CN105793515A - 用于套管厚度估算的方法和设备 - Google Patents

Abstract

各种实施方案包括用来提供套管磨损的估算的设备和方法。一种方法确定套管和钻柱变量和常量的值。这些常量和变量用来基于应力理论而动态地产生套管磨损的估算值。钻凿操作可以在套管磨损的所述估算值达到预定值时中止。

Description

用于套管厚度估算的方法和设备

背景

由钻孔钻凿和回扩钻进产生的套管磨损可能对钻孔套管、内衬和立管的完整性具有影响。套管磨损可以归因于较大的钻头进尺、较高的旋转小时以及钻柱与套管之间的增强接触力。由套管磨损产生的、超过套管壁的容许限制的新月形凹槽可能损害套管完整性并且致使在到达目标深度之前放弃孔洞。工具接头磨损也可能由钻柱与套管之间的接触而产生。

附图简述

图1展示压抵工具接头的可变形套管的实施方案。

图2示出用于钻凿操作的预规划的方法的实施方案的流程图。

图3示出用于钻凿操作的实时分析的方法的实施方案的流程图。

图4示出用于钻凿操作的后规划的方法的实施方案的流程图。

图5展示可经过操作来执行套管厚度减小估算的系统的实施方案的方框图。

图6示出缆绳系统实施形式。

图7示出钻凿系统实施形式。

详述

以下详细描述涉及附图，所述附图借助于图解且以非限制性的方式来展示其中可以实践本发明的各种实施方案。充分详细地描述这些实施方案以便使本领域技术人员能够实践这些和其他实施方案。可利用其他实施方案，并且可对这些实施方案做出结构、逻辑和电性的改变。各种实施方案并非必须互相排斥，因为一些实施方案可与一个或多个其他实施方案进行组合而形成新的实施方案。因此，以下详细描述不应以限制性意义来理解。

有时以新月形凹槽形式出现的套管磨损可能是由较大的钻头进尺、较高的旋转小时和/或钻柱工具接头与套管之间的增强接触力而产生。赫兹接触力学可以用来识别可能导致套管开始变形的负载条件。

图1示出压抵可变形套管103的刚性钻柱工具接头101。在钻凿操作期间，套管103可以从钻柱工具接头101呈现磨损105。

套管体积磨损的速率可以表示为：

其中：

r_tj＝工具接头的半径，

L＝工具接头的钻凿距离(ft)，并且

dr/dt＝相对于时间而言由于磨损而导致的半径变化速率。

如果δ表示由于磨损而磨掉的并且相对于时间而言有所差异的套管厚度，那么t：

在将等式2代入等式1中之后，等式1变为：

等式3可以重新编排为：

给定以下等式：

将等式5代入等式4中得出：

假设磨损速率在整个套管上、在不同方位角度上都是均匀的，那么可以假设不同角度位置上的磨损速率是与工具和套管之间的接触点上的最大应力成正比。因此：

其中，k＝取决于套管材料和磨损系数的比例常量。

将等式7代入等式6中得出：

工具接头可以具有硬涂层以便防止关联钻杆接触井眼壁和导致对工具接头的过度磨损。然而，硬涂层可能导致套管的磨损，所述磨损通常称为“工具接头硬化带”。接触应力可以是工具接头几何形状、工具接头硬化带的材料属性和/或作用在工具接头与套管之间的接触力的函数。大量循环接触应力可能导致过度的套管磨损和工具接头磨损。因此，物理退化可能在两个啮合表面上都会发生，但是可能在较弱材料(例如，套管)中更为显著。

由于工具与套管之间的滑动速度，流体弹性动力效应可能出现在可以改变应力分布的套管元件中。动态负载是可以改变工具与套管之间的接触点上的应力的另一因素。此类动态负载可能在钻柱利用冲击负载而不是静态负载来振动并接触套管时发生。

