[RU]

1. Испытательная камера для определения реологических свойств текучей среды, содержащая первую коническую внутреннюю часть; устройство осевого позиционирования, размещенное вдоль оси испытательной камеры; первую коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; причем первая коническая пробка выполнена с возможностью перемещения с помощью устройства осевого позиционирования в первую коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры; впускной канал для текучей среды; выпускной канал для текучей среды; щетку, соединенную с устройством осевого позиционирования.

2. Испытательная камера по п.1, дополнительно содержащая поршневой насос прямого вытеснения, причем поршневой насос прямого вытеснения регулирует течение текучей среды через испытательную камеру.

3. Испытательная камера по п.1, дополнительно содержащая вторую коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; причем вторая коническая пробка выполнена с возможностью перемещения во вторую коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры.

4. Испытательная камера по п.3, дополнительно содержащая третью коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; причем третья коническая пробка выполнена с возможностью перемещения в третью коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры.

5. Испытательная камера по п.4, в которой каждая из первой конической пробки, второй конической пробки и третьей конической пробки является независимо перемещаемой устройством осевого позиционирования.

6. Испытательная камера по п.1, причем испытательная камера выполнена с возможностью определения эффективности герметизации текучей среды, определения диапазона производительности для текучей среды.

(57) Реферат / Формула:

1. Испытательная камера для определения реологических свойств текучей среды, содержащая первую коническую внутреннюю часть; устройство осевого позиционирования, размещенное вдоль оси испытательной камеры; первую коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; причем первая коническая пробка выполнена с возможностью перемещения с помощью устройства осевого позиционирования в первую коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры; впускной канал для текучей среды; выпускной канал для текучей среды; щетку, соединенную с устройством осевого позиционирования.

2. Испытательная камера по п.1, дополнительно содержащая поршневой насос прямого вытеснения, причем поршневой насос прямого вытеснения регулирует течение текучей среды через испытательную камеру.

3. Испытательная камера по п.1, дополнительно содержащая вторую коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; причем вторая коническая пробка выполнена с возможностью перемещения во вторую коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры.

4. Испытательная камера по п.3, дополнительно содержащая третью коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; причем третья коническая пробка выполнена с возможностью перемещения в третью коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры.

5. Испытательная камера по п.4, в которой каждая из первой конической пробки, второй конической пробки и третьей конической пробки является независимо перемещаемой устройством осевого позиционирования.

6. Испытательная камера по п.1, причем испытательная камера выполнена с возможностью определения эффективности герметизации текучей среды, определения диапазона производительности для текучей среды.

