CN103890316A

CN103890316A - 用于评估被动压力隔离罩的系统与方法

Info

Publication number: CN103890316A
Application number: CN201180072590.3A
Authority: CN
Inventors: R·E·斯韦特曼; R·F·米切尔
Original assignee: Landmark Graphics Corp
Current assignee: Landmark Graphics Corp
Priority date: 2011-08-12
Filing date: 2011-08-12
Publication date: 2014-06-25
Also published as: MX342279B; EP2742208A4; AU2011374974B2; CA2843127A1; EA024616B1; MX2014001698A; EA201490289A1; EP2742208A1; CA2843127C; WO2013025188A1; BR112013033796A2; US20140290940A1; AU2011374974A1; US10161239B2

Abstract

系统和方法，用于使用迭代过程对无法接近的被动压力隔离罩进行事先、实时、和／或事后的评估。

Description

用于评估被动压力隔离罩的系统与方法

有关申请的交叉参考

不适用。

关于联邦资助研究的声明

不适用。

技术领域

本发明一般涉及用于评估被动压力隔离罩的系统和方法。更特定地，本发明涉及使用迭代过程对无法接近的被动压力隔离罩的事先、实时、和／或事后的评估。

背景技术

用于遏制井中地层流体的方法之一是使用加重钻井液，其中这个流体的静水压力防止流体流入量流入井内。与例如机械防喷器相比，这个方法被认为是被动的，因为对于这个方法的有效性来说，不需要直接的人类干预。当钻井时，把一系列的套管和衬管使用水泥粘附至（cemented to）地层。如图1中所示，图1是井一部分和周围地层110的横截面图，固井过程一般用加重钻井液106密封住水泥108顶部和套管102顶部、或衬管104顶部之间的环形区域。一般，在固井之后，环形区域中的加重钻井液106是无法接近的，尤其是在海底、深水油井的情况下。陷入环形区域内的加重钻井液106的一个性质在于，它的体积随温度增加而增加且它的体积随压力增加而减小。例如，“理想气体”在体积V、压力P、和温度T之间存在下列关系（R是与气体类型有关的常数）：

V = \frac{R * T}{P}

可看到，温度T增加导致体积V增加。还可看到，压力P增加导致体积V减小。然而，实际的井眼流体比这个简单模型更复杂。例如，在Poling等人的“The Properties of Gases and Liquids（气体与流体的性质）”,（第五版，McGraw-Hill图书公司，纽约州，纽约，2001，4.43-4.46节）中描述了各种流体模型。此外，井套管具有因温度增加、内压力增加、和／或外部压力减小而膨胀的性质。例如，Timoshenko和Goodier在“Theory of Elasticity（弹性理论）”，（McGraw-Hill图书公司，纽约州，纽约，1970，68-71页）；Halal和Mitchell的“Casing Design for Trapped Annular Pressure Buildup（环空压力增大的套管设计）”,(SPE Drilling&Completion,Society of Petroleum Engineers,德克萨斯州，Richardson，1993，179-190页；以及Halal等人的“Multi-string CasingDesign with Wellhead Movement（具有井口运动的多钻柱套管设计）”,(SPEProduction Operations Symposium,俄克拉荷马州，俄克拉荷马城，1997，477-484页)中描述了这个性质的细节。

当对环形区域浇注水泥时，环形区域内包含的钻井液具有特定的初始温度和压力分布。初始压力分布被选择为具有适当的被动性质，以防止流体流入环形区域，并且还防止邻近环形区域的地层压裂。当井被钻到较深的深度时，井作业（例如，钻井液的循环、固井作业、和／或关井期间）可改变井中的温度。改变温度会改变位于闭合的环形区域内的压力。例如，温度增加导致流体体积增加。然后，封闭体积中这个流体体积增加将导致压力增加，需要通过压缩流体来保持原始的体积。其它环形区域中的压力和热行为以及套管和衬管的压力和热行为使总体计算进一步复杂化。通过下降至地层压力以下而允许流体流入量、或通过压裂地层而导致环形区域流体体积损失，环形区域中产生的压力变化可不利地影响被动压力隔离罩。例如，在图2中，基于实际井的建模数据的曲线图示出当循环流体已经使环形区域中的加重钻井液冷却时，环形区域压力可如何随时间而减小。这个静水压力的减小具有允许流体流入的潜力，表示被动压力隔离罩可能失效。因此API RP96推荐监测，或政府法规（例如，BOEMRE）要求监测，以保证井控制和遏制地层流体。

