NO851196L - Fremgangsmaate og apparat for bestemmelse av formasjonstrykk - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører fremgangsmåter og apparater brukt mens

det bores olje- og gassbrønner og nærmere bestemt vedrører en fremgangsmåte og apparat for å bestemme poretrykket til en formasjon ved å redusere trykket i bunnen av brønnhullet for derved å trekke formasjonsfluid inn i borehullet, og detektere innstrømmingen av formasjonsfluid i borehullet, og å bestemme det reduserte trykk i bunnen av brønnhullet som er likt med poretrykket.

Det er vel kjent at olje- og gassforekomster rommes i undersjø-iske jordformasjoner og at borehull blir boret til disse formasjoner for det formål å utvinne disse petroleumsforekomster. Under boreoperasjonene er det vanlig å pumpe en borefluid

eller boreslam inn i borehullet gjennom borestrengen for å smøre og avkjøle kronen, for å opprettholde hydrostatisk trykkhøyde i borehullet for å overbalansere de undersjøiske formasjonstrykk, og for å transportere boreavskjær fra kronen til overflaten.

Det er også vel kjent at de undersjøiske formasjonstrykk generelt øker med dybden. Formasjoner med lav permeabilitet, slik som skifer, fremviser et trykk som er et mål på trykket utøvet ved fluid fanget i ikke- sammenknyttede mellomrom eller porer i formasjonen. Målet på dette trykk er vanligvis,kalt "poreforma-sjonstrykk". I permeable formasjoner er det utviste trykk et mål på fluidet fanget i de sammenknyttede mellomrom eller porer til formasjonen, og er vanligvis referert til som "formasjonstrykk". Videre er det vanligvis kjent at lavpermeable formasjoner, slik som skifer, vanligvis ligger over abnorme høytrykks-fluider i den porøse formasjon.

Et problem i alle olje- og gassbrønnboreoperasjoner er vedlike-holdet av tilstrekkelig hydrostatisk trykkhøyde av boreslammet for å overbalansere det undersjøiske formasjonstrykk ved bunnen av borehullet. En trykkoverbalanse eller "trykkdifferanse i bunnen av brønnhullet" må opprettholdes for å forhindre høy-trykksfluid i porøse formasjoner fra å bli frigjort gjennom borehullet til overflaten. En ukontrollert frigjøring av høy-trykksfluider fra formasjonen gjennom borehullet blir vanligvis gjengitt som "utblåsning". En utblåsning kan bevirke uopprett-elig skade til borehullet og overflateutstyret og død og kvest-else på borepersonell lokalisert nær boreutstyret på overflaten.

For høy hydrostatisk trykkhøyde, sammen med tilleggstrykk på grunn av friksjon mens boreslammet sirkulerer eller mens borestrengen senkes inn i borehullet, kan bevirke at formasjonen fraktureres med mulige resulterende tap av slam til de omgivne formasjoner. Således er opprettholdelse av en korrekt trykkdifferanse nede i brønnhullet, det vil si overbalanse viktig for brønnsikkerhet. Imidlertid er dette vanskelig siden trykket varierer med boreslammet som blir brukt og den formasjon som påstøtes. Eksakt kjennskap til formasjonstrykket er nødvendig, men er ikke så lett å oppnå. Generelt akseptert praksis krever fjerning av borestrengen og kjøring av en vaierlogg for å bestemme trykkdifferansen nede i brønnhullet med det resulterende tap av tid og forbruk av penger.

Et hovedformål med denne oppfinnelse er å tilveiebringe et forbedret system som kan brukes i forbindelse med testing nede i brønnen under boreoperasjonene, hvor det er mulig å måle for-masjonens poretrykk uten å fjerne borstrengen fra hullet.

Nok et formål er å tilveiebringe et forbedret system for å måle formasjonstrykkene med stor nøyaktighet.

Nok et formål er å tilveiebringe apparat for å oppnå trykkmål-ingene av de undersjøiske jordformasjoner i forbindelse med overflateboreoperasjoner hvor en minimal størrelse av borerigg-tid tapes.

Andre formål og trekk ved oppfinnelsen vil fremkomme under be-traktning av den følgende beskrivelse gitt i forbindelse med de vedlagte tegninger.

Fig.l viser et konvensjonelt boreapparat som innehar en trykkbestemmerenhet av den foreliggende

oppfinnelse,

fig.2 er en forenklet frontskisse av en del av en borestreng som innehar apparat som er slikt som brukt i forbindelse med den foreliggende

oppfinnelse,

fig.3 er en skjematisk fremvisning av instrumenter-ingssystemet i en utforming som den kunne bli praktisert.

