测定密封环隙内的压力 |
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| 申请号 | CN201380080011.9 | 申请日 | 2013-10-31 | 公开(公告)号 | CN105874161A | 公开(公告)日 | 2016-08-17 |
| 申请人 | 界标制图有限公司; | 发明人 | R·米歇尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开用于基于 质量 守恒测定密封环隙内的压 力 以测试所述密封环隙的结构完整性的系统和方法。通过使用所述密封环隙中的 流体 的总质量而不是体积变化来将质量守恒应用于密封环隙中的流体，作为估计由于 温度 变化而导致的压力变化的 基础 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于测定密封环隙内的压力以测试所述密封环隙的结构完整性的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 测定密封环隙内的压力[0001] 相关申请的交叉引用 [0002] 不适用。 [0004] 不适用。发明领域 [0005] 本公开一般涉及用于测定密封环隙内的压力的系统和方法。更具体地，本公开涉及基于质量守恒测定密封环隙内的压力以测试所述密封环隙的结构完整性。 背景技术[0006] 诸如驻留于地下地层中的石油或天然气的自然资源可通过钻井进入地层来回收。地下地层通常与使用称为固井技术的其他地层分离。具体地，井眼通常向下钻入地下地层同时通过所述井眼循环钻井液。在钻孔终止之后，管柱(例如，套管柱)在井眼中运行。然后通常执行初次固井，由此水泥浆通过套管柱向下泵送并且进入套管柱与井眼壁或另一个套管柱之间的环隙以允许所述水泥浆形成不可渗透的水泥柱并且从而填充部分环隙。在完井液(诸如隔离液和水泥)被截留在适当地方之后，对环隙进行密封通常发生在临近固井操作结束时以便将环隙内的这些流体与环隙外部区域隔离。环隙通常通过闭合阀、激励密封件等来密封。 [0007] 在固井操作完成之后，可以开始石油或天然气的生产。在石油和天然气流动通过套管柱之后，在地面处产生石油和天然气。当石油和天然气穿过套管柱时，热量可从此类流体通过套管柱被传递到环隙。因此，水泥柱上方的环隙中的流体的热膨胀致使环隙内的压力升高，也被称为环隙压力累积。通常发生环隙压力累积，因为环隙是密封的并且其体积是固定的。环隙压力累积可能致使对井眼的损坏，诸如对水泥护层、套管、管件和其他设备的损坏。此外，环隙压力累积使合适的套管设计变得困难，虽然并非不可能。因为流体压力对于每个井眼的环隙可能是不同的，所以使用标准套管设计可能是不实际的。为了控制环隙压力累积，常规方法使天然气在固井操作期间循环进入各处。因为天然气是可移动的，难以将天然气安置在合适的位置，并且同时控制环隙中的流体压力。例如，如果将天然气安置在远低于环隙的顶部处，那么上升的天然气将升高环隙中的压力。 [0008] 为了维持密封环隙内的安全和可接受的压力，必须在某一级别的确定性内计算密封环隙内的压力。已经提出用于测定环隙压力累积的一些方法，所述方法基于体积变化。例如，一种方法根据方程式(1)使用流体体积弹性模量K和体积热膨胀系数β来计算流体体积变化ΔVf： [0009] [0010] 其中Vf是流体体积，ΔT是温度变化，并且ΔP是压力变化。方程式(1)使用从密封环隙中的流体的PVT(压力-体积-温度)行为得到的参数，而不是直接测量的特性。因为方程式(1)适用于整个环隙，所以K和β的值代表必须恰当选择以得出正确答案的某一类型的平均值。并且，方程式(1)可被用于在某一级别的确定性内仅针对足够小的ΔT和ΔP值计算密封环隙内的压力。另一种方法直接使用流体的PVT行为并且在环隙的长度上对体积变化进行积分来根据方程式(2)计算流体体积变化ΔVf： [0011] [0012] 其中ρ是初始密度，Δρ是密度变化，A是环隙截面积并且s是环隙的轴坐标(测量的深度)。方程式(2)中的假设是温度和压力是s的函数，并且密度被计算成温度和压力的函数，使得方程式(2)的被积函数也随着s变化。