---

Евразийское 026009 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.02.28
(21) Номер заявки 201170763
(22) Дата подачи заявки 2009.12.02
(51) Int. Cl.
G01N 33/28 (2006.01) E21B 21/00 (2006.01) G01N11/04 (2006.01)
(54) СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЗИРУЮЩИХ И
РЕОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЦ LCM В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ
(31) 12/328,836
(32) 2008.12.05
(33) US
(43) 2011.12.30
(86) PCT/GB2009/002807
(87) WO 2010/064009 2010.06.10
(71) (73) Заявитель и патентовладелец:
ХЭЛЛИБЕРТОН ЭНЕРДЖИ СЕРВИСИЗ, ИНК. (US)
(72) Изобретатель:
Джеймисон Дейл Е., Мерфи Роберт, Сэвинс Дж. Г. (US)
(74) Представитель:
Медведев В.Н. (RU) (56) US-A1-2006197255
LOEPPKE G.E. ET AL.: "FULL-
SCALE FACILITY FOR EVALUATING
LOST CIRCULATION MATERIALS AND
TECHNIQUES." TRANSACTIONS -
GEOTHERMAL RESOURCES COUNCIL 1983 GEOTHERMAL RESOURCES COUNCIL, vol. 7, 1983, pages 449-454, XP8120121 page 449, right-hand column - page 450, right-hand column; figures
1, 8
AADNOY B.S. ET AL.: "Design of well barriers to combat circulation losses" SPE DRILLING AND COMPLETION SEPTEMBER 2008 SOCIETY
OF PETROLEUM ENGINEERS US, vol. 23,
no. 3, September 2008 (2008-09), pages 295-300, I XP8120108 abstract; figures 1,3 1
US-A1-2005269085 US-A-3016734 US-B1-6755079 US-A1-2003130596
(57) В изобретении представлены способы и системы для определения характеристик буровых растворов, содержащих LCM (материалы для борьбы с поглощением бурового раствора). Испытательная камера (106) для анализа текучей среды оснащена конической внутренней частью (306) и устройством (304) осевого позиционирования, размещенным вдоль оси испытательной камеры. Коническая пробка (302) соединена с устройством осевого позиционирования и может перемещаться в коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры. Впускной канал для текучей среды размещен в первом месте испытательной камеры, и выпускной канал для текучей среды - во втором месте.
Настоящее изобретение в основном относится к способам и системам для определения характеристик материалов, и более конкретно, к способам и системам для определения характеристик буровых растворов, в которые введены LCM (материалы для борьбы с поглощением бурового раствора) и другие твердые материалы.
Буровые операции играют важную роль при подготовке к эксплуатации нефтяных, газовых или водяных скважин или при шахтной добыче минералов и тому подобных. Во время буровых операций буровое долото по мере опускания его до желательной глубины проходит через разнообразные слои земной толщи. Во время буровых операций обычно используют буровые растворы, которые исполняют ряд важных функций, включающих, но не ограничивающихся таковыми, удаление выбуренных пород из скважины на поверхность, регулирование пластовых давлений, герметизацию проницаемых пластов, сведение к минимуму повреждений пластов и охлаждение и смазку бурового долота.
Когда буровое долото проходит через пористые, трещиноватые или кавернозные пласты, такие как песок, галечник, глинистый сланец, известняк и тому подобные, гидростатическое давление, создаваемое вертикальным столбом бурового раствора, превышает способность окружающего подземного пласта удерживать это давление. Вследствие этого некоторое количество бурового раствора теряется в пласте и не может быть возвращено на поверхность. Теряться может любая доля вплоть до ухода всего объема циркулирующего бурового раствора. Это обстоятельство, в общем, известно в технологии как потеря циркуляции. Неудачные попытки регулировать потерю циркуляции повышают стоимость буровых работ и могут ухудшать возможности добычи из пласта.
Общей практикой является добавление к буровому раствору любого числа материалов, действие которых сокращает или предотвращает вытекание бурового раствора наружу в пористый или трещиноватый пласт, тем самым снижая или прекращая потерю циркуляции. Материалы, используемые в этом способе, обычно называют как материалы для борьбы с поглощением бурового раствора ("LCM"). Некоторые материалы, типично используемые в качестве LCM, включают, но не ограничиваются таковыми, древесное волокно, вспученные кукурузные зерна, солому, щепки коры, измельченную пробку, слюду, измельченные и сортированные по размеру минералы и тому подобные.
Для лучшего понимания производительности на промысле бурового раствора, содержащего LCM и/или другие твердые материалы, было бы желательно определять характеристики и исследовать буровой раствор. В настоящее время такие испытания проводят на месторождении. Нынешние полевые испытания основываются на фильтровальном устройстве НТНР ("высокая температура-высокое давление"), скомпонованном согласно стандарту API (Американского института нефтяной промышленности). В этом устройстве пользователь может выбирать пористую среду с разнообразными размерами устьев пор. В некоторых ситуациях использовали плоскую пластину с прорезанным(-ыми) зазором(-ами). Однако выполнение таких испытаний в полевых условиях имеет некоторые недостатки.
Один недостаток современного подхода состоит в том, что буровой раствор нельзя проанализировать в подробностях, поскольку анализ будет ограничен наличным оборудованием, таким как существующие величины ширины и угла наклона пазов. Более того, выполнение такого анализа на промысле было бы дорогостоящим и занимающим много времени.
Краткое описание чертежей
Некоторые конкретные примерные варианты осуществления изобретения могут быть поняты с привлечением, отчасти, нижеследующего описания и сопроводительных чертежей.
Фиг. 1 представляет систему для определения характеристик в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2A-2F изображают стадии приготовления образца бурового раствора.
