CN100346056C - 测定地下井孔中的设备深度的方法 - Google Patents

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    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/04—Measuring depth or liquid level

Abstract

一种测定地下井孔中设备深度的方法，设备借助于从地面伸进油气井里面的缆索被悬吊在井孔之中，此方法包括：(i)在地面处测定下入井孔中的缆索长度；(ii)把井孔中的缆索划分为一系列小段；(iii)测定井孔中缆索每一小段中的拉力；(iv)为所有小段上测出的拉力确定井孔中缆索的伸长；(v)根据从地面下入井孔的缆索长短和根据井孔中缆索的测出伸长来确定设备的深度。此方法可以用于通过利用上述方法确定一个校正因子来校正在地面处对缆索所作的深度测量结果。校正值或误差确定值可以直接用于测井数据以及深度测量结果。

Description

测定地下井孔中的设备深度的方法
技术领域
本发明涉及一种方法，用于确定借助于缆索下放到井孔里去的设备的深度。特别是，本发明提供一种方法，用于确定工具于井孔中的深度，用以从事测量或实施作业或者用于校正在地面处所作的这种深度测定。
背景技术
在油气井测井作业(见图1)中，包括一或多个工具的工具管柱10，在将工具连接于地面处的探测系统16并从地面提供电力和/或数据的一条缆索(电缆)的端部上，被下放到井孔12里去。一旦工具到达井孔底部，随后它就被提升到地面而在地层18上或井孔中进行测量。缆索设置在地面装置20中的绞车滚筒(未画出)上，而工具在井孔中的深度则通过借助于一个稍微偏移开缆索滚筒14的测量转轮22测量进入或离开井孔的缆索长短来进行确定。
在电缆测井中，测得的深度(即沿井孔测得的测井工具位置)往往认为是作出的最重要的测量结果。比如，出自同一油气器中各不同油气井的测井记录往往进行深度对比以便确定含烃类带的范围和各不相同的厚度。数据采集期间进行的深度测量方面的任何误差因而可以显著地影响随后的数据解释。
电缆测井缆索都稍有弹性(即其长度随拉力而改变)并且还经受温度膨胀(即其长度随温度而改变)。目前，在电缆测井数据采集期间进行的唯一经久耐用的深度测量是通过测量在地面条件下测井缆索的运动，一般是通过测量一个压靠缆索、经过标定的转轮的转动，而作出的。或许令人惊讶的是，这种测量方法自动地顾及了由于变化着的拉力所造成的大部分缆索伸长影响。
考查当工具被下放入井口时离开绞车滚筒的一小段缆索。一旦在这一小段离开滚筒时解脱约制它的摩擦力，它就将承受为支承工具管柱和已在井孔之中的缆索的重量所需的拉力。一般，这一拉力将导致该小段缆索的长度改变，但是，由于这一改变发生在缆索小段在测量装置前面经过之前，所以，测量装置正确地测量已伸长缆索的长度。随着工具继续下入井孔，每一缆索小段也沿井孔向下移动。在竖直井中，缆索小段上的拉力将不会改变，因为它仍然支承着工具管柱和下面缆索的重量。因而，除了随着变化的温度而膨胀之外，其长度将不会改变而测量转轮因而正确地测得工具管柱的真实深度。同样的推理可以用以证明当工具管柱随后从井中撤出时测量转轮的深度测量是准确的。
不过，在斜井中，问题就比较复杂了。随着工具管柱的下放，井筒的铅直偏移发生变化，从而缆索中的拉力分布也发生变化。从而已经由测量转轮作出的测量结果将由于已经处在井筒之中的每一小段缆索改变其长度而出现误差。同样的推理可证明在从井筒中撤出工具时测量转轮将再次是不准确的。
