ITMI992066A1 - Metodo per ottimizzare la selezione del progetto di perforazione e dei pametri di perforazione usando misure di resistenza della roccia fatt - Google Patents
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Description
Descrizione domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:
Metodo per ottimizzare la selezione del fioretto di perforazione e dei parametri di perforazione usando misure di resistenza della roccia fatte con "cutting" di perforazione
Ambiente dell'invenzione
L’invenzione si riferisce in genere al settore della perforazione di pozzi. Più specificatamente, l'invenzione si riferisce a metodi per selezionare il tipo di fioretto di perforazione usato, ed i parametri di perforazione usati per perforare un pozzo così da ottimizzare la prestazione complessiva di perforazione.
Metodi, noti nel settore, per selezionare il tipo di fioretto di perforazione sono tipicamente basati sull'analisi di dati relativi alla prestazione di perforazione ottenuta su pozzi perforati in precedenza ("offset") nelle vicinanze del pozzo in perforazione, e sono basati sul monitoraggio e analisi di fioretti di perforazione spuntati (consumati). Altri metodi, noti nel settore, per la selezione del fioretto includono metodi per simulare ("modelling") la "perforabilità” di strato ed altri parametri di prestazione di perforazione. La perforabilità di strati di terra è influenzata da proprietà meccaniche degli strati, in particolare dalla resistenza a compressione. La conoscenza di proprietà meccaniche è utile per ottimizzare la perforazione degli strati. Un metodo ben noto per determinare la resistenza a compressione è basato sull'interpretazione del log acustico (sonico) del pozzo combinato con l’analisi litologica di dati del terreno. Benché sia sufficientemente affidabile calcolare la resistenza delle rocce, il metodo dell’arte nota ha due limiti: primo, che la resistenza è derivata in questo metodo dalla teoria elastica, che lega la risposta acustica della roccia alla durezza della roccia, quindi la misura non è una diretta determinazione della resistenza; secondo, che il log acustico viene registrato dopo che lo strato è completamente perforato, e quindi non è utile per una analisi predittiva del particolare pozzo in perforazione.
Sommario dell’invenzione
L’invenzione è un metodo per selezionare parametri di perforazione per perforare un pozzo attraverso strati di terra. Il metodo include il determinare una resistenza a compressione di campioni di strati di terra che devono essere perforati a partire da misure di carico-spostamento fatte sui campioni. Le misure di carico-spostamento sono fatte con un penetratore (indenter). I parametri di perforazione sono selezionati a partire dai valori della resistenza a compressione così determinati.
In un esempio di realizzazione dell'invenzione, la resistenza a compressione viene determinata mediante ''cutting" di perforazione fatto durante la perforazione di un pozzo. La resistenza a compressione così determinata durante la perforazione viene usata per selezionare i parametri di perforazione durante la perforazione per migliorare la prestazione di perforazione.
I parametri di perforazione che possono essere selezionati con il metodo includono, ma non sono limitati a: il tipo di dente del molino (mill tooth) e/o di inserto del fioretto (inserì bit) quando vengono usati fioretti di perforazione a rulli conici; se e quale tipo di protezione diametro foro (gauge protection) deve essere usato sul fioretto di perforazione (drill bit); tipo, dimensione e orientamento degli ugelli di getto (jet nozzle) da includere sul fioretto di perforazione; e, quando vengono usati fioretti a fresa fissa, si possono selezionare la struttura della lama, il tipo e la densità della fresa (cutter) nonché la resistenza all'impatto della fresa.
Altri parametri di perforazione che possono essere selezionati usando il metodo dell'invenzione includono il peso sul fioretto, la velocità di rotazione del fioretto di perforazione, ed la portata di fluido di perforazione.
Breve descrizione delle figure
Figura 1 mostra un apparato penetratore usato per misurare la resistenza a compressione di campioni di roccia.
Figura 2 illustra il principio di misura della resistenza a compressione a partire da misure del penetratore.
Figura 3 mostra una corrispondenza determinata empiricamente tra la resistenza a compressione uniassiale e le misure del penetratore.
Figura 4 mostra un esempio di grafico "Rock Bit Selector" che usa come ingresso i valori di resistenza a compressione determinati a partire dal metodo dell'invenzione.
