CN104169523B - 用于现场测试支撑剂的可移动式装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种测试系统20和方法，用于估计在使用含有可固化树脂的支撑剂79填充了井中的裂缝80之后需要将井关闭的时间。在井场处，在可移动式单元20中对支撑剂26的样品进行加压和加热。在对样品进行加热和加压的过程中，监测样品的特性，以确定支撑剂26中的树脂是否固化。记录支撑剂26固化所需要的时间，以便为在使用支撑剂79填充了裂缝80之后要将井关闭多长时间提供指标。可移动式单元20包括：气压转液压式增压器32，其用于对样品26进行压缩；以及热源，其用于对样品26加热。支撑剂样品26附近的传感器监测样品的特性。

Description

用于现场测试支撑剂的可移动式装置和方法

发明人：Mohammad H.ALQAM(穆罕默德·H·阿卡姆)

Hazim H.ABASS(哈泽姆·候赛因·阿巴斯)

Hussain A.AL-SHAMMARY(侯赛因·A·阿勒-沙姆利)

Edwin T.CALIBOSO(埃德温·T·卡利博索)

技术领域

本发明涉及用于完成井筒的系统和方法。更具体地，本发明涉及如下装置：该装置相对于井筒而言是可移动式的并且能用于现场测试支撑剂。

背景技术

烃产生井筒在地下延伸并与圈闭有烃的地层交叉。通常利用钻井系统来形成井筒，钻井系统具有安装在钻柱的端部处的钻头，钻柱由利用螺纹连接在一起的管组成。通常，驱动系统被用于驱动钻柱和钻头旋转，并且设置在井筒的开口上方。随着钻头的旋转，钻头上的切削元件刮削井筒的底部并将物料挖出，由此加深井筒。典型地，钻井流体向下泵送到钻柱中并从钻头导入井筒中。钻井流体在钻柱与井筒的壁面之间的环状空间中向上沿井筒回流。利用循环流动的钻井流体将挖掘期间产生的钻屑沿井筒向上携带上来。

有时要在井筒的壁面中形成延伸到与井筒邻接的地层中的裂缝。典型地通过向井筒中注入高压流体并密封井筒的一部分来进行压裂。压裂通常在井筒中的压力超过地层中的岩石强度时开始。利用诸如砂粒或树脂涂层颗粒等支撑剂来填充裂缝，由此支撑裂缝并阻止砂产生或其它颗粒物质从地层进入井筒中。

当用树脂涂层支撑剂填充裂缝时，通常会在井中产生流体之前将井关闭一段时间，以使树脂固化。如果井的裂缝具有未固化的树脂涂层支撑剂，则从该井进行生产带来如下风险：支撑剂伴随着所产生的流体从裂缝流出。使树脂固化的时间会根据井中的压力和温度而变化。已知的用于估计关井时间的方法包括：使支撑剂的样品在估计的井筒压力和温度下固化，并随时地监测该样品，由此确定树脂在何时固化。

发明内容

本文公开的是用于分析在井筒中使用的支撑剂的方法和装置。在实例中，一种分析支撑剂的方法包括：提供支撑剂样品测试装置并且将所述测试装置运输到具有井筒的井场，支撑剂被设置在所述井筒中。将所述支撑剂的样品放入所述测试装置中，在所述测试装置中使所述支撑剂的样品经受估计的井筒环境。同时在所述装置中，随时地监测所述支撑剂的样品的特性，基于监测所述支撑剂的特性的步骤来确定所述支撑剂的固化时间。所述方法还可以包括：在将所述支撑剂设置在所述井筒中之后，关闭所述井筒一段时间，以限定关井时间。在本实例中，所述关井时间与已确定的固化时间大致相同。本实例还可以包括：在所述关井时间期满之后，从所述井筒进行生产。在实施例中，监测特性的步骤包括：测量所述支撑剂的样品的拉伸强度；以及当所述拉伸强度接近渐近值时，确定固化时间。所述支撑剂可以是能固化的树脂涂层支撑剂。所监测的特性可以包括所述支撑剂的样品中的声速，并且所述方法可以包括：当所述声速接近渐近值时，确定固化时间。所述方法优选地可以包括：将所述测试装置运输至第二井场，并在所述第二井场处重复执行对支撑剂的分析。在实例中，所述支撑剂样品测试装置包括：气压转液压式增压器、能选择性地被所述增压器移动的撞锤部件、固结仪、以及与所述固结仪相连的监测器。在本实例中，所述撞锤部件向所述支撑剂的样品施加至少约25,000磅的轴向力。具有施加约25,000磅轴向力的撞锤部件的测试系统的一个优点是，系统的总重量可以处于适于在车辆中运输的水平。在测试装置的一个已知实例中，所述撞锤部件的轴向力约为300,000磅力，因而需要比本文所公开的实施例中的支撑结构显著更大且更重的支撑结构。可选地，所述气压转液压式增压器中的气体被加压至约2000磅/平方英寸。

