CN1292495A - 一种在连接过程中利用井下压力测量值确定当量静态泥浆密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种方法,可以提供接近实时的,在要求泥浆循环泵停止(停泵状态)的钻管连接过程中提取的环形空间压力(APWD)随钻测量值。诸如压力测量的APWD数据由底部钻井组件(BHA)内的仪器和有关的电子元件得到。APWD数据可以在停泵状态下在BHA中测量、存贮和甚至处理,以便进行后续处理或将数量有所减少的数据传送给地面的司钻。

Description

一种在连接过程中利用井下压力测量值

确定当量静态泥浆密度的方法

这是1999年3月4日提交且具有优先权的序列号60／123，075的临时专利申请的继续申请。

本发明提供了一种经过改进的在钻井过程中钻管连接时确定钻井泥浆当量静态密度的方法。

为了得到聚集在地壳内的地质构造中的碳氢化合物的自然沉积物和所需的其它天然产生的材料，一般要进行钻井。一细长的井自地面上的钻机钻入地下指向目标地质位置。在传统的“旋转钻井”操作中，钻机转动由一节节连接在一起的钢制管状钻管组成的钻杆，进而转动钻井底部组件(BHA)和连接到钻杆的下端的钻头。在钻井操作过程中，通常称作钻井泥浆的钻井液被泵送到钻管的内部并向下循环，通过BHA和钻头，然后自环状空间返回地面。利用位于紧靠钻头之上，将存贮于高压钻井泥浆内的液压能转化为机械动力来转动钻头的井下泥浆驱动马达，在本技术领域内也是众所周知。泵送钻井泥浆并从而推动泥浆驱动马达的泥浆循环泵通过立管和被称作凯氏方钻杆(kelly)的柔性软管状连接装置以可密封的形式连接到钻杆的地面端。

当钻井进行到再无额外的一节钻管可延伸时，泥浆循环泵停止运转，钻杆的端部安置在支撑钻杆、BHA和钻头重量的支撑卡瓦上。而后断开凯氏方钻杆(kelly)与钻杆的连接，将一节附加钻管接头螺纹连接并紧固到暴露在外的钻杆地面端，然后再将凯氏方钻杆(kelly)重新连接到新连接上的那节钻管接头的顶端。连接一旦完成，泥浆泵即重新致动，为钻井马达提供动力，钻井继续进行。

为了使多孔地质构造与井筒隔绝和防止井的塌陷，井一般用一节节连接在一起的管状钢管接头套住，形成一套杆。随着钻井的进行，套杆逐渐调整为小直径断面。井下条件和所钻构造的物理性能决定了何时必须调整套杆的断面，以隔绝暴露的井筒。在钻井操作中，钻杆穿过套杆并延伸到井筒内，使抵靠在井端之下的岩石和地质构造上的钻头转动。

多孔和渗透性地质构造中的流体压力通常通过由钻井泥浆柱所施加的井中静水压来平衡。高压钻井泥浆由泵泵送到钻杆的地面端，该泵使泥浆通过钻杆的内部向下循环，通过BHA和钻头，再通过环状空间向上返回地面。钻井泥浆设计为用来平衡构造压力、冷却和润滑钻杆和钻头，以及使在钻井过程中产生被称作钻屑的小块岩石悬浮并将其带回到地面。

司钻一般利用添加到钻井泥浆中以增加其密度的加重剂来控制井中的静水压。在钻管的连接过程中，由于凯氏方钻杆(kelly)已从钻杆上断开，所以没有压力通过泥浆循环泵施加到钻井泥浆上。随着钻井的进行，额外的一节节钻管必须在地面连接到钻杆上，以延长钻机朝向更深目标的工作范围。在每次钻管连接时，有一些瞬变值将对井下压力产生影响。这些瞬变值的性质一般是动态的，井下压力(以及表示井下压力轨迹的对应数据)包括这些瞬变值的连续累积，它在每次连接钻管的持续过程内一般都是变化或波动的，因此形成了所谓的井下压力轨迹。产生在钻管连接过程中可能对井下压力轨迹有作用或有影响的瞬变值的参数包括：(a)钻杆在井筒内的运动(旋转或往复运动)，(b)贯穿井筒的温度和温度梯度，(c)贯穿井筒的压力梯度和压力前沿的传播速度，(d)钻井泥浆的泥浆粘度、压缩能力和其它的静态和动态流体性能，以

及它们对温度变化的物理敏感性，(e)钻井泥浆加重剂和钻井钻屑的含量，以及两者在泥浆中弥散分布的

均匀性或不均匀性，(f)在地面和井下，流入和流出井筒的流体，(g)井筒和套杆的弹性和非弹性膨胀，(h)钻杆的弹性膨胀和延伸，和(i)由于井筒几何形状和泥浆流变学所造成的摩擦压力损失。

在钻井中通常所遇到的多种类型的地质构造在井内如果受到过高的井下压力均将断裂和破坏。许多种含有流体的地质构造是多孔或渗透性的，随着井下压力的波动，可使流体流入井筒或接受来自井筒的流体。成功的钻井操作要求钻井液的压力保持在由井筒稳定性压力极限所规定的泥浆比重窗口内。压力下限或为暴露构造的孔隙压力，或为避免井筒塌陷的极限值。上限是构造断裂压力。

如果在钻管连接过程中井下压力超过构造的断裂压力，那么暴露于井下压力的构造区域将物理断裂且该断裂将扩展，造成钻井泥浆自井筒流入断裂的构造。泥浆向断裂的构造中损失的速度将取决于断裂的程度和井筒与构造之间的压力差。所造成的钻井泥浆的静水柱高度的损失可很快导致构造处井下压力的不足，以及压差的快速损失或反转。当此情况出现时，构造流体(包括气体)可自断裂的构造或自与该井流体联通的其它构造进入井筒。这种现象通常称为“井涌”。一旦引人井筒内，例如，气涌将通过钻井泥浆向上朝地面流动。向上流动的气体由于其所受压力的逐渐降低将不断膨胀，常常迫使钻井泥浆自地面流出井外或流入与该井流体联通的构造。这是一种危险的井控状态，应当避免，但当其发生时，必须要早期发觉并快速做出反应。

