NO170103B - Fremgangsmaate for maaling av bor-synkehastighet. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for måling av bor-synkehastigheten til en borkrone ved arbeidsflaten under en brønnboringsoperasjon av rotasjonstypen. Boreverktøyet, som kan være en borkrone, er festet til enden av en borestreng som er opplagret ved overflaten ved hjelp av en krok på boreriggen. Borestrengen utsettes for en rotasjonsbevegelse som tillater borkronen å bore. Borkronens synkehastighet i brønnen bestemmes ganske enkelt av borestrengens synkehastighet ved overflaten. Synkehastigheten bestemmes derfor ved overflaten. Borestrengen, som utgjøres av stålrør, er imidlertid forholdsvis elastisk og deformeres langs sin lengde under påvirkning av strekk- og trykkrefter som den utsettes for. Dette fører til lengdevaria-sjoner som i betydelig grad påvirker målingene av borkronens synkehastighet ved bunnen av brønnen. Feilene er større etter-hvert som boredybden øker og borestrengen således blir lengre, slik at kreftene som virker på borkronen er større og friksjonen mellom borestrengen og brønnveggene blir større. I sistnevnte tilfelle, som forekommer forholdsvis hyppig når brønnen ikke bores vertikalt, blir tyngden som påføres borestrengen ved overflaten, ikke fullt ut overført til borkronen.

For å løse disse problemer er det i US-patent 2.688.871 foreslått å betrakte borestrengen som en fjær med en viss elastisitet. Elastisitetsmodulen bestemmes teoretisk ut fra borestrengens kjente lengde og tverrsnitt samt Young's modul for stål. Denne verdi for elastisitetsmodulen beregnes om igjen fra tid til annen for å ta hensyn til tilkopling eller fråkopling av rør. Ved å benytte som modell en fjær hvis elastisitetsmodul er blitt bestemt, er det således mulig å beregne synkehastigheten til borkronen som er festet til nedre ende av borestrengen som en funksjon av synkehastigheten til borestrengens øvre ende og verdien (positiv eller negativ) av variasjonen i kraften som påføres denne øvre endé av borestrengen.

En lignende metode foreslås i US-patent 3.777.560. Metodene beskrevet i de to ovennevnte patenter har den vesentlige ulempe at den teoretisk beregnete elastisitetsmodul er langt fra en nøyaktig gjengivelse av de forhold som borestrengen utsettes for i brønnen. Den tar i det hele tatt ikke hensyn til friksjonen mellom borestrengen og brønnveggene.

En metode som tar sikte på å overvinne ulempene ved de tidligere kjente metoder er foreslått i fransk patent nr. 2.038.700. Ifølge dette patent foreslås å bestemme borkronens synkehastighet ved bruk av en elastisitetsmodul for borestrengen målt in situ i brønnen. For å gjøre dette blir de strekkraft-variasjoner som borestrengen utsettes for ved ethvert av dens punkter bestemt idet borkronen løper ned i brønnen. I det nevnte eksempel er det valgte punkt nær borkronen. Målingen utføres ved bunnen, og de målte verdier overføres til overflaten ved hjelp av elektrisk kabel. Borkronen tillates å hvile på bunnen uten å bore, idet man registrerer tidspunktet når den støter mot bunnen, hvilket tidspunkt sparer til begynnelsen av tidsrommet med minsking i målt strekkraft. Under dette tidsrom bestemmes variasjonen i denne strekkraft og verdien av borestrengens synkehastighet ved overflaten. Ut fra disse verdier beregnes den virkelige verdi av elastisitetsmodulen.

Denne metode er vanskelig å anvende i praksis, og den benyttes ikke i dag. Det er meget vanskelig å bestemme nøyaktig det tidspunkt hvor borkronen berører brønnbunnen når målingen bare foregår ved overflaten. Dette er antagelig grunnen til at det utføringseksempel som er foreslått i dette patent er basert på målinger utført ved bunnen av brønnen ved hjelp av strekklap-per sot* er plassert på borestrengen nær borkronen. Det er da nødvendig med et telemetrisystem for overføring av målingene fra bunnen til overflaten, en vesentlig ulempe. Dessuten bestemmes elastisitetsmodulen når boring ikke finner sted. Borestrengen roterer derfor ikke. Det er nå alminnelig erkjent at bortsett frs. i spesielle tilfeller, er friksjonskreftene på grunn av borestrengens langsgående bevegelse i brønnen ubetydelige sammenlignet med friksjonskreftene på grunn av borestrengens rotasjon i brønnen. Elastisitetsmodulen som måles in situ i henhold til fremgangsmåten beskrevet i dette franske patent er derfor ikke representativt for den tilsynelatende elastisitetsmodul som svarer til de virkelige forhold ved boring.

