CN101542071B - 井下载荷测量元件 - Google Patents

Abstract

一种校准以提高精度的井下载荷测量元件。载荷测量元件可以是干式载荷测量元件，其通过基于施加到其上的已知载荷的关于载荷测量元件的预定温度与压力数据的存储而校准。这样，采用载荷测量元件的地面设备可以包括利用存储的预定信息的计算机程序。计算机程序然后可以被采用以基于来自载荷测量元件的连同井下温度和压力信息的读数校准井下载荷测量元件。

Description

井下载荷测量元件

技术领域

描述的实施例涉及载荷测量元件，用于测量钻井中的井下位置处的井进出线上的张力或者压力形式的载荷。特别地，详细描述了载荷测量元件，其配置成确定卷曲管或者缆线的井下末端的张力或者压力。

背景技术

探测、钻探、完井和操作烃类以及其它井通常复杂、耗时且最终耗资巨大。考虑到这些费用，增加的重点已经放在完井和操作的每个阶段可获取的信息上。从用以测井和成形井的早期地震数据到井的整个寿命期间井状态的连续监测，可用的钻井信息在节约成本的烃类开采努力中扮演着关键的角色。

除了井自身的情形之外，在钻井处理期间，关于所用的井下工具的精确信息同样非常重要。例如，卷曲管、缆线以及其它井下井应用包括指导井下工具通过井的深度。在很多情形下，钻井非常深，且具有高度偏斜属性，或者包括其它挑战性的特征，使得关于井下工具的直接信息难以确定。例如，在测井应用中，油田上的地面设备可以利用缆线(wireline)将测井头递送到数千英尺的井内。某些有关缆线自身的信息可以通过在地面获取的缆线读数而可以获得。布置在井内的缆线量或者给予缆线的张力可以在地面测量。但是，这些读数可能并不构成关于测井头实际已经布置在井内的深度或者在测井头的位置给予井下缆线的张力量的真实表示。这样的不准确或者不完全信息会不利于测井应用。特别地，不精确地了解测井头处的井下缆线张力对于测井应用会是灾难性的。会导致在测井头处的缆线的不期望的断裂或者明显不能影响测井头的深度或者位置。

为了帮助在测井头的井下位置提供有关缆线张力的一定水平的精度，载荷测量元件通常结合到在缆线末端的测井头或者其它工具中。载荷测量元件一般包括应变仪组件，该组件配置成检测张力并通过缆线向井上电气传输张力读数。以这种方式，测井头位置的张力直接读数可以由井上的设备处理并用于指导测井应用。

不幸地，由于例如井环境的井下压力的原因，载荷测量元件的精度是有限的。也就是，井压力会随着钻井越来越深而显著增加。但是，某些载荷测量元件会在测井头内保持隔离，从而免于暴露于有害的井下环境。结果，通过该类型的载荷测量元件获得的读数不能提供井内测井头的井下位置处的张力的真实且精确的测量。

为了解决如上所述的载荷测量元件提供的张力测量不准确，载荷测量元件可以相反地为“湿式载荷测量元件”。也就是，载荷测量元件可以设置在测井头的可加压且装有油的室内。在这种情形下，测井头内的可加压的室会因响应活塞另一侧上的压力注入而受到活塞运动的影响。也就是，测井头可以配置成有意地允许在活塞的一侧发生压力注入，而活塞的另一侧可以限定罩住载荷测量元件的室。如此，罩住载荷测量元件的室内的压力会被改变以基本匹配井外环境的压力。这样，理论上，可以获得测井头位置的张力的更加可靠的读数，并通过载荷测量元件向井上传输。

不幸地，如上所述地用湿式载荷测量元件提供井下张力信息存在明显的限制。也就是，与不受井下压力影响的载荷测量元件相比，尽管提供一定程度的额外的精确性，但是甚至湿式载荷测量元件也具有明显程度的不准确性。例如，湿式载荷测量元件构型可提供在不超过约+/-3％范围内的张力测量精确程度。虽然这对于较小的载荷测量元件在有限深度的井中是足够的，但是，3％的张力测量误差对于深井中的数千磅的载荷测量元件会累计到接近数百磅载荷左右的误差。而且，湿式载荷测量元件的属性包括将应变仪暴露于油中，如上所述。如此，仪器和载荷测量元件自身的有效寿命一般在约1年左右。

