CN1270052C - 确定井下压力的方法和钻井时环空压力的检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种确定在关泵状态期间产生的一组井下压力的方法，包括：在关泵状态期间检测一个或多个地面上的井眼压力；在关泵状态期间增加油井中的井下压力；检测在关泵状态期间产生的井下压力；由在关泵状态期间所检测的地面上的井眼压力确定最大和最小立管压力；由在关泵状态期间所检测的井下压力确定最大和最小井下压力；在关泵状态结束之后，将最大和最小井下压力检测值传递到地面；使最大和最小井下压力与最大和最小立管压力检测值相关联；和利用一个或多个立管压力检测值和这种相关关系来估算一个或多个井下压力值。本发明还提供了一种钻井时环空压力的检测装置。

Description

确定井下压力的方法和钻井时环空压力的检测装置

本发明是要求于1999年3月4日申请的60/122,730号临时专利申请的优先权的后续专利申请。

技术领域

本发明涉及一种用于设计和控制钻井操作的改进方法。

背景技术

为了回收碳氢化合物的天然沉积物和在地壳地层中聚集的其它所需的天然物质，通常要进行钻井。小油井要钻进地面并从地面上的钻探设备处直接向目标地层钻进。在传统的“旋转钻井”操作中，钻井设备使钻柱旋转，以转动底部钻具组合(BHA)和安装在钻柱下端的钻头，所述钻柱由相连在一起的钻杆管状接头组成。在钻井操作中，钻井液(通常指的是钻井泥浆)被泵送并通过BHA和钻头在钻杆内部向下循环，且在环空中返回到地面。在已有技术中，还已知使用刚好位于钻头上方的井下泥浆驱动马达，可以将储存在加压钻井泥浆中的液压能量转换为机械能量以使钻头转动。

为了使地层与井眼隔离并防止油井塌陷，通常将管接头与螺纹连接件连接在一起从而形成套管柱，并对油井下套管。这种套管柱通常安装为多段的，套管的一部分安装在各段中。套管的一部分通常包括许多相连的套管接头，所有的部分都连接在一起以形成套管柱。

安装套管的每一部分，并通过使水泥循环流入环形区域内来将该套管部分浇筑定位在井眼中，所述环形区域是由套管上述部分的外表面和井眼的内部孔壁限定的。套管部分通常以逐渐缩小的直径顺序安装，使得后续的小直径套管部分能够随钻进过程安装并且用水泥浇筑在油井的更深部分。安装套管部分的步骤需要司钻从油井中拆去钻柱，包括BHA和钻头。钻柱从油井中一节一节地拆除，这很费时。最后，当套管部分浇筑定位并且水泥充分硬化后，且在钻井操作再次开始之前，将钻柱再次一节一节地下到油井中。

基于费用方面的考虑，很希望使套管的每一部分的长度尽可能最大而使用于将钻柱提出或下放到油井中时所需的钻井工具的停工频度尽可能最小。如果采用更精确的方法估计出井下条件并估算井下压力，就可以有保障地减少套管区段的数量，那么就可以更快地钻井并且对于钻井工具和相关的支撑件来说，费用明显降低了。

多孔和具有渗透性的地层的压力通常由钻井泥浆柱施加的流体静压和地面上施加给油井的压力加以平衡。这种压力可以通过泥浆泵施加到钻柱内，使泥浆通过钻头在钻柱内部向下循环，并通过环空向上返回到地面。钻井泥浆设计成能够使钻井过程中产生的被称为切屑的小岩石粒悬浮在其中并将其携带返回到地面。当环空通过地面上的防喷器(BOPs)封闭作用而与大气隔离时，在套管内可以保持压力。

司钻通常通过使用加在钻井泥浆中以增加密度的增重剂来控制油井中的流体静压。司钻通常通过开启或关闭泥浆循环泵并通过使用BOPs以将环空与大气隔离来控制地面处的油井压力。但是，司钻不能总是控制产生在地层中的井下压力，因为在任一给定的时刻，有其它因素会影响施加给地层的压力。这些因素包括：

