CN101460697A - 钻井维护方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种井孔维护方法和系统，在一种实施方式中，包括直接流体连接到井孔的井头(18)的具有压力的壳体(40)；和位于该壳体内的绞盘(42)，通信线路卷绕在该绞盘上。一种方法，包括将通信线路(2)引入不具有钻井控制组件的受压井孔中，通过控制绞盘将通信线路引入或驱动到井孔中，所述绞盘设置在可拆卸地直接连接到所述井孔的井头上的受压壳体中。流体流可以将所述通信线路送到井孔中的希望位置。

Description

钻井维护方法和系统

技术领域

本发明一般涉及油气钻井的钻井维护领域，更特别涉及用于钻井维护操作诸如钻井激励的方法和系统。

背景技术

从储区生产烃类要求永久安装于地下的井孔，该井孔由多条巨大的管状结构构成，称为井孔完井。增大烃类产量通常要求将流体泵送到井孔中并泵送到储区内。一些流体设计成增大烃类流量，另一些流体设计成阻碍水流动或生产规模扩大。可以在地面测量流体流速、压力等，以优化所作处理。这种监控操作并不平凡，而且，因为流体通常严重不符合牛顿力学，沿着完井存在压力降，并且该压力降难于提前确定。激励流体可以包括固体颗粒，诸如支撑剂，这进一步加剧了监控和作业优化的复杂性。

提供更为先进的监控能力的方案在工业上是已知的。例如，可以将可卷绕的金属管插入钻井，将激励流体在该管周围泵入。在这种情况下，可以从该管内得到的压力测量值推算井下压力。由于流体不在管中流动，所以这种推算相对简单。这种管通常称为“固定柱(dead-string)”。工业上已知的可卷绕管通常送入已经盘绕在鼓轮周围的钻塔，该鼓轮安装到巨大的卡车上。这种盘管的直径可以从0.25”变化到大于3.0”。大尺寸管的优势在于，作业之前，可以将绳缆泵送到盘管内，传感器可以连接到绳缆远端，然后在盘管送入地下时，这些传感器可以向地面发送井下数据。大管件的另一项优势在于，即使绳缆位于管件内，也可以向管件中泵送流体。这种系统并不限于储区激励，而是可以用于一般的井孔处理，正如例如2005年6月16日公开的美国专利申请公开20050126777所公开的那样。工业中所用的传统绳缆由多条电气线缆构成，但是最近已经增加了光纤。这样提供了更大的数据率，而且引入了分布式感知的可能性，其中的绳缆本身变成传感器。这种系统例如已经在2004年7月8日公开的美国专利申请公开20040129418中进行了公开。

不幸的是，在激励处理过程中，让盘管处于井孔中，存在一些缺陷。管件周围的环状空间可能小于1英寸或2英寸，较之直接向井孔泵送而言，在泵送流体时增大了摩擦压力，并且也增大了用来完成此项作业所需的地面动力，直接向井孔泵送是一种已知的过程，称为“平孔处理(bull-heading)”。通常需要磨损性或腐蚀性流体来优化后续的烃流动。这些流体还能损坏盘管，导致维护工作的保养成本升高。另一项缺陷在于，将盘管送入井孔所需的装置庞大，例如在美国专利6,273,188中公开的的装置。特别是，为了避免压碎盘管，需要大型注入装置提供轴向输送力以进出井孔，正如例如授予Lyons等的美国专利4,585,061、“Apparatus for inserting and withdrawingcoiled tubing with respect to a well”所公开的那样。在许多情况下，这种系统的成本较之实时井下数据的收益来看，可能不值得投入，所以工业上不得不接受地面测量并推算井下状态。

2005年12月1日公开的美国专利申请公开20050263281公开了为激励操作使用实时井下数据，但是先决条件是光纤首先包含在管件内，然后将管件送入钻井。2005年10月27日公开的美国专利申请公开20050236161公开了将流体泵送到管件中，并通过将光纤管推进到所泵送流体的流动中，从而将光纤管铺设到该管件中。该文件还公开了一种在井孔中利用设置在井孔管件内的光纤管进行通信的方法。在特定的实施方式中，该通信方法可以与地面无线通信系统相结合。在特定实施方式中，该管件可以为盘管，且光纤管可以铺设在该盘管内，同时管件卷绕在绞盘上或者管件铺设在井孔中。在这些参考文件中所用的术语“光纤管”和“光纤链”用来表示光纤组合或设置在导管内的多条光纤。术语“光线绳缆”指的是包括一条或多条光纤的绳缆、导线、线路或钢丝。

如果设计的方法和系统可以允许在激励井孔或其他井孔处理操作过程中收集井下数据，而且不需要辅助装置来将盘管或其他管件注入井孔或从井孔中取出，则在本领域将具有革命性地进步。