I samsvar med et aspekt av foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte beskrevet for å fastlegge formasjonstrykket som tra-verseres av et borehull innbefattende trinnene av å redusere trykket ned i brønnhullet til fluidet som rommes i den nedre del av borehullet, og ved å overvåke formasjonsfluidets innstrøm-ming, fastlegge det reduserte borehullstrykk som er indikerende for trykket i formasjonen.

Oppfinnelsen innbefatter apparat for å fastlegge poretrykket av en formasjon traversert av et borehull og innbefatter en borstreng for innsettelse i borehullet, innretninger for å detektere innstrømming av fluidet fra formasjonen til borehullet, innretninger for å redusere trykket i borehullet, og en trykkmålerinnretning med respons til den trykkreduserende innretning.

Idet det vises til fig.l, er et typisk borehull 12 vist som tra-verserer en formasjon 11 under jordoverflaten. Opphengt i borehullet 12 er boreapparatet som vanligvis brukes i boreopera-sjonen. Nærmere bestemt er en borerigg 13 vist på plass over . borehullet 12, borstrengen 14, trykkmålerparti 15, vektrør 16 og borkrone 18 i borehullet 12 med foringsrøret 20 satt til en for-valgt dybde. Borehullet 12 er vist i tverrsnitt idet det penetrerer en skiferformasjon 22 med vanlig trykk og et lag 24 med høyere trykk av skiferformasjonen. Formasjonen 24 ligger over en permeabel formasjon 26 med anormalt høytrykk.

Boreslam 32 trekkes fra slamsirkuleringsgropen 34 gjennom et slaminntaktsrør 36 til en slampumpe 38. En slamvektdetektor 40 på røret 36 måler vekten i kilo pr. dm<3>av slammet som strøm-mer inn i slampumpen 38. Pumpetrykket til pumpen 38 kan varieres og opereringstrykket til pumpen 38 indikeres ved måleren 42. Boreslam 32 blir så pumpet gjennom et pumpeutgangsrør 44 hvor slammets strømningsgrad måles ved en strømningsgraddetektor 46.

Fleksible slanger 47 leder slam 32 fra pumpeutgangsrøret 44 gjennom borstrengen 14 og vektrøret 16 til borkronen 18 hvor det uttømmes forbi skjærhodene og sirkuleres oppad gjennom ringrommet 50 mellom borstrengen 14 og vektrøret 16 og b orehullet 12, og gjennom ringrommet 52 mellom borestrengen 14 og forings-røret 20 i den retning som vist ved pilene. Slam 32 blir så tvunget sekvensmessig gjennom borehullet utgangsrørseksjonen 53, slamvektdetektoren 56 og en justerbar strupning 54 for der-etter å bli uttømt i slamgropen 34 for gjenbruk. Detektoren 56 måler og indikerer vekten i kilo pr. dm<3>, slamstrømmen ut av borehullet 12. Strupeinnretningen 54 er en radiell sammentryk-ningshylse som kan åpnes eller lukkes for å variere graden av slamstrøm ut av borehullet. Når hylsen stenges, blir strømmen "strupet" og mottrykk utøves på slammet som sirkulerer i borehullet som i sin tur øker trykket nede i brønnhullet.

Med henvisning til fig.2, innbefatter målepartiet 15 i tillegg til komponentdeler som ikke er vist, en innstrømningsdetektor 60 og trykkmålerinnretninger 62 koblet sammen i serie. I virke-lig praksis, kan utformingen være tilnærmet den vist i fig.3 hvor innstrømnings- og trykkpartiene er adskilt ved korte vekt-rør 16,17.

Trykkmåleren 62 og innstrømningsdetektoren 60 er koblet til en kabel eller et computer- og telemetrisystem nede i hullet som ikke vises. Kabelen i sin tur innbefatter elektriske ledere for overføring av utgangssignaler fra trykkmåleren 62 og innstrøm-ningsdetektoren 60 til apparater ved jordens overflate. Computersystemet nede i brønnhullet overvåker kontinuerlig innstrømningsdetektoren og trykkmåleren ned i brønnhullet. Computersystemet overfører kontinuerlig målingene til overflaten for analyse.

