专利名称：解卡被卡钻管的方法
技术领域：
本发明涉及修井，尤其涉及一种压差卡钻时辅助使用超声波能以在施加解卡力前减小滤饼的接触面积的方法。
背景技术：
油气井的钻井过程中，钻井液通过钻柱的内部向下，然后从钻柱与井壁间的环空向上流回地面进行循环。钻井液有不同的作用，包括润滑钻头和钻管、将钻屑从井底携带回钻机平面、对即将被钻的地层施加静水压头，以防止油气的逸出或钻井作业中水流入井眼。
钻井过程中，钻柱被卡的原因有很多种。压差卡钻是卡钻事故的原因之一，经常发生在钻渗透层时，此处井筒压力大于地层压力。在这些情形下，当钻管靠在井壁上一段时间保持不动时，泥浆滤饼在钻管四周沉积，钻井液施加的压力将使钻管固定在井壁滤饼上。
提醒操作人员注意可能发生压差卡钻的警示信息有，伴随砂的大量消耗，预报的压力很低；修长且不稳定的底部钻具组合(下面写作BHA)段处于倾斜井眼内；流体损失失去控制以及砂含量的增加；钻管开始运动的超载提升力、下钻力或扭矩增加。
发生实际压差卡钻的征兆有钻柱一段时间无运动、钻柱不能旋转或运动，但循环不受限制。
解卡压差卡钻钻柱的方法包括施加扭矩，并在具有最大扭矩载荷时震击；如果震击不成功，使用钻定心孔释放炮弹；降低泥浆重量，这可能对井眼稳定有影响。解卡钻管所需的超载提升力可能超过钻机的生产能力，甚至可能使钻机损坏。如果有一种方法可以降低所需的解卡力，从而在没有损坏可能的情况下，所用钻机可施加足够的超载提升力，那将是非常有益的。
石油工业中，应用波能是公知技术。然而，超声波能最普遍的应用是在半导体工业中清洁电子微晶片，以及珠宝的日常清洁。
声波和超声波方法除了用于实验室岩芯测量、现场测井和地震应用外，Tutuncn和Sharma指出了声波能可将泥浆滤饼的初动压力降低五分之四。参见Tutuncn A.N.和Sharma M.M.，1994，“声波场的胶质分离机理”，第一届AIChE(美国化学工程师协会)国际粒子技术论坛，论文63e，24～29。
超声波能的其它应用包括，通过井下工具将能量传给烃类，降低油的粘性，促进油从井中的分离。例如，参见美国专利号5109922和5344532。US5727628公开了使用超声波清洁水井。
近年来，人们也尝试使用振动能解卡钻管。US4913234公开了一种系统，通过振动能实现井内管段的解卡，它包含a)一个包括壳体的轨道振子；b)一加长螺旋形定子装在壳体上，一加长螺旋形转子装在该定子上自由地进给滚动旋转；c)用来悬挂所述振子的装置在钻管内靠近卡钻部位绕钻管的纵向轴线旋转；d)用来旋转驱动所述转子的驱动装置实现壳体横向轨道的声波振动，使壳体绕钻管内壁横向进给，从而在钻管上产生横向正交振动力，使钻管从井眼解卡。
US5234056公开了一种解卡钻柱的方法，该方法包括a)将一个机械振子弹性悬挂在一个弹性体支承的支承结构上，该弹性支承具有线性常系数弹簧刚度；b)将振子连接到钻柱的顶端，弹性体支承在钻柱顶端产生低阻抗的振动能量；c)驱动振子产生纵向振动模式的高阶声波振动能，实现钻柱顶端的大纵向振动位移；以及，d)钻柱起声波杠杆的作用，将钻柱顶端的高振动位移转换为卡点处的高振动力，从而促进钻柱的解卡。
当钻管压差卡钻时，结果通常是不得不切断钻管，目标层也不能按最优的路线到达。在本领域中，如果一种方法可降低解卡卡钻钻管所需力的大小，它将是非常有用的。这样一种方法可能节省钻井操作中大量的时间和金钱。
本发明中，公开了一种超声波能的辅助应用，它能减小管道的接触面积，从而降低所需解卡力，并通常使得现有钻具在超载提升时仍然绰绰有余。本发明将节省钻具时间、避免侧钻，侧钻是一种高成本的作业，尤其是在海洋深水环境中。
发明内容
依上所述，本发明提供了一种降低解卡卡钻钻管所需力大小的方法，包括a)沿着钻柱下放一种超声源至发生粘滞的接触点，该超声源最好具有至少20kHz的主要频率；b)在接触点施加超声波振动；c)减小接触面积；d)施加降低了的解卡力松脱钻管。
附图概述
图1是压差卡钻钻管一种可能位置的示意图。
图2是试验室工作中使用的空心圆柱体过滤单元的原理图。
图3是被钻井液损坏的铝砂空心圆柱体试样起钻(解卡)力减小的曲线图，该力是超声处理时间的函数，滤饼在升高的压力和室温下形成。
图4是贝雷砂岩空心圆柱体试样起钻(解卡)力减小的曲线图，该力是超声处理时间的函数。
具体实施例方式