Фиг. 3 представляет испытательную камеру в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 4 представляет увеличенный вид пробки, сформированной в испытательной камере в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 5 представляет графическое изображение моделирования некоторых предполагаемых результатов испытания из испытательной камеры в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 6 изображает испытательную камеру в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 7 изображает испытательную камеру в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 8 изображает испытательную камеру в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения.
В то время как варианты осуществления настоящего изобретения были изображены и описаны, и определены со ссылкой на примерные варианты осуществления изобретения, такие ссылки не предполагают ограничения изобретения, и никакое такое ограничение не должно подразумеваться. Раскрытый предмет изобретения предполагает значительное модифицирование, изменение и эквиваленты в отношении формы и действия, как это будет ясно специалистам, квалифицированным в соответствующей облас
ти технологии и имеющим благоприятную возможность ознакомиться с настоящим изобретением. Изображенные и описанные варианты осуществления настоящего изобретения представляют собой только примеры и не исчерпывают объема изобретения.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение в основном относится к способам и системам для определения характеристик материалов, и более конкретно, к способам и системам для определения характеристик буровых растворов, в которые введены LCM (материалы для борьбы с поглощением бурового раствора) и другие твердые материалы.
В одном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на определение характеристик системы, включающей опытную испытательную смесительную систему; систему отделения LCM, связанную с опытной испытательной смесительной системой; и испытательную камеру, связанную с системой отделения LCM.
В еще одном примерном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на испытательную камеру для анализа текучей среды, включающую первую коническую внутреннюю часть; устройство осевого позиционирования, размещенное вдоль оси испытательной камеры; первую коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; в которой первая коническая пробка может сдвигаться в первую коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры; впускной канал для текучей среды в первом месте испытательной камеры; и выпускной канал для текучей среды во втором месте испытательной камеры.
В еще одном примерном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на способ измерения реологических характеристик первой текучей среды, включающий стадии, в которых пропускают первую текучую среду через зазор, образованный между конической пробкой и конической частью испытательной камеры; измеряют падение давления вдоль зазора; используют измерение падения давления для определения сдвигового напряжения; измеряют величину расхода потока первой текучей среды через зазор; используют измерение величины расхода потока и геометрии течения для определения средней скорости сдвига; и прогнозируют параметры реологической модели первой текучей среды с использованием сдвигового напряжения и средней скорости сдвига.
В еще одном примерном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на способ оптимизации эффективности герметизации, включающий стадии, в которых создают зазор между конической пробкой и конической частью в испытательной камере; причем ширина зазора имитирует ширину трещины; пропускают поток первой текучей среды через зазор; определяют эффективность герметизации первой текучей среды; очищают зазор; пропускают поток второй текучей среды через зазор; определяют эффективность герметизации второй текучей среды; и определяют, какая из первой текучей среды и второй текучей среды является более эффективной при герметизации зазора.
В одном примерном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на способ оптимизации эффективности герметизации, включающий стадии, в которых создают зазор между конической пробкой и конической частью в испытательной камере; причем ширина зазора имитирует ширину трещины; пропускают поток первой текучей среды через зазор; определяют эффективность герметизации первой текучей среды; пропускают поток второй текучей среды через зазор; определяют эффективность герметизации смеси первой текучей среды и второй текучей среды; и определяют, усиливает ли вторая текучая среда эффективность герметизации первой текучей среды.
В еще одном примерном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на способ определения диапазона оптимальной эффективности для текучей среды, включающий стадии, в которых создают зазор между конической пробкой и конической частью в испытательной камере; пропускают поток текучей среды через зазор; определяют эффективность герметизации текучей среды, в то же время изменяя ширину зазора; идентифицируют диапазон значений ширины зазора с оптимальной эффективностью для бурового раствора.
Признаки и преимущества настоящего изобретения будут легко понятными специалистам в этой области технологии по прочтении описания и примерных вариантов исполнения, которые следуют ниже.
Описание изобретения
Настоящее изобретение в основном относится к способам и системам для определения характеристик материалов, и более конкретно, к способам и системам для определения характеристик буровых растворов, в которые введены LCM (материалы для борьбы с поглощением бурового раствора) и другие твердые материалы.
Фиг. 1 изображает систему 100 для определения характеристик в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. В одном примерном варианте исполнения система 100 для определения характеристик включает опытную испытательную смесительную (РТМ) систему 102, систему 104 отделения LCM, связанную с PCM-системой 102, и испытательную камеру 106, связанную с системой 104 отделения LCM. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, два компонента считаются соединенными друг с другом, когда текучая среда может протекать из одного в другой. Более того, соединение не требует, чтобы компоненты были непосредственно состыкованы.