如果在钻管连接过程中井下压力降到存留在多孔构造内的流体的孔隙压力之下，那么井控状态也会发展变化。这种状态一般称为“欠平衡”。当井欠平衡时，来自与该井流体联通的多孔地质构造的流体将流入井内，使钻井泥浆向上朝向地面运动。例如当气体在欠平衡条件下进入井筒时，它可朝向地面流动并膨胀，迫使钻井泥浆于地面流出井外或流入与该井流体联通的构造中。

“安全窗口”或在钻管连接过程中井下压力的允许范围可以由构造孔隙压力或井筒塌陷压力中较高者(最低压力)和构造断裂压力(最高压力)来决定。对于在以下条件下开发的井，由这些最低和最高压力决定的安全窗口较窄：

(a)在深水处，

(b)当构造孔隙压力高、地层温度高或遇到断裂压力低的构造时，

(c)工作范围延长的井，和

(d)井眼极细长的井，使循环泥浆所需的压力的摩擦损失增大。

为了提供精确的井下压力测量，人们已经开发了一些井下仪器。一些这样的仪器具有电缆连接，以便将数据传回地面。这些仪器通常是自钻杆内伸入井中的细长设备部件。自然，采用这样带电缆的设备，实时数据可以不受数量限制地传送给司钻并为其所用。但是，大多数带电缆的仪器均不能在生产的实际钻进阶段使用或在不严重影响钻井操作的情况下使用。在钻井操作过程中，电缆和仪器必须完全自井中抽出，包括钻管连接时，而这正是最需要井下数据之时。带电缆的仪器在钻杆从井筒中取出后可以插入井内，但这种形式不适用于钻管连接时，因为钻管连接只有当钻杆处于井内时才会进行。

一种用于将数据自BHA传递到地面的泥浆脉冲遥测通信系统已经开发出来，并在本行业内得到广泛认可。泥浆脉冲遥测系统没有将数据携带到地面的电缆或导线，而是代之以利用一系列通过流动的高压钻井液传送到地面的压力脉冲。这样一种系统在美国专利No．4，120，097中有说明。泥浆脉冲遥测系统的局限性是数据的传输容量，或者信息的传输速度，受到极大的限制。另外，井下汇聚和／或存贮于底部钻井组件(BHA)内的数据只有在泥浆循环泵开动和泥浆流量处于一定范围内时，即处于“开泵”操作过程才能传送到地面。例如，Schlumberger6．75英寸PowerPulse^Tm MWD工具的标准流量范围是275-800加仑／分。在钻管连接过程中，是“停泵”操作，井下数据不能利用泥浆脉冲遥测系统传送至地面。尽管许多发生在钻管连接过程中的井下压力能够在钻管连接过程中精确测量，并存贮在BHA内，但此数据只有在循环泵重新开动之后才能通过泥浆脉冲遥测传送至地面，而且即使这样，数据传输的速度也是非常慢的。结果，当司钻得到在钻管连接过程中测量并存贮于BHA的几个压力值时，在钻管连接过程中由于出现泥浆损失或气体涌入而引起的井孔状态已是远远在此之前的事了。司钻着手处理危险的井孔状态的能力，由于在获得钻管连接过程中井下压力测量值方面的过度延误而无可挽回地受到损害。知道钻管连接过程中的井下压力轨迹可以为司钻提供设计和管理钻井过程的宝贵的工具。司钻目前在钻管连接过程中没有这种宝贵信息，这个问题能够造成成本增加的井控状态和危及具有一定风险的钻井的成功。

为了列出根据地面测量值估算包括压力在内的井下状态的预测方程，人们已经进行了一些尝试。在其美国专利No．5，654，503中Rasmus公开了一种获得经过改进的钻井条件的测量值的方法。Rasmus试图通过列出一个在给定时间下使地面条件与有关的井下条件相关的预测方程来克服泥浆脉冲遥测系统的有限的信息传递速度的问题。Rasmus的预测方程是利用处于BHA内的井下仪器在给定时间周期内做大量的井下测量而列出的。Rasmus随后在井下CPU中对这些测量值进行平均，并将平均后的井下条件测量值送至地面，与有关的地面条件实际测量值进行比较。

Rasmus法可以用于根据地面压力估算井下压力。但是，Rasmus法的失败之处在于未对钻管运动(旋转和往复运动)、钻屑分布和进出井筒的流体流量的影响，或这些影响的综合效果进行补偿，这可能导致井下测量的偏差和瞬变值。通过对大量的井下压力的测量值取平均，Rasmus法不可逆地将这些瞬变值的影响混入平均后的而后传送到地面与精确的地面压力测量值进行对比的井下数据中。再者，Rasmus法采用了麻烦的序列技术，进行时间移位和使井下数据平均值和所选定的地面测量值重新对应。

换言之，Rasmus使在一段给定时间，如30秒内的平均值与在此或先于此30秒期间内某时刻所取的单一地面测量值相关。相当大的不精确因素在平均步骤引入并在时间序列步骤再次引入，这些造成用于重新构成大量取样的合成井下压力和诊断井孔状态的Rasmus预测方程所用系数的估算不准。

人们所需的是一种精确估计在钻管连接过程中所出现的井下压力的方法，使司钻能利用取自井下、经战略性选择、数量有限的压力数据，精确诊断钻管连接过程中所发生的井孔状态和井孔行为。所需要的是一种只选择和传递那些特定的井下测量值，为快速和精确诊断在诸如钻管连接的停泵过程中所发生的井孔状态提供有益信息的方法。因此这种方法使司钻能够采取合适的补救步骤，在严重问题发展之前对恶化的井孔状态做出反应。

