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用于現場測試支撐劑的可移動式裝置和方法
【專利摘要】一種測試系統20和方法，用于估計在使用含有可固化樹脂的支撐劑79填充了井中的裂縫80之后需要將井關閉的時間。在井場處，在可移動式單元20中對支撐劑26的樣品進行加壓和加熱。在對樣品進行加熱和加壓的過程中，監測樣品的特性，以確定支撐劑26中的樹脂是否固化。記錄支撐劑26固化所需要的時間，以便為在使用支撐劑79填充了裂縫80之后要將井關閉多長時間提供指標。可移動式單元20包括：氣壓轉液壓式增壓器32，其用于對樣品26進行壓縮；以及熱源，其用于對樣品26加熱。支撐劑樣品26附近的傳感器監測樣品的特性。
【專利說明】用于現場測試支撐劑的可移動式裝置和方法
[0001]發明人:Mohammad H.ALQAM(穆罕默德.H.阿卡姆)
[0002]Hazim H.ABASS (哈澤姆.候賽因.阿巴斯)
[0003]Hussain A.AL-SHAMMARY (侯賽因.A.阿勒-沙姆利)
[0004]Edwin T.CALIB0S0 (埃德溫.T.卡利博索)

【技術領域】
[0005]本發明涉及用于完成井筒的系統和方法。更具體地，本發明涉及如下裝置:該裝置相對于井筒而言是可移動式的并且能用于現場測試支撐劑。

【背景技術】
[0006]烴產生井筒在地下延伸并與圈閉有烴的地層交叉。通常利用鉆井系統來形成井筒，鉆井系統具有安裝在鉆柱的端部處的鉆頭，鉆柱由利用螺紋連接在一起的管組成。通常，驅動系統被用于驅動鉆柱和鉆頭旋轉，并且設置在井筒的開口上方。隨著鉆頭的旋轉，鉆頭上的切削元件刮削井筒的底部并將物料挖出，由此加深井筒。典型地，鉆井流體向下泵送到鉆柱中并從鉆頭導入井筒中。鉆井流體在鉆柱與井筒的壁面之間的環狀空間中向上沿井筒回流。利用循環流動的鉆井流體將挖掘期間產生的鉆屑沿井筒向上攜帶上來。
[0007]有時要在井筒的壁面中形成延伸到與井筒鄰接的地層中的裂縫。典型地通過向井筒中注入高壓流體并密封井筒的一部分來進行壓裂。壓裂通常在井筒中的壓力超過地層中的巖石強度時開始。利用諸如砂粒或樹脂涂層顆粒等支撐劑來填充裂縫，由此支撐裂縫并阻止砂產生或其它顆粒物質從地層進入井筒中。
[0008]當用樹脂涂層支撐劑填充裂縫時，通常會在井中產生流體之前將井關閉一段時間，以使樹脂固化。如果井的裂縫具有未固化的樹脂涂層支撐劑，則從該井進行生產帶來如下風險:支撐劑伴隨著所產生的流體從裂縫流出。使樹脂固化的時間會根據井中的壓力和溫度而變化。已知的用于估計關井時間的方法包括:使支撐劑的樣品在估計的井筒壓力和溫度下固化，并隨時地監測該樣品，由此確定樹脂在何時固化。


【發明內容】

[0009]本文公開的是用于分析在井筒中使用的支撐劑的方法和裝置。在實例中，一種分析支撐劑的方法包括:提供支撐劑樣品測試裝置并且將所述測試裝置運輸到具有井筒的井場，支撐劑被設置在所述井筒中。將所述支撐劑的樣品放入所述測試裝置中，在所述測試裝置中使所述支撐劑的樣品經受估計的井筒環境。同時在所述裝置中，隨時地監測所述支撐劑的樣品的特性，基于監測所述支撐劑的特性的步驟來確定所述支撐劑的固化時間。所述方法還可以包括:在將所述支撐劑設置在所述井筒中之后，關閉所述井筒一段時間，以限定關井時間。在本實例中，所述關井時間與已確定的固化時間大致相同。本實例還可以包括:在所述關井時間期滿之后，從所述井筒進行生產。在實施例中，監測特性的步驟包括:測量所述支撐劑的樣品的拉伸強度；以及當所述拉伸強度接近漸近值時，確定固化時間。所述支撐劑可以是能固化的樹脂涂層支撐劑。所監測的特性可以包括所述支撐劑的樣品中的聲速，并且所述方法可以包括:當所述聲速接近漸近值時，確定固化時間。