用于多个偏心工具的方法和负载分析

申请号 CN201380078807.0 申请日 2013-09-25 公开(公告)号 CN105612521A 公开(公告)日 2016-05-25
申请人 界标制图有限公司; 发明人 R·塞缪尔; Y·张; 安尼克特;
摘要 各种实施方案包括执行针对多个偏心工具的负载分析的设备和方法。完井管柱的偏心部件由于与 套管 和衬套壁的 接触 而经历另外的井下侧 力 和拖曳力,这些力可导致过多的负载和 应力 从而导致故障。提供了分析此类情况的系统和技术。公开了另外的设备、系统和方法。
权利要求

1.一种方法,其包括:
操作处理器以便执行操作,所述操作包括:
将连续的管柱模型应用到具有包括偏心部件的多个部件的完井管柱;
基于所述连续的模型,在所述偏心部件处和在所述多个部件中的许多部件处进行分析;
基于所述力分析,列出并求解力平衡方程组;以及
基于所述力平衡方程组,确定所述偏心部件上和所述许多部件中的每个上的侧力。
2.如权利要求1所述的方法,应用连续的管柱模型包括应用五部件模型。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中所述方法包括基于确定所述侧力确定所述完井管柱上的拖曳力。
4.如权利要求1或2所述的方法,其中所述方法包括基于确定所述侧力对所述完井管柱执行应力分析。
5.如权利要求1或2所述的方法,其中所述方法包括使用软质管柱模型、刚性管柱模型、有限元件模型或多体系统模型来执行拖曳力分析或应力分析。
6.如权利要求1或2所述的方法,其中所述方法包括基于确定所述偏心部件上和所述许多部件中的每个上的所述侧力,基于是否满足故障判定标准确定所述完井管柱的部件之间的最小位移。
7.如权利要求6所述的方法,其中确定所述最小位移是迭代过程,其中所述完井管柱的部件之间的距离以所述连续的管柱模型增加直到所述故障判定标准被满足。
8.一种非暂态机器可读存储装置,其具有存储于其上的指令,所述指令在由机器执行时使得所述机器执行操作,所述操作包括如权利要求1至7中任一项所述的方法。
9.一种系统,其包括:
处理器;以及
存储器单元,所述存储器单元被布置以使得所述处理器和所述存储器单元被配置来根据方法1至7中的任一项执行所述操作。
10.如权利要求9所述的系统,所述系统包括用以接收由设置在井眼中的一个或多个传感器产生的数据的通信单元。
11.如权利要求10所述的系统,所述一个或多个传感器包括光纤传感器、压力传感器或应变仪,以便提供与所述井眼相关联的钻探和生产的监测。
国际局于2015年1月23日接收的修改的权利要求
1.一种方法,其包括:
操作处理器以便执行操作,所述操作包括:
将连续的管柱模型应用到具有包括偏心部件的多个部件的完井管柱;
基于所述连续的模型,在所述偏心部件处和在所述多个部件中的许多部件处进行力分析;
基于所述力分析,列出并求解力平衡方程组;以及
基于所述力平衡方程组,确定所述偏心部件上和所述许多部件中的每个上的侧力。
2.如权利要求1所述的方法,应用连续的管柱模型包括应用五部件模型。
3.如权利要求1或2所述的方法,其中所述方法包括基于确定所述侧力确定所述完井管柱上的拖曳力。
4.如权利要求1或2所述的方法,其中所述方法包括基于确定所述侧力对所述完井管柱执行应力分析。
5.如权利要求1或2所述的方法,其中所述方法包括使用软质管柱模型、刚性管柱模型、有限元件模型或多体系统模型来执行拖曳力分析或应力分析。
6.如权利要求1或2所述的方法,其中所述方法包括基于确定所述偏心部件上和所述许多部件中的每个上的所述侧力,基于是否满足故障判定标准确定所述完井管柱的部件之间的最小位移。
7.如权利要求6所述的方法,其中确定所述最小位移是迭代过程,其中所述完井管柱的部件之间的距离以所述连续的管柱模型增加直到所述故障判定标准被满足。
