專利名稱：固井膠塞位置測(cè)量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種固井膠塞位置測(cè)量方法及其裝置。
目前，判斷固井注水泥中替泥漿時(shí)膠塞在什么位置的常用方法是通過(guò)測(cè)量泵的泥漿量，根據(jù)套管尺寸即套管內(nèi)容積計(jì)算出來(lái)。但由于多數(shù)固井用的泥漿流量測(cè)量裝置(體積量罐或渦輪流量計(jì))精度不高，或靠測(cè)量泵的沖數(shù)來(lái)計(jì)算泵入的泥漿量，因受泵工作效率的影響，此計(jì)量結(jié)果也是不準(zhǔn)確的。再加之固井過(guò)程中存在U型管效應(yīng)(在注水泥過(guò)程中，由于套管內(nèi)的水泥漿密度大于套管外環(huán)空泥漿的密度，而造成套管內(nèi)液柱壓力大于套管套管外環(huán)空液柱壓力，致使套管內(nèi)水泥漿靠密度差自行下流的現(xiàn)象)，使得膠塞的位置更難以準(zhǔn)確確定。對(duì)于不穩(wěn)定井眼的固井，由于環(huán)空裸露地層的坍塌等，易造成注水泥過(guò)程受阻，使泵壓升高。若此時(shí)替泥漿量接近設(shè)計(jì)量時(shí)，會(huì)誤判斷認(rèn)為膠塞已到達(dá)浮箍(承托環(huán))處，而停止替泥漿，致使管內(nèi)水泥塞過(guò)長(zhǎng)，環(huán)空水泥返高不足，未能達(dá)到固井的要求。有時(shí)，膠塞已到達(dá)浮箍碰壓了，卻誤認(rèn)為泵壓升高是由于環(huán)空地層坍塌引起，而采取強(qiáng)行替泥漿措施，致使浮箍損壞，管內(nèi)被替空，不能保證套管鞋處的固井質(zhì)量。對(duì)于尾管固井，鉆桿膠塞何時(shí)與套管膠塞(下膠塞或日中空膠塞)相遇，是否剪斷銷(xiāo)釘，何時(shí)遇浮箍碰壓，均是保證固井施工順利完成的關(guān)鍵因素，而在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工中，靠泵壓升高來(lái)判斷，有時(shí)是做不到的。
由RobertE.Bode發(fā)明的專利US5105883套管限制接頭，主要由兩端車(chē)有絲扣的本體(相當(dāng)于一根短套管)和其內(nèi)裝配的膠塞限制擋板組成。它一般連接在套管柱上距浮箍150-200英尺處，當(dāng)注水泥替泥漿膠塞到達(dá)它時(shí)，將受到膠塞限制擋板的阻礙，因而導(dǎo)致替泥漿泵壓升高，顯示出替泥漿膠塞已到達(dá)了套管限制接頭位置。此法的主要缺點(diǎn)是增加了下套管作業(yè)的工作量，改變了套管柱的結(jié)構(gòu)，除套管限制接頭本體的強(qiáng)度應(yīng)符合套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求外，還要避免在射孔時(shí)，對(duì)短套管定位的影響。同時(shí)，泵壓信號(hào)顯示裝置簡(jiǎn)單難以分析一些特殊情況，因?yàn)樵谔婺酀{過(guò)程中，引起泵壓升高的原因較多，如環(huán)空地層坍塌、回壓凡爾堵塞等。該專利還不能定時(shí)測(cè)量膠塞在井下的位置，即不能在任意位置進(jìn)行測(cè)量，且其套管限制接頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有時(shí)有可能成為永久性的，以致影響油田作業(yè)。
據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料表明，由于膠塞位置判斷不準(zhǔn)而引起的問(wèn)題約占固井口數(shù)的10％。因此，在注水泥過(guò)程中，定時(shí)、定位地監(jiān)測(cè)出膠塞位置，對(duì)把握注水泥動(dòng)態(tài)過(guò)程，確保固井質(zhì)量有著十分重要的意義?，F(xiàn)場(chǎng)急需有這樣的方法和儀器。
