BR112013003751B1

BR112013003751B1 - sistema e método de medir características direcionais de uma ferramenta de fundo de poço

Info

Publication number: BR112013003751B1
Application number: BR112013003751-2A
Authority: BR
Inventors: Gerald Heisig; John D. Macpherson
Original assignee: Baker Hughes Incorporated
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2020-06-30
Also published as: US20120046865A1; GB201301521D0; GB2496786A; WO2012024474A3; US9200510B2; GB2496786B; NO20130118A1; WO2012024474A2; BR112013003751A2; NO345240B1

Abstract

SISTEMA E MÉTODO PARA ESTIMAR CARACTERÍSTICAS DIRECIONAIS COM BASE NAS MEDIDAS DO MOMENTO DE FLEXÃO. A presente invenção refere-se a um sistema para medir características direcionais de uma ferramenta de perfuração que inclui: pelo menos um dispositivo de medição do momento de flexão (BM) disposto em um componente de fundo de poço, e pelo menos um dispositivo de medição de BM configurado para gerar dados do momento de flexão em pelo menos uma profundidade no fundo do poço, os dados do momento de flexão, e um processador em comunicação operável com o dispositivo de medição de BM e configurado para receber dados do momento de flexão a partir do dispositivo de medição de BM, calculado um fator de sinuosidade (DLS) a partir do momento de flexão e um ângulo da fece de ferramenta do poço (WTF) a partir do ângulo BTF, e calculado pelo menos uma mudança em inclinação e uma mudança em enzimute com base no DLS e no ângulo de WTF.

Description

SISTEMA E MÉTODO DE MEDIR CARACTERÍSTICAS DIRECIONAIS DE UMA FERRAMENTA DE FUNDO DE POÇO

REFERÊNCIA CRUZADA AOS PEDIDOS RELACIONADOS

[0001] Este pedido reivindica o benefício de uma data de depósito anterior do Pedido Provisório EUA N° de Série 61/374.795 depositado no dia 18 de agosto de 2010, cuja descrição inteira está incorporada aqui por referência.

ANTECEDENTES

[0002] Na prática de perfuração direcional, o curso de um poço é determinado medindo o fundo do poço na direção do poço com inclinômetros e magnetômetros em pontos de pesquisa discretos, principalmente tirados depois da perfuração, um suporte de tubo e fazendo uma conexão. Os sensores direcionais provêm um ângulo de inclinação com respeito ao ângulo vertical e um azimutal B em relação ao Norte magnético. Complementado com a profundidade medida nos pontos de inclinação e levantamento, uma série de estações de pesquisa podem ser obtidos. Na maioria das aplicações direcionais, o método de curvatura mínima é aplicado para calcular o curso do poço a partir das estações de pesquisa. O método de curvatura mínima assume um arco circular entre as estações de pesquisa com curvatura ou fator de sinuosidade constante (DLS). Efeitos adicionais como variações de curvatura local, podem gerar erros de profundidade significativos, em particular com sistemas de motor manobráveis se operados alternadamente no modo de deslizamento e rotativo entre as estações de pesquisa. Além disso, sensores direcionais padrão podem ser afetados pela interferência magnética, seja dos poços nas redondezas ou em operações de saída de revestimento.

SUMÁRIO

[0003] Um sistema para medir características direcionais de uma ferramenta de fundo do poço inclui: pelo menos um dispositivo de medição do momento de flexão (BM) disposto em um componente de fundo do poço que é configurado para ser móvel dentro de uma perfuração, o pelo menos um dispositivo de medição BM configurado para gerar dados do momento de flexão em pelo menos uma profundidade na perfuração, os dados do momento de flexão incluindo um vetor de flexão da ferramenta do fundo do poço, um momento de flexão representando uma amplitude do vetor de flexão, e um ângulo da face da ferramenta de flexão (BTF) representando uma orientação do vetor de flexão; e um processador em comunicação operável com o dispositivo de medição BM e configurado para receber dados do momento de flexão a partir do dispositivo de medição BM, calculado um fator de sinuosidade (DLS) a partir do momento de flexão baseado em ângulo de superfície de ferramenta de poço (WRF) e do ângulo BTF, e calculado pelo menos em uma mudança em inclinação e uma mudança em azimute com base no DLS e no ângulo de WTF.

[0004] Um método de medição de características direcionais de uma ferramenta de fundo do poço inclui: dispor um componente de fundo do poço e uma perfuração em uma formação de terra, o componente de fundo do poço operavelmente acoplado a pelo menos um dispositivo de medição do momento de flexão (BM); gerar dados do momento de flexão através de pelo menos um dispositivo de medição de BM em pelo menos uma profundidade na perfuração, os dados do momento de flexão incluindo um vetor de flexão da ferramenta de fundo do poço, um momento de flexão representando uma amplitude do vetor de flexão, e um ângulo da face de ferramenta de flexão (BTF) representando uma orientação do vetor de flexão; receber dados do momento de flexão a partir do dispositivo de medição BM em um processador; calcular uma fator de sinuosidade (DLS) a partir do momento de flexão e um ângulo BTF da face de ferramenta de poço (WTF); e calcular pelo menos uma de uma mudança na inclinação e uma mudança em azimute com base no DLS e no ângulo WTF.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0005] As descrições a seguir não deverão ser consideradas limitantes de maneira alguma. Com referencia aos desenhos que acompanham, como elementos são numerados da mesma maneira:

[0006] a Figura 1 é uma vista de corte transversal de uma modalidade de um sistema de perfuração e/ou geosteering-,

[0007] a Figura 2 é uma vista em perspectiva de uma ferramenta de fundo do poço para medir o momento de flexão em um local em uma coluna de perfuração;

[0008] a Figuras 3A e 3B são vistas em perspectiva de um componente de fundo do poço mostrando um ângulo da face da ferramenta de flexão (BTF);

[0009] a Figura 4 é uma ilustração exemplar de um ângulo da face da ferramenta do poço (WTF);