发明内容

根据本发明，说明了钻井维护方法和执行该方法的系统，以减少或克服先前所知的方法和系统中存在的问题。

本发明的第一方面是将通信线路引入井孔的方法，一种方法包括：

(a)经过井孔泵送处理流体并将处理流体泵送入储区；和

(b)利用所述处理流体将通信线路推进到井孔中，而不对通信线路造成显著损坏。

文中所用的数据“通信线路”指的是能沿着至少一个方向传递电学、光学或其他信号的构件，并且可以卷绕到绞盘或卷轴上。术语“推进”在文中指的是利用动力绞盘或卷轴，或者借助处理流体向井孔下流动，或者借助两者的组合，从而迫使通信线路向下进入井孔。可以通过多种方式向绞盘提供动力，诸如提供直接动力(例如，经由隔板)或向绞盘提供电池动力。绞盘可以构造地经由通信端口(经由导线方式、无线方式或它们的组合)根据控制器输入来测量和控制线路解绕/卷绕长度。术语“不对通信线路造成显著损坏”指的是在输送到井孔中的过程中，通信线路不应因磨损或其他不当操作而丧失其基本功能。对于光纤来说，这指的是褶皱(crimp)或以其他方式弯折，使得光信号无法经由光纤传播。“井孔”指的是完井系统的最内侧管件。“管件”和“管道”普遍地指代导管或任何类型的中空圆形装置，并且在油田应用场合中，指代套管、钻管、金属管或盘管或其他这种装置。本发明的方法包括将通信线路引入可拆卸地连接到井孔的井头的钻井控制组件。本发明的其他方法包括将通信线路引入不具有钻井控制组件的受压井孔中，借助动力绞盘将通信线路引入或推进到井孔中，动力绞盘设置在可拆卸地直接连接到井孔的井头上的受压壳体中。其他方法包括在通信线路引入受压井孔之前，将壳体和动力绞盘直接连接到井头。方法的特定实施方式包括将壳体直接法兰连接(flange)到井头。

在本发明的特定方法中，通信线路包括光纤，转动动力绞盘的动力经由壳体的非磁性壁磁性传输。本发明的示例方法可以包括利用第一光学连接件将光信号漫射，将漫射信号经由光纤传递到第二光学连接件，和将该信号重新聚焦到光纤直径上。该信号可以经由壳体壁上的光学压力隔板发送，任选地，光学信号可以双向方式通过光纤双向发送。可以使用一条或多于一条的光纤。在特定的其他方法实施方式中，通信线路可以是导线，诸如微导线，而电气信号借助从无线和有线发送装置中选择的装置传输到数据获取系统。

示例方法实施方式可以是这样的方法，其中通信线路被导向机构引导，该导向机构还可以用来从井孔中回收通信线路。可以选择的是，通信线路可以留在井孔中，并被化学、热学、物理学过程，或者这些过程的组合而溶解。

本发明的其他示例方法实施方式是这样的方法，其中借助泵送系统将通信线路驱动到井孔中，该泵送系统将一种或多种流体泵送到井孔中。继通信线路驱动到井孔之后，可以将一种或多于一种流体泵送到井孔中。泵送系统可以包括混合或组合设备，流体和/或固体在泵送到井孔之前，可以在其中混合或组合。可以通过多种方式控制所述混合或组合设备，包括但不限于利用从井孔下获得数据、地面数据或它们的某些组合。本发明的方法可以包括利用地面数据获取和/或分析系统，诸如本受让人名下的美国专利6,498,988中所述的那种系统，该专利通过引用而包含在本文中。本发明的特定方法是这样的方法，其中将第一流体泵送到井孔中，以使通信线路解绕，然后泵送一种或多种后续流体。纤维的一部分可以包括保护性涂层或护套，光纤可以重新卷绕。

本发明另一些方法是包括感知井孔状态的方法，包括从以下方法中选择的方法：利用连接到通信线路远端的传感器；在使用光纤的情况下，利用光纤上的光栅和/或对光纤进行掺杂，以及它们的组合。所述数据可以用来监控钻井处理操作，或对后续钻井处理操作进行建模。钻井处理操作可以包括至少一个可调节的参数，并且所述方法可以包括调节该参数。在实施作为钻井处理操作的属性测量时，在调节钻井处理操作的参数时，或在实时进行所述属性的测量与传输时，所述方法特别令人期待。

通常，钻井处理操作可以涉及将至少一种流体注入井孔，诸如将流体注入盘管，注入井孔环隙，或注入两者。在一些操作中，可以将多于一种流体注入，或可以将不同流体注入盘管和环隙。钻井处理操作可以包括提供流体来激励烃流或阻碍来自地下岩层的水流。在一些实施方式中钻井处理操作可以包括借助通信线路与井孔中的工具进行通信。所测量的属性可以是能在井下测量的任何属性，包括但不限于压力、温度、pH值、沉淀量、流体温度、深度、气体存在与否、化学荧光、伽马射线、电阻率、盐度、流体流、流体压缩性、工具位置、套管接箍定位器存在与否、工具状态和工具取向。在特别的实施方式中，所测量的属性可以是在井孔间隔诸如多侧井的分支上一定范围内分布的测量值。钻井处理操作的参数可以是任何能调节的参数，包括但不限于诸如流体量、一组注入流体中每种流体的相对比例、一组注入流体中每种材料的化学浓度、泵送到环隙中的流体与泵送到盘管中的流体的相对比例、需要释放的催化剂的浓度、聚合物的浓度、支撑剂的浓度以及盘管的位置。

本发明的另一个方面是实施本发明方法的系统，一种本发明的系统包括：

(a)将通信线路推进到受压井孔内的绞盘；

(b)该绞盘直接安装在钻井控制组件顶部，而该钻井控制组件流体连接到该受压井孔。

本发明这个方面的系统包括这样的系统，其中通信线路从光纤、微导线等中选择，而钻井控制组件可以从井喷防护器(BOP)、填料箱、润滑器以及它们的功能等同物之中进行选择。本发明这个方面的系统减少或消除可能导致通信息线路疲劳或最终失效的弯折。系统可以包括收集井孔数据的装置，并且这些装置可以作为绞盘卷轴轮毂的一部分。本发明这个方面的系统减少所需的部件和设备件数，以及维护设置的复杂性。这样也能减少吊起和降下所述系统所需的时间。