Den her omtalte oppfinnelse tilbyr en fremgangsmåte ved hjelp av hvilken en borkrones synkehastighet kan måles nøyaktig. Denne fremgangsmåte har ikke de ovennevnte ulemper ved tidligere kjente fremgangsmåter.

Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for måling av synkehastigheten Vp- til en borkrone som er festet til nedre ende av en borestreng i en brønn som bores, ifølge hvilken fremgangsmåte man tar hensyn til borestrengens stivhet. Fremgangsmåten omfatter følgende trinn: a) under et innledende tidsrom At, foregår boring mens man i gjennomsnitt holder verdien av tyngden F av borestrengen målt ved overflaten forholdsvis konstant og de momentane verdier av borestrengens synkehastighet Vs og borestrengens tyngde F målt ved overflaten måles ved overflaten ved ulike suksessive tidspunkter, b) verdien av borestrengens gjennomsnittlige synkehastighet VSM ved overflaten bestemmes ut fra de målte verdier av Vg og de suksessive verdier av dF/dt av den første deriverte i forhold til tid og de målte verdier av tyngden F, c) borestrengens tilsynelatende stivhetsmodul X bestemmes under tidsrommet At ut fra verdiene av Vgjj» vs°9 dF/dt, d) mens boringen fortsetter måles verdiene av Vg og F ved suksessive tidspunkter, verdiene av den deriverte dF/dt bestemmes , og for hvert av disse suksessive tidspunkter bestemmes verdien av borkronens synkehastighet Vp ut fra verdiene av Vs og dF/dt og verdien av X i trinn c), og e) de foregående trinn a) til d) gjentas regelmessig under boreforløpet.

Andre trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av følgende beskrivelse, i tilknytning til de medfølgende tegninger, av et ikke-begrensende eksempel på en utføringsform av fremgangsmåten . Figur 1 viser en rotasjons-borerigg og brønnen under den skjematisk i vertikalsnitt. Figur 2 viser en del av en utskrift av de målte verdier, som funksjon av tiden, av borestrengens momentane synkehastighet Vs målt ved overflaten, tyngden F målt ved kroken på boreriggen som bærer borestrengen, verdiene av borkronens momentane hastighet Vp og elastisitetsmodulen X bestemt ifølge denne oppfinnelse.

Rotasjons-boreriggen vist i figur 1 omfatter en mast 1 som hever seg over grunnen 2 og er utstyrt med løftegreier 3 i hvilke er opphengt en borestreng 4 som dannes av sammenskrudde borerør og ved sin nedre ende har en borkrone 5 i den hensikt å bore en brønn 6. Løftegreiene 3 består av en toppblokk 7 hvis akse er festet til toppen av masten 1, en vertikalt bevegelig løpeblokk 8 til hvilken er festet en krok 9, en kabel 10 som løper rundt blokkene 7 og 8 og som fra toppblokken 7 danner på den ene side en tamp 10a som er forankret til et fast punkt 11 og på den annen side en virksom line 10b som er viklet rundt trommelen på en vinsj 12.

Borestrengen 4 er opphengt i kroken 9 ved hjelp av en svivel 13 som er ledd-forbundet med en slange 14 til en slampumpe 15 som tillater injeksjon i brønnen 6, via strengens 4 hule rør, av boreslam fra en slamtank 16, idet slamtanken på sin sine kan tilføres overskytende slam fra brønnen 6. På denne måte, ved å dreie løftegreiene 3 ved hjelp av vinsjen 12, kan borestrengen 4 bringes opp, idet rørene suksessivt fjernes fra brønnen 6 og skrues løs for å fjerne borkronen 5, eller borestrengen 4 kan senkes, idet de rør den består av suksessivt skrues tilbake på plass, for å bringe borkronen tilbake ned til bunnen av brønnen. Disse borerør-heve- og senkeoperasjoner krever at borestrengen 4 midlertidig hektes løs fra heiseverket 3, hvoretter førstnevnte understøttes ved blokkering med kiler 17 i en konisk utsparing 18 i rotasjonsboret 19 som er montert på en plattform 20 som borestrengen løper gjennom.