Фиг. 2A-2F изображает работу PTM-системы 102, где готовят анализируемый буровой раствор.
PTM-система 102 предназначена для добавления и смешения известных количеств LCM-продуктов к буровому раствору. PTM-система 102 включает смесительную ванну 202, где готовят смесь бурового раствора. Как изображено на фиг. 2А, насос 204 для подачи бурового раствора сначала добавляет в смесительную ванну 202 буровой раствор. Как только буровой раствор добавлен в смесительную ванну 202 (фиг. 2B), смесительную ванну 202 помещают в положение для добавления различных продуктов из резервуаров 206, 208, 210 для хранения продуктов. Продукт 1 (206), продукт 2 (208) и продукт 3 (210) добавляют в смесительную ванну 202, как изображено на фиг. 2С, 2D и 2E соответственно. Хотя три продукта изображены как добавляемые к смесительной ванне 202, специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, было бы понятно, что к буровому раствору могут быть добавлены один или более продуктов в зависимости от анализируемого бурового раствора. Более того, в одном варианте исполнения к буровому раствору вообще могут быть не добавлены продукты, чтобы проанализировать сам буровой раствор. Продукты 1, 2 и 3 могут представлять собой LCM или другие материалы, пригодные для добавления к буровому раствору.
Как только в смесительную ванну 202 добавлены все продукты, запорное устройство 212 закрывает смесительную ванну 202 и перемешивает содержимое в ней, приготавливая желательную смесь бурового раствора в смесительной ванне 202. Каждый компонент из насоса 204 для подачи бурового раствора и резервуаров для хранения продуктов (206, 208, 210) на самом деле могут быть соединены со смесительной ванной 202 с возможностью удаления, и могут быть присоединены к смесительной ванне 202 для добавления материалов и затем удалены. Подобным образом, запорное устройство 212 может быть разъ-емно соединено со смесительной ванной 202 и может быть отсоединено от нее, как только выполнит свое перемешивающее действие. Затем может быть использован насос 112 для подачи смеси бурового раствора из смесительной ванны 202 в испытательную камеру 106. В одном варианте исполнения для подачи смеси бурового раствора в испытательную камеру 106 может быть применен поршневой насос прямого вытеснения.
Фиг. 3 изображает увеличенный вид испытательной камеры 106, которая находится там, где реально проводят измерения. Испытательная камера 106 включает коническую пробку 302, соединенную с устройством 304 осевого позиционирования. Устройство 304 осевого позиционирования может быть использовано для осевого размещения конической пробки 302 в конической части 306, сформированной стенками 308 испытательной камеры. Зазор между конической пробкой 302 и стенкой 308 испытательной камеры имитирует ширину трещины. Перемещением конической пробки 302 в коническую часть 306 и из нее в направлении, указанном стрелкой 310, могут быть смоделированы трещины с различной шириной. В дополнение к моделированию ширины трещины, геометрическая форма стенки 308 испытательной камеры может быть скомпонована так, чтобы имитировать конкретный желательный угол трещины. Таким образом, коническая пробка 302 и стенка 308 испытательной камеры могут быть использованы для моделирования в диапазоне значений ширины и угла трещины, обеспечивая широкие возможности анализа бурового раствора с использованием зазора с переменной шириной. Иначе говоря, вариабельность ширины зазора позволяет определять герметизирующие и закупоривающие характеристики LCM-продуктов в широком ряду значений ширины трещины, выбираемых пользователем. Испытательная камера также включает впускной канал 312 для текучей среды и выпускной канал 314 для текучей среды. В одном варианте исполнения с устройством 304 осевого позиционирования может быть соединена щетка 316 или другое чистящее устройство. Чистящее устройство может включать одну или более щеток или губок. Альтернативно, для очистки стенок 308 испытательной камеры могут быть применены ультразвуковые чистящие устройства или форсунки. Еще одно чистящее устройство могло бы быть размещено так, чтобы оно очищало пробку 302. Щетка 316 может быть использована для очистки испытательной камеры 106. После каждой серии испытаний устройство 304 осевого позиционирования может быть применено для перемещения щетки 316 и выполнения серии циклов щеточной обработки и промывания для очистки испытательной камеры 106. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, во время цикла промывания может быть использован ряд различных материалов в зависимости от испытуемого бурового раствора. В одном варианте исполнения для промывания испытательной камеры 106 могут быть применены базовое масло или вода. Материалы, удаленные из испытательной камеры 106, переправляют в контейнер 118 для отходов.
Возвращаясь теперь к фиг. 1, в одном варианте исполнения испытуемую текучую среду нагнетают через испытательную камеру 106 с постоянной скоростью, в то же время измеряя разность давлений в пределах моделируемой трещины в 108. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, разность давлений может быть измерена многообразными способами, включающими, но не ограничивающимися таковыми, датчики давления, которые могут быть использованы парами, или датчиками разности давлений. В еще одном примерном варианте исполнения буровой раствор может быть проанализирован путем настройки разности давлений и регулированием величины расхода потока, пока не произойдет закупоривание. В одном варианте исполнения для регулирования течения бурового раствора через испытательную камеру 106 может быть применен поршневой насос прямого вытеснения. Хотя фиг. 1 изображает поршневой насос 110 прямого
