[发明专利]确定钻杆卡点的方法和系统

说明书

本发明涉及确定钻杆卡点的方法和系统。

钻杆用于从地下沉积物中提取自然资源如石油、水、瓦斯及其它烃类。 在钻井操作中，旋转的钻头用于创建自地表经土或岩石中间层延伸至沉积物 的井眼(bore hole)或井。金属钻杆为井眼加衬里并且随着钻井的进行而分管 段地添加。钻杆的各单个管段可通过将螺纹连接部旋拧在一起而相互固定。 螺纹部分通常称作接箍(collar)，因为外径可以局部地增加。

钻杆管段自地表插入井眼。然而，随着它们降入井眼中，可能一个或多 个管段楔入地层或岩层的束缚中。井眼中发生这种束缚的位置称作卡点 (stuck point)。刚好位于卡点之上的管段称作“自由点”(也称作卡点)。

被卡住的钻杆管段是个问题，因为这意味着不能进行更深的钻井。这种 情况下，通常的作法是：“撤回(back off)”和收回尽可能多的钻杆和设备以 备以后使用，可能地放弃卡点以下的钻杆，及自井眼中更高的点沿不同方向 再钻。这需要确定刚好在卡点以上的螺纹接箍，还需要引爆炸药以便松动螺 纹同时施加反向扭矩。因此期望确定卡点的精确位置。

已知有很多设备用于该目的，现以介绍的方式描述这些设备。所有这类 设备依靠这样的事实，即于地面施加的扭矩或拉伸传送至钻杆的卡点以上的 所有管段，但不传送至卡点以下的管段。

美国专利2902640记述了确定螺纹是否响应反向扭矩的设备，并阐述了 一般性原理。将具有电感或传感器线圈以及至少一个与传感器线圈共轴排列 的条形磁铁的设备放到钻杆中。线圈的末端与地表的检流计相连，从而由磁 铁提供的磁场的任何变化，均会导致穿过线圈的磁通量的变化以及可由检流 计检测到的电流的变化。磁通线通常流经钻杆的金属套管。因而，当该设备 移动经过钻杆中远离螺纹段的位置时，磁通会保持恒定，因为钻杆管段的直 径和结构不会显著地变化。然而，如果出现螺纹部分，则磁通线遇到螺纹接 箍。当线圈相对于接箍移动时，钻杆接箍的不同直径和结构引起磁通线的变 化。这种磁场变化引起感生电流在传感器线圈中流动，该感生电流可以在地 表探测到，以指示设备位于螺纹连接部。然后保持该设备的位置，同时在地 面施加扭矩。如果螺纹连接部随意移动，则两个钻杆管段的螺纹因此而产生 的运动会导致磁场中断，在传感器线圈中产生相应的感生电流。通过在施加 扭矩的同时检测该二次电流信号，可以确定螺纹部分自由地移动。然而，如 果螺纹部分被卡住，则施加扭矩也不会产生任何移动，而且在施加扭矩的同 时也检测不到任何电流信号。该方法遇到的问题是，选定接箍处的螺纹可能 锁牢，而较高处的螺纹可能没有锁紧，因此在检测之前可能使其自身解开螺 旋。

美国专利3004427给出以类似原理工作的更复杂的设备。该设备具有两 个轴向连接的可旋转部件，每个部件携带两个共同运转的核心中的一个。两 个核心彼此相邻，并彼此独立旋转运动地安装。共同运转核心的彼此相对位 置，通过施加直流电至位于核心之一上的线圈而初始设定。这种情况下，该 核心被磁化，并将另一个核心吸引到启动位置中。如果设备的上部位于钻杆 的自由移动部分，且设备的下部位于被卡部分，那么施加于钻杆的扭矩会使 设备的上部旋转而远离下部。因此，两个核心也旋转而彼此远离，在磁路中 形成空气间隙，进而导致检测期间由AC电压激发的传感器线圈的自感发生 显著的变化。如果设备的两个部分均位于钻杆的被卡管段，那么就不存在两 个核心的相对运动，因而也就探测不到任何变化。

这两种设备均需要在井眼的一系列独立位置进行点测量，使得卡点的定 位是一个费力和循环往复的过程。

此外，具有不同操作方式的另一设备参见美国专利4440019。该设备通 过表面电容器组经传感器线圈的放电，而在钻杆的长度方向写下磁点或磁记 号。效果类似于将信号写在磁带上。一旦作出记号，设备即收回并重新下降 至钻杆中，同时利用传感器线圈记录磁点的位置。传感器线圈越过磁性记号 的运动在传感器线圈中引起感生电压，以此指示记号的位置作为传感器记 录。然后施加扭力或纵向力至钻柱，以在钻柱中产生应力。已经发现，所引 起的应变基本上擦除卡点以上全部的磁点。然后将设备重新插到井眼中，以 再次测量磁性记号的位置。由于已经擦除卡点以上全部的磁点，所以通过比 较钻杆弯曲之前和之后的测井记录，尤其是从二次测井记录中最高剩磁记号 的位置，即可推断卡点的位置。