[0010] a Figura 5 é um fluxograma provendo um método exemplar de estimar uma inclinação e/ou azimute de um componente de fundo do poço;

[0011] a Figura 6 é uma vista em perspectiva de uma sonda direcional do fundo do poço;

[0012] a Figura 7 é uma vista de perto de uma sonda direcional da a Figura 6;

[0013] a Figura 8 é uma ilustração exemplar de um ângulo de compensação do sensor; e

[0014] a Figura 9 é uma ilustração de um programa de folha de cálculo usado para estimar ângulos BTF.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0015] Os sistemas e métodos descritos aqui para estimar ou calcular várias características direcionais das medições do momento de flexão em um componente de fundo do poço. Em uma modalidade, um ângulo da face de ferramenta do poço (WTF) e/ou ângulo da face da ferramenta de flexão (BTF) é derivado dos sensores do momento de flexão em uma ferramenta de fundo do poço. Por exemplo, o ângulo BTF é estimado a partir de medições ortogonais do momento de flexão, e o ângulo WTF é estimado a partir do ângulo BTF. Em uma modalidade, mudanças no ângulo de inclinação e/ou de azimute em uma perfuração são estimadas em uma gravidade de fator de sinuosidade (DLS) derivado de medições do momento de flexão e o ângulo WTF. Ambos, o DLS e o WTF, podem ser estimados usando medidos de um par de sensores momento de flexão ortogonal que são ambos perpendiculares para um eixo de perfuração e um para o outro.

[0016] Com referência à Figura 1, uma modalidade exemplar de um sistema de perfuração de poço, perfilagem e/ou geosteering 10 inclui uma coluna de perfuração 11 que é mostrada disposta em um poço ou perfuração 12 que penetra pelo menos uma formação de terra 13 durante a operação de perfuração e faz medições de propriedades da formação 13 e/ou a perfuração 12 do fundo do poço. Como descrito aqui, "perfuração" ou "poço" se refere a um único buraco que forma todo ou parte de um poço perfurado. Como descrito aqui, "formações" se refere às várias características e materiais que podem ser encontrados em um ambiente de subsuperfície e em torno da perfuração.

[0017] Em uma modalidade, o sistema 10 inclui um mastro convencional 14 que suporta uma mesa rotativa 16 que é rodada por um movimento iniciador em uma velocidade rotacional desejada. A coluna de perfuração 11 inclui uma ou mais seções de tubos de perfuração 18 que se estendem à jusante dentro da perfuração 12 a partir da mesa rotativa 16, e é conectada a um conjunto de perfuração 20. O fluido de perfuração ou lama de perfuração 22 é bombeado através da coluna de perfuração 11 e/ou fundo do poço 12. O sistema de perfuração de poço 10 também inclui uma montagem de fundo do poço (BHA) 24.

[0018] A montagem de perfuração 20 é potencializada por um acionamento rotativo de superfície, um motor usando fluido pressurizado (por exemplo, um motor de lama), um motor de acionar eletricamente e/ou outro mecanismo apropriado. Em uma modalidade, um motor de perfuração ou motor de lama 26 é acoplado à montagem de perfuração 20 através de um eixo de acionamento disposto em uma montagem de mancai 28 que gira a montagem de broca de perfuração 20 quando o fluido de perfuração 22 atravessa o motor de lama 26 sob pressão.

[0019] Em uma modalidade, a montagem de perfuração 20 inclui uma montagem de direção incluindo um eixo 30 conectado a uma broca de perfuração 32. O eixo 30, que em uma modalidade é acoplado ao motor de lama, é utilizado em operações de geosteering para manobrar a broca de perfuração 32 e a coluna de perfuração 11 através da formação.

[0020] Em uma modalidade, a montagem de perfuração 20 é incluída na montagem de fundo do poço (BHA) 24, que é disposta dentro do sistema 10 no ou perto da porção do fundo do poço da coluna de perfuração 11.O sistema 10 inclui qualquer número de ferramentas de fundo do poço 34 por vários processos incluindo formação de perfuração, geosteering , e avaliação da formação (FE) para medição versus profundidade e/ou tempo, uma ou mais quantidades físicas em ou em torno de uma perfuração. A ferramenta 34 pode ser incluída em ou incorporada como um BHA, componente de coluna de perfuração ou outro veículo apropriado. Um "veículo" como descrito aqui significa qualquer dispositivo, componente de dispositivo, combinação de dispositivos, meio e/ou membro que pode ser útil para conduzir, alojar, suportar ou de outra maneira facilitar o uso de outro dispositivo, componente de dispositivo, combinação de dispositivos, meio e/ou membro. Veículos não limitantes exemplares incluem colunas de perfuração do tipo tubagem flexível do tipo tubagem bobinada, do tipo tubagem junta e qualquer combinação ou porção das mesmas. Outros exemplos de veículos incluem tubos de revestimento, cabos elétricos, sondas de cabos elétricos, sondas de corda de piano, disparos de gotas, substitutos de fundo do poço, montagens do fundo do poço, e colunas de perfuração.

[0021] Em uma modalidade, a ferramenta 34 inclui dispositivos de sensor configurados para medir características direcionais em vários locais ao longo da perfuração 12. Exemplos de tais características direcionais incluem inclinação e azimute, a partir dos quais fator de sinuosidade (DLS) pode ser derivada. A ferramenta 34, ou outra ferramenta, pode incluir sensores para medição do momento de flexão (BM), o ângulo da superfície da ferramenta de flexão (BTF), e o ângulo da face da ferramenta de poço (WTF). Por exemplo, a ferramenta 34 inclui um ou mais sensores 36, 38 para medição dos momentos de flexão, como extensômetro ou montagens de extensômetro (por exemplo, um circuito Wheatstone Bridge). Outros sensores podem incluir um inclinômetro 40 configurado para prover dados da inclinação. Embora os dispositivos de sensor sejam mostrados em conjunto com a ferramenta 34 na Figura 1, os dispositivos de sensor não são assim limitados e podem ser incluídos com quaisquer componentes de fundo do poço desejados como a coluna de perfuração 11 ou outra coluna de perfuração, a BHA 24 e a montagem de perfuração 20.

