CN104196525B - 基于地层测试的泥饼厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于地层测试的泥饼厚度测量方法，在随钻地层压力测量的过程中完成对泥饼厚度的测量。具体是通过将随钻地层压力测量系统中的探头式压力测量仪器安装于钻具上，其中探头和定位活塞分别安装于钻具的两侧侧壁上，待压力稳定后，探针伸出贴合泥饼，进行压力测试，记录压力随时间的变化，直至探针接触井壁测量完成，通过定位活塞抽吸使压力下降，探针拔出，进行泥饼厚度计算，获得泥饼厚度数据。本发明是基于地层压力测试计算得到泥饼厚度，干扰因素较小，测量数据准确，测量结果精度高，误差相对较小。本发明通过在地层压力随钻压力测量中得到附加测试数据，成本相对较低，测量过程简单，可行性大，易于推广。

Description

基于地层测试的泥饼厚度测量方法

技术领域

本发明属于石油工程领域，具体涉及一种基于地层测试的泥饼厚度测量方法。

背景技术

在钻井过程中，随着钻井液的自由水进入岩层，钻井液中固相颗粒附着在井壁上形成泥饼。对泥饼的要求是薄而韧，同时具有较高的强度，而泥饼厚度是评价泥饼质量参数中最重要的参数之一。

泥饼过薄会造成井壁不稳定(例如水敏性泥页岩垮塌、缩径等)、钻井液漏失、损害油气层或污染近井地带；而泥饼过厚又会引起一些钻井事故，例如：起钻具时提力增加、遇卡、泥包钻头、泥饼卡钻等。因此准确实时地测量泥饼厚度可以及时调整钻井液密度或者采取其他工艺措施，避免事故的发生，确保钻进顺利进行，同时提高钻进效率，节约成本投入。

专利文献EP2472291A1中公开了一种通过发射高频短波，测量地层反射信号的返回时间计算泥饼厚度的方法。声波测量在泥饼出现凹凸不平时容易造成提前反射，而且声波的往复传播对于长距离层段容易因为声波衰减而引起较大的测量误差。

专利文献US3281599A中公开了一种通过伽马—伽马密度测井计算泥饼厚度的方法，但这种方法容易受到泥质含量、裂缝、气层等因素的影响。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于地层测试的泥饼厚度测量方法，实现在随钻地层压力测量过程中对泥饼厚度的测量。本发明借由泥饼厚度信息，能够提前采取相应的防护措施有效的避免钻井事故的发生、减少地层损伤、认识井壁周围区域。

本发明提供一种基于地层测试的泥饼厚度测量方法，在随钻地层压力测量的过程中完成对泥饼厚度的测量。

所述在地层压力随钻测量的过程中完成对泥饼厚度的测量包括：通过将随钻地层压力测量系统中的探头式压力测量仪器安装于钻具上，待压力稳定后，探针伸出贴合泥饼，进行压力测试，记录压力随时间的变化，直至探针接触井壁测量完成，通过定位活塞抽吸使压力下降，探针拔出，进行泥饼厚度计算，获得泥饼厚度数据。

