EA023429B1

EA023429B1 - Устройство и способы испытания текучей среды ствола скважины

Info

Publication number: EA023429B1
Application number: EA201171039A
Authority: EA
Inventors: Хой Хюинь; Кеннет Слейтер
Original assignee: Эм-Ай Эл. Эл. Си.
Priority date: 2009-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2016-06-30
Also published as: EA201171039A1; EP2396510A4; US8954281B2; WO2010093774A2; US20110295509A1; WO2010093774A3; EP2396510A2; BRPI1008534A2

Abstract

В изобретении система испытания текучей среды ствола скважины включает в себя испытательную камеру, имеющую первую и вторую плиты. Камера имеет термоизолированный корпус. Корпус включает в себя нагревательный элемент. Плиты имитируют ответную реакцию текучей среды ствола скважины на гидравлический разрыв подземного пласта горной породы. Система включает в себя средство регулирования расстояния между плитами. Насос вводит текучую среду ствола скважины в пространство между плитами, а другой насос вводит текучую среду испытания давлением в контакт с текучей средой ствола скважины. Соответствующий датчик давления сообщается текучей средой с напорной стороной каждого насоса, датчик включен в состав для измерения параметра, связанного с положением второй плиты или пространства между плитами. Устройство сбора данных и управления выполнено с возможностью детектирования сигналов от соответствующих измерительных преобразователей давления и датчика.

Description

Изобретение относится, в общем, к области испытания текучей среды во время строительства ствола скважины. Более конкретно, изобретение относится к устройству и способам испытания свойств различных текучих сред, используемых во время строительства ствола скважины.

Уровень техники изобретения

Во время бурения ствола скважины через подземные пласты породы, различные текучие среды обычно используют в скважине для выполнения различных функций. Можно осуществлять циркуляцию текучих сред через бурильную трубу и буровое долото в стволе скважины с последующей подачей вверх по стволу скважины на поверхность. Буровой раствор может действовать, кроме других функций, удаляя буровой шлам с забоя ствола скважины на поверхность во время циркуляции текучей среды, суспендировать буровой шлам и утяжелители, когда циркуляции текучей среды прерывается, регулировать подземные давления, поддерживать целостность ствола скважины до крепления обсадной колонной и цементирования открытых воздействию участков ствола скважины, изолировать текучие среды пласта, создавая достаточное гидростатическое давление для предотвращения поступления пластовых текучих сред в ствол скважины, охлаждать и смазывать бурильную колонну и долото и/или максимизировать скорость проходки.

В большинстве процессов роторного бурения буровой промывочный раствор принимает форму бурового раствора, данный термин в технике используют для обозначения жидкости с твердой фазой, суспендированной в ней. Характеристики жидкости выбирают, и твердая фаза функционирует, для придания необходимых реологических свойств буровому раствору и в некоторых случаях для увеличения его плотности для создания подходящего гидростатического давления на забое скважины.

Буровой раствор может иметь либо водную или нефтяную основу. Буровой раствор может содержать, например, полимеры, биополимеры, глины и органические коллоиды, добавленные к текучей среде на водной основе для получения требуемой вязкости и фильтрационных свойств. Минералы высокой плотности, такие как барит или карбонат кальция, можно добавлять для увеличения плотности. Твердая фаза из пласта включается в состав бурового раствора и часто становится диспергированной в буровом растворе в результате бурения. Дополнительно, буровые растворы могут содержать одну или несколько природных и/или синтетических полимерных добавок, включающих в себя полимерные добавки, увеличивающие реологические свойства (например, пластическую вязкость, предельное динамическое напряжение сдвига, прочность геля) бурового раствора и полимерных понизителей вязкости и флоккулянтов. Полимерные добавки, включенные в состав бурового раствора, могут действовать, как вещества для борьбы с поглощением. Вещества для борьбы с поглощением, такие как крахмал, предотвращают поглощение текучей среды в окружающий пласт, уменьшая проницаемость фильтрационной корки бурового раствора, образованной на вскрытых бурением поверхностях. Кроме того, полимерные добавки используют для придания достаточной несущей способности и тиксотропии буровому раствору для обеспечения транспортировки буровым раствором шлама на поверхность и предотвращения осаждения шлама из бурового раствора, когда циркуляция прерывается.

Публикация заявки АО 2008/112795, предваряющая патентную заявку, принадлежащая патентообладателю настоящего изобретения, описывает устройство для испытаний бурового раствора для гарантирования соответствия свойств текучей среды требованиям пользователя. Устройство для испытания бурового раствора, описанное в указанной публикации, включает в себя емкость с впуском текучей среды, выпуском текучей среды и парой противоположных непроницаемых плит, установленных в емкости. Устройство дополнительно включает в себя контейнер испытания текучей среды, сообщающийся текучей средой с впуском, и сборный контейнер, сообщающийся текучей средой с выпуском.

Дополнительно, описанная система включает в себя устройство сбора данных, выполненное с возможностью приема данных по меньшей мере одной емкости, контейнера испытаний текучей среды и сборного контейнера.