所述方法優選地可以包括:將所述測試裝置運輸至第二井場，并在所述第二井場處重復執行對支撐劑的分析。在實例中，所述支撐劑樣品測試裝置包括:氣壓轉液壓式增壓器、能選擇性地被所述增壓器移動的撞錘部件、固結儀、以及與所述固結儀相連的監測器。在本實例中，所述撞錘部件向所述支撐劑的樣品施加至少約25，OOO磅的軸向力。具有施加約25，000磅軸向力的撞錘部件的測試系統的一個優點是，系統的總重量可以處于適于在車輛中運輸的水平。在測試裝置的一個已知實例中，所述撞錘部件的軸向力約為300，000磅力，因而需要比本文所公開的實施例中的支撐結構顯著更大且更重的支撐結構。可選地，所述氣壓轉液壓式增壓器中的氣體被加壓至約2000磅/平方英寸。
[0010]本文還公開一種支撐劑測試裝置，所述支撐劑測試裝置的一個實例包括:框架，其能選擇性地從運輸車輛中移動至井場；容器，其安裝在所述框架中，所述容器中設置有支撐劑的樣品；氣壓轉液壓式增壓器，其安裝在所述框架中；以及撞錘部件，其能選擇性地被所述增壓器移動到所述容器中，從而當支撐劑處于所述容器中并且所述撞錘部件移動到所述容器中的所述支撐劑上時，所述支撐劑受壓，以模擬向下鉆進的狀況。所述裝置的這個實例包括與所述支撐劑關聯的容器所連接的傳感器。所述傳感器是溫度傳感器、壓力傳感器和聲音傳感器中的一者。所述容器可以是固結儀。所述裝置還可以優選地包括:所述框架上的框架底座，所述框架底座選擇性地與所述運輸車輛相連，從而當在所述運輸車輛中運輸所述測試裝置時，所述裝置固定在所述運輸車輛上。可選地，可以包括電子裝置，所述電子裝置與所述傳感器通信，在一個實施例中，還可以包括處理器，所述處理器與所述電子裝置通信，從而當操作所述裝置時，能接收和分析來自所述傳感器的數據信號，以確定與所述支撐劑有關的信息。在實例中，包括壓力氣體源，所述壓力氣體源選擇性地與所述氣壓轉液壓式增壓器連通，其中，所述電子裝置和所述處理器中的一者與閥門通信，以對從所述壓力氣體源流向所述氣壓轉液壓式增壓器的流動進行調節。可以包括壓力組件，所述壓力組件由筒體、活塞、入口和軸構成，所述活塞位于所述筒體中，所述入口位于所述筒體上，與所述氣壓轉液壓式增壓器的出口連通并且與所述活塞的一側連通，所述軸的一端連接至所述活塞的與所述活塞的連通到所述入口的所述一側背對的一側，并且所述軸的另一端與所述撞錘部件相連。在實例中，所述氣壓轉液壓式增壓器包括:筒體，其具有入口和出口 ；活塞，其位于所述筒體中，并具有與所述入口連通的一側以及面向所述出口的一側；密封件，其沿著所述活塞的外周和所述筒體的內表面，從而限定所述入口和所述出口之間的流動的阻擋部；當流體從壓力氣體源經由所述入口流入所述筒體中時，所述活塞被朝著所述出口推動并對筒體中位于所述活塞與所述出口之間的流體加壓，進而擠壓所述支撐劑。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]從而，可以更詳細地理解本發明的上述特征和優點及其它內容將變得顯而易見的方式，并且可以參照在構成本說明書一部分的附圖中示出的本發明的實施例來對本發明的以上簡要概括內容進行更具體的描述。然而，應注意的是:附圖僅示出本發明的各種實施例，因此不應被視為對本發明的范圍的限制，這是因為本發明還可能包括其它的有效實施例。
[0012]圖1是根據發明的用于測試井筒中的支撐劑的可移動式系統的示例性實施例的示意性側視圖。
[0013]圖2A和圖2B是根據本發明的測試支撐劑樣品的實例的示意性側視圖。
[0014]圖3是利用根據本發明的圖1中的系統在井場測試支撐劑的實例的局部側剖圖。
[0015]圖4是根據本發明的內部裝有樣品支撐劑的固結儀的實例的透視圖。
[0016]圖5是根據本發明的內部裝有樣品支撐劑的同心殼式固結儀的實例的側剖圖。