本发明的另一种系统包括：

(a)直接流体连接到井孔的井头的具有压力的壳体；和

(b)位于该壳体内的绞盘，通信线路卷绕在该绞盘上。

本发明这个方面的系统包括这样的系统，其中用来驱动绞盘的驱动机构以及数据接口也位于该壳体内。文中所用的术语“流体连接”指的是该壳体可以借助诸如法兰、焊接件、夹具等暂时或永久连接到井头，但是在每一种情况下，都固紧连接，而且连接机构允许井头压力在壳体内保持足够长的时间，以用于通信线路解绕到井孔中可用的深度和/或位置，而且可以根据需要重新卷绕。具有压力的壳体应该不具有流体泄漏路径，并且不需要或者需要最少的压力测试。转动绞盘的动力例如可以利用磁性耦接器通过非磁性壳体壁或该壁的一部分磁性传输。因此，电气或液压马达可以从壳体外侧转动绞盘，而不必穿过壳体壁。在通信线路为光纤的系统实施方式中，光学信号可以在光连接件设备处漫射(以改善污染容差)，从旋转的绞盘轮毂传输到漫射光学连接件，而该漫射光学连接件将所述光信号重新聚焦在光纤的直径上。然后，光纤将穿过壳体壁上的光学压力隔板，并可以从壳体外侧利用。这样可以形成完全双向的布置，光束可以在该布置中进出井孔。

如果通信线路为微导线，则可以将电气信号转化为无线信号，以绕开对绞盘轮毂处的信号收集器的需求。在这样的实施方式中，接收器设备可以简单地包括位于壳体中的非EMF阻挡口(包括材料诸如塑料、石英、陶瓷或它们的组合)。

可以借助铰接导向件将光纤或微导线引导到钻井流中的适当位置。钻井流中的适当位置可以是钻井类型、钻井处理类型和处理状态(阶段)的函数。例如，在铺设过程中，让纤维在钻井流中居中比较有利，从而在纤维上保持最大可能的摩擦阻力。但是，在高速处理或磨损处理中，将纤维移动到一侧(流体中湍流最小或(对纤维)破坏性最小的部分)，可能比较有利。在特定实施方式中，当通信线路为用在破碎维护中的小直径纤维时，可以更为经济地将纤维简单地留在钻井中。但是，在其他实施方式中，诸如钻井测量操作中，从钻井中收回纤维可能更有意义。如果通信线路是微导线(单个或多个导体)，也可以用在钻井中不能长时间保留的材料(诸如锌或铝)制成，或者该材料可以被酸冲刷流简单地溶解。在通信线路包括一条或多条多用途微导线的实施方式中，微导线可以包括不会受到普通钻井处理流体损坏的材料(Inconel、Monel等)。

本发明的系统可以包括一种或多种油田工具部件。术语“油田工具部件”包括油田工具、工具管柱、铺设棒、盘管、接合管、线路区段、钢丝区段、它们的组合等等，并且适配成通过一件或多件压力控制部件运行。术语“油田压力控制部件”可以包括BOP、润滑器、立管、井头或它们的组合。系统可以包括，而且方法可以采用磁性传感器，诸如磁强计、霍尔效应传感器、磁致电阻、磁致二极管以及它们的组合。

本发明的系统和方法的优势包括紧凑和轻质；不要卡车来测量钻井；对操作人员的技能要求较低，需要的培训较少；送入井孔和抽出井孔所需的动力较少；更容易控制钻井，原因在于不需要使用BOP、拆卸器(stripper)、润滑器或填料箱。本发明的系统可以在工作场进行清理，然后更快速地准备好连接到井头，并且不需要滑环或旋转连接件。如果光纤和微导线的低成本铺设可行，则可以省去严格且昂贵的内部安全要求，诸如危险区域内的电气规程。

阅读附图说明、本发明的具体实施方式以及附后的权利要求书之后，本发明的系统和方法可能变得更为明白。

附图说明

实现本发明目标以及其他希望的特性的方式在以下说明和附图中进行解释，其中：

图1是现有技术中的系统的示意局部截面图；

图2是本发明一种实施方式的示意局部截面图；

图3A和3B是本发明第二实施方式的示意局部截面图；

图4是示意性的处理信息流程图，在理解本发明的特定实施方式时可能有用。

但是，应该注意，附图并不是按比例绘制，并且仅示出了本发明的典型实施方式，因此不应当认为限制本发明的范围，因为本发明存在其他同等有效的实施方式。

具体实施方式

在以下说明中，论述了许多细节以理解本发明。但是，本领域技术人员应该理解，本发明可以在不具有这些细节的情况下实施，并且除所述实施方式之外，还可能存在许多变形方案或改动方案。

文中所有的短语、分词、搭配用法以及多单词表达方式，特别是后面权利要求书中所用的这些内容，明确地不限于名词和动词。显然，意思并不仅由名词和动词或单词来表达。语言使用了多种方式来表达内容。发明构思的实体及其表达方式在语言文化中存在表达差异。例如，许多在日耳曼语系中已经编入词汇的化合物经常在罗马语系中表达为形容词加名词、名词加介词加名词的组合或者分词。在权利要求书中包括短语、分词和词语搭配对于高质量的专利文件来说是重要的，以使可以减少其概念内容的表达方式，并且(在某一语言中或跨越语言时)与内容相适应的全部可能的词语概念组合旨在包含于所用的短语中。