вытеснения, скомпонованный как шприцевой насос, как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, может быть использован любой поршневой насос прямого вытеснения, способный работать в желательном диапазоне испытательных давлений.
Фиг. 4 изображает моделированные герметизацию и закупоривание частицами в испытательной камере 106 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Когда буровой раствор проходит через испытательную камеру 106, твердые LCM, которые закупоривают и герметизируют 402 моделируемую трещину в конической части 306 между конической пробкой 302 и стенкой 308 испытательной камеры, могут формировать уплотнение где-нибудь вдоль пути течения. В режиме параллельного зазора, где стенки, образующие зазор, являются, по существу, параллельными друг другу, большинство закупориваний скорее всего возникает на входе в моделируемую трещину или очень близко к нему. Напротив, в режиме конического зазора, где стенки, образующие зазор, формируют сужающийся зазор, место начала закупоривания могло бы находиться где-нибудь вдоль конической стенки 308 испытательной камеры в зависимости от гранулометрического состава частиц. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, в режиме сужающегося зазора для определения эффективности закупоривания и герметизации вдоль моделируемой трещины могут быть применены ультразвуковые методы, если желательно.
Фиг. 5 изображает графическое представление моделирования некоторых ожидаемых тестовых данных из испытательной камеры 106. График 500 изображает три различных ситуации с шириной зазора, обозначенных от "ширина зазора 1" до "ширина зазора 3", сообразно изменению разности давлений со временем. Кривая "ширина зазора 1" представляет ситуацию, где трещина закупоривается быстро, и течение текучей среды через трещину полностью прекращается. Кривая "ширина зазора 2" представляет ситуацию, где трещина закупоривается медленнее, но в конечном итоге герметизируется. Наконец, в кривой, обозначенной "ширина зазора 3", течение продолжается, и трещина не закупоривается. График наводит на мысль, что текучая среда была обработана в достаточной степени для закупоривания "зазора с шириной 1". Поскольку "ширина Зазора 2" закупоривалась, но потребовала большего объема, концентрация частиц с идеальным размером была меньше, но была на уровне концентрации, еще достаточном, чтобы обеспечить закупоривание. Поэтому можно было выяснить наличие необходимых частиц.
В одном варианте исполнения испытательная камера 106 может быть использована для проведения испытания insitu и в реальном режиме времени разнообразных смесей продуктов для оптимизации эффективности герметизации. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, смесь проявляет высокую эффективность герметизации, если она может закупоривать трещину быстро и/или с меньшим количеством LCM-материалов. Иначе говоря, структура трещины, моделируемой в испытательной камере, может быть использована в качестве опытного испытательного механизма для сведения к минимуму потерь текучей среды и оптимизации расхода LCM-продукта. Представленные здесь способы и системы позволяют определить эффективность герметизации в отношении бурового раствора как функцию ширины трещины на основе факторов, включающих, но не ограничивающихся таковыми, скорость закупоривания и общую потерю текучей среды в течение заданного периода времени. Испытательная камера 106 может быть прежде всего использована в режиме оптимизации, чтобы тем самым определить наилучшее решение для данной ширины трещины. Более конкретно, ширина трещины в испытательной камере 106 может быть конфигурирована для моделирования конкретной ширины трещины. Затем первый буровой раствор пропускают через зазор и определяют эффективность, с которой буровой раствор герметизирует зазор. Затем после очистки зазора через зазор пропускают второй буровой раствор и определяют его эффективность герметизации. Затем результаты сравнивают для определения, какой из первого или второго бурового раствора действует более эффективно для герметизации этого зазора. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, эффективность герметизации бурового раствора можно выяснить определением скорости и, в конечном счете, объема бурового раствора, необходимого для прохождения через эту геометрическую форму до того, как произойдет закупоривание, причем меньший объем свидетельствует о более высокой эффективности герметизации. Те же стадии можно повторить, чтобы сравнить эффективность герметизации нескольких различных буровых растворов для конкретной ширины зазора. Затем раствор может быть испытан на моделируемых трещинах с увеличенной и уменьшенной шириной для определения диапазона оптимальной производительности для конкретного раствора, тем самым сводя к минимуму неопределенность производительности.
В альтернативном варианте исполнения зазор не очищают после пропускания через него первого бурового раствора. Вместо этого после определения эффективность герметизации первого бурового раствора через зазор пропускают второй буровой раствор. Затем измеряют эффективность герметизации смеси первого бурового раствора и второго бурового раствора для определения, усиливает ли добавление второго бурового раствора эффективность герметизации первого бурового раствора.
В еще одном примерном варианте исполнения испытательная камера 106 может быть использована для измерения реологических характеристик бурового раствора. Как было бы понятно специалистам в
этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, инвариантное описание характеристик течения реологически сложной текучей среды требует измерений в стационарном или вискозиметрическом течении. Существуют три класса такого вискозиметрического течения, которые включают: (1) течение через кольцевую трубу (течение Пуазейля), (2) течение через тонкий зазор или аксиально между концентрическими цилиндрами (плоское течение Пуазейля) и (3) течение между коаксиальными концентрическими вращающимися цилиндрами (течение Куэтта). В одном варианте осуществления настоящее изобретение направлено на оценку реологических характеристик LCM-текучей среды по измерениям согласно классу плоского течения Пуазейля с использованием формул, известных специалистам в этой области технологии, для расчета номинальной скорости сдвига и сдвигового напряжения из величины расхода потока и градиента давления.