本发明提供了一种确定有代表性的当量静态井下环形空间流体压力的方法。根据此方法，井下环形空间流体压力在钻管连接过程中由底部钻井组件(BHA)测量。BHA而后判别停泵状态的开始，它是基于LTB(小功率工具总线)来判别的。LTB在MWD工具和LWD工具之间提供了联通线，并且给某些LWD电子元件提供电压。更精确地，当以下条件同时满足时，APWD停泵分析开始：

(1)至少10秒没有LTB联通，和

(2)LTB电压非常低(例如LTB电压＜1V)

停泵分析一直持续到上述条件均为真时。BHA还通过探测由于钻管运动或泥浆循环泵重新开动所造成的突然变化来判别连接终点的状态。BHA，最好是通过配备有计算机的装置只是利用停泵状态的开始和连接终点的状态之间所取的井下环形空间流体压力测量值来估算当量静态井下环形空间流体压力。估算有效的静态井下环形空间流体压力的步骤可以包括使停泵状态和连接终点的状态之间的井下环形空间流体压力测量值满足一个方程，该方程最好是表示为有效的静态井下环形空间流体压力等于井下环形空间流体压力减去停泵瞬变值的总和。

通过将测量值除以在地面已知的实际垂直深度(TVD)，可以用井下环空压力测量值来确定泥浆当量密度。当量密度一般称作当量循环密度(ECD)，技术上讲，它是泥浆循环时的泥浆当量密度。当泥浆不循环时，当量密度称为静态当量密度(ESD)。ECD常被用作包括ECD和ESD在内的一般术语，且是表示环空内流体行为综合测量的重量参数。

由BHA确定的静态井下压力P静随后最好是在钻管连接之后紧随开泵操作重新开始，立即用泥浆脉冲遥测传输技术传送给地面的司钻。它随后转换为ESD，为司钻提供能够对发展变化的井下状态做出快速诊断和反应的宝贵信息。

或者，该方法还可以包括测量出现在井下压力轨迹上其它战略选择位置处额外的井下压力的步骤，记录每次额外测量值所做的时间和位置，并将这些额外测量值和所对应的位置传送到地面。传递到地面的额外井下数据可进行所测井下数据与地面压力数据的相关处理，以便估算停泵状态过程中出现的井下压力轨迹。所有这些方法的最佳应用是用于确定在钻管连接过程中发生的井下状态。

以上对本发明的特性和优点进行了简单归纳，通过下面参照附图中所示实施例所做的具体说明，将对其有更详细理解。但是，应该指出，附图仅表示本发明的典型实施例，因此不能认为限制了其领域，因为本发明可以有其它等效的实施例。

图1是钻管连接过程中典型的APWD曲线图；

图2是表示钻管往复运动或钻杆安置在卡瓦内之后钻杆谐振过程中出现的交变的抽吸和冲击压力；

图3是本发明用以给出井下压力轨迹模型的工作流程图；

图4包括四幅钻管连接过程中和采用连接终点自动探测时的APWD曲线图；

图5包括可能对整个井下压力轨迹有影响的瞬变值的五种普通的能量衰减曲线图。

本发明提供了一种有效地重建钻管连接过程中所做随钻环状空间压力(APWD)测量实时性的方法。APWD数据利用BHA内的仪器和有关电子元件获得，并利用只有在泥浆泵运转时才工作的泥浆脉冲遥测系统传送到地面。钻管连接要求停止泥浆循环泵。结果，在钻管连接过程中不能利用泥浆脉冲遥测将井下数据传送到地面。在钻管连接过程中，许多APWD数据可以测量并存贮于BHA内，而后在泵送操作重新开动后传送给地面的司钻。但是，泥浆脉冲遥测系统的信息传输速度非常慢。人们需要的是为司钻提供关键的井下数据，使他在钻管连接过程中能快速诊断不断发展变化的井孔状态。本发明克服了泥浆脉冲遥测系统的信息传递速度低的缺点，重新建立了接近实时质量的APWD数据，它是利用井下智能系统战略性地判别钻管连接过程中出现的特定标志性事件，随后利用所判别的事件和与那些事件有关的压力测量值，确定传送到地面的某些特定参数，可选择性地包括少量最有用的APWD测量值及其在井下压力轨迹上的位置。在开泵操作重新启动后，BHA用泥浆脉冲遥测将所选出或处理过的数据传到地面。

一般而言，模拟APWD数据借助BHA内的逻辑电路或中心处理器(CPU)转换为数字形式。当钻管连接后开泵操作重新启动时，所存贮的数据以一次一字节自BHA传送到地面，使压力读数的传送非常慢。尽管许多APWD测量值可以读取、记录和存贮在BHA内，但自BHA向地面的数据传输直至开泵操作重新启动以后才能开始。钻井泥浆的信息传输速度慢而井筒状态变化快，结果，目前可以以足够快的速度传送且适用于司钻进行钻井操作的接近实时诊断或控制的APWD测量值或其它数据非常少。

测量并存贮于BHA内的APWD数据也可在BHA内进行处理。利用这个优点，经过处理而使数量减少的APWD数据或经战略选择的一小组APWD数据可以快速传送给地面上的司钻，提供更有用的有关井孔状态的信息，这仅仅是一组司钻随后必须要分析的压力测量值。本质上，适当的井下分析非常有助于克服数据获得上的延误和伴随泥浆脉冲遥测系统的信息传输慢的缺点。本发明利用能在井下处理数据的优点，减少了为司钻提供关键井下信息的延误和提高了司钻能够对不可预料的井孔状态做出反应的速度。