在使用经典赫兹方法的情况下，套管与工具接头之间的接触点上的最大压缩应力可以表达为：

其中：

F_n＝基于钻柱的位置(例如，倾斜度、方位角)来计算的接触元件每单位宽度上的正常负载，

ρ_c,ρ_tj＝套管和工具接头各自的曲率半径，

E_c,E_tj＝套管和工具接头各自的弹性模量，并且

ν_c,ν_tj＝套管和工具接头各自的泊松比。

将等式9代入等式8中得出：

为了评估作用在接触点上的力F_n，等式10可以进行整合，并且滑动距离可利用以每分钟转数(RPM)为单位的旋转速度来取代。这会导致体积V作为旋转钻柱与套管之间接触的结果而每直线距离地从套管移除：

其中：

N＝旋转速度(每分钟转数)

D_tj＝工具接头直径(英寸)

t＝接触时间(分钟)

旋转钻柱与套管之间的接触时间t可以表达为：

其中，L＝钻凿距离(以英尺为单位的深度)，从而使得：

L_tj＝工具接头的钻凿距离(以英尺为单位的深度)，

L_dp＝钻柱的钻凿距离(以英尺为单位的深度)；并且

ROP＝以英尺/分钟为单位的、进入地质构造中的穿透速率

如由等式11的模型表达的、每直线距离上移除的体积可以在钻凿操作的多个模式中使用。这些模式可以包括钻凿操作的预规划、钻凿操作的实时分析和钻凿操作的后规划。

图2示出用于钻凿操作的预规划的方法的实施方案的流程图。如先前所描述的，用来确定套管磨损的套管和钻柱变量和常量可加以确定201。例如，这些变量和常量可以包括基于钻柱位置(例如，倾斜、方位)计算的接触元件每单位宽度上的正常负载(例如，F_n)、套管和工具接头的曲率半径(例如，ρ_c,ρ_tj)、套管和钻柱的工具接头的弹性模量(例如，E_c,E_tj)以及套管和钻柱的工具接头的泊松比(例如，ν_c,ν_tj)。

在使用以上信息的情况下，等式11中示出的套管磨损估算模型因此可以用来确定203套管厚度对于钻凿而言何时是适当且安全的。等式11中示出的套管磨损估算模型是基于应力理论以便估算在钻凿操作期间可以从套管移除的磨损体积。

图3示出用于钻凿操作的实时分析以便确定套管磨损的方法的实施方案的流程图。来自钻柱中的传感器的数据被读取以便监测钻凿操作301。所述数据可以包括钻凿的距离/深度、钻柱的旋转速度、ROP和钻柱的长度。这个数据可以与在先前概述的预规划方法期间获得的变量和常量进行组合，以便动态地更新等式11中示出的套管磨损估算模型303。这在执行钻凿操作时可以提供套管磨损的恒定估算值，从而在钻凿操作期间提供安全因数。如果安全因数达到不希望的等级(即，安全因数指示套管可能变得比用于安全操作的厚度阈值更薄)，那么钻凿操作便可以停止305。

作为操作的一个示例，控制钻凿操作的处理器可以在安全因数达到预定等级时停止钻凿。在另一个操作实施方案中，当安全因数达到预定等级时，由控制器提供的指示可以用来通知钻凿操作员钻凿操作应手动停止。

图4示出用于钻凿操作的后规划的方法的实施方案的流程图。在钻凿操作之后，可以测量套管磨损401。来自钻凿操作的数据的日志可以被访问以便收集关于钻凿操作的统计数据403。这个数据可以包括钻凿的距离、钻柱的旋转速度以及其他数据。套管磨损估算模型可以使用实际测量的磨损和日志数据来更新以备将来使用405。

在各种实施方案中，一种非暂态机器可读存储装置可以包括存储在其上的指令，所述指令在由机器执行时致使所述机器执行操作，所述操作包括一个或多个特征，所述一个或多个特征类似于或等同于与执行套管磨损估算的方法和技术有关的特征。这些操作包括形成图2至图4所示的方法的操作中的任一个或全部。此类指令的物理结构可以由一个或多个处理器来操作。

本文中的机器可读存储装置是物理装置，其存储由所述装置内的物理结构表示的数据。非暂态机器可读存储装置的示例可以包括但不限于：只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储装置、光学存储装置、快闪存储器以及其他电子、磁性和/或光学存储器装置。

