способ определения положения точки прихвата в бурильных трубах с использованием измерения магнитной проницаемости указанных труб

Формула изобретения

1. Способ определения положения свободной точки в прихваченных бурильных трубах, включающий регистрацию параметра, характеризующего состояние металла трубы, и определение положения свободной точки по изменению величины указанного параметра, отличающийся тем, что в качестве указанного параметра используют величину спада электромагнитного поля от времени, генерированного приложением к трубе прямоугольного импульса электрического тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно после измерения спада электромагнитного поля проводят нагружение трубы с последующей повторной регистрацией спада электромагнитного поля от времени.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что положение свободной точки определяют путем использования зарегистрированных величин и формул Максвелла.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что трубе прилагают скручивающее или растягивающее усилие.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области горной промышленности, а именно к области исследования буровых скважин, и может быть использовано при определении свободных или прихваченных частей труб в скважине.

Во время бурения на нефтяных месторождениях часто происходит прихват бурильных труб в скважине. Основными причинами этой нежелательной ситуации являются следующие:

- Недостаточная циркуляция бурового раствора, что приводит к накоплению шлама в скважине;

- Недостаточный вес бурового раствора, что приводит к обвалу скважины;

- Избыточный вес бурового раствора, что приводит к залипанию;

- Особенности литологии породы, например гидрофильные глины, разбухающие в присутствии воды;

- Особенности структуры пород, например некоторые осадочные породы могут образовывать длинные узкие линзы;

- Касательные тектонические напряжения, приводящие к обвалу скважины;

- Неправильный состав бурового раствора, что приводит к неэффективной или легко расслаивающейся глинистой корке;

- Различные неисправности буровой установки, на вышке и подводном оборудовании, что приводит к длительным перерывам вращения трубы, в перемещении или циркуляции бурового раствора;

- Различные неисправности колонны труб;

- Последняя в списке, но не последняя по важности причина заключается в человеческих ошибках.

Факт прихвата трубы считается аварийной ситуацией и обычно включается во время простоя. На этапе предварительного (так называемого "разведочного") бурения почти в 1/3 скважин происходят прихваты труб.

Если стандартные меры освобождения от прихвата, например активация буровых ясов, повышение циркуляции бурового раствора, изменение веса бурового раствора и т.д., оказываются неэффективными, то начинается ремонтная операция под названием "аварийное извлечение части колонны". Типичная последовательность действий при подъеме трубы следующая:

1. Определение наиболее вероятного положения "свободной точки" - самого нижнего сечения трубной колонны, которое еще остается свободным.

2. Восстановление циркуляции бурового раствора - в некоторых случаях рекомендуется перфорировать трубу ниже свободной точки и восстановить циркуляцию бурового раствора от этой точки вверх. Интенсивный поток бурового раствора может вытеснить препятствие вверх.

3. Извлечение свободной трубы - труба выше свободной точки отделена от прихваченного нижнего участка и может быть извлечена на поверхность. Множество хитроумных механических, взрывающихся и химических устройств используются для разделения трубной колонны.

4. После извлечения бурильщики начинают так называемые "ловильные" работы, пытаясь захватить остаток трубной колонны и вытащить его из скважины. При условии надежного захвата задача, по существу, возвращается к вышеуказанному пункту 1, но теперь скважинная компоновка состоит из дополнительных буровых яс, плашки ловильного инструмента для захвата оставшейся части и разъединительного переходника для быстрого разъединения в случае дальнейших неисправностей.

5. Если ловильные работы пройдут удачно, то бурение скважины продолжается как обычно. Если ловильные работы будут частично неудачными, то бурильщик имеет выбор либо пробурить боковой ствол, который обходит остаток колонны, либо ликвидировать всю скважину. Важно понять, что без выполнения операции по подъему трубы (согласно вышеуказанному пункту 2) авария не может быть устранена путем обхода вторым стволом или ликвидирована безопасным и экологически приемлемым способом.

Как показано выше, процедура нахождения свободной точки важна для общего успеха операции по подъему трубы и даже может быть применена несколько раз во время одной попытки подъема трубы. Аварийное извлечение части колонны является одной из наиболее опасных операций на буровой и иногда приводит к производственному травматизму и даже гибели персонала.