所述在地层压力随钻测量的过程中完成对泥饼厚度的测量具体流程包括：

步骤一：开展地层测试准备工作：

(1)将探头式压力测量仪器安装于钻具，形成随钻测压钻具并完成井口测试；

(2)将随钻测压钻具下入到井中，在钻进过程中应对深度传感器进行校准以精确跟踪仪器探点深度；

(3)开钻，下钻至每个目的深度，地面处理系统发出待命指令，探头式压力测量仪器接收信号，同时反馈给地面处理系统确认信息；

(4)操作上下活动随钻测压钻具，并释放扭矩，调整工具面；

(5)开泵获取探头式压力测量仪器的测量值，地面处理系统在计算机上读取实时的压力值数据；

步骤二：进行地层压力随钻测量，得到压力与时间的关系；包括如下步骤：

(1)地面处理系统实时监测，直到压力不随时间发生变化，随钻测量钻具进入稳定的测量状态；

(2)静止钻具，伸出探针紧贴泥饼，进行压力测试，开始记录压力随时间的变化关系；

(3)当探针碰到井壁时，则测试段结束；

步骤三：进行泥饼厚度计算，包括如下步骤：₅₁₅₀

(1)计算机根据处理之后的数据做出散点图，并进行数据拟合；

(2)读出探针开始接触泥饼形成封闭环境时的压力P1、以及由于碰触到井壁或者探针长度的限制导致探针无法前进而滞留在泥饼中时的压力P2；

(3)探针与泥饼接触形成封闭环境，其关系式符合：其中q_f为单位时间地层流入量，C_f为流体压缩系数，V_t为工具内部的容积，包括探头的容积、流程管线和压降单元的容积，Q_f＝q_fdt，Q_f表示时间t内的地层流入量,探针接触泥饼形成封闭环境后，该数值为常数；t表示时间，p表示流体压力。

将上述关系式写成差分形式：其中，p₀表示初始压力；t₀表示初始时间；整理得到Q_f+C_fV_tp₀＝C_fV_tp，由于Q_f、C_fV_tp₀以及右边项C_f均为常数，所以V_tp为常数；

(4)进行泥饼厚度计算，由于pV为常数，得到其中V₁为探针未接触泥饼，探针内流体的初始体积；V₂为探针接触泥饼后，探针内流体受到泥饼挤压压缩后的体积；

而流体体积的改变量与探针深入泥饼的厚度有关，所以：

$H_{\mathrm{mc}}=\frac{V_1-V_2}{{\mathrm{\πr}}^2}$

其中H_mc为泥饼厚度，r为探针半径；V₁为探针未接触泥饼，探针内流体的初始体积；V₂为探针接触泥饼后，探针内流体受到泥饼挤压压缩后的体积；

步骤四：根据计算的泥饼厚度调整钻井液泥浆或者其他工程措施，继续钻进，进行下一个目标点泥饼厚度的测量。

所述步骤一(1)中井口测试包括检查信号传输是否准确畅通、探头式压力测量仪器到操作间之间的连线是否完好。

所述步骤一(1)中探头式压力测量仪器的探头和定位活塞于钻具的安装位置为位于钻铤以下、井底马达以上，且探头和定位活塞位于相对的两侧侧壁上。

所述步骤一(1)中探头式压力测量仪器的压力测量仪和深度传感器组装在非磁悬挂短节内，该短节安装于钻具的钻铤以下、井底马达以上的部分。

所述步骤一(1)钻具的立管上还安装有信号接收装置。

本发明与现有技术相比，具有优点如下：

本发明是基于地层压力测试计算得到泥饼厚度，干扰因素较小，测量数据准确，测量结果精度高，误差相对较小；通过泥饼厚度信息可以调整钻井液密度或者其他工艺措施将泥饼质量调至最优，从而避免由于过平衡或者泥饼过厚导致的压差卡钻、无泥饼形成或者泥饼较薄引起的钻井液漏失，保护储层不受伤害，高质量的泥饼也可以有效地避免储层污染。同时也了解井眼周围环境，从而开展增压效应研究或者井眼周边建模。本发明通过在随钻地层压力测量中得到附加测试数据，成本相对较低，测量过程简单，可行性大，易于推广。

附图说明

图1为随钻测量系统钻具组合示意图；

图2为随钻测压钻具组装后以及开始进入目的层的结构示意图；

图3为随钻测压钻具的到达目的层，探针和定位活塞伸出的结构示意图；

图4为随钻测压钻具的探针一节节伸出，接触泥饼形成封闭空间的结构示意图；

图5为随钻测压钻具的探针无法前进而滞留在泥饼中的结构示意图；

图6为压力随钻测量的总的压力图像；

图7为探头式压力传感仪器的探针与泥饼的相互作用所引起的压力响应图像；

图8为本发明的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本发明提供的一种基于地层测试的泥饼厚度测量方法，如图8所示，其包括的主要步骤如下：