在各种实施方案中，一种系统可以包括控制器(例如，处理器)和存储器单元，所述控制器和存储器单元经过布置而使得处理器和存储器单元被配置成根据类似于或等同于本文所教示的方法的、用以执行套管磨损估算的技术来执行一个或多个操作。所述系统可以包括通信单元以便接收被设置在井眼中的一个或多个传感器所产生的数据。所述一个或多个传感器可以包括光纤传感器、压力传感器、钻柱旋转传感器或应变仪以便提供对与井眼相关联的钻凿和生产的监控。处理单元可以被构建来执行类似于或等同于本文所论述的技术的处理技术。此类处理单元可以布置为集成单元或分布式单元。处理单元可以设置在井眼的表面处以便从井下操作一个或多个测量工具中分析数据。处理单元可以作为探头的一部分(例如，在缆绳应用中)设置在井下或者作为钻柱的一部分设置在井下工具中(参见下文的图6至图7)。

图5描绘示例性系统500的实施方案的特征的方框图，所述示例性系统500可经过操作以便执行关于执行套管磨损估算的操作。系统500可以包括控制器525、存储器535、电子设备565和通信单元540。控制器525和存储器535可以被实现成管理如本文所述的处理方案。

存储器535可以实现为其上存储有指令的一个或多个非暂态机器可读存储装置。当由机器执行时，所述指令可以致使机器执行操作，所述操作包括如本文所教示的、套管磨损估算的执行。控制器525和存储器535也可以被布置来操作一个或多个评估工具505，以便在操作所述一个或多个评估工具505时获取测量数据。

处理单元520可以被构建来执行所述操作，从而以类似于或等同于本文所述的实施方案的方式来管理包括估算套管磨损的处理方案。系统500也可以包括一个或多个评估工具505，所述一个或多个评估工具505具有可经过操作以便相对于井眼来进行套管测量的一个或多个传感器510。一个或多个传感器510可以包括但不限于光纤传感器、压力传感器或应变仪，以便提供对与井眼相关联的钻凿和生产的监控。

电子设备565可以与控制器525结合使用以便执行与利用所述一个或多个评估工具505的所述一个或多个传感器510进行井下测量相关联的任务。通信单元540可以包括钻凿操作中的井下通信。此类井下通信可以包括遥测系统。

系统500也可以包括总线527。总线527可以在系统500的部件之间提供导电性。总线527可以包括地址总线、数据总线和控制总线，每个总线独立地加以配置。总线527也可以使用公共导电线来提供地址、数据或控制中的一个或多个，所述公共导电线的使用可以由控制器525调节。

总线527可以包括网络能力。总线527可以包括光学传输介质以便在系统500的各种部件之间提供光学信号。总线527可以经过配置从而使得系统500的部件是分布式的。此类分布可以布置在井下部件(如所述一个或多个评估工具505的一个或多个传感器510)与可设置于井的表面上的部件之间。或者，各种这些部件可以位于同一位置上，如位于钻柱的一个或多个钻铤上、位于缆绳结构上或其他测量布置上(例如，参见图6至图7)。

在各种实施方案中，外围装置545可以包括显示器、另外存储内存和/或可与控制器525和/或存储器535结合运作的其他控制装置。在一个实施方案中，控制器525可以实现为一个或多个处理器。外围装置545可以被布置成利用存储在存储器535中的指令而与显示单元555结合运作来实施用户界面，以便管理分布在系统500内的所述一个或多个评估工具505和/或部件的操作。此类用户界面可以与通信单元540和总线527结合操作，并且可以响应于完井钻柱或钻柱的分析来提供操作的控制和命令。系统500的各种部件可以进行集成以便执行与针对本文的各种实施方案所论述的处理方案相同或类似的处理。

图6示出缆绳系统664实施方案。图7示出钻机系统764实施方案。如图7中所示出的，在井712的钻凿操作期间，可能期望估算套管磨损。

图6的系统664可以包括作为缆绳测井操作的一部分的工具主体670的区部，所述工具主体670可以包括一个或多个传感器600。图7的系统可以包括作为井下钻凿操作的一部分的井下测量工具724，所述井下测量工具724也可以包括一个或多个传感器700。