8.一种非暂态机器可读存储装置,其具有存储于其上的指令,所述指令在由机器执行时使得所述机器执行操作,所述操作包括:
将连续的管柱模型应用到具有包括偏心部件的多个部件的完井管柱;
基于所述连续的模型,在所述偏心部件处和在所述多个部件中的许多部件处进行力分析;
基于所述力分析,列出并求解力平衡方程组;以及
基于所述力平衡方程组,确定所述偏心部件上和所述许多部件中的每个上的侧力。
9.一种系统,其包括:
处理器;以及
存储器单元,所述存储器单元被布置以使得所述处理器和所述存储器单元被布置来:
将连续的管柱模型应用到具有包括偏心部件的多个部件的完井管柱;
基于所述连续的模型,在所述偏心部件处和在所述多个部件中的许多部件处进行力分析;
基于所述力分析,列出并求解力平衡方程组;以及
基于所述力平衡方程组,确定所述偏心部件上和所述许多部件中的每个上的侧力。
10.如权利要求9所述的系统,所述系统包括用以接收由设置在井眼中的一个或多个传感器产生的数据的通信单元。
11.如权利要求10所述的系统,所述一个或多个传感器包括光纤传感器、压力传感器或应变仪,以便提供与所述井眼相关联的钻探和生产的监测。

说明书全文

用于多个偏心工具的方法和负载分析

技术领域

[0001] 本发明大体上涉及与数据的测量和分析相关的设备和方法。
[0002] 发明背景
[0003] 近年来,多层完井已经取得相当快速的进步,但是多层完井提出了许多操作挑战,这些挑战对完井过程的效率产生不利的影响。完井通常指提供来自油或气井的安全且有效的生产的井下管状件和设备的组。随着日益复杂的井眼的几何形状,先进的完井工具一起运行以便使储层生产率最大化。由于其设计要求,完井管柱中的一些部件并不与井眼同心,而是偏心或偏心的。这些偏心工具的运行对完井管柱产生需要加以考虑的另外的负载。在运行这些完井管柱时所经历的问题包括增加的扭矩和拖曳、屈曲或两者的组合。当完井管柱运行时,现有的方法未被正确地模型化,并且严重地低估了应值和拾取负载。另外,孔尺寸在钻井时频繁地发生改变,从而要求各种尺寸的套管或衬套到达目标深度,这进而导致完井管柱上的更高的负载。
[0004] 附图简述
[0005] 图1根据各种实施方案示出部件管柱平衡的实例。
[0006] 图2A根据各种实施方案示出完井管柱的实例,其中完井管柱经历弯曲。
[0007] 图2B根据各种实施方案示出图2A关于在两个套管之间的接口处的部件的弯曲,以及相关联的力矩和侧力。
[0008] 图3根据各种实施方案关于四个对称部件和一个离心部件示出完井管柱在各种条件下的实例。
[0009] 图4根据各种实施方案示出对经历侧力的三个部件的位移的表示。
[0010] 图5根据各种实施方案示出五部件模型,在所述模型中离心部件定位为部件次序中的中心部件,其中在离心部件的每个侧上具有两个对称部件。
[0011] 图6根据各种实施方案关于完井管柱在每个部件处的弯曲示出图5的模型的表示。
[0012] 图7根据各种实施方案示出五部件模型的在单个方向上的摩擦力
[0013] 图8根据各种实施方案描绘了可操作来执行关于多个偏心部件的负载分析的示例性系统的特征的方框图
[0014] 图9根据各种实施方案示出分析部件管柱以便确定部件的最小位移的示例性概述方法的特征。
[0015] 图10根据各种实施方案描绘了在钻探现场的系统的实施方案,其中所述系统可操作来执行关于多个偏心部件的负载分析。

具体实施方式

[0016] 以下具体实施方式涉及附图,所述附图借助于说明且非限制的方式来示出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进行结构、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组合而形成新的实施方案。因此,以下具体实施方式并不具有限制性意义。