[0022] Um exemplo da ferramenta 34 é mostrada na Figura 2. Um sistema de coordenadas ortogonais exemplar inclui um eixo z- que corresponde ao eixo longitudinal da ferramenta 34, e eixos x- e y- perpendiculares. Em uma modalidade, os dispositivos de sensor são configurados para tomar duas medições perpendiculares independentes do momento de flexão em locais de corte transversal selecionados da ferramenta 34. A ferramenta 34 pode incluir sensores de medição de flexão 36, 38 (por exemplo, extensômetro) em uma montagem de fundo de poço ou outro componente de coluna de perfuração, ou uma sonda de medição de flexão disposta na ferramenta 34. A posição dos sensores de medição de flexão é mostrada na ferramenta 34 através de marcas, indentações ou outras indicações "X" e "Y" indicando as posições angulares dos sensores de medição 36, 38 localizados no eixo x- e eixo y-, respectivamente. Por exemplo, a marcação X mostra a posição angular de um extensômetro de 36 e a marcação Y mostra uma posição angular de um extensômetro 38.

[0023] Referindo-se novamente à Figura 1, em uma modalidade, a ferramenta 34 inclui e/ou é configurada para se comunicar com um processador para receber, medir e/ou estimar medições do momento de flexão. Por exemplo, a ferramenta 34 é equipada com equipamento de transmissão para se comunicar, sobretudo, com uma unidade de processamento de superfície 42. Em uma modalidade, a unidade de processamento de superfície 42 é configurada como uma unidade de controle de perfuração de superfície que controla vários parâmetros de perfuração como velocidade rotativa, peso na broca, parâmetros de fluxo de fluido de perfuração e outros, e dados de avaliação de formação de registros e exibições em tempo real. Tais equipamentos de transmissão podem tomar qualquer forma desejada, e meios e conexões de transmissão diferentes podem ser usados. Exemplos de conexões incluem conexões com fio, fibra óptica, acústica, sem fio e telemetria de pulso de lama.

[0024] Em uma modalidade, a unidade de processamento de superfície 42 e/ou a ferramenta 34 include componentes como necessário para prover para armazenas e/ou dados de processamento coletados de vários sensores a esse respeito. Componentes exemplares incluem, sem limitação, pelo menos um processador, armazenamento, memória, dispositivos de entrada, dispositivos de saída e similares. A unidade de processamento de superfície 42 opcionalmente é configurada para controlar a ferramenta 34.

[0025] A ferramenta 34 e/ou a unidade de processamento de superfície 42 são configuradas para estimar várias características direcionais baseadas nas medições do momento de flexão (BM), que são derivadas, por exemplo, dos extensômetros ortogonal. As medições do momento de flexão ortogonal são referidas como "BM_x" e "BM_y". O momento de flexão total pode ser obtido simplesmente como a soma de vetores dessas duas medições:
BM Total = ((BM_x)² + (BM_y)²)^1/2.(1)

[0026] Em uma modalidade, a ferramenta 34 e/ou a unidade de processamento de superfície 42 são configuradas para estimar várias características direcionais, como uma inclinação, uma mudança na inclinação, um azimute e uma mudança em azimute. Por exemplo, uma inclinação e um azimute podem ser estimados com base no ângulo da face de ferramenta do poço (WTF) e medições de fator de sinuosidade (DLS).

[0027] DLS pode ser estimado a partir do momento de flexão total derivada de duas medições do momento de flexão perpendiculares. DLS pode ser calculado usando modelos apropriados baseados nas medições anteriores da perfuração que descrevem o relacionamento entre momento de flexão e DLS. O relacionamento entre momento de flexão e DLS é previsto usando, por exemplo, um modelo de elemento finito da ferramenta 34 que leva em consideração a influência dos elementos e estabilizadores de ferramenta flexível nas proximidades diretas de um ponto de medição. Tais modelos levam em consideração essas influências de maneira que diferenças na curvatura da ferramenta, que são calculadas baseadas nas medições de BM da ferramenta 34, e curvatura da perfuração podem ser levadas em consideração.

[0028] O ângulo de WTF pode também ser estimado baseado nas medições de BM perpendiculares. Vários modelos matemáticos derivados de medições da perfuração podem ser usados para estimar WTF. Em uma modalidade, o WTF é estimado a partir de um ângulo de ferramenta de flexão (BTF) que pode também ser derivado de duas medições perpendiculares do momento de flexão.

[0029] Com referência às Figuras 3A e 3B, o ângulo da face da ferramenta de flexão BTF é mostrado com referência ao lado de alta gravidade (a direção oposta do vetor de gravidade). O ângulo de BTF é definido como o ângulo entre o lado de alta gravidade e o vetores de flexão (como ilustrado, por exemplo, na Figura 3A). O ângulo de BTF pode assumir valores na faixa de -180 graus a +180 graus, como mostrado na Figura 3B. O ângulo de BTF pode ser calculado quer a coluna de perfuração 11 esteja operando em um modo rotativo, em que ambas a broca de perfuração e a broca de perfuração rotativa, ou em um modo de deslizamento em que somente a broca gira. Por exemplo, no modo de deslizamento, o ângulo de BTF é calculado a partir de medições do sensor individual BM_y e BM_x como a seguir:
BTF = GTF + TF offset - arctan (BM_y/BM_x), (2)

[0030] em que "TF deslocado" é o ângulo de deslocamento entre os sistemas coordenados de sensores direcionais e os sensors de flexão 36, 38, e "GTF" denota a orientação rotacional da ferramenta em torno do eixo longitudinal com respeito ao lado de alta gravidade.