已经使用Well Cat_TM（井猫）（这是Landmark Graphics Corporation销售的商用软件应用程序）以及其它应用程序来预测和分析用作被动压力隔离罩的加重钻井液的温度变化和压力变化，然而，这样的技术无法使用迭代工作流的结果来监测和评估作为被动压力隔离罩的加重钻井液，因此，这样的技术是受限的。

发明内容

因此，本发明通过提供系统和方法而克服现有技术中的一个或多个缺陷，所述系统和方法使用迭代过程对无法接近的被动压力隔离罩进行事先、实时、和／或事后的评估。

在一个实施例中，本发明包括一种用于评估井中被动压力隔离罩的方法，所述方法包括：a）使用井的初始条件确定由建井作业引起的每个被动压力隔离罩中的温度变化；b）使用初始条件确定由该温度变化引起的每个被动压力隔离罩中的压力变化；c）使用计算机处理器确定该压力变化是否不利地影响了任何被动压力隔离罩；d）对可能受到不利影响的每个被动压力隔离罩执行补救措施；e）使用温度变化和压力变化或来自实际井场数据的温度变化和压力变化来标识井的新初始条件；以及f）如果尚未完井，则使用井的新初始条件对下一个建井作业重复步骤a）-e)。

在另一个实施例中，本发明包括非瞬态程序载体设备，该设备有形地携载用于评估井中被动压力隔离罩的计算机可执行指令，该指令可执行以实施：a）使用井的初始条件来确定建井作业引起的每个被动压力隔离罩中的温度变化；b）使用该初始条件来确定该温度变化引起的每个被动压力隔离罩中的压力变化；c）确定该压力变化是否不利地影响任何被动压力隔离罩；d）对于可能受到不利影响的每个被动压力隔离罩执行补救措施；e）使用温度变化和压力变化或来自实际井场数据的温度变化和压力变化来标识井的新初始条件；以及f）如果尚未完井，则使用井的新初始条件对下一个建井作业重复步骤a）-e)。

对于熟悉本领域技术的人员来说，从下面各个实施例的说明以及相关的附图，本发明的另外方面、优点和实施例将变得显而易见。

附图说明

下面参考附图描述本发明，在附图中，用相同的标号来表示相同的元件，其中：

图1是横截面图，示出部分井和周围的地层。

图2是曲线图，示出当加重钻井液在环形区域中冷却时因变于时间的压力。

图3是示出实现本发明的方法的一个实施例的流程图。

图4是示出实现本发明的系统的一个实施例的框图。

具体实施方式

描述具有特异性的本发明的主题，然而，不旨在以说明的本身来限制本发明的范围。因此，还可以其它方式实施主题，以包括与这里描述的相似的不同步骤或步骤的组合以及现在或将来的技术。此外，虽然这里使用术语“步骤”来描述所使用的方法的不同要素，但是不应该把术语解释为暗示这里揭示的各个步骤之间的特定排序，除非说明书另行限定为特定排序。当本发明可应用于油和气行业的同时，并不局限于此，也可应用于其它行业而得到相似的结果。

方法描述

现在参考图3，流程图示出用于实现本发明的方法300的一个实施例。

在步骤302中，使用参考图4描述的客户接口和／或视频接口来标识给定井的初始条件。可选地，可使用任何公知的实时数据收集软件来自动标识给定井的初始条件。这些条件可包括，但是不局限于，初始地热温度、沉井基础、地层流体压力、地层压裂压力、以及海底井的水深度。

在步骤304中，使用参考图4描述的客户接口和／或视频接口来标识建井作业。可选地，可使用任何公知的实时数据收集软件来自动标识建井作业。建井作业可包括，但是不局限于，钻进、起下钻更换钻头、钻进、下套管或衬管、安装油管、执行固井作业、候凝时间或关井。

在步骤306中，使用在步骤302中标识的初始条件以及本领域公知技术，确定在被动压力隔离罩中由在步骤304中所标识的建井作业引起的温度变化，Aadnoy等人在“Advanced Drilling And Well Technology（先进的钻井和井技术）”，（Society Of Petroleum Engineers,德克萨斯州，Richardson，2009，798-815页）对此举进行了描述，通过引用将该文结合至此。