Under boreperioder drives borestrengen 4 i en rotasjonsbevegelse ved hjelp av et drivrør 21 som er festet til dens øvre ende. Mellom slike perioder lagres drivrøret i en rørhylse 22 i grunnen.

Variasjonene i løpeblokkens 8 høyde h under disse opera-sjoner for heving av borestrengen 4 måles ved hjelp av en føler 23. I dette eksempel er dette en vinkeldreiningsmåler som er forbundet med den hurtigere skive i toppblokken 7 (den skive som den virksomme line 10b løper fra). Denne føler angir til enhver tid følelsen og retningen av skivens omdreining, hvorfra verdien og retningen av kabelens 10 lineære bevegelse lett kan beregnes, under hensyn til antall liner mellom blokkene 7 og 8, verdien og retningen av blokkens 8 bevegelse, og deretter dens høyde h. Målingen av verdien av h som en funksjon av tid gjør det mulig umiddelbart å bestemme krokens 9 momentane hastighet som er lik borestrengens momentane hastighet Vs ved overflaten.

Tyngden F som hviler på løpeblokkens 8 krok 9 blir også målt. Denne svarer til tyngden av borestrengen 4 i boreslammet i brønnen minus den tyngde som virker på borkronen. Denne tyngde varierer med antall rør i strengen. Denne måling utføres ved hjelp av en strekklapp 24 som er innført i kabelens 10 kampende 10a for å måle strekket i denne. Ved å multiplisere den av strekklappen angitte verdi med antall liner mellom blokkene 7 og 8 får man tyngden på kroken 9.

Følere 23 og 24 er ved hjelp av liner 25 og 26 forbundet med en behandlingsenhet 27 som behandler målesignalene og som innbefatter en klokke. En skriver 28 er forbundet med behand-lingsenheten 27, som fortrinnsvis er en datamaskin.

De målte parametre som er nødvendige for utøvelse av oppfinnelsen er tyngden F opphengt i kroken 9, høyden h av løpeblokken som bærer denne krok og den tilsvarende tid som angitt av klokken som er innbefattet i datamaskinen 27. Paramet-rene blir regelmessig registrert ved en frekvens på 5 Hz og umiddelbart digitalisert, dvs. omdannet til binære verdier som kan anvendes direkte av datamaskinen. Registreringene av disse verdier er indeksert i tid. Ut fra disse verdier frembringer datamaskinen tilsvarende verdier av borestrengens momentane hastighet Vs ved overflaten og den første deriverte dF/dt av tyngden F opphengt i kroken 9, såvel som verdiene av VF og X bestemt på den ovenfor angitte måte.

Figur 2a representerer en registrering i funksjon av tid t, (i sekunder) av tyngden f (i kN) som virker på kroken på boreriggen. Vanligvis søker boreren å holde verdien av F forholdsvis konstant for en gitt formasjon. Denne verdi velges optimalt for å oppnå den beste bor-synkehastighet avhengig av de litologiske forhold. Tyngden F på kroken er lik den totale tyngde av borestrengen i boreslammet i brønnen minus tyngden som effektivt påføres borkronen. Boreren arbeider i suksessive sekvenser på noen få sekunder. Etter å ha påført en viss tyngde på borkronen, blokkerer han borestrengen ved overflaten for å hindre enhver langsgående bevegelse samtidig som borestrengen tillates å rotere for å bore. Borkronens inntrengning i formasjonen finner så sted ved naturlig forlengelse av borestrengen på grunn av dens elastisitet. I dette tilfelle bemerkes en gradvis øking dF av tyngden F som påføres kroken, og til denne svarer en minsking i tyngden som påføres borkronen. Den dybde som bores under denne sekvens svarer til borestrengens forlengelse. Denne forlengelse er tilknyttet minskingen i tyngde som effektivt påføres borkronen. Betraktes borestrengen som en fjær, vil forlengelsen av borestrengen, eller den borete dybde, hvilket går ut på det samme, være lik produktet av X dF, hvor X er stivheten til fjæren som utgjøres av borestrengen eller det motsatte av dens elastisitet. Ved slutten av denne boresekvens, som bare varer i noen få sekunder, avviker verdien av tyngden F for mye fra den innstilte verdi, og boreren beslutter da å frigjøre borestrengens langsgående bevegelse. Med andre ord vil han tilføre tyngde til borkronen, hvilket er det samme som å minske verdien av tyngden F som virker på kroken med samme verdi.