[0017] 用以开发盐下储层的深钻探需要非常复杂的钻探和完井程序。可与井眼同心或偏心多个昂贵的工具和部件在钻探和完井管柱中运行以便成功地进入并开发这些复杂储层。偏心部件由于与套管和衬套壁的接触而经历另外的井下侧力和拖曳力,这些力可导致过多的负载和应力从而导致故障。由于并未精确地加以考虑的所观察到的井下力,完井管柱中的这些偏心工具和部件中的一些的运行已经导致管柱本身的故障和损失用以防止故障的对侧力和拖曳力以及偏心管柱中的部件之间的最小距离的模型化和精确估算肯定会防止部件的未来损失。
[0018] 在各种实施方案中,负载、侧力、拖曳力和多个偏心工具之间的放置距离被估算。如本文所教导的方法可提供对沿偏心和同心部件的侧力以及运行而无故障发生所需要的部件之间的最小距离的估算。对地层的分布式测量可相对于以下变量来进行:轴向应变、径向应变、弯曲力矩以及位移。
[0019] 图1示出部件管柱平衡的实例。在这种情况下,离心部件下入到尺寸减小的套管中。如本文所使用的,Ri等于完井管柱的外半径,Ro1等于第一套管101的内半径,并且Ro2等于第二套管102的内半径,其中第一套管101大于第二套管102。图1示出关于具有外半径Ri的完井管柱105的两个同心部件107-1、107-2和离心部件109。本文所论述的技术可用于任意数量的同心部件和离心部件。
[0020] 图2A示出完井管柱205的实例,其中完井管柱205经历弯曲。具有外半径Ri的完井管柱205在具有内半径Ro1的第一套管201中延伸,所述第一套管201联接至具有内半径Ro2的第二套管202,其中Ro1>Ro2。轴向力N作用于完井管柱205,并且侧力Fs作用于同心部件207-1、207-2中的每个以及离心部件209。为了便于说明,侧力Fs由每个位置处的相同变量示出。然而,不同部件处的侧力可能是不同的,其通过总体平衡条件而彼此相关。完井管柱205的弯曲产生作用于部件207-2的力矩M,所述弯曲也伴随有作用于完井管柱205的摩擦力Fr。本文所论述的技术可用于任意数量的同心部件和离心部件。图2B利用相关联的力矩M和侧力Fs示出关于在第一套管201与第二套管202之间的接口处的部件207-2的弯曲,因为轴向力与完井管柱205的轴线远离平行于井眼中心的轴线的移动相关联。
[0021] 图3关于四个对称部件307-1、307-2、307-3和307-4以及离心部件309示出完井管柱305在各种条件下的实例。具有外半径Ri的完井管柱305在具有内半径Ro1的第一套管301中延伸,所述第一套管301联接至具有内半径Ro2的第二套管302,其中Ro1>Ro2。侧力Fs作用于离心部件309以及对称部件组307-1、307-2、307-3和307-4中的对称部件307-1和307-3的每个上。为了便于说明,侧力Fs由每个位置处的相同变量示出。然而,不同部件处的侧力可能是不同的,其通过力的总体平衡条件而彼此相关。除了上文所定义的变量之外,针对三个部件定义了以下术语(此类术语可被延伸用于具有多于三个部件的模型):
[0022] N=轴向力
[0023] M=作用于部件的力矩
[0024] Fs=作用于部件的侧力
[0025] L1、L2、L3=部件之间的距离
[0026] e1、e2、e3=部件与井眼中心的位移
[0027] eec=离心部件的偏心距
[0028] K1、K2、K3=部件的刚度
[0029] Θ=弯曲角
[0030] Rp=部件的外半径
[0031] Ro=套管的内半径
[0032] μ=摩擦系数
[0033] Ff=作用于管柱的总摩擦力
[0034] EI=部件的弯曲刚度
[0035] v1、v2=同心部件处的侧变形
[0036] vec=离心部件处的侧变形