[0031] No modo rotativo, o ângulo de BTF pode ser calculado usando um algoritmo que inclui sinais de amostragens, em alta velocidade dos pares ortogonais de magnetômetro, acelerômetro e sensores de flexão 36, 38, na ferramenta rotativa 34 que tem os mesmos eixos ortogonais x, y e z, ou que podem ser matematicamente rodados e traduzidos para uma referência ortogonal comum. Os dados do magnetômetro são processados para criar uma referência azimutal, e ambos, acelerômetro e sinais de flexão, são re-amostrados contra essa referência azimutal. Filtragem e processamento dos sinais de acelerômetro e flexão rendem dois ângulos de fase "Фaccel" e "Фbend" em referência à posição azimutal. O ângulo de BTF é depois obtido como a diferença entre os dois ângulos de fase Ф:
BTF = Фbend - Фaccel. (3)

[0032] Em uma modalidade, cálculos de BTF são realizados periodicamente. Por exemplo, a cada cinco segundos uma nova atualização de BTF é obtida e disponível para transmissão uphole ao gongo do momento de flexão total BM. Discussão adicional do ângulo de BTF está incluída em Heisig et al., "Bending Tool Face Measurements While Drilling Delivers New Directional Information, Improved Directional Control", IADC/SPE 128789, 2 de fevereiro de 2010, cuja material está aqui incorporada por referência em sua inteireza.

[0033] Uma vez que a ferramenta 34 em uma perfuração 12 geralmente segue o caminho da perfuração 12, o ângulo de WTF pode ser derivado assumindo que o ângulo de BTF é igual ao ângulo de WTF. Em uma modalidade, um modelo matemático, como o modelo de elemento finito, descrito acima é usado para ajustar o cálculo de WTF com base no ângulo de deslocamento entre BTF e WTF que poderia resultar de desalinhamentos pequenos potenciais entre a ferramenta 34 e a perfuração 12.

[0034] Baseado nas medições de WTF e DLS, informações de inclinação e azimute podem ser calculadas com base nas relações a seguir:
a' = DLS cos(WTF) e B' = DLS sin(WTF) / sina, (4)

[0035] em que a' e B' são os primeiros derivados da inclinação e um ângulo de azimute B em relação à uma profundidade medida.

[0036] Estimativa de inclinação e azimute baseada em WTF e DLS de acordo com a relação acima podem ser mostrados com base na derivação de várias equações, através da aplicação de conceitos de geometria de diferencial. A derivação começa com a introdução de um vetor "R" que descreve uma linha do centro de um poço direcional como uma função de um comprimento de arco "s" no centro do eixo da perfuração:
R(s) = R!(s)li + R₂(s) I₂ + R₃(s) l₃, (5)

[0037] em que o comprimento do arco s é a profundidade medida da perfuração, Ri(s) é a partida (desvio) do Norte, R2(s) é a partida do Leste, Rs(s) é a profundidade verdadeira da vertical (TVD), e I_i, l₂ e l₃são vetores de unidade de uma estrutura fixa "I" no início da perfuração com I₃ apontando na direção da gravidade.

[0038] Uma estrutura coordenada "b" descrevendo o movimento ao longo da linha do centro ou comprimento do arco, também conhecida como o triedro de Frenet, pode ser calculada. Um vetor de unidade tangente de perfuração b_3, na posição s é obtido como o primeiro derivado de R ("R'(s)") em relação ao comprimento do arco s:
b₃(s) = R'(s) = dR/ds . (6)

[0039] O vetor de unidade tangente b_3 pode também ser expresso com um ângulo de inclinação " α " e um ângulo de azimute "β" da perfuração na posição s:
b₃ = sin α cos β li + sin α sin β l₂ + cos α I3. (7)

[0040] Ambas, inclinação α e azimute β são funções do comprimento de arco s. Um vetor de unidade normal b_₂ perpendicular ao eixo da perfuração e na curvatura plana é obtida com:
b₂(s) = R"(s)/IR"(s)l, (8)

[0041] em que R"(s) é o segundo derivado de R e IR"(s)l é o valor absoluto de R"(s).

[0042] O terceiro vetor unitário ou vetor binormal b_₁(s) (isto é, vetor binormal) da estrutura de mover b, é depois obtido como o vetor produto de b_ ₂ e b₃:
b_i(s) = b₂(s)xb₃(s). (9)

[0043] A fórmula de Frenet descreve a mudança do sistema de coordenadas b enquanto se move ao longo do eixo da perfuração:
B₁' = -bƛ₂
b₂ ^,=+ƛb₁-Kb3(10)
b_3' = +ƛxb₂,

[0044] em que "K" é a curvatura do poço definida como:
k = k(s) = IR"(S)I(11)
e "ƛ" é a torsão do poço definida como
b) = (s)ƛ = ƛ₁ R"') I K. (12)

[0045] Com a fórmula de Frenet nas equações (10), o curso de um poço tridimensional é totalmente descrito por suas coordenadas de partida e direção e parâmetros de curvatura k(s ) e torsão ƛ (s). Na prática de perfuração direcional, uma curvatura k(s ) é conhecida como fator de severidade (DLS). A torsão ƛ(s) descreve a rotação dos eixos b₁- e b₂- da estrutura b se movendo enquanto se movimenta ao longo dos eixos da perfuração.

