專利名稱：解卡被卡鉆管的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及修井，尤其涉及一種壓差卡鉆時(shí)輔助使用超聲波能以在施加解卡力前減小濾餅的接觸面積的方法。
背景技術(shù)：
油氣井的鉆井過(guò)程中，鉆井液通過(guò)鉆柱的內(nèi)部向下，然后從鉆柱與井壁間的環(huán)空向上流回地面進(jìn)行循環(huán)。鉆井液有不同的作用，包括潤(rùn)滑鉆頭和鉆管、將鉆屑從井底攜帶回鉆機(jī)平面、對(duì)即將被鉆的地層施加靜水壓頭，以防止油氣的逸出或鉆井作業(yè)中水流入井眼。
鉆井過(guò)程中，鉆柱被卡的原因有很多種。壓差卡鉆是卡鉆事故的原因之一，經(jīng)常發(fā)生在鉆滲透層時(shí)，此處井筒壓力大于地層壓力。在這些情形下，當(dāng)鉆管靠在井壁上一段時(shí)間保持不動(dòng)時(shí)，泥漿濾餅在鉆管四周沉積，鉆井液施加的壓力將使鉆管固定在井壁濾餅上。
提醒操作人員注意可能發(fā)生壓差卡鉆的警示信息有，伴隨砂的大量消耗，預(yù)報(bào)的壓力很低；修長(zhǎng)且不穩(wěn)定的底部鉆具組合(下面寫作BHA)段處于傾斜井眼內(nèi)；流體損失失去控制以及砂含量的增加；鉆管開始運(yùn)動(dòng)的超載提升力、下鉆力或扭矩增加。
發(fā)生實(shí)際壓差卡鉆的征兆有鉆柱一段時(shí)間無(wú)運(yùn)動(dòng)、鉆柱不能旋轉(zhuǎn)或運(yùn)動(dòng)，但循環(huán)不受限制。
解卡壓差卡鉆鉆柱的方法包括施加扭矩，并在具有最大扭矩載荷時(shí)震擊；如果震擊不成功，使用鉆定心孔釋放炮彈；降低泥漿重量，這可能對(duì)井眼穩(wěn)定有影響。解卡鉆管所需的超載提升力可能超過(guò)鉆機(jī)的生產(chǎn)能力，甚至可能使鉆機(jī)損壞。如果有一種方法可以降低所需的解卡力，從而在沒(méi)有損壞可能的情況下，所用鉆機(jī)可施加足夠的超載提升力，那將是非常有益的。
石油工業(yè)中，應(yīng)用波能是公知技術(shù)。然而，超聲波能最普遍的應(yīng)用是在半導(dǎo)體工業(yè)中清潔電子微晶片，以及珠寶的日常清潔。
聲波和超聲波方法除了用于實(shí)驗(yàn)室?guī)r芯測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)井和地震應(yīng)用外，Tutuncn和Sharma指出了聲波能可將泥漿濾餅的初動(dòng)壓力降低五分之四。參見Tutuncn A.N.和Sharma M.M.，1994，“聲波場(chǎng)的膠質(zhì)分離機(jī)理”，第一屆AIChE(美國(guó)化學(xué)工程師協(xié)會(huì))國(guó)際粒子技術(shù)論壇，論文63e，24～29。
超聲波能的其它應(yīng)用包括，通過(guò)井下工具將能量傳給烴類，降低油的粘性，促進(jìn)油從井中的分離。例如，參見美國(guó)專利號(hào)5109922和5344532。US5727628公開了使用超聲波清潔水井。
近年來(lái)，人們也嘗試使用振動(dòng)能解卡鉆管。US4913234公開了一種系統(tǒng)，通過(guò)振動(dòng)能實(shí)現(xiàn)井內(nèi)管段的解卡，它包含a)一個(gè)包括殼體的軌道振子；b)一加長(zhǎng)螺旋形定子裝在殼體上，一加長(zhǎng)螺旋形轉(zhuǎn)子裝在該定子上自由地進(jìn)給滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)；c)用來(lái)懸掛所述振子的裝置在鉆管內(nèi)靠近卡鉆部位繞鉆管的縱向軸線旋轉(zhuǎn)；d)用來(lái)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)殼體橫向軌道的聲波振動(dòng)，使殼體繞鉆管內(nèi)壁橫向進(jìn)給，從而在鉆管上產(chǎn)生橫向正交振動(dòng)力，使鉆管從井眼解卡。