本發(fā)明的目的是在注水泥替泥漿過(guò)程中，能夠在想知道的時(shí)間測(cè)量膠塞的位置及想知道的位置顯示膠塞到達(dá)的時(shí)間，以便在注水泥過(guò)程中掌握其動(dòng)態(tài)過(guò)程，確保固井質(zhì)量的提高。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種固井膠塞位置測(cè)量方法，即定位測(cè)量法，其特點(diǎn)是
(1).在設(shè)計(jì)井段預(yù)先放置膠塞擋圈；(2).替泥漿頂膠塞，膠塞與擋圈相碰受阻，泥漿泵壓升高；(3).地面壓力傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)泵壓并接收泵壓升高信號(hào)；(4).當(dāng)壓力升高到一定值后，剪斷擋圈的凸出塊，膠塞通過(guò)，泵壓復(fù)原；(5).把泵壓升高的幅值、波的形狀和特征與已知的泵壓升高模式對(duì)比，可判斷膠塞是否到達(dá)設(shè)計(jì)井深。
一種固井膠塞位置測(cè)量方法，即定時(shí)測(cè)量法，其特點(diǎn)是(1).緩慢關(guān)閉井口環(huán)空，以小排量替泥漿；(2).待泵壓升高0.5-1MP以后再打開(kāi)井口環(huán)空，轉(zhuǎn)入正常替泥漿作業(yè)；(3).地面壓力傳感器接收壓力升高信號(hào)，并測(cè)量壓力波在井口與膠塞間傳遞與反射的時(shí)間差；(4).根據(jù)壓力波傳遞與反射的時(shí)間差和已知的壓力波在泥漿中的傳播速度，可計(jì)算出膠塞的位置。
當(dāng)環(huán)空井壁坍塌泥漿循環(huán)受阻時(shí)，不需關(guān)閉井口環(huán)空，直接測(cè)量壓力波在井口與膠塞間傳遞與反射的時(shí)間差，并根據(jù)壓力波傳遞與反射的時(shí)間差和已知的壓力波在泥漿中的傳播速度計(jì)算出膠塞的位置。
一種固井膠塞位置測(cè)量裝置，其特點(diǎn)是該裝置由固井膠塞檔圈、膠塞、壓力傳感器、固井膠塞位置測(cè)定儀、微型計(jì)算機(jī)組成，在需要知道膠塞所到達(dá)位置的套管連接處的缺口內(nèi)放置膠塞檔圈，膠塞在套管內(nèi)被泥漿頂向前與擋圈相碰，壓力傳感器安裝在地面井口泥漿入口處，微機(jī)通過(guò)固井膠塞位置測(cè)定儀與壓力傳感器連接。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的壓力信號(hào)測(cè)量電路原理圖；圖3為本發(fā)明的膠塞設(shè)定位置計(jì)數(shù)電路原理圖；圖4為本發(fā)明的膠塞檔圈結(jié)構(gòu)圖；圖5為圖4所示膠塞檔圈的側(cè)視圖；圖6為本發(fā)明的膠塞擋圈放入套管中的示意圖。
以上圖中1-膠塞檔圈；2-膠塞；3-壓力傳感器；4-壓力信號(hào)測(cè)量電路；5-膠塞設(shè)定位置計(jì)數(shù)電路；6-A/D板；7-微機(jī)；8-水泥頭；9-井筒；10-套管柱；11-鉆井液(泥漿)；12-水泥漿；13-浮箍；14-扶正器；15-引鞋；16-套管接箍。
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述一種固井膠塞位置測(cè)量方法及其裝置，該裝置由固井膠塞檔圈、膠塞、壓力傳感器、壓力信號(hào)測(cè)量電路、膠塞設(shè)定位置計(jì)數(shù)電路、A/D板、微機(jī)組成，微機(jī)通過(guò)A/D板、壓力信號(hào)測(cè)量電路與壓力傳感器相聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理。主要由壓力信號(hào)測(cè)量電路和膠塞設(shè)定位置計(jì)數(shù)電路組成的固井膠塞位置測(cè)定儀可直接顯示測(cè)量結(jié)果。整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可分為定位和定時(shí)兩種測(cè)量方式。