[0046] Com referência à Figura 4, o eixo da perfuração pode ser expresso em um sistema de coordenadas "u" baseado na direção da gravidade, tendo um vetor unitário u₁ apontando na direção do lado de alta gravidade da ferramenta 34 em uma seção transversal através de um poço na profundidade medida s. Um vetor da unidade u₃ é o vetor tangente da perfuração apontando à jusante e é idêntico ao vetor da unidade b₃. O vetor da unidade u₂ é depois um vetor perpendicular à u_1,apontando para a direita, quando vendo para baixo do poço. Calculando o vetor de curvatura R"(s) usando a expressão para b3(s) = R'(s) na equação (6) e expressando os resultados no novo sistema de coordenadas u, rende, depois de algumas transformações de coordenadas, a simples expressão:
R"(s) = α'u₁ + β'sina u₂, (13)

[0047] em que "α"' e " β"' são os primeiros derivados da inclinação α e o ângulo de azimute β com relação à profundidade medida, α' e β' podem ser considerados como a taxa de formação de instantâneos e a taxa de caminhada, respectivamente. Com a equação (11) a curvatura, que pode ser definida como o fator de sinuosidade (DLS), da profundidade do poço é depois obtida como:
DLS = K = ((α')² + (β' sin a)²)¹⁷². (14)

[0048] Como um equivalente à torsão ƛ na equação (12), um ângulo da face da ferramenta de poço (WTF) é definido como ângulo entre o vetor da curvature e o lado de alta gravidade como ilustrado na Figura 4:
WTF = arctan ((β' sina ) / (α')). (15)

[0049] α' e β' podem depois ser expressos em termos de fator de sinuosidade DLS e face de ferramenta de poço WTF como a seguir:
α' = DLS cos(WTF) and β' = DLS sin(WTF) / sina . (4)

[0050] As equações (4) possibilitam o cálculo das taxas de mudança na inclinação e azimute em uma profundidade medida, se a inclinação a, o DLS e o ângulo WTF são conhecidos. Especificamente para o azimute, partindo de uma posição com azimute conhecido, futuros valores de azimute podem ser obtidos somente na base de inclinação, fator de sinuosidade e face de ferramenta de poço.

[0051] Geralmente, alguns dos ensinamentos aqui são reduzidos para um algoritmo que é armazenado no meio de máquina leitora. O algoritmo é implementado por um computador ou processador como a unidade de processamento de superfície 42, ou a ferramenta 34, e provê operadores com saída desejada. Por exemplo, a eletrônica na ferramenta 34 pode armazenar e processar dados do fundo do poço, ou transmitir dados em tempo real para a unidade de processamento de superfície 42 através de cabo elétrico, ou por qualquer tipo de telemetria como telemetria de pulso de lama ou tubos ligados durante uma perfuração ou operação de medição enquanto na perfuração (MWD).

[0052] Figura 5 ilustra um método 60 para medir uma inclinação e/ou azimute de um componente de fundo do poço. O método 60 inclui um ou mais estágios 61-68 descritos aqui. O método pode ser realizado repetidamente e/ou periodicamente, como desejado, e pode ser realizado para múltiplas profundidades em um comprimento selecionado da perfuração 12. O método é descrito aqui em conjunto com a ferramenta 34 do fundo do poço, embora o método possa ser realizado em conjunto com qualquer número de configurações de processadores, sensores e ferramentas. O método pode ser executado por um ou mais processadores, ou outros dispositivos capazes de receber e processar dados de medições, como a unidade de processamento de superfície 42 ou unidades eletrônicas de fundo do poço. Em uma modalidade, o método inclui a execução de todos os estágios 61-68 na ordem descrita. Entretanto, certos estágios 61-68 podem ser omitidos, estágios podem ser adicionados, ou a ordem dos estágios mudada.

[0053] No primeiro estágio 61, a ferramenta 34 do fundo do poço, a BHA 24 e/ou o conjunto de perfuração 20 são abaixadas na perfuração 12 durante uma operação de perfuração e/ou perfuração direcional.

[0054] No segundo estágio 62, um ângulo de inclinação "lnc_old" e um ângulo de azimute "Azi old" é determinado em uma posição de partida com uma profundidade medida conhecida (MD) referida como "MD_old". A MD é uma distância medida se estendendo da superfície da perfuração ao longo do caminho da perfuração para um local selecionado na perfuração.

[0055] No terceiro estágio 63, o momento de flexão BM em uma ou mais segundas profundidades medidas em relação à MD_old é medida ou calculada. A diferença entre MD old e a uma ou mais segundas profundidades medidas ("MDnew") define um intervalo de profundidade medida ("AMD"). Em uma modalidade, o BM é derivado de extensômetros dispostos perpendicularmente 36 e 38, referida como "BM_x" e "BM_y". Uma única medição de BM pode ser tirada no intervalo de profundidade, ou múltiplas medidas de BM podem ser tiradas em diversos locais ao longo do eixo da profundidade dentro do intervalo de profundidade para derivar uma média de BM.

[0056] No quarto estágio 64, em uma modalidade, a ferramenta do ângulo de flexão da face (BTF) em MD new ou uma BTF média durante o intervalo AMD é estimada ou calculada com base nas medições de BM. Por exemplo, no caso de uma operação de perfuração no modo de deslizamento, a BTF para cada conjunto de medições de BM, BM_x e BM_y são calculados com base na equação (2) descrita acima: BTF = GTF + TF offset - arctan (BM_y/BM_x). (2)

[0057] Em outro exemplo, no caso de uma operação de perfuração no modo rotativa, a BTF para cada conjunto de medições de BM, BM_x e BM_y, é calculada com base na equação (3) descrita acima: BTF = Фbend - Фaccel. (3)

[0058] No quinto estágio 65, WTF e DLS são estimados com base nos cálculos de BM e/ou BTF. Em uma modalidade, o WTF e/ou o DLS é estimado com base em um modelo matemático como um modelo de elemento finito baseado nas medições anteriores da ferramenta 34 e/ou a perfuração 12. Em outra modalidade, o ângulo de WTF é suposto ser o mesmo que o ângulo de BTF. Em ainda outra modalidade, o ângulo de BTF é ajustado com base em desvios entre a ferramenta 34 e a perfuração 12 para determinar o ângulo de WTF. O DLS pode também ser estimado baseado nas medições de BM utilizando um modelo apropriado.