预测或更为正确地模拟电缆测井数据采集期间观察到的缆索拉力的问题得到了颇为充分的了解，且某些现有的软件包期望解决这一问题。一种这样的软件包是“Cerberus”，由Coiled Tubing Engineering Services(CTES，LC of Conroe，Texas)制作。假定缆索拉力分布图可以针对测定工具的所有深度进行模拟，则一种相当简单的附加软件就使得可以计算作为工具深度函数的缆索“伸长”。“Cerberus”软件包可做到这一点。
不过，主要的兴趣在于测算测得的工具深度方面的误差：这不等于如以上所指出那样算出的“伸长”，因为这种伸长的一些已经由深度测量过程予以计及。先前的各种深度测量方法可以证明会导致显著的误差，对于3000m的油气井可能处于5m的量级。
至今已经提出了多种技法通过采用上述类型的测量转轮来提供经过校正的深度测量结果。这些技法中的实例可以在以下文件中找到，即在US4117600、US 4545242和US 5019978以及Chan，David，S.K.的“AccurateDepth Determination in Well Logging”，IEEE Transactions on Acoustics，Speech，and Signal processing，vol.ASSP-32，No.1，Feb.1984，pp.A2-48.之中找到。不过，这些方法中没有一个致力于解决以上指明的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于在地面处测得的电缆测井深度的校正方法，以便再现真实的工具深度。
在一个方面中，本发明提供一种测定地下井孔中设备深度的方法，设备借助于从地面伸入井中的一根缆索被悬吊在井孔之中，包括：
(i)确定在地面处引入井中的缆索的长短；
(ii)把井孔中的缆索划分为一系列小段；
(iii)将所述系列中的每一小段定义为缆索的一部分，对于该部分拉力可以认为基本上不变；
(iv)测定井孔中每一小段缆索中的拉力；
(v)确定对应于所有小段上测出的拉力的井孔中缆索的伸长；以及
(vi)根据从地面引入井中的缆索的长短并根据井孔中缆索的确定的伸长来确定设备的深度。
优选地，所述方法包括：
(i)确定一系列有关井孔的参数；
(ii)确定一系列有关设备的参数；
(iii)利用所述井孔参数和设备参数来确定一系列有关设备与井孔相互作用的参数；
(iv)利用确定出来的参数来确定每一小段缆索中的拉力。
优选地，所述方法包括在地面处确定相应于工具在井中处于每一深度处的拉力，并利用这一确定出的拉力来计算在地面处测量的缆索中的伸长。
优选地，所述方法还包括确定井孔中的缆索的伸长并利用井孔中确定出的伸长与在地面处计算出的伸长之间的差值来校正工具在井孔中的确定出的深度。
优选地，所述参数包括井孔的倾角和方位角、井孔直径、包括温度和密度在内的井孔流体性质、工具的重量、工具的尺寸、缆索的性质、缆索或工具与井孔之间的摩擦系数、附加的摩擦力，以及井口压力中的一个或多个。
优选地，所述方法还包括由于流动的井筒流体而造成的或由于工具在井筒流体中运动而造成的动态参数。
优选地，所述方法还包括确定自地面进行的工具深度测量结果的误差。
优选地，所述误差用以校正深度测量结果。
优选地，所述方法还包括确定应用于通过井中设备获得的测井数据的校正值。
本发明的另一方面提供一种方法，通过利用上述方法确定一个校正因数来校正深度测量结果或确定在地面处缆索上进行的深度测量结果中的误差。
校正或误差确定可以直接用于测井数据以及深度测量结果。
符合本发明的各方法可以或是在探测之后或是在探测期间实时地用于测量结果或数据。
附图说明
本发明现在将参照附图通过实例予以说明，其中：
图1表示电缆测井作业；
图2表示三维油气井平面图以及在每一维度上的轨迹；
图3表明测井作业中测定的深度差别和积累深度误差的图线；以及
图4表明用于测井测量结果的深度校正图线。
具体实施方式
本发明作为软件程序予以实施，此程序可以在地面装置中的计算机上运行或者稍后在一不同地点处的计算机上运行。