(a)井眼中钻杆的运动(旋转或往复运动)，

(b)温度和温度梯度，

(c)压力梯度和压力向前传播的速度，

(d)钻井泥浆的粘度和触变性质，

(e)钻井切屑负载，以及

(f)流进和流出井眼的液流。

如果承受施加给井眼的超额压力，那些在钻井过程中通常会遇到的多种类型的地层将产生断裂和失效。许多类型的流体承载地层是多孔的或者是具有渗透性的，并且可能使流体流入井眼中或接收从井眼中流出的流体。通常希望使邻近这种地层的油井中的压力高于多孔地层的孔隙压力，并使之低于暴露地层的地层破裂压力。这种由井眼压力和地层破裂压力之间的压力范围所确定的“安全窗口”必须由司钻决定，以设计出安全和有效的钻井计划并在整个钻井过程中作出很好的决定。这种对安全窗口的精确确定会直接影响风险钻井的经济效益。

如果井下压力超过地层破裂压力，暴露在井下压力下的地层区域将会发生实体断裂，并且泥浆会以由地层破裂程度和压力差所确定的速率从井眼流进破裂的地层。钻井泥浆的流体静压柱整个高度的最终损失会迅速导致地层处的油井压力不足。当发生这种情况时，包括气体的地层流体可能从与油井相连的其它地层进入油井。这种情况通常被称为井喷。一旦进入井眼，气体就会向上穿过钻井泥浆朝地面移动。当向上移动的气体碰到较低压力时，它会膨胀，这通常会迫使钻井泥浆流出油井，即：流到地面或流进与油井相通的地层中。这是一种非常危险的油井控制状态，必须加以避免或对其作出快速响应。很重要的是司钻应避免地层发生意外的破裂。

如果地层面上的压力降低到小于可能存在于多孔地层中的流体的孔隙压力，油井控制状态也能改变。这种油井状态通常被称作非平衡状态。当油井处于非平衡状态时，从与油井相通的多孔地层中流出的流体会流进油井，使钻井泥浆向上朝地面运动。由于存在着地层破裂，在不平衡状态下引入的气体也将会运动到地面并产生膨胀。

“安全窗口”或井下压力的允许范围可以由地层孔隙压力(最小)和地层破裂压力(最大)来确定。由于技术的进步且在下述情况下进行钻井时，这种安全窗口的精确确定变得日益重要，即：

(a)在深水区域，其中水温和深度会影响油井设计和动态特性的变化，

(b)当遇到较高的地层孔隙压力或带有较低地层破裂压力的地层；

(c)在利用定向钻井技术钻出的井深延长的油井中；

(d)在井眼很细的油井中所需循环泥浆压力的摩擦损失增加，和

(e)在压力和温度的极端情况下，即被称为HPHT油井(高压和高温油井)的情况下。

在已有技术中，司钻能够用很多方法确定流体承载地层的孔隙压力。司钻能够进行泄漏检测/地层完整性检测(LOT/FIT)，以检测出由水泥定位的套管(LOT)并检测任何暴露的地层，从而确定在地层断裂或泥浆流失到地层(FIT)中时的压力。LOT/FIT通常通过下述步骤完成：首先，关闭地面的BOPs，以将油井与大气隔离，然后，以缓慢、恒定的体积流动速率从地面将钻井泥浆泵送到井眼中以增加井眼中的压力。这种泵送过程持续至达到预定的检测压力或直至检测到油井有钻井液损失时为止，这种泵送过程可以是连续的或者是以间歇式静态时间间隔逐步增加体积的。如果由水泥定位的井筒临时支架是可靠的，则当暴露的地层开始破裂或从油井中接收液体时，通常会发生钻井液损失的情况。

通过使用LOT/FIT的检测结果，能够计算或确定地层破裂压力。首先，地面(注射)压力相对于所泵送的累积体积的曲线将确定为一条如图1所示的倾斜直线。当井下暴露地层处的泥浆压力超过其地层断裂强度时，地层开始从井眼吸收液体，并且注射压力将随所泵送体积的进一步增加而非线性地减小或增大。即，一旦达到了地层破裂压力，注射压力的进一步增加会导致更多的泥浆运动到地层中。这种关系表现在了图1中，在该实施例中，点10处的地层破裂压力对应于注射压力的值，在那里发生了非线性的偏差。地层破裂压力通常被计算为发生非线性偏差处的地面或注射压力加上流体静压所得的和，所述流体静压由钻井泥浆密度与地层上方的泥浆柱的竖直高度相乘计算而来。