Descrizione dettagliata
L'invenzione usa una tecnica per determinare direttamente la resistenza a compressione di un campione di strato di terra conosciuta come "indentation technique" (tecnica di penetrazione). La "indentation technique" può essere descritta come una prova rapida ed a basso costo per determinare proprietà meccaniche della roccia a partire da piccoli frammenti di roccia. Essendo un prova "indice", essa permette la produzione di un valore indice, direttamente legato alle proprietà della roccia, per mezzo di una semplice analisi statistica a di semplici regole pratiche. La ricerca diretta a stabilire la teoria e la risposta della prova di penetrazione è descritta nei riferimenti numerati da 1 a 6 nell'Appendice.
La prova di penetrazione può essere descritta come la misura della penetrazione di un penetratore, indicato in modo generale con 10 in Figura 1, il penetratore avendo uno stilo con caratteristiche geometriche, forma e dimensioni ben definite, soggetto a condizioni di carico precise, all'interno di un piccolo frammento 16 di roccia prodotto dall'azione di taglio di un fioretto di perforazione (vedi riferimenti 7 e 8 in Appendice), detti frammenti essendo noti come "cutting". Il principio può essere riassunto come segue:
- si applica un carico sostanzialmente costante alla superficie di taglio ("cutting"), che è formato tramite appropriata spianatura, allo scopo di assicurare un carico applicato in ima direzione normale, essendo ciò necessario per interpretare correttamente i risultati della prova;
- il penetratore 10 è forzato ad un valore di carico costante fino alla massima penetrazione definita; e
- si registra quindi una curva di carico-spostamento, per esempio su un computer, e si analizza per recuperare il valore indice ed è messa in correlazione con il comportamento meccanico della roccia.
Il principio di misurazione usando il penetratore 10 è illustrato in Figura 2, in cui il campione di roccia è indicato con 16, il stilo di penetrazione con 18, e la corrispondenza tra il carico applicato e lo spostamento dello stilo di penetrazione 18 è indicato nel grafico con 22.
Le variabili che influenzano la risposta della prova di penetrazione sono importanti da riconoscere allo scopo di interpretare in modo appropriato i risultati della prova. Sono stati definiti un modo corretto di preparare campioni di “cutting” e una procedura di prova standard per assicurare risultati coerenti. Un aspetto della prova di penetrazione, quando è realizzata su “cutting” di penetrazione, è la preparazione del campione. In questo esempio di realizzazione dell’ invenzione, i "cutting" sono affogati in resina epossidica (come indicato con 20 in Figura 2) allo scopo di creare un campione a forma di disco. Si dovrebbe capire che si possono sviluppare altri mezzi per assicurare che il penetratore applichi una forza normale ai "cutting", e che con il metodo descritto qui di preparazione del campione non si intende limitare l’invenzione.
Dopo che la resina è vulcanizzata, un lato del campione è sbavato e tagliato parallelamente al lato opposto per esporre un numero sufficiente di "cutting" per consentire tale forza. Si dovrebbe notare che quando di tratta un roccia molto porosa, è possibile che la resina invada i pori, cosa che influenza la misurazione. Per mitigare l’ infiltrazione, si può usare una resina viscosa avente un tempo di vulcanizzazione breve. Nella prova dell’invenzione è stato usato uno stilo di penetrazione cilindrico piatto da 1 millimetro, ma la misura e la forma dello stilo di penetrazione non sono limitazioni all’ invenzione.
Tipicamente sono realizzate da sei a otto penetrazioni su ogni campione tramite l’applicazione di un ritmo di penetrazione costante pari a circa 0.01 millimetri per secondo, fino a una profondità massima di penetrazione di circa 0.3 mm. Le corrispondenti curve carico-spostamento sono quindi misurate sia durante la fase di “caricamento”, sia durante la fase di “scaricamento” della misurazione. Le misurazioni sono tipicamente immagazzinate in un computer (14 in Figura 1) per essere successivamente elaborate e interpretate. Un "indice di penetrazione" è definito qui come la pendenza di una parte sostanzialmente lineare della curva caricospostamento (come mostrato nel grafico 22 in Figura 2).
Il processo di prova di penetrazione descritto sopra è stato valutato per mettere in correlazione l’indice di penetrazione con un parametro meccanico (si vedano i riferimenti 9 e 10 nell’Appendice). I risultati della valutazione hanno mostrato che generalmente si dovrebbero realizzare da sei a otto prove di “cutting” su ogni campione in modo che i risultati della prova siano rappresentativi della resistenza dello strato, ma si può realizzare un numero maggiore di prove. Il numero di queste prove su ogni singolo campione non dovrebbe essere interpretato come una limitazione alFinvenzione. Si è stabilito che esiste una correlazione diretta tra l’ indice di penetrazione e la resistenza a compressione uniassiale (“UCS”) come mostrato nel grafico in Figura 3.