Under denne andre sekvens er dybden av boret brønn lik variasjonen i borestrengens lengde målt ved overflaten pluss variasjonen i borestrengens lengde. Sistnevnte er i virkelig-heten lik produktet av X og variasjonen av tyngden F ved kroken. Følgelig kan følgende uttrykk skrives:

hvor VF og Vs er de momentane hastigheter til henholdsvis borkronen og borestrengen ved overflaten, X er borestrengens tilsynelatende stivhet i brønnen ved måle-tidspunktet og under boreforholdene, og dF/dt er den første deriverte med hensyn til tid t av tyngden F som er opphengt i kroken. Figur 2b viser verdiene av den momentane hastighet Vs av borestrengen ved overflaten, uttrykt i meter pr. time, bestemt som tidligere omtalt ved bruk av målinger av variasjoner i krokens høyde h som funksjon av tiden. Figur 2c representerer verdiene av borkronens momentane hastighet VF uttrykt i meter pr. time. Ifølge denne oppfinnelse er utgangspunktet å betrakte borkronens synkehastighet som lik borestrengens gjennomsnittlige synkehastighet ved overflaten

VSM. Vsm blir således først bestemt under et tidsrom At på null til ca. 350 sekunder i eksempelet vist i figur 2c. Dette tidsrom kan avkortes til f.eks. 100 sekunder. En vil se at hastighetene Vs og VF er like på figur 2b og 2c over det aktuelle tidsrom. Den tilsynelatende stivhetsmodul X for borestrengen i brønnen blir så bestemt for disse boreforhold. Med dette for øyet, og med kjennskap til at for dette første tidsrom i betraktning, VF = VSM, kan følgende ligning oppstilles:

Når Vgjf er kjent kan en tilsvarende verdi for borestreng-stivheten X bestemmes for hver verdi av Vg og dF/dt. Over et så kort tidsrom som her benyttes kan imidlertid modulen X anses som konstant. En middelverdi blir så bestemt ut fra de utførte målinger, idet det bemerkes at ovenstående uttrykk er ligningen for en rett linje med stigningsforhold X. En løsning er å anvende minste kvadraters metode.

I det følgende trinn fortsetter boringen og man fortsetter å ta verdiene av Vs og dF/dt kontinuerlig. Når stivhetsmodulen X er kjent kan borkronens synkehastighet VF bestemmes ved å anvende ligning 1. Disse suksessive verdier er angitt på figur 2c etter tidsrommet på null til 350 sekunder.

En vil se at for hvert par verdier av Vs og F som nettopp er innhentet kan en ny verdi av X og VF beregnes. Dette gjør det mulig under boring å overvåke borestrengens foranderlige tilsynelatende stivhet X samt borkronens momentane hastighet Vs. Dersom den tilgjengelige beregningskapasitet ved borestedet (datamaskin 28 - figur 1) ikke er tilstrekkelig, kan den nye verdi av X beregnes først etter boring gjennom en viss dybde av formasjonen, f.eks. hver meter.

En vil se at selv om man i utgangspunktet antok at boringen ble utført med en forholdsvis konstant tyngde på borkronen, er det nødvendig å ha tilstrekkelig store variasjoner i tyngden F for å kunne bestemme verdien av X med tilstrekkelig nøyaktig-het. Med andre ord må fjæren som utgjøres av borestrengen strammes og avlastes med tilstrekkelig amplitude for bestemmelse av X.

På figur 2d er angitt de suksessive verdier av stivhetsmodulen X beregnet for hvert 350 sekund. Variasjonen i denne modul er av betydning i praktisk henseende. Denne modul representerer ikke bare borestrengens teoretiske stivhet, ut av brønnen, men også borestrengens friksjons eller klempåvirkning i brønnen. Det er således mulig å bestemme hvilke områder av brønnen som kan tenkes å forårsake problemer ved heving eller senking av borestrengen.