В этом режиме работы конфигурация конической пробки 302, конической части 306 и переменная ширина зазора создают базовые компоненты реометра. В этом варианте исполнения конфигурация испытательной камеры 106 может быть модифицирована, как изображено на фиг. 6. Конфигурация испытательной камеры 106 в виде реометра может иметь более длинную коническую часть 606 и коническую пробку 602, и может быть желательным иное расположение датчика 610 разности давлений, как изображено на фиг. 6. Сдвиговое напряжение системы может быть определено измерением падения давления вдоль конической части 606, которая моделирует кольцевое межтрубное пространство. Дополнительно, средняя скорость сдвига была бы эффективно выведена из величины расхода потока. Полученные значения скорости сдвига и сдвигового напряжения могут быть применены при выведении данных для прогнозирования параметров реологической модели для геометрии течения типа пластической вязкости (PV), предела текучести для модели Бингама (YP) и различных параметров модели Гершеля-Балкли (n (показатель степенного закона), k (мера консистенции) и tau0 (т0) (предельное напряжение сдвига)). Скорость сдвига в конической части 606 непостоянна. Однако, как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, было бы достаточным создание простого способа составления базового бурового раствора на основе PV и YP, поскольку базовые измерения этих значений проводятся при высоких скоростях сдвига и могут быть менее чувствительными к геометрическим ограничениям. Более того, как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, угол конусности может быть конфигурирован для аппроксимации постоянной скорости сдвига.
В одном варианте исполнения система 100 для определения характеристик может быть использована для получения реологических параметров обработанной текучей среды сравнением величин падения давления для текучей среды, содержащей LCM, со значениями для текучей среды, из которой LCM извлечены. В типичных операциях с традиционными реометрами нельзя охарактеризовать повышение вязкости обработанной LCM текучей среды, поскольку эти реометры не способны работать с частицами определенных размеров. Таким образом, сравнение величин падения давления или их соотношение могут быть использованы для расчета эффективного повышения вязкости вследствие добавления LCM на основе следующего математического допущения:
U*=Uf/U0"af/a0"dpf/dp0,
где U* представляет безразмерное вязкостное отношение;
Uf представляет вязкость обработанной текучей среды;
U0 представляет вязкость необработанной текучей среды;
CTf представляет сдвиговое напряжение обработанной текучей среды;
а0 представляет сдвиговое напряжение необработанной текучей среды;
dpf представляет падение давления в обработанной текучей среде; и
dp0 представляет падение давления в необработанной текучей среде, по измерениям в испытательной камере.
В одном варианте исполнения отношение падения давления в обработанной текучей среде к падению давления в необработанной текучей среде может быть использовано в сочетании с традиционными измерениями скорости сдвига, сдвигового напряжения необработанной текучей среды для получения приблизительных реологических характеристик обработанной текучей среды. Реологические характеристики необработанной текучей среды типично измеряют вискозиметром FANN, производимым фирмой Halliburton Energy Services, Дункан, Оклахома. В этом анализе сдвиговое напряжение при каждой скорости сдвига необработанной текучей среды просто умножают на U* для получения данных сдвигового напряжения обработанной текучей среды при этой скорости сдвига. Затем эти данные преобразуют в любые пригодные параметры реологической модели и используют в уравнениях гидравлики. Таким образом, раскрытая здесь система предоставляла бы реологические данные в реальном режиме времени для обработанной текучей среды, необходимые при проведении гидравлических расчетов для обработанных LCM текучих сред, которые почти невозможно измерить в полевых условиях с помощью традиционного оборудования.
Дополнительно, представленная здесь испытательная камера 106 обеспечивает возможность измерения реологических характеристик содержащей LCM текучей среды относительно реологических пара
метров текучей среды, не содержащей частиц LCM. Возможность охарактеризовать реологические свойства обработанной текучей среды позволяла бы провести гидравлические расчеты до применения обработанной текучей среды. Этим бы гарантировалось, что высоковязкие обработанные текучие среды не будут вызывать отклонений эквивалентной плотности циркулирующего бурового раствора за пределы градиента давления гидравлического разрыва пласта во время работ по обработке или нормальном бурении.
В одном примерном варианте исполнения система 100 для определения характеристик согласно настоящему изобретению может быть размещена на месте буровой установки, чтобы обеспечивать возможность анализировать буровой раствор перед бурением через известные проблемные зоны. Более конкретно, система 100 для определения характеристик может систематически испытывать серию продуктов до того, как текучая среда попадет в известную проблемную зону. В одном варианте исполнения испытательные обработки могут быть выбраны разнообразными путями, включающими, но не ограничивающимися таковыми, применение пакета программ DFG Solids Modeling, который можно приобрести в фирме Halliburton Energy Services, Дункан, Оклахома. Будучи однажды протестированным и проверенным, измерительное устройство будет выдавать сведения, составляющие основу рекомендаций в отношении продукта и концентрации, тем самым обеспечивая высококачественные решения проблем потери циркуляции в режиме реального времени. В еще одном варианте исполнения способы согласно настоящему изобретению могут быть применены в ходе разрешения возникающих проблем. В этом варианте исполнения, когда ожидается проблемная зона, разнообразные варианты обработки могут быть протестированы для обеспечения надлежащей обработки во время процесса бурения. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, некоторое предварительное знание о том, что ожидается, обычно получают из данных для соседней скважины.
