专利名称：分析和控制在钻孔中水锤产生的波传播的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于分析钻孔，岩层，液体，和完井性质对水锤产生的波传播的影响的方法。在另一方面，本发明涉及在钻孔完井设备和喷射器中用于减轻水锤效应的方法和装置。本发明还可用于确定完井和岩层的性质和及性质的变化。
背景技术：
水锤(或者，更一般地是液体锤)是在运动液体突然地被迫停止或改变方向时，它的动能产生的压力波动或压力波。例如，若在管道系统的一端突然地关闭一个阀，则在管道中可以传播水锤波。在生产井或正在被钻探的井中，若防喷器装置(BOP)被激励以响应被检测的气体或液体流入钻孔，则可以产生水锤。在标准的井关闭期间，也可以产生水锤。例如，请参照SPE 00064297。与水锤相关的瞬态压力可以造成钻孔失效和/或井中灵敏的电子，电路和机电设备失效。在本发明中，我们讨论的“钻孔系统”可以包括钻孔以及与该钻孔连接的所有装置。授予Holzhausen et al.的US 5220504公开一种确定岩层性质的方法,例如,渗透率，该方法是在钻孔中建立压力振荡。分析是基于地球的模型作为一种围绕充满液体的钻孔的均匀媒体(其中可能有裂纹)。该方法在实际的生产钻孔中毫无用处，其中钻孔可能包含生产管道，不同尺寸的套管，水泥，孔眼，封隔填料和砂石充填。本发明的目的是分析实际的生产钻孔，该钻孔可能有径向变化和垂直变化。
发明内容
本发明的一个实施例是一种确定地球岩层的性质的方法。在地球岩层的钻孔中产生液体锤，该液体锤在液体中产生压力脉冲。至少在钻孔中的一个位置，测量液体压力。利用测量结果，估算岩层性质的数值。产生液体锤可以通过开启钻孔系统中的流量控制装置和/或关闭启钻孔系统中的流量控制装置完成。压力脉冲在钻孔中传播，其速度至少部分是由岩层的剪切速度确定。估算岩层的性质可以利用确定钻孔和地球岩层的模型完成，该模型包含多个层，多个层中的至少一个层包含径向分层。估算岩层的性质还可以包括模拟该模型的输出，并比较模拟输出与测量结果。模拟该模型的输出包括利用在层边界上的反射系数和传输系数。估算性质可以包括岩层孔隙度，岩层渗透率和岩层损坏。该方法还可以包括在以后的时间重复地产生水锤，并确定其性质数值的变化。本发明的另一个实施例是一种开发地球岩层中的贮藏的方法。该方法包括确定地球岩层和其中钻孔的模型。该模型包含多个层，多个层中的至少一层包含径向分层。模拟该模型对液体锤的响应，且该输出用于确定钻孔中完井钻具组的参数和/或钻孔中流量控制装置的工作参数。利用该模型的输出可以包括识别钻孔中液体的最大压力，而其中流量控制装置的工作参数可以包括流量控制装置的开工率。流量控制装置可以在地面位置，井下位置，和/或侧向钻孔的井下位置。确定完井钻具组的参数可以包括选取钻孔直径，选取钻孔形状，选取套管材料，选取管道材料，选取水泥性质，选取钻孔中液体的性质，和/或选取两段套管之间连接的性质。确定完井钻具组的参数可以包括确定波反射器部分的参数，波衰减器部分的参数，孔眼的大小，孔眼的形状，和/或孔眼的定位。确定完井钻具组的参数可以包括确定防护网参数和/或砾石充填的参数。确定完井钻具组的参数可以包括 确定直径变化的尺度，两个直径变化之间的间隔距离，和直径变化的数目。本发明的另一个实施例是一种用在确定地球岩层的方法中的计算机可读媒体。该方法包括在地球岩层的钻孔中产生液体锤，该液体锤在液体中产生压力脉冲。该方法还包括在钻孔中的至少一个位置，测量液体的压力。该媒体包含这样的指令，它能使处理器利用测量结果估算岩层性质的数值。该媒体可以包括R0M，EPROM, EAR0M，快速擦写存储器， 和/或光盘。
为了清楚地理解本发明，应当参照以下结合附图的优选实施例的详细描述，其中相同的元件是用相同的数字描述，且其中图I是在顶部，中部和底部的简单水锤和水锤波；图2a是在均匀岩层中的简单钻孔；图2b是在图2a所示钻孔的顶部，中部和底部的模拟水锤波；图3表示阶跃时间函数作为水锤模拟的源；图4a表示在钻孔中的径向分层；图4b表不在均勻岩层中有不规则直径的钻孔；图4c表示在水平分层的地球岩层中的钻孔；图5a表示在有分层的地球岩层的钻孔中的水锤波；图5b表不在图5a所不钻孔的顶部，中部和底部的模拟压力场；图6a和6b表示有多个分层的多孔媒体的色散曲线和Q值；图7a是包含管道，封隔填料，套管和孔眼间隔的井的垂直剖面图；图7b是图7a所示的井在不同深度上的水平剖面图；图7c是作用到水锤上的图7a所示井的压力场；图8a_8c表示在井的顶部，中部和底部的模拟压力数据与测量场数据的比较；图9a是典型的完井系统示意图，其中水锤的传播具有有限的能量损失和波色散；图9b和9c是曲线图，它们表示在沿图9a中完井系统的选取位置上的波形；图IOa是按照本发明一个实施例利用波反射器的典型完井系统示意图，该反射器可以减小波沿完井系统传播的能量；图IOb和IOc是曲线图，它们表示在沿图IOa中完井系统的选取位置上的波形；图Ila是按照本发明一个实施例利用波衰减器的典型完井系统示意图，该衰减器可以减小波沿完井系统传播的能量；图Ilb和Ilc是曲线图，它们表示在沿图Ila中完井系统的选取位置上的波形；图12a是按照本发明一个实施例利用波吸收器的典型完井系统示意图，该吸收器可以减小波沿完井系统传播的能量；图12b，12c和12d是曲线图，它们表示在沿图12a中完井系统的选取位置上的波形；图13a是按照本发明一个实施例利用衰减器的典型完井系统示意图，该衰减器可以减小波沿完井系统传播的能量；图13b和13c是曲线图，它们表示在沿图13a中完井系统的选取位置上的波形；图14是在侧向钻孔中的流量控制装置；图15a表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的较小套管；图15b表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为O. 5mD的无