Det er i alminnelighet erkjent at for en gitt litologi er borkronens synkehastighet mer eller mindre proporsjonal med den tyngde som påføres borkronen. For å løse problemet med disse tyngdevariasjoner på borkronen, kan en normalisert momentan hastighet VSN bestemmes, lik borkronens momentane synkehastighet Vs delt på den tyngde som virker på borkronen i det aktuelle øyeblikk. En av de viktige praktiske anvendelser av denne normaliserte hastighet er bestemmelsen av det tidspunkt når boring av formasjonen gjenopptas etter at borestrengen igjen er senket ned i brønnen. Den vanlige fremgangsmåte er å anta at boring gjenopptas f.eks. dersom borkronens tyngde er over ett tonn. Denne fremgangsmåte er vilkårlig og er årsak til feil. Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse kan det antas at boring av formasjonen gjenopptas når den normaliserte momentane synkehastighet VSN for borkronen er lik den normaliserte hastighet som er oppnådd før tilkopling av det nye rør (kontinuitet av litologien). Dette forhold i forhold til den normaliserte hastighet kan selvsagt knyttes til andre forhold såsom krokhøyden (etter beregning av krokhøyden på tidspunktet for gjenopptakelse av boring fra krokens posisjon ved slutten av boringen med det tidligere rør og en automatisk beregning av lengden av det nye rør når det er tilkoplet) eller en terskelverdi for verdien av tyngden på borkronen.

Det kan også bemerkes at en variasjon i denne normaliserte hastighet VSN kan uttrykke en endring i litologien.

Det skal bemerkes at diagrammene i figur 2 er gitt i funksjon av tid t. Disse diagrammer kan selvsagt omformes slik at de presenteres som en funksjon av den borete dybde. En metode for omforming er f.eks. beskrevet i fransk patentsøknad nr. 87.02628 inngitt av søkeren den 27. februar 1987.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for måling av synkehastigheten Vp til en borkrone som er festet til nedre ende av en borestreng i en brønn som bores, hvor man tar hensyn til borestrengens stivhet, karakterisert ved følgende trinn: a) under et innledende tidsrom At, foregår boring mens man i gjennomsnitt holder verdien av tyngden F av borestrengen målt ved overflaten forholdsvis konstant og de momentane verdier av borestrengens synkehastighet Vs og borestrengens tyngde F målt ved overflaten måles ved overflaten ved ulike suksessive tidspunkter, b) verdien av borestrengens gjennomsnittlige synkehastighet VSM ved overflaten bestemmes ut fra de målte verdier av Vs og de suksessive verdier av dF/dt av den første deriverte i forhold til tid og de målte verdier av tyngden F, c) borestrengens tilsynelatende stivhetsmodul X bestemmes under tidsrommet At ut fra verdiene av VSM, Vg og dF/dt, d) mens boringen fortsetter måles verdiene av Vs og F ved suksessive tidspunkter, verdiene av den deriverte dF/dt bestemmes, og for hvert av disse suksessive tidspunkter bestemmes verdien av borkronens synkehastighet VF ut fra verdiene av Vg og dF/dt og verdien av X i trinn c), og e) de foregående trinn a) til d) gjentas regelmessig under boreforløpet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de suksessive verdier av VF bestemmes ved hjelp av følgende ligning:

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at verdien av den tilsynelatende stivhetsmodul X bestemmes ved hjelp av følgende ligning: idet det antas at borkronens synkehastighet under tidsrommet At er konstant og lik borestrengens gjennomsnittlige synkehastighet VSM ve<* overflaten.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at verdien av X bestemmes ved å trekke grafen som representerer (Vgjj - Vs) som ordinaten og X dF/dt som abscissen hvoretter minste kvadraters metode anvendes for å bestemme verdien av stigningsforholdet X til den rette linje som best representerer følgende ligning:

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at de suksessive verdier av X registreres som en funksjon av tid eller boret dybde, for å gi en kurve som er karakteristisk for boreforholdene.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at de suksessive verdier av den normaliserte momentane hastighet VSN bestemmes ved å utføre, for hvert måle-tidspunkt, ligningen for VF med tyngden på borkronen, og at kurven VFN trekkes som en funksjonn av tid eller av boret dybde for å gi en indikasjon med hensyn til litologien til formasjonen som bores.

7. Anvendelse av fremgangsmåten angitt i et av de foregående krav for å bestemme det tidspunkt hvor borkronen gjenopptar boring av formasjonen.