【具體實施方式】
[0017]圖1示意性地示出用于對樹脂涂層支撐劑進行現場測試的測試系統20。測試系統20包括如圖所示地安裝在加壓組件24中的測試單元22。如圖所示的測試單元22包含設置在固結儀(oedometerWS中的支撐劑樣品26。如下文中將詳細描述的，給加壓組件24加料進而會擠壓固結儀28中的支撐劑樣品26。在實例中，固結儀28用作容納支撐劑樣品26的容器。圖中示意性地示出的壓力流體供應裝置30用于對增壓器32施壓。圖1中的增壓器32包括上游筒體34，上游筒體34經由線路38連接到流體供應裝置30。閥門40位于線路38上，以選擇性地將流體供應裝置30與增壓器32隔斷。壓力氣體42示意性地示出為位于上游筒體34中，經由線路38和入口 36進入上游筒體34中。另外,上游筒體34中設有活塞44和液壓流體46，圖中示出液壓流體46位于活塞44的與氣體42相反的一側。
[0018]在圖1的實例中，進入上游筒體34中的壓力氣體42對活塞44產生作用力，從而抵抗液壓流體46來推動活塞44。活塞44的抵抗液壓流體46的力迫使流體46從上游筒體34進入與上游筒體34的出口 50相連的線路48中。線路48在遠離出口 50處連接到下游筒體52，下游筒體52中含有已經從上游筒體34推壓出來的一部分流體46。在圖1的實例中，下游筒體52的直徑大于上游筒體34的直徑，因而下游筒體52的每單位軸向長度的體積大于上游筒體34的每單位軸向長度的體積。下游筒體52中的活塞54的橫截面面積大于活塞44的橫截面面積。這樣，在液壓流體46為基本不可壓縮流體的示例性實施例中，作為對上游筒體34中的活塞44的軸向移動的響應，活塞54在下游筒體52中被推動軸向長度。盡管活塞54移動的軸向距離小于活塞44移動的軸向距離，但橫截面面積更大的活塞54與橫截面面積更小的活塞44相比產生更大的輸出力。
[0019]將下游筒體52中位于活塞54的與液壓流體46相反的一側的空間定義為低壓側56。線路58具有連接到低壓側56的端部以及連接到閥門60的末端；圖中示出閥門60位于線路38上且在斷流閥門40的下游。在圖1的實例中，低壓側56中的流體可以經由線路58和閥門60排放到線路38中，由此形成閉環系統。
[0020]示意性地示出的軸62從活塞54垂下并穿過低壓側56，然后連接到與固結儀28卡合的撞錘64。這樣，在實例中，用于壓緊支撐劑樣品26的壓力從活塞54傳遞過來。圖中所示的固結儀28被安置在心軸66上，心軸66設置在加壓組件24的基座部分中。信號線68可以隨意地連接到固結儀28，以監測固結儀28中的狀況。圖中所示的電子裝置70連接到信號線68的一端，以對固結儀28上的傳感器(未示出)所監測到的信號進行譯碼。圖中示出的處理器72(圖1所示的實例是便攜式計算機)與電子裝置70通信。這樣，在一個實例中，表示支撐劑26的多種材料特性的信號可以經由信號線68傳輸到處理器72，以便為操作者進行直觀顯示。在一個實例中，電子裝置和/或處理器72與閥門40通信，以便對流過線路38的氣體的流動和/或流量進行控制。
[0021]圖2A提供了支撐劑樣品26的機械測試的示意性實例。更具體地，將樣品26設置在一對壓板74和76之間并如圖所示地向壓板74施加力F，以將支撐劑樣品26加壓至破裂。可以記錄下破裂時的力，以評估樣品26的特性。圖2B示出拉伸測試的實例，其中，通過向支撐劑樣品26的柱體的側面施加力F來獲得支撐劑樣品26的拉應力。在一個實例中，將這種拉伸測試稱為巴西抗拉測試(Brazilian tensile test)。