Другое устройство для испытаний буровых растворов описано в публикация АО 2008/058253, предваряющей патентную заявку, также принадлежащую патентообладателю настоящего изобретения. Устройство, описанное в вышеупомянутой публикации, включает в себя емкость с впуском текучей среды, выпуском фильтрата, выпуском текучей среды и по меньшей мере одним проницаемым веществом, размещенным в емкости. Система дополнительно включает в себя контейнер текучей среды основы, сообщающийся текучей средой с впуском текучей среды, контейнер испытываемой текучей среды, сообщающийся текучей средой с впуском текучей среды, контейнер фильтрата, сообщающийся текучей средой с выпуском фильтрата, и сборный контейнер, сообщающийся текучей средой с выпуском текучей среды. Дополнительно, система включает в себя устройство сбора данных, выполненное с возможностью приема данных по меньшей мере от одного из следующего: емкости, контейнера текучей среды, контейнера фильтрата и сборного контейнера.

Как описано в вышеупомянутых публикациях, эффективная борьба с поглощением текучей среды является необходимой для предотвращения повреждения пласта, например, в операциях заканчивания, бурения, вскрытия продуктивного пласта, вытеснения, гидравлического разрыва, капитального ремонта, размещения надпакерной текучей среды, эксплуатации, обработки приствольной зоны или испытаний. В

- 1 023429 некоторых средах бурения пласт может быть исключительно подвержен повреждению от поглощения текучей среды. Примеры таких операций бурения могут включать в себя бурение в истощенных зонах. Истощенные зоны бурения могут быть особенно подвержены разрывам (т.е. трещинам и разрушениям в пласте как естественно образованным, так и искусственно образованным). Гидроразрыв пласта во время бурения, также искусственно образованный гидроразрыв, обычно происходит в проницаемых породах, таких как песчаник и карбонаты или в непроницаемой породе по типу сланцев. Искусственный гидроразрыв пласта имеет особо важное значение при бурении в истощенных зонах, где перепад порового давления прогнозируют, как кривую падения запасов. В таких ситуациях бурение становится технически проблемным, когда вес бурового раствора, требуемый для поддержки секции, может превышать прочность на разрыв, или сопротивление разрыву пласта. Указанное, в свою очередь, может приводить к увеличению поглощения бурового раствора и увеличению стоимости скважины.

Одной разрабатываемой методикой для бурения в чувствительных к гидроразрыву пластах является размещение гелеобразующей текучей среды в стволе скважины, которая должна проникать в разрывы чувствительных пластов в жидкой форме и претерпевать изменение состояния с превращением в гель. Если свойства в жидком состоянии и свойства геля подходят для конкретного пласта, текучая среда должна герметизировать разрывы и уменьшать возможность распространения разрывов при возобновлении бурения, а также уменьшать возможность возврата текучей среды в ствол скважины из разрывов при их закрытии с уменьшением гидродинамического давления, когда циркуляция бурового раствора прерывается.

Свойства и примерные составы таких гелеобразующих жидкостей и результаты испытаний использования таких гелеобразующих жидкостей описаны, например, в материале Магк 8. АЧоп. с1 а1., Α Νρ» Тгеа1теп1 Гог \Уе11Ьоге 81геййешпд ίη 8Ьа1е, рарег по. 110713, δοοίοίν оГ Ре1го1еиш Епдшеегк, КтсйагЛкоп, ТХ подготовленном для представления на 2007 8РЕ Аппиа1 ТесЬшса1 СопГегепсе апЛ ЕхЫЬШоп, Апайеш, СайГогша, ШуешЬег 11-14, 2007.

Необходимо иметь устройство и способ испытаний свойств текучей среды, в частности гелеобразующих жидкостей, для подтверждения, например, их свойств герметизации разрыва и соответствующих механических свойств (например, давления гидроразрыва и прочности на сжатие). Хотя устройства, описанные в двух указанных выше публикациях заявки РСТ, хорошо подходят для испытаний поглощения текучей среды и соответствующих свойств буровых растворов, они оказались не слишком полезными для испытаний гелеобразующих текучих сред после схватывания или твердения геля. В частности, вышеописанные устройства могут создавать трудности в очистке после схватывания геля, и ни одно из устройств не имеет элементов для испытания прочности на сжатие или давления гидроразрыва геля после схватывания. Продолжает сохраняться необходимость создания устройства и способа испытаний свойств различных текучих сред при строительстве ствола скважины.

Сущность изобретения

Устройство согласно одному аспекту изобретения для испытания свойств текучей среды ствола скважины включает в себя испытательную камеру, имеющую первую плиту и вторую плиту. Испытательная камера расположена в термоизолирующем корпусе. Корпус включает в себя нагревательный элемент, установленный в нем. Плиты выполнены с возможностью имитации ответной реакции текучей среды ствола скважины при перемещении через гидравлический разрыв в подземном пласте горной породы. Система включает в себя средство регулирования положения второй плиты относительно первой плиты. Система включает в себя насос для ввода текучей среды в пространство между первой плитой и второй плитой и насос для ввода текучей среды испытания давления гидроразрыва в контакт с текучей средой ствола скважины. Соответствующий датчик давления, сообщается текучей средой с напорной стороной каждого насоса, и в состав включен датчик измерения параметра, связанного с положением второй плиты или пространства между плитами. Устройство сбора данных и управления выполнено с возможностью детектирования сигналов от соответствующих измерительных преобразователей давления и датчика.