本发明说明一种井孔维护方法和使用该方法的系统，该方法和系统较之目前使用的方法和系统更为节约成本，或者提供了机会更为方便地获得井孔数据和地面数据，以更好地控制钻井维护参数。目前，虽然光纤和微导线铺设系统操作一般足以实现这些目的，但是仍然存在改进的空间。一项问题是目前所用的设备数量和尺寸较大。例如，盘管系统目前要求牵引盘管铺设系统。如果可以使用更小、更便宜的铺装设备，则更为理想。另一项挑战在于研发用来铺设通信线路的系统和方法，且不需要复杂的吊起或吊下。如果可以结合某些操作，诸如通信线路铺设和一种或多种处理流体向钻井注入，则在本领域无疑将是一种进步，以便可以在流体注入过程中在各种位置收集数据，在通信线路沿着盘管插入时，这是不可能实现的。现在存在着对解决上述挑战其一或多项的系统和方法的需求。

“钻井维护”指的是设计用于增加从储区回收烃类、减少非烃类回收(如果存在非烃类物质时)，或者兼具两者的任何操作，涉及将流体泵送到井孔中。这种操作包括将流体泵送到注入钻井并从第二井孔回收烃类。泵送的流体可以是增加含烃区域生产能力的配料，或者可以是泵送到其他区域以阻断它们的渗透性或空隙性的配料。本发明的方法例如可以包括泵送流体以稳定井孔区段，从而阻止出砂，或将胶结流体泵送到井孔下，在这种情况下，泵送的流体可以渗入完井部(例如，最下侧的管件以下，然后上到管件外部段管件与岩层之间的环隙中)并为井孔提供机械完整性。文中所述短语“处理”和“维护”因此比“激励”更为广泛。在许多应用场合中，如果岩层大部分由碳酸盐构成，则其中一种流体可以包括酸，并且烃类增加直接来源于增大岩层基体的空隙性和渗透性。在其他应用场合中，通常在砂石上，这些阶段可以包括支撑剂或添加到流体中的附加材料，以使流体压力液压式地破碎岩层，并且将支撑剂留在后面，从而防止断面重新密封。这些细节包括在大多数标准钻井维护教科书中，并且对于钻井维护领域的技术人员是已知的，所以在这里略去。

本发明提出了一种用于储区和井孔操作诸如钻井激励和完井工作的独特方法和系统，在特定的实施方式中，所述方法和系统包括安装在井头或钻井压力保持系统上的一个或多个绞盘，用来将通信线路解绕。通信线路可以具有一种或多于一种的功能。在特定实施方式中，通信线路仅在井孔位置和地面之间单向或双向交通信息。在其他实施方式中，通信线路可以包括一件或多件感知设备，位于通信线路远端或该远端附近。本发明的系统可以包括用于绞盘的受压壳体；利用一种或多种处理流体将通信线路向井孔下传输的泵送系统，诸如一种或多种钻井激励流体或其他流体；并且根据实施方式任选具有重新卷绕通信线路的装置；引导通信线路来回进出井孔的装置；和地面数据获取和/或监控系统。

在本发明的特定实施方式中，感知设备是通信线路本身，诸如在通信线路包括一条或多条光纤的情况下。例如，光学信号可以在通信线路中以特定波长向井孔下传播，并且以另一种波长或波长组合返回。当钻井维护操作为钻井激励时，激励流体可以阶段性地泵送到井孔中。本发明独有的一项特征在于，在激励操作的第一阶段或其他阶段过程中，流体流可以用来传输或协助传输通信线路经过井孔。然后，通信线路传递的数据可以用来监控激励操作的后续阶段。第一阶段激励流体可以是盐水溶液或工程预冲刷流体。后续阶段可以包括支撑剂或其他固体颗粒诸如固体酸或包裹起来的材料。通信线路向地面数据获取系统的通信可以包括无线遥测。地面数据获取系统不需要位于钻井地点，例如可以为包括位于钻井地点的计算机和位于远程位置的第二系统的网络系统。传递的数据可以任选用于控制所述操作，从而单纯基于通信线路收集并传递的井下数据，或者基于井下数据与地面测量值相结合，来调节泵浦率或处理流体的成分。传递的数据可以是来自于连接在通信线路远端或通信线路其他位置的一件或多件传感器的数据，或者可以是来自通信线路的分布区段的数据，诸如沿着光纤分布的温度。所收集的数据可以存储在获取系统中，并且执行用于优化后续激励的信息。数据可以从压力、温度、pH值、沉淀量、流体温度、深度、气体有无、化学荧光、伽马射线、电阻率、盐度、流体流量、流体压缩性、工具位置、套管接箍定位器有无、工具状态、工具取向以及它们的组合中选取。

文中所使用的术语“油田”包括陆基(地面和地面以下)和海床以下的应用场合，并且在特定的示例中，包括海水应用场合，诸如当烃类开采、钻探、测试或生产设备铺设在海水中的情况。文中所用的术语“油田”包括烃类油气储区，以及预期存在烃类油气的地层或地层部分，但是最后可能只包含水、盐水或其他一些成分。

正如前面所述，文中所用“井孔”指的是完井系统的最内侧管件。这不同于例如小管件插入完井的环隙中以及将通信线路吹送到其中的系统。与此相对照，被泵送来传输通信线路的流体向下通往井孔。在大多数实施方式中，这是平孔处理(bull-heading)工作，但是可以包括临时管件诸如钻管插入完井的实施方式。临时管件的优势在于，允许更为精确地放置激励流体和/或处理流体，以及减少了激励流体影响永久管件或受永久管件影响(例如，溶解套管中的铁、使支撑剂冲击成生产管件等)的趋势。