[0037] 图4示出对经历侧力的三个部件的位移的表示。所述三个部件位于位置A、B和C处,其中B与C相隔距离L2,并且B与A相隔距离L1。利用上文给出的定义,根据力的平衡,可由分别在位置A和位置C处的侧力Fs1和侧力Fs3来定义侧力Fs2。在这三个部件的分析中,可将制部件模型化为具有无穷刚度以使得K1=K2=K3。本文所述的模型化还可包括按照针对所述部件的模型化将钻柱模型化为钢制型,部件中没有变形,在轴向方向上没有变形,并且具有小的接触面积/薄部件。所述侧力可由侧力Fs1、Fs2和Fs3定义,其可通过以下公式给出:
[0038]
[0039]
[0040] Fs2=-Fs1-Fs3
[0041] 本文所论述的方法提供用以估算这些各种条件下的侧力的一种机制。所述方法还可提供对部件之间的最小位移的估算。与所述方法相关联的计算可包括复杂的方程式。可执行对这些方程式的处理来求解方程式以便获得侧力、拖曳力和最小位移。
[0042] 图5示出五部件模型,在所述模型中离心部件509定位为部件次序中的中心部件,其中在离心部件509的一侧上具有对称部件507-1和507-2并且在离心部件509的另一侧上具有对称部件507-4和507-5。每个部件具有与井眼中心的位移,所述位移用相应部件的Rp和Ro表示。离心部件509由于其偏心距而包括另外的项。
[0043] 图6关于完井管柱在每个部件处的弯曲角示出图5的模型的表示。通过将轴向变形u取值为等于零而忽略u。考虑到邻近部件之间的每个长度可对完井管柱进行分段分析。对于每个长度来说,可关于轴向变形和侧变形考虑所述角或弯曲,并且可对于长度上的轴向力和长度端部处的剪切力考虑力矩。对于力矩的总和等于零的条件,可获得以下:
[0044]
[0045] 在j=1、2、3、4和5的这个方程式中,θj为完井管柱在第j部件处的弯曲角,vj为第j部件的侧变形,并且lj为第(j+1)部件与第j部件之间的长度,并且ij=EI/lj。可使用五个或更少部件的模型来对完井管柱进行适当分析。
[0046] 图7示出五部件模型的在单个方向上的摩擦力。五部件模型包括完井管柱705的五个部件707-1、707-2、707-3、707-4和707-5,其中所述部件中至少一个为偏心部件。摩擦力Ff可被计算为相应部件处的摩擦力Ffr1、Ffr2、Ffr3、Ffr4和Ffr5的总和。所述摩擦力中的每个与相应部件处的侧力Fs1、Fs2、Fs3、Fs4或Fs5成正比。摩擦力Ff可由以下公式给出:
[0047] Ff=μ(|Fs1|+|Fs2|+|Fs3|+|Fs4|+|Fs5|),
[0048] 其中μ为摩擦系数。这个摩擦力Ff计算可为完井管柱705提供拖曳力计算。
[0049] 如本文所教导的方法可用于故障分析。完井管柱中的应力可从模型化中进行计算。在最大应力被确定的情况下,可将其与应力σ强度作比较,所述σ强度表示完井管柱的在其下预期发生故障的强度。关于轴向应力σA,最大弯曲应力σBmax、最大剪切应力τmax,可允许达到σ强度的最大总应力σ由以下公式给出
[0050] σ=Max[σA+σBmax,SQRT(σA2+τmax2)]≤σ强度。
[0051] 可在贯穿井的寿命的钻探和生产期间使用光纤传感器和应变仪来执行连续监测,所述监测可与使用与本文所论述的方法类似或相同的方法进行的分析作比较。此类方法也可用于计算套管破裂、套管挤坏和安全系数。嵌入式应变仪可用于测量三轴应力。可相对于本文所教导的模型化来进行冯米塞斯应力的连续监测以便检查井的完整性。
[0052] 图8示出操作处理器以便执行完井管柱的负载分析的示例性方法的实施方案的特征。在810,将连续的管柱模型应用到具有包括偏心部件的多个部件的完井管柱。应用连续的管柱模型可包括应用五部件模型。在820,基于连续的模型在偏心部件处和在多个部件中的许多部件处进行力分析。在830,基于所述力分析,力平衡方程组被列出并加以求解。在840,基于所述力平衡方程组来确定在偏心部件上和在许多部件中的每个上的侧力。