这种方法存在的一个问题是计算出的地层破裂压力无法考虑可能影响地层中油井实际压力的诸多因素。例如，由上述的图像分析所确定的地层破裂并不必须对应于流体开始流进断裂地层中的精确时间。另外，如果井眼部分(在套管的水泥部分之下)穿过渗透区域，流体将在LOT/FIT期间以恒定速率从油井中泄漏。这种情况会在LOT/FIT期间产生线性压力-体积曲线。理论上影响邻近于地层的井眼压力的其它因素包括，但并不限于：1)泥浆压缩率，2)井眼和套管的弹性和非弹性膨胀，3)钻柱的弹性膨胀和伸长，4)钻井泥浆中切屑和泥浆增重剂的不均匀分散度，5)整个泥浆柱的不均匀泥浆密度，6)压力在泥浆柱中的传播速度，7)泥浆系统的凝胶特性，和8)由于井眼的几何形状和泥浆的流变特性造成的摩擦压力损失。

已经研究出井下仪器能提供精确的井下压力检测。这些仪器中的某些仪器具有硬质连线或电缆连接件以向地面传回数据。这些仪器通常是细长装置，它们能进入到钻柱中的井体内。在这些类型的系统中，被传递至地面司钻并由他使用的实时数据的数量是无限的。但是，大多数的硬质连线或电缆仪器如果使用就会严重阻碍钻井操作，当需要大量数据时，必须在钻井操作中将电缆和仪器从油井中抽出。当钻柱从井眼中拆除后，电缆连接仪器也能够下到油井中，但是对于有效的钻井操作来说，再次下放仪器是不实际的，这样在钻井时不能提供“实时”(或近似于“实时”的)信息。

已经研究出了用于从BHA向地面传递信息的泥浆脉冲遥测通信系统，该系统在工业中获得了广泛应用。泥浆脉冲遥测系统没有用于向地面传递数据的电缆或电线，但采用了一系列压力脉冲，这些脉冲通过流动的加压钻井液体传递到地面。美国专利4,120,097描述了一种这样的系统。这种泥浆脉冲遥测系统的限制性在于：数据传递能力或者信息传递速率非常有限。另外，由底部钻具组合(BHA)中的井下部件收集和/或存储的数据仅能够在“泵送”条件下采用泥浆脉冲遥测方法传递到地面，所述“泵送”条件定义为当泥浆循环速率高于泥浆脉冲遥测操作阈值时的条件。因此，在“关泵”操作期间，即：当泥浆循环泵不工作或处于例如LOT/FIT的低泵速操作期间以及在管接头连接期间，采用泥浆脉冲遥测系统时没有井下数据能被传递到地面上。在关泵操作期间，由BHA收集和存储的数据仅在循环泵重新开启后才能传递到地面，因此数据传递速率非常低。

已经作出了努力来构造预示公式，以便基于地面的测量值来估计包括压力在内的井下条件。Rasmus在其美国专利5,654,503中公开了一种用于获得改进的钻井条件测量值的方法。Rasmus试图通过在给定的时间使地面条件与相关的井下条件相关联来构造一个预示公式，从而克服泥浆脉冲遥测系统的信息传递速率有限的缺憾。Rasmus的预示公式是这样构造的，即：通过使用BHA中的井下仪器来在给定的时间期间产生多个井下检测值。然后，Rasmus利用井下CPU中将这些检测值取平均值，再将井下条件平均检测值发送到地面，用于与实际相关的地面条件检测值相比较。