发明内容

提供井下载荷测量元件用于获取关于油田钻井的井下位置的井下载荷数据。井下载荷测量元件可包括用于检测关于井的横向荷载的应变仪以及另一用于检测轴向载荷的应变仪。此外，井下载荷测量元件可配置成耦合到油田地面上的地面设备，其包括根据存储的有关井下载荷测量元件的预定数据校准井下数据的计算机程序。

附图说明

图1是具有采用井下载荷测量元件的实施例的井进出组件线的油田的总体视图。

图2是图1的沿着线2-2剖开的容纳井进出组件线的井下载荷测量元件的测井头的实施例的放大视图。

图3是图1的沿着线3-3剖开的井进出组件线的牵引件的实施例放大视图。

图4是图1的沿着线4-4剖开的井进出组件线的测井工具的实施例的放大视图。

图5是总结井下载荷测量元件校准过程的实施例的流程图。

图6是示出当采用井下载荷测量元件校准的实施例时的井下载荷测量元件精度的图表。

具体实施方式

参照在烃井上某测井工具和程序描述实施例。例如，在此所述的实施例包括井进出组件线，其采用井下载荷测量元件并用缆线递送一组井下工具。但是，除了在此所述的那些之外，可以采用替代的井下递送模式以及一组其它井下工具。因此，不管怎样，井下载荷测量元件的实施例和校准技术被描述，其可以用于提高井下钻井应用。此外，钻井在此是指的是位于“油田”。术语“油田”意味着指任何可以从其勘探或者生产烃的地质场。这可以包括陆地场、海底场所及其它。

现参照图1，描述油田115的总体情况。在该图中，示出偏斜(deviated)烃井180通过油田115的地层195，190。井进出组件线通过井180布置。在示出的实施例中，该线包括用于在井180内向井下递送测井头125和测井工具160的缆线155递送机构。当井180具有挑战性的结构时，牵引件140也可以用以帮助推进组件通过井180。但是，在其它实施例中，井进出组件线可以包括各种不同的或者其它的工具，甚至采用卷曲管作为通过井180的递送机构。不管怎样，如下面进一步详细描述的，可以采用施加到测井头125载荷测量元件100的载荷测量元件校准实施例提高井180的操作效果。

继续参照图1，井进出组件线配置成利用测井工具160进行测井操作以确定井180的各种特征。如下面进一步描述的，可以进行这样的操作以帮助建立或者更新井180关于压力、温度以及其它可以获得的井下数据的整体轮廓。为了获得数据，可利用地面设备150以在井180内定位工具160。特别地，由传统缆线卡车151支撑的绞盘152可以用以下降工具160以及其它设备到井180中。此外，在所示的水平井180的情形下，组件线的牵引件140可以用来啮合(interface)井壁185和进一步定位测井工具160以及其它井下设备。

当测井工具160以及其它设备如图所示地定位在井下时，缆线155可以通过地面载荷测量装置153运行。如所述的，地面载荷测量装置153可包括轮组件以物理地跟踪和监视通过绞盘152、牵引件140、组件自身重量或者其它因素施加在缆线155上的关于张力和/或压力的载荷量。该载荷信息与测井操作非常相关，取决于个别缆线155的载荷容限(tolerance)。这样，该信息可以导向控制单元154和计算机程序以分析和潜在地调节测井操作的参数。

上述载荷数据从地面载荷测量装置153获得，其定位在油田115的地面上接近来自绞盘152的缆线155的出口的开始处。如此，该载荷数据可在可以称作地面载荷数据。虽然该地面载荷数据可能具有显著的操作重要性，但是其可以从施加在井下设备上的实际载荷一定程度地改变。这对于其中井下设备定位在非常深的井深或者在高度偏斜或者水平的井180(如所示)内的情况尤其如此。在这样的情形下，在可检测的地面载荷数据和由井下载荷测量元件100检测的载荷数据(也就是井下载荷数据)之间的差异会是相当显著的。