Способ испытания текучей среды ствола скважины согласно другому аспекту изобретения включает в себя ввод текучей среды в жидкой форме в отверстие в герметизированном корпусе. Отверстие выполнено с возможностью имитации гидравлического разрыва в подземном пласте с измерением давления и объема текучей среды. Свойства поглощения текучей ствола скважины определяют по измеренному давлению и измеренному объему.

Способ испытания текучей среды ствола скважины согласно другому аспекту изобретения включает в себя ввод текучей среды в жидкой форме в отверстие в герметизированном корпусе, причем, отверстие, выполненное с возможностью имитации гидравлического разрыва в подземном пласте с измерением давления и объема текучей среды. Текучая среда затвердевает с превращением в гель. Текучую среду испытания гидроразрыва перекачивают в контакт с гелем, регистрируя давление и объем текучей среды испытания гидроразрыва. Давление гидроразрыва геля определяют по измеренному давлению и объему текучей среды испытания гидроразрыва.

Способ испытания текучей среды ствола скважины согласно другому аспекту изобретения включает в себя ввод текучей среды в жидкой форме в отверстие в герметизированном корпусе. Отверстие вы- 2 023429 полнено с возможностью имитации гидравлического разрыва в подземном пласте. Давление и объем текучей среды измеряют во время перекачки. Текучая среда затвердевает с образованием геля. Разрушающее гель вещество вводят в контакт с гелем и определяют свойство текучей среды ствола скважины, реагирующей на разрушающее гель вещество.

Другие аспекты и преимущества изобретения должны стать ясны из следующего описания и прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показан пример системы испытания гелеобразующей текучей среды;

на фиг. 2 показан внешний вид в сборе одного примера испытательной камеры, используемой в системе фиг. 1;

на фиг. 3 показан пример верхней концевой крышки для испытательной камеры фиг. 2, в которой первая плита расположена на ее внутренней поверхности;

на фиг. 4 показан пример второй плиты, используемой в камере в сборе фиг. 2;

на фиг. 5-7 показан внешний вид различных альтернативных конфигураций испытательных камер текучей среды;

на фиг. 8 показана альтернативная конфигурация концевой крышки и верхней плиты; на фиг. 9 показан другой пример концевой крышки и верхней плиты;

на фиг. 10 показан соответствующий пример нижней плиты, которую можно использовать с верхней плитой фиг. 9;

на фиг. 11 показан график давления относительно перекачиваемого объема текучей среды ствола скважины для испытания поглощения текучей среды;

на фиг. 12 показан график давления рабочей жидкости гидросистемы относительно ее перекачиваемого объема для испытания прочности на сжатие;

на фиг. 13 показан график давления относительно перекачиваемого объема текучей среды для испытания прочности на разрыв геля;

на фиг. 14 показана схема в увеличенном масштабе примера участка стыка между верхней и нижней плитами;

на фиг. 15 показан пример системы испытания гелеобразующей текучей среды в сборе.

Подробное описание изобретения

Пример системы испытаний текучих сред ствола скважины показан на фиг. 1. Система 100 включает в себя герметизированную испытательную камеру 10, в которую перекачивают текучую среду ствола скважины. В некоторых примерах затем обеспечивают затвердевание текучей среды ствола скважины с образованием геля для дополнительного испытания. Камера 10 может быть установлена в термоизолированном кожухе 56. Термоизолированный кожух 56 может включать в себя во внутреннем объеме нагревательный элемент 54, такой как электронагреватель для подъема температуры внутри термоизолированного кожуха 56 до заданного значения. В некоторых примерах испытательная камера 10 включает в себя полость 11, в которой можно размещать электронные блоки, нагревательные элементы и/или другие небольшие устройства, необходимые во время испытаний текучих сред ствола скважины.