Rasmus方法可用于根据地面压力估算井下压力。但是，Rasmus方法无法补偿钻杆运动(转动或往复运动)、温度梯度、压力梯度和钻井泥浆的传播、粘度和触变性能以及流进、流出井眼的流体等因素的影响以及这些因素的综合影响，这些因素可能会导致井下检测值产生偏差和瞬变。通过采用井下压力的多个检测值的平均值，Rasmus方法综合了这些瞬变因素对井下平均值的影响，而这一值将接着被传递到地面，用于与精确的地面压力检测值进行比较。另外，Rasmus方法采用了复杂的排序技术以使井下数据平均值与选定的地面检测值相联系。也就是说，它使给定时间(例如30秒)中的平均值与该30秒中或之前的某一时间的单一地面检测值相关联。在计算平均值的步骤以及时间顺序步骤中已经引入了不精确因素，这会导致Rasmus预示公式中用以估算井下压力和分析油井条件的系数很不准确。

发明内容

因此，需要一种估算井下压力的方法，使得司钻能够利用有限数量的重要的井下压力数据以及很容易获得的地面压力数据来精确地估算地层破裂压力和其它极限井下压力，并分析油井条件和油井状态。需要一种用于选择和仅传递那些特定井下检测值的方法，以便提供更加有用的信息，用于快速且精确地与相关的地面压力检测值相联系，然后估算井下压力，分析油井表现出的状态并对油井状态的改进方式作出响应。很希望这种方法能使司钻通过采用参数并考虑由影响井下压力的已知因素所带来的瞬变问题来确定和改进一个公式，由此更好地估算地层破裂压力。还希望这种方法能够使司钻避免在LOT/FIT之前为了通过混合来调节泥浆并促进泥浆密度均匀化而使泥浆在油井中循环一段时间的费时操作。

根据本发明的一个方面，提供了一种确定在关泵状态期间产生的一组井下压力的方法，包括：在关泵状态期间检测一个或多个地面上的井眼压力；在关泵状态期间增加油井中的井下压力；检测在关泵状态期间产生的井下压力；由在关泵状态期间所检测的地面上的井眼压力确定最大和最小立管压力；由在关泵状态期间所检测的井下压力确定最大和最小井下压力；在关泵状态结束之后，将最大和最小井下压力检测值传递到地面；使最大和最小井下压力与最大和最小立管压力检测值相关联；和利用一个或多个立管压力检测值和这种相关关系来估算一个或多个井下压力值。

根据本发明的另一方面，提供了一种确定在关泵状态期间产生的一组井下压力的方法，包括：在关泵状态期间检测地面上的井眼压力；在关泵状态期间增加油井中的井下压力；检测在关泵状态期间的第一井下压力和第二井下压力以及各压力产生的时间；在关泵状态结束之后，将第一井下压力和第二井下压力以及各压力测量的时间传递到地面；使第一井下压力与获得该第一井下压力检测值时产生的立管压力相关联，使第二井下压力与获得该第二井下压力检测值时产生的立管压力相关联，采用这种相关关系获得一个或多个井下压力。

根据本发明的还一方面，提供了一种钻井时环空压力的检测装置，包括：一个用于检测油井环空中压力的压力传感器；一个泥浆脉冲遥测系统；和计算机执行装置，用于确定在关泵状态期间由压力传感器测量的最小环空压力和最大环空压力、在关泵状态期间存储所述最小和最大环空压力、并在开始启动泵送时将该最小和最大环空压力提供给泥浆脉冲遥测系统。

本发明提供了一种用于确定在关泵状态期间产生的井下压力的方法，例如确定在泄漏检测或地层完整性检测(LOT/FIT)期间产生的井下压力。该方法包括在关泵状态期间检测地面的井眼压力。然后，在所述状态例如LOT/FIT期间，油井中的压力增加了。在关泵状态期间产生在井下的最大和最小压力由BHA检测到，并且随着泵送操作的再次开始，最大和最小井下压力检测值立即传递到地面。然后，使井下最大和最小压力与最大和最小立管压力检测值相联系，并根据这种相关关系获得一个或多个示例性的井下压力值。

作为可选形式，该方法还包括检测附加的井下压力检测值的步骤，记录获得每次附加的井下压力检测值的时间，并在关泵状态下将附加的井下压力检测值和它们对应的“时间标记”传递到地面。传递到地面的附加井下压力检测值还进一步与同时产生的或与每一井下检测值有一定时间间隔的相关立管压力检测值相联系。这些方法的优选应用方式是LOT/FIT，其中油井中的压力通过注入的流体、例如钻井泥浆来增大。