例如，取决于井180的弯曲属性、潜在的阻塞、涉及的最大深度以及其它因素，由地面载荷测量装置153检测的载荷会与由井下载荷测量元件100检测的载荷相差数百磅。这样，为了避免单独依靠地面载荷数据，可以直接从井下载荷测量元件100获得更直接和实时的井下载荷数据测量。井下载荷测量元件100可根据需要通过缆线155直接提供井下载荷数据到控制单元154。以这种方式，控制单元154可以计算整个组件在不同井下位置的不定载荷。这样，可以减少灾难性故障、对井下设备的损伤或者仅基于间接的地面载荷数据不能正确完成井下操作的可能性。

除了消除依靠地面设备作为唯一的载荷数据源之外，井下载荷测量元件100可配置用于以这样的方式校准以实质上提高井下载荷数据的精度到在小于约3％的误差范围内。这样，不能正确完成操作的可能性可以进一步降低。井下载荷数据的精度提高可以通过采用与井下载荷测量元件100一起使用的温度与压力数据以及其在下面进一步描述的特征获得。

现继续参照图1和2，测井头125配备有布置在温度计壳体120和舱壁130之间的所示的井下载荷测量元件100。测井头125还包括鱼颈状组件275，其中缆线155耦合到测井头125。薄弱点110可以结合到鱼颈状组件275中以允许一旦在其上出现预定量的载荷张力，缆线155就从测井头125解耦。

除了图2所示的测井头125的放大图之外，井进出组件线的其它部分的放大图在图3和4中示出。也就是，牵引件140的放大图示出在图3中，而测井工具160的放大图示出在图4中。在下面进一步更加详细地描述该设备。但是，在此特别注意到的是，对于测井应用，牵引件140耦合到测井工具160和测井头125二者以帮助在井180中定位组件。在该定位过程中，载荷可能施加在上述的薄弱点110，其如果没有正确计算会导致应用程序提前终止或者受损，在下面将进一步详细描述。

返回到图2，示出测井头125的放大图，井下载荷测量元件100以横截面的方式示出。载荷测量元件室200示出在组件的载荷测量元件100部分内。载荷测量元件室200可以是干燥且隔离的空间以罩住多个应变仪225，250。这样，井下载荷测量元件100可称为“干式”载荷测量元件。与利用其中允许仪器225，250暴露于油中的油室的情形相比，以这种方式采用干的室200可以延长载荷测量元件100的寿命。但是，由于载荷测量元件室200干燥且隔离的属性，在室200内的压力和来自井180周边环境的压力之间存在不一致。这样，当确定井下载荷测量元件100上的井下载荷时，应变仪225，250可如下所述地定向以一定程度地偏移该不一致。

如图2所示，应变仪225，250的上述定向是这样的以使得有轴向应变仪225和横向应变仪250。这样，在所示实施例中，径向或者“环”向应力可以用独立于轴向应变仪225的横向应变仪250计算。如此，主要由于室200和井180之间压力不一致导致环向应力的效果，可以得知。以这种方式，由控制单元154计算的载荷可以计算并一定程度地偏移环向应力以提供真实井下载荷的更加精确的计算。

虽然应变仪225，250的上述定向可以一定程度地提高确定的井下载荷的精度，但是可以采用其它测量以进一步体将该精度提高到3％误差范围内以适于不断增加的井深。也就是，随着在努力开采烃类中不断到达增加的井深，仅基于干式载荷测量元件以及特定定向的应变仪225，250来提高精度的价值会降低。而且，设备量、缆线155的长度和载荷测量元件100的尺寸会随着到达的井深不断加深而增加。这样，甚至最小的不准确性的影响都会被放大。例如，在5,000磅载荷测量元件中的潜在的3％的不准确性等于+/-150磅的精度，而对于10,000磅的载荷测量元件，相同程度的潜在不准确性等于+/-300磅的精度。

现继续参照图2，采用井下温度和压力信息的校准技术可以应用到从井下载荷测量元件100获取的数据以进一步提高其精度。例如，可以建立载荷测量元件100特有的预定压力和温度信息的数据表。在该实施例中，载荷测量元件100可以在如图1所示的井下应用之前以受控制的设定而进行测试。在该设定中，已知的载荷可以在各种温度和压力下施加到载荷测量元件100。