使用者输入关于井筒环境和用于测井的工具管柱(toolstring)与缆索的说明。软件会把井筒离散成各个短小分段，而后，对于每一可能的工具深度，它算出从工具到地面沿着缆索的拉力分布。
作为井筒环境和用以测井的工具管柱与缆索的说明的计算所需输入的各个参数可以划分为几组：
井筒确认
●不同各深度处井孔的倾角和方位角
●作为深度函数的井孔直径
□此信息可得自钻井期间获得的数据。
●作为深度之函数的井筒温度，以及地面温度
□此信息可得自钻井、测井期间或在地面处进行的测量。
●井筒流体的密度和其他性质
□此信息可得自油气井钻井阶段期间或当油气井生产时分析油气井流体所获得的数据。
□全部流体性质和体积流率(连同关于工具结构的更多信息)，如果需要考虑流动流体对工具的影响(“提升力”)的话。比如，如果工具在生产井中进行测井，诸如生产测井，流体顺油气井向上的流动会对拉力产生影响，这取决于可能沿着油气井变化的流率和密度。
□作为深度和工具管柱上下速度之函数的井筒流体粘度(如果希望考虑井筒流体粘度对运动着的工具管柱的影响的话)
井下设备确认
●工具管柱在空气中和在井筒流体中的重量
●工具管柱的尺寸
●缆索的性质(直径、空气中和水中每单位长度的重量、温度和拉伸膨胀系数、粗糙度)
□所有这些都可得自在地面处获得的信息。
模拟参数
●缆索与各裸眼/套管井段之间以及工具管柱与裸眼/套管井段之间的摩擦系数。
□这些可通过同一区域内各井的偏移数据确定，或者根据源于其精确数据可获得的一些具有类似几何状况和性质的油气井的一批这种数据测算。
●由于各扶正器、测径器等等而造成的附加作用力，它们可能按照工具是否正在被向上或向下移动而改变。
□这些可以根据理论或基于在别处获得的经验数据予以算出。
●井口压力
□在地面处测得。
●由于地面处压力控制设备而造成的附加摩擦
□根据地面测量结果测算。
软件通过计算工具管柱端头(即缆索与工具之间的接头)处的拉力而操作，此时工具处在井下一确定位置上。这是作为许多作用力分项之和而予以计算的：
沿着井孔判定的工具管柱的重量
●由于各种侧向力而造成的摩擦(工具重量和由于各扶正器而造成的附加力)，这需要加上(如果工具正向上移动)或减去(如果工具正向下移动)
●由于流体运动(“升力”)或井筒流体中的工具运动而造成的任何附加作用力。
以此作为边界条件，可以对正好在工具端头上方的一小段缆索进行计算：由于局部的井筒偏移和曲率连同局部摩擦系数和流体性质是已知的，沿着缆索的这一小段的拉力变化，正像对于工具本身那样，可以作为一些力量之和而予以测算。可以看到，通过针对直至地面的所有缆索小段重复这一过程，可以算出缆索拉力的完整分布图。然后，假定工具管柱在井孔中处于一不同位置处，可以重复此过程。
组成整个缆索的各小段的形成方式是可以随需要而变。一般，缆索的一小段定义为一部分缆索，对该部分缆索来说，为从事该项测量可以认为拉力是事实上不变的。比如，缆索的一小段可以定义为一段井孔中缆索的这样一个部分，即该部分来说，或是倾角或是方位角的偏离小于1度。其他一些用于限定各小段的标示量可以是从套管井孔到裸眼井孔的变化，在井孔直径或各种条件的已知变化，等等。
一旦已经完成了这一点，软件就可以针对每一“真实”的工具深度来测算已经在深度测量装置前面经过的缆索(在其已伸长状态下)的长度。
在工具处于地面处(可以认为是在井孔之内但在零深度处)的情况下，当它在测量转轮前面经过时，缆索第一小段中的拉力可以如上述那样予以测算。缆索的“伸长”，与零拉力处其长度相比，因而可以测算出来。随着工具向井下移动，此小段中的拉力及其温度将会改变。由于缆索的伸长据知是拉力和温度的函数，该小段的长度与其在地面处时所测得的长度之差值可以通过单纯考察当工具在井下一给定深度处时此小段的拉力和温度，以及当此小段在地面处测量转轮前面经过时它的拉力和温度，而予以计算。在工具于井孔中处于所有可能深度处的情况下，在缆索全部长度上总合这些深度差值，使得我们可以测算“测量转轮指示深度”与“真实工具深度”之间的差值(或“深度误差”)，作为工具深度的函数。
