CN103748319A - 用于控制完井作业的设备和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于向地层中的井下部位传送一材料的方法、计算机可读介质和设备。在地表部位操作一装置，以在与向地层传送该材料有关的井下部位产生作用。测量该井下部位的井下参数，其中该井下参数受地表部位的该装置的操作的影响。利用紧邻井下部位的传感器测量该井下参数。利用所测量的井下参数，改变地表部位的该装置的操作，以向井下部位的地层传送材料。

Description

用于控制完井作业的设备和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年8月25日提交的美国申请No.13/217745的优先权，该申请全部内容在此引入作为参考。

背景技术

通常执行完井作业来制备用于采油的井眼。这种作业可以包括，例如，压裂作业（“压裂”）、酸化增产、含砂量控制作业、砾石充填等等。典型地，为了控制目的，在这些完井作业期间要测量各种操作参数。通常利用位于地面部位的传感器测量这些参数，并进行计算以确定相关的井下参数，例如井下力、井下扭矩、井下流体压力等等。由于涉及的距离大，所确定的井下参数可能是实际井下参数的不准确表示。所以，本公开内容揭露了一种用于在与完井作业相关的井下部位获取参数并利用所获取的井下参数控制完井作业的设备和方法。

发明内容

在一个方面，公开了一种向地层中的井下部位传送材料的方法，所述方法包括：在地表部位操作一装置，以在与向地层传送所述材料相关的井下部位产生作用；利用紧邻所述井下部位的传感器，测量受地表部位的所述装置的操作影响的井下部位的参数；和利用所测量的井下参数来改变地表部位的所述装置的操作，以向井下部位的地层传送材料。

在另一个方面，本公开内容提供了一种用于将材料传送到地层的井下部位处的地层的设备，所述设备包括：地表装置，所述地表装置被构造成执行一操作，以在与向地层传送所述材料相关的井下部位产生作用；紧邻所述井下部位的井下传感器，所述井下传感器被构造成测量与所产生的作用相关的井下参数；和处理器，所述处理器被构造成利用所测量的井下参数来改变地表装置的操作。

在另一个方面，本公开内容提供了一种计算机可读介质，所述计算机可读介质具有存储在该计算机可读介质上的指令，所述指令当被至少一个处理器读取时能够使所述至少一个处理器执行用于压裂地层的方法，所述方法包括：测量受地表装置的操作影响的井下参数，以向井下部位传送材料；和基于井下参数来改变地表装置的操作。

附图说明

不管怎样，下面的描述都不应看作是限制性的。参照附图，同样的元件用相同的附图标记表示：

图1显示了依照本公开内容的一个实施例的用于执行完井作业的示例性系统；

图2显示了图1的示例性系统的各种地表装置的详图；

图3显示了依照本公开内容的一个实施例的在完井作业中使用的示例性传感器短节（sub）的详图；

图4显示了在本公开内容的一个方面中可附接于一工具管柱的示例性压裂组件的详图，其用于在井下部位执行压裂作业。

图5示出了工具管柱，所述工具管柱具有能利用在本公开内容的示例性操作中所获取的地层测量数据定位在井眼内的装置。

具体实施方式

参照这些附图，在此以举例而非限制性的方式给出了所披露的设备和方法的一个或多个实施例的详细说明。

图1显示了依照本公开内容的一个实施例的用于向地层传送材料的示例性完井系统100。该示例性完井系统100包括位于海面部位104的钻机平台102，该钻机平台使工具管柱120向下经过海床126延伸到地层112中的井眼110内。立管106从钻机平台102延伸到海床126处的防喷器130。工具管柱120从钻机124沿着立管106穿过防喷器130延伸并进入到井眼110内。在各个实施例中，工具管柱120可以是带线管和/或钻管，其被构造成向井下输送用于执行压裂作业的各种装置。虽然该示例性实施例是就海洋钻机平台102显示的，但是，这不意味着对本公开内容的限制。在此公开的方法和设备同样适用于陆地作业。