[0053] 所述方法可包括基于确定侧力来确定完井管柱上的拖曳力。所述方法可包括基于确定侧力来对完井管柱执行应力分析。所述方法可包括使用软质管柱模型、刚性管柱模型、有限元件模型或多体系统模型来执行拖曳力分析或应力分析。所述方法可包括基于确定偏心部件和许多部件中的每个上的侧力,基于是否满足故障判定标准确定完井管柱的部件之间的最小位移。确定最小位移可包括迭代过程,其中完井管柱的部件之间的距离以连续的管柱模型增加,直到故障判定标准被满足。
[0054] 图9示出分析部件管柱以便确定部件的最小位移的示例性概述方法的实施方案的特征。在905,部件管柱的离心部件被标识为使得管柱变形。在910,部件上的由管柱变形产生的侧力可被标识为待评估。在915,同心部件处的管柱变形可利用对应的位移标识,所述对应的位移在920处被设置为e=Ro–Rp。在925,离心部件处的管柱变形可利用对应的位移标识,所述对应的位移在930处被设置为e=Rp+ec–Ro。在935,可应用连续的管柱模型。在940,可在连续的管柱模型的每个部件处执行力分析。在945,力平衡方程组可从所述力分析来进行求解。在950,可在求解所述力平衡方程组之后对每个部件上的侧力进行估算。在955,可在估算所述侧力之后执行拖曳力分析。在960,可在估算所述侧力之后执行应力分析。
[0055] 可使用962处的一个或多个软质管柱模型、964处的刚性管柱模型、966处的有限元件模型或968处的多体系统模型来进行拖曳力分析和应力分析。在970,可执行钩负载和扭矩计算。所述钩负载为从其钻柱、钻铤或其他相关联的设备被悬挂的装置上的总净力。在975,可执行管柱应力计算。在980,可进行查询来确定所述应力是否满足故障判定标准。故障判定标准可设置为
[0056] σ=Max[σA+σBmax,SQRT(σA2+τmax2)]≤σ强度,
[0057] 其中σ为最大总应力,应力σ强度表示部件的预期发生故障的强度,σA为轴向应力,σBmax为最大弯曲应力,τmax为最大剪切应力。在985,如果所述判定标准未被满足,那么部件之间的最小距离被增加并且所述分析返回至915和925来确定在这一更新的部件分隔距离处的同心部件的管柱变形和离心部件的管柱变形。在990,如果所述判定标准被满足,那么所述分析可结束。
[0058] 在各种实施方案中,非暂态机器可读存储装置可包括存储于其上的指令,所述指令在由机器执行时使得所述机器执行操作,所述操作包括与执行本文所述的完井管柱的负载分析相关的方法和技术的特征类似或相同的一个或多个特征。此类指令的物理结构可通过一个或多个处理器执行。执行这些物理结构可使得所述机器执行操作以便:将连续的管柱模型应用到具有包括偏心部件的多个部件的完井管柱;基于所述连续的模型来在偏心部件处和多个部件的许多部件处进行力分析;基于所述力分析列出并求解力平衡方程组;并且基于所述力平衡方程组来确定偏心部件上和许多部件中的每个上的侧力。此外,本文的机器可读存储装置是存储由所述装置内的物理结构表示的数据的物理装置。非暂态机器可读存储装置的实例可包括但不限于: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、快闪存储器和其他电子磁性和/或光学存储器装置。
[0059] 在各种实施方案中,系统可包括处理器和存储器单元,所述存储器单元被布置以使得所述处理器和存储器单元被配置来根据与本文所教导的方法类似或相同的在井眼中执行完井管柱的负载分析的技术执行一个或多个操作。所述系统可包括用以接收由设置在井眼中的一个或多个传感器产生的数据的通信单元。所述一个或多个传感器可包括光纤传感器、压力传感器或应变仪,以便提供对与井眼相关联的钻探和生产的监测。处理单元可被构造来执行与本文所论述的技术类似或相同的处理技术。此类处理单元可被布置为集成单元或分布式单元。所述处理单元可设置在井眼的表面处以便分析来自操作一个或多个井下测量工具的数据。