由于缆索每一小段中的拉力按照工具是向上运动还是向下运动(因为摩擦项的符号变化)而变，所以“深度误差”也随之而改变。采用上述的方法也使得能够计算工具在向上运动时的深度误差。
所需的对比于真实(或者，计算出的、测定的)深度的深度校正的连续测算可以或是通过读取前已获得的数据或是在数据采集期间用于测井数据以生成对比于已校正深度的井筒数据的测井记录。
图2中提供了在一口典型的斜井中上行测井时和下行测井时预期在地面处观查到的所测算的拉力的实例。图3表明当工具顺井孔下放时预期的“深度误差”的测算值，以及如果绞车停下而工具管柱在井筒中提升时的预期初始深度误差的测算值。图4表明当工具从井筒中撤出时在测井时段期间“深度误差”如何发展的测算结果，此时假定偏移应用于最大深度处的深度使得该处的误差被重新设定为零。此图还表明作为深度之函数的在工具下行与工具上行情况下所记录的测井记录之间的预期深度差值。这最新数值是关于所用算法和所选参数的适合性的一种有用的校验，作为均在典型的测井作业期间录下的“下行测井记录”与“上行测井记录”之间的简单相关过程，允许在预期的与观测的数值之间作直接对比。注意，没有直接的方法来确认“深度误差”的绝对值，但是确认这一差值应当提供了在预测绝对数值方面的信心。可以通过对比在不同工具深度处的模拟的和测得的拉力来进行一种补充的但不完善的确认。
用于实施符合本发明的一种方法的软件可以采取一种两阶段作法。在第一阶段中，缆索中的拉力针对工具于井中的每一位置来予以确定。在第二阶段中，缆索的伸长按照所确定的拉力予以计算。在两个阶段中，上述的各参数用以使软件进行各项计算。
拉力的计算
井中缆索每一小段中的拉力针对工具于井中的每一位置予以计算并储存在一数组之中。由于拉力在工具于井中在向上或上下运动时将是不同的，所以要针对每一方向进行计算：
1.确定有待用于第一拉力计算的工具的数组位置。
2.设定工具重量(这可以是在空气、井液或二者的组合中的重量，取决于工具在井中的位置和井中的液面高度)。
3.确定运动方向(工具在井中向上或向下运动)。确定取决于方向的哪些参数应当并以何种方式用于计算。
4.确定弯曲效应，如果有的话。由于对于很长的工具管柱或很大的油气井轨迹偏移来说，有可能工具管柱不得不弯曲以穿过一段油气井，由于弯曲引起的阻力可以进行计算。为了做到这一点，确定此段油气井顶部与底部之间的方位角和倾角方面的差值(可从各输入参数得到的数据)。
5.包含其他附加拉力(比如牵引力，如有牵引器并下入井中的话)。
6.根据工具重量、摩擦效应、升力、井孔倾斜等计算工具端头处的拉力。
7.处理缆索，每次一小段，计算每一小段中的拉力。这将取决于工具重量和其他各种因素(一如前所确定的)、下面(各)小段的缆索重量、以及影响所述小段以下缆索对于所计算的拉力的作用的其他各种因素(摩擦、偏移、等等)。
这一计算的结果是针对工具于井中每一位置的缆索拉力“图像”的一个数组。
伸长的计算
计算的第二阶段利用在前计算的拉力数组针对工具于井中的每一位置确定缆索的伸长。可以进行三种伸长计算：在地面处由测量转轮“看到的”伸长、在工具向下运动的情况下井孔中缆索的伸长，和在工具向上运动的情况下井孔中缆索的伸长。注意，在地面处看到的伸长和在工具向下运动情况下的伸长应当是一样的，如果井是铅直的且摩擦不变的话，亦即测量转轮会测出“真实的”工具深度。
1.对于井中每一小段计算由于温度造成的缆索的膨胀/收缩(温度和温度系数是输入参数)。