图1的系统为典型的完井系统，但是也可以是用于向井下部位传送诸如压裂流体、支撑剂、砂、酸等材料的任何系统。材料传送典型包括在确定压力下将材料泵送至地层中。虽然该系统在此是具体参照压裂作业进行论述的，但是，利用在此公开的系统和方法，可以执行其中将材料传送至井下部位的完井作业的任何方面。所以利用图1所示的系统能够执行的各种示例性作业包括压裂作业（“压裂”）、砾石充填作业、酸化增产作业、含砂量控制作业、泵送流体至地层中、泵送支撑剂至地层中等等。

所示的示例性井眼110延伸穿过地层112并进入到开采区或储层114内。图1所示的井眼110包括竖直区段110a和明显偏离区段110b。井眼110衬有具有多个穿孔118的套管108。所示的工具管柱120包括沿着井眼110的偏离区段110b延伸的部分。一示例性井下组件，例如压裂工具组件134（“压裂组件”），沿着工具管柱120被输送到与穿孔118重合的选定部位。工具管柱120沿其长度限定了内部轴向流孔128。在通常作业期间，各种流体和/或固体（例如压裂流体和/或支撑剂）穿过轴向流孔128被送向井下，并经由压裂组件134和穿孔118被送至储层114中。支撑剂可以是天然存在的砂粒或人造支撑剂，例如涂覆树脂的砂或类似于烧结铝矾土的高强度陶瓷材料。

在一示例性实施例中，压裂组件134可以在井眼110内由一对封隔器装置148和150隔离。沉砂封隔器150在工具管柱120的一端隔离工具管柱120的下部分。虽然沿着工具管柱120只显示了一个压裂组件134，但是，可以沿工具管柱120布置多个压裂组件。所述一个或多个压裂组件可以位于井眼的竖直区段、偏离区段或竖直区段和偏离区段两者中。在各个实施例中，井眼的偏离区段110b为大体上水平的区段。

示例性压裂组件134包括栅网140和用于控制压裂组件的各种操作的示例性施工工具142。施工工具142构造成引导和控制流体流动路径，以保持对地层的流体静力正压，并促进各种压裂工序和/或砾石充填作业等等。传感器短节144联接于施工工具142的顶端并联接于工具管柱120的井下端。传感器短节144测量与压裂作业相关的各种井下参数。依照在此公开的方法，可利用所测量的这些井下参数控制用于执行压裂作业的地表装置的操作。在一个实施例中，传感器短节144为模块化装置。下面参照图3给出传感器短节144的详细论述。

图2显示了图1的示例性系统的各种地表装置的详图。示出了工具管柱120的顶端。施力装置220联接于工具管柱120的顶端，并可用于例如在工具管柱上施加向下的（或向上的）力。在典型的压裂作业中，施加向下的力以防止工具管柱向上运动。工具管柱的顶端还包括接合短节204和被称为“压裂头”的头部202。压裂头构造成用于向井下传送压裂流体和各种支撑剂。使用一个或多个泵（未显示）将材料经由压裂头202泵送至工具管柱120内，以便传送至井下部位。信号接合短节204提供了各种线的进入点206，所述各种线用于提供钻机平台上的各装置与各种井下装置之间的信号通讯。在一个实施例中，工具管柱由具有内置式通讯线路的带线管段构成，信号被送过带线管。在一替换实施例中，信号被送过设置在工具管柱的环空或套管的环空中的通讯电缆，并可以经由侧进入短节进入该环空。

图2还显示了位于钻机平台处的控制单元210。控制单元210典型地包括：处理器212；一个或多个计算机程序214，其可进入处理器212，所述处理器用于执行所述程序中包含的指令，以执行在此公开的方法；和存储装置216，例如固态存储器、磁带或硬盘，所述存储装置用于存储处理器212所获取的确定量及其它数据。控制单元210可以将数据存储到存储装置216或将数据发送至显示器218。在压裂作业的一个方面中，控制单元210从传感器短节144接收信号，并作出响应，向各种地表装置（例如施力装置220和/或施工工具142）发送信号，以控制地表的操作。