Funksjonen til innstrømningsdetektoren 60 er å fastlegge for-skyvningen av boreslammet, som normalt okkuperer den umiddel-bare nærhet av detektoren 60, av formasjonsfluider trukket fra formasjonen ved den effektive sugevirkning som vil bli beskrevet. En slik detektor er en fluidresistiv detektor som kan bestå av et separat rørformet element gjengeforbundet til partiet 15, en elektrisk ledende ringformet elektrode og en isolator av gummi eller ikke-ledende materiale for å adskille og elektrisk isolere det rørformede element fra elektroden. Elektroden er elektrisk forbundet til en leder ved hjelp av en kobling som er elektrisk isolert fra det rørformede element. Den elektriske leder er forbundet til passende motstandsmåleapparater, hvilket elektrisk måleapparat også er forbundet til borestrengen 14 for slik å måle den elektriske motstand på fluidet mellom elektroden og borstrengen 14.

Andre egnede typer av innstrømningsdetektorer 60 innbefatter trykktransduktorer som vist i US-patent nr. 4297880, akkustiske bølgemålerinnretninger vist i US-patent nr. 3776032 og gamma-stråledetektorer, hvor disse patenter er inntatt heri som henvisning .

Driften av apparatet beskrevet ovenfor er som følger:

Borkronen 18 penetrerer et stratum under overflaten til hvilke formasjonstrykket er ønsket. Slampumpen 38 stenges av for derved å opphøre sirkulasjonen av slam 32 gjennom borestrengen 14 og opp til ringrommet 50,52. Under boreoperasjoner bestemmes trykket nede i brønnhullet ved faktorer som innbefatter den hydrostatiske høyde av boreslammet i borehullet 12, friksjonsmessige trykktap i slammet på grunn av borehullveggene og borestrengen 14, vekten av boreslammet som brukes og mottrykket til struperen 54. Under statiske tilstander er ganske enkelt trykket nede i brønnhullet høyden til boreslammet. For å fastlegge formasjonstrykket, ska-pes et trykkfall ved stempelsuging med borstrengen. Borkrone-funksjonen er lik med en stempelsugeseksjon ved at den danner en avgrenset region omkring borstrengen som driver fluid opp ringrommet og derved reduserer borehulltrykket under borkronen. Sugingen bevirker et trykkfall, hvilket reduserer trykket nede

i brønnhullet til et trykk som kan være ved, over eller under formasjonstrykket. Hvis det reduserte trykk er under formasjonstrykket, vil formasjonsfluid sive inn i borehullet hvor fluidet blander seg med borehullfluidene, det vil si boreslammet. Innstrømming av formasjonsfluider kan detekteres ved å bruke metodene opplistet nedenfor og detektering av innstrøm-ninger indikerer at borehulltrykket, ved sitt reduserte nivå,

er under formasjonstrykket. Det reduserte trykk nede i brønn-hullet for forskjellige sugingsgrader kan beregnes når bore-strengens hastighet er kjent og det opprinnelige trykk nede i brønnhullet. Det ønskede trykkfall på grunn av sugingen må overskride trykkdifferansen mellom slammets hydrostatiske trykk og formasjonstrykket. Forskjellen er vanligvis omkring l,724MPa.

Det ønskede trykkfall er innsatt i ligningen (2) beskrevet nedenfor og sugehastigheten som kreves for å fremstille det ønskede trykkfall er fastlagt for utstyret og boreslammet som brukes.

Ved den effektive sugevirkning, beveges borestrengen 14 oppad ved den forhåndsbestemte hastighet, og trekker derved- boreslam fra den nedre ende av orehullet 12 opp til ringrommet 50,52

mot overflaten og reduserer derved trykket. Hastigheten som kreves for å oppnå et nødvendig sugetrykk kan beregnes ved å bruke fremgangsmåten beskrevet i en artikkel med tittel "An Improved Method for Calculating Swab/Surge and Circulating Pressures in a Drilling Well"; SPE paper 4521, June 28,1974, hvor denne artikkel er inntatt heri som referanse. Ved beregning av den nødvendige hastighet på fluidet som resulterer fra bor-strengbevegelsen, er sugetrykket gitt ved:

Den nødvendige hastighet finnes ved å løse m.h.p. V.

hvor

P = sugetrykk

f = laminær friksjonsfaktor

P = slamtetthet

L = lengde av seksjonen

V - hastighet på borstrengen

d = diameteren til borehullet

<q>C = forholdet mellom borstrengens

diameter (vektrør) og diameteren til borehullet

Hvis innstrømningen av formasjonsfluider ikke detekterers, repeteres det trykkreduserende trinn for ytterligere å redusere trykket nede i borehullet. Hastigheten på uttrekking av borestrengen 14 økes slik at trykkfallet økes og et lavere redusert trykk nede i brønnhullet oppnås. Etterfulgt av hvert påfølgende trykkreduksjonstrinn, utføres overvåking av borehullfluidene for å detektere enhver innstrømning av formasjonsfluider.