[0022]圖3是在井筒77鄰接的井場實施的測試的實例的局部側剖圖。此外，在圖3的實例中，圖中所示的位于井筒的開口處的砂礫填充系統78用于將支撐劑79輸送到圖中所示的裂縫80中，裂縫80從井筒77的壁面延伸到周圍的地層81中。此外，在井筒77中并在裂縫80上方的深度處，設置有填充機82。
[0023]圖中示出的地面卡車84在井筒77附近且在地面85上。圖中示意性地示出的可移動式的測試系統20(圖中的虛線所示)設置在卡車84中。返回參考圖1中的實例，圖中示意性地示出的可選的框架86包括系統20，框架86用于將系統20的部件安裝成模塊化單元。此外，在圖1的實例中，連接件88將流體供應裝置30、增壓器32、壓力組件24和電子裝置70連接到框架86上。還包括框架底座90，以將系統20固定在卡車84中。返回參考圖3中的實例，系統20可以在卡車84中被運輸到井筒77附近的井場。在本實例中，可以在井場處在卡車84中對注入裂縫80中的實際支撐劑79的樣品進行測試。更具體地，支撐劑樣品26與井筒77中的支撐劑79相同，并且可以設置在固結儀28(圖1)中以及固結儀28中模擬的井筒77中的狀況下。由于井筒中的溫度經常高于環境溫度，所以可以與固結儀28聯合地設置加熱器(未示出)。如上所述，壓力組件24(圖1)向樣品26施加壓力，以模擬井筒77中的現場狀況。美國專利N0.7，712，525提供了一種支撐劑樣品測試方法的實例，該美國專利已轉讓給本申請的受讓人并且該美國專利的全部內容并入本文中。可選地，框架86中的系統20可以從卡車84拆除，并設置為與井緊鄰以便測試支撐劑79。此外，存在如下實施例:卡車84是具有用于系統20的載物區域的四輪式車輛等，例如箱式貨車。這樣，系統20可以在車輛中或在車輛上進行運輸，車輛可以是典型地用于運載乘客的車輛，而不必是主要用于運載貨物、重型機械等的車輛(即，拖拉機掛車(tractor trailer))。
[0024]在一種示例性方法中，在測試期間，監測支撐劑樣品26的材料特性；當所述特性達到預定水平時，可以確定支撐劑樣品26已適當地固化并達到適用于生產井筒的稠度。基于支撐劑樣品26獲得預定的材料特性所需的時間測量值，可以估計井保持為關閉狀態的時間。在實例中，時間測量值可以模擬如下時間段:從支撐劑79流入井筒77中到支撐劑79固化這段時間、從支撐劑79流入裂縫80中到支撐劑79固化這段時間或者從井筒77關閉到支撐劑79固化這段時間。知道支撐劑79在井筒77中的條件下何時固化，使得井操作者可以在移除填充機82之前使裂縫80中的支撐劑79適當地固化。在測試材料特性的一個實例中，發現如下情況:在給定的應力和溫度下，可固化的樹脂涂層支撐劑的拉伸強度是固化時間的函數。引入了拉伸強度與固化時間之間的函數，并且發現:在給定的支撐劑類型、固化流體、應力和溫度的情況下，拉伸強度在一段時間之后達到漸近值。因此，可以將拉伸強度達到漸近值的時間確定為使給定的可固化的樹脂涂層支撐劑獲得最大拉伸強度所需的關井時間。
[0025]圖4提供一種固結儀28A的可選實施例，圖中所示的固結儀28A具有:殼體90，其具有大致圓形的外側面；腔體，其從殼體90的開口端沿軸向延伸并結束于遠離開口端的封閉端附近。在圖4的實例中，支撐劑26設置在殼體90的腔體中，并且圖中所示的圓柱狀活塞頭92懸停在開口上方。將活塞頭92推動到腔體中，從而對樣品26產生壓力，以模擬井筒77(圖3)中的壓力狀況。連接桿94示意性地示出撞錘64(圖1)可怎樣對活塞頭92產生壓力。圖中所示的換能器96、98位于活塞頭92的上表面上以及設置在殼體90的封閉端。在圖4中的實例中，換能器96可以是聲音發生器和/或接收器，以經由支撐劑樣品26傳遞聲波，以確定支撐劑26的材料特性。可選地，換能器96、98還可以測量溫度和壓力中的一者或兩者。圖中所示的襯墊100設置在殼體90中并沿著支撐劑樣品26的外周。襯墊100可以由在150攝氏度時的聲阻抗低并且強度高的聚合物(例如聚醚醚酮(PEEK)或類似的材料)形成。在一個實例中，殼體90可以由金屬(例如不銹鋼)形成。