I campioni possono essere analizzati dopo che si è perforato un pozzo, ma in un aspetto dell’ invenzione i “cutting” possono essere raccolti e analizzati durante la perforazione di un pozzo. Durante la perforazione di un pozzo, i “cutting” possono essere raccolti direttamente nell'agitatore di arginile sull'apparecchiatura di perforazione, a intervalli adatti di profondità di perforazione, in modo che ogni dieci metri, o quando si rileva una variazione litologica nei “cutting” o da altre tecniche di rilevazione. I “cutting” raccolti possono quindi essere puliti per rimuovere da essi il fluido di perforazione (“fango”) e classificati in base alla dimensione (“setacciati”) fino a una dimensione che vada da 2 min a 5 mm per evitare la contaminazione da “franamenti” (frammenti di roccia che sono caduti dalla parete superiore del pozzo), sebbene il campo di dimensioni da setacciatura specificato qui non sia inteso per limitare l’invenzione. Si può raccogliere un numero sufficiente di “cutting”, affogati in resina epossidica, come indicato genericamente con 20 in Figura 2, e preparati come mostrato precedentemente per ottenere un campione a forma di disco per ogni intervallo di penetrazione. Si possono effettuare prove su ogni campione, e ottenere una raccolta di curve carico-spostamento per ogni campione. Sono stati considerati tre possibili valori delle proprietà meccaniche:
- il valore di indice di penetrazione per ogni “cutting” testato;
- un valore medio per gli indici di penetrazione per ogni campione, computato come una media aritmetica dalla pendenza misurata per ogni curva carico-spostamento; e
- la media di tutte le curve carico-spostamento dalla quale è calcolata una pendenza corrispondente.
- la pendenza così ottenuta è quindi usata, congiuntamente con un rapporto come mostrato in Figura 3, per determinare una resistenza unidirezionale a compressione della formazione i cui “cutting” sono in ogni campione. Ogni intervallo di profondità per il quale è stato realizzato un campione può quindi essere caratterizzato secondo proprietà meccaniche, inclusa la resistenza a compressione dei “cutting” di roccia nel campione associato. Dopo che la resistenza dei “cutting” in ognuno dei campioni è determinata dalla prova di penetrazione come si è appena descritto, si realizza quindi un’analisi di ottimizzazione del fioretto di perforazione per determinare la più probabile struttura ottimale del fioretto di perforazione e altre caratteristiche di progettazione del fioretto, così come altri parametri di perforazione come requisiti idraulici, protezione diametro foro, la forza (peso) assiale applicata al fioretto, e la velocità di rotazione del fioretto. L’ottimizzazione può essere realizzata per fioretti di perforazione sia a rulli conici, sia a fresa fissa. Molti sistemi diversi di ottimizzazione del fioretto di perforazione sono noti nell’arte. Per esempio, uno di questi sistemi è venduto sotto il nome commerciale DBOS dalla Smith International, Ine., Houston, Texas. Altri sistemi di ottimizzazione del fioretto di perforazione noti nell’arte includono: il servizio RSATM venduto da Reed Hycalog, Houston, Texas; il servizio GEOMECHANICS TM venduto da Dresser Industries, Ine. (ora di proprietà della società Halliburton); e il servizio ROCKY TM, venduto Baker Hughes Incorporated; Houston, Texas. Si capisce così chiaramente che il programma di ottimizzazione del particolare tipo di fioretto di perforazione non intende limitare l’invenzione. I programmi di ottimizzazione precedenti sono illustrati qui solo come esempi di programmi utili con il metodo di questa invenzione.
Un importante parametro di introduzione al programma o analisi di ottimizzazione del fioretto di perforazione è la resistenza a compressione delle formazioni (strati di terra) attraverso le quali il pozzo è trivellato. Nell’arte anteriore, come si è spiegato precedentemente, log acustici del pozzo, combinati con altri log del pozzo, sono stati usati per predire la perforabilità della formazione (strato di terra) ( si vedano i riferimenti 12, 13, 14 e 15 nell’Appendice) tramite la valutazione della resistenza a compressione. L’uso della prova di penetrazione, come fornito in questa invenzione, per predire la perforabilità può avere molti vantaggi quando è usata in un programma o analisi di ottimizzazione del fioretto per perforazione:
- la prova di penetrazione non mette in correlazione una proprietà dinamica con una meccanica, ma fornisce una misura diretta delle proprietà connesse alle caratteristiche meccaniche della roccia;
- la prova di penetrazione permette un continuo monitoraggio della resistenza della formazione (strato di terra) lungo la sezione di pozzo trivellata in quel momento;
- la prova di penetrazione è una misurazione “durante la perforazione” realizzata direttamente al lato dell’apparecchiatura di perforazione e dà la possibilità di adattare la resistenza prevista con i valori misurati durante la perforazione.