由载荷测量元件100检测的载荷然后可以与已知载荷相比较以确定在给定温度和压力下的不准确度。该检查可以随后以各种不同的已知载荷进行直到关于已知载荷相对于检测出的载荷的一整套比较信息得以建立。该比较信息可以以数据表的形式存储(见图5的520)。最后，可以建立载荷测量元件100所特有的算法，其可以后来用于在应用过程中优化实时校准由载荷测量元件100提供的载荷测量元件数据(见图5的580)。

一旦建立，上述数据表和/或从中发展出来的算法可以存储和应用到图1的控制单元154或者其它信息处理机构以便后来可重复使用。事实上，当应用到如图2所示的干式井下载荷测量元件100时，制定如上所述的数据表或者算法会是特别有益的。也就是说，假设载荷测量元件100的封闭环境，从那里获得的读数与具有油浴中劣化的应变仪的湿式载荷测量元件100相比可能相当一致。这样，对于给定的载荷测量元件100，一旦数据表和算法的比较信息建立，数据在干式载荷测量元件100的整个寿命期间应当保持相当的精度。以这种方式，利用载荷测量元件100可以将比较信息的可靠性且可重复性应用到许多应用场合。

现参照图2和图5，描述一种方法，其采用上述数据表和从中发展出来的算法，以提高井下载荷信息的精度。也就是，可以在520如上所述那样为给定的载荷测量元件100制定数据表。该信息可以存储在控制单元154或者其它的处理机构中，如上面所述。载荷测量元件100，作为较大测井头125的一部分，然后可以在530通过传统的缆线155和/或其它装置递送到井下位置，如图1所示。

当载荷测量元件100在井下位置时，压力和温度信息可以通过测井头125处的传感器(例如，见温度计壳体120)或者如下所述的测井工具160(见图4)直接获取，如在560和570表明的。该压力和温度信息可以然后传输到处理机构和计算机程序以校准来自载荷测量元件100的载荷数据，如在580表明的。也就是，可以根据从如上所述的预定数据表获得的信息，通过应用算法来校准载荷数据。

如上所述的技术的应用可以以动态和实时的方式应用到在向井下或者向井上方向运动并通过许多井下地点或者位置的测井头。最终结果可以有效地为井下载荷测量元件100提供实质上的精度提高。该提高的精度的例子以及由此得到的优点在图6以及图3和4中示出，其在下面同样再次提及。

继续参照图5，以及结合参照图1，描述了在井下位置获取压力信息的替代方式。也就是，在某些情形下，与直接压力测量相反，可以获得对井下位置的压力信息的估计。虽然如此，该估计的压力信息可以用于上述校准，而不会对载荷测量元件100的精度改善存在明显的影响。因此，例如，在无法进行压力的直接检测的场合，对于任何给定的井下位置，可以估计井压力数据，或许来自井180的先前测量。

在采用估计的压力数据的实施例中，地面载荷测量装置153或者其它地面工具可以包括测量布置在井180内的缆线55的量的额外的能力。借助该可用的测量，当测井头125定位在井180内时，可以记录关于测井头125的深度信息(见540)。如此，在给定井下位置可以基于深度进行压力估计，如在550所表明的。这样，甚至在无法获得直接压力信息的场合，载荷测量元件100也可以校准以提高精度，如上面详细描述的。

现参照图6，描述出如上所述地通过采用校准技术获得的井下载荷测量元件的精度提高程度的图表。如图6所示，干式载荷测量元件的精度，对于百分比误差来说，可以在交叉x轴的不同载荷的一定范围内进行描述。对于压力和温度的预定不变情形，也就是约400°F和大约20,000磅的压力，校准的干式载荷测量元件读数600可以与没有校准的读数650相比较。也就是说，在直到约8,000磅的载荷范围，与没有校准650的相同的干式载荷测量元件相比，根据上述技术校准的干式载荷测量元件600显示出介于大约0.5％到1％之间的精度提高。虽然精度1％的提高会看起来也不怎么显著。但是，事实并不是这样。如上所述，取决于载荷大小和涉及的载荷测量元件，该精度提高的百分数可以代表井下载荷确定过程中实际上数百磅的精度提高。

暂时返回参照图3，并结合参照图2，可以在实际例子中示出井下载荷确定过程中获得高达数百磅的精度提高所带来的显著效果。如图3所示，牵引件140配置成向井下拉动测井头125和缆线155。这可以通过利用活基310实现，活塞310被用于交替地驱动井上组件370和井下组件380通过井180。因此，在所示实施例中，每一组件370，380包括用于啮合井壁185的锚375，385和用于该锚的致动器377，387。这样的牵引件140可以液压驱动并具有拉动或者驱动数千磅载荷的能力。

