CN104047592B - 一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油勘探开发领域。尤其是对于钻井微芯片示踪器进行深度确定的方法。所述示踪器随钻井液的流动而运动，本发明是用时间分配法进行钻井示踪器的深度定位，所述方法先确定示踪器自井底至地面所需时间；再按照环空不同将全井分为若干井段；然后计算出每个井段的环空体积，并计算出每个井段环空体积占环空总体积的百分比；将示踪器自井底至地面所需时间按照该比例进行分配；针对每个井段，将示踪器的运动距离按时间进行分配；最终得出不同时间示踪器的深度。该发明能够及时发现井涌、井漏、钻具摩擦井壁、钻具刺穿等钻井异常事故，提高钻井效率，及时发现及评价油气储层。

Description

一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法

技术领域

本发明属于石油勘探开发领域。涉及在钻井中为了提高钻井效率和保障钻井安全检测井筒温度和压力的研究方向，尤其是对于钻井微芯片示踪器进行深度确定的方法。

背景技术

①钻井参数测量对保障钻井安全具有重要的作用

石油钻井是一项高风险的行业，在钻井过程中，如果发生钻井事故，轻则造成财产损失，重则造成人员伤亡。随着井深的增加，特别是各种分支井、水平井的开发，钻井事故及复杂情况的发生率越来越高。每年国内各大油田都不同程度地发生井涌、井漏等钻井工程事故，而这些事故与钻井工程参数的变化密切相关。因此，实时监测钻井工程参数的变化可以有效地防止此类事故的发生。

②温度和压力是石油钻井最重要的两项参数

钻井液温度和压力是钻井工程中的两项重要的基础数据。地层的温度压力能够反映出钻机的工作状态及地层的物性等特征。对整个井筒的温度、压力进行实时监测，建立随钻采集的温度、压力剖面对钻井工程的提速提效和安全钻井有着重要的意义。

③常规技术无法快速采集上部井眼的温度压力参数

当前的温度参数的采集一般有两种方式，一种是地面采集，一种是近钻头处采集。在地面采集时，由于钻井液的运移，所采集的温度参数误差较大，且不能反映井筒内某点的温度参数。采用近钻头处的采集处采集时，只能采集钻头位置附近的参数。所以，所以，无论是地面采集，还是近钻头处采集，都不能采集上部井眼的温度压力参数，缺少对整个井筒的参数的动态变化。随钻井深的不断增加，钻井液密度的变化，井筒全立体的监测尤其重要。

④采集的温度压力参数没有进行深度定位

目前，国内外开始了相关研究，设计出能够用于实时快速检测井筒温度和压力的数据采集系统—微芯片流体示踪器，图1为示踪器示意图（粉色小圆圈为示踪器）。该示踪器的工作原理是，在钻井过程中，示踪器从地面进入钻杆内，通过钻井液循环，到达井底后从钻头的水眼进入环空区域，并随着环空钻井液上返至地面，最后被地面的特殊装置俘获。示踪器在运动过程中实时连续采集井筒内温度和压力参数。该示踪器除记录了温度、压力参数外，还记录了时间参数，但没有记录井深参数。井身参数是评价井筒内温度压力最直接的参数，需要将时间参数转化为井深参数，用来准确评价不同井深的温度、压力。目前，国内外都没有解决该示踪器在井内深度定位问题。由于钻井工程师不关心钻杆内的温度压力参数变化，更关心环空温度压力参数的变化，所以在本专利中，只考虑示踪器在环空内的深度定位。

发明内容

本发明为了解决现有技术中对示踪器深度无法准确确定和评价的技术问题，即现有技术中，示踪器在井内运动时，只采集了时间信息，没有采集井深信息，

本发明研发了一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，是将时间信息与井身结构信息相结合，转化为井深信息，用于监测不同井深处参数的变化，及时制定施工措施。

本发明的基本研发思路为：所述示踪器随钻井液的流动而运动，定位所述示踪器井筒深度的方法是按照环空大小不同，将全井分段，示踪器在环空运动的运动时，其运动速度与环空面积成反比，按照每个井段的环空面积及相应的井段长度对示踪器上返时间进行分配，即根据各井段环空体积与全井环空体积的比值得到在该井段内示踪器的上返时间；并根据示踪器在该井段内的上返移动距离，最终获取示踪器在该井段的深度位置，从而实现定位示踪器深度。见图2.