US5234056公開了一種解卡鉆柱的方法，該方法包括a)將一個(gè)機(jī)械振子彈性懸掛在一個(gè)彈性體支承的支承結(jié)構(gòu)上，該彈性支承具有線性常系數(shù)彈簧剛度；b)將振子連接到鉆柱的頂端，彈性體支承在鉆柱頂端產(chǎn)生低阻抗的振動(dòng)能量；c)驅(qū)動(dòng)振子產(chǎn)生縱向振動(dòng)模式的高階聲波振動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)鉆柱頂端的大縱向振動(dòng)位移；以及，d)鉆柱起聲波杠桿的作用，將鉆柱頂端的高振動(dòng)位移轉(zhuǎn)換為卡點(diǎn)處的高振動(dòng)力，從而促進(jìn)鉆柱的解卡。
當(dāng)鉆管壓差卡鉆時(shí)，結(jié)果通常是不得不切斷鉆管，目標(biāo)層也不能按最優(yōu)的路線到達(dá)。在本領(lǐng)域中，如果一種方法可降低解卡卡鉆鉆管所需力的大小，它將是非常有用的。這樣一種方法可能節(jié)省鉆井操作中大量的時(shí)間和金錢。
本發(fā)明中，公開了一種超聲波能的輔助應(yīng)用，它能減小管道的接觸面積，從而降低所需解卡力，并通常使得現(xiàn)有鉆具在超載提升時(shí)仍然綽綽有余。本發(fā)明將節(jié)省鉆具時(shí)間、避免側(cè)鉆，側(cè)鉆是一種高成本的作業(yè)，尤其是在海洋深水環(huán)境中。

發(fā)明內(nèi)容
依上所述，本發(fā)明提供了一種降低解卡卡鉆鉆管所需力大小的方法，包括a)沿著鉆柱下放一種超聲源至發(fā)生粘滯的接觸點(diǎn)，該超聲源最好具有至少20kHz的主要頻率；b)在接觸點(diǎn)施加超聲波振動(dòng)；c)減小接觸面積；d)施加降低了的解卡力松脫鉆管。
附圖概述

圖1是壓差卡鉆鉆管一種可能位置的示意圖。
圖2是試驗(yàn)室工作中使用的空心圓柱體過(guò)濾單元的原理圖。
圖3是被鉆井液損壞的鋁砂空心圓柱體試樣起鉆(解卡)力減小的曲線圖，該力是超聲處理時(shí)間的函數(shù)，濾餅在升高的壓力和室溫下形成。
圖4是貝雷砂巖空心圓柱體試樣起鉆(解卡)力減小的曲線圖，該力是超聲處理時(shí)間的函數(shù)。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明描述了一種超聲波能輔助應(yīng)用降低所需解卡力來(lái)解卡卡鉆鉆管的方法，尤其應(yīng)用于壓差卡鉆。
圖1是壓差卡鉆鉆管一種位置的示意圖。在欠平衡的高壓差泥漿壓力下，鉆柱4在滲透層2對(duì)面嵌入濾餅3，使管在接觸區(qū)域卡住。在動(dòng)態(tài)循環(huán)工況下，濾餅經(jīng)受液流和鉆柱的機(jī)械力沖蝕。當(dāng)井中管道保持靜止不旋轉(zhuǎn)時(shí)，可能形成靜態(tài)濾餅，這增加了整個(gè)濾餅的厚度。鉆柱可能嵌入厚濾餅中，尤其是井眼1高度傾斜和/或BHA沒(méi)有完全固定時(shí)。靜態(tài)濾餅從鉆管的后部封閉井筒壓力(處于過(guò)平衡)。在鉆柱/BHA背部后面的低壓區(qū)域擴(kuò)大，并開始抵消較低的地層壓力。差壓開始沿鉆管/BHA截面形成。隨著時(shí)間流逝，鉆管被封閉在濾餅中的面積增大。過(guò)平衡壓力乘以橫截面積得出的阻力防止鉆管被拉脫。開始時(shí)，阻力的增長(zhǎng)速度很快，然后隨時(shí)間增長(zhǎng)。