[0059] No sexto estágio 66, a inclinação e/ou azimute na segunda profundidade de MD new medido, em que MD new = MD old + AMD, são calculados com base nas equações (4). Por exemplo, a inclinação em MD new é calculada com base na equação a seguir: lnc_new = lnc_old + AMD DLS cos(WTF), (16)

[0060] e o azimute em MD new é calculado com base na equação a seguir: Azi new =
Azi_old + AMD DLS sin(WTF) / sin(lnc_old). (17)

[0061] No sétimo estágio 67, estágios 62-66 podem ser repetidos para profundidades adicionais definindo intervalos de profundidades adicionais medidas ao longo do eixo da perfuração se estendendo a partir da profundidade de partida. Por exemplo, para calcular o azimute e/ou inclinação em uma terceira profundidade do fundo do poço, equações (16) e (17) são utilizadas, em que lnc_old é a nova inclinação estimada para a segunda profundidade, Azi_old é o novo azimute estimado para a segunda profundidade. Desta maneira, um ou mais azimutes e ou medições de inclinação podem ser calculadas sobre um comprimento selecionado da perfuração (por exemplo, 1-10 pés) se estendendo da profundidade de partida. Em uma modalidade, o azimute e/ou medições de inclinação em cada intervalo ou profundidade são integrados para render um azimute e/ou valor de inclinação para um comprimento selecionado da ferramenta 34.

[0062] No oitavo estágio 68, a inclinação e/ou dados de azimute são providos para um usuário e podem ser usados para gravar e/ou monitor a ferramenta 34 e/ou perfuração ou outras operações de fundo do poço. Em uma modalidade, os dados são armazenados na ferramenta 34 e/ou transmitidos para um processador como a unidade de processamento de superfície 42, e podem ser recuperados a partir da mesma e/ou exibidos para análise. Como usado aqui, um "usuário" pode incluir um operador de coluna de perfuração ou de perfilagem, uma unidade de processamento e/ou qualquer outra entidade selecionada para recuperar os dados e/ou controlar a coluna de perfuração 11 ou outro sistema para abaixar ferramentas dentro da perfuração. O usuário pode tomar qualquer ação apropriada baseado nos dados de inclinação e/ou azimute para, por exemplo, mudar o curso de direção ou parâmetros de perfuração.

[0063] Um exemplo de um cálculo de BTF é mostrado nas Figuras 6-9. Uma sonda direcional não rotativa 80 mostrada nas Figuras 6 e 7 inclui uma marca de alinhamento 82 e uma porta de leitora 84. A marca de alinhamento 82 provê uma referência para uso em determinar locais angulares de dispositivos de medição de BM na sonda 80 ou outros componentes perfurando. A sonda 80 inclui um sensor do momento de flexão do eixo x- 86 (sensor de BMx) um sensor de momento de flexão de eixo y- perpendicular 88 (sensor de BMy). O sensor de BMx tem uma posição angular mostrada marcando 90 no corpo da sonda.

[0064] Neste exemplo, antes de medir o BTF, um deslocamento do sensor BMx é determinado. O deslocamento é o ângulo entre o sensor de BMx 86 e a marca de alinhamento 82 relativa a um eixo longitudinal 92 da sonda 80. Por exemplo, o deslocamento é determinado medindo o ângulo na direção dos ponteiros do relógio a partir de uma perspectiva olhando no fundo do poço.

[0065] O deslocamento é determinado e entrado em um programa de processamento mostrado pela folha de cálculo da Figura 9. Neste exemplo, o deslocamento é determinado para ser 135 graus, que é entrado na folha de cálculo. Para cada profundidade, o tempo, a profundidade medida, momento de flexão do eixo x- (DBMXAX), momento de flexão do eixo y- (DBMYAX) e a face da ferramenta de lado alto (HTFX) são entrados no programa automaticamente calcula o BTF da sonda 80 na profundidade medida com base na equação (2). No exemplo mostrado na Figura 9, o DBMXAX entrado é 5000 ft-lbs, o DBMYAX entrado é -3000 ft-lbs, o HTFX é 87 graus, e o BTF calculado é aproximadamente -107 graus, o que indica uma flexão para a esquerda com uma leve tendência a dobrar.

[0066] Novos dados do momento de flexão podem ser periodicamente (por exemplo, a cada 5 minutos) entrados no programa de processamento, como entrando os dados em uma nova fila na folha de cálculo. O programa pode depois, automaticamente, calcular a BTF para dados entrados para cada profundidade medida. Os dados de BTF podem ser usados para uma variedade de propósitos, como monitorar a face da ferramenta dos componentes de fundo do poço. Por exemplo, para um conjunto de perfuração que inclui um revestimento da cunha de desvio, valores de BTF calculados que são similares ao ângulo de ferramenta da cunha de desvio podem ser usados para verificar que a cunha de desvio está orientada como esperado. Se os valores de BTF calculados deviam dos ângulos esperados, a orientação da cunha de desvio pode ter desviado em relação ao que era esperado.

[0067] Os sistemas e métodos descritos aqui provêm varias vantagens sobre as técnicas da técnica anterior. Por exemplo, os sistemas e métodos permitem cálculo acurado de mudanças locais discretas na inclinação e azimute do fundo do poço ferramentas. Isto pode resultar em operações de perfuração direcionais mais exatas, modelagem melhorada resultando em uma redução dos elipsóides de incerteza. Além disso, magnetômetros não são requeridos pelo menos nos sistemas não rotativos descritos aqui, possibilitando as ferramentas serem feitas de materiais adicionais como aço padrão, e possibilitando obtenção de dados de azimute de boa qualidade em situações com interferência magnética.