本发明的技术方案为，

一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，所述示踪器由钻井液携带进入钻杆内，至井底后沿井环空内上返回地面，所述示踪器用于实时快速检测井筒温度和压力并进行数据采集；示踪器在井底时，其温度和压力最大；

所述示踪器随钻井液的流动而运动，定位所述示踪器井筒深度的方法是按照环空大小不同，将全井分段，示踪器在环空运动的运动时，其运动速度与环空面积成反比，按照每个井段的环空面积及相应的井段长度对示踪器上返时间进行分配，即根据各井段环空体积与全井环空体积的比值得到在该井段内示踪器的上返时间；并根据示踪器在该井段内的上返移动距离，最终获取示踪器在该井段的深度位置，从而实现定位示踪器深度。

由于环空面积的不同将对该井段示踪器上返的时间等造成影响，因此需要先针对各井段中不同环空内、外径进行区分，所述按照井筒环空内、外径尺寸不同将全井分段，即按照环空面积的不同对全井进行分段，即同一环空尺寸的井段为同一井段；

且提取各井段的井内物理参数，包括：内径，外径和各井段高度。

为了标定示踪器的上返时间和距离，需要获取示踪器自井底返至地面所需的时间，所述示踪器到达地面的时间减去示踪器在井底的时间，即为示踪器自井底返至地面所需的时间，记为T，T＝T_b-T_a。

根据各个井段不同的环空面积，计算环空体积占环空总体积的比值；即先计算得到各个井段的环空体积，再得到各井段环空体积占环空总体积的比值。

分配所述示踪器在各个井段内的上返时间，即各井段环空体积与环空总体积的比值乘以示踪器自井底返至地面所需的时间T，为示踪器在各个井段的上返时间。

确定所述示踪器在各个井段内的上返移动距离，并得到示踪器在某时刻的深度。

如图2，本发明时间分配法定位所述示踪器深度的方法步骤包括：

①确定示踪器自井底返至地面所需的时间步骤：

先确定示踪器在井底的时间：示踪器进入井内开始计时，至示踪器返至地面停止计时；所以示踪器温度压力最大值所对应的时间即为示踪器在井底的时间，记为T_a；

再确定示踪器到达地面的时间：示踪器到达地面后，随即被地面接收设备捕获，示踪器被捕获的时间即为示踪器到达地面的时间，记为T_b；见图5

确定示踪器自井底返至地面所需的时间：示踪器到达地面的时间，减去示踪器从井口至井底的时间，即为示踪器自井底返至地面所需的时间，记为T，T＝T_b-T_a；

②分配井段步骤：按照环空内外径的不同，将全井分为若干井段，全井眼总长度为H，即H＝h₁+h₂+......+h_n。每个井段环空内外径、长度分别为d₁、D₁、h₁；d₂、D₂、h₂；……,d_n、Dn、h_nn=1,2,3,……；

③计算每个井段的环空体积步骤：

h₁井段环空体积为： $V_1=\frac{\mathrm{\π}}{4}({D_1}^2-{d_1}^2)h_1$

h₂井段环空体积为： $V_2=\frac{\mathrm{\π}}{4}({D_2}^2-{d_2}^2)h_2$

……

h_n井段环空体积为： $V_n=\frac{\mathrm{\π}}{4}({D_n}^2-{d_n}^2)h_n,n=\mathrm{1,2,3},\·\·\·\·\·\·$

④计算每个井段环空体积占环空总体积的比值步骤：

h₁井段环空体积所占比重为：

h₂井段环空体积所占比重为：

……

h_n井段环空体积所占比重为：

⑤根据步骤④的比例分配示踪器上返时间步骤：

h₁井段内，示踪器的上行时间为T₁＝k₁T

h₂井段内，示踪器的上行时间为T₂＝k₂T

……

h_n井段内，示踪器的上行时间为T_n＝k_nT

⑥分配示踪器在各个井段内运动距离步骤：

T_i时刻示踪器在h₁井段内移动的距离为

T_i时刻示踪器在h₂井段内移动的距离为

……

T_i时刻示踪器在h_n井段内移动的距离为

⑦确定某一时间示踪器的深度步骤：

h₁井段内，T_i时刻示踪器的位置为

h₂井段内，T_i时刻示踪器的位置为

……

h_n井段内，示踪器的上行时间为

$h_{\mathrm{Ni}}=H-h_1-h_2-......-h_{n-1}-\frac{T_i-T_1-T_2-......-T_{n-1}}{T_n}{h}_n.$

采用本发明的深度标定方法，成功将示踪器采集的时间参数转换为井深参数，即示踪器深度定位，将示踪器进行深度定位今后，可获取井筒中不同深度处的温度、压力参数，实现全井筒的实时动态跟踪。

①提高钻井效率

确定示踪器的井深参数后，根据不同井深温度数据可以了解井筒中的温度随深度增加的梯度，可以在一定程度上反映钻井液流体特性和井壁稳定性变化。根据不同井深压力数据可以为优化钻井液密度和循环当量、选择最佳套管下入深度等，为制定技术措施提供了科学的依据，提高了钻井速度及效率。