Испытательная камера 10 внутри выполнена с возможностью имитации разрыва в подземном пласте горной породы для имитации потока текучей среды в нем. Для выполнения такой имитации функции потока текучей среды испытательная камера 10 может включать в себя корпус 12 гидравлической камеры, верхнюю плиту 22А, установленную на внутренней поверхности верхней концевой крышки 16 на корпусе 12 гидравлической камеры, и нижнюю плиту 22В, установленную на поршне 30 или аналогичном устройстве, скользящем в корпусе 12. Поршень 30 может приводиться в действие гидравлическим давлением от насоса 46, соединенного через впускную линию 34 с участком 32 гидравлического цилиндра корпуса 12. Участок гидравлического цилиндра расположен, в общем, под поршнем 30 и используется для регулирования расстояния между верхней плитой 22А и нижней плитой 22В, как дополнительно описано ниже. Положение поршня 30 можно регулировать и, следовательно, можно регулировать расстояние между плитами 22А, 22В, регулируя объем текучей среды, введенной на участок 32 гидравлического цилиндра. Регулирование объема можно выполнять, осуществляя мониторинг положения поршня 30, например, с использованием датчика положения (не показано), такого как регулируемый дифференциальный трансформатор с линейной характеристикой, или осуществляя мониторинг положения и/или объема выпуска из гидравлического насоса 46. Другие устройства регулирования положения поршня должны быть известны специалисту в данной области техники, и приведенные выше примеры не направлены на ограничение объема изобретения. Не ограничивающие дополнительные примеры включают в себя вращаемый двигателем винт и шариковую гайку, соединенную с винтом (см., например, патент США № 5438169, выдан Кеппебу с1 а1.), и линейный электрический исполнительный механизм (см., например, публикацию патентной заявки США № 2007/0289734, зарегистрирована МеЭопаИ е1 а1.). В принципе, описанное гидравлическое устройство выполняет функции регулирования расстояния между плитами 22А, 22В и, как дополнительно описано ниже, приложения силы сжатия к нижней плите 22В, обуславливая механическое сжатие для дополнительного испытания текучей среды ствола скважины. Любой датчик или комбинация датчиков, измеряющих параметры, связанные с положением нижней пли- 3 023429 ты 22В относительно верхней плиты 22А (или расстояние между плитами) можно использовать в других примерах.

Верхняя плита 22А может включать в себя впуск 18 текучей среды, расположенный вблизи ее центра и гидравлически соединенный с емкостью 16А образца текучей среды для испытания, которая может быть расположена на верхней концевой крышке 16 или вблизи нее. Емкость 16А образца для испытания может хранить выбранный для испытания объем текучей среды ствола скважины и, поскольку расположена в корпусе 56, должна сохранять такой образец текучей среды при температуре, существующей внутри корпуса 56. Такую температуру можно выбирать, как дополнительно описано ниже, для создания реальных условий, существующих в стволе скважины. Насос 50, такой как шприцевой насос, может быть гидравлически связан с одним концом емкости 16А образца для испытания для перемещения образца из емкости 16А в пространство между плитами 22А, 22В. Шприцевой насос можно предпочтительно использовать в некоторых примерах, поскольку объем текучей среды, выпускаемый таким насосом можно легко определить мониторингом, например, линейного положения плунжера или поршня 50А, вытесняющего текучую среду из насоса 50. Такой мониторинг положения можно выполнять, например, используя датчик положения, такой как регулируемый дифференциальный трансформатор с линейной характеристикой (не показано). Как показано на фиг. 15, в некоторых примерах емкость 16А имеет наклонный или конический конец 17 для предотвращения блокирования материалом линии к верхней плите 22А. В некоторых примерах клапан 15 изоляции давления расположен между емкостью 16А и впуском 18 в верхнюю плиту 22А. Клапан 15 изоляции давления работает, изолируя емкость 16А и впуск 18 во время некоторых процессов испытания, таких как нагрев. Дополнительно, клапан изоляции давления 15 обеспечивает замены испытываемой текучей среды во время последовательности испытаний или между испытаниями. Другие устройства для мониторинга объема текучей среды, выпускаемой насосом 50 должны быть известны специалисту в данной области техники, и пример, описанный выше, не направлен на ограничение объема настоящего изобретения.

Нижняя плита 22В может включать в себя канал 24А для перекачки текучей среды для испытания давления гидроразрыва в пространство между плитами 22А, 22В для испытания некоторых характеристик текучей среды ствола скважины, например гелеобразующей текучей среды после затвердевания геля. Такую текучую среду для испытания может вводить насос 48, такой как шприцевой насос. Мониторинг объема текучей среды для испытания можно осуществлять, как описано выше для насоса 50 текучей среды ствола скважины, например, мониторингом положения поршня 48А насоса. Как показано на фиг. 14, стык между плитами 22А и 22В в области вблизи впуска 18 и канала 24А может включать в себя соответствующий наклонный участок 23 в стыкующихся поверхностях плит 22А и 22В. Наклонный участок 23 осуществляет равномерное распределение текучей среды для испытания между поверхностями плит 22А и 22В.

Каждый из вышеупомянутых насосов 46, 48, 50 может быть гидравлически связан на напорной стороне с соответствующим измерительным преобразователем 42, 44, 40 давления.

Измерительные преобразователи могут быть связаны линией передачи сигналов с системой 53 сбора данных и управления, которая может включать в себя микропроцессор (не показан отдельно) и запоминающее устройство сохранения данных (не показано отдельно) для детектирования и записи сигналов, генерируемых соответствующими измерительными преобразователями (и устройствами мониторинга объема, описанными выше). Такие записи сигналов, как дополнительно описано ниже, можно использовать для оценки характеристик текучей среды ствола скважины, испытываемой в испытательной камере

10. Работой насосов 46, 48, 50 может управлять контроллер 52 насосов, такой как контроллер на базе микропроцессора. Контроллер 52 насосов может сам работать с программированием в системе 53 сбора данных и управления. Система 53 сбора данных и управления может также напрямую или не напрямую генерировать задающий ток для такой работы нагревательного элемента 54, что выбранная температура поддерживается внутри термоизолированного корпуса 56.