本发明还提供了一种简单的方法，包括在关泵状态期间检测第一井下压力和第二井下压力以及每次检测发生的时间。所述第一和第二井下压力检测值以及它们各自的时间标记都在泵送操作再次开始后立即传递给地面。这使得第一井下压力与同时产生的或与该第一井下压力有一定时间间隔的立管压力相关联，使第二井下压力与同时产生的或与该第二井下压力有一定时间间隔的立管压力相关联。利用这种相关关系，能够获得一个或多个与地面检测压力成函数关系的示例性井下压力值。

附图说明

因此，本发明的特征和优点可以更详细地予以了解，并且通过参考那些由附图所表现的实施例，可以获得对上文所简要概括的本发明的更为具体的说明。但应该注意到，附图所表示的仅是本发明的典型实施例，因此不能认为是对本发明的限制，对于本发明来说，可以采用其它等效的实施例。

图1是在LOT/FIT期间经检测的注射或地面压力(也称为立管压力)相对于所泵送泥浆体积的数据图。

图2是表示经检测的地面压力相对于经检测的井下环空压力(也称作APWD或钻井时的环空压力)的线性关系的图表。

图3是表示最小和最大井下环空压力检测值与其它井下和地面压力检测值相比较时的相对位置的图表。

图4是在LOT/FIT期间经检测的地面压力相对于时间的图表。

图5是表示在LOT/FIT期间实际井下压力检测值和根据本发明的相对关系而计算出的新井下压力估计值相对于时间的图表。

具体实施方式

本发明涉及一种方法，该方法能够有效地再现在某些钻井操作中进行“钻井时环空压力(APWD)”(“annular pressure while drilling”)检测的实时优点，其需要关闭泥浆循环泵或明显减小流量(后文称作“关泵”状态)。APWD数据(例如压力检测值)由BHA中的仪器和相关的电子设备检测出。APWD数据能够在关泵状态下在BHA中被检测、存储甚至处理，以便随后将减少数量的数据或经处理的数据传递给地面的司钻。

在泵送操作中，APWD检测值是通过泥浆脉冲遥测系统传递到地面司钻的。泵送操作在下述条件下才能发生，即：泥浆循环泵工作，并且泥浆在钻柱内部向下循环，再通过由钻柱外部和套管内部或无套管的井壁所限定的环形区域(叫作“环空”)向上返回到地面。在关泵操作期间，例如在LOT/FIT状态或当钻杆接头与钻柱相连时，泥浆脉冲遥测通信方法是无效的。在将BHA检测或存储的APWD数据传递到地面之前，司钻必须等待直到再次的泵送操作。

泥浆脉冲遥测通信方法还受到数据传递密度或能力的限制。通常，模拟APWD数据被BHA中的逻辑电路或中央处理器(CPU)转换成数字信号。当在LOT/FIT之后再次进行泵送操作时，在每一时刻仅有一位的存储数据从BHA传递到地面，通常在不高于每秒10位的速率下传送，使得压力读数的传递速度非常慢。尽管在BHA中获取、记录和存储了许多APWD检测值，但是在再次进行泵送操作之前，不能使数据从BHA向地面进行传送。钻井泥浆这种低速率的信息传递以及井眼条件的迅速变化所导致的结果是，仅有非常少量的APWD检测值能够快速及时地传递到地面，而对于司钻来说，这种快速传递非常有利于他们对钻井操作进行类似于实时的控制。

尽管本发明的主要目标是获得更为精确的井下压力估计值，但利用任何感兴趣的油井参数来应用本文所公开的估算和相关方法也落入本发明的范围。类似地，尽管本发明是作为克服泥浆脉冲遥测系统的有限信息传递速率来进行描述的，但通过有选择的检验、测量、传递关键的井下数据并使之与表面数据相联系而改进的所有其它信息传递方法也落入本发明的范围。