2.计算“地面测量系统”伸长。随着每一缆索小段被松放到油气井里面，它具有一已知的拉力(前一阶段作为在工具处在相应深度的情况下地面处缆索中的拉力算出)。这一拉力造成在该缆索小段在其被松放到井里面时的伸长。由于进入井内缆索的(伸长的)长度是已知的，所以可以对于在该深度处的工具确定出地面处测出的缆索伸长。前一阶段提供了每一小段进入油气井时的算得的拉力，所以根据地面测量，可以计算工具在一给定深度处的总的地面测得的伸长。为此计算假定，移动经过地面测量系统的缆索的长度等于工具深度的变化。虽然这并不绝对正确，还存在某种伸长，但误差比较小。
3.计算井中缆索从地面到工具深度处的伸长。由于对于工具在地面与当前深度之间的井中的每一位置算出地面处每一缆索小段中的拉力(出自第一阶段)以及在工具处在井中当前深度情况下井中每一缆索小段中的拉力进行计算(再次出自第一阶段)，所以可以算出二者之间的差值，而因此可以确定伸长方面的差值和从而校正测出的深度。
4.对于给定深度处的工具来说，上行与下行测井时算出的伸长之间的差值以及地面处测得的与上行测井时算出的伸长之间的差值都得以确定以生成深度校正值或深度测量误差测算值。
井中缆索和工具的物理性能予以参数化和模拟的确切方式对于本发明并不是至关紧要的，而是可以比如按照用以测定深度的系统的特定要求而予以改变。
本发明的一项实例可以相关于示于图2之中示出的油气井轨迹予以考查，此图表明油气井路径以及三个维度中每一维度上的偏斜。油气井、工具管柱、缆索等各参数示于以下表1之中：
表1
  与井孔相关的参数
  裸眼或套管的井孔   套管的
  井筒中的流体深度   0米(0英尺)
  测得的深度   3657.6米(12000英尺)
  井口表压   0千克/平方米(0psi)
  地面温度   75
  井底温度   200
  工具和缆索确认参数
  空气中工具管柱重量   544.8千克(1200磅)
  工具管柱直径   8.5725厘米(3.375英寸)
  工具管柱长度   21.336米(70英尺)
  流体中工具管柱重量   408.6千克(900磅)
  地面处的流管阻力   0千克(0磅)
  上行时扶正器阻力   90.8千克(200磅)
  下行时扶正器阻力   90.8千克(200磅)
  牵引器有无   无
  缆索摩擦系数(套管井孔)   0.35
  工具摩擦系数(套管井孔)   0.35
  缆索外径   1.17856厘米(0.464英寸)
  空气中缆索重量   494.51千克/米(332磅/英尺)
  水中缆索重量   394.72千克/米(265磅/英尺)
  伸长系数   21.21×10-7米/米千克(9.63×10-7英尺/英尺磅)
  温度系数   -8.3610-6米/米(-8.3610-6英尺/英尺)
在本发明的方法中应用这些参数得出以下信息：
工具在总深度(TD)处时的名义地面拉力  3616.38千克(7965.6磅)
加于总深度(Total Depth)的深度校正值 8.59536米(28.2英尺)
总深度处上/下行测井深度差值         11.33856米(37.2英尺)
  测得深度 米(英尺)   上行拉力 千克(磅)   下行拉力 千克(磅)
  0   499.4(1100.0)   317.8(700.0)
  152.4(500)   556.57(1225.9)   374.96(825.9)
  304.8(1000)   613.67(1351.7)   432.07(951.7)
  457.2(1500)   670.83(1477.6)   489.23(1077.6)
  609.6(2000)   727.94(1603.4)   546.34(1203.4)
  762(2500)   785.1(1729.3)   603.50(1329.3)
  914.4(3000)   842.22(1855.1)   660.62(1455.1)
  1066.8(3500)   1004.43(2212.4)   586.30(1291.4)
