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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf das Prüfen von unter Tage befindlichen
Formationen oder Lagerstätten.
Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zum
Bestimmen der Eigenschaften der Erdformation durch Interpretieren
von Fluiddruck- und Mengenstrommessungen.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Zur
Gewinnung von Kohlenwasserstoffen, wie Öl und Gas, werden Bohrlöcher durch
Drehen eines Bohrmeißels
gebohrt, der an dem Ende eines Gestängestrangs befestigt ist. Ein
Großteil
der gegenwärtigen Bohraktivität umfasst
das Richtbohren, d. h. das Bohren von Ablenk- und Horizontalbohrlöchern, um
die Kohlenwasserstoffgewinnung und/oder das Abziehen zusätzlicher
Kohlenwasserstoffe aus den Erdformationen zu steigern. Moderne Ablenksysteme
verwenden im Allgemeinen einen Gestängestrang, der an seinem Ende eine
Bohrlochsohlenanordnung (BHA – Bottom
Hole Assembly) und einen Bohrmeißel aufweist, der von einem Bohrmotor
(Vor-Ort-Antrieb) und/oder durch Drehen des Gestängestrangs gedreht wird. Eine
Anzahl von Untertage-Einrichtungen, die in unmittelbarer Nähe des Bohrmeißels angeordnet
sind, messen bestimmte Bohrlochbetriebsparameter, die dem Gestängestrang
zugeordnet sind. Zu solchen Einrichtungen gehören gewöhnlich Sensoren zum Messen
der Bohrlochtemperatur und des Bohrlochdrucks, Azimut- und Neigungsmesseinrichtungen
sowie eine Widerstandsmesseinrichtung, um das Vorhandensein von
Kohlenwasserstoffen und Wasser zu bestimmen. Zusätzliche Untertage-Instrumente,
die als Geräte
zum Messen während
des Rohrens (LWD – Logging-While-Drilling)
bekannt sind, werden häufig
an dem Gestängestrang
befestigt, um die Formationsgeologie und die Formationsfluidzustände während der
Bohrarbeiten zu bestimmen.
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In
das Gestängerohr
wird ein Bohrfluid (üblicherweise
bekannt als "Spülung" oder "Bohrspülung") gepumpt, um den
Bohrmotor in Drehung zu versetzen, für eine Schmierung der verschiedenen
Elemente des Gestängestrangs
einschließlich
des Bohrmeißels
zu sorgen und Bohrklein zu entfernen, das von dem Bohrmeißel erzeugt
wird. Das Gestängerohr
wird durch einen Hauptantrieb, wie einen Motor, gedreht, um das
Richtbohren zu erleichtern und um vertikale Bohrlöcher zu
bohren. Der Bohrmeißel
ist gewöhnlich
mit einer Lageranordnung verbunden, die eine Antriebswelle hat,
die ihrerseits den daran befestigten Bohrmeißel dreht. Radial- und Axiallager
sorgen in