В общем, во время работы системы 100 испытания текучей среды, текучую среду ствола скважины вводят в камеру 10 в пространство между плитами 22А, 22В, приводя в действие насос 50 текучей среды испытания. Объем текучей среды ствола скважины можно измерять относительно времени с использованием системы 53 сбора данных и управления, как описано выше, и давление текучей среды можно измерять с использованием сигналов от соответствующего измерительного преобразователя 40 давления. Размер (толщину) пространства между плитами 22А, 22В можно поддерживать приложением выбранного гидравлического давления от гидравлического насоса 46.

После заполнения пространства между плитами 22А, 22В текучей средой ствола скважины для испытания (и в некоторых примерах после проведения некоторых испытаний), в некоторых примерах обеспечивают или обуславливают затвердевание текучей среды с образованием геля. В одном примере затвердевание геля может быть инициировано поддержанием выбранной температуры в термоизолированной камере 56. В других примерах затвердевание геля может быть инициировано химически или применением радиоактивного излучения, такого как ионизирующее излучение, ультрафиолетового излучения, электронно-пучкового или другого электромагнитного излучения. В других примерах затвердевание геля может быть инициировано применением энергии звуковой волны или обезвоживанием. После

- 4 023429 затвердевания гель может быть подвергнут различным дополнительным испытаниям. Например, можно увеличить гидравлическое давление на поршень 30 для испытания прочности на сжатие геля. В другом примере текучую среду можно вводить через канал 24А в нижней плите 22В включением в работу насоса 48 текучей среды испытания, осуществляя мониторинг объема, выпускаемого из него, и давления с использованием сигналов от измерительного преобразователя 44. Текучую среду, вводимую через такой канал 24А можно использовать для испытания прочности на разрыв геля. Гель можно дополнительно испытывать на сопротивление термической деструкции, например, увеличивая температуру внутри термоизолированного корпуса 56 и, следовательно, в испытательной камере 10.

На фиг. 2 показан вид в сборе одного примера испытательной камеры 10, используемой в системе фиг. 1. Испытательная камера 10 может включать в себя верхнюю концевую крышку 16 и нижнюю концевую крышку 14, прикрепленные к продольным концам корпуса 12 камеры. Корпус 12 камеры может иметь форму цилиндра с кольцевым сечением, выполненного из стали или другого высокопрочного материала, выполненного с возможностью сопротивления внутреннему давлению, используемому в текучих средах испытаний, как дополнительно описано ниже в данном документе. Корпус 12 камеры в настоящем примере может включать в себя встроенные фланцы 12А, 12В на каждом продольном конце. Фланцы 12А, 12В выполнены с возможностью уплотненного соединения с соответствующими поверхностями верхней концевой крышки 16 и нижней концевой крышки 14, соответственно. Концевые крышки 16, 14 можно съемно закреплять на соответствующих фланцах 12А, 12В с использованием винтов 20 с головкой под ключ или т.п. Верхняя концевая крышка 16 может включать в себя отверстие 18, обеспечивающее перекачку через него текучей среды, подлежащей испытанию. Текучая среда, входящая в пространство между плитами через отверстие 18, может покидать пространство по периметру первой плиты (22А на фиг. 1).

На фиг. 3, показанная с внутренней стороны, верхняя концевая крышка 16 включает в себя расположенную на внутренней поверхности первую плиту 22А, которая в настоящем примере может представлять собой рифленый алюминиевый диск. Первая плита 22А создает поверхность, представляющую одну сторону гидравлического разрыва, образованного в подземном пласте. Как показано на фиг. 3, отверстие 18 проходит через центр первой плиты 22А, обеспечивая сквозной проход потока через нее. Соответствующая вторая плита показана на фиг. 4 позицией 22В. Вторая плита 22В может также представлять собой рифленый алюминиевый диск и может включать в себя расположенный по центру канал 24 для обеспечения перекачки текучей среды испытания давления гидроразрыва в контакт с гелем после затвердевания (описано дополнительно ниже). Плиты 22А, 22В могут включать в себя одну или несколько радиально проходящих канавок (не показано) на своей поверхности для осуществления равномерного пространственного распределения текучей среды испытания и любой суспендированной в ней твердой фазы.

Другой пример испытательной камеры 10 показан в горизонтальном положении на фиг. 5, в вертикальном положении на фиг. 6, и наклонно на фиг. 7. В примере на фиг. 5-7 испытательная камера 10 может иметь внутренние компоненты, по существу, аналогичные показанным на фиг. 2-4 и описанным выше, вместе с тем в настоящем примере, концевые крышки 16, 14 могут быть скреплены с корпусом 12 камеры с использованием резьбы, как показано на чертежах, любого типа известного в технике для прикрепления крышек к герметизированному корпусу. Функционально, испытательная камера 10 в настоящем примере может являться одинаковой с описанной в примере выше.