В еще одном примерном варианте исполнения система 100 для определения характеристик может быть применена для проверки, является ли правильным имеющееся в настоящий момент содержание LCM. В этом режиме работы испытательная камера 106 тестировала бы буровой раствор в условиях сразу после поставки. Когда буровой раствор испытан в испытательной камере 106, его пропускают через систему 104 отделения LCM. Затем материал LCM отфильтровывают с использованием фильтра 114 и направляют в контейнер 116 для отходов. Затем прошедший через фильтр базовый буровой раствор опять пропускают через испытательную камеру 106 для испытания. В этом режиме работы система 100 для определения характеристик может быть использована для количественной оценки эффективности герметизации при проведенной в данный момент обработке LCM по сравнению с базовым буровым раствором. В еще одном варианте исполнения, как только базовый буровой раствор выходит из фильтра 114, его направляют в опытную испытательную смесительную систему 102. Затем в опытной испытательной смесительной системе 102 может(-гут) быть добавлен(-ны) новый(-вые) материал(-лы) LCM в буровой раствор, который затем может быть опять пропущен через испытательную камеру 106 для сравнения характеристик различных обработок LCM. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, система 102 отделения LCM может быть очищена различными способами. В одном варианте исполнения система 102 отделения LCM может быть очищена путем обратного промывания чистым базовым буровым раствором.
Изображение на фиг. 7 представляет испытательную камеру в соответствии с еще одним примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом варианте исполнения испытательная камера включает две конических пробки 702, 704, присоединенные к устройству 708 осевого позиционирования. Первая коническая пробка 702 и вторая коническая пробка 704 могут иметь разные углы конусности относительно стенки 706 испытательной камеры. Устройство 708 осевого позиционирования может быть использовано для перемещения первой конической пробки 702 и второй конической пробки 704 совместно или по отдельности. Щетка 710 может быть использована для очистки испытательной камеры, как описано выше в отношении фиг. 3. Этот вариант исполнения позволяет выполнять испытание в любом направлении, предусмотренном для исследования различных углов моделируемых трещин.
Фиг. 8 изображает испытательную камеру в соответствии с еще одним дополнительным примерным вариантом осуществления настоящего изобретения. Первая коническая пробка 802 и вторая коническая пробка 804 соединены с устройством 808 осевого позиционирования и расположены так, чтобы формировать зазоры с различной шириной относительно стенки 806 испытательной камеры. Устройство 808 осевого позиционирования может быть использовано для перемещения первой конической пробки 802 и второй конической пробки 804 совместно или независимо. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, простота этой компоновки позволяет применять одну скорость нагнетания для получения двух скоростей сдвига. Таким образом, реологические результаты могут быть получены с использованием фиксированной геометрической компоновки. Щетка (не показана) может быть использована для очистки испытательной камеры 800, как описано выше в отношении фиг. 3. Эта компоновка обеспечивает упрощенное тестирование реологических характеристик. В этом варианте исполнения две различных разности давлений 810, 812 могут быть измерены при одной скорости нагнетания, и скорость нагнетания может быть фиксированной для ап
проксимации требуемой скорости сдвига. В одном примерном варианте исполнения эффект разжижения при сдвиге может быть определен сравнением соотношений разности давлений, измеренных при различных скоростях нагнетания.
В еще одном примерном варианте исполнения (не показан) к конфигурации, иллюстрированной на фиг. 8, может быть добавлена третья коническая пробка. Третья коническая пробка создает третью ширину зазора, так что при трех различных постоянных скоростях нагнетания рабочий диапазон измерений расширяется до девяти различных скоростей сдвига. Возможность варьировать величины ширины зазоров и расхода потока обеспечивает возможность избирательно оценивать реологическое поведение в режиме низкой скорости сдвига, где вязкопластические свойства проявляют свое поведение "предела текучести", и широкого класса разжижающихся при сдвиге текучих сред, проявляющих поведение, подобное течению "ньютоновского типа". Дополнительно, как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, реологическое поведение может быть оценено в режиме промежуточной скорости сдвига, где выявляются подробности зависимой от скорости сдвига функции вязкости, и в "верхнем ньютоновском" режиме течения. Более того, как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, широкий диапазон скоростей сдвига улучшает характеризацию режимов течения и повышает вероятность определения реологической модели, которая лучше описывает реологические свойства любой текучей среды, которая не будет закупоривать зазоры.