В настоящее время в нефтедобыче существует три способа определения положения свободной точки:

1. Определение положения свободной точки, основанное на замере удлинения трубы с поверхности.

2. Скважинное определение свободной точки, основанное на закреплении датчиков напряжения и крутящего момента.

3. Скважинное определение свободной точки, основанное на магнитных метках.

Определение с поверхности является хорошо известным и легким способом определения места прихвата. Первое применение этого способа датируется началом 1880-х годов. Каждый квалифицированный бурильщик может провести такие замеры, и поэтому такие замеры проводятся после каждого прихватывания трубы. Сначала должна быть определена плавучесть бурильной трубы. Эта выталкивающая сила может быть рассчитана по специальным таблицам, основанным на удельном весе бурового раствора, типе бурильной трубы и ее длине. Расчеты проверяются при помощи индикатора веса на крюке путем сравнения рассчитанной выталкивающей силы со средними показаниями на крюке при перемещении вверх-вниз до определения равновесного положения - осреднение этих замеров на крюке снижает влияние ошибок на трение. После установки трубы в равновесное положение выполняют отметку мелом на бурильной колонне на уровне пола буровой. Бурильщик медленно прикладывает тяговое усилие, превышающее выталкивающую силу на заданную величину больше выталкивающей силы, и помощник бурильщика замеряет и записывает удлинение трубы - положение меловой отметки над уровнем пола буровой вышки. Линейная зависимость удлинения трубы от тягового усилия дает оценку положения места прихвата. Чем меньше удлинение трубы для фиксированного тягового усилия, тем меньше глубина нахождения свободной точки. Для большинства бурильных труб опубликованы таблицы коэффициентов удлинения труб и номограммы для определения положения свободной точки. В последнее время разработано специальное программное обеспечение для ноутбуков и карманных портативных компьютеров, позволяющее выполнить те же расчеты, даже если бурильная колонна составлена из различных труб. Общая точность этого способа ограничена разрешением индикаторов веса на крюке и общей конструкцией талевого блока и барабанов буровой лебедки. В искривленных скважинах на измерения также влияет трение между бурильными трубами и стенками скважины. Таким образом, наземное определение положения всегда проводится, но почти всегда дополняется и подкрепляется измерениями другого типа, которые описаны ниже.

Закрепленные датчики напряжения и крутящего момента начали применять для развития методов кабельных измерений с начала 1960-х годов. Самым последним примером таких приборов является индикатор положения свободной точки Free Point Indicator Tool (FPIT) компании Schlumberger. Прибор может быть установлен на обычный каротажный 7-жильный кабель. Прибор состоит из двух независимых электромеханических якорных секций, расположенных на расстоянии около 2 м друг от друга, и прецизионного датчика напряжения и крутящего момента, установленного между ними. Якорные двигатели могут быть включены от электронного блока, расположенного над верхним якорем. Тот же электронный блок выполняет оцифровку сигналов датчика и посылает их на поверхность в компьютеризированную систему управления и сбора результатов измерений. Измерения начинаются с определения равновесного положения, как было описано выше. Блочки каротажного кабеля расположены на буровой вышке - нижний в стандартном положении внизу, а верхний закреплен на конструкциях вышки. Верхний блочок не может быть установлен в обычное положение на талевом блоке, потому что это блок еще используется для приложения тягового усилия к трубам. Прибор затем опускается внутрь прихваченной бурильной колонны. Бурильщик прикладывает усилие, равное выталкивающей силе. В некоторой заранее определенной точке по команде с поверхности активизируют верхний якорь, и прибор закрепляют на трубе. Затем натяжение кабеля ослабляют для того, чтобы не влиять на результаты замеров случайным перемещением кабеля. После этого активизируют нижний двигатель. Сначала он "сбрасывает" блок датчика, устанавливая его в ненапряженное и незакрученное исходное состояние, потом он раздвигает нижний якорь. После этого бурильщик медленно прикладывает тяговое усилие с заданным превышением над выталкивающей силой, а оператор каротажной станции наблюдает за показаниями датчика. Если труба свободна в точке фиксации якоря, то датчик зарегистрирует осевое перемещение верхнего якоря относительно нижнего якоря. В зависимости от конструкции буровой вышки бурильщик может потом приложить крутящий момент к бурильной трубе с заданными шагами относительно нормального положения, а оператор считывает показания датчика. Если труба свободна в точке расположения якоря, то датчик зарегистрирует поворот верхнего якоря относительно нижнего якоря. После замера выбирают провисание кабеля, при этом якоря - сначала нижний, затем верхний - складываются и прибор может быть перемещен в следующую точку измерения, где всю процедуру повторяют. С использованием метода дихотомии (метода деления пополам) можно определить положение свободной точки с требуемой точностью после 10-15 измерений. Ограничения этого метода связаны с физикой измерений. Датчик должен быть очень чувствительным и регистрировать слабые относительные перемещения якорей. Таким образом, на измерения влияют трение кабеля внутри труб и положение кабеля на буровой вышке (особенно если он касается части движущегося блока). Далее на измерения может влиять скольжение якорей. Если внутренний диаметр трубы больше 80 мм, то изгиб ножек якоря снижает надежность измерений. Необходимость непрерывного перемещения трубы создает повышенную опасность для персонала на вышке, кроме того, замеры производятся довольно медленно. Измерения при помощи FPIT считаются "чувствительными к квалификации персонала" и требуют наличия опытного оператора-каротажника.