[0026]圖5是固結儀28B的另一種可選實施例的側剖圖。在本實例中，固結儀28B由外殼102構成，外殼102具有筒形的外形并且其內部基本是空心的。外殼102收納內殼104。外殼102和內殼104都具有開口端以及具有內部腔體的大致筒形的外表面。在圖5的實例中，內殼104的開口端插入外殼102的開口端。圖中所示的低聲阻抗的襯墊106、108分別裝襯在外殼102和內殼104的內側。類似地，換能器96、98可以設置在內殼102和外殼104的相反的外側上。
[0027]氣壓轉油壓式(gas to oil)增壓器的優點在于，在測試的整個壓緊階段，允許樣品上的應力保持為恒定值，并允許對樣品平穩地加載直到破裂，由此測量無側限抗壓強度(unconfined compressive strength)。另外，可以設置上游筒體34和下游筒體52各自的尺寸，以使撞錘64的行程可以保持為期望的長度。在一個實例中，壓力流體供應裝置30中的壓力可以是至少約2000磅/平方英寸，并且撞錘64施加的軸向力可以是至少約25，000磅。另外，為固結儀28配備加熱器能夠將固結儀加熱到至少約150攝氏度。
[0028]于是，以上所描述的本發明適用于實現上述以及本身固有的其它方面的目的并獲得相應的效果和優點。盡管本文出于公開的目的對本發明的優選實施例進行了描述，但為了獲得期望的結果，可以對具體的步驟進行多種修改。這些及其它類似的變型對本領域的技術人員而言是顯而易見的，而且期望被包含在這里所公開的本發明的精神和權利要求書的范圍之內。
【權利要求】
1.一種測試在井筒77中使用的支撐劑26的方法，包括: (a)提供支撐劑樣品測試裝置20； (b)將所述測試裝置20運輸到具有井筒77的井場，支撐劑79被設置在所述井筒77中；以及 其特征在于， (c)將所述支撐劑26的樣品放入所述測試裝置20中，在所述測試裝置20中使所述支撐劑26的樣品經受估計的井筒環境，隨時地監測所述支撐劑26的樣品的特性，基于監測所述支撐劑26的特性的步驟來確定所述支撐劑26的固化時間。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征還在于， 在將所述支撐劑設置在所述井筒77中之后，關閉所述井筒77—段時間，以限定關井時間，所述關井時間與已確定的固化時間大致相同。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征還在于， 在所述關井時間期滿之后，從所述井筒77進行生產。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的方法，其特征在于， 監測特性的步驟包括: 測量所述支撐劑26的樣品的拉伸強度；以及 當所述拉伸強度接近漸近值時，確定固化時間。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的方法，其特征在于， 所述支撐劑26包括能固化的樹脂涂層支撐劑。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的方法，其特征在于， 監測特性的步驟包括: 測量所述支撐劑26的樣品中的聲速；以及 當所述聲速接近漸近值時，確定固化時間。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的方法，其特征在于， 所述井場包括第一井場， 所述方法還包括:將所述測試裝置20運輸至第二井場，并重復執行步驟(a)至(C)。