图6展示装配有井架688的钻凿平台686，所述井架688支撑提升机690。油气井的钻凿通常使用连接在一起以便形成钻柱的一连串钻杆来进行，所述钻柱借助转台610而下降到井眼或钻孔612中。此处假定已从钻孔612临时移除钻柱以便允许缆绳测井工具主体670(如探针或探头)通过缆绳或测井电缆674下降到钻孔612中。通常，工具主体670下降到感兴趣区域的底部，并且随后以实质上恒定的速度向上牵拉。

在附近测距井的钻凿期间，测量数据可以递送给表面测井设施692以便用于存储、处理和/或分析。测井设施692可以设有电子装备654、696，包括用于各种类型信号处理的处理器，所述电子装备654、696可以由套管磨损估算模型使用。

图7展示系统764，所述系统764也可以包括位于井706的表面704处的钻机702。钻机702可为钻柱708提供支撑。钻柱708可以进行运作来穿透转台，以便将钻孔712钻凿穿过地下地层714。钻柱708可以包括方钻杆716、钻杆718以及也许位于钻杆718的下部的井底组件720。

井底组件720可以包括钻铤722、井下工具724和钻头726。钻头726可以进行运作以便通过穿透表面704和地下地层714来产生钻孔712。井下工具724可以包括许多不同类型的工具中的任何一种，包括随钻测量(MWD)工具、LWD工具和其他工具。

在钻凿操作期间，钻柱708(也许包括方钻杆716、钻杆718和井底组件720)可以通过转台来旋转。另外或者替代地，井底组件720也可以通过位于井下的马达(例如，泥浆马达)来旋转。钻铤722可以用来将重量添加到钻头726。钻铤722也可以进行运作以便使井底组件720变硬，从而允许井底组件720将所添加的重量转移到钻头726，继而协助钻头726穿透表面704和地下地层714。

在钻凿操作期间，泥浆泵732可以借助软管736而从泥浆坑734将钻凿流体(有时也被本领域技术人员称为“钻凿泥浆”)抽吸到钻杆718中且向下抽吸到钻头726。钻凿流体可以从钻头726流出，并且借助钻杆718与钻孔712的侧面之间的环形区域740而返回到表面704。钻凿流体随后可以返回到泥浆坑734，在所述泥浆坑734中过滤此类流体。在一些实施方案中，钻凿流体可以用来冷却钻头726，以及在钻凿操作期间为钻头726提供润滑。另外，钻凿流体可以用来移除通过操作钻头726所产生的地下地层714的粉屑。

在一些实施方案中，系统764可以包括显示器796以便呈现如由传感器700所测量的套管磨损信息和传感器响应。此信息可以在钻凿操作期间用于操控钻头726。系统764也可以包括也许作为表面测井设施792的一部分的计算逻辑(如处理器)或者包括计算机工作站754，以便从传输器和接收器以及其他仪器来接收信号。

应理解的是，各种实施方案的设备和系统可以在与以上所描述的那些应用不同的应用中使用。系统664、764的说明意在提供各种实施方案的结构的一般性了解，并且这些说明并不意在充当可能利用本文所描述结构的设备和系统的所有元件和特征的完整描述。

尽管本文已示出和描述了具体的实施方案，但本领域普通技术人员将了解，预期来实现相同目的的任何布置都可以代替所展示的具体实施方案。各种实施方案使用本文所描述的实施方案的排列和/或组合。应理解的是，以上描述意在为说明性的而非限制性的，并且本文所采用的措辞或术语是出于描述的目的。通过研习以上描述，本领域技术人员将清楚地知晓以上实施方案和其他实施方案的组合。

Claims (20)

1.一种方法，其包括：

确定套管和钻柱变量和常量的值；

基于所述变量和常量来产生套管磨损的估算值；

确定套管磨损的所述估算值何时达到阈值；以及

基于套管磨损的所述估算值达到所述阈值而停止钻凿操作。

2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述套管和钻柱变量和常量包括确定接触元件的每单位宽度上的负载、所述套管和所述钻柱的工具接头的曲率半径、所述套管和所述钻柱的所述工具接头的弹性模量以及所述套管和所述钻柱的所述工具接头的泊松比。