在步骤308中，使用步骤302中标识的初始条件以及本领域公知的技术，确定在被动压力隔离罩中由步骤306中所标识的温度变化引起的压力变化，Halal和Mitchell的“Casing Design for Trapped Annular Pressure Buildup”,(SPEDrilling&Completion,Society of Petroleum Engineers,德克萨斯州，Richardson，1993，179-190页；以及Halal等人的“Multi-string Casing Design with WellheadMovement”,(SPE Production Operations Symposium,俄克拉荷马州，俄克拉荷马城，1997，477-484页)对此进行描述，通过引用将这两篇文献结合至此。

在步骤310中，方法300确定步骤308中所确定的压力变化是否不利地影响了任何被动压力隔离罩。例如，可简单地对在步骤308中确定的压力变化与被动压力隔离罩最大额定压力进行比较，以确定任何被动压力隔离罩是否受到不利影响。任选地，可对步骤308中确定的压力变化与实际地层孔隙压力进行比较，以确定任何被动压力隔离罩是否受到不利影响，当其中环形区域压力降低时，可启动流体流入且不利地影响被动压力隔离罩。另一个选项是，对步骤308中确定的泵的压力变化与泵的实际压力变化进行比较，以确定任何偏差是否不利地影响了任何被动压力隔离罩。然而，相对于自动确定是否不利地影响了任何被动压力隔离罩，与步骤308中确定的压力变化进行的其它比较是优选的。如果没有任何被动压力隔离罩受到不利影响，则方法300进行到步骤314。如果任何被动压力隔离罩受到不利影响，则方法300表示该被动压力隔离罩可受到不利影响，并且进行到步骤312。

在步骤312中，使用本领域公知技术对受到不利影响的被动压力隔离罩执行补救措施。例如，增加的套管压力可要求放空环形区域以释放压力或安装锁定环以使套管座牢固，此举是手动地完成的，但可自动完成。以此方式，在实际冲破被动压力隔离罩之前可采取补救措施。

在步骤314中，使用分别来自步骤306和308的温度和压力变化或来自实际井场数据的被动压力隔离罩中的真实温度和压力变化来标识井的新初始条件。可自动标识井的新初始条件，或可使用参考图4描述的客户接口和／或视频接口来标识。在每种情况中，与分别来自步骤306和308的预测／计算的温度和压力变化相比，从实际井场数据检测到的真实温度和压力变化是优选的。

在步骤316中，方法300通过标记最后的建井作业来确定是否完井。然而，可使用本领域公知的其它技术来确定是否完井。如果没有完井，则方法300返回到其中标识下一个建井作业的步骤304，并且使用来自步骤314的结果来重复剩余步骤。通过预测和／或实际结果之间的迭代-直接比较，可标识会不利地影响任何被动压力隔离罩的异常条件，并且在实际地冲破任何被动压力隔离罩之前可采取补救措施。如果完井，则方法300结束。

示例

在井规划阶段，可作出可能的建井作业的汇编，并且可使用对这些作业的合适模拟来标识建井作业期间不利地影响任何被动压力隔离罩的潜在问题以及要使用的适当的补救方法两者。在图3中方法300的这个优选应用中，补救行动可包括，但是不局限于，修改所模拟的建井作业以改变所模拟的井条件（例如，温度／压力）以便防止冲破任何被动压力隔离罩。

实时应用可与具有实际建井作业同时地模拟建井作业，，以预测潜在问题，这些潜在问题可不利地影响任何被动压力隔离罩和／或标识与作为潜在问题的预测结果之间的偏差。在图3中方法300的这个应用中，补救措施可包括，但是不局限于，i）修改泥浆性质，因为实际井场情况与模拟的模型条件不对应；或ii）调研井场条件以标识和校正异常泵压力。然后可使用经修改的模型或经校正的井场条件来防止冲破任何被动压力隔离罩。

可使用井数据的事后分析来理解建井作业以及被动压力隔离罩是如何失效的，从而在下一个建井作业期间可避免相似的问题。在图3中方法300的这个应用中，补救措施可包括，但是不局限于，修改下一个建井作业以改变井条件（例如，温度／压力）以便防止冲破任何被动压力隔离罩。