文中所用术语“BOP”和“井喷防护器”一般用来包括位于钻井顶部的任何阀系统，如果操作人员对地层流体失去控制，则可以关闭这些系统。该术语包括环形井喷防护器、柱塞井喷防护器、剪切式柱塞、和钻井控制组件。通过闭合所述阀或阀系统(通常经由液压促动器远程操作)，操作人员通常重新掌控钻井，然后启动程序来增大泥浆密度，直到可以打开BOP并保持地层压力控制。

钻井控制组件是一组两个或多个BOP，用来确保钻井压力控制。常用的组件可以由一至六个柱塞式防护器和任选的1或2个环形防护器构成。常用组件配置在底部具有柱塞防护器且在顶部具有环形防护器。组件防护器的配置进行优化，从而在发生钻进控制事故时，提供最大的压力完整性、安全性以及灵活性。例如，在多柱塞配置中，一组柱塞可以配合来关闭直径5英寸的钻管，另一组配置用于4 1/2英寸的钻管，第三组配合有全闭柱塞，以闭合敞开孔口，而第四组配合有剪切式柱塞，该剪切式柱塞作为最后一项措施可以切断和吊起钻管。通常一个或两个BOP位于组件顶部，因为BOP可以闭合广泛的管件尺寸和敞开孔口，但是通常不能用于像柱塞防护器那样高的压力。钻井控制组件还可以包括各种卷轴、适配器和管道出口，以允许钻井控制事故中承受压力的井孔流体循环。

“润滑器”，优势也称为润滑管或润滑缸，提供了一种方法和装置，从而基本上任何长度的油田工具都可以用在盘管和接合管操作中。在一些实施方式中，使用润滑器允许盘管注入器驱动机构直接安装在井头上。任何长度的油田工具可以安装在端部闭合的柱状润滑器中，然后该润滑器安装在BOP上。通过打开至少一个阀，在注入器和BOP以及井头之间建立流体连接之后，将油田工具从润滑器下降到井孔中，工具的一部分保留在井头中，靠近BOP中的第一密封柱塞，然后第一密封柱塞闭合，以啮合并密封在工具周围。然后可以拆下润滑器，并将注入器头部定位在BOP和井头上方。油管柱延伸以啮合卡紧的工具，且在管件和工具之间建立流体和/或电气通信。然后可以将注入器驱动机构(已经保持/连接到油管柱)连接到BOP或井头，并且卡紧工具的第一密封柱塞释放，在井孔和管件注入器驱动头之间建立流体连接。以相反的顺序进行上述操作，可以将油田工具部件收回或拆下。

光纤通常可以在小鼓轮上运输到井头。可以让光纤穿过填塞箱诸如美国专利3,831,676公开的填塞箱而将光纤引入流体流中，在这种情况下，绞盘不承受井孔压力。可以选择的是，光纤可以卷绕在绞盘上，该绞盘包围在连接到井头的壳体中，因此光纤承受井孔压力，正如参照图3A和3B所述。光纤可以任选包裹在少量镀层中，防止磨损和腐蚀。镀层还能帮助减小光纤因长期暴露在氧离子中而变黑。与将辅助盘管单元运输到位不同，将光纤穿入泵送的处理和/或激励流体的流动路径中。流动的流体在纤维上提供了阻力，可以将其传输至井孔全部长度，同时流体为平孔处理的。可以在纤维端部附加微型传感器，以提供井下压力、流量或其他信息。可以选择的是，纤维本身可以沿其长度增加光栅来进行改动。可以在地面上行利用激光对光纤光栅进行地面查询，例如美国专利5,841,131所公开的那样，该专利通过引用全文包含在本文中。

“泵送系统”指的是地面泵装置，其可以包括电气或液压动力单元，通常称为动力组。在采用多个泵的情况下，所述泵可以串联或并联地流体连接在一起，并且传输通信线路的能量可以来源于一个泵或多个泵。泵送系统还可以包括混合设备，组合不同的流体或将固体混合到流体中，并且本发明考虑了利用井下和地面数据改变泵送的流体参数，以及控制正在进行的混合操作。

术语“地面获取系统”指的是一台或多台位于井位的计算机，而且允许网络一系列计算机的可能性，以及结成网的一系列地面传感器。计算机和传感器可以经由无线网络交换信息。一些计算机不需要位于井位，而是可以经由通信系统诸如以Intel ACT^TM为商标的通信系统或同等通信系统进行通信。在特定实施方式中，通信线路可以终止于井头的无线发射器，并且井下数据可以无线发射。地面获取系统可以具有将井下数据与地面数据合并并向使用者控制台显示的机构。

在本发明的示例实施方式中，顾问软件程序可以运行于获取系统中，提供建议，从而根据井下数据或井下数据与地面数据相结合来改变操作参数。这种顾问程序还可以运行在远程计算机上。实际上，远程计算机可以同时从许多钻井接收数据。

地面获取系统还可以包括允许向井下传感器通信的装置。例如，在通信线路包括光纤的实施方式中，激光设备诸如二极管激光器可以用来查询井下光学部件的状态。任选地，激光设备可以向位于通信线路端部的任何井下部件发送少量动力。地面获取系统将能够控制地面通信装置，而使用者控制台将通常显示这些装置的状态。