步骤一、开展地层测试准备工作，具体为：

(1)组合并安装随钻测压钻具并进行井口测试：

随钻地层压力测量系统(简称MWD工具)包括井下仪器总成、地面接收仪表和地面处理系统三大部分，可以在任意井斜条件下开展地层测试，其主要采用井下仪器总成进行井下测量，本发明中为探头式压力测量仪器，可安全有效地随钻采集压力和流体流度信息。如图1所示，所述随钻测压钻具的长度约为9m，最大测量半径为226.7mm，安装位置位于包括钻铤2之下、井底马达3之上，具体包括随钻测压装置7(探头式压力测量仪器)、定向参数测量装置8以及钻井参数测量装置9。如图2所示，所述探头式压力测量仪器的主要组成包括探头5和定位活塞6，还包括用于传输、测量使用的深度传感器、压力测量仪以及管线。探头式压力测量仪器测量探头5内部的封闭空间的压力数据，深度传感器可以获取位置信息。所述探头5和定位活塞6于随钻测压钻具上的安装位置均位于钻铤2以下、井底马达3以上，且探头5和定位活塞6位于相对的两侧侧壁上，因安装于钻具上，因此包含该探头式压力测量仪的钻具被称之为随钻测压钻具。下井之前还需要将压力测量仪和深度传感器组装在专用的非磁悬挂短节内，该短节安装于钻具的钻铤2以下、井底马达3以上的部分，形成随钻测压钻具而组合一起下井，并在钻具的立管(所述立管位于钻柱的上方所述钻柱包括钻杆1、钻铤2和钻头4，处于水龙带和方钻杆1之间的位置)上安装信号接收装置(压电感应器)，接收压力测量仪与深度传感器测量的压力脉冲信号，压力脉冲信号通过地面接收仪表的压力传感器可以将泥浆脉冲信号转化为电信号，通过电缆传输到地面接口箱，处理电路接收到信号后，自动地进行数模转换，降噪，滤波等处理，然后将处理结果传输给地面处理系统即计算机。安装完成后进行井口测试，并调试(如调零、校准等)随钻地层压力测量系统；所述井口测试包括检查信号传输是否准确畅通、探头式压力测量仪器到操作间之间的连线是否完好等等。

所述深度传感器、压力测量仪均连接信号接收装置，所述信号接收装置通过压力传感器连接处理电路，所述处理电路连接计算机。所述探针也均连接信号接收装置。

(2)将随钻测压钻具下入到井中，随钻测压钻具工作过程有3种作业模式，即休眠、待命和打开，如图2所示，下入过程中随钻测压钻具正处于休眠状态下；在钻进过程中应对深度传感器进行校准以精确跟踪仪器探点深度。

(3)开钻，下钻至每个目的深度，此时探针并没有伸出，如图2所示，需待压力稳定后探针才会伸出，地面处理系统发出待命指令，MWD工具的探头式压力测量仪器接收信号，随钻测压钻具变为待命状态，同时反馈给地面处理系统一个确认信息。MWD工具可以实现地面与井下工具的通讯，MWD工具的井下部分为探头式压力测量仪器。

(4)操作上下活动随钻测压钻具，并释放扭矩，调整工具面即造斜工具弯曲方向的平面，以防止碰坏仪器；

(5)开泵获取探头式压力测量仪器的测量值，地面处理系统处理后可以在计算机上读取实时的压力值数据；

步骤二：进行地层压力随钻测量，得到压力与时间的关系；包括如下步骤：

(1)地面处理系统实时监测，直到压力不随时间发生变化，持续稳定，表明随钻测量钻具已经进入稳定的测量状态。钻具的结构为底座上有4片螺旋扶正翼，顶部有2片直叶片。封隔器和探针安装在扶正翼上，探针最大可伸出19mm，通常只要将探针移动至封隔器表面压在地层上不留空隙即可，与探针相反方向的活塞可以给封隔器提供坐封力，这样尤其在定向井作业中可以不用调整工具高边就能坐封。