1.定位測(cè)量法定位測(cè)量法就是在需跟蹤膠塞位置的井段，預(yù)先在其相應(yīng)的套管柱中加入膠塞檔圈，注水泥替泥漿時(shí)，膠塞與檔圈相碰發(fā)出壓力信號(hào)，由地面壓力傳感器接收而確定出膠塞所在的位置。膠塞檔圈放在套管連接處的缺口中(它不會(huì)影響套管的連接和套管柱的強(qiáng)度、通徑等，且放置方便、迅速)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4、圖5和圖6。膠塞擋圈是由耐高溫尼龍或生鐵制成的圓環(huán)，圓環(huán)內(nèi)圈上有若干凸出塊，擋圈外徑D大于套管內(nèi)徑并小于等于套管連接處缺口內(nèi)徑，擋圈內(nèi)徑d1等于套管內(nèi)徑，擋圈的凸出塊內(nèi)徑d2小于膠塞內(nèi)核直徑，擋圈的厚度h小于等于套管連接處缺口的寬度。擋圈的凸出塊內(nèi)徑小于膠塞內(nèi)核直徑5mm以上，每個(gè)凸出塊沿圓周方向的長(zhǎng)度b為20mm。膠塞擋圈上的凸出塊最好是三個(gè)，三個(gè)凸出塊相互成120°角。膠塞檔圈尺寸D、d1分別與相應(yīng)套管尺寸相匹配，常用的套管有244.5mm、177.8mm、139.7mm、127mm幾種。對(duì)于API標(biāo)準(zhǔn)圓扣套管，h為25.4mm。在注水泥替泥漿過(guò)程中，由壓力傳感器連續(xù)地監(jiān)測(cè)泵壓的變化，當(dāng)膠塞與檔圈相遇時(shí)，泵壓升高，壓力傳感器將接收到這個(gè)壓力升高信號(hào)，經(jīng)信號(hào)電路處理、分析得出膠塞所在的位置。壓力升高到一定數(shù)值后，將剪斷三個(gè)凸出塊，泵壓復(fù)原，膠塞通過(guò)，再與下一個(gè)檔圈相碰，以此來(lái)跟蹤膠塞在替泥漿過(guò)程中所到達(dá)的位置。
為排除其它原因引起的泵壓升高造成的誤判，根據(jù)泵壓(壓力波)升高的幅值、波的形狀和特征，與該方法已知的泵壓升高模式比較，判斷替泥漿膠塞是否真的與擋圈相碰。
2.定時(shí)測(cè)量法定時(shí)測(cè)量法就是在注水泥替泥漿過(guò)程中，可隨時(shí)測(cè)定膠塞所處的位置。測(cè)量方法分兩種情況進(jìn)行，一是在允許關(guān)閉井口環(huán)空情況下進(jìn)行；二是在井內(nèi)流動(dòng)受阻情況下進(jìn)行。具體分別敘述如下在注水泥替泥漿過(guò)程中，當(dāng)需要知道膠塞到達(dá)何位置時(shí)，先緩慢關(guān)閉井口環(huán)空，再以小排量替泥漿，讓泵壓升高0.5～1MPa后，即可打開(kāi)井口環(huán)空，轉(zhuǎn)入正常注水泥作業(yè)。由于套管內(nèi)存在膠塞，泥漿壓力波從井口傳遞到膠塞后將反射回井口，由安裝在井口的壓力傳感器采集這個(gè)壓力波信號(hào)。根據(jù)壓力波傳遞與反射的時(shí)間差△T及壓力波在泥漿中的傳播速度V即可計(jì)算出膠塞的位置H。H=12V·ΔT]]>當(dāng)發(fā)生井壁坍塌等原因造成注水泥替泥漿受阻時(shí)，可不必關(guān)閉井口環(huán)空，而是直接利用受阻后泵壓升高信號(hào)來(lái)檢測(cè)出膠塞的位置，其原理同于上一種測(cè)量方法。