[0068] Como suporte dos ensinamentos aqui, várias análises e/ou componentes analíticos podem ser usados, incluindo sistemas digital e/ou analógico. O sistema pode ter componentes como um processador, meio de armazenamento, memória, entrada, saída, link de comunicações (com fio, sem fio, lama pulsada, óptico ou outros), interfaces do usuário, programas de software, processadores de sinal (digital ou analógico) e outros componentes (como resistores, capacitores, indutores e outros) para prover operação e análise dos aparelhos e métodos descritos aqui em qualquer uma das diversas maneiras bem percebidas na técnica. Considera-se que esses ensinamentos podem ser, mas não necessitam ser, implementados em conjunto com um conjunto de instruções executáveis por computador armazenadas em um meio de leitura de computador, incluindo memória (ROMs, RAMs), óptica (CD-ROMs), ou magnética (discos, hard drives), ou qualquer outro tipo que, quando executados, fazem um computador implementar o método da presente invenção. Essas instruções podem prover operação do equipamento, controle, e coleta de dados e análise e outras funções consideradas relevantes por um designer de sistema, dono, usuário outras de tais pessoas, em adição às funções descritas nessa descrição.

[0069] Ainda, vários outros componentes podem ser incluídos e chamados para prover aspectos dos ensinamentos aqui. Por exemplo, uma linha de amostra, armazenamento de amostra, câmara de amostra, exaustor de amostra, bomba, pistão, suprimento de força (por exemplo, pelo menos uma de um gerador, um suprimento remoto e uma bateria), suprimento de vácuo, suprimento de pressão, unidade ou suprimento de refrigeração (isto é, resfriamento), componente de aquecimento, força motora (como uma força de translação, força propulsora ou uma força rotacional), magneto, eletromagneto, sensor, eletrodo, transmissor, receptor, transceptor, controlador, unidade óptica, unidade elétrica ou unidade eletromecânica podem ser incluídos no suporte de vários aspectos discutidos aqui ou no suporte de outras funções além desta descrição.

[0070] A pessoa versada na técnica reconhecerá que os vários componentes ou tecnologias podem prover certas funcionalidades ou características necessárias ou benéficas. Por isso, essas funções e características como podem ser necessárias no suporte das reivindicações em anexo e variações das mesmas, são reconhecidas como sendo inerentemente incluídas como uma parte dos ensinamentos aqui e uma parte da invenção descrita.

[0071] Embora a invenção tenha sido descrita com referência às modalidades exemplares, será compreendido por aqueles versados na técnica que várias mudanças podem ser feitas e equivalentes podem ser substituídos por elementos dos mesmos sem se afastar do escopo da invenção. Além disso, muitas modificações serão percebidas por aqueles versados na técnica para adaptar a um instrumento, situação ou material particular para os ensinamentos da invenção sem se afastara do escopo essencial da mesma. Desta maneira, é destinado que essa invenção não seja limitada à modalidade particular descrita como o melhor modo considerado para realizar esta invenção, mas que a invenção incluirá todas as modalidades incluídas no escopo das reivindicações em anexo.