3.如权利要求2所述的方法，其还包括基于所述钻柱的倾斜度和方位角来计算所述接触元件的所述每单位宽度上的负载。

4.如权利要求2所述的方法，其还包括通过以下等式估算所述套管磨损：

其中，N＝旋转速度(每分钟转数)，D_tj＝工具接头直径(英寸)，t＝接触时间(分钟)，ρ_c，ρ_tj＝所述套管和所述工具接头各自的曲率半径，E_c，E_tj＝所述套管和所述工具接头各自的弹性模量，并且v_c，v_tj＝所述套管和所述工具接头各自的泊松比。

5.如权利要求4所述的方法，其还包括通过来确定所述接触时间t，其中，L＝钻凿距离(英尺)，L_tj＝所述工具接头的钻凿距离(英尺)，L_dp＝所述钻柱的钻凿距离(英尺)；并且ROP＝穿透到地质构造中的速率(英尺/分钟)。

6.如权利要求1所述的方法，其还包括在所述钻凿操作期间从井下传感器读取数据。

7.如权利要求6所述的方法，其中确定套管磨损的所述估算值何时达到所述阈值包括：

使用从所述井下传感器读取的所述数据而大体上实时地动态更新所述套管磨损的所述估算值；以及

将套管磨损的每个更新估算值与所述阈值进行比较。

8.一种非暂态机器可读存储装置，其上存储有指令，所述指令在由机器执行时致使所述机器执行操作，所述操作包括如权利要求1所述的方法。

9.一种方法，其包括：

确定套管和钻柱变量和常量，所述变量和常量包括以下各项中的至少一项：接触元件的每单位宽度上的负载、所述套管和钻柱的工具接头的曲率半径、所述套管和所述钻柱的所述工具接头的弹性模量以及所述套管和所述钻柱的所述工具接头的泊松比；

在进行第一钻凿操作之前产生套管磨损的第一估算值；

进行所述第一钻凿操作，并且基于所述变量和常量以及井下数据中的至少一个而动态地产生套管磨损的第二估算值；

确定套管磨损的所述第二估算值何时达到预定值；以及

基于套管磨损的所述第二估算值达到或超过所述预定值而中止所述第一钻凿操作。

10.如权利要求9所述的方法，其还包括从耦接到所述钻柱的传感器读取所述井下数据。

11.如权利要求9所述的方法，其还包括：

在进行所述第一钻凿操作之后测量实际套管磨损；以及

在进行第二钻凿操作之前，基于所测量的实际套管磨损来更新套管磨损的所述第一估算值。

12.如权利要求11所述的方法，其还包括基于从所述第一钻凿操作的日志读取钻凿数据来更新套管磨损的所述第一估算值。

13.如权利要求9所述的方法，其中产生所述第二估算值是基于体现赫兹接触力学的公式。

14.一种系统，其包括：

传感器；以及

控制器，其耦接到所述传感器并且被配置成在钻凿操作期间响应于应力理论来估算套管磨损，所述应力理论基于从所述传感器接收的数据以及在进行所述钻凿操作之前确定的以下各项中的至少一项来动态地产生套管磨损的所述估算值：接触元件的每单位宽度上的负载、所述套管和钻柱的工具接头的曲率半径、所述套管和所述钻柱的所述工具接头的弹性模量以及所述套管和所述钻柱的所述工具接头的泊松比。

15.如权利要求14所述的系统，其还包括通信单元以便接收被设置在井眼中的传感器所产生的数据。

16.如权利要求14所述的系统，其中所述传感器包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器包括光纤传感器、压力传感器和/或应变仪以便监测与所述井眼相关联的钻凿或生产条件。

17.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器还被配置成在套管磨损的所述动态产生的估算值达到预定值时停止所述钻凿操作。

18.如权利要求17所述的系统，其中，当所述套管比通过安全因数确定的厚度阈值更薄时便指示所述预定值。

19.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器还被配置来访问与所述钻凿操作相关联的统计数据的日志，以便收集关于所述钻凿操作的统计数据。

20.如权利要求19所述的系统，其中所述统计数据包括钻凿的距离和/或钻柱的旋转速度。