套管钻孔；图15c表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为5mD的无套管钻孔；图15d表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为500mD的无
套管钻孔；图15e表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为30D的损坏无套管钻孔和IOcm的渗透率为20mD的损坏钻孔；和图15f表示装套管钻孔的模拟压力测量结果，以下有200m的渗透率为300mD的损坏无套管钻孔和Icm的渗透率为20mD的损坏钻孔。
具体实施例方式本发明是基于水锤信号在钻孔中传播的分析。假设水正在以流速Vtl被注入到钻孔中。若在井口突然关闭阀门，则可以产生压力波并向下传播。图I表示在钻孔中的简单水锤波。利用以下的近似关系式，可以确定压力波的幅度。Δ P = c P 0V0(I)其中是钻孔中的液体密度，和c是波传播速度。我们讨论如何确定在不同钻孔条件下的速度C。当压力波到达钻孔的底部时，它反射，向上传播，以及随后再次从钻孔的顶部反射回来。这种现象称之为水锤，并在供水领域中对它进行研究。理想的是，这种上下过程以振动频率f不断地重复。/(2)此处，L是钻孔的深度范围。然而，在实际情况下，由于周围多孔岩石和其他因素造成的衰减，压力波缓慢地发生衰变。振动频率和衰变曲线以及水锤波的其他可观察特征可用于研究围绕多孔岩石的孔隙性质。公式(2)中的速度对应于水锤的速度，但它不同于公式(I)中压缩波的速度。此处的频率是与水锤的重复率有关，但它不同于包括水锤的冲击波频率。参照图1，图I表示在钻孔100中的典型水锤脉冲101，103，105，107，109的一系列
抽点。在钻孔顶部开始的脉冲是用101表示，在钻孔中部附近的脉冲是用103表示，而在到达钻孔底部之前的脉冲是用105表示，从钻孔底部反射之后并在钻孔中部附近的脉冲是用 107表示，而在即将到达钻孔顶部之前的脉冲是用109表示。在此之后，脉冲在钻孔的顶部经受另一次反射，而在向下到达钻孔中途的脉冲是用110表示。图I中的箭头指出水锤脉冲传播的方向。此外，在图I中还画出典型的时间序列表示111，113和115，它们分别表示在钻孔顶部附近的位置，在钻孔中部附近的位置，和在钻孔底部附近的位置被测量到的。这个例子中的脉冲是阶跃函数，如图3中所示。在钻孔顶部和底部的反射系数是在那些位置上阻抗对比度的函数。图2a表示在均匀地球岩层141中的典型钻孔143。对于图2a所示简单的充满液体的钻孔，根据公式(2)，我们知道，水锤波的频率是非常低的。例如，若L = 500m, c = 1500m/s(充满水的钻孔的上限)，则根据公式(2)，f = 0.75Hz。在本发明中，我们利用低频管波以模拟水锤。对于低频管波，它可以被近始地当作I-D问题。White (1983)推导出在不同情况下用于计算低频管波的速度的公式。对于在非透水弹性岩层中的钻孔，管波的速度是
权利要求
1.一种开发地球岩层中的忙藏的方法，该方法包括(a)定义地球岩层和其中钻孔的模型，该模型包含多个层，多个层中的至少一个层包含径向分层；(b)模拟该模型对钻孔中液体锤的输出；和(C)利用该输出以确定钻孔中完井钻具组的参数。
2.按照权利要求I的方法，其中在(i)地面位置，(ii)井下位置，和(iii)在侧向钻孔的井下位置中的至少一个位置，操作流量控制装置。
3.按照权利要求I的方法，还包括确定完井钻具组的参数，该参数选自(i)钻孔直径，(ii)钻孔形状，(iii)套管材料，(iv)管道材料，(V)水泥性质，(Vi)钻孔中液体的性质，和(Vii)两段套管之间连接的性质。
4.按照权利要求I的方法，还包括确定完井钻具组的参数，该参数选自(i)波反射器部分，和(ii)波衰减器部分。
5.按照权利要求I的方法，还包括确定完井钻具组的参数，该参数选自(i)防护网， 和(ii)砾石充填。
6.按照权利要求I的方法，还包括确定完井钻具组的参数，该参数选自(i)直径变化的尺度，( )直径变化之间的间隔距离，和(iii)直径变化的数目。
全文摘要
分析和控制在钻孔中水锤产生的波传播的方法和装置。一种用于模拟钻孔中水锤波的方法，该方法用于估算岩层参数，例如，孔隙度和渗透率，和用于设计完井钻具组。模拟方法利用有多层的模型，多层中的至少一层包含径向分层。
文档编号E21B47/00GK102587869SQ201210074790
公开日2012年7月18日 申请日期2006年5月25日 优先权日2005年5月25日
发明者丹尼尔·穆斯, 全有力 申请人:地质力学国际公司