本文还公开一种支撑剂测试装置，所述支撑剂测试装置的一个实例包括：框架，其能选择性地从运输车辆中移动至井场；容器，其安装在所述框架中，所述容器中设置有支撑剂的样品；气压转液压式增压器，其安装在所述框架中；以及撞锤部件，其能选择性地被所述增压器移动到所述容器中，从而当支撑剂处于所述容器中并且所述撞锤部件移动到所述容器中的所述支撑剂上时，所述支撑剂受压，以模拟向下钻进的状况。所述装置的这个实例包括与所述支撑剂关联的容器所连接的传感器。所述传感器是温度传感器、压力传感器和声音传感器中的一者。所述容器可以是固结仪。所述装置还可以优选地包括：所述框架上的框架底座，所述框架底座选择性地与所述运输车辆相连，从而当在所述运输车辆中运输所述测试装置时，所述装置固定在所述运输车辆上。可选地，可以包括电子装置，所述电子装置与所述传感器通信，在一个实施例中，还可以包括处理器，所述处理器与所述电子装置通信，从而当操作所述装置时，能接收和分析来自所述传感器的数据信号，以确定与所述支撑剂有关的信息。在实例中，包括压力气体源，所述压力气体源选择性地与所述气压转液压式增压器连通，其中，所述电子装置和所述处理器中的一者与阀门通信，以对从所述压力气体源流向所述气压转液压式增压器的流动进行调节。可以包括压力组件，所述压力组件由筒体、活塞、入口和轴构成，所述活塞位于所述筒体中，所述入口位于所述筒体上，与所述气压转液压式增压器的出口连通并且与所述活塞的一侧连通，所述轴的一端连接至所述活塞的与所述活塞的连通到所述入口的所述一侧背对的一侧，并且所述轴的另一端与所述撞锤部件相连。在实例中，所述气压转液压式增压器包括：筒体，其具有入口和出口；活塞，其位于所述筒体中，并具有与所述入口连通的一侧以及面向所述出口的一侧；密封件，其沿着所述活塞的外周和所述筒体的内表面，从而限定所述入口和所述出口之间的流动的阻挡部；当流体从压力气体源经由所述入口流入所述筒体中时，所述活塞被朝着所述出口推动并对筒体中位于所述活塞与所述出口之间的流体加压，进而挤压所述支撑剂。

附图说明

从而，可以更详细地理解本发明的上述特征和优点及其它内容将变得显而易见的方式，并且可以参照在构成本说明书一部分的附图中示出的本发明的实施例来对本发明的以上简要概括内容进行更具体的描述。然而，应注意的是：附图仅示出本发明的各种实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，这是因为本发明还可能包括其它的有效实施例。

图1是根据发明的用于测试井筒中的支撑剂的可移动式系统的示例性实施例的示意性侧视图。

图2A和图2B是根据本发明的测试支撑剂样品的实例的示意性侧视图。

图3是利用根据本发明的图1中的系统在井场测试支撑剂的实例的局部侧剖图。

图4是根据本发明的内部装有样品支撑剂的固结仪的实例的透视图。

图5是根据本发明的内部装有样品支撑剂的同心壳式固结仪的实例的侧剖图。

具体实施方式

图1示意性地示出用于对树脂涂层支撑剂进行现场测试的测试系统20。测试系统20包括如图所示地安装在加压组件24中的测试单元22。如图所示的测试单元22包含设置在固结仪(oedometer)28中的支撑剂样品26。如下文中将详细描述的，给加压组件24加料进而会挤压固结仪28中的支撑剂样品26。在实例中，固结仪28用作容纳支撑剂样品26的容器。图中示意性地示出的压力流体供应装置30用于对增压器32施压。图1中的增压器32包括上游筒体34，上游筒体34经由线路38连接到流体供应装置30。阀门40位于线路38上，以选择性地将流体供应装置30与增压器32隔断。压力气体42示意性地示出为位于上游筒体34中，经由线路38和入口36进入上游筒体34中。另外，上游筒体34中设有活塞44和液压流体46，图中示出液压流体46位于活塞44的与气体42相反的一侧。