当处在连接周期时，几项与井操作和井内物理变化有关的动态瞬变值对记录在BHA内的整个井下压力轨迹有影响。每项对整个井下压力轨迹有影响的瞬变值均具有与其能量损耗曲线有关的显著不同的“特征”。该特征反映了可归因于瞬变值背后物理变化的能量衰减的模式。当这些具有典型特点的能量衰减特征同时出现时，由这些瞬变值的总和构成的整个井下压力轨迹可能出现没有容易鉴别的类型的波动，除非它能从已知的有影响的能量衰减特征中分析出来。因此，整个井下压力轨迹不能用中位数、平均值、标准差或其它简单的数学近似手段进行可靠的估算。结果，任何未考虑这些动态瞬变值的连接过程中井下压力的估算和模拟都是不可靠的。

下面图5A-5E中所示给出了对整个井下压力轨迹有影响的基本瞬变值曲线图的范围。图5A给出了“最小井筒鼓胀”。图5B给出了比较显著的鼓胀。鼓胀指的是响应于井筒压力的变化的井筒几何形状的物理变形(井筒弹性和柔性)和钻液的吸取和回送(井筒存贮量)。在钻凿某些构造时，ECD高到足以引发微裂缝的网络和／或迫使钻液进入预先存在的这种微裂缝网络，以及造成井眼和套杆的圆周膨胀。当泵关闭时，ECD降低，井筒收缩，泥浆自构造返回井眼。这导致一压力瞬变值，可由一个单一的衰变指数来表示(图5A和5B)。图5C给出了钻管已深入井内情况下泥浆循环泵重新开动前的连接状态。在延长的钻杆上加入额外的钢量造成等量钻井泥浆的位移和井下压力的递增。图5D给出泥浆循环泵重新开动前钻杆往复运动时的连接状态。图5E给出了钻杆安置在卡瓦内后BHA谐振的影响。

曲线图形的大范围变化是使停泵分析具有挑战性的原因。简单地传送最低压力(P最低)和／或基于所记录的在钻管连接过程中取得的APWD数据所得的平均井下压力(P平均)可能会引入歧途和可能造成对钻管连接过程中出现的ESD的错误解释。与应用最低井下压力和／或基于接钻井杆过程中记录的APWD测量值所得的平均井下压力有关的误差将取决于多项参数，包括：

ⅰ．井的几何参数(深度、直径和斜度)；

ⅱ．钻杆几何参数；

ⅲ．泥浆性能；

ⅳ．钻杆在井内往复运动的速度；

ⅴ．钻杆安置在卡瓦内的速度；

ⅵ．存在鼓胀的程度；

ⅶ．钻管连接后钻杆下降的深度间隔(再次开泵前)；和

ⅷ．钻管连接的持续时间。

必须承认这些已知的有影响的瞬变值并对其进行处理，以便得到更可靠的整个井下压力轨迹，特别是ESD的估算值。一种能根据这些已知的钻管连接过程中的瞬时行为分析压力测量值的BHA可以提供少量更加有用的数据，在钻管连接后传送给司钻，从而使司钻能更快速和精确地诊断不断发展变化的井孔状态。

图1给出典型的钻管连接过程中出现的井下压力轨迹。根据本发明，典型的井下压力轨迹表现为几个“事件”，将整个井下压力轨迹分为一些令人感兴趣的区间。井下压力轨迹开始于钻管连接开始泥浆循环泵停止之时10，并终止于泥浆循环泵重新启动之时。

当钻杆在钻管连接开始时10安置在卡瓦内且泥浆循环泵关闭以便连接额外一节钻管之时，APWD表现出显著下降。井下压力轨迹表现出自循环压力(P_循环)的明显下降12和向静态压力(P_静)14的显著向下调整。从泥浆循环泵关闭之后和钻管连接的终点之前所取或出现的压力测量值推导出的当量密度(ECD和ESD)代表具有特定意义的区间，因为自井操作出现稳定后的这段时间代表了ESD的最佳估算值。在此区间的压力测量值对于估算ESD是最佳的，因为流体不循环且在此区间瞬变值在量度上开始减小。实际上，此流体接近静态条件，而即使流体实际上从未静止，那么要确定ESD，也可以分析在接近静态条件过程中所取的压力测量值。

当泥浆循环泵在连接周期的开始点10关闭时，在钻杆的内部由地面施加给泥浆的压力一般降低到大气压。事实上，除非与泥浆泵排出口流体联通的立管内的压力是安全的，否则一名谨慎的司钻不会使凯氏方钻杆(kelly)与钻杆脱离连接。无论如何，泥浆泵排放压力不会瞬时降至零，且井下压力即刻降低的量也不会是由于泥浆泵关闭而自钻杆的顶端撤去的泥浆泵压力的量。当泥浆泵关闭且施加到钻井泥浆和井内其它材料上的压力降至大气压时，压力前沿沿钻杆向下传播到井底。因为泥浆循环泵开动时施加了较高的循环压力，所以当井中的泥浆和其它材料达到可压缩的程度时，势能就存贮在这些可压缩的材料内。当泥浆循环泵关闭时，所贮存的能量返回到系统，造成能量衰变瞬变值，影响整个井下压力轨迹。这种能量返回对整个井下压力轨迹的影响可以用数学方法模拟。

钻管连接过程中所记录的最大井下压力一般出现在泥浆循环泵重新开动10之时。使此最大井下压力增大的一个参数是钻井泥浆的凝胶特性。泥浆设计有凝胶特性的目的是使经常要通过井筒的倾斜段或水平段而必须携带到地面的加重剂和钻屑悬浮。凝胶特性的一个副作用是当钻管连接过程中泥浆成为静态之后造成重新建立环空泥浆流的阻力显著增加。这种增加的静态泥浆流动阻力造成泥浆循环泵重新开动时井下压力轨迹的开始处的初始压力冲击11。此最大的压力冲击11造成的井下压力冲击有时高于预想。由于静态泥浆的凝胶阻力造成的井下压力冲击能使井下压力提高，超过构造的断裂压力，导致泥浆向构造的损失。