為了提高定時(shí)測(cè)量膠塞位置的精度，需要測(cè)準(zhǔn)壓力波在所處泥漿中的傳播速度，可在膠塞到達(dá)固定位置(如定位測(cè)量中的某個(gè)膠塞檔圈井深或浮箍井深)時(shí)，測(cè)量一次壓力升高信號(hào)，根據(jù)壓力波傳遞到固定位置后的反射時(shí)間而準(zhǔn)確地計(jì)算出壓力波在泥漿中的傳播速度，以此來(lái)準(zhǔn)確地得出定時(shí)測(cè)量時(shí)膠塞所處的位置。
在固井過(guò)程中，先下套管柱，并放置好膠塞擋圈，然后再注水泥漿。注水泥漿之前，先循環(huán)泥漿，然后通過(guò)水泥頭注水泥漿，注完設(shè)計(jì)量后，替泥漿頂膠塞，使膠塞通過(guò)管柱上預(yù)先放置好的膠塞檔圈，直至到達(dá)浮箍碰壓。同時(shí)，管內(nèi)水泥漿經(jīng)引鞋返入環(huán)空需封固井段。在替泥漿過(guò)程中可用上述二種方法對(duì)膠塞位置進(jìn)行跟蹤測(cè)量。
固井膠塞位置測(cè)定儀包括壓力信號(hào)處理電路、膠塞設(shè)定位置計(jì)數(shù)電路和A/D板，測(cè)量值以電壓信號(hào)顯示，并通過(guò)A/D板轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)處理得出測(cè)量結(jié)果。圖3為本發(fā)明的膠塞設(shè)定位置計(jì)數(shù)電路原理圖，圖中REF為預(yù)置電平值、Z1為報(bào)警復(fù)位端、Z2為清零端、FG1～FG6為計(jì)數(shù)指示燈信號(hào)。
另外，由于本發(fā)明對(duì)固井膠塞進(jìn)行了連續(xù)或間斷的跟蹤監(jiān)測(cè)，因而可以檢測(cè)出注水泥過(guò)程中產(chǎn)生的U型管效應(yīng)，以利于對(duì)注水泥過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與控制，并且可以根據(jù)替泥漿膠塞所在位置計(jì)算出泵效(泵實(shí)際輸出液量即相應(yīng)的套管柱內(nèi)容積與其理論輸出液量之比)，從而計(jì)算出膠塞到達(dá)浮箍碰壓所需的泵沖總數(shù)。這些均是提高固井成功率和固井質(zhì)量的有力手段。本發(fā)明的測(cè)量精度為0.3米。
權(quán)利要求
1.一種固井膠塞位置測(cè)量方法，即定位測(cè)量法，其特征在于(1).在設(shè)計(jì)井段預(yù)先放置膠塞擋圈；(2).替泥漿頂膠塞，膠塞與擋圈相碰受阻，泥漿泵壓升高；(3).地面壓力傳感器連續(xù)監(jiān)測(cè)泵壓并接收泵壓升高信號(hào)；(4).當(dāng)壓力升高到一定值后，剪斷擋圈的凸出塊，膠塞通過(guò)，泵壓復(fù)原；(5).把泵壓升高的幅值、波的形狀和特征與已知的泵壓升高模式對(duì)比，可判斷膠塞是否到達(dá)設(shè)計(jì)井深。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固井膠塞位置測(cè)量方法，其特征在于(1).在多個(gè)設(shè)計(jì)井段同時(shí)放置膠塞擋圈；(2).對(duì)膠塞通過(guò)擋圈進(jìn)行計(jì)數(shù)；(3).根據(jù)計(jì)數(shù)及壓力波信號(hào)可判斷出膠塞所在井深。
3.一種固井膠塞位置測(cè)量方法，即定時(shí)測(cè)量法，其特征在于(1).緩慢關(guān)閉井口環(huán)空，以小排量替泥漿；(2).待泵壓升高0.5-1MP以后再打開(kāi)井口環(huán)空，轉(zhuǎn)入正常替泥漿作業(yè)；(3).地面壓力傳感器接收壓力升高信號(hào)，并測(cè)量壓力波在井口與膠塞間傳遞與反射的時(shí)間差；(4).