LOT/FIT向司钻提供了有价值的信息。图1是在地面测量的油井压力(“注射压力”)与地面上注入油井中的流体累计体积的图表。井下地层开始断裂处的地面压力被指示为相对于点10处的注入体积的压力，在该处，产生了与经检测地面压力和注入体积之间的线性关系的偏差。在LOT/FIT中，通常进行连续的泵送，直到确认所述的地层已经接受了所有来自井眼的泥浆，以点12表示，此时注射泵停止。LOT/FIT的结果表明了断裂的程度、流进地层或从地层流出的液流速率、或存在套管泄漏以及水泥管道的情况。

本发明克服了泥浆脉冲遥测系统的低信息传递速率的缺点，通过使用井下智能方法来归纳总结那些存储在BHA中的少量极为有用的APWD检测值或者那些从APWD检测值计算出或表示出的少量数据，来使APWD数据达到近似于实时再现的效果。然后，在再次进行泵送操作(泥浆泵开启和循环)之后，BHA立即利用泥浆脉冲遥测方法将这些少量数据传递到地面。这种选定的APWD数据可以包括(但并不必须包括)在LOT/FIT期间记录的最大和最小井下压力。这些最大和最小APWD检测值与最大和最小地面压力检测值相关，以使司钻能够估计出LOT/FIT期间任一时刻的井下压力。最大APWD检测值与最大地面压力检测值相关，而最小APWD检测值与最小地面压力检测值相关。这些关系用于使在LOT/FIT期间作出的任一地面压力检测值和相关的井下压力之间产生联系。

尽管这种估算技术能够补偿在相关的地面和井下压力检测值之间的压力传播延迟，但是最好不这样做，因为压力传播延迟量非常小，并且这种延迟量需要BHA存储并传递测量最大和最小井下压力时的时间。这种关于压力传播延迟量非常小的假设在深水钻井的情况下不可能保持，因为在所述深水钻井情况下，冷水立管中可能出现胶凝泥浆，并且压力传送可能是个问题。这种假设的正确性应该经常进行检查，即：通过检验当在恒定速率下泵送时地面压力与泵送体积的曲线实际上成一直线以及通过检验没有发生油井泄漏(在LOT开始时)来确定假设的正确性。如果这部分图线并非直线，则必须要降低泵送速率以保证时间延迟，这是因为向井下的压力传播可以被忽略。

通常，井下或总深压力(P_TD)和地面或立管压力(P_S)之间的关系可以用下面的等式描述：

P_TD＝P_地面+P_静压(在t＝0)+ΔP_静压-ΔP_摩擦

其中，P_地面是地面压力，

P_静压是钻井泥浆柱的流体静压，

ΔP_静压是流体静压的变化量，和

ΔP_摩擦是泥浆沿钻杆向下流动的摩擦压力降。

P_地面很容易在地面测得。ΔP_静压是通过在地面注入的流体额外质量减去在总深(TD)处流出油井的流体质量以及套管和/或井眼变形(如果有的话)来确定的。ΔP_摩擦是通过钻井泥浆在地面处流进油井的流动速率(Q_地面)和钻井泥浆在TD处流出油井的流动速率(Q_TD)确定的。设定在LOT/FIT期间注入泵的流动速率非常低(通常在每分钟0.1到0.25桶)，井下压力和地面压力的关系大致为直线。另外，最好假定并且有理由假定：由推动泥浆柱向下运行的压力传播速度所产生的时间延迟可以忽略不计。这一假定应被认为是有道理的，因为LOT/FIT周期(分钟)相对于实际压力向前传播的时间(秒)来说，有着相差很大的时间范围。

因此，对于所有实际目的：

P_TD≈a₀+a₁·Ps

其中，a₀是由钻井泥浆柱的流体静压效果所确定的常数，和

a₁是由井眼和套管的一致性以及泥浆的压缩和膨胀特性所确定的常数。

确定常数a₀和a₁是从已知的相关地面压力检测值得出“合成”或示例性井下压力所需的。例如，为了确定两个常数a₀和a₁，需要采用最大和最小井下压力检测值以及相关的最大和最小地面压力检测值，从而形成两个仅有两个未知数、即a₀和a₁的等式。得到a₀和a₁后，可以在任一时刻通过使用表面压力检测值，利用等式估算出井下压力。在LOT/FIT期间，地面压力和井下压力之间由上述等式所描述的线性关系由图2中的LOT/FIT期间地面压力检测值与井下环空压力检测值的曲线来加以表示。

