

Изобретение относится к области измерений в процессе геофизических исследований бурящихся нефтяных и газовых скважин. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности измерения глубины скважины при различных технологиях проведения геофизических исследований с высокой надежностью и точностью измерения полученных параметров. В зависимости от задачи исследований и вида скважины геофизический прибор спускают на кабеле либо на колонне труб или колтюбинге. С учетом скорости пробега импульса колебаний среды по гидравлическому каналу скважины или трубе и текущего времени его излучения и приема вычисляют глубину скважины. В процессе работы с геофизическим прибором на кабеле импульсы колебаний среды, принятые по гидравлическому каналу скважины от источника на устье, преобразуют посредством приемников и передают по каротажному кабелю к наземной системе регистрации. При исследованиях автономными геофизическими приборами на трубах или колтюбинге фиксируют в наземной системе текущее время излучения каждого импульса колебаний среды, а текущее время поступления соответствующих импульсов колебаний среды по трубам регистрируют в памяти геофизического прибора для последующей обработки данных. При геофизических исследованиях непосредственно в процессе бурения источник импульсных колебаний среды размещают в геофизическом приборе. Наземной системой регистрации фиксируют текущее время излучения первого импульса из пакета передаваемых импульсов от источника колебаний среды и текущее время его прихода по гидравлическому каналу связи. Наряду с этим посредством изменения как минимум одного из параметров излучаемого импульса колебаний среды одновременно с измерением глубины управляют режимами работы геофизического автономного прибора. 3 н.п. ф-лы.

1. Способ измерения глубины при геофизических исследованиях нефтяных и газовых скважин, включающий размещение в скважине источника и приемников импульсов колебаний среды, измерение промежутка времени от момента отправки от источника импульса колебаний среды до его поступления в приемники и вычисление по полученным данным глубины скважины, отличающийся тем, что источник импульсов колебаний среды устанавливают на устье скважины, на геофизическом приборе устанавливают два приемника колебаний среды, разнесенные по оси прибора друг от друга на базовое расстояние, соизмеримое с габаритными размерами геофизического прибора, спускают геофизический прибор в скважину на каротажном кабеле, и далее импульсы колебаний среды, принятые по гидравлическому каналу скважины от источника, преобразуют посредством приемников колебаний среды в электрические нормированные импульсы, которые передают по каротажному кабелю к наземной системе регистрации, при этом глубину скважины вычисляют по формуле
H₁=T₁L/(T₂-T₁),
где H₁ - текущая глубина скважины; L - базовое расстояние между приемниками; T₁ и Т₂ - время пробега импульса от источника колебаний среды до первого и второго приемника соответственно.

2. Способ измерения глубины при геофизических исследованиях нефтяных и газовых скважин, включающий размещение в скважине источника и приемников импульсов колебаний среды, измерение промежутка времени от момента отправки от источника импульса колебаний среды до его поступления в приемники и вычисление по полученным данным глубины скважины, отличающийся тем, что источник импульсов колебаний среды устанавливают на устье скважины, на геофизическом приборе устанавливают два приемника колебаний среды, разнесенные по оси прибора друг от друга на базовое расстояние, соизмеримое с габаритными размерами геофизического прибора, спускают геофизический прибор в скважину на колонне труб или колтюбинге, фиксируют на поверхности текущее время излучения каждого импульса колебаний среды, одновременно фиксируя в памяти геофизического прибора текущее время поступления каждого соответствующего импульса колебаний среды, принятого по колонне труб, при этом путем изменения как минимум одного из параметров излучаемых импульсов колебаний среды в процессе спуско-подъемных операций производят управление режимами измерений автономного геофизического прибора, а по окончании исследований наземной системой регистрации путем сопоставления и обработки данных определяют глубину скважины по формуле
H_i=V_тр(T_iп-T_iи),
где H_i - текущая глубина скважины в i - тый момент измерения;
V_тр - скорость распространения звука по трубам с учетом материала труб; Т_iи и T_iп - текущее время излучения и приема i - того импульса колебаний среды соответственно.

3. Способ измерения глубины при геофизических исследованиях нефтяных и газовых скважин, включающий размещение в скважине источника и приемника импульсов колебаний среды, измерение промежутка времени от момента отправки от источника импульса колебаний среды до его поступления в приемник и вычисление по полученным данным глубины скважины, отличающийся тем, что источник импульсов колебаний среды размещают непосредственно в геофизическом приборе, спускаемом в скважину на каротажном кабеле либо на колонне труб, а прием импульсов колебаний среды осуществляют наземной системой регистрации, которой фиксируют текущее время излучения первого импульса из пакета передаваемых импульсов от источника колебаний среды и текущее время его прихода по гидравлическому каналу скважины, при этом глубину скважины вычисляют по формуле
H_i=V_ж(T_iп-T_iи),
где Н_i - текущая глубина скважины в i - тый момент измерения;
V_ж - скорость распространения импульса колебаний в скважинной жидкости; Т_iи, T_iп - текущее время излучения и приема i - того импульса колебаний среды.