利用激励流体序列，可以将一种或多种单独的流体泵送到钻井中。第一阶段可以是盐水或工程预冲刷流体。后续阶段可以包括支撑剂或其他固体颗粒诸如固体酸或包裹的材料。在一种实施方式中，第一阶段可以保持泵送，直到解绕了希望长度的通信线路，并且将允许一定的时间间隔以根据需要来确认这种状态。例如，分布式温度可能沿着纤维和泵送的流体的第二阶段以较低的速率传递，直到分布式温度值稳定。或者，在第一阶段，可以以固定速率进行泵送，直到传感器底部的压力读数不再显示静流压力增大。在替代实施方式中，通信线路可以绕制在卷轴上，该卷轴给出卷绕的圈数指示和/或解绕的线路长度指示。卷轴本身可以包括制动机构，以避免卷轴“运转”地比泵送的流体更快，并且在解绕了希望的线路长度之后停止。制动器可以受到地面获取系统的控制。使用者控制台上的显示可以包括对已经泵送了多少通信线路的表示。

本发明所用的通信线路的长度可以远大于其直径或有效直径(定义为任何截面上最大和最小尺寸的均值)。通信线路可以具有任意截面，包括但不限于圆形、矩形、三角形、任何锥形截面诸如卵形、叶形(lobed)等。通信线路的直径沿着通信线路长度均匀，也可以不均匀。术语通信线路包括个别纤维组成的线束，例如光纤束、金属导线束和包括金属导线和光纤的线束。其他纤维可以存在，诸如提供强度的纤维，位于芯部或穿过截面分散开，诸如聚合物纤维。聚芳族酰胺纤维的强度是众所周知的，一种以聚芳族酰胺纤维为基础的材料的已知商标为“Kevlar”。在特定实施方式中，通信线路的直径或有效直径可以为0.125英寸(0.318厘米)或更小。在一种实施方式中，通信线路可以包括光纤、或多条光纤组成的线束，以容许一条光纤可能发生损坏。(Adan等)2005年4月21日提交的美国专利申请11/111,230，公开了一种可行的通信线路，其中通过将Inconel管缠绕在光纤周围然后激光焊接接头以闭合该管，从而构造Inconel管。产生的结构称为光纤管，其异常坚固，可以承受强烈磨损和腐蚀性的流体，包括盐酸和氢氟酸。光纤管也可以从美国加利福尼亚的K-Tube，Inc.，买到。光纤管这种属性的优势在于，可以直接将传感器连接到管的底部。可以将传感器进行机加工，以使其基本上与光纤管直径相同或小于光纤管直径，这样减小了传感器在传输过程中脱离管端部的可能性。光纤管并不昂贵，但是，本发明的特定实施方式包括借助反向卷绕来回收传感器，以使所述管可以重复使用。可以由地面获取设备控制反向卷绕操作，但是也可以由激励过程结束之后增加的单独装置来控制。采用薄Inconel层的光纤管可能存在的缺陷在于，它们可能不便于重新卷绕，因为Inconel层太薄。在希望重新卷绕所述设备的实施方式中，可以使用较厚的金属层。钢丝(slickline)更为昂贵，但是经证实可以经受多次重复卷绕。

在替代实施方式中，通信线路可以包括单一光纤，其具有含氟聚合物或其他工程聚合物涂层，诸如聚对亚苯基二甲基涂层。这种系统的优势在于，成本非常低，每次作业之后可以抛弃。缺陷在于，需要能坚持到传输到钻井中，并且能承受后续流体阶段，后续的流体阶段可能包括支撑剂阶段。在这些实施方式中，可以使用长排气管或接头，该接头包括非常硬的材料或以已知表面硬化剂诸如碳化物和氮化物涂覆的材料。通信线路可以穿过该排气管或接头馈送。排气接头的长度可以进行选择，以使通过接头远端的流体成为层流。该长度可以为数十英尺或数十米，以使排气接头可以铺设到井孔之内。在通信线路为单一纤维时，感知装置可能需要非常小。在这些实施方式中，可以使用纳米加工的装置，其可以连接到纤维端部而不会显著增大纤维直径。英国南安普顿的Sensa公司出售用于井下压力测量的类似设备。小护套可以添加到纤维最下端并覆盖感知部分，以使外部直径的任何变化都非常舒缓。

在本发明一种实施方式中，感知设备是通信线路本身。例如，通信线路可以包括光纤，并且传递的数据可以是分布式温度。除了本文教导的内容之外，获得分布式温度在本领域是已知的，并且例如由Jee等提交的美国专利申请公开US20040129418、“Use of distributed temperature during wellboretreatments”所公开，该专利申请公开通过引用包含在本文中。可以选择的是，通过沿着光纤长度添加杂质或光栅，可以对光纤本身进行改动。可以利用地面激光器对这些光栅进行地面查询，例如授予Schroeder等的美国专利5,841,131、”Fiber optic pressure transducers and pressure sensing system incorporatingsame”所公开的那样，该专利通过应用包含在本文内。

对光纤进行内在改动的一项重要优势在于，它们可以进行设计，以使它们不增大纤维外径，这意味着沿着通信线路的紊流和阻力减小。

从通信线路发射的数据可以用来监控储区或井孔处理的后续阶段。发射的数据可以任选用于控制一些处理操作或全部，从而例如单纯根据通信线路获得的井下数据或根据井下数据与地面测量值相结合来调节泵送速率或诸如流体的成分。发射的井下数据可以来自连接到一条或多条通信息线路端部的一个或多个传感器。该数据可以来自通信线路的分布式区段，诸如沿着光纤的分布式温度。收集的数据可以存储在获取系统中，并且运行对后续激励进行优化和/或建模的信息。