应该认识到，还有其它因素可能包括在井下压力与地面压力的相互关系中和/或井下压力与地面压力的函数关系估算式中。特别应该注意到，还可以采用更复杂的等式，包括高阶变量和复杂的数学函数，这些等式可能需要选择额外的井下压力检测值并将其向地面传递。现在，优选的是仅需要涉及两个井下压力检测值的较为简化的技术，因为该技术所具备的精度和速度使其能够在有限的泥浆脉冲遥测传递速率下实施。然而，随着泥浆脉冲遥测传递速率的增高，通过考虑额外的井下压力检测值或表示井下压力检测值特性的数据，可以提供更为精确的估算值。

图3表示了地面或立管压力相对于时间和采用本发明获得的井下压力的联合(相对于时间的)曲线。在井下图表中的大“X”32和34表示了井下压力最小值32和最大APWD检测值34的位置。(注意，最大APWD检测值并不必及时对应于最大表面或立管压力检测值。)

图4是在LOT/FIT期间地面或立管压力相对于时间的图表。这一实时数据很容易被司钻得到，并被记录以及通过使用选定APWD检测值所得到的关系式而计算出来。

本发明的精确性显示在图5中，它表示了采用本发明所得到的LOT/FIT曲线与由APWD工具实际所测量到的LOT/FIT曲线的比较情况，后者对于司钻来说有较大的延迟，因为用于向地面传递这一数据的泥浆脉冲遥测系统的传递能力有限。采用方形标记所指示的那组数据点代表了记录下来的井下(APWD)压力检测值，而采用三角形标记所指示的那组数据点代表了通过采用与地面压力检测值相关的关系式所估算出的新的LOT/FIT井下压力值。该方法的精度通过那条估算的井下压力曲线与那条经测量的井下压力曲线之间的近似性表现出来。对图5的考察体现了两条曲线在图示实施例中本质上不能区分。

这样，就可以使用估算的井下压力曲线在重新进行泵送操作的几秒内来精确地确定地层断裂压力和其它地层特性。这些早期的信息更有助于司钻停留在孔隙压力和地层破裂压力之间的安全窗口内，且更有利于设计其安全性和效率都最佳的下套管程序。在带有处于孔隙压力和地层破裂压力之间的小安全窗口的油井(例如高压和高温油井，在深水或冷水中钻进的油井，小井眼油井和定向井)中，这是特别理想的，这种提高的精度使得司钻能够避免产生危险和昂贵的油井控制问题，同时避免由于在钻井的下套管过程中发生不必要的中断而产生附加费用。

本发明的一个实施例为仅将两个特定的检测值检测出来并传递到地面：最大井下压力和最小井下压力。假设最大井下压力检测值和地面的最大压力检测值成线性关系但二者不必同时发生。类似地，假设最小井下压力检测值与最小地面压力检测值呈同样的大致为线性的关系。通过对上述简化的线性等式求解，这两个井下检测值与其各自的地面配对值数学相关。根据这种相关性，采用相对于时间点或时间间隔的相应地面压力检测值，就能够解出在任一时间点或感兴趣的时间间隔处的井下压力。对于从BHA给出的一对数据来说，为了解开等式，仅需要两个井下检测值；其它的检测值很容易在地面实时获得。采用本发明，能够精确地表示整个LOT/FIT曲线，从而向司钻提供了严格和可靠的信息，使他能够在最安全和费用最低的情况下控制钻井过程。

本发明的第二实施例为检测并向地面传递两对检测值。这可以包括在LOT/FIT期间感兴趣的时间段内产生的两个以战略眼光选定的井下检测值以及两个时间测量值，这两个时间测量值指示出在LOT/FIT期间每一井下压力检测值产生的时间。这四个数据点使得司钻能够将这些数据对与同时产生的或者具有一定时间偏差以修正压力传播时间或其它影响的地面压力检测值相关联。