本发明描述了一种超声波能辅助应用降低所需解卡力来解卡卡钻钻管的方法，尤其应用于压差卡钻。
图1是压差卡钻钻管一种位置的示意图。在欠平衡的高压差泥浆压力下，钻柱4在渗透层2对面嵌入滤饼3，使管在接触区域卡住。在动态循环工况下，滤饼经受液流和钻柱的机械力冲蚀。当井中管道保持静止不旋转时，可能形成静态滤饼，这增加了整个滤饼的厚度。钻柱可能嵌入厚滤饼中，尤其是井眼1高度倾斜和/或BHA没有完全固定时。静态滤饼从钻管的后部封闭井筒压力(处于过平衡)。在钻柱/BHA背部后面的低压区域扩大，并开始抵消较低的地层压力。差压开始沿钻管/BHA截面形成。随着时间流逝，钻管被封闭在滤饼中的面积增大。过平衡压力乘以横截面积得出的阻力防止钻管被拉脱。开始时，阻力的增长速度很快，然后随时间增长。
用来松脱钻柱的典型措施包括施加扭矩，并在具有最大扭矩载荷时震击。在压差卡钻过程中，循环通常没有停止。因此，现场液体能循环通过导致卡钻的地层。现场液体包括能脱水和破碎滤饼的添加剂，也包括能润滑钻柱的添加剂。破碎滤饼将有利于将泥浆压力传递到钻柱背部，消除钻柱上的差压，使摩擦力最小。粘滞力随之减小，关系如方程式1所示Fs＝μAΔP(1)式中，μ是摩擦因子，A是接触面积，ΔP是差压。要解卡钻管，解卡力需要等于或大于Fs。然而，由于钻柱和/或钻具的限制，有时候不可能产生足够的力，在这种情形下，钻柱必须被切断，从而造成极大的经济损失，钻进也不可能沿最优线路到达目的层。降低泥浆重量在某些情形下可能有用，但是可能要危及井眼的稳定性。
钻柱的设计是主要考虑的问题。钻管的强度限制了最大许用负载，以及施加超载提升力的能力。即使钻管强度设计得足够，松脱钻管所需的超载提升力可能超过钻具能力。这是可能的，尤其是在平台作业中使用小钻具时，钻具可能因所用力超过最大超载提升力而损坏。井下振子也允许卡点承受高冲击力和相对低的起钻力和坐封。然而，有时候施加的力不足以松脱卡钻钻管。振子自身也可能被卡。本发明中，卡钻钻管接触面积的减小降低了所需的超载提升力。由于A减小，粘滞力也降低(关系参见方程式1)。因此，松脱卡钻钻管的难度降低了。
本发明中，一管的壳体内封装一超声波源，管可以放置在钻柱内。超声波源是一种大功率扫描声波发射器，可在大约20kHz的固定频率工作，或者，频率也能在几个Hz到40kHz之间变化。仪器是由不同数目的圆柱形陶瓷发射器组成，发射器径向传递声波能。发射器自身是一片实心钢，其上附有压电装置。声波仪器通过标准测井电缆连接到一个高功率放大器上。功率放大系数与仪器横截面积的比率有关。
为了验证本发明，采用具有已知孔隙尺寸分布的浸透盐水的贝雷砂岩和铝砂空心圆柱体岩芯做动态过滤试验。图2是试验中使用的空心圆柱体过滤单元的原理图。空心岩芯试验描述真实的井眼几何结构。设计和搭建此单元来测试4-inch(英寸)外径(OD)、8.3-inch长度的岩芯试样。单元可使用不同内径(ID)的空心圆柱体岩芯。在本发明中，使用0.9-inch内径的试样。
一种由康涅狄格丹伯里的Branson超声波公司生产的450型号的数字超声波仪被用于超声波清洁用途。系统包括能量供应单元、控制单元、变换器和喇叭(horn)。一台PC用来与系统交互，收集系统数据。
在不同的压差下，空心圆柱体贝雷岩(Berea)芯被不同地层的钻屑和/或钻井液毁坏。钻井液用来实施静态过滤。在600-psi(磅/平方英寸)压差下对单元进行过滤大约12小时。滤饼的厚度在2到3mm之间变化。钻井液循环入空心圆柱体岩芯并从环空流出，循环压力500-psi，流速50cc/min(立方厘米/分钟)。然后停泵，从500-psi开始静态过滤，并持续足够长的时间，使钻管粘附，静态滤液被收集起来。然后，使用20kHz主要频率的超声波喇叭在粘附于岩芯壁的管内进行超声处理。渗透率、压差、超声处理幅度、功率、温度都被监控来作为超声处理时间的函数，近完全渗透复原所需的能量和起钻力也得到了研究。
下面的示例用来描述本发明公开的内容。例子仅是为了说明的目的，不应该被解释为对本发明任意范围的限制。本领域技术人员应该意识到在不脱离公开内容的实质时，本发明可以有不同的变化。
试验研究试验用于证实超声波对降低卡钻钻管起钻力的效果。设计了一种上面已描述并示于图2的特殊动态空心圆柱体循环装置来进行试验。单元压力、温度、流动速率、所用喇叭功率和幅度通过数据采集系统连续监控。通过改变损坏面和喇叭的距离，来研究能量源距离远近的效应。