Другой пример верхней плиты и верхней концевой крышки показан на фиг. 8. Предпочтительным для испытаний гелеобразующих текучих сред может быть обеспечение, по существу, заполнения гелем всего пространства между верхней плитой 22А и нижней плитой (22В на фиг. 2). В примере фиг. 8 концевая крышка 16 и верхняя плита 22А включают в себя множество впусков 18А текучей среды, расположенных по периметру плиты. Выпускное отверстие 18В текучей среды может быть расположено вблизи центра плиты 22А и концевой крышки 16.

Как альтернатива плите и концевой крышке показанной на фиг. 8, в некоторых примерах эквивалентный результат, а именно, по существу, заполнение всего пространства между плитами, может быть получен инициированием перекачки текучей среды испытания с удержанием исходной величины пространства между плитами. После, по существу, заполнения пространства, его толщина может быть уменьшена соответствующим приведением в действие поршня (30 на фиг. 1). Испытания можно затем продолжить, перекачивая текучую среду испытания, и осуществляя мониторинг давления.

Другой пример концевой крышки и верхней плиты показан на фиг. 9. В примере на фиг. 9 крышка может включать в себя множество выходных отверстий 23 поглощения текучей среды, расположенных по периметру верхней плиты 22А и выполненных с возможностью обеспечения удаления текучей среды из образца текучей среды ствола скважины испытанием. На фиг. 10 показан соответствующий пример нижней плиты 22В, включающей в себя входное отверстие 24 текучей среды или канал в центре плиты.

Работа системы, описанной выше и показанной на фиг. 1, может включать в себя следующее. Поршень 30 может перемещаться с приведением в действие гидравлического насоса 46 до получения выбранной величины расстояния (толщины) между верхней плитой 22А и нижней плитой 22В. Текучую среду испытания можно затем вводить в камеру 10, приводя в действие насос 50.

- 5 023429

В одном примере, если текучая среда испытания включает в себя суспендированную твердую фазу для регулирования поглощения текучей среды в проницаемый пласт, и как показано на фиг. 11, испытание поглощения текучей среды можно выполнять во время ввода текучей среды испытания, измеряя ее давление во время перекачивания (например, используя сигналы от измерительного преобразователя 40). Прогнозируют, что поскольку твердая фаза прилипает к плитам 22А, 22В, постепенно, по существу, непроницаемая фильтрационная корка бурового раствора должна откладываться на плитах. На это время можно прогнозировать существенное увеличение измеренного давления при перекачивании дополнительной текучей среды. Такая картина показана на графике фиг. 11. В другом примере и как также показано на фиг. 1 и описано выше, во время перекачки расстояние между плитами можно установить на первую величину. Текучую среду можно перекачивать до получения заключения о заполнении пространства. Например, свидетельство появления текучей среды на выпуске текучей среды (например, 18А на фиг. 8) можно использовать для заключения о заполнении пространства. Расстояние можно последовательно уменьшать, управляя работой поршня 30. Перекачку текучей среды можно продолжать, как описано ниже и показано на фиг. 12.

После завершения такого испытания поглощения текучей среды, или для гелеобразующих текучих сред, для которых такое испытание не выполняют, после заполнения пространства между плитами, гель может затвердевать. Затвердевание может быть выполнено, как описано выше, и может включать в себя не ограничивающие примеры, затвердевания под воздействием химреагентов, тепла и/или излучения. Может возникать необходимость определения, затвердел ли гель, для дополнительного испытания. В одном примере можно определить затвердевание гелеобразующей жидкости по ненулевому условноравновесному модулю. Имеются два альтернативных пути установления аналогичного принципа для нулевого условно-равновесного модуля: (а) что гель должен релаксировать при малом механическом напряжении, даже приложенном в бесконечно длинном периоде времени, стремящемся к бесконечности; или (б) гель не должен течь под действием механического напряжения, приложенного в бесконечно длинном периоде времени. Более подробное описание приведенного выше примера можно получить в иш&гт Кезоитсе Ьоса1от, 1Шр://сотр1ехЛшб5.итб.еби/рарег5/Ък2_2005.рбЕ содержание данной публикации полностью включено в виде ссылки в данный документ для всех целей.

В другом примере можно определить затвердевание гелеобразующей жидкости, когда она имеет, по существу, не нулевой модуль сдвига. Одним примером определения такого состояния является использование передачи гелем сдвиговых акустических волн, поскольку жидкости, в общем, имеют нулевой модуль сдвига и, по существу, не передают сдвиговых акустических волн.

После затвердевания геля испытание механических свойств геля может включать в себя следующее. Первое, как показано на фиг. 12, испытания прочности на сжатие можно выполнять приложением давления смыкания трещины к гелю. Такое давление смыкания трещины можно прикладывать, управляя работой поршня (30 на фиг. 1) с использованием гидравлического давления от гидравлического насоса (46 на фиг. 1). В общем, с уменьшением расстояния между плитами при перемещении поршня, гель должен сжиматься. Гидравлическое давление (например, измеренное измерительным преобразователем 42) должно увеличиваться с уменьшением расстояния. Уменьшение расстояния можно определять, например, измеряя объем перекачиваемой рабочей жидкости гидросистемы. В момент превышения прочности на сжатие геля, продолжающееся уменьшение расстояния должно дать в результате, например, выдавливание геля. Такое показано на фиг. 12, например, малым увеличением гидравлического давления или отсутствием увеличения при увеличении объема рабочей жидкости гидросистемы.