Метод магнитных меток (SU, авторское свидетельство 142242 Е21В 23/09, 1961) часто применяют промыслово-геофизические компании, возникшие из предприятий бывшего СССР/СНГ, и известен с начала 1960-х годов. Инструмент обычно состоит из диамагнитного кожуха с парамагнитным сердечником в виде катушки. На катушку намотана электрическая обмотка так, что образуется электромагнит с открытым сердечником. Чувствительную часть этого инструмента выпускают различных диаметров, так что щель между стенкой трубы и магнитным сердечником ограничена. Измерения начинают с определения равновесного положения, как было описано выше. Блочки каротажного кабеля устанавливают на буровой вышке - нижний блочок в обычном положении внизу, а верхний закрепляют на конструкции буровой вышки. Другой вариант - верхний блочок помещают в обычное положение на талевом блоке. В этом случае инструмент может быть на время извлечен из труб, пока талевый блок используют для приложения тягового усилия, которое потом удерживают с использованием клиньев бурового стола. В зависимости от конструкции буровой вышки этот вариант может быть значительно безопаснее и быстрее, чем в случае расположения верхнего блока на неподвижной конструкции буровой вышки. Бурильщик прикладывает усилие, равное выталкивающей силе. Каротажный инструмент опускают до дна трубы и выполняют "разметочный проход". На предварительно выбранном расстоянии, достижение которого определяют по кабельному одометру, на катушку подают ток большой величины и происходит намагничивание узкого кольца стенки бурильной трубы. После этого инструмент опускают еще раз и выполняют "основной проход". Катушка соединена с чувствительным электронным блоком, который измеряет электрическое напряжение в катушке и определяет намагниченность по длине стенок трубы. Затем катушку опускают еще раз вниз, и бурильщик с поверхности прикладывает тяговое усилие. Инструмент при этом выполняет "проход с нагружением" и записывает уровень намагниченности стенок трубы. На основе сравнения показаний "основного прохода" и "прохода с нагружением" делают вывод о положении свободной точки. На участке ниже свободной точки положение и интенсивность магнитных меток останутся неизменными, в то время как на участке выше свободной точки расстояние между метками немного увеличится, а их интенсивность уменьшится. Ограничения этого метода связаны с тем, что бурильная труба должна быть изготовлена только из стали с достаточной коэрцитивной силой, чтобы труба сохраняла намагниченность. Метод неприменим для парамагнитных колонн, например, выполненных из алюминия, нержавеющей стали или монеля. Отрицательно сказывается на методе тот факт, что положение метки связывается с показаниями каротажного одометра, поэтому точность определения расстояния между магнитными метками неизбежно ограничена погрешностями измерения глубины и связана с хорошо известной математической проблемой "малой разницы больших величин".