假设牵引件140具有上述载荷传递能力，如图所示的井下载荷测量元件100对于井下载荷的常规监测会有重大意义。例如，可能的是，牵引件140的载荷传递能力可以远远超过构建在测井头125的薄弱点110内的容限。如此，在载荷测量元件100表明载荷接近薄弱点110的容限的情形下，牵引件140可以被指导而停止以避免测井头125内的薄弱点110断裂。以这种方式，可以避免随后的用以收回留在井下的工具的打捞操作，如果用于移走工具的替代动作程序存在的话。

但是，如果没有实质上精确的载荷数据，可能的是，已经不必要地停止了上述测井操作。也就是说，当事实上牵引件140给予的载荷还距薄弱点110的载荷容限有数百磅时，来自载荷测量元件100的不准确的载荷数据会表明牵引件140施加在测井头125上的拉力正接近薄弱点110的载荷容限。在这种情形下，测井操作已经停止，即使不大可能破坏薄弱点110。这样，由于载荷数据不准确，会发生大量的停工以及费用。但是，可以采用上述的干式载荷测量元件100的校准技术以实质上降低井下操作的这种不必要停止的可能性。

另外简要地参照图4，测井工具160可以通过井下工具耦合件355耦合到牵引件140。借助如上所述的继续操作的能力，测井工具160可以通过井180以获得关于地层190的信息。在所示实施例中，测井工具160可包括用以建立流体流动信息的浸润工具420、成像工具440、加速度计及其它用于获得井下信息的工具。用作，随着测井应用以相对连续的方式进行，可以应用这些工具，而且不会存在因实质上不准确的载荷测量元件数据而不适当地停止的风险。

上述校准技术可以特别好地适用于上述干式载荷测量元件。但是，其它的实施例中，这些技术可以用于其它载荷测量元件类型，包括湿式载荷测量元件以提高从中获得的载荷数据的精度。此外，所述技术可以将载荷测量元件的精度提高到小于约3％的误差范围内，而不管载荷测量元件类型如何。结果，载荷测量元件和在此所述的技术可以特别好地适于较大载荷应用和较深的烃井。

已经参照当前的优选实施例进行了前面的描述。这些实施例所属领域的技术人员将认识到，在所述结构以及操作方法中可以进行替代和改变，而实际上并未超出这些实施例的原理和范围。例如，用于递送井下工具的井进出组件线可以包括在此详细描述的缆线或者卷曲管。如此，通过载荷测量元件提供的载荷的测量值可以包括张力或者压力。而且，前面的描述不应被理解为仅针对附图中所示以及所述的精确结构，而是应当理解为与权利要求一致并支持权利要求，其将具有其最宽和最适当的范围。

Claims (7)

1.一种确定在油田钻井的井下位置的井进出组件线上的校准的载荷的方法，所述方法包括：

通过所述井进出组件线递送干式井下载荷测量元件到所述井下位置；

从所述井下位置获取井下温度信息；

提供关于所述井下位置的井下压力信息；以及

基于关于所述井下载荷测量元件的预定数据实时校准在所述井下位置的所述井下载荷测量元件检测的井下载荷数据，其中，预定数据是这样获得的：在将载荷测量元件递送到井下位置之前，在各种温度和压力下向载荷测量元件施加各种已知载荷，以确定在给定的载荷、温度和压力下的不准确度。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定数据存储为数据表和算法之一。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述井下位置的深度；以及

基于所述深度估计所述井下压力信息。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述井进出组件线包括耦合到所述井下载荷测量元件用于递送以及耦合到在油田的地面设备的递送机构，所述确定包括在所述递送过程中用所述地面设备测量所述递送机构。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述校准提供处于+/-3％内的精度。

6.如权利要求1所述的方法，还包括通过所述井进出组件线的测井工具获得关于所述井下位置的测井信息。

7.如权利要求1所述的方法，其中，所述井进出组件线包括井下牵引件，所述方法还包括通过所述牵引件牵引所述井进出组件线到所述井下位置。