在由方程式(1)和(2)表示的两种方法中，根据传统的弹性理论使用拉梅方程式将套管体积变化ΔVc计算成压力和温度的函数。因此，当满足下列条件时，确定由方程式(1)表示的方法或由方程式(2)表示的方法的环隙压力累积ΔPb。 [0013] ΔVf＝ΔVc (3) [0014] 当在密封环隙中存在多种流体时，两种方法的缺点显而易见。例如，可在环隙的底部引入天然气，所述天然气稍后移动到环隙的顶部。根据上述方法，这种天然气不能由其体积来表征，因为其体积随着压力和温度而变化。换句话说，在环隙的底部的天然气通常将比在环隙的顶部的天然气具有更高的温度和压力。 [0016] 以下参照附图描述了本公开，在附图中使用相同的参考数字表示相同的元件，并且在附图中： [0017] 图1是示出用于实现本公开的方法的一个实施方案的流程图。 [0018] 图2是密封环隙中的相应流体的不同质量的一系列示意性显示，所述示意性显示示出相应流体在根据图1中的方法调整密封环隙内的压力时的不同质量。 具体实施方式[0020] 本公开因此通过提供用于基于质量守恒测定密封环隙内的压力以测试密封环隙的结构完整性的系统和方法来克服现有技术中的不足。 [0021] 在一个实施方案中，本公开包括一种用于测定密封环隙内的压力以测试密封环隙的结构完整性的方法，所述方法包括：a)基于每种流体的初始温度和初始压力计算密封环隙中的每种流体的初始质量；b)基于每种流体的新温度和新压力计算密封环隙中的每种流体的新质量；以及c)使用计算机处理器通过比较密封环隙中的每种流体的初始质量的总和与密封环隙中的每种流体的新质量的总和来测定密封环隙内的压力。 [0022] 在另一个实施方案中，本公开包括一种用于测定密封环隙内的压力以测试密封环隙的结构完整性的有形地携载计算机可执行指令的非暂时性程序载体设备，所述指令可被执行以实现：a)基于每种流体的初始温度和初始压力计算密封环隙中的每种流体的初始质量；b)基于每种流体的新温度和新压力计算密封环隙中的每种流体的新质量；以及c)通过比较密封环隙中的每种流体的初始质量的总和与密封环隙中的每种流体的新质量的总和来测定密封环隙内的压力。 [0023] 在另一个实施方案中，本公开包括一种用于测定密封环隙内的压力以测试密封环隙的结构完整性的有形地携载计算机可执行指令的非暂时性程序载体设备，所述指令可被执行以实现：a)基于每种流体的初始温度和初始压力计算密封环隙中的每种流体的初始质量；b)基于每种流体的新温度和新压力计算密封环隙中的每种流体的新质量；c)通过比较密封环隙中的每种流体的初始质量的总和密封环隙中的每种流体的新质量的总和来测定密封环隙内的压力；d)基于密封环隙中的每种流体的初始质量的总和不在密封环隙中的每种流体的新质量的总和的预先确定的公差内来调整密封环隙内的新压力；以及e)重复步骤b)-d)。 [0024] 具体地描述了本公开的主题，然而，该描述本身并不意图限制本公开的范围。因此，主题还可以结合其他当前或未来的技术以其他方式来实现，以包括类似于本文所描述的步骤的不同步骤或步骤的组合。此外，尽管术语“步骤”在本文中可以用来描述所采用的方法的不同元素，但是术语不应该被理解为暗示在本文中所公开的步骤之中或之间的任何特定的顺序，除非通过描述以其他方式明确地限制为特定的顺序。尽管本公开可以应用于石油和天然气工业，但是它并不限制于此并且还可以应用于其他工业中以取得类似的成果。 [0025] 方法说明 [0026] 现参考图1，示出了用于实现本公开的方法100的一个实施方案的流程图。方法100基于密封环隙中的流体的质量守恒，其由方程式(4)表示： [0027] [0028] 其中ρinit是流体的初始密度，ρnew是流体的新密度，A是初始截面积，并且ΔA是由于温度和压力变化的附加的截面积。方程式(4)，以及方程式(5)和方程式(8)中的其组成部分的积分限是从密封环隙中的每种流体的底部s0到密封环隙中的每种流体的顶部s1。在固井程序期间使用流通的体积在套管设计中指定或者在流体的现场安装期间估计这些深度。方法100因此通过使用密封环隙中的流体的总质量而不是体积变化来测定密封环隙中的压力，作为估计由于温度变化而导致的压力变化的基础。 [0029] 在步骤102中，自动输入密封环隙中的流体的初始温度和初始压力或者可使用进一步参考图3描述的客户端接口和/或视频接口将它们手动输入。