用來(lái)松脫鉆柱的典型措施包括施加扭矩，并在具有最大扭矩載荷時(shí)震擊。在壓差卡鉆過(guò)程中，循環(huán)通常沒(méi)有停止。因此，現(xiàn)場(chǎng)液體能循環(huán)通過(guò)導(dǎo)致卡鉆的地層?，F(xiàn)場(chǎng)液體包括能脫水和破碎濾餅的添加劑，也包括能潤(rùn)滑鉆柱的添加劑。破碎濾餅將有利于將泥漿壓力傳遞到鉆柱背部，消除鉆柱上的差壓，使摩擦力最小。粘滯力隨之減小，關(guān)系如方程式1所示Fs＝μAΔP(1)式中，μ是摩擦因子，A是接觸面積，ΔP是差壓。要解卡鉆管，解卡力需要等于或大于Fs。然而，由于鉆柱和/或鉆具的限制，有時(shí)候不可能產(chǎn)生足夠的力，在這種情形下，鉆柱必須被切斷，從而造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，鉆進(jìn)也不可能沿最優(yōu)線路到達(dá)目的層。降低泥漿重量在某些情形下可能有用，但是可能要危及井眼的穩(wěn)定性。
鉆柱的設(shè)計(jì)是主要考慮的問(wèn)題。鉆管的強(qiáng)度限制了最大許用負(fù)載，以及施加超載提升力的能力。即使鉆管強(qiáng)度設(shè)計(jì)得足夠，松脫鉆管所需的超載提升力可能超過(guò)鉆具能力。這是可能的，尤其是在平臺(tái)作業(yè)中使用小鉆具時(shí)，鉆具可能因所用力超過(guò)最大超載提升力而損壞。井下振子也允許卡點(diǎn)承受高沖擊力和相對(duì)低的起鉆力和坐封。然而，有時(shí)候施加的力不足以松脫卡鉆鉆管。振子自身也可能被卡。本發(fā)明中，卡鉆鉆管接觸面積的減小降低了所需的超載提升力。由于A減小，粘滯力也降低(關(guān)系參見方程式1)。因此，松脫卡鉆鉆管的難度降低了。
本發(fā)明中，一管的殼體內(nèi)封裝一超聲波源，管可以放置在鉆柱內(nèi)。超聲波源是一種大功率掃描聲波發(fā)射器，可在大約20kHz的固定頻率工作，或者，頻率也能在幾個(gè)Hz到40kHz之間變化。儀器是由不同數(shù)目的圓柱形陶瓷發(fā)射器組成，發(fā)射器徑向傳遞聲波能。發(fā)射器自身是一片實(shí)心鋼，其上附有壓電裝置。聲波儀器通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)井電纜連接到一個(gè)高功率放大器上。功率放大系數(shù)與儀器橫截面積的比率有關(guān)。
為了驗(yàn)證本發(fā)明，采用具有已知孔隙尺寸分布的浸透鹽水的貝雷砂巖和鋁砂空心圓柱體巖芯做動(dòng)態(tài)過(guò)濾試驗(yàn)。圖2是試驗(yàn)中使用的空心圓柱體過(guò)濾單元的原理圖。空心巖芯試驗(yàn)描述真實(shí)的井眼幾何結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)和搭建此單元來(lái)測(cè)試4-inch(英寸)外徑(OD)、8.3-inch長(zhǎng)度的巖芯試樣。單元可使用不同內(nèi)徑(ID)的空心圓柱體巖芯。在本發(fā)明中，使用0.9-inch內(nèi)徑的試樣。
一種由康涅狄格丹伯里的Branson超聲波公司生產(chǎn)的450型號(hào)的數(shù)字超聲波儀被用于超聲波清潔用途。系統(tǒng)包括能量供應(yīng)單元、控制單元、變換器和喇叭(horn)。一臺(tái)PC用來(lái)與系統(tǒng)交互，收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)。