在图1的实例中，进入上游筒体34中的压力气体42对活塞44产生作用力，从而抵抗液压流体46来推动活塞44。活塞44的抵抗液压流体46的力迫使流体46从上游筒体34进入与上游筒体34的出口50相连的线路48中。线路48在远离出口50处连接到下游筒体52，下游筒体52中含有已经从上游筒体34推压出来的一部分流体46。在图1的实例中，下游筒体52的直径大于上游筒体34的直径，因而下游筒体52的每单位轴向长度的体积大于上游筒体34的每单位轴向长度的体积。下游筒体52中的活塞54的横截面面积大于活塞44的横截面面积。这样，在液压流体46为基本不可压缩流体的示例性实施例中，作为对上游筒体34中的活塞44的轴向移动的响应，活塞54在下游筒体52中被推动轴向长度。尽管活塞54移动的轴向距离小于活塞44移动的轴向距离，但横截面面积更大的活塞54与横截面面积更小的活塞44相比产生更大的输出力。

将下游筒体52中位于活塞54的与液压流体46相反的一侧的空间定义为低压侧56。线路58具有连接到低压侧56的端部以及连接到阀门60的末端；图中示出阀门60位于线路38上且在断流阀门40的下游。在图1的实例中，低压侧56中的流体可以经由线路58和阀门60排放到线路38中，由此形成闭环系统。

示意性地示出的轴62从活塞54垂下并穿过低压侧56，然后连接到与固结仪28卡合的撞锤64。这样，在实例中，用于压紧支撑剂样品26的压力从活塞54传递过来。图中所示的固结仪28被安置在心轴66上，心轴66设置在加压组件24的基座部分中。信号线68可以随意地连接到固结仪28，以监测固结仪28中的状况。图中所示的电子装置70连接到信号线68的一端，以对固结仪28上的传感器(未示出)所监测到的信号进行译码。图中示出的处理器72(图1所示的实例是便携式计算机)与电子装置70通信。这样，在一个实例中，表示支撑剂26的多种材料特性的信号可以经由信号线68传输到处理器72，以便为操作者进行直观显示。在一个实例中，电子装置和/或处理器72与阀门40通信，以便对流过线路38的气体的流动和/或流量进行控制。

图2A提供了支撑剂样品26的机械测试的示意性实例。更具体地，将样品26设置在一对压板74和76之间并如图所示地向压板74施加力F，以将支撑剂样品26加压至破裂。可以记录下破裂时的力，以评估样品26的特性。图2B示出拉伸测试的实例，其中，通过向支撑剂样品26的柱体的侧面施加力F来获得支撑剂样品26的拉应力。在一个实例中，将这种拉伸测试称为巴西抗拉测试(Brazilian tensile test)。

图3是在井筒77邻接的井场实施的测试的实例的局部侧剖图。此外，在图3的实例中，图中所示的位于井筒的开口处的砂砾填充系统78用于将支撑剂79输送到图中所示的裂缝80中，裂缝80从井筒77的壁面延伸到周围的地层81中。此外，在井筒77中并在裂缝80上方的深度处，设置有填充机82。

图中示出的地面卡车84在井筒77附近且在地面85上。图中示意性地示出的可移动式的测试系统20(图中的虚线所示)设置在卡车84中。返回参考图1中的实例，图中示意性地示出的可选的框架86包括系统20，框架86用于将系统20的部件安装成模块化单元。此外，在图1的实例中，连接件88将流体供应装置30、增压器32、压力组件24和电子装置70连接到框架86上。还包括框架底座90，以将系统20固定在卡车84中。返回参考图3中的实例，系统20可以在卡车84中被运输到井筒77附近的井场。在本实例中，可以在井场处在卡车84中对注入裂缝80中的实际支撑剂79的样品进行测试。更具体地，支撑剂样品26与井筒77中的支撑剂79相同，并且可以设置在固结仪28(图1)中以及固结仪28中模拟的井筒77中的状况下。由于井筒中的温度经常高于环境温度，所以可以与固结仪28联合地设置加热器(未示出)。如上所述，压力组件24(图1)向样品26施加压力，以模拟井筒77中的现场状况。美国专利No.7,712,525提供了一种支撑剂样品测试方法的实例，该美国专利已转让给本申请的受让人并且该美国专利的全部内容并入本文中。可选地，框架86中的系统20可以从卡车84拆除，并设置为与井紧邻以便测试支撑剂79。此外，存在如下实施例：卡车84是具有用于系统20的载物区域的四轮式车辆等，例如箱式货车。这样，系统20可以在车辆中或在车辆上进行运输，车辆可以是典型地用于运载乘客的车辆，而不必是主要用于运载货物、重型机械等的车辆(即，拖拉机挂车(tractor trailer))。