在环隙被密封之前测量密封环隙中的流体的初始温度和初始压力。 [0030] 在步骤104中，使用来自步骤102的初始温度和初始压力以及针对单一流体的方程式(5)计算密封环隙中的流体的初始质量： [0031] [0032] 或针对多种流体的方程式(6)： [0033] [0034] 其中N是密封环隙中的流体的数量并且k表示流体，其具有sk-1与sk深度之间的初始密度 密封环隙中的多种流体的总初始质量由方程式(7)表示： [0035] [0036] 使用本领域熟知的技术根据每种流体的初始温度和初始压力计算密封环隙中的每种流体的初始密度。密封环隙中的每种流体的初始截面积由完井套管设计定义并且被指定为深度s的函数。 [0037] 在步骤106中，自动输入密封环隙中的流体的新温度和新压力或者可使用进一步参考图3描述的客户端接口和/或视频接口将它们手动输入。由于在井眼中向前钻井，或者参考步骤112进一步描述的其他条件，可升高密封环隙中的流体的温度，从而致使流体在密封环隙中膨胀，或者降低密封环隙中的流体的温度，从而致使流体在密封环隙中收缩。因此，每种流体可具有新密度ρnew和附加的截面积ΔA。 [0038] 在步骤108中，使用来自步骤106的新温度和新压力以及针对单一流体的方程式(8)计算密封环隙中的流体的新质量： [0039] [0040] 或针对多种流体的方程式(9)： [0041] [0042] 使用本领域熟知的技术根据每种流体的新温度和新压力计算密封环隙中的每种流体的新密度ρnew。通过任何熟知的弹性理论，例如，用于厚壁管的拉梅解决方案来确定密封环隙中的每种流体的附加的截面积ΔA。密封环隙中的多种流体的总新质量由方程式(10)表示： [0043] [0044] 密封环隙中的多种流体的最终质量的计算可能需要解决密封环隙中的每种流体的初始深度和最终测量到的深度可能不同的事实。当天然气存在于密封环隙中时尤其如此。一种方法是计算每种流体的深度，使得最终质量等于初始质量。第一流体(k＝1)质量开始于已知的深度s0，其测定新深度 使得 一般来说， 下一流体(k＝2)质量从 积分到 使得 因为密封环隙具有固定的深度，最终深度是sn，其可不对应于 并且意味着如图2中示出的实例证明，质量将太大 或太小 [0045] 在步骤110中，方法100确定密封环隙中的流体的初始质量是否在密封环隙中的流体的新质量的预先确定的公差(例如，.01％)内。换句话说，当环隙压力累积ΔPb使得针对单一流体的|Minit-Mnew|足够接近于零并且使得针对多种流体的 足够接近于零时，密封环隙中的流体的初始质量在密封环隙中的流体的新质量的预先确定的公差内。如果密封环隙中的流体的初始质量在密封环隙中的流体的新质量的预先确定的公差内，那么方法100进行到步骤114。如果密封环隙中的流体的初始质量不在密封环隙中的流体的新质量的预先确定的公差内，那么方法100进行到步骤112。 [0046] 在步骤112中，使用本领域熟知的技术调整密封环隙中的压力以便使密封环隙中的流体的初始质量处于密封环隙中的流体的新质量的预先确定的公差内。以这种方式，可以验证围绕密封环隙的任何套管的结构完整性和设计。例如，如果Mnew＜Minit，那么需要升高密封环隙中的压力，其将升高密封环隙中的流体的新温度、新密度ρnew和附加的截面积ΔA。相反，如果Mnew＞Minit，那么需要降低密封环隙中的压力，其将降低密封环隙中的流体的新温度、新密度ρnew和附加的截面积ΔA。方法100然后转到步骤108，使用新温度和新压力来计算密封环隙中的流体的新密度ρnew和附加的截面积ΔA的新值。 [0047] 在步骤114中，使用本领域熟知的技术在套管上执行应力分析。因为常规的体积变化没有解决密封环隙中的最终压力分布，由满足步骤110的条件产生的新密度、新压力和新温度可用来通过解决密封环隙中的流体的静态平衡方程式(11)测定密封环隙中的最终压力分布： [0048] [0049] 其中温度被给定为轴坐标s(测量到的深度)的函数。当满足步骤110的条件时，新压力也应当满足方程式(11)，但是在新温度分布并且压力递增ΔPb的情况下。对于一些液体来说，密度对压力和温度可能不是非常敏感，所以初始压力分布可能是可以接受的。然而，如果在密封环隙中存在天然气，那么初始压力分布通常将不接近最终压力分布。