②保障钻井安全

在钻井过程中，井筒内往往发生井涌、井漏、钻具摩擦井壁、钻具刺穿等钻井异常事故，若及时发现，并及时采取技术措施，可避免较大的钻井事故，若不能及时发现，可能造成巨大的经济损失或人员伤亡。图4为某井钻具摩擦井壁示踪器温度曲线，由于钻具摩擦井壁，造成摩擦点温度过高。确定示踪器的井深参数后，根据示踪器温度、压力的变化，能够及时发现钻井异常所发生的位置，及时预防钻井工程中的事故，保障了钻井安全。

③油气储层的及时发现及评价

地层中的油气层，往往伴随着高温、高压，现有的技术主要是在地面进行测量，干扰因素多，不利于油气显示的发现。确定示踪器的井深参数后，可以根据示踪器所测得的温度、压力变化，及时发现油气和评价显示。

附图说明

图1为示踪器在井筒的运动轨迹图；

图2为本发明的方法步骤流程图；

图3为本发明对全井进行逐层分段的示意图；

图4为某井钻具摩擦井壁示踪器温度曲线图；

图5示踪器到达井底及返至地面时间示意图

图6为实施例中的井段示意图；

将结合背景技术，发明内容和具体实施方式对各幅图进行说明

具体实施方式

验证试验：见图6

为了验证发面效果，在M1井进行了验证，该井井深H=2002.89m。

①在该井中，从“温度、压力-时间”曲线图中读取钻头到达井底的时间为15.26min，钻头返至地面的时间为73.65min，则示踪器自井底返至地面的时间为73.65-15.26=56.79min，见图6。

②按照环空不同，将该井分为3段，其内外径、长度分别为d₁=177.80m、D₁=215.90、h₁=203.25；内外径、长度分别为d₂=127.0mm、D₂=215.90mm、h₂=288.76m；内外径、长度分别为d₃=127.0mm、D₃=220.52mm、h₃=1510.88m。

③计算每个井段的环空体积

$V_1=\frac{3.14({0.2159}^2-{0.1778}^2)}{4}*203.25={2.393m}^3$

$V_2=\frac{3.14({0.2159}^2-{0.1270}^2)}{4}*288.76{=6.910m}^3$

$V_3=\frac{3.14({0.2205}^2-{0.1270}^2)}{4}*1510.88{=38.536m}^3$

④计算每个井段环空容积占全井总容积的百分比

$k_1=\frac{V_1}{V_1+V_2++V_3}=\frac{2.393}{2.393+6.910+38.536}=5.002\%$

$k_2=\frac{V_2}{V_1+V_2++V_3}=\frac{6.910}{2.393+6.910+38.536}=14.444\%$

$k_3=\frac{V_3}{V_1+V_2++V_3}=\frac{38.536}{2.393+6.910+38.536}=80.554\%$

⑤计算每个井段示踪器所需的上返时间

T₁＝k₁T=5.002%*56.79=2.841min

T₂＝k₂T=14.444%*56.79=8.203min

T₃＝k₃T=80.554%*56.79=45.747min

⑥针对每个井段，将示踪器的运动距离按时间进行分配；

在[0min，2.841min）时间范围内，示踪器在[2002.89m，2002.89-203.25m）井深范围内运动，某时刻示踪器的运动距离为：

在[2.841min，2.841+8.203min）时间范围内，示踪器在[2002.89-203.25m，2002.89-203.25-288.76m）井深范围内运动，某时刻示踪器的运动距离为： $h_{2i}=\frac{T_i}{8.203}*288.76=35.202T_i$

在[2.841+8.203min，2.841+8.203+45.747min）时间范围内，示踪器在[2002.89-203.25-288.76m，2002.89-203.25-288.76-1510.88m）井深范围内运动，某时刻示踪器的运动距离为： $h_{3i}=\frac{T_i}{45.747}*1510.88=33.027T_i$

⑦确定某一时间示踪器的深度

在[0min，2.841min）时间范围内，示踪器在[2002.89m，2002.89-203.25m）井深范围内运动，某时刻示踪器的深度为：

$h_{1i}=H-\frac{T_i}{T_1}{h}_1=2002.89-\frac{T_i}{2.841}*203.25=2002.89-71.542T_i$

在[2.841min，2.841+8.203min）时间范围内，示踪器在[2002.89-203.25m，2002.89-203.25-288.76m）井深范围内运动，某时刻示踪器的深度为：

$h_{2i}=H-h_1-\frac{T_i-T_1}{T_2}{h}_2=2002.89-203.25-\frac{T_i-2.841}{8.203}*288.76=1899.648-35.202T_i$

在[2.841+8.203min，2.841+8.203+45.747min）时间范围内，示踪器在[2002.89-203.25-288.76m，2002.89-203.25-288.76-15010.88m）井深范围内运动，某时刻示踪器的深度为：