司钻经常试图通过逐渐“调整”泥浆循环泵或通过使泥浆泵缓慢返回到全速，而使凝胶泥浆逐步从静态到动态来减小泥浆泵再开动冲击11。司钻还可以试图通过在泥浆泵重新开动之前转动井中的钻杆在即将重新开动泥浆泵之前搅动静态泥浆凝胶来减小井下压力冲击。井下压力轨迹上的最大压力11的定位、记录和传送至地面对于开泵操作的重新建立是十分重要的。这可使司钻意识到钻管连接过程中最大井下压力的出现，并能够开发和标定较好的泥浆凝胶破碎模型，从而可以评价钻管转动或往复运动、或泵“调整”的效果。

这些与凝胶破碎有关的减小压力的尝试，以及凝胶破碎现象本身，造成具有典型特征的影响到整个井下压力轨迹的瞬变值。如上所述，钻管往复运动是司钻经常使用的技术，目的是检查在停泵状态下由于加重剂或钻屑下沉而造成的钻管被卡，或对在停泵状态下已成为静态的凝胶泥浆进行“预破碎”。但是，当钻杆的地面端静止时，钻杆的井下部分继续运动。当钻杆(即钻管、BHA和钻头的组合)往复运动或在地面安置在卡瓦内时，钻杆的惯性可能造成钻管的显著伸长。一旦设定为向下运动，钻管的下部、BHA和钻头继续处于运动状态，较细长的钻杆由于沉重的钻杆的下部的向下运动而伸长，直至它弹性抵抗进一步伸长为止。当向下的运动停止时，存贮在伸长了的钻管内的势能向上拉动钻杆，从而使其运动反向。由于弹性杆的端部的悬挂重量，BHA运动的特征是在井内的谐振，此长频率振动逐渐受到钻井中泥浆流体摩擦和钻管韧性的阻尼。这在深的竖井筒中特别明显。

BHA和钻头的逐渐衰减、周期性的上下位移生成一影响整个井下压力轨迹的交变的抽吸和冲击压力分量16。同样，正的“冲击”压力在钻管向井内运动时出现，而负的“抽吸”压力在钻管拔出井中时出现。抽吸-冲击压力瞬变值的“特写”示于图2。在图2中，与交变的“抽吸”压力有关的最小压力谷22保持在与井联通的构造中流体的孔隙压力之上，该压力是在图中标号24以泥浆密度为12．0磅／加仑示出的。向下的谐和运动或钻管插入井内造成的井下压力冲击可使井下压力增大，超过构造的断裂压力，造成泥浆向构造的损失。同样，由于向上的谐和运动或自井中提升钻管所造成的井下抽吸压力降到与井流体联通的构造的孔隙压力之下时可导致构造气体被引入井内。另外，钻杆的地面端的突然减速可造成井下抽吸压力显著，它足以将构造流体吸入井筒并造成井涌。尽管钻杆和井筒动力学超出了本文所要讨论的范围，但这种现象在1998年3月3-6日在德克萨斯州达拉斯召开的1998IADC／SPE钻井会议上发表的由R．L Rudolf和P．V．R．Suryanarayana所著SPE No．39395论文“高温深井井孔中下钻转换时抽吸效应的现场验证”中有进一步的论述和解释。谐振或钻管在井中的往复运动可用数学手段模拟，使其能够与APWD数据相关。给出谐振和钻管往复运动时整个井下压力轨迹的影响是困难的，因为存在着未知的变量，包括构造流体(特别是气体)的可压缩性，井中管状钻杆的弹性和在井操作中处于运动的钻管或流体的惯性。

将钻杆下入井内对整个井下压力轨迹的影响的一般曲线图形示于图5C。连接后钻管往复运动对整个井下压力轨迹的影响的一般曲线图示于图5D。BHA谐振对整个井下压力轨迹的影响的一般曲线图示于图5E。理解各有影响的压力瞬变值的实质和曲线图形是很重要的。尽管精确模拟出所涉及的各种影响因素对于整个井下压力轨迹的实际数值是不必要的，甚至可能是不能描述的，但确定轨迹的整个形状和轮廓是重要的。一旦我们了解了包括压力瞬变值的基本形状，我们将能对战略性选择的数据进行可靠的拟合，以及推断或确定所需的ESD 14。同使用可能降低结果可靠性的经验的拟合和不能校准的拟合相比，具有经证明、基于实际的拟合也是重要的。

与钻管连接过程中发生的某些特定的地面活动有关的已知的地下压力反映可以有效地用来绘制、描述或识别整个井下压力轨迹上感兴趣的区域。如上讨论的，与泥浆循环泵的重新开动相关的最大压力11和与钻杆安置在卡瓦时谐振开始有关的最小压力13在整个压力轨迹上的一般位置是已知的。当在钻管连接终点16之后钻杆的重量自机械卡瓦提起时，钻管自井中的初始拉动在井下压力轨迹上产生一显著的压力抽吸。

再者，司钻经常使钻杆在井中往复运动，以检查和防止钻杆在连接过程中被自静止钻井泥浆中沉降分离的钻屑和加重剂卡在井筒内。再说，紧随相对静止的井下压力周期之后即刻进行的钻杆的往复运动会在紧接一段相对静止的压力周期之后即刻产生序列或交变的抽吸和冲击压力尖峰。最后，司钻在连接已经完成和凯式方钻杆已重新连接之后重新开动泥浆泵20在井下压力轨迹上造成明显和可探知的增高，达到其最高记录水平11。由于井中的泥浆的静态性质和循环泵的惯性阻力，结果，在连接过程中得到的最大井下压力11一般出现在连接后泥浆循环泵重新开动20之时。