图3显示了一个实施例中的本公开内容的传感器短节144的细节图示。该示例性传感器短节144包括大体上圆柱形的外壳326，所述外壳具有被构造成分别接合工具管柱120和施工工具142的邻接部分的轴向端部328和330。外壳326限定了贯穿该外壳的流孔332，以容许各种流体和固体向井下通过。一个或多个耐磨垫334可以周向固定在传感器短节144周围，以帮助保护传感器短节144免受由井眼摩擦和接合引起的损坏。传感器短节144包括具有安装在其上的多个传感器的传感器区段336。在所示的示例性传感器短节144中，传感器区段336包括能够确定工具管柱120施加在施工工具142上的力的大小的力传感器338和能够测量由工具管柱120的旋转施加到施工工具142上的扭矩的扭矩仪340。另外，传感器区段336还包括角弯曲测量仪342，其能够测量工具管柱120内的角偏转或弯曲力。另外，传感器区段336还包括环空压力计344，其测量在外壳326与井眼110之间形成的环空内的流体压力。孔压力计346测量传感器短节144的孔332内的流体压力。还示出了一加速度计348，其可操作以确定施工工具142在轴向、横向或角方向上的加速度。可使用温度测量装置349来获取井下温度。该示例性传感器短节144可以进一步包括用于相对于周围地层对工具进行定向的组件，例如，伽马计数装置和方向传感器。通过每一个上述传感器，传感器短节336获取并生成与压裂作业相关的数据。

传感器短节144还包括处理区段350。处理区段350构造成接收由传感器区段336的各种传感器所检测的有关各种完井作业的工作状况的信号，例如井下重量、井下扭矩、井下温度、井下压力等。处理区段350典型地包括井下数据处理器353和存储介质354，所述数据处理器和存储介质可操作地与传感器区段336互连，以存储从传感器区段336获取的数据。井下数据处理器353包括一个或多个基于微处理器的电路，以处理由井下的传感器短节中的传感器在压裂作业期间进行的测量。在一个实施例中，处理区段350存储井下存储介质354所接受的信号。在压裂组件返回地表部位时，可以从处理区段350取回所存储的信号进行处理，以获取对将来的完井作业有用的信息。

处理区段350还包括用附图标记356示意描绘的数据传输器，所述数据传输器用于利用本领域已知的用于将编码数据传输到地表部位的各种传输装置传输编码数据信号，例如经由带线管、光缆等进行电磁传输。所以，在另一个实施例中，处理区段350在完井作业期间接收的信号可以被传输给控制单元210以便进行处理，以便控制当前的完井作业。例如，可以基于传感器短节144所获取的力的测量来控制施力装置220，以增加或减少作用于工具管柱上的向下的力。另外，信号可以在井下处理器353进行处理，或者在地表处理器212进行处理，或者由井下处理器和地表处理器的组合进行处理。

传感器短节144还包括动力区段352。动力区段352容纳有用于操作处理区段350内的部件和传感器区段336内的部件的动力源358。在一示例性实施例中，动力源358为一个或多个电池。在另一个实施例中，动力源包括由向下流过工具管柱120并流过传感器短节144的孔332的流体的流动致动的“泥浆马达”机构。这种机构利用通过诸如压裂流体的流体流动而旋转的涡轮机来产生电力。

虽然图3中没有示出用于每个传感器短节的可操作的相互电连接，但是这对本领域技术人员来说是众所周知的，因而这里不再详细描述。在一示例性实施例中，传感器短节144包括可从本发明的受让人德克萨斯州休斯顿的贝克休斯公司的INTEQ部门市售的CoPilotTM工具的部分。

图4显示了依照本公开内容的一个实施例的可附接于工具管柱的示例性压裂组件134的详图，所述压裂组件用于在井下部位执行压裂作业。压裂组件包括顶部封隔器402和底部封隔器404。一扣锁405位于压裂组件的底端，用于将压裂组件134连接到底部封隔器404以及从底部封隔器解联。在压裂组件的顶端设有转换组件408和用于插入施工工具142的短接头410。传感器短节144坐落在施工工具142的顶上，并与工具管柱120联接。压裂组件134还具有用于将压裂流体喷到地层中的压裂伸长区段415。