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于， 所述支撐劑樣品測試裝置20包括:氣壓轉液壓式增壓器32、能選擇性地被所述增壓器32移動的撞錘部件64、固結儀28、以及與所述固結儀28相連的監測器。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于， 所述撞錘部件64向所述支撐劑26的樣品施加至少約25，000磅的軸向力。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于， 所述氣壓轉液壓式增壓器32中的氣體被加壓至約2000磅/平方英寸。
11.一種支撐劑測試裝置20，包括: 框架86，其能選擇性地從運輸車輛84中移動至井場； 容器28，其安裝在所述框架86中，所述容器28中設置有支撐劑26的樣品； 氣壓轉液壓式增壓器32，其安裝在所述框架86中； 撞錘部件64，其能選擇性地被所述增壓器32移動到所述容器28中，從而當支撐劑26處于所述容器28中并且所述撞錘部件64移動到所述容器28中的所述支撐劑26上時，所述支撐劑26受壓，以模擬向下鉆進的狀況， 其特征在于， 與所述支撐劑26關聯的容器28所連接的傳感器包括信息收集裝置20s，所述信息收集裝置20s選自由溫度傳感器、壓力傳感器和聲音傳感器構成的群組。
12.根據權利要求11所述的裝置20，其特征在于， 所述容器28包括固結儀。
13.根據權利要求11所述的裝置20，其特征還在于， 所述框架86上的框架底座90選擇性地與所述運輸車輛84相連，從而當在所述運輸車輛84中運輸所述測試裝置20時，所述裝置20固定在所述運輸車輛84上。
14.根據權利要求11所述的裝置20，其特征還在于， 電子裝置70與所述傳感器通信并且處理器72與所述電子裝置70通信，從而當操作所述裝置20時，能接收和分析來自所述傳感器的數據信號，以確定與所述支撐劑26有關的信肩、O
15.根據權利要求14所述的裝置20，其特征還在于， 壓力氣體源30選擇性地與所述氣壓轉液壓式增壓器32連通，所述電子裝置70和所述處理器72中的一者與閥門40通信，以對從所述壓力氣體源流向所述氣壓轉液壓式增壓器32的流動進行調節。
16.根據權利要求11至15中任一項所述的裝置20，其特征還在于， 壓力組件包括筒體52、活塞54、入口 36和軸62，所述活塞54位于所述筒體52中，所述入口 36位于所述筒體52上，與所述氣壓轉液壓式增壓器32的出口連通并且與所述活塞54的一側連通，所述軸62的一端連接至所述活塞54的與所述活塞54的連通到所述入口的所述一側背對的一側，并且所述軸62的另一端與所述撞錘部件64相連。
17.根據權利要求11至16中任一項所述的裝置20，其特征在于， 所述氣壓轉液壓式增壓器32包括: 筒體52，其具有入口和出口 ； 活塞54，其位于所述筒體52中，并具有與所述入口連通的一側以及面向所述出口的一側； 密封件，其沿著所述活塞54的外周和所述筒體52的內表面，從而限定所述入口和所述出口之間的流動的阻擋部，當流體從壓力氣體源30經由所述入口流入所述筒體52中時，所述活塞54被朝著所述出口推動并對筒體52中位于所述活塞54與所述出口之間的流體加壓，進而擠壓所述支撐劑26。
【文檔編號】G01N3/08GK104169523SQ201380012952
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2013年3月7日 優先權日:2012年3月7日
【發明者】穆罕默德·H·阿卡姆, 哈澤姆·候賽因·阿巴斯, 侯賽因·A·阿勒-沙姆利, 埃德溫·T·卡利博索 申請人:沙特阿拉伯石油公司