第三实施例为检测并向地面传递附加的检测值，并且记录时间标记或相互隔开已知间隔的时间点，所有这些都选自司钻感兴趣的时间区段或压力区域。根据第二实施例，本实施例需要通过泥浆脉冲遥测方法传递更多的数据，由于泥浆脉冲遥测系统的信息传送速率有限，这些数据不是那么容易获得。但是，附加的数据点会使所述相关性(关系式)的精确度提高，并且在其它的实施例中，附加的数据点可以以选定的顺序传递，使得先产生第一种相关曲线，然后再采用附加的井下检测值进行筛选和校准。

LOT/FIT输出量并不必须一定是以井下压力的形式。输出量可以转换为等效的泥浆密度且其曲线以在地面测得的泥浆密度进行绘制，或者它可以由感兴趣区域内的泥浆密度(经测量的或经修正过的)、孔隙压力和/或地层破裂压力和其它已遇到或预料的因素进行图解表示。

尽管上文描述了本发明的优选实施例，但在不脱离本发明基本范围的情况下，可以进一步做出其它的实施例，所述范围由所附的权利要求书来确定。

Claims (18)

1.一种确定在关泵状态期间产生的一组井下压力的方法，包括：

在关泵状态期间检测一个或多个地面上的井眼压力；

在关泵状态期间增加油井中的井下压力；

检测在关泵状态期间产生的井下压力；

由在关泵状态期间所检测的地面上的井眼压力确定最大和最小立管压力；

由在关泵状态期间所检测的井下压力确定最大和最小井下压力；

在关泵状态结束之后，将最大和最小井下压力检测值传递到地面；

使最大和最小井下压力与最大和最小立管压力检测值相关联；和

利用一个或多个立管压力检测值和这种相关关系来估算一个或多个井下压力值。

2.如权利要求1所述的方法，还包括：

检测附加的井下压力检测值；

记录获得每次附加的井下压力检测值的时间；

在关泵状态下从感兴趣的时间段内选择出一个或多个附加检测值；

在关泵状态结束之后，将一个或多个附加检测值和相应的检测时间传递到地面；和

使井下压力与立管压力检测值相关联。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过向油井注入流体来增加油井中的压力。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，流体是钻井泥浆。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用由附加井下压力检测值和时间所建立起的相关关系来校准已经存在的相关关系。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使最大和最小井下压力与最大和最小立管压力检测值相关联的步骤包括解出两个关于第一常数和第二常数的一阶等式。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一常数确定y轴截距，第二常数确定斜率。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，一阶等式为：P_TD＝a₀+a₁(Ps)，其中，P_TD是井下压力，Ps是检测到的立管压力，a₀和a₁是常数。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，估算步骤包括从插值法、外推法或它们相结合的方法中选择出的图解技术。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，估算步骤包括采用立管压力检测值计算井下压力。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，关泵状态是在泄漏检测期间发生的低速循环状态。

12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，关泵状态是在地层完整性检测期间发生的低速循环状态。

13.一种确定在关泵状态期间产生的一组井下压力的方法，包括：

在关泵状态期间检测地面上的井眼压力；

在关泵状态期间增加油井中的井下压力；

检测在关泵状态期间的第一井下压力和第二井下压力以及各压力产生的时间；

在关泵状态结束之后，将第一井下压力和第二井下压力以及各压力测量的时间传递到地面；

使第一井下压力与获得该第一井下压力检测值时产生的立管压力相关联，使第二井下压力与获得该第二井下压力检测值时产生的立管压力相关联，采用这种相关关系获得一个或多个井下压力。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，通过注入流体来增加油井中的压力。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，流体是钻井泥浆。

16.一种钻井时环空压力的检测装置，包括：

一个用于检测油井环空中压力的压力传感器；

一个泥浆脉冲遥测系统；和

计算机执行装置，用于确定在关泵状态期间由压力传感器测量的最小环空压力和最大环空压力、在关泵状态期间存储所述最小和最大环空压力、并在开始启动泵送时将该最小和最大环空压力提供给泥浆脉冲遥测系统。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，计算机执行装置还用于存储附加的井下环空压力和检测每一压力的时间。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，附加的井下环空压力用于校准所述相关关系。

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