Mange trykkreduksjonstrinn kan være nødvendig. I rett tid, hvis sugetrykket overskrider overbalansetrykket, vil formasjonsfluidet bevege seg inn i borehullet og forbi innstrømningsdetektoren 60, hvilke vil indikere dets nærvær. Overvåkningstrinnet innbefatter blanding av fluidene som rommes i den nedre del av borehullet ved å rotere borstrengen.

Blandingen kan også utføres ved å sirkulere borefluid med borstrengen 14, ut av borkronen 18 og inn i borehullet 12 under kronen. Innstrømningsdetektorer 60 er fortrinnsvis lokalisert på utsiden av borerøret omkring 4,57 meter til 9,14 meter over borkronen.

Claims (21)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av trykket i en formasjon traversert av et borehull, karakterisert ved at den innbefatter trinnene: a) å redusere trykket til fluidet nede i brønnhullet som rommes i den nedre del av brønnhullet; b) å overvåke borehullet for fluidinnstrøm-ning fra formasjonen som omgir borehullet; og c) ved overvåkning av formasjonsfluidinn-strømningen bestemmer det reduserte borehulltrykk som er indikerende på trykket til formasjonen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bestemmelsen av det reduserte borehullstrykk innbefatter å måle trykket nede i brønnhullet mens trykket nede i brønnhullet reduseres.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det reduserende trinn innbefatter suging av den nedre del av borehullet.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at sugingstrinnet innbefatter tilbaketrekning av en borstreng lokalisert i den nedre del av borehullet fra nevnte nedre del.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at tilbaketrekningstrinnet innbefatter bestemmelse av en forhåndsbestemt tilbaketrekningshastighet utfra karakteristikkene til borstrengen, borehullet, borefluidet og forskjellen mellom trykket nede i borehullet og det reduserte trykk nede i borehullet.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at tilbaketrekningstrinnet til borstrengen er ved den forhåndsbestemte hastighet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at overvåkningstrinnet innbefatter å trekke fluid fra borehullet ved suging med borstrengen for å overvåke det uttrukkede fluid som innstrømningsfluid.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at overvåkningstrinnet innbefatter å senke borstrengen til sin førtrykkreduserende lokalisering i brønn-hullet før overvåking av borehullfluider for formasjonsinnstrøm-ning.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den innbefatter ytterligere blanding av borehullfluidet før overvåking av borehullfluidet.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at overvåkningstrinnet innbefatter målinger av de fysiske og kjemiske egenskaper til borehullfluidene.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert , ved at målingene er valgt fra en gruppe bestående av resistivitet til borefluidene, akkustisk overføring i borefluidene og gammastråleoverføringshastigheter i borehullfluidene.

12. Apparat for bestemmelse av trykket i en formasjon traversert av et borehull, karakterisert ved at det innbefatter: a) en borestreng for innsettelse i borehullet; b) en innretning for å redusere fluidtrykket i borehullet, c) en trykkmålerinnretning med respons til trykkreduksjonsinnretningén; og d) innretninger for å detektere innstrømning av fluider fra formasjonen til borehullet.

13. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at fluidinnstrømningens detekteringsinnretning detekterer fysiske eller kjemiske egenskaper til borehullfluidene.

14. Apparat ifølge krav 13, karakterisert ved at fluidinnstrømningens detekteringsinnretning er valgt fra en gruppe bestående av en resistiv detektor, trykktransduktor, akustisk bølgetransduktor og detektor, og gammestråledetektor.

15. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at den innbefatter ytterligere en innretning for å måle trykket nede i brønnhullet.

16. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at den trykkreduserende innretning er en innretning for suging i borehullet.

17. Apparat ifølge krav 16, karakterisert ved at sugingsinnretningen er en innretning for å flytte borerøret fra borehullet med en hastighet tilstrekkelig til å redusere borehulltrykket.

18. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at den innstrømningsdetekterende innretning videre innbefatter en innretning for å sirkulere borehullfluidene forbi innstrøm-nings de tek teri ngs i nnr et ni ngen .

19. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at den videre innbefatter en innretning for å bestemme hastigheten ved hvilke borstrengen blir trukket tilbake fra borehullet.

20. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved at det videre innbefatter en innretning for å blande borehullfluidene etter reduksjon av trykket ned i brønnhullet og før detektering av formasjonsfluidinnstrømningen.

21. Apparat ifølge krav 20, karakterisert ved at blandeinnretningen innbefatter en innretning for å sirkulere borehullfluidene.