在不同的壓差下，空心圓柱體貝雷巖(Berea)芯被不同地層的鉆屑和/或鉆井液毀壞。鉆井液用來(lái)實(shí)施靜態(tài)過(guò)濾。在600-psi(磅/平方英寸)壓差下對(duì)單元進(jìn)行過(guò)濾大約12小時(shí)。濾餅的厚度在2到3mm之間變化。鉆井液循環(huán)入空心圓柱體巖芯并從環(huán)空流出，循環(huán)壓力500-psi，流速50cc/min(立方厘米/分鐘)。然后停泵，從500-psi開始靜態(tài)過(guò)濾，并持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，使鉆管粘附，靜態(tài)濾液被收集起來(lái)。然后，使用20kHz主要頻率的超聲波喇叭在粘附于巖芯壁的管內(nèi)進(jìn)行超聲處理。滲透率、壓差、超聲處理幅度、功率、溫度都被監(jiān)控來(lái)作為超聲處理時(shí)間的函數(shù)，近完全滲透復(fù)原所需的能量和起鉆力也得到了研究。
下面的示例用來(lái)描述本發(fā)明公開的內(nèi)容。例子僅是為了說(shuō)明的目的，不應(yīng)該被解釋為對(duì)本發(fā)明任意范圍的限制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到在不脫離公開內(nèi)容的實(shí)質(zhì)時(shí)，本發(fā)明可以有不同的變化。
試驗(yàn)研究試驗(yàn)用于證實(shí)超聲波對(duì)降低卡鉆鉆管起鉆力的效果。設(shè)計(jì)了一種上面已描述并示于圖2的特殊動(dòng)態(tài)空心圓柱體循環(huán)裝置來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)。單元壓力、溫度、流動(dòng)速率、所用喇叭功率和幅度通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控。通過(guò)改變損壞面和喇叭的距離，來(lái)研究能量源距離遠(yuǎn)近的效應(yīng)。
再參考附圖2，系統(tǒng)包括一不銹鋼單元，兩可移動(dòng)活塞以及一超聲波喇叭(ultrasonic horn)把持器。它能在超過(guò)5000psi的壓力下工作，也能在特定壓差時(shí)在更高的溫度下運(yùn)行。兩個(gè)活塞泵(由Nebraska的ISCO公司制造和銷售)用來(lái)注入流體并同時(shí)控制壓差在±1psi精度內(nèi)，以測(cè)量試樣的滲透率。一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用來(lái)記錄和監(jiān)控實(shí)時(shí)壓力、流量、注入液體的體積。在超聲處理過(guò)程中，實(shí)時(shí)幅度、功率和時(shí)間也被記錄和監(jiān)控。
外徑4″、內(nèi)徑0.9″、長(zhǎng)8.3″的空心圓柱形貝雷和鋁砂巖芯試樣放置在動(dòng)態(tài)空心圓柱體過(guò)濾裝置上，外部濾餅由循環(huán)鉆屑和鉆井液在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力條件下造型，該現(xiàn)場(chǎng)位置處于套管和空心圓柱體壁間，如圖2所示。連續(xù)的滲透率測(cè)試使得有可能觀測(cè)到流體何時(shí)完全塞滿試樣孔隙空間。然后，超聲波喇叭置入管內(nèi)模擬如圖2所示的試驗(yàn)室卡鉆情形。在第一次測(cè)試中，沒(méi)有進(jìn)行超聲處理。施加起鉆力在卡鉆鉆管上，逐漸增加力的大小直到鉆管松脫。此時(shí)，記錄解卡鉆管所需的載荷。然后，對(duì)卡鉆鉆管進(jìn)行另一次同樣的試驗(yàn)，但是這次進(jìn)行超聲處理，間隔分別為1，3，5，10，15，20，25，30和35分鐘。在進(jìn)行不同時(shí)間的超聲處理后，施加一個(gè)小的起鉆力，然后慢慢加力直到鉆管松脫。在三種超聲波能量等級(jí)進(jìn)行處理(30％大小，50％大小，70％大小)。圖3是不同幅度和超聲處理時(shí)間的鋁砂圓柱體簡(jiǎn)圖。圖3顯示，對(duì)被鉆井液損壞的鋁砂空心圓柱體試樣而言，起鉆力(解卡力)的減少作為超聲處理時(shí)間的函數(shù)，該試樣濾餅是在升高的壓力和室溫下形成的。起鉆力比率是指超聲處理前、后解卡力之比。