(2)静止钻具，坐封封隔器，伸出探针紧贴泥饼，如图3、图4所示，其外部的密封圈紧贴泥饼并锁紧，进行压力测试，开始记录压力随时间的变化关系，如图5所示。

(3)当探针碰到井壁时，则该过程依靠的测试段结束；

探头式压力传感仪器内部的预测试室内马达带动其内定位活塞抽吸管线内液体，管线内液体扩张，压力下降，开展进一步的地层压力测量；

步骤三：进行泥饼厚度计算，包括如下步骤：

(1)计算机将处理之后的数据做出散点图，并进行简单地数据拟合；

(2)读出探针开始接触泥饼形成封闭环境时的压力P1、由于碰触到井壁或者探针长度的限制导致探针无法前进而滞留在泥饼中时的压力P2；

(3)探针一旦与泥饼接触形成封闭环境，其关系式符合：

$q_f=C_f{V}_t\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{dt}}$

其中q_f为单位时间地层流入量，C_f为流体压缩系数，V_t为工具内部的容积，包括探头的容积、流程管线和压降单元的容积。C_f可视为常数。而当探针接触泥饼形成封闭环境，Q_f＝q_fdt亦为常数。Q_f表示时间t内的地层流入量；t表示时间，p表示流体压力

将关系式写成差分形式：

p₀表示初始压力；t₀表示初始时间；

整理上式可得:

q_f(t-t₀)+C_fV_tp₀＝C_fV_tp

进一步整理可得：

Q_f+C_fV_tp₀＝C_fV_tp

左边项Q_f、C_fV_tp₀以及右边项C_f为常数，所以V_tp为常数；

4)进行泥饼厚度计算：

由于V_tp为常数，所以：

其中V₁为探针未接触泥饼，探针内流体的初始体积，对于特定工具来说，其值为固定值；V₂为探针接触泥饼后，探针内流体受到泥饼挤压压缩后的体积。

而流体体积的改变量与探针深入泥饼的厚度有关，所以：

$H_{\mathrm{mc}}=\frac{V_1-V_2}{{\mathrm{\πr}}^2}$

其中H_mc为泥饼厚度，r为探针半径；V₁为探针未接触泥饼，探针内流体的初始体积，对于特定工具来说，其值为固定值；V₂为探针接触泥饼后，探针内流体受到泥饼挤压压缩后的体积。

步骤四：根据计算的泥饼厚度调整钻井液泥浆或者其他工程措施，继续钻进，进行下一个目标点泥饼厚度的测量。

实例测试：

如图6为处理之后压力随钻测量总的压力典型图像，图7为探头式压力传感仪器的探针与泥饼的相互作用，引起的压力响应图像，从图7中可以读出P1为4985psi，P2为5100psi，而固定值初始体积V₁设为50mm²，探针半径设为0.38mm

$V_2=\frac{P_1\×V_1}{P_2}=\frac{4985\×50}{5100}=48.87{\mathrm{mm}}^3$

$H_{\mathrm{mc}}=\frac{V_1-V_2}{{\mathrm{\πr}}^2}=\frac{50-48.87}{\mathrm{\π}\×{0.38}^2}=2.5\mathrm{mm}$

泥饼厚度即为2.5mm。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种基于地层测试的泥饼厚度测量方法，其特征在于，在随钻地层压力测量的过程中完成对泥饼厚度的测量；所述在随钻地层压力测量的过程中完成对泥饼厚度的测量包括：通过将随钻地层压力测量系统中的探头式压力测量仪器安装于钻具上，待压力稳定后，探针伸出贴合泥饼，进行压力测试，记录压力随时间的变化，直至探针接触井壁测量完成，通过定位活塞抽吸使压力下降，探针拔出，进行泥饼厚度计算，获得泥饼厚度数据。