Также возможно испытание прочности на разрыв геля после затвердевания. Такое испытание можно выполнять вводом текучей среды в канал (24А на фиг. 1) через нижнюю плиту для гидравлического сжатия геля, например, приводя в действие насос (48 на фиг. 1). На фиг. 13 показаны результаты мониторинга объема перекачиваемой текучей среды и давления во время перекачивания. Когда прочность на разрыв геля превышена, продолжение перекачки текучей среды может давать в результате неуклонное или ровное снижение давления, как показано на графике фиг. 13.

В других примерах можно имитировать проницаемый подземный пласт. В таких примерах алюминиевые плиты (22А, 22В на фиг. 1) можно заменить дисками аналогичной формы, выполненными из образцов проницаемого пласта горной породы. Другие пласты можно имитировать, например, с заменой на диски, выполненные из порошкового и/или гранулированного оксида алюминия. Другие примеры могут включать в себя диски, выполненные из композитных материалов из эпоксида/стеклянных шариков.

В других примерах описанное выше устройство можно использовать для испытаний свойств других текучих сред, таких как буровой промывочный раствор. В других примерах, текучие среды, такие, как текучие среды обезвоживания, можно аналогично испытывать. Являющаяся примером такая текучая среда продается под торговой маркой ΕΟΡΜ-Λ-δΟυΕΕΖΕ, являющейся зарегистрированной торговой маркой патентообладателя настоящего изобретения.

В другом аспекте изобретения свойства некоторых разрушаемых гелей и химреагентов, используемых для таких гелей, можно испытывать с использованием устройства, описанного выше, показанного на фиг. 1. В настоящем примере гелеобразующую жидкость можно вводить в камеру образца в жидкой форме, по существу, как описано выше. Может быть обеспечено или обусловлено затвердевание геля,

- 6 023429 как описано выше. После затвердевания геля разрушающее гель вещество можно вводить в гель, обычно (но без ограничения этим) через отверстие в нижней плите (22В на фиг. 1). Испытание для определения разрушения геля может включать в себя, например, перекачку дополнительной текучей среды от насоса (50 на фиг. 1) текучей среды ствола скважины и измерение давления для перекачки дополнительной текучей среды ствола скважины, уменьшая расстояние между плитами и измеряя давление, требуемое для уменьшения расстояния или перекачки текучей среды через отверстие (24 на фиг. 1) в нижней плите с использованием насоса (48 на фиг. 1) испытания давления гидроразрыва.

Устройство согласно настоящему изобретению предпочтительно может испытывать свойства текучих сред ствола скважины, относящиеся к их способности герметизировать гидравлические разрывы в подземных пластах породы во время бурения ствола скважины, и их способность сопротивления закрытию разрыва и другим отказам для поддержания целостности ствола скважины. Устройство настоящего изобретения также является применимым для испытания свойств поглощения текучей среды скважинных буровых растворов, выполняемых устройствами, известными в технике до настоящего изобретения. Устройство изобретения может, поэтому, создавать больше возможностей различных типов испытаний текучей среды, чем известные испытательные устройства, и может устранять необходимость использования нескольких типов устройств испытаний текучей среды. Способы согласно изобретению могут обеспечивать оптимизацию свойств текучих сред ствола скважины, таких как гелеобразующие текучие среды ствола скважины для конкретных бурящихся пластов и для конкретных встречающихся подземных условий (например, пластового давления и давления текучей среды и температуры).

Хотя изобретение описано для ограниченного числа вариантов осуществления, специалисту в данной области техники, воспользовавшемуся данным описанием, должно быть ясно, что другие варианты осуществления можно разработать, не отходя от объема изобретения, описанного в данном документе. Соответственно объем изобретения должен быть ограничен только прилагаемой формулой изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для испытаний свойств текучей среды ствола скважины, содержащее испытательную камеру, имеющую первую плиту и вторую плиту;

средство регулирования положения второй плиты относительно первой плиты во время испытаний; насос для ввода текучей среды ствола скважины в пространство между первой плитой и второй плитой;

насос для ввода текучей среды испытания давлением в контакт с текучей средой ствола скважины; измерительный преобразователь давления, сообщающийся текучей средой с напорной стороной каждого насоса и датчик положения, выполненный с возможностью измерения параметра, связанного с положением второй плиты;

термоизолированный кожух, в котором расположена испытательная камера; нагреватель для поддержания выбранной температуры в кожухе;