为了正确地计算步骤108中的方程式，可能需要同时计算方程式(11)。用于计算方程式(11)的熟知的数值方法还可容易地计算步骤108中的方程式。 [0050] 因为天然气比其他典型的环隙流体更容易压缩并且可利用较小的压力变化来实现较大的体积变化，所以环隙天然气盖通常被指定来最小化环隙压力累积。一般来说，天然气不能总是被安置在环隙的顶部处。然而，最终，天然气将移动到环隙的顶部。存在与称作u型管效应的这种移动相关联的压力变化。在在底部具有不可压缩的流体和气泡的刚性密封容器中，气泡向上的移动将升高容器中的压力。这种行为的原因是气体压力与气体体积成正比，并且气体体积由刚性容器和不可压缩的流体固定。例如，假设容器的顶部处的压力是10psi并且底部处的压力是100psi，那么在底部处具有气泡。如果气泡上升到顶部，那么其体积不能改变，所以其压力仍然是100psi。因为不可压缩的流体由于其重量而添加90psi，所以容器底部处的压力现在是190psi。为了解决这个问题，必须根据流体的质量制定环隙压力累积，因为质量不随压力和温度变化。使用方法100，可利用在环隙的顶部下方的某一深度处的气体准确地估计密封环隙中的流体的初始质量。气体然后可移动到环隙的顶部。 因为质量是不变的，流体质量不变，仅仅它们的位置变化。质量增量可能需要满足质量守恒原理，并且这种压力是这种环隙的u型管压力。方法100因此更有效地测定密封环隙中的压力，这对于套管设计的应力分析是必需的。方法100还允许计算由密封环隙内的气囊的移动导致的u型管压力，这对于深水套管设计的政府审批是必需的。 [0051] 实施例 [0052] 现在参考图2，密封环隙中的相应流体的不同质量的一系列示意性显示示出相应流体在根据图1中的方法100调整密封环隙内的压力时的不同质量。在每个示意显示中使用了两种相同的流体。示意显示200A示出密封环隙202、第一流体初始体积204和第二流体初始体积206，使用图1的步骤104中的方程式(6)计算流体的初始质量。示意显示200B示出密封环隙202、第一流体新体积205和第二流体新体积207，在由于钻井条件而导致密封环隙202中的压力升高之后，使用图1的步骤108中的方程式(9)计算流体的新质量。第一流体新体积205的新质量等于第一流体初始体积204的初始质量，然而，第二流体新体积207的新质量小于第二流体初始体积206的初始质量，从而导致当第二流体初始体积206与第二流体新体积207比较时，第二流体初始体积206损失质量208。因为第一流体新体积205和第二流体新体积207的总质量不在第一流体初始体积204和第二流体初始体积206的预先确定的公差内，那么必须根据图1中的步骤112调整密封环隙中的压力。示意显示200C示出密封环隙 202、另一个第一流体新体积210和另一个第二流体新体积212，在根据图1中的步骤112进行密封环隙202中的压力变化之后，使用图1的步骤108中的方程式(9)计算流体的新质量。现在另一个第一流体新体积210和另一个第二流体新体积212在第一流体初始体积204和第二流体初始体积206的预先确定的公差内。 [0053] 系统描述 [0054] 本公开可以通过计算机可执行的指令程序来实现，如通常被称为由计算机执行的软件应用或者应用程序的程序模块。所述软件可以包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例如例程、程序、对象、部件和数据结构。所述软件形成界面以允许计算机来根据输入源做出反应。由Landmark Graphics Corporation销售的商业化软件应用WellCatTM可被用作为界面应用以实现本公开。所述软件还可以与其他代码段协作以响应于结合所接收的数据源所接收的数据开始多种任务。所述软件可以被存储和/或携载在任何各种存储器诸如CD-ROM、磁盘、磁泡存储器和半导体存储器(例如，各种类型的RAM或ROM)上。此外，所述软件和其结果可以在各种载体介质诸如光纤、金属线和/或通过各种网络(诸如互联网)中的任一种上传输。 [0055] 此外，本领域技术人员将理解的是：这些不同公开可以用各种计算机系统配置来实践，包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费者电子器件、微型计算机、大型计算机等。