2.根据权利要求1所述基于地层测试的泥饼厚度测量方法，其特征在于，所述在随钻地层压力测量的过程中完成对泥饼厚度的测量具体流程包括：

步骤一：开展地层测试准备工作：

(1)将探头式压力测量仪器安装于钻具，形成随钻测压钻具并完成井口测试；

(2)将随钻测压钻具下入到井中，在钻进过程中应对深度传感器进行校准以精确跟踪仪器探点深度；

(3)开钻，下钻至每个目的深度，地面处理系统发出待命指令，探头式压力测量仪器接收信号，同时反馈给地面处理系统确认信息；

(4)操作上下活动随钻测压钻具，并释放扭矩，调整工具面；

(5)开泵获取探头式压力测量仪器的测量值，地面处理系统在计算机上读取实时的压力值数据；

步骤二：进行地层压力随钻测量，得到压力与时间的关系；包括如下步骤：

(1)地面处理系统实时监测，直到压力不随时间发生变化，随钻测量钻具进入稳定的测量状态；

(2)静止钻具，伸出探针紧贴泥饼，进行压力测试，开始记录压力随时间的变化关系；

(3)当探针碰到井壁时，则测试段结束；

步骤三：进行泥饼厚度计算，包括如下步骤：

(1)计算机根据处理之后的数据做出散点图，并进行数据拟合；

(2)读出探针开始接触泥饼形成封闭环境时的压力P1、以及由于碰触到井壁或者探针长度的限制导致探针无法前进而滞留在泥饼中时的压力P2；

(3)探针与泥饼接触形成封闭环境，其关系式符合：其中q_f为单位时间地层流入量，C_f为流体压缩系数，V_t为工具内部的容积，包括探头的容积、流程管线和压降单元的容积，Q_f＝q_fdt，Q_f表示时间t内的地层流入量,探针接触泥饼形成封闭环境后，该数值为常数；t表示时间，p表示流体压力；

将上述关系式写成差分形式：其中，p₀表示初始压力；t₀表示初始时间；整理得到Q_f+C_fV_tp₀＝C_fV_tp，由于Q_f、C_fV_tp₀以及右边项C_f均为常数，所以V_tp为常数；

(4)进行泥饼厚度计算，由于pV为常数，得到其中V₁为探针未接触泥饼，探针内流体的初始体积；V₂为探针接触泥饼后，探针内流体受到泥饼挤压压缩后的体积；

而流体体积的改变量与探针深入泥饼的厚度有关，所以：

$H_{mc}=\frac{V_1-V_2}{{\mathrm{\πr}}^2}$

其中H_mc为泥饼厚度，r为探针半径；V₁为探针未接触泥饼，探针内流体的初始体积；V₂为探针接触泥饼后，探针内流体受到泥饼挤压压缩后的体积；

步骤四：根据计算的泥饼厚度调整钻井液泥浆，继续钻进，进行下一个目标点泥饼厚度的测量。

3.根据权利要求2所述的基于地层测试的泥饼厚度测量方法，其特征在于，所述步骤一(1)中井口测试包括检查信号传输是否准确畅通、探头式压力测量仪器到操作间之间的连线是否完好。

4.根据权利要求2所述的基于地层测试的泥饼厚度测量方法，其特征在于，所述步骤一(1)中探头式压力测量仪器的探头和定位活塞于钻具的安装位置为位于钻铤以下、井底马达以上，且探头和定位活塞位于相对的两侧侧壁上。

5.根据权利要求2或4所述的基于地层测试的泥饼厚度测量方法，其特征在于，所述步骤一(1)中探头式压力测量仪器的压力测量仪和深度传感器组装在非磁悬挂短节内，该短节安装于钻具的钻铤以下、井底马达以上的部分。

6.根据权利要求5所述的基于地层测试的泥饼厚度测量方法，其特征在于，所述步骤一(1)钻具的立管上还安装有信号接收装置。