根據(jù)壓力波傳遞與反射的時(shí)間差和已知的壓力波在泥漿中的傳播速度，可計(jì)算出膠塞的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固井膠塞位置測(cè)量方法，其特征在于當(dāng)環(huán)空井壁坍塌泥漿循環(huán)受阻時(shí)，不需關(guān)閉井口環(huán)空，直接測(cè)量壓力波在井口與膠塞間傳遞與反射的時(shí)間差，并根據(jù)壓力波傳遞與反射的時(shí)間差和已知的壓力波在泥漿中的傳播速度計(jì)算出膠塞的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的固井膠塞位置測(cè)量方法，其特征在于為使計(jì)算更精確，可用定位測(cè)量法測(cè)量壓力波在井口與固定位置的膠塞之間的傳遞和反射時(shí)間，計(jì)算出壓力波在泥漿中的傳播速度。
6.一種固井膠塞位置測(cè)量裝置，其特征在于該裝置由固井膠塞檔圈、膠塞、壓力傳感器、固井膠塞位置測(cè)定儀、微型計(jì)算機(jī)組成，在需要知道膠塞所到達(dá)位置的套管連接處的缺口內(nèi)放置膠塞檔圈，膠塞在套管內(nèi)被泥漿頂向前與擋圈相碰，壓力傳感器安裝在地面井口泥漿入口處，微機(jī)通過(guò)固井膠塞位置測(cè)定儀與壓力傳感器連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固井膠塞位置測(cè)量裝置，其特征在于該裝置中的固井膠塞位置測(cè)定儀包括壓力信號(hào)測(cè)量電路、膠塞設(shè)定位置計(jì)數(shù)電路和A/D板。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固井膠塞位置測(cè)量裝置，其特征在于該裝置中的膠塞擋圈是由耐高溫尼龍或生鐵制成的圓環(huán)，圓環(huán)內(nèi)圈上有若干凸出塊，擋圈外徑D大于套管內(nèi)徑并小于等于套管連接處缺口內(nèi)徑，擋圈內(nèi)徑d1等于套管內(nèi)徑，擋圈的凸出塊內(nèi)徑d2小于膠塞內(nèi)核直徑，擋圈的厚度h小于等于套管連接處缺口的寬度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的固井膠塞位置測(cè)量裝置，其特征在于該裝置中的膠塞擋圈的凸出塊內(nèi)徑小于膠塞內(nèi)核直徑5mm以上，每個(gè)凸出塊沿圓周方向的長(zhǎng)度b為20mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的固井膠塞位置測(cè)量裝置，其特征在于該裝置中的膠塞擋圈內(nèi)圈上的凸出塊是三個(gè)，三個(gè)凸出塊相互成120°角。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固井膠塞位置測(cè)量方法及裝置。測(cè)量裝置由固井膠塞擋圈、壓力傳感器、壓力信號(hào)測(cè)量電路、膠塞設(shè)定位置計(jì)數(shù)電路、A/D板和微機(jī)組成。測(cè)量方法有二一是定位測(cè)量法，在設(shè)計(jì)井段預(yù)先放置膠塞擋圈，膠塞與擋圈相碰受阻，泥漿泵壓升高，當(dāng)壓力升高到一定值后，剪斷擋圈的凸出塊，泵壓復(fù)原，據(jù)此可判斷膠塞是否到達(dá)設(shè)計(jì)井深；二是定時(shí)測(cè)量法，測(cè)量壓力波在井口與膠塞間傳遞與反射的時(shí)間差，據(jù)此以及已知的壓力波在泥漿中的傳播速度，可計(jì)算出膠塞的位置。
文檔編號(hào)E21B47/09GK1167870SQ9711175
公開(kāi)日1997年12月17日 申請(qǐng)日期1997年5月7日 優(yōu)先權(quán)日1997年5月7日
發(fā)明者李相方, 管叢笑, 隋秀香, 車(chē)仕華 申請(qǐng)人:石油大學(xué)(北京)