устройство сбора данных и управления, выполненное с возможностью детектирования сигналов от измерительного преобразователя давления и датчика положения.
2. Устройство по п.1, в котором первая и вторая плиты содержат рифленый алюминий.
3. Устройство по п.1, в котором первая и вторая плиты содержат горную породу пласта.
4. Устройство по п.1, в котором первая и вторая плиты содержат одно из следующего: порошковый оксид алюминия или композитный материал из эпоксида и стеклянных шариков.
5. Устройство по п.1, в котором первая и вторая плиты выполнены в форме дисков.
6. Устройство по п.1, в котором первая и вторая плиты выполнены в форме соответствующих конусов.
7. Устройство по п.1, в котором испытательная камера расположена в герметизированном корпусе.
8. Устройство по п.7, в котором корпус является герметизированным по меньшей мере на одном продольном конце концевой крышкой, прикрепленной к корпусу по меньшей мере одним из следующего: резьбовыми соединениями и винтами с головкой под ключ.
9. Устройство по п.8, в котором концевая крышка включает в себя множество впусков текучей среды по своему внешнему периметру, сообщающихся текучей средой с насосом для ввода гелеобразующей текучей среды, при этом концевая крышка включает в себя выпуск текучей среды по своему центру.
10. Устройство по п.1, в котором средство регулирования положения содержит гидравлический цилиндр и поршень, установленный в нем.
11. Устройство по п.1, дополнительно содержащее емкость, сообщающуюся текучей средой с каналом текучей среды испытания в первой плите и с насосом для ввода текучей среды ствола скважины в пространство, причем емкость расположена в термоизолированном кожухе так, что текучая среда ствола скважины вводится в пространство при температуре внутри корпуса.
12. Способ испытания текучей среды ствола скважины, содержащий ввод текучей среды в устройство по одному из пп.1-11; измерение давления и объема текучей среды;

- 7 023429 поддержание выбранной температуры текучей среды;

определение свойств поглощения текучей среды по измеренному давлению и измеренному объему, причем свойства характеризуют поглощение текучей среды в проницаемый пласт.
13. Способ по п.12, дополнительно содержащий затвердевание текучей среды с превращением в гель;

перекачку текучей среды испытания гидроразрыва в контакт с гелем при регистрации ее давления и объема;

определение давления гидроразрыва геля по измерениям давления и объема текучей среды испытания гидроразрыва.
14. Способ по п.13, в котором давление гидроразрыва определяют, когда скорость увеличения давления текучей среды испытания давления гидроразрыва существенно изменяется по отношению к ее измеренному объему.
15. Способ по п.12, дополнительно содержащий уменьшение размера отверстия при измерении параметра, связанного с размером, и определение прочности на сжатие геля по измерению параметра, связанного с размером.
16. Способ по п.15, в котором прочность на сжатие определяют, когда скорость изменения измеренного параметра, связанного с размером, существенно изменяется.
17. Способ по п.16, в котором параметр, связанный с размером, содержит давление и объем рабочей жидкости гидросистемы, используемой для управления работой поршня, соединенного с плитой.
18. Способ по п.12, в котором текучая среда является затвердевающей с превращением из жидкости в гель, по меньшей мере, под действием одного из следующего: химического реагента, температуры и излучения.
19. Способ по п.12, дополнительно содержащий установление размера отверстия первой величины, ввод текучей среды в жидкой форме в отверстие и уменьшение размера отверстия с продолжением ввода.
20. Способ по п.13, дополнительно содержащий ввод разрушающего гель вещества в контакт с гелем и измерение свойства текучей среды ствола скважины, реагирующей на разрушающее гель вещество.
21. Способ испытания гелеобразующей текучей среды ствола скважины, содержащий ввод гелеобразующей текучей среды в жидкой форме в устройство по одному из пп.1-11; измерение давления и объема гелеобразующей текучей среды;

затвердевание текучей среды с превращением в гель;

перекачку текучей среды испытания гидроразрыва в контакте с гелем при регистрации ее давления и объема;

определение давления гидроразрыва геля по измерениям давления и объема текучей среды испытания гидроразрыва.
22. Способ по п.21, в котором давление гидроразрыва определяют, когда скорость увеличения давления текучей среды испытания давления гидроразрыва существенно изменяется по отношению к ее измеренному объему.
23. Способ по п.21, дополнительно содержащий уменьшение размера отверстия при измерении параметра, связанного с размером, и определение прочности на сжатие геля по измерению параметра, связанного с размером.
24. Способ по п.23, в котором прочность на сжатие определяют, когда скорость изменения измеренного параметра, связанного с размером, существенно изменяется.
25. Способ по п.24, в котором параметр, связанный с размером, содержит давление и объем рабочей жидкости гидросистемы, используемой для управления работой поршня, соединенного с плитой.
26. Способ по п.21, в котором текучая среда является затвердевающей с превращением из жидкости в гель под действием по меньшей мере одного из следующего: химреагента, температуры, акустических волн и радиоактивного облучения.
27. Способ по п.21, дополнительно содержащий установление размера отверстия первой величины, ввод текучей среды в жидкой форме в отверстие и уменьшение размера отверстия с продолжением ввода.
28. Способ испытания текучей среды ствола скважины, содержащий ввод текучей среды в жидкой форме в устройство по одному из пп.1-11; измерение давления и объема текучей среды;

затвердевание текучей среды с превращением в гель; ввод разрушающего гель вещества в контакт с гелем;

измерение давления гидроразрыва текучей среды ствола скважины в ответ на разрушающее гель вещество.