尽管得到可靠的钻管连接过程中出现的ESD的估算值是本发明的主要目的，但在本发明的范围内一个备选内容是将此所公开的过程使用到任何感兴趣的井孔参数。同样，尽管本发明是就克服泥浆脉冲遥测系统的信息传输受限的问题进行的说明，但通过采用有选择地探测、测量关键的井下数据并传送到地面和进行相关处理而得到改善的所有其它信息传递也在本发明范围内。

非强制地，战略选择的APWD数据可以包括对应于泥浆泵重新开动的最大和最小井下压力。再者，战略选择的APWD数据可以包括根据连接的终点16之前选定的时间间隔内出现的实际井下压力表示钻井泥浆的ESD的数据。战略选择的数据还可以包括表示连接的终点16之后但在泥浆循环泵重新开动20之前出现的静态压力的数据。

估算ESD或P_静过程的第一步是通过连接过程中记录的压力轨迹确定连接的终点16。随着钻杆的往复运动或泥浆循环泵的重新开动连接的终点一定会出现。连接开始点10标记为泥浆循环泵的关闭，它即处于钻杆安置在卡瓦内时刻之前或之后。我们可以假设与在钻管连接周期开始时将钻杆安置在卡瓦内有关的谐振或交变的抽吸和冲击压力造成了在钻管连接周期中出现的最低压力13。因此，ESD或P_静14在最低压力(钻杆安置在卡瓦时)之后和钻杆往复运动或泥浆循环泵重新开动之前出现。但是，因为钻杆往复运动可以在连接的终点16之后和泥浆循环泵20重新开动之前发生，所以不能认为由整个停泵时序分析估算出的P_静是一正确的估算值。

如前所述，我们可以根据伴随拉起钻杆脱离卡瓦而产生的压力突变探测到连接的终点16。直观地，只要钻杆保持由卡瓦支撑和泥浆循环泵保持不运转，所记录的APWD压力轨迹应该保持在由压力变化的最近记录所确定的范围内。如果我们将探测到停泵状态的时间称为t₀，那么停泵环形空间压力测量值将包括在间隔时间t_n=t₀+n×△t处所做的离散测量值P(t_n)，其中(△t)是取样时间间隔。与连接的终点16有关的时间，或t_{连接的终点}，是当所记录的APWD压力P(t_N+1)相对于前面时间t_N处的APWD压力P(t_N)表现出“足够大”的变化的时间t_N，该变化是否“足以”触发连接的终点的探测取决于被认为正常的压力变化的最近历史(由时间跨度(λ)决定)，并考虑到由压力计分辨率(ε)所造成了正常压力变化。另外，引入安全系数(η)，以防止人为影响和伪噪音峰。

以数学方法表达，t_{连接的终点}定义为下列一不等式不能满足之前的时刻： (1)其中：

(2)

安全系数(η)的意义是使压力导数的变化能够大于最近的压力历史所给出的值。当η=0时，压力导数必须处于压力的最近历史的跨度范围内。当η→∞时，导数中的突变趋于不显著。

这种自动探测连接的终点的技术，以λ=50秒，ε=1psi和η=0．5的实际APWD数据得到确认，停泵分析最终正确压力点的探测是非常精确的，如图5A-5D所示。

在估算P_静中，在停泵阶段将控制APWD轨迹的形状的重要瞬变值是当：

(a)BHA类似于一个吊挂在长弹性索(钻管)之下的质量和类似

于一阻尼振荡器时，

(b)井筒存贮效应(即井存贮加上构造“鼓胀”)将导致指数状

衰减时，

(c)有对应于侵入和钻屑以“固定速度”沉积的通过构造的连续

泄漏，它更象不断出现的线性衰减或非常平直的指数衰减，且

存在由于热交换机构造成的压力缓慢变化。

在任一时间t的井下环形空间压力，或P_环(t)，可以通过分解图5A-5E中所示的基本压力瞬变值的总和而进行数学模拟。通过使实际的APWD压力数据满足以下方程，可以得到精确的静态压力估算值。P_环(t)=β₁e^-t／θ1+β₂×e-^ｔ/θ2 sin(ωt+φ)-β₃(t-t_终)+P_静

其中θ₁和θ₂是时间常数，ω是频率，φ是相位，β₁、β₂是振幅，β₃是压力随时间变化的速度。

作为此分析的附加和备选方面，有一定的可以由实际的井下APWD数据表示的报警条件，这对于司钻是有意义的。这些包括非常慢的衰减时间常数(显示“鼓胀”)，快速衰减(构造地层流体的流入，或井涌)，和以及不寻常的压力增益(β₃＜0)(显示在细长井筒或浅水流中的气涌)。由于方程(2)中包括了超出P静的信息，所以可以定义警示条件，使司钻注意到这些可能探测到的各种井孔状态存在。例如，可以通过检查APWD数据是否满足以下条件来报警：

(a)θ₁≥30秒和β₁≥200psi(这要求两个使用者确定的阈值)，

(b)β₃≥0．1psi／秒(此试验要求一个使用者确定的阈值)，和／或

(c)β₃≤-0．1psi／秒(此试验要求一个使用者确定的阈值)。

在给定状态下所用的实际井涌阈值必须根据现场的历史、井孔状态和可得到的模拟数据设定。

图4给出了所建议的计算流程图。首先，我们分析数据，通过确定下式使用一线性方程式是否满足来确定井下环形空间压力轨迹是否能精确模拟。 $\underset{n=3}{\overset{N-2}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{\·}{p}\left(t_n\right)-\stackrel{-}{\stackrel{.}{p}}{)}^2-(N-4)\×\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{2\×(\mathrm{\Δt}{)}^2}\≤(N-4)\×\frac{A^2}{2\×(\mathrm{\Δt}{)}^2}------\left(3\right)$ 其中(A)是表示P静计算值允许误差程度的允许偏差设定点，而P是t₃≤t_n≤t_N-2的压力导数 $\left(\stackrel{.}{p}\left(t_n\right)\right)$ 的中位数。