Sarà presentata una breve descrizione dei parametri calcolati, per esempio, dal servizio di ottimizzazione della perforazione DBOSTM venduto dalla Smith International, Ine. Analizzando quindi le principali caratteristiche, e particolarmente quegli aspetti connessi alla resistenza della formazione. Si dovrebbe capire chiaramente che il metodo di questa invenzione può essere usato con qualsiasi tipo di programma o analisi di ottimizzazione della perforazione che usi la resistenza a compressione come parametro di introduzione.
Il primo passo del tipico programma di ottimizzazione della perforazione è Tanalisi della formazione, attraverso la ricostruzione delle litologie in una data sezione stratigrafica. L’analisi della formazione si basa su:
- informazioni sul log del pozzo di offset, come dai raggi gamma, velocità austica, densità di massa e porosità di neutrone;
- analisi del “log del fango” per fornire descrizioni sulla formazione di minerali accessori non determinati dalla reazione del log del pozzo, e per verificare la litologia determinata del log del pozzo;
- i dati sulla velocità di penetrazione (“ROP”), i dati sul peso della punta (“WOB”) e la velocità di rotazione della punta per perforazione (“RPM”) per una migliore analisi post-perforazione della prestazione della punta per perforazione.
2. Formazione media . caratteristica ‘D’ (Punta di diamante Semi Rotonda -SRT - nella posizione di fila di gauge), ‘DOD’ (SRT di diamante sia nella posizione di fila del gauge, sia in quella del piede).
3. Formazione dura - caratteristica OD’ (SRT di diamante ancora nella posizione di fila del piede - per punte per formazione dura).
- Idraulica/Ugelli. La colonna dell’idraulica indica le richieste dell’ugello di scarico per mantenere un’appropriata pulizia della punta, supponendo velocità di flusso del fango e cavalli idraulici adeguati. Basati su una porosità di litologia normalizzata (LN) e/o velocità acustica e analisi del contenuto di argillite, gli indicatori sono presentati per i seguenti tipi di scarico:
1. Standard (nessun aumento)
2. Flusso incrociato (modelli di flusso asimmetrici)
3. Scarico centrale
4. Ugelli estesi
Un Rilevatore di Punta del Cutter Fisso (“FCBS”), simile al Rilevatore di Punta di Roccia descritto precedentemente, usa la caratterizzazione della formazione, la resistenza della roccia e la condizione della punta smussata di offset per stabilire gli aspetti della progettazione della punta di diamante naturale/PDC appropriata per la domanda. Ancora si genera una forma a diagramma del log del pozzo, che mostra:
- 1 Dati della Fonte dal pozzo di offset come descritto prima.
- La Progettazione della Lama/Corpo per valutare gli aspetti “architettonici” della testa della punta
- La Densità: la densità del cutter e/o della lama conta come una funziona quantitativa della resistenza della roccia. La densità va da leggera (3-4 lame) a pesante (12 o più lame).
- Il profilo della Punta, valuta sia punte PDC sia in Diamante Naturale. Un istogramma statistico, per un certo intervallo di profondità, indica il profilo ottimale che può sopravvivere.
- La Progettazione idraulica o “architettura” delle lama, si riferisce all’altezza della lama sul corpo o all’apertura relativa del lato della punta. La pulizia del foro è determinata considerando la porosità dell’argillite derivata dalla curva di porosità normale del log. Se non sono disponibili dati sulla porosità, allora si può usare l’ analisi del volume dell’argillite e/o dell’analisi della velocità.
- I rilevamenti sulla dimensione del cutter, basati su una combinazione di tipo di roccia dominante e velocità acustica. Dimensioni ottimali di cutter di PDC possono essere valutate statisticamente attraverso l’intervallo di interesse, che va da 19 mm (3/4”) per formazioni più morbide a misure di pietra di diamante naturale (5-6 pietre per carato) a punte impregnate per formazioni più dure. Distribuzioni statistiche che si sovrappongono a misure di cutter giustificherebbero le progettazioni di punta a cutter multiplo.