现在参照附图，图1示意性但并未按照尺寸地示出了现有技术的系统实施方式1的局部截面图，该系统需要将指定为2的通信钢丝或导线铺设到钻井内。通信线路2通常卷绕在与井头18隔开一定距离的鼓轮4上。通常，操作员坐在操作站6内。通信线路2送入润滑器或填料箱10顶部之前，先经过皮带轮7和8。润滑器或填料箱10围绕通信线路2在其进入点形成压力障碍。示出的剩余部件完成钻井控制组件，诸如连接件12和16，以及BOP14。

图2是本发明一种实施方式200的示意局部截面视图。通信线路2从经由支架32直接安装在填料箱或润滑器10上的通信线路铺设绞盘30进行铺设。可以选择的是，绞盘30可以直接安装在最顶部的BOP14上。该实施方式及其功能变化消除或大大减少了通信线路2的弯折，这种弯折可能导致通信线路2疲劳并最终失效。绞盘30驱动机构(未示出)可以直接安装在钻井控制组件上，例如安装在润滑器10上，或者可以位于其他表面或平台上。可以在绞盘30卷轴的轮毂处收集从井孔获得的数据。实施方式200及其功能和结构等同物可以减少吊起和降下时间，而且需要的设备件数较少，并且较之诸如图1所示的系统实施起来更为简单。

图3A和3B是本发明第二实施方式300的示意性局部截面图。实施方式300包含光纤绞盘42、驱动机构48、位于小型高压壳体40中的数据接口44。支架46将绞盘42连接到壳体40的内壁。为了将该设备吊起，操作员只需要将壳体40法兰连接(flange up)到井头18顶部。壳体40不存在流体泄漏路径，需要的压力测试最少。转动卷盘42的动力可以利用高扭矩磁性耦接器通过非磁性壁进行磁性输送。在该实施方式中，电气或液压马达49可以从壳体40外侧转动驱动机构48，而不必穿过壳体壁。在本发明这一方面的特定系统中，卷盘42驱动机构可以位于壳体40内，数据接口50也可以位于其内。在通信线路2为光纤的系统实施方式中，光学信号可以在光学连接器设备处漫射(以改善污染容差)，从旋转的卷轴轮毂到达漫射光学连接器，该连接器将光学信号重新聚焦到光纤直径上。然后，光纤将穿过壳体壁上的光学压力隔板(bulkhead)并在壳体外部可以利用。这是一种完全双向的布置，光束可以进出井孔。

如果通信线路2为微导线，则电气信号可以转换成无线信号，以省略对卷盘轮毂处的信号收集器的需求。在这样的实施方式中，接收器设备可以简单地包括位于壳体40中的非EMF阻挡口(包括材料诸如塑料、石英、陶瓷或它们的组合)。

光纤或微导线通信线路可以被铰接导向件52引导到钻井流中的适当位置，该导向件在图3A中可以左右移动，并任选在图3B中可以左右移动。钻井流中的适当位置可以是钻井类型、钻井处理类型和处理状态(阶段)的函数。例如，在铺设过程中，让通信线路在钻井流中居中可能比较有利，从而可以在通信线路上维持最大可能的摩擦阻力。但是，在高速或磨损处理中，将通信线路移动到一侧(在流动中湍流最小或(对纤维)破坏性最小的部分)。在特定实施方式中，当通信线路是用在破碎维护中的小直径纤维时，可以更为经济地将纤维留在钻井中。但是，在其他实施方式中，诸如钻井测量操作中，从钻井收回纤维可能更有意义。如果通信线路是微导线(单件或多件导体)，其也可以由在钻井中不能持续很久的材料(诸如锌或铝)或可以被酸冲洗流简单溶解的材料制成。在通信线路包括一条或多条多用途微导线的实施方式中，微导线可以包括不会被普通钻井处理流体损坏的材料(Inconel、Monel等)。

图4是方法实施方式400的处理信息流程图，可能有助于理解本发明的特定特征。方框60表示注入第一处理流体的起始点，该第一流体可以是盐水或其他流体。在注入盐水过程中，开始利用第一流体解绕通信线路，并在解绕通信线路的同时获得温度和压力数据，如方框62所示。一旦通信线路到达第一深度，则可以获得该具体深度的数据，如方框64所示。然后，在方框66处可以注入第二处理流体，将通信线路移动到新的深度，同时在通信线路的第二次移动过程中获取压力和温度数据。在到达该第二深度之后，可以在该第二深度获得第二组温度和压力数据，如方框68所示。在最后的步骤70处，可以注入第三处理流体，例如酸溶液，如果决定溶解通信线路的话。钻井维护领域的技术人员可以明白，可以对该基本方法进行许多可行的变化。例如，通过通信线路发送到地面的数据可以用来控制注入其中一种流体或任意流体的速率，可以利用井下收集到的数据“即时”改变流体成分，等等。

虽然以上仅详细说明了本发明的一些示例实施方式，但是本领域技术人员容易理解，可以对示例实施方式进行许多改动，而不会实质性背离本发明的新颖教导以及优势。因此，所有这些改动都应当包含在后面权利要求书限定的本发明的范围内。在权利要求书中，短语都不表示35U.S.C.§112第6段所允许的装置加功能的格式，除非“用于......的装置”明确与相关功能表述在一起。“用于......的装置”短语表示覆盖了文中所述执行所述功能的结构，不仅覆盖结构等同方案，而且覆盖等同结构。

Claims (37)