任意数目的计算机系统和计算机网络可与本公开一起使用。可以在分布式计算环隙境中实施本公开，在所述环隙境中由通过通信网络加以链接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储器存储设备的本地和远程计算机存储介质中。因此，本公开可在计算机系统或其他处理系统中与各种硬件、软件或其组合相结合地实现。 [0056] 现在参考图3，框图示出用于在计算机上实现本公开的系统的一个实施方案。所述系统包括计算单元、有时被称为计算系统，所述计算单元包括存储器、应用程序、客户接口、视频接口、以及处理单元。所述计算单元仅仅是合适的计算环境的一个实例，并且无意暗示对本公开的使用或功能性的范围任何限制。 [0057] 所述存储器主要存储应用程序，所述应用程序还可以被描述为含有计算机可执行的指令的程序模块，所述计算机可执行的指令由计算单元执行来实现本文描述的以及图1-2中示出的本公开。因此，存储器包括环隙压力维持模块，其允许参考图1描述步骤102-112。 所述环隙压力维持模块可以集成来自图3中示出的剩余应用程序的功能性。具体地，WellCatTM可被用作接口应用以执行在图1的步骤114中的应力分析。尽管WellCatTM可以被用作为接口应用，但是其他接口应用可以被替代使用，或者环隙压力维持模块可以被用作为独立的应用。 [0058] 尽管计算单元被示出为具有一般的存储器，但是计算单元通常包括多种计算机可读介质。借助实施例说明，但并非限制，计算机可读介质可包括计算机存储介质和通信介质。所述计算系统存储器可以包括呈易失性和/或非易失性存储器形式的计算机存储介质，如只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)。含有基本例程的基本输入/输出系统(BIOS)通常存储于ROM中，所述基本例程有助于在计算单元内的元件之间转移信息，诸如有助于在启动期间传输信息。RAM通常含有可直接访问处理单元和/或当即在处理单元上运作的数据和/或程序模块。通过举例的方式，并且非限制性地，计算单元包括操作系统、应用程序、其他程序模块、以及程序数据。 [0059] 存储器中所示的成分还可以包括在其他可移动/非可移动、易失性/非易失性计算机存储介质中或者它们可以通过应用程序界面(“API”)或云计算被实现在计算单元中，所述应用程序界面(“API”)或云计算位于通过计算机系统或者网络连接的单独的计算单元上。仅仅举例而言，硬盘驱动可以从不可移动、非易失性的磁性介质读取或写入所述不可移动、非易失性的磁性介质中，磁盘驱动可以从可移动、非易失性磁盘读取或写入所述可移动、非易失性磁盘中，并且光盘驱动可以从可移动、非易失性光盘如CD ROM或者其他光学介质读取或写入所述可移动、非易失性光盘如CD ROM或者其他光学介质中。可用于本示例性操作环隙境的其他可移动/不可移动、易失性/非易失性计算机存储介质可以包括(但不限于)盒式磁带、闪存卡、多功能数码光盘、DV录像带、固态RAM以及固态ROM等。驱动器及其它们相关联的上述计算机存储介质为计算单元提供对计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。 [0060] 客户可以通过客户接口将命令和信息键入计算单元中，所述客户接口可以是输入设备如键盘以及通常被称为鼠标、轨迹球或触摸板的指示设备。输入设备可以包括麦克风、操纵杆、卫星接收器、扫描仪等。这些和其他输入设备通常通过联接到系统总线的客户接口被连接到处理单元上，但是可以通过其他界面和总线结构如并行端口或者通用串行总线(USB)。 [0061] 监视器或者其他类型的显示设备可以经由界面如视频接口被连接到系统总线。图形用户界面(“GUI”)还可以与视频接口一起用来从客户接口接收指令并且将指令传输给处理单元。除了监视器之外，计算机还可以包括其他外部输出设备如扬声器和打印机，所述外部设备可以通过输出外部界面连接。 [0062] 尽管计算单元的许多其他的内部部件并未示出，但是本领域的普通技术人员将会理解这类部件和它们的互连是公知的。 |
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