Этот примерный вариант исполнения совершенствует оценку параметра предела текучести, который представляет минимальное сдвиговое напряжение, необходимое для инициирования сдвигового течения, и отражает переход между твердоподобным (упругим, Гуковским и т.д.) поведением и поведением, подобным вязкому течению (ньютоновскому, разжижению при сдвиге и т.д.). Этот параметр является важным для определения режима течения в классе систем, которые проявляют вязкопластическое поведение, таких как определенные составы буровых растворов. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, с повышением предела текучести растут значения кажущейся вязкости и потери давления в затрубном пространстве. Также хорошо известно, что увеличение потерь давления в затрубном пространстве обусловливает повышение эквивалентной плотности циркулирующего бурового раствора ("ECD"). Поэтому предел текучести в особенности важен для сведения к минимуму отклонений или нарушений "ECD".
Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, ECD представляет эффективное гидравлическое давление, воздействующее на забойную зону буровой скважины в результате совместных влияний плотности бурового раствора и общего падения давления в затрубном пространстве, обусловленного потерями на гидравлическое трение, которое возникает, когда буровой раствор циркулирует через кольцевые каналы в бурильной колонне. Как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, желательно поддерживать режим ламинарного течения в кольцевых каналах бурильной колонны. Более того, потери напора флюида в кольцевом пространстве являются весьма чувствительными к величине предела текучести, причем меньший предел текучести свидетельствует о более низкой общей потере напора в кольцевом пространстве. Таким образом, меньший предел текучести будет снижать вклад падения давления в кольцевом пространстве в значение ECD. Более того, как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, хотя настоящее изобретение описано как использующее коническую пробку, возможно применение пробки, имеющей иную форму, в еще одном варианте исполнения, без выхода за пределы области настоящего изобретения. Например, пробка может включать серию клинообразных пробок и соответствующих стенок испытательной камеры.
Хотя настоящее изобретение обсуждается здесь в контексте буровых растворов, как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, способы и системы настоящего изобретения могут быть применены для анализа других текучих сред. Более того, как было бы понятно специалистам в этой области технологии, имеющие преимущество использования этого изобретения, система 100 для определения характеристик может действовать в одном из обсужденных выше режимов работы или в любом их сочетании. Например, в одном примерном варианте исполнения испытательная камера 106 может быть использована в комбинированном режиме работы, тем самым обеспечивая реологическое измерение обработанной текучей среды, а также оптимизацию текучей среды.
Поэтому настоящее изобретение хорошо приспособлено для достижения упомянутых целей и преимуществ, а также тех, которые присущи ей изначально. Раскрытые выше конкретные варианты исполнения являются только иллюстративными, так как настоящее изобретение может быть модифицировано и реализовано на практике иными, но эквивалентными путями, очевидными квалифицированным специалистам в этой области технологии, имеющими благоприятную возможность ознакомиться с его инструкциями. Кроме того, никаких ограничений не предполагается в отношении показанных здесь деталей конструкции или компоновки, иных, нежели описанные ниже в патентной формуле. Поэтому очевидно, что конкретные иллюстративные варианты исполнения, раскрытые выше, могут быть изменены или модифицированы, и все такие вариации рассматриваются как входящие в пределы области и смысла на
стоящего изобретения. В дополнение, термины в пунктах формулы изобретения имеют свое простое обычное значение, если иное определенно и ясно не оговорено патентовладельцем.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Испытательная камера для определения реологических свойств текучей среды, содержащая
первую коническую внутреннюю часть;
устройство осевого позиционирования, размещенное вдоль оси испытательной камеры;
первую коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования;
причем первая коническая пробка выполнена с возможностью перемещения с помощью устройства осевого позиционирования в первую коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры;
впускной канал для текучей среды; выпускной канал для текучей среды;
щетку, соединенную с устройством осевого позиционирования.
2. Испытательная камера по п.1, дополнительно содержащая поршневой насос прямого вытеснения, причем поршневой насос прямого вытеснения регулирует течение текучей среды через испытательную камеру.
3. Испытательная камера по п.1, дополнительно содержащая
вторую коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; причем вторая коническая пробка выполнена с возможностью перемещения во вторую коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры.
4. Испытательная камера по п.3, дополнительно содержащая
третью коническую пробку, соединенную с устройством осевого позиционирования; причем третья коническая пробка выполнена с возможностью перемещения в третью коническую внутреннюю часть и из нее вдоль оси испытательной камеры.
5. Испытательная камера по п.4, в которой каждая из первой конической пробки, второй конической пробки и третьей конической пробки является независимо перемещаемой устройством осевого по-зицио ниро вания.
6. Испытательная камера по п.1, причем испытательная камера выполнена с возможностью определения эффективности герметизации текучей среды, определения диапазона производительности для текучей среды.
5.
5.
5.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
026009
026009
- 1 -
- 1 -
(19)
026009
026009
- 1 -
- 1 -
(19)
026009
026009
- 4 -
- 3 -
(19)
026009
026009
- 8 -
026009
026009
- 8 -
026009
026009
- 11 -
- 11 -