[0060] 图10描绘了可操作来执行完井管柱或钻柱的负载分析的示例性系统1000的实施方案的特征的方框图。系统1000可包括控制器1025、存储器1035、电子设备1065和通信单元1040。控制器1025和存储器1035可实现为管理如本文所述的处理方案。存储器1035可实现为具有存储于其上的指令的一个或多个非暂态机器可读存储装置,所述指令在由机器执行时使得所述机器执行操作,所述操作包括如本文所教导的负载分析的执行。处理单元1020可被构造来执行所述操作以便管理处理方案,所述处理方案以与本文所述的实施方案类似或相同的方式实现完井管柱或钻柱的负载分析。系统1000还可包括一个或多个评估工具
1005,所述评估工具1005具有可操作来作出关于井眼的测量的一个或多个传感器1010。所述一个或多个传感器1010可包括但不限于光纤传感器、压力传感器或应变仪,以便提供与井眼相关联的钻探和生产的监测。控制器1025和存储器1035还可被布置来操作一个或多个评估工具1005,以便在操作一个或多个评估工具1005时获取测量数据。
[0061] 电子设备1065可结合控制器1025使用,以便执行与利用一个或多个评估工具1005的一个或多个传感器1010进行井下测量相关联的任务。通信单元1040可包括钻探操作中的井下通信。此类井下通信可包括遥测系统。
[0062] 系统1000还可包括总线1027,其中总线1027在系统1000的部件之间提供导电性。总线1027可包括地址总线数据总线和控制总线,每个总线被独立地配置。总线1027还可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通过控制器1025来调节。总线1027可包括用以在系统1000的各种部件之间提供光学信号的光学传输介质。总线1027可被配置以使得系统1000的部件得以分布。总线1027可包括网络能力。此类分布可布置在如一个或多个评估工具1005的一个或多个传感器1010的井下部件与可设置在井的表面上的部件之间。或者,这些部件中的各个部件可共同定位,如在钻柱的一个或多个钻挺上、电缆结构上或其他测量布置上。
[0063] 在各种实施方案中,外围装置1045可包括显示器、另外的存储存储器和/或可结合控制器1025和/或存储器1035操作的其他控制装置。在实施方案中,控制器1025可实现为一个或多个处理器。外围装置1045可被布置来结合具有存储在存储器1035中的指令的显示单元1055操作,以便实现用户界面来管理一个或多个评估工具1005和/或布置在系统1000内的部件的操作。这种用户界面可结合通信单元1040和总线1027进行操作,并且可响应于完井管柱或钻柱的分析提供操作的控制和命令。可将系统1000的各种部件集成一体来执行与关于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。
[0064] 如本文所教导的方法和系统在在完井管柱中的多个偏心部件中运行时提供对侧力和拖曳力的模型化,这在此前未被研究。所述方法可用于在在偏心完井管柱中运行时估算两个部件之间的最小距离以便防止故障发生。这些方法还可用于估算侧力和偏心钻柱中的工具与部件之间的最小距离,以便在钻探操作期间防止任何故障发生。所述力和应力的精确模型化帮助选择适当的工具和部件,以便防止完井管柱中的材料的过载和故障并且避免损失。用以在在完井管柱中的多个偏心部件中运行时防止任何故障发生的对部件之间的最小距离的精确估算将帮助减小损失。
[0065] 尽管本文已说明和描述了具体的实施方案,但本领域普通技术人员将了解,计划来实现相同目的的任何布置可代替所示出的具体实施方案。各种实施方案使用本文所描述实施方案的排列和/或组合。应理解,以上描述意图是说明性且非限制性的,并且本文所采用的措辞或术语是用于描述的目的。本领域的技术人员将通过学习以上描述而显而易见以上实施方案和其他实施方案的组合。
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