Известен способ (SU, авторское свидетельство 600287 Е21В 23/00, 1978) определения места прихвата колоны бурильных труб. Согласно известному способу при определении места прихвата на каротажном кабеле вовнутрь прихваченной колонны труб к месту прихвата опускают прихватоопределитель и в интервале предполагаемого прихвата в выбранном масштабе глубин производят контрольную запись изменения магнитных свойств вдоль колонны труб. Используемый при реализации способа прихватоопределитель содержит электроввод, приборную головку, немагнитный защитный кожух и катушку с сердечником, а также размещенные в изоляционном стакане конденсатор, диод и газоразрядную лампу, которая включена между электровводом и катушкой параллельно диоду, при этом конденсатор включен параллельно катушке и газоразрядной лампе.

Недостатком известного способа следует признать сильную зависимость результатов определения места прихвата от предыдущего намагничивания трубы и невозможностью его использования в парамагнитных колоннах.

Известен также (SU, авторское свидетельство 1420148 Е21В 47/09, 1988) способ определения границы зоны прихвата колонны бурильных труб в скважине. Согласно известному способу в заданном участке бурильной колонны создают стационарное магнитное поле, которое соответствует максимальной дифференциальной проницаемости материала колонны, при плавном механическом нагружении колонны в свободном от прихвата участке появляется эффект Баркгаузена, который регистрируют. Эффект Баркгаузена представляет собой появление импульсного электрического тока или напряжения в цепи катушки индуктивности, расположенной вблизи поверхности ферромагнитного объекта. О границе зоны прихвата судят по исчезновению эффекта Баркгаузена.

Недостатком известного способа следует признать низкую чувствительность метода и возможность получения ложной индикации свободной колонны при высокой коэрцитивной силе металла колонны, а также необходимость выполнения стационарных измерений, что значительно удлиняет время работ.

Наиболее близким аналогом разработанного способа можно признать (SU, авторское свидетельство 142242 Е21В 23/09, 1961) способ определения места прихвата бурильных труб. При реализации известного способа последовательно создают с использованием намагничивающей катушки дискретные магнитные метки на бурильной трубе. Затем посредством магнитомодуляционного датчика записывают кривую магнитной индукции (напряженности магнитного поля) вдоль колонны труб. Прилагают к прихваченной трубе механическое (растягивающее или крутящее) усилие определенной величины, не превышающей предела прочности трубы, и повторно записывают кривую магнитной индукции. В результате упругой деформации свободной части бурильной трубы магнитные метки на этой части трубы размагничиваются, а на зажатой части остаются, что четко видно на кривой магнитной индукции.

Недостатком известного способа следует признать его сложность, обусловленную необходимостью выполнения операции - создание дискретных магнитных меток, а также недостаточную точность, обусловленную дискретным характером расположения меток.

Техническая задача, решаемая посредством предлагаемого способа определения места положения свободной точки в прихваченных бурильных трубах, состоит в повышении надежности и упрощения процедуры определения местонахождения свободной точки в колонне.

Технический результат, получаемый при реализации разработанного способа, состоит в уменьшении стоимости аварийных работ за счет сокращения времени его проведения, а также точности определения места прихвата.

Для достижения указанного результата предложено использовать разработанный способ определения положения свободной точки в прихваченных бурильных трубах, включающий регистрацию параметра, характеризующего состояние металла трубы, и определение положения свободной точки по изменению величины указанного параметра, причем в качестве указанного параметра используют величину спада от времени электромагнитного поля, генерированного приложением к трубе прямоугольного импульса электрического тока.

Для повышения точности определения дополнительно после измерения спада электромагнитного поля предпочтительно проводят нагружение трубы с последующей повторной регистрацией спада электромагнитного поля. Желательно нагружение проводить с усилием, близким, но неразрушающим материал трубы. В этом варианте реализации предпочтительно положение свободной точки рассчитывают с использованием измеренных величин и уравнений Максвелла.

В зависимости от условий на буровой к трубе прилагают скручивающее или растягивающее усилие.

При реализации способа предпочтительно используют скважинное устройство, состоящее из диамагнитного корпуса, внутри которого соосно расположенные возбуждающая катушка и два устройства для измерения электромагнитного поля (в частности, две соосные катушки) расположены по обеим сторонам от возбуждающей катушки. Метод регистрации ЭДС в принимающих катушках или других устройствах для регистрации электромагнитного поля является стандартным.