$h_{3i}=H-h_1-h_2-\frac{T_i-T_1-T_2}{T_3}{h}_3$

$=2002.89-203.25-288.76-\frac{T_i-2.841-8.203}{45.747}*1510.88$

$=1875.629-33.027T_i$

由“⑦确定某一时间示踪器的深度”中的3个公式可以看出，在任何时间点，都可以获得示踪器所在的深度，例如：

当T_i=1min时，示踪器所在的井深为：h_1i=2002.89-71.542T_i=1931.384m

当T_i=5min时，示踪器所在的井深为：h_2i=1899.648-35.202T_i=1723.638m

当T_i=30min时，示踪器所在的井深为：h_3i=1875.629-33.027T_i=884.819m

根据示踪器采集到的温度、压力数据可知，示踪器深度定位比较准确。

Claims (7)

1.一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，其特征在于，

所述示踪器由钻井液携带进入钻杆内，至井底后沿井环空上返回地面，所述示踪器用于实时快速检测井筒温度和压力并进行数据采集；示踪器在井底时，其温度和压力最大；

所述示踪器随钻井液的流动而运动，定位所述示踪器井筒深度的方法是按照环空大小不同，将全井分段，示踪器在环空内运动时，其运动速度与环空面积成反比，按照每个井段的环空面积及相应的井段长度对示踪器上返时间进行分配，即根据各井段环空体积与环空总体积的比值得到在该井段内示踪器的上返时间；并根据示踪器在该井段内的上返移动距离，最终获取示踪器在该井段的深度位置，从而实现定位示踪器深度。

2.根据权利要求1所述的一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，其特征在于，

按照井筒环空内、外径尺寸不同将全井分段，即按照环空面积的不同对全井进行分段，即同一环空尺寸的井段为同一井段；

且提取各井段的井内物理参数，包括：内径，外径和各井段高度。

3.根据权利要求2所述的一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，其特征在于，

获取示踪器自井底返至地面所需的时间：所述示踪器到达地面的时间T_b减去示踪器在井底的时间T_a，即为示踪器自井底返至地面所需的时间，记为T，T＝T_b-T_a。

4.根据权利要求2所述的一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，其特征在于，

根据各个井段不同的环空面积，计算环空体积占环空总体积的比值；即先计算各个井段的环空体积，再得到各井段环空体积占环空总体积的比值。

5.根据权利要求3或4所述的一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，其特征在于，

分配所述示踪器在各个井段内的上返时间，即各井段环空体积与环空总体积的比值乘以示踪器自井底返至地面所需的时间T，为示踪器在各个井段的上返时间。

6.根据权利要求5所述的一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，其特征在于，

确定所述示踪器在各个井段内的上返移动距离，并得到示踪器在某时刻的深度。

7.根据权利要求1或2所述的一种利用时间分配法定位钻井微芯片示踪器深度的方法，其特征在于，

时间分配法定位所述示踪器深度的方法步骤包括：

①确定示踪器自井底返至地面所需的时间步骤：

先确定示踪器在井底的时间：示踪器进入井内开始计时，至示踪器返至地面停止计时；所以示踪器温度压力最大值所对应的时间即为示踪器在井底的时间，记为T_a；

再确定示踪器到达地面的时间：示踪器到达地面后，随即被地面接收设备捕获，示踪器被捕获的时间即为示踪器到达地面的时间，记为T_b；

确定示踪器自井底返至地面所需的时间：示踪器到达地面的时间，减去示踪器从井口至井底的时间，即为示踪器自井底返至地面所需的时间，记为T，T＝T_b-T_a；

②分配井段步骤：按照环空内外径的不同，将全井分为若干井段，全井眼总长度为H，即H＝h₁+h₂+......+h_n，每个井段环空内外径、长度分别为d₁、D₁、h₁；d₂、D₂、h₂；……,d_n、Dn、h_nn＝1,2,3,……；

③计算每个井段的环空体积步骤：

h₁井段环空体积为：

h₂井段环空体积为：

……

h_n井段环空体积为：

④计算每个井段环空体积占环空总体积的比值步骤：

h₁井段环空体积所占比重为：

h₂井段环空体积所占比重为：

……

h_n井段环空体积所占比重为：

⑤根据步骤④的比例分配示踪器上返时间步骤：

h₁井段内，示踪器的上行时间为T₁＝k₁T

h₂井段内，示踪器的上行时间为T₂＝k₂T

……

h_n井段内，示踪器的上行时间为T_n＝k_nT

⑥分配示踪器在各个井段内运动距离步骤：

T_i时刻示踪器在h₁井段内移动的距离为

T_i时刻示踪器在h₂井段内移动的距离为

……

T_i时刻示踪器在h_n井段内移动的距离为

⑦确定某一时间示踪器的深度步骤：

h₁井段内，T_i时刻示踪器的位置为

h₂井段内，T_i时刻示踪器的位置为

……

h_n井段内，T_i时刻示踪器的位置为