- L’Abrasione, come introdotto sopra, basata su combinazioni di contenuto di sabbia e resistenza della roccia. Il programma DB OS determina un contenuto di sabbia rispetto alla resistenza della roccia ad ogni piede come una “normale” condizione abrasiva. Se l’effettivo contenuto di sabbia eccede questa condizione, il programma calcola quanto di eccessivo o di abrasivo la formazione probabilmente riceverà in contenuto di sabbia. I dati sono presentati in un formato a diagramma del log del pozzo e, indicando livelli crescenti di abrasività, raccomandano cutter super resistenti all’abrasione quando siano necessari.
- La resistenza all’impatto, misurando la velocità di cambiamento della resistenza della roccia per due livelli consecutivi di profondità. In un modo simile al calcolo dell’ abrasività, il programma determina quanto l’eccesso di impatto sarà probabilmente generato dalla particolare formazione. I dati sono presentati in formato a diagramma di log del pozzo proprio come per il diagramma dell’abrasione. Questo output indica dove sono indicati i cutter super resistenti all’impatto e/o dove sono consigliabili sistemi per la riduzione di vibrazione della punta per la futura domanda.
- La Protezione del Gauge, come una funzione continua di abrasività di formazione e/o condizione di logoramento del gauge della punta di offset. I dati, presentati nel formato a diagramma del log del pozzo, indicano richieste di protezione pesante del gauge e una tecnologia adatta del cuscinetto del gaugedove appropriato.
È stata sviluppata una metodologia per migliorare la scelta della punta usando misurazioni dirette della resistenza a compressione fatta su cutting di perforazione come dati di input in un sistema di ottimizzazione della punta di perforazione. Si possono indicare alcuni possibili vantaggi considerando una misura diretta della resistenza a compressione della formazione invece di una stimata:
1. Le condizioni di prova sono estremamente veloci e semplici ma sufficientemente affidabili per determinare correttamente la resistenza della roccia.
2. Esiste un’apparecchiatura portatile per realizzare questa prova, che dà la possibilità di applicare l’intera metodologia come uno strumento in tempo reale per adattare il summenzionato piano di perforazione.
3. Si possono reperire continue informazioni lungo tutto il pozzo.
*
4. E una metodologia non costosa.
5. La possibilità di misurare direttamente la resistenza a compressione della roccia al lato dell’apparecchiatura di perforazione può permettere la scelta di strutture di cutting più aggressive in rapporto a quelle generalmente usate nelle formazioni di terra, migliorando così la prestazione di perforazione. Gli esperti dell’arte apprezzeranno che la descrizione precedente è solo un aspetto dell’invenzione e che possono essere facilmente dedotti altri aspetti dell’ invenzione che non si scostano dallo spirito dell’invenzione. Di conseguenza, l’ambito dell’invenzione dovrebbe essere limitato solo dalle rivendicazioni allegate.
Claims (10)
- Rivendicazioni 1. Metodo per selezionare parametri di perforazione per perforare un pozzo attraverso strati di terra, comprendente: - determinare una resistenza a compressione di campioni di detti strati di terra a partire da misure di carico-spostamento su detti campioni, dette misure di carico-spostamento essendo fatte con un penetratore; e - selezionare detti parametri di perforazione a partire da detti valori determinati di resistenza a compressione.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto determinare detta resistenza a compressione comprende: - misurare detto carico-spostamento in un preselezionato intervallo di spostamenti; - determinare una porzione sostanzialmente lineare di una relazione tra carico e spostamento di detto campione per mezzo di detto penetratore; e - correlare una pendenza di detta porzione sostanzialmente lineare a detta resistenza a compressione.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti campioni sono presi da un pozzo durante la perforazione dello stesso, e detti parametri di perforazione sono aggiustati in risposta a detta resistenza a compressione determinata durante detta perforazione di detto pozzo.
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti parametri di perforazione comprendono il tipo di dente del molino su un fioretto di perforazione a rulli conici.
- 5. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti parametri di perforazione includono il tipo di inserto su un fioretto di perforazione a rulli conici.
- 6. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti parametri di perforazione comprendono il tipo di protezione diametro foro.
- 7. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti parametri di perforazione comprendono tipo e orientamento di un ugello di getto.
- 8. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti parametri di perforazione comprendono almeno uno di: il profilo del fioretto, la densità della fresa, il tipo della fresa e la resistenza a impatto della fresa, su un fioretto di perforazione a fresa fissa.
- 9. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti parametri di perforazione comprendono almeno uno di: il peso sul fioretto, la velocità di rotazione del fioretto e la portata di fluido di perforazione.
- 10. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detti campioni sono posti in una resina, detta resina viene vulcanizzata, e un campione di prova viene generato da questa rettificando una superficie sostanzialmente piana e parallela su detta resina vulcanizzata.
Priority Applications (3)
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