Claims

Sistema para medir características direcionais de uma ferramenta de fundo do poço (34), o sistema caracterizado pelo fato de que compreende:
pelo menos um dispositivo de medição (36, 38) do momento de flexão (BM) disposto em um componente de fundo do poço que é configurado para ser móvel dentro de uma perfuração (12), o pelo menos um dispositivo de medição (36, 38) BM configurado para gerar dados do momento de flexão, os dados do momento de flexão incluindo um vetor de flexão da ferramenta do fundo do poço (34), um momento de flexão representando uma amplitude do vetor de flexão, e um ângulo da face da ferramenta (34) de flexão (BTF) representando uma orientação do vetor de flexão relativa a um lado de alta gravidade, o BTF estimado usando um primeiro cálculo com base no componente de fundo do poço estando em um modo de deslizamento, o BTF estimado usando um segundo cálculo com base no componente de fundo de poço estando em um modo rotativo; e
um processador (42) em comunicação operacional com o dispositivo de medição (36, 38) BM e configurado para receber dados do momento de flexão a partir do dispositivo de medição (36, 38) BM em uma profundidade selecionada única, calculando um fator de sinuosidade (DLS) do momento de flexão medido apenas em uma profundidade selecionada única e um ângulo de superfície da ferramenta (34) do poço (WTF) a partir do ângulo de BTF, e calculando uma mudança na inclinação na profundidade selecionada com base no DLS e no ângulo de WTF.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador (42) é configurado para calcular a mudança na inclinação através da equação a seguir:
α' = DLS cos(WTF),
em que a' é um primeiro derivado de um ângulo de inclinação a em um profundidade medida.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador (42) é adicionalmente configurado para calcular uma mudança em azimute com base nos dados do momento de flexão.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a mudança na inclinação é calculada em relação ao ângulo de inclinação conhecido "lnc_old" em uma profundidade de medição conhecida "MD old" e a mudança em azimute é calculada em relação a um azimute conhecido "Azi_old" no MD old, e calcular uma inclinação "lnc_new" em uma segunda profundidade medida "MD new" com base na equação a seguir:
lnc_new = lnc_old + AMD DLS cos(WTF),
em que "AMD" é uma diferença entre MD new e MD old.
Sistema, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que calcular a mudança em azimute inclui calcular um azimute "Azi_new" em uma segunda profundidade medida "MD new" com base na equação a seguir:
Azi_new = Azi_old + AMD DLS sin(WTF) / sin(lnc_old),
em que "AMD" é uma diferença entre MD new e MD old.
Sistema, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o processador (42) é configurado para calcular a mudança em azimute através da equação a seguir:
β' = DLS sin(WTF) / sin α,
em que β' é um primeiro derivado de ângulo azimute β em uma profundidade medida, e α é um ângulo de inclinação em uma profundidade medida.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma profundidade é diferente de uma profundidade de início associada a pelo menos uma de uma inclinação conhecida e a um azimute conhecido, e o ângulo BTF é calculado com base no momento de flexão na ausência de quaisquer medições de azimute ou inclinação na pelo menos uma profundidade.
Sistema, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de medição (36, 38) de BM compreende um primeiro extensômetro configurado para gerar um primeiro momento de flexão "BM_x", um segundo extensômetro orientado ortogonalmente ao primeiro extensômetro e configurado para gerar um segundo momento de flexão "BM_y", tendo o primeiro e o segundo extensômetro uma localização angular em torno de um eixo longitudinal da ferramenta (34) relativamente a um local de referência, o local de referência indicativo da orientação rotacional da ferramenta (34), e o processador (42) está configurado para calcular o ângulo BTF com base num ângulo de desvio entre o local angular e o local de referência.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro cálculo é baseado na seguinte equação:
BTF = GTF + TF offset - arctan (BM_y/BM_x),
em que “BM_x” é um primeiro momento de flexão derivado de um primeiro extensômetro e "BM_y" é um segundo momento de flexão derivado de um segundo extensômetro orientado ortogonalmente ao primeiro extensômetro, "TF_deslocado" é o ângulo de deslocamento entre o sistema coordenado de um sensor direcional e sistema de coordenadas do primeiro e segundo extensômetros, e "GTF" é uma orientação rotacional do componente de fundo de poço.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o segundo cálculo é baseado na seguinte equação:
BTF = Фbend - Фaccel
em que “Фaccel” é um primeiro ângulo de fase relativo a uma referência azimutal, o primeiro ângulo de fase sendo estimado com base nas medições de aceleração, “Фbend” é um ângulo de fase relativo a uma referência azimutal, o segundo ângulo de fase sendo estimado com base nas medições de flexão.
Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o processador (42) é configurado para calcular uma medição instantânea da taxa de formação de instantâneos e da taxa de caminhada com base nos ângulos DLS e WTF calculados a partir dos dados de momento de flexão medidos em apenas uma profundidade selecionada.
Método de medir características direcionais de uma ferramenta de fundo do poço (34), o método caracterizado pelo fato de que compreende:
dispor um componente de fundo do poço em um perfuração (12) em uma formação de terra, o componente de fundo do poço operavelmente acoplado a pelo menos um dispositivo de medição (36, 38) do momento de flexão (BM);
gerar dados do momento de flexão através do pelo menos um dispositivo de medição (36, 38) de BM, os dados do momento de flexão incluindo um vetor de flexão da ferramenta de fundo do poço (34), um momento de flexão representando uma amplitude do vetor de flexão, e um ângulo da face da ferramenta de flexão (BTF) representando uma orientação do vetor de flexão relativa a um lado de alta gravidade, o BTF estimado usando um primeiro cálculo com base no componente de fundo do poço estando em um modo de deslizamento, o BTF estimado usando um segundo cálculo com base no componente de fundo de poço estando em um modo rotativo ;
receber dados do momento de flexão a partir do dispositivo de medição (36, 38) de BM em uma única profundida selecionada em um processador (42);
calcular um fator de sinuosidade (DLS) a partir do momento de flexão apenas em uma única profundida selecionada e um ângulo de face da ferramenta (34) do poço (WTF) a partir do ângulo de BTF; e
calcular uma mudança em inclinação em uma profundida selecionada com base no DLS e o ângulo de WTF.
Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a mudança na inclinação é calculada através da equação a seguir:
α' = DLS cos(WTF),
em que a' é um primeiro derivado em um ângulo de inclinação a em uma profundidade medida.
Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende ainda calcular uma mudança em azimute na profundidade selecionada com base nos dados do momento de flexão.
Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a mudança na inclinação é calculada em relação ao ângulo de inclinação conhecido "lnc_old" em uma profundidade de medição conhecida "MD_old" e a mudança em azimute é calculada em relação a um azimute conhecido "Azi_old" no MD_old, e calcular uma inclinação "lnc_new" em uma segunda profundidade medida "MD new" com base na equação a seguir:
lnc_new = lnc_old + AMD DLS cos(WTF),
em que "AMD" é uma diferença entre MD new e MD_old.
Método, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que calcular a mudança em azimute inclui calcular um azimute "Azi new" em uma segunda profundidade medida "MD new" com base na equação a seguir:
Azi_new = Azi_old + AMD DLS sin(WTF) / sin(lnc_old),
em que "AMD" é uma diferença entre MD new e MD_old.
Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a mudança em azimute é calculada através da equação a seguir:
β' = DLS sin(WTF) / sinα,
em que β' é um primeiro derivado de ângulo de azimute β em uma profundidade media, e α é um ângulo de inclinação na profundidade medida.
Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma profundidade é diferente de uma profundidade de início associada a pelo menos uma de uma inclinação conhecida e a um azimute conhecido, e o ângulo BTF é calculado com base no momento de flexão na ausência de quaisquer medições de azimute ou inclinação na pelo menos uma profundidade.
Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o ângulo WTF é calculado a partir do ângulo BTF com base em um desvio angular entre o ângulo WTF e o ângulo BTF, o desvio angular com base em um modelo matemático do furo de poço.
Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o DLS é calculado com base em um momento de flexão total, e o momento de flexão total é calculado como uma soma de vetores com base na equação a seguir:
Total BM = ((BM_x)² + (BM_y)²)^1/2,
em que "BM Total" é o momento de flexão total, "BM_x" é um primeiro momento de flexão derivado de um primeiro extensômetro e "BM_y" é um segundo momento de flexão derivado de um segundo extensômetro orientado ortogonalmente ao primeiro extensômetro.
Método, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o processador (42) é configurado para calcular uma medição instantânea da taxa de formação de instantâneos e da taxa de caminhada com base nos ângulos DLS e WTF calculados a partir dos dados de momento de flexão medidos apenas em uma profundidade selecionada.
Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o pelo menos um dispositivo de medição (36, 38) de BM compreende um primeiro extensômetro configurado para gerar um primeiro momento de flexão "BM_x", um segundo extensômetro orientado ortogonalmente ao primeiro extensômetro e configurado para gerar um segundo momento de flexão "BM_y", o primeiro e o segundo extensômetro tendo uma localização angular em torno de um eixo longitudinal da ferramenta (34) relativo a um local de referência, o local de referência indicativo da orientação rotacional da ferramenta (34), e o ângulo BTF é calculado com base em um ângulo de desvio entre o local angular e o local de referência.