作为实时应用的一个示例，在步骤304中标识的下一个建井作业可以是固井作业。在步骤306中，固井作业引起的温度变化可表示在等待水泥凝固时，水泥上面的环形区域中的钻井泥浆已经冷却。在步骤308中，由于环形区域中钻井泥浆的热收缩（温度变化），压力变化会展现出环形区域中的压力降低。结果，环形区域中减小的压力下降到采油层段的孔隙压力之下，在步骤310中可将气体流入标识为对被动压力隔离罩具有潜在的不利影响。因此，在步骤312中可把锁定环安装在环形区域上，以防止冲破任何被动压力隔离罩。然后按上述方式，方法300进行到步骤314或316。因为这个示例性应用将固井作业描述为下一个建井作业，所以方法300将返回到步骤304，以在固井作业之后标识下一个建井作业的条件。

系统描述

本发明可通过计算机可执行程序的指令（诸如一般称之为计算机执行的软件应用或应用程序的程序模块）来实现。软件可包括，例如，执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、以及数据结构。软件形成一个接口以允许计算机根据输入源作出应对。可使用WellCat_TM来实现本发明。响应于接收到的数据以及接收到的数据的源，软件还可结合其它代码段来启动多种任务。可在任何各种存储介质上存储和／或携载软件，这些存储介质诸如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器、以及半导体存储器（例如，各种类型的RAM或ROM）。此外，可在诸如光纤、金属导线等多种载体介质上和／或通过诸如互联网之类的任何多种网络传送软件及其结果。

此外，本本领域技术人员会理解，可用多种计算机-系统配置来实现本发明，这些配置包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的-消费类电子、小型计算机、电脑主机等。可接受任何数量的计算机-系统和计算机网络与本发明一起使用。可在分布式计算环境中实践本发明，在分布式计算环境中，通过由通信网络连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可位于包括存储器存储介质的本地和远程计算机-存储介质两者中。因此，在计算机系统或其它处理系统中，可连同各种硬件、软件或它们的组合来实施本发明。

现在参考图4，框图示出用于在计算机上实现本发明的系统的一个实施例。该系统包括有时称之为计算系统的计算单元，它包括存储器、应用程序、客户接口、视频接口、以及处理单元。计算单元只是合适的计算环境的一个示例，并不旨在暗示对本发明的使用或功能范围作出任何限制。

存储器主要存储应用程序，应用程序也可描述为含计算机可执行指令的程序模块，由计算单元执行该应用程序，用于实现此处描述的和图3所示的本发明。因此，该存储器包括被动压力隔离罩评估模块，能实现参考图3示出和描述的方法，并且结合来自图4所示的其余应用程序的功能。例如，可使用被动压力隔离罩评估模块来执行参考图3中步骤302、304、310、314、和316描述的许多功能。例如，可使用WellCat_TM来执行参考图3中步骤306和308描述的功能。

虽然计算单元示出为具有一般化的内存，但是计算单元一般包括多种计算机可读介质。作为示例而并非限制，计算机可读介质可包括计算机存储介质。计算系统存储器可包括易失性和／或非易失性形式的计算机存储介质，诸如只读存储器（ROM）以及随机存取存储器（RAM）。通常把包含有助于在计算单元中元件之间传送信息（诸如在起动期间）的基本例程的基本输入／输出系统（BIOS）存储在ROM中。RAM一般包含立刻可访问的和／或处理单元当前正在运算的数据和／或程序模块。作为示例而并非限制，计算单元包括操作系统、应用程序、其它程序模块、以及程序数据。

还可在其它可移动／不可移动、易失性／非易失性计算机存储介质中包括存储器中示出的部件，或可通过应用程序接口（“API”）在计算单元中实现它们，应用程序接口可驻留在通过计算系统或网络连接的分立的计算单元上。仅是示例，硬盘驱动器可读自或写入到不可移动、非易失性磁性介质，磁盘驱动器可读自或写入到可移动、非易失性磁盘，而光盘驱动器可读自或写入到可移动、非易失性光盘，诸如CD ROM或其它光学介质。可在示例性操作环境中使用的其它可移动／不可移动、易失性／非易失性计算机存储介质可包括，但是不局限于，盒式磁带、闪存卡、数字多功能盘、数字视频磁带、固态RAM、固态ROM等。上述驱动器和它们相关联的计算机存储介质提供计算单元的计算机可读指令、数据结构、程序模块、和其它数据的存储。