在一种示例性方法中，在测试期间，监测支撑剂样品26的材料特性；当所述特性达到预定水平时，可以确定支撑剂样品26已适当地固化并达到适用于生产井筒的稠度。基于支撑剂样品26获得预定的材料特性所需的时间测量值，可以估计井保持为关闭状态的时间。在实例中，时间测量值可以模拟如下时间段：从支撑剂79流入井筒77中到支撑剂79固化这段时间、从支撑剂79流入裂缝80中到支撑剂79固化这段时间或者从井筒77关闭到支撑剂79固化这段时间。知道支撑剂79在井筒77中的条件下何时固化，使得井操作者可以在移除填充机82之前使裂缝80中的支撑剂79适当地固化。在测试材料特性的一个实例中，发现如下情况：在给定的应力和温度下，可固化的树脂涂层支撑剂的拉伸强度是固化时间的函数。引入了拉伸强度与固化时间之间的函数，并且发现：在给定的支撑剂类型、固化流体、应力和温度的情况下，拉伸强度在一段时间之后达到渐近值。因此，可以将拉伸强度达到渐近值的时间确定为使给定的可固化的树脂涂层支撑剂获得最大拉伸强度所需的关井时间。

图4提供一种固结仪28A的可选实施例，图中所示的固结仪28A具有：壳体90，其具有大致圆形的外侧面；腔体，其从壳体90的开口端沿轴向延伸并结束于远离开口端的封闭端附近。在图4的实例中，支撑剂26设置在壳体90的腔体中，并且图中所示的圆柱状活塞头92悬停在开口上方。将活塞头92推动到腔体中，从而对样品26产生压力，以模拟井筒77(图3)中的压力状况。连接杆94示意性地示出撞锤64(图1)可怎样对活塞头92产生压力。图中所示的换能器96、98位于活塞头92的上表面上以及设置在壳体90的封闭端。在图4中的实例中，换能器96可以是声音发生器和/或接收器，以经由支撑剂样品26传递声波，以确定支撑剂26的材料特性。可选地，换能器96、98还可以测量温度和压力中的一者或两者。图中所示的衬垫100设置在壳体90中并沿着支撑剂样品26的外周。衬垫100可以由在150摄氏度时的声阻抗低并且强度高的聚合物(例如聚醚醚酮(PEEK)或类似的材料)形成。在一个实例中，壳体90可以由金属(例如不锈钢)形成。

图5是固结仪28B的另一种可选实施例的侧剖图。在本实例中，固结仪28B由外壳102构成，外壳102具有筒形的外形并且其内部基本是空心的。外壳102收纳内壳104。外壳102和内壳104都具有开口端以及具有内部腔体的大致筒形的外表面。在图5的实例中，内壳104的开口端插入外壳102的开口端。图中所示的低声阻抗的衬垫106、108分别装衬在外壳102和内壳104的内侧。类似地，换能器96、98可以设置在内壳102和外壳104的相反的外侧上。

气压转油压式(gas to oil)增压器的优点在于，在测试的整个压紧阶段，允许样品上的应力保持为恒定值，并允许对样品平稳地加载直到破裂，由此测量无侧限抗压强度(unconfined compressive strength)。另外，可以设置上游筒体34和下游筒体52各自的尺寸，以使撞锤64的行程可以保持为期望的长度。在一个实例中，压力流体供应装置30中的压力可以是至少约2000磅/平方英寸，并且撞锤64施加的轴向力可以是至少约25,000磅。另外，为固结仪28配备加热器能够将固结仪加热到至少约150摄氏度。

于是，以上所描述的本发明适用于实现上述以及本身固有的其它方面的目的并获得相应的效果和优点。尽管本文出于公开的目的对本发明的优选实施例进行了描述，但为了获得期望的结果，可以对具体的步骤进行多种修改。这些及其它类似的变型对本领域的技术人员而言是显而易见的，而且期望被包含在这里所公开的本发明的精神和权利要求书的范围之内。

Claims (17)

1.一种测试在井筒中使用的支撑剂的方法，包括：

(a)提供支撑剂样品测试装置，所述支撑剂样品测试装置包括容纳气体和液体的筒体、位于所述筒体中的使所述气体与所述液体分隔的活塞、响应于所述筒体中的液体的压力变化而选择性地移动的撞锤部件、固结仪、以及与所述固结仪相连的监测器；