再参考附图2，系统包括一不锈钢单元，两可移动活塞以及一超声波喇叭(ultrasonic horn)把持器。它能在超过5000psi的压力下工作，也能在特定压差时在更高的温度下运行。两个活塞泵(由Nebraska的ISCO公司制造和销售)用来注入流体并同时控制压差在±1psi精度内，以测量试样的渗透率。一数据采集系统用来记录和监控实时压力、流量、注入液体的体积。在超声处理过程中，实时幅度、功率和时间也被记录和监控。
外径4″、内径0.9″、长8.3″的空心圆柱形贝雷和铝砂岩芯试样放置在动态空心圆柱体过滤装置上，外部滤饼由循环钻屑和钻井液在现场应力条件下造型，该现场位置处于套管和空心圆柱体壁间，如图2所示。连续的渗透率测试使得有可能观测到流体何时完全塞满试样孔隙空间。然后，超声波喇叭置入管内模拟如图2所示的试验室卡钻情形。在第一次测试中，没有进行超声处理。施加起钻力在卡钻钻管上，逐渐增加力的大小直到钻管松脱。此时，记录解卡钻管所需的载荷。然后，对卡钻钻管进行另一次同样的试验，但是这次进行超声处理，间隔分别为1，3，5，10，15，20，25，30和35分钟。在进行不同时间的超声处理后，施加一个小的起钻力，然后慢慢加力直到钻管松脱。在三种超声波能量等级进行处理(30％大小，50％大小，70％大小)。图3是不同幅度和超声处理时间的铝砂圆柱体简图。图3显示，对被钻井液损坏的铝砂空心圆柱体试样而言，起钻力(解卡力)的减少作为超声处理时间的函数，该试样滤饼是在升高的压力和室温下形成的。起钻力比率是指超声处理前、后解卡力之比。
当施加70％等级(最高功率)的超声处理时，松脱力减小最快。然而，相比不进行超声处理的情况，任意幅度等级和超声处理时间都有效地降低了松脱力。贝雷空心圆柱体岩芯的测试结果示于图4。不同的试样被用来测试超声处理时间增加的效果。除40分钟超声处理测试外，其它所有测试都在管子上施加拉力。然而，超声处理时间越长，所需的力越小。而且，对40分钟超声处理的情形，最终不需要拉力；超声处理完成后，管子即刻松脱。测试结果可由接触面积的减少来解释。因为超声处理降低了滤饼的厚度，导致接触面积减小。因此，由方程式(1)Fs＝μAΔP可知，μ和ΔP保持恒定，A变小，Fs随之变小。关于铝砂和贝雷空心圆柱体试样的起钻力比率简图示于图3和图4中。
权利要求
1.在任何解卡因滤饼沉积而卡钻的钻管的方法中，一种用于降低解卡所述钻管所需解卡力的辅助方法，该辅助方法包括a) 沿钻管下放一超声波喇叭至钻管和滤饼之间的接触点；b)在接触点产生超声波能直到使接触面积足够小以致需要相当小的力即可解卡钻管。
2.如权利要求1所述的方法，还包括该钻管是压差卡钻的。
3.如权利要求1所述的方法，还包括将超声波能施加在接触点，使至少一超声波方向基本垂直于滤饼。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于超声波能在(几个)2kHz到40kHz范围内变化。
5.如权利要求1所述方法，其特征在于超声波能大约为20kHz±5。
6.如权利要求1所述方法，其特征在于超声波能具有固定的频率，大约为20kHz。
7.如权利要求1所述方法，还包括功率供应范围为50瓦到450瓦。
8.如权利要求7所述方法，其特征在于功率供应范围为100瓦到250瓦。
9.如权利要求8所述方法，其特征在于功率供应小于200瓦。
10.如权利要求1所述方法，还包括压力为从大气压到10000psi。
11.如权利要求10所述方法，其特征在于压力范围为从大气压到5000psi。
12.如权利要求11所述方法，其特征在于压力范围为从100psi到700psi。
13.如权利要求12所述方法，其特征在于压力范围为从200psi到600psi。
全文摘要
一种解卡因滤饼聚集而卡钻钻管的辅助方法，该方法提供了降低解卡钻管所需力的步骤，包括a)下放一种超声波喇叭设备至钻管和泥浆滤饼的接触点；b)在接触点产生超声波能直至接触面积减小到只需很小的力即可解卡钻管。
文档编号E21B31/00GK1602386SQ02824625
公开日2005年3月30日 申请日期2002年12月11日 优先权日2001年12月11日
发明者阿瑟·H·黑尔, 阿兹拉·N·图通库 申请人:国际壳牌研究有限公司