Разработанный способ основан на следующем физическом явлении. Если в возбуждающей катушке создать короткий (˜200 мс) прямоугольный импульс электрического тока, то электромагнитное поле за пределами катушки с исчезновением тока мгновенно не исчезнет. Спад электромагнитного поля за пределами катушки описывается системой дифференциальных уравнений, которые могут быть напрямую выведены из уравнений Максвелла.

Предлагаемый способ основан на том, что существует строгое экспериментальное доказательство того, что магнитная проницаемость в парамагнитных и ферромагнитных материалах зависит от напряженного состояния указанного материала. После изменения напряженного состояния трубы магнитная проницаемость материала измеряется в пределах, достаточных для идентификации точки прихвата (изменение около 9.5% в допустимых пределах изменения нагружения колонны). Определение магнитной проницаемости методом становления поля не зависит от предварительной намагниченности материала колонны.

Математическое моделирование и результаты натурных экспериментов показывают, что скорость спада магнитного поля в предложенном методе зависит от четырех параметров: внутреннего диаметра буровой колонны r₁, внешнего диаметра буровой колонны r₂, удельной электропроводимости буровой колонны и магнитной проницаемости . Параметры r₁ и r ₂ известны с хорошей точностью. Параметры r ₁, r₂ и при нагружении колонны существенно не меняются (изменение не более 0.07% в допустимых пределах изменения нагружения). Таким образом, резкое изменение величины спада электромагнитного поля уже позволяет определить место нахождения свободной точки, а выполнение двух проходов скважинного прибора при ненагруженном и нагруженном состояниях колонны позволяет разрешить систему уравнений относительно изменения параметра по всей длине колонны, точно определив, таким образом, место прихвата.

Определение равновесного состояния колонны желательно, но не обязательно для применимости метода.

В ходе отработки способа было экспериментально доказано, что измеряемая величина не зависит от предшествующего намагничивания стальных труб, и эффект присутствует в разнообразных материалах труб, включая магнитомягкие ферромагнитные и парамагнитные сплавы, например сталь, углеродистая сталь, монель и алюминий, что делает способ применимым в любых буровых и обсадных колоннах, кроме «экзотических» случаев стеклопластиковых колонн.

В наиболее предпочтительном варианте реализации способ реализуют следующим образом.

1. Кабельные блоки располагают на буровой вышке так же, как при измерениях с использованием ранее описанного метода магнитных меток.

2. Предлагаемый скважинный прибор опускают до низа трубы и осуществляют "первый проход" с выполнением измерений спада электромагнитного поля по всей длине трубы. Прибор двигают по скважине и в возбуждающую катушку посылают импульсы тока (200 мс). Сразу после выключения тока записывают спад электромагнитного поля от времени в течение 500 мс. Таким образом, получается запись кривых спада электромагнитного поля от времени на равных интервалах вдоль длины трубы. Данные запоминают, например, на жестком диске компьютера.

3. К колонне прикладывают натяжение либо скручивание с использованием механизмов буровой установки.

4. Предлагаемый скважинный прибор опускают до низа трубы и осуществляют "второй проход" с выполнением измерений спада электромагнитного поля по всей длине трубы, точно так же, как было описано в п.2 выше. Сравнивая полученные кривые спада с данными, записанными ранее в п.2, получают значение относительного изменения вдоль колонны.

5. Делают вывод о точке прихвата: ниже нее существенно не меняется ( 0), а выше - меняется, тем больше, чем больше было приложенное усилие в п.3 выше.

Ниже приведен конкретный пример реализации предлагаемого способа на экспериментальной установке с использованием стальной обсадной колонны диаметром 155 мм. Длина обсадной колонны составляет 1840 м. После первого прохода скважинного прибора местонахождение свободной точки было определено как 1170 м от поверхности. Трубу нагрузили растяжением с усилием 0,95 от предела механической прочности. После второго прохода скважинного инструмента местонахождение свободной точки было уточнено до 1158 м от поверхности. Реально свободная точка находилась на глубине 1158,1 м.

Точность определения места прихвата по глубине соответствует точности системы определения глубины применяемого каротажного регистратора (т.е. ±0,15 м в приведенном примере).