如果采用的允许偏差设定点的该方程式是令人满意的，那么井下环形空间压力轨迹可以令人满意地用直线方程(P_环(t)=-β₃·(t-t_{连接 的终点})+P_静)表示，那么：

P_静=P-P×(t-t_{连接的终点})    (4)

其中p是t₃≤t_n≤t_N-2的压力导数(P(t_n))的中位数，而t是t₃≤t_n≤t_N-2间隔时间(t_n)的中位数。

但是，如果采用允许偏差设定点的方程不能令人满意或井下环形空间压力轨迹用直线方程不能精确模拟，即当 $\underset{n=3}{\overset{N-2}{\mathrm{\Σ}}}(\stackrel{.}{p}\left(t_n\right)-\stackrel{-}{\stackrel{.}{p}}{)}^2-(N-4)\×\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{2\×(\mathrm{\Δt}{)}^2}\≥(N-4)\×\frac{A^2}{2\×(\mathrm{\Δt}{)}^2}$

时，那么我们分析数据以确定井下环形空间压力轨迹是否可以用直线加指数方程精确模拟，例如确定是否：

(5)

因此，当井下环形空间压力轨迹可以用直线加指数方程精确模拟时：

，那么

但是，如果使用允许偏差设定点的改良方程不能令人满意或井下环形空间压力轨迹不能用直线加指数方程精确模拟，即当：

时，那么求助于全面解决方案，直线加指数加阻尼谐振方程(Eq-2)。为了确定P_静，首先对t_{连接的终点}前的最后120秒采用最小二乘拟合(LSQF)技术(即时间间隔t∈[t_{连接的终点}-120秒，t_{连接的终点}])和随后在t_{连接的终点}前的最后150秒重复进行，而后在最后180秒，等等，以每次30秒的增量阶梯增加时间间隔。每次我们进行LSQF，我们计算每点的残余拟合误差，且我们将其与预定值(应与压力计的分辨率，或是确定P_静时的允许误差成正比，无论哪个较大)对比。当残余误差超过预定值时，LSQF过程停止。如果初始(首次)LSQF误差已经超过预定值，那么P_静相对于标记连接的终点的最终压力读数，即P(t_{连接的 终点})，非法。但是，当进行LSQF时，存在锁定在局部“最小”的实际危险，所以在开始进行LSQF过程之前最好首先尽可能精确地“猜测”一些拟合参数。这为最小二乘拟合提供了初始(或“启动”)值。由于P_静是除θ、β₁、β₂、β₃、ω之外的一个拟合参数，那么它将作为LSQF过程的一部分直接解决。

应该指出，首次“猜测”只是偶然使用。一般“猜测”将包括那些自以前的连接过程中拟合得出的前期压力轨迹还原出的参数。

在LSQF过程中，各种参数可如下以可能的实施过程给出边界：β₁∈[Opsi，2000psi]θ₁∈[Osec，360sec]ω∈[π／25rad．sec^-1，π／2rad．sec^-1]β₂∈[-1000psi，1000psi]  (53)φ∈[-πrad，+πrad]θ₂∈[Osec，60sec]β₃∈[-1psi．sec^-1，+1psi．sec^-1]P_静∈[p(t_N)-400psi，p(t_N)+400psi]

估算P_静之后，通过除以TVD可以计算出ESD。但是，此计算一般在地面进行，在地面司钻或独立的计算机能更好地深入信息内部。而后司钻一般要将ESD估算值与在地面测量的泥浆实际重量，以及估算的井筒稳定性／孔隙压力／断裂梯度相比较，且可以根据需要做出改变，以减轻或加重泥浆，以着手处理任何报警状态或为随后的钻管连接调节泥浆密度。

本发明可利用计算机可读程序编码装置来实施。尽管在本技术领域使用模拟和数字仪器、传感器和其它数据采集或处理设备是众所周知的，但是计算机可以获取和记录连接过程中出现的井下环形空间流体压力，判别停泵状态的开始和后来出现的连接状态的终点，以及估算自停泵状态时刻至连接的终点状态时刻的井下环形空间压力。计算机通过访问开泵操作重新开始后存贮在BHA内的井下环形空间压力实际测量值，对为模拟后续连接过程中井下压力轨迹而开发的方程进行校准，以及使实际数据与通过使用本发明得到的模拟数据协调一致。

在以上对本发明的优选实施例进行了说明的同时，在不背离本发明基本范围的情况下可能产生本发明其它和进一步的实施例，因此其范围由下述权利要求决定。

定义LSQF   最小二乘拟合CPU    中央处理器BHA    底部钻孔组件LWD    随钻测井工具MWD    随钻测量工具。自各种LWD工具收集井下数据并用

   泥浆脉冲遥测技术将其传送到地面。APWD   随钻环形空间压力传感器LTB    小功率工具总线(它在MWD和LWD工具之间提供了

   一条联通线，且还为某些LWD电子元件提供电压)。PP     孔隙压力。CG     塌陷梯度FG     断裂梯度MD     测量深度TVD    真实垂直深度P_循环         循环时井下压力ECD           当量循环密度P_静           静态井下压力ESD           当量静态密度i．n          指数(0、1、2、3、等)t             时间t₀          停泵状态开始时的时间T_{连接的终点}     探测到连接的终点的时间，也称作(t_N)。△t           井下压力取样率(一般为2秒)t₁          进行井下压力测量的间隔时间。即t_i=t₀+i×△tt_N          同t_{连接的终点}t             t₃≤t_n≤t_N-2时，间隔时间(t_N)的中位数。λ                         描述井下压力变化的近期历史的时间跨度。P_环(t)        时间(t)处的APWD压力P_最小         停泵阶段的最低APWD压力P_最大         停泵阶段的最高APWD压力P_平均         停泵阶段的平均APWD压力P             t₃≤t_n≤t_N-2时压力P_环(t_n)的中位数P(t_n)         井下压力的一次导数的估算值P             t₃≤t_n≤t_N-2压力导数(P(t_n))的中位数P(t_n)         井下压力的二次导数的估算值P_最大(t_n)     t_n-λ≤t_i≤t_n}时井下压力的最大二次导数的估算值P_最小(t_n)     t_n-λ≤t_i≤t_n}时井下压力的最小二次导数的估算值ε                         仪器分辨率A              偏差设定点η                          安全系数θ₁           鼓胀衰减的时间常数θ₂           阻尼振动衰减的时间常数ω                           BHA振动的频率φ                           相位β₁、β₂    各种停泵瞬变值的压力振幅β₃           压力随时间变化的速度