  1219.2(4000)   1083.56(2386.7)   594.20(1308.8)
  1371.6(4500)   1154.93(2543.9)   627.02(1381.1)
  1524(5000)   1268.29(2793.6)   591.61(1303.1)
  1676.4(5500)   1377.53(3034.2)   549.34(1210.0)
  1828.8(6000)   1468.83(3235.3)   520.33(1146.1)
  1981.2(6500)   1552.68(3420.0)   530.23(1167.9)
  2133.6(7000)   1636.53(3604.7)   539.58(1188.5)
  2286(7500)   1985.84(4374.1)   601.60(1325.1)
  2438.4(8000)   2371.47(5223.5)   643.95(1418.4)
  2590.8(8500)   2666.02(5872.3)   669.65(1475.0)
  2743.2(9000)   2832.42(6238.8)   684.27(1507.2)
  2895.6(9500)   2998.85(6605.4)   698.71(1539.0)
  3048(10000)   3165.38(6972.2)   713.10(1570.7)
  3200.4(10500)   3563.40(7848.9)   754.09(1661.0)
图3表明从这种数据确定的下行与上行测井深度之间的差值以及上行测井中的积累误差的图线。图4表明需要用以从测得的深度来确定工具深度的伸长校正值。

Claims (9)

1.一种测定地下井孔中的设备深度的方法，设备借助于从地面伸进油气井里面的缆索被悬吊在井孔之中，包括：
(i)确定在地面处引入井中的缆索的长短；
(ii)把井孔中的缆索划分为一系列小段；
(iii)将所述系列中的每一小段定义为缆索的一部分，对于该部分拉力可以认为基本上不变；
(iv)测定井孔中每一小段缆索中的拉力；
(v)确定对应于所有小段上测出的拉力的井孔中缆索的伸长；以及
(vi)根据从地面引入井中的缆索的长短并根据井孔中缆索的确定的伸长来确定设备的深度。
2.按照权利要求1所述的方法，包括：
(i)确定一系列有关井孔的参数；
(ii)确定一系列有关设备的参数；
(iii)利用所述井孔参数和设备参数来确定一系列有关设备与井孔相互作用的参数；
(iv)利用确定出来的参数来确定每一小段缆索中的拉力。
3.按照权利要求1所述的方法，包括在地面处确定相应于工具在井中处于每一深度处的拉力，并利用这一确定出的拉力来计算在地面处测量的缆索中的伸长。
4.按照权利要求3所述的方法，还包括确定井孔中的缆索的伸长并利用井孔中确定出的伸长与在地面处计算出的伸长之间的差值来校正工具在井孔中的确定出的深度。
5.按照权利要求2所述的方法，其中所述参数包括井孔的倾角和方位角、井孔直径、包括温度和密度在内的井孔流体性质、工具的重量、工具的尺寸、缆索的性质、缆索或工具与井孔之间的摩擦系数、附加的摩擦力，以及井口压力中的一个或多个。
6.按照权利要求5所述的方法，还包括由于流动的井筒流体而造成的或由于工具在井筒流体中运动而造成的动态参数。
7.按照权利要求1所述的方法，还包括确定自地面进行的工具深度测量结果的误差。
8.按照权利要求7所述的方法，其中所述误差用以校正深度测量结果。
9.按照权利要求1所述的方法，还包括确定应用于通过井中设备获得的测井数据的校正值。
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