1.一种将通信线路引入储区附近的井孔的方法，包括：

(a)经过井孔泵送处理流体并将处理流体泵送入储区；和

(b)利用所述处理流体将通信线路推进到井孔中，而不对通信线路造成显著损坏。

2.如权利要求1所述的方法，包括：

将通信线路引入可拆卸地连接到所述井孔的井头的钻井控制组件。

3.如权利要求1所述的方法，包括：

将通信线路引入不具有钻井控制组件的受压井孔中，通过控制绞盘将通信线路引入或驱动到井孔中，所述绞盘设置在可拆卸地直接连接到所述井孔的井头上的受压壳体中。

4.如权利要求3所述的方法，包括：

在通信线路引入受压井孔之前，将所述壳体和所述绞盘直接连接到所述井头。

5.如权利要求3所述的方法，包括：

将所述壳体直接法兰连接到所述井头。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述通信线路包括光纤，经由壳体的非磁性壁磁性传输动力来驱动所述绞盘。

7.如权利要求6所述的方法，包括：利用第一光学连接件将光信号漫射，将漫射信号经由光纤传递到第二光学连接件，和将该信号重新聚焦到光纤直径上。

8.如权利要求7所述的方法，包括：经由壳体壁上的光学压力隔板发送所示信号。

9.如权利要求6所述的方法，包括：通过所述光纤双向发送光学信号，所述光纤包括一条或多于一条的光纤。

10.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通信线路是导线，且所述方法包括借助从无线和有线发送装置中选择的装置将电气信号传输到数据获取系统。

11.如权利要求3所述的方法，包括：利用导向机构将所述通信线路引导到受压井孔内。

12.如权利要求11所述的方法，包括：利用所述导向机构从所述受压井孔中回收所述通信线路。

13.如权利要求1所述的方法，包括：将所述通信线路留在所述井孔中，并利用化学、热学、物理学过程或者这些过程的组合而溶解所述通信线路。

14.如权利要求1所述的方法，包括：借助泵送系统将所述通信线路驱动到所述井孔中，该泵送系统将一种或多种处理流体泵送到所述井孔中。

15.如权利要求14所述的方法，包括：继所述通信线路驱动到所述井孔之后，将两种或更多种处理流体泵送到所述井孔中。

16.如权利要求14所述的方法，包括：所述处理流体泵送到井孔之前，混合或组合所述处理流体和/或固体。

17.如权利要求14所述的方法，包括：利用从井孔下获得数据、地面数据或它们的某些组合，控制所述混合和组合过程。

18.如权利要求14所述的方法，包括：利用地面数据获取系统获取井孔数据。

19.如权利要求14所述的方法，包括：将第一处理流体泵送到所述井孔中，以使通信线路解绕，然后泵送一种或多种后续处理流体。

20.如权利要求14所述的方法，包括：重新卷绕所述通信线路。

21.如权利要求6所述的方法，包括利用从下述方法中选择的方法来感知井孔状态：连接到通信线路远端的传感器、光纤上的光栅、光纤的掺杂以及它们的组合。

22.如权利要求21所述的方法，包括：利用感知到的井孔状态数据来监控后续钻井操作，或对后续钻井操作进行建模。

23.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述推进操作包括控制所述通信线路从绞盘解绕和/或向绞盘卷绕，所述控制方式从以下项目中选择：自动控制、电子控制、计算机化控制以及它们的组合。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述绞盘构造成经由通信端口，根据控制器输入来测量和控制线路解绕/卷绕长度，所述通信端口从有线端口、无线端口或它们的组合中选择。

25.一种系统，包括：

(a)将通信线路推进到受压井孔内的绞盘；

(b)该绞盘直接安装在钻井控制组件上，而该钻井控制组件流体连接到该受压井孔。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于，所述绞盘从光纤绞盘和微导线绞盘中选择，并且钻井控制组件可以从井喷防护器、填料箱、润滑器以及它们的组合之中进行选择。

27.如权利要求26所述的系统，包括收集井孔数据的装置。

28.如权利要求27所述的系统，其特征在于，所述装置是所述绞盘卷轴轮毂的一部分。

29.如权利要求25所述的系统，包括一种或多种适配成控制绞盘解绕的控制部件，所述控制部件从以下项目中选择：自动部件、电子部件、计算机化的部件以及它们的组合。

30.一种系统，包括：

(a)直接流体连接到井孔的井头的具有压力的壳体；和

(b)位于该壳体内的绞盘，通信线路卷绕在该绞盘上。

31.如权利要求30所述的系统，包括位于所述壳体内的用于所述绞盘的驱动机构。

32.如权利要求31所述的系统，其特征在于，转动绞盘的动力利用磁性耦接器通过非磁性壳体壁或该壁的一部分磁性传输。

33.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述通信线路为光纤，光学信号在光学连接件设备处漫射，从旋转的绞盘轮毂传输到漫射光学连接件，而该漫射光学连接件将所述光信号重新聚焦在所述光纤的直径上。

34.如权利要求33所述的系统，包括位于壳体壁上的光纤压力隔板。

35.如权利要求30所述的系统，其特征在于，所述通信线路为微导线，所述壳体包括接收器设备，该接收器设备包括位于所述壳体中的非EMF阻挡端口，该端口包括从塑料、石英、陶瓷或它们的组合中选出的材料。

36.如权利要求30所述的系统，包括铰接导向件，该铰接导向件适配成将所述通信线路引导到钻井流中的适当位置。

37.如权利要求30所述的系统，包括适配成控制绞盘解绕的一个或多个控制部件，所述控制部件从以下项目中选择：自动化部件、电子部件、计算机化的部件以及它们的组合。

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