Claims (27)

1．一种确定有代表性的有效静态井下环形空间流体压力的方法，其包括：

(a)在连接过程中测量井下环形空间流体压力；

(b)从所测量的压力判别停泵状态的开始；

(c)从所测量的压力判别连接终点的状态；和

(d)仅用停泵状态开始和连接状态的终点之间的井下环形空间压力测量值估算有效的静态井下环形空间流体压力。

2．如权利要求1所述的方法，其中，步骤(a)至(d)由底部钻孔组件完成。

3．如权利要求2所述的方法，其中，步骤(a)至(d)由APWD组件完成。

4．如权利要求1所述的方法，其中，停泵状态的开始和连接终点的状态通过探测井下环形空间流体压力的突然变化来判别。

5．如权利要求1所述的方法，其中，估算有效的静态井下环形空间流体压力的步骤包括：

使停泵状态和连接状态的终点之间的井下环形空间流体压力测量值满足一个方程。

6．如权利要求5所述的方法，其中，该方程表示有效静态井下环形空间流体压力等于井下环形空间流体压力减去停泵瞬变值的总和。

7．如权利要求5所述的方法，其还包括：

(e)确定方程相对于时间的一次导数基本为零时的井下环形空间流体压力。

8．如权利要求7所述的方法，其中，停泵瞬变值选自阻尼振动、指数衰减、线性衰减或其组合。

9．如权利要求6所述的方法，其中，拟合步骤包括最小二乘分析。

10．如权利要求7所述的方法，其中，在估算有效的静态井下环形空间流体压力的步骤中包括：

判别环形空间流体压力测量值相对于时间的一次导数基本为零时的井下环形空间流体压力。

11．如权利要求2所述的方法，其还包括在连接完成后开泵状态过程中将有效的静态井下环形空间流体压力传递到地面的步骤。

12．如权利要求11所述的方法，其中，传送步骤在下一个开泵状态开始后立即进行。

13．如权利要求12所述的方法，其中，传送步骤包括使用泥浆脉冲遥测技术。

14．如权利要求1所述的方法，其还包括用有效的井下环形空间流体压力除以压力测量点以上静液压头高度来计算有效静态密度的步骤。

15．如权利要求1所述的方法，其还包括相对于报警条件对停泵状态和连接的终点之间的井下环形空间流体压力测量值进行分析。

16．如权利要求15所述的方法，其中，报警条件选自鼓胀、气涌、水涌、或其组合。

17．如权利要求6所述的方法，其中，该方程选自线性、指数、阻尼振荡或其组合。

18．如权利要求6所述的方法，其中，使测量值满足方程的步骤包括：

用线性方程对测量数据进行校验和拟合；和

确定用线性方程表示有效静态井下环形空间流体压力所得到的精确度。

19．如权利要求18所述的方法，其还包括步骤：

(e)用线性加指数方程校验和拟合测量值；和

(f)确定线性加指数方程表示有效静态井下环形空间流体压力所得到的精确度。

20．如权利要求19所述的方法，其还包括步骤：

(g)用线性加指数加阻尼振荡方程拟合测量值。

21．如权利要求1所述的方法，其中，估算有效的静态井下环形空间流体压力的步骤包括：

确定停泵状态开始和连接状态的终点之间井下环形空间流体压力测量值的参数，其中该参数选自均值、最小值、最频值或中位数。

22．如权利要求1所述的方法，其中，估算有效的静态井下环形空间流体压力的步骤包括：

确定连接的终点状态前出现的井下环形空间流体压力测量值的均值、最小值、最频值或中位数。

23．如权利要求18所述的方法，其中，用于确定利用线性方程表示有效的静态井下环形空间流体压力所达到精度的方程为： $\underset{n=3}{\overset{N-2}{\mathrm{\Σ}}}{(\stackrel{.}{p}\left(t_n\right)-\stackrel{\‾}{\stackrel{.}{p}})}^2-(N-4)\×\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{2\×(\mathrm{\Δt}{)}^2}\≤(N-4)\×\frac{A^2}{2\×(\mathrm{\Δt}{)}^2}$

且该线性方程为：

P_环(t)=β₃(t-t_{连接的终点})+P_静

24．如权利要求18所述的方法，其中，用于确定利用线性加指数方程表示有效的静态井下环形空间流体压力所达到精度的方程为：

且该线性加指数方程为

25．如权利要求20所述的方法，其中该线性加指数加阻尼振动方程为：P_环(t)=β₁e^-t／1+β₂×e^-t／2sin（ωt+φ)-β₃(t-t_{连接的终点})+P_静

26．一种可由机器读取并编译指令程序以实施权利要求1所述方法步骤的程序存贮装置。

27．一制品，包括：

(a)计算机可读程序编码装置，用于使计算机在连接过程中进行井下环形空间流体压力的测量；

(b)计算机可读程序编码装置，用于使计算机从所测压力判别停泵状态的开始；

(c)计算机可读程序编码装置，用于使计算机从所测压力判别连接终点的状态；和

(d)计算机可读程序编码装置，用于使计算机仅利用停泵状态的开始和连接状态的终点之间的井下环形空间流体压力测量值估算有效的静态井下环形空间流体压力。

Images