當(dāng)施加70％等級(jí)(最高功率)的超聲處理時(shí)，松脫力減小最快。然而，相比不進(jìn)行超聲處理的情況，任意幅度等級(jí)和超聲處理時(shí)間都有效地降低了松脫力。貝雷空心圓柱體巖芯的測(cè)試結(jié)果示于圖4。不同的試樣被用來(lái)測(cè)試超聲處理時(shí)間增加的效果。除40分鐘超聲處理測(cè)試外，其它所有測(cè)試都在管子上施加拉力。然而，超聲處理時(shí)間越長(zhǎng)，所需的力越小。而且，對(duì)40分鐘超聲處理的情形，最終不需要拉力；超聲處理完成后，管子即刻松脫。測(cè)試結(jié)果可由接觸面積的減少來(lái)解釋。因?yàn)槌曁幚斫档土藶V餅的厚度，導(dǎo)致接觸面積減小。因此，由方程式(1)Fs＝μAΔP可知，μ和ΔP保持恒定，A變小，F(xiàn)s隨之變小。關(guān)于鋁砂和貝雷空心圓柱體試樣的起鉆力比率簡(jiǎn)圖示于圖3和圖4中。
權(quán)利要求
1.在任何解卡因?yàn)V餅沉積而卡鉆的鉆管的方法中，一種用于降低解卡所述鉆管所需解卡力的輔助方法，該輔助方法包括a) 沿鉆管下放一超聲波喇叭至鉆管和濾餅之間的接觸點(diǎn)；b)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生超聲波能直到使接觸面積足夠小以致需要相當(dāng)小的力即可解卡鉆管。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括該鉆管是壓差卡鉆的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將超聲波能施加在接觸點(diǎn)，使至少一超聲波方向基本垂直于濾餅。
4.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于超聲波能在(幾個(gè))2kHz到40kHz范圍內(nèi)變化。
5.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于超聲波能大約為20kHz±5。
6.如權(quán)利要求1所述方法，其特征在于超聲波能具有固定的頻率，大約為20kHz。
7.如權(quán)利要求1所述方法，還包括功率供應(yīng)范圍為50瓦到450瓦。
8.如權(quán)利要求7所述方法，其特征在于功率供應(yīng)范圍為100瓦到250瓦。
9.如權(quán)利要求8所述方法，其特征在于功率供應(yīng)小于200瓦。
10.如權(quán)利要求1所述方法，還包括壓力為從大氣壓到10000psi。
11.如權(quán)利要求10所述方法，其特征在于壓力范圍為從大氣壓到5000psi。
12.如權(quán)利要求11所述方法，其特征在于壓力范圍為從100psi到700psi。
13.如權(quán)利要求12所述方法，其特征在于壓力范圍為從200psi到600psi。
全文摘要
一種解卡因?yàn)V餅聚集而卡鉆鉆管的輔助方法，該方法提供了降低解卡鉆管所需力的步驟，包括a)下放一種超聲波喇叭設(shè)備至鉆管和泥漿濾餅的接觸點(diǎn)；b)在接觸點(diǎn)產(chǎn)生超聲波能直至接觸面積減小到只需很小的力即可解卡鉆管。
文檔編號(hào)E21B31/00GK1602386SQ02824625
公開日2005年3月30日 申請(qǐng)日期2002年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月11日
發(fā)明者阿瑟·H·黑爾, 阿茲拉·N·圖通庫(kù) 申請(qǐng)人:國(guó)際殼牌研究有限公司