压裂组件134的各种井下参数都在传感器短节测量。示例性井下参数包括重量、扭矩、弯矩、内压力、外压力、温度、各种动力学参数和经由诸如伽马射线测量量的地层评价测量量确定的各种参数。示例性井下力的测量可用于控制压裂作业的各个方面，所述井下力包括：与将扣锁插入到底部封隔器并指示成功插入相关的力；与施工工具142和短接头410之间的密封相关的力；封隔器402和井眼壁之间的力；和压裂组件上的旋转力。另外，温度测量量可与井下部件（例如封隔器）的热膨胀有关，或者用于保持压裂作业温度。对于压力不平衡等可以测量压裂流体压力。可基于井下测量量改变各种地表装置的操作。例如，可以在地表装置220上施加一力，以用于将压裂组件插入到底部封隔器404中；以在短接头410中保持施工工具；以及以保持封隔器密封。并且，可基于井下压力和温度来改变喷射压力。井下测量的工具管柱的旋转可与地表部位施加的相关旋转等同。

在另一个方面，传感器短节所获取的测量量可用来将工具管柱定位在选定深度。传感器短节144的传感器（例如伽马射线传感器）获取从周围地层发射的自然伽马射线的测量量。这些测量量可以与以前获取的伽马射线记录进行比较。图5显示了用于确定传感器深度的示例性伽马射线测量量501和502。在井下工具的第一深度获取第一个伽马射线测量量501，该第一深度通常为已知部位。将工具移动到第二深度，在第二深度获取第二个伽马射线测量量502。从而可以将第一个和第二个测量量与以前获取的伽马射线记录505进行比较，以确定行进的距离。虽然在示例性例子中使用了伽马射线传感器，但是，在替换实施例中可以使用能用于获取诸如电阻率、声等的地层记录的任何传感器。在各实施例中，工具管柱120在向井下泵送材料期间可移动到选定位置。

所以，在一个方面中，公开了一种向地层中的井下部位传送材料的方法，该方法包括：在地表部位操作一装置，以在与向地层传送该材料相关的井下部位产生作用；利用紧邻该井下部位的传感器来测量受地表部位的所述装置的操作影响的井下部位的参数；和利用所测量的井下参数来改变地表部位的所述装置的操作，以向井下部位的地层传送材料。该装置可以执行与下述至少之一相关的操作：（i）压裂作业；（ii）砾石充填作业；（iii）酸化增产；（iv）含砂量控制作业；（v）将流体泵送到地层中；和（vi）将支撑剂泵送到地层中。而且，该装置可用于执行：送入完井装置；安置完井装置；和将材料泵送通过完井装置。在一个实施例中，井下参数利用下述至少之一从传感器经由工具管柱传输给地表处理器：（a）带线管；（b）纤维光缆；和（c）电磁传输。在另一个实施例中，井下参数存储于井下存储装置。在另一个实施例中，传感器用来通过以下方式将与传感器相关联的井下装置定位在井眼中：在传感器的第一深度获取地层参数的第一个测量量；将传感器移动到第二深度；在第二深度获取地层参数的第二个测量量；和将所获取的第一个和第二个地层测量量与周围地层的记录进行比较，以确定所述第二深度来定位传感器。井下部位可以是井眼的偏离区段中的部位。所测量的井下参数可以包括下述至少之一：（i）重量；（ii）扭矩；（iii）弯矩；（iv）压力；（v）温度；（vi）动力学测量量；和（vii）伽马射线测量量。地表装置的操作可以包括下述至少之一：（i）对工具管柱施力；（ii）对工具管柱施加旋转；和（iii）将材料泵送到工具管柱中。

在另一个方面中，本公开内容提供了一种用于将材料传送到地层的井下部位处的地层的设备，所述设备包括：地表装置，其被构造成执行一操作，以在与向地层传送该材料相关的井下部位产生作用；紧邻该井下部位的井下传感器，所述井下传感器被构造成测量与所产生的作用相关的井下参数；和一处理器，其被构造成利用所测量的井下参数来改变地表装置的操作。在各个实施例中，该地表装置可以执行与下述至少之一相关的操作：（i）压裂作业；（ii）砾石充填作业；（iii）酸化增产；（iv）含砂量控制作业；（v）将流体泵送到地层中；和（vi）将支撑剂泵送到地层中。在另一个实施例中，该装置被构造成执行下述至少之一：将完井装置送到井眼中；将完井装置安置在井眼中；和将材料泵送通过完井装置。在一个实施例中，处理器为地表处理器，其被构造成经由下述至少之一与井下传感器通讯：（a）带线管；（b）纤维光缆，和（c）电磁传输装置。在另一个实施例中，井下存储装置可用于存储所测量的井下参数。井下传感器可被构造成在第一传感器深度获取地层参数的第一个测量量和在第二传感器深度获取地层参数的第二个测量量，其中，处理器进一步被构造成由第一个和第二个地层测量量与周围地层的记录的比较来确定第二深度的位置。井下部位可以在井眼的偏离区段中。在各个实施例中，井下参数为下述至少之一：（i）井下重量；（ii）井下扭矩；（iii）井下弯矩；（iv）井下压力；（v）井下温度；（vi）动力学测量量；和（vii）伽马射线测量量。该地表装置典型地执行选自下述至少之一的操作：（i）在地表部位在工具管柱上施加力；（ii）在地表部位对工具管柱施加旋转；和（iii）将材料泵送至工具管柱中。

在另一个方面，本公开内容提供了一种计算机可读介质，所述计算机可读介质具有存储在其上的指令，所述指令当被至少一个处理器读取时能够使所述至少一个处理器执行用于压裂地层的方法，该方法包括：测量受地表装置的操作影响的井下参数，以向井下部位传送材料；和基于井下参数改变地表装置的操作。如权利要求19所述的计算机可读介质，还包括下述至少之一：（i）ROM；（ii）EPROM；（iii）EAROM；（iv）闪存；和（v）光盘。

如上所述，实施例可以采用计算机执行的程序和用于实施这些程序的设备的形式。在示例性实施例中，本公开内容体现为计算机程序代码。实施例包括计算机程序代码，所述计算机程序代码含有包含在有形介质（例如软盘、CD-ROM、硬盘或任何其它计算机可读存储介质）中的指令，其中，当计算机程序代码载入计算机并由计算机执行时，计算机变成了用于实施本公开内容的设备。实施例包括计算机程序代码，例如，无论存储在存储介质中、载入到计算机中和/或由计算机执行、还是传输过某种传输介质，例如传输过电线或电缆、传输通过光纤、或者经由电磁辐射传输，其中，当计算机程序代码载入计算机中并由计算机执行时，计算机变成了用于实施本公开内容的设备。可执行指令的技术效果是改变操作井下压裂组件的地表装置的参数。

虽然已经参照示例性实施例对本公开内容进行了描述，但是本领域技术人员应当明白，在没有背离本公开内容的范围的情况下，可以进行各种改变，也可以利用等效物来代替其元件。另外，在没有脱离本公开内容的实质范围的情况下，可以进行许多改进，以使具体情形或材料适应本公开内容的教导。所以，本公开内容并不意在局限于被想到作为执行本公开内容的最佳方式的所公开的特定实施例，而是，本公开内容将包括落入权利要求书的范围之内的所有实施例。而且，在附图和说明书中，已经披露了本公开内容的示例性实施例，虽然可能采用了特定术语，但是，除非另有说明，这些特定术语仅用于一般和描述性意义，而不是用于限制目的，因此本公开内容的范围不由此限定。此外，术语第一、第二等的使用不表示任何次序或重要程度，而是用来将一个元件与另一个元件相互区分开。此外，术语“一”等的使用不表示数量的限制，而是表示存在至少一个所引用的对象。

Claims (20)

1.一种向地层中的井下部位传送材料的方法，所述方法包括：

在地表部位操作一装置，以在与向地层传送所述材料相关的井下部位产生作用；

利用紧邻所述井下部位的传感器，测量受地表部位的所述装置的操作影响的井下部位的参数；和

利用所测量的井下参数来改变地表部位的所述装置的操作，以向井下部位的地层传送材料。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：操作所述装置，以执行与下述至少之一相关的操作：（i）压裂作业；（ii）砾石充填作业；（iii）酸化增产；（iv）含砂量控制作业；（v）将流体泵送至地层中；和（vi）将支撑剂泵送至地层中。