(b)将所述支撑剂样品测试装置运输到具有井筒的井场，支撑剂被设置在所述井筒中；

(c)将所述支撑剂的样品放入所述支撑剂样品测试装置中并在所述支撑剂样品测试装置中使所述支撑剂的样品经受估计的井筒环境；

(d)向所述支撑剂的样品施加应力；

(e)在整个压紧阶段，将施加在所述支撑剂的样品上的应力值保持为恒定值，以对所述支撑剂的样品平稳地加载直到破裂；

(f)基于对所述支撑剂的样品加载直到破裂的步骤来测量无侧限抗压强度；

(g)随时地监测所述支撑剂的样品的特性；以及

(h)基于监测所述支撑剂的拉伸强度的步骤来确定所述支撑剂的固化时间。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在将所述支撑剂设置在所述井筒中之后，关闭所述井筒一段时间，以限定关井时间，所述关井时间与已确定的固化时间相同。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

在所述关井时间期满之后，从所述井筒进行生产。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，

监测特性的步骤包括：

测量所述支撑剂的样品的拉伸强度；以及

当所述拉伸强度接近渐近值时，确定固化时间。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，在整个压紧阶段，所述筒体和所述活塞将所施加的应力保持为恒定值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，

监测特性的步骤包括：

测量所述支撑剂的样品中的声速；以及

当所述声速接近渐近值时，确定固化时间。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述井场包括第一井场，

所述方法还包括：将所述支撑剂样品测试装置运输至第二井场，并重复执行步骤(a)至(h)。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述支撑剂样品测试装置包括：气压转液压式增压器、能选择性地被所述增压器移动的撞锤部件、固结仪、以及与所述固结仪相连的监测器。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，

所述撞锤部件向所述支撑剂的样品施加至少25,000磅的轴向力。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，

所述气压转液压式增压器中的所述气体被加压至2000磅/平方英寸。

11.一种支撑剂测试装置，包括：

框架，其能选择性地从运输车辆中移动至井场；

容器，其安装在所述框架中，所述容器中设置有支撑剂的样品；

气压转液压式增压器，其安装在所述框架中并具有气体侧和液体侧；

撞锤部件，其能选择性地被所述增压器移动到所述容器中，从而当支撑剂处于所述容器中并且所述撞锤部件移动到所述容器中的所述支撑剂的样品上时，所述支撑剂受压，以模拟向下钻进的状况；

传感器，其与所述支撑剂关联的容器相连并包括信息收集装置，所述信息收集装置选自由温度传感器、压力传感器和声音传感器构成的群组；以及

处理器，其与所述传感器通信，并且选择性地

调节所述气体侧的气体量，

在整个压紧阶段，将施加在所述支撑剂上的应力值保持为恒定值，以对所述支撑剂平稳地加载直到破裂，

基于对所述支撑剂加载直到破裂来测量无侧限抗压强度，

监测所述支撑剂的拉伸强度，并且

基于所监测的拉伸强度来确定固化时间。

12.根据权利要求11所述的支撑剂测试装置，其中，

所述容器包括固结仪。

13.根据权利要求11所述的支撑剂测试装置，还包括：

所述框架上的框架底座，其选择性地与所述运输车辆相连，从而当在所述运输车辆中运输所述支撑剂测试装置时，所述支撑剂测试装置固定在所述运输车辆上。

14.根据权利要求11所述的支撑剂测试装置，还包括：

电子装置，其与所述传感器通信；以及处理器，其与所述电子装置通信，从而当操作所述支撑剂测试装置时，能接收和分析来自所述传感器的数据信号，以确定与所述支撑剂有关的信息。

15.根据权利要求14所述的支撑剂测试装置，还包括：

压力气体源，其选择性地与所述气压转液压式增压器连通，所述电子装置和所述处理器中的一者与阀门通信，以对从所述压力气体源流向所述气压转液压式增压器的流动进行调节。

16.根据权利要求11所述的支撑剂测试装置，还包括：

压力组件包括筒体、活塞、入口和轴，所述活塞位于所述筒体中，所述入口位于所述筒体上，与所述气压转液压式增压器的出口连通并且与所述活塞的一侧连通，所述轴的一端连接至所述活塞的与所述活塞的连通到所述入口的所述一侧背对的一侧，并且所述轴的另一端与所述撞锤部件相连。

17.根据权利要求11所述的支撑剂测试装置，其中，

所述气压转液压式增压器包括：

筒体，其具有入口和出口；

活塞，其位于所述筒体中，并具有与压力气体源相接触的气体侧以及与接触另一活塞的液体相接触的液体侧，所述另一活塞连接至所述撞锤部件；

密封件，其沿着所述活塞的外周和所述筒体的内表面，从而限定所述入口和所述出口之间的流动的阻挡部，当流体从压力气体源经由所述入口流入所述筒体中时，所述活塞被朝着所述出口推动并对筒体中位于所述活塞与所述出口之间的流体加压，进而移动所述另一活塞和所述撞锤部件并挤压所述支撑剂。