客户可通过客户接口把命令和信息输入计算单元，客户接口可是诸如键盘和指针设备之类的输入设备，通常涉及鼠标、跟踪球、或触摸垫。输入设备可包括话筒、摇杆、卫星天线、扫描仪等。通常通过系统总线将这些和其他输入设备连接到处理单元，但还可由其它接口和总线结构连接，诸如并行端口或通用串行总线（USB）。

监测器或其它类型的显示设备可经由接口（诸如视频接口）把连接至系统总线。还可与视频接口一起使用图形用户界面（“GUI”），以接收来自客户接口的指令以及把指令发送到处理单元。除了监测器之外，计算机还可包括其它外围设备，诸如可通过输出外围接口连接的扬声器和打印机。

虽然没有示出计算单元的许多其它内部部件，但是熟悉本领域技术的人员会理解，这样的部件以及它们的互联是公知的。

在已经结合当前优选实施例描述了本发明的同时，本领域技术人员会理解，并不旨在把本发明局限于这些实施例。因此，设想可对所揭示的实施例作出各种变型实施例和修改而不偏离通过所附的权利要求书和其等效物定义的本发明的精神和范围。

Claims

1.一种用于评估井中被动压力隔离罩的方法，包括：

a）使用井的初始条件来确定由建井作业引起的每个被动压力隔离罩中的温度变化；

b）使用所述初始条件来确定所述温度变化引起的每个被动压力隔离罩中的压力变化；

c）使用计算机处理器确定所述压力变化是否不利地影响了任何被动压力隔离罩；

d）相对可被不利影响的每个被动压力隔离罩执行补救措施；

e）使用所述温度变化和所述压力变化、或来自实际井场数据的温度变化和压力变化来标识井的新初始条件；以及

f）如果尚未完井，则使用井的所述新初始条件对下一个建井作业重复步骤a）-e)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述被动压力隔离罩是无法接近的。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过计算所述温度变化来确定所述温度变化，并且模拟井的建井作业和初始条件。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过计算所述压力变化来确定所述压力变化。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在井的规划阶段期间完成任何被动压力隔离罩是否可受到不利影响的确定。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在由模拟的建井作业表示的实际建井作业期间，实时完成任何被动压力隔离罩是否可受到不利影响的确定。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在实际建井作业后完成任何被动压力隔离罩是否可受到不利影响的确定。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述补救措施包括修改模拟的建井作业以改变井的模拟的初始条件。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述补救措施包括比较井的实际井场条件与井的模拟初始条件，以标识异常情况。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述补救措施包括修改下一个建井作业以改变井的新初始条件。

11.一种非瞬态程序载体设备，所述设备有形地携载用于评估井中被动压力隔离罩的计算机可执行指令，所述指令可被执行以实现：

a）使用井的初始条件来确定建井作业引起的每个被动压力隔离罩中的温度变化；

c）确定所述压力变化是否不利地影响了任何被动压力隔离罩；

d）对于可受到不利影响的每个被动压力隔离罩执行补救措施；

e）使用所述温度变化和所述压力变化、或来自实际井场数据的温度变化和压力变化，来标识井的新初始条件；

以及f）如果尚未完井，则使用井的所述新初始条件对下一个建井作业重复步骤a）-e)。

12.如权利要求11所述的程序载体设备，其特征在于，所述被动压力隔离罩是无法接近的。

13.如权利要求11所述的程序载体设备，其特征在于，通过计算温度变化确定所述温度变化，并且模拟井的建井作业和初始条件。

14.如权利要求13所述的程序载体设备，其特征在于，通过计算压力变化确定压力变化。

15.如权利要求14所述的程序载体设备，其特征在于，在井的规划阶段期间完成任何被动压力隔离罩是否可受到不利影响的确定。

16.如权利要求14所述的程序载体设备，其特征在于，在由模拟的建井作业表示的实际建井作业期间，实时完成任何被动压力隔离罩是否可受到不利影响的确定。

17.如权利要求17所述的程序载体设备，其特征在于，在实际建井作业之后完成任何被动压力隔离罩是否可受到不利影响的确定。

18.如权利要求15所述的程序载体设备，其特征在于，所述补救措施包括修改模拟建井作业以改变井的模拟的初始条件。

19.如权利要求16所述的程序载体设备，其特征在于，所述补救措施包括比较井的实际井场条件与井的模拟初始条件，以标识异常情况。

20.如权利要求17所述的程序载体设备，其特征在于，所述补救措施包括修改下一个建井作业以改变井的新初始条件。