3.如权利要求1所述的方法，还包括：操作所述装置，以执行下述至少之一：（i）下送完井装置；（ii）安置完井装置；和（iii）将材料泵送通过完井装置。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：利用（a）带线管；（b）纤维光缆；和（c）电磁传输中的至少一种而将井下参数从传感器经由工具管柱传输给地表处理器。

5.如权利要求1所述的方法，还包括：将所测量的井下参数存储于井下存储装置。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述操作还包括将与传感器相关的井下装置定位在井眼中，该方法还包括：

在传感器的第一深度获取地层参数的第一个测量量；

将传感器移动到第二深度；

在第二深度获取地层参数的第二个测量量；和

将所获取的第一个和第二个地层测量量与周围地层的记录进行比较，以确定所述第二深度来定位所述传感器。

7.如权利要求1所述的方法，还包括：将材料传送到井眼的偏离区段中的井下部位。

8.如权利要求1所述的方法，其中，所测量的井下参数为下述至少之一：（i）重量；（ii）扭矩；（iii）弯矩；（iv）压力；（v）温度；（vi）动力学测量量；和（vii）伽马射线测量量。

9.如权利要求1所述的方法，其中，地表装置的操作还包括下述至少之一：（i）在工具管柱上施力；（ii）对工具管柱施加旋转；和（iii）将材料泵送至工具管柱中。

10.一种用于将材料传送到地层的井下部位处的地层的设备，所述设备包括：

地表装置，所述地表装置被构造成执行一操作，以在与向地层传送所述材料相关的井下部位产生作用；

紧邻所述井下部位的井下传感器，所述井下传感器被构造成测量与所产生的作用相关的井下参数；和

处理器，所述处理器被构造成利用所测量的井下参数来改变地表装置的操作。

11.如权利要求11所述的设备，其中，该地表装置被构造成执行与下述至少之一相关的操作：（i）压裂作业；（ii）砾石充填作业；（iii）酸化增产；（iv）含砂量控制作业；（v）将流体泵送至地层中；和（vi）将支撑剂泵送至地层中。

12.如权利要求1所述的设备，其中，所述装置还被构造成执行下述至少之一：（i）下送完井装置；（ii）安置完井装置；和（iii）将材料泵送通过完井装置。

13.如权利要求10所述的设备，其中，处理器为地表处理器，所述地表处理器被构造成经由（a）带线管；（b）纤维光缆；和（c）电磁传输装置中的至少一种而与井下传感器通讯。

14.如权利要求10所述的设备，还包括井下存储装置，所述井下存储装置被构造成存储所测量的井下参数。

15.如权利要求10所述的设备，其中，井下传感器还被构造成在第一传感器深度获取地层参数的第一个测量量和在第二传感器深度获取地层参数的第二个测量量，其中，处理器进一步被构造成由第一个和第二个地层测量量与周围地层的记录的比较来确定所述第二传感器深度的位置。

16.如权利要求10所述的设备，其中，井下部位在井眼的偏离区段中。

17.如权利要求10所述的设备，其中，井下参数为下述至少之一：（i）井下重量；（ii）井下扭矩；（iii）井下弯矩；（iv）压力；（v）温度；（vi）动力学测量量；和（vii）伽马射线测量量。

18.如权利要求10所述的设备，其中，所述地表装置被构造成执行选自下述至少之一的操作：（i）在地表部位在工具管柱上施力；（ii）在地表部位对工具管柱施加旋转；和（iii）将材料泵送至工具管柱中。

19.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质具有存储在该计算机可读介质上的指令，所述指令当被至少一个处理器读取时能够使所述至少一个处理器执行用于压裂地层的方法，所述方法包括：

测量受地表装置的操作影响的井下参数，以向井下部位传送材料；和

基于井下参数来改变地表装置的操作。

20.如权利要求19所述的计算机可读介质，还包括下述至少之一：（i）ROM；（ii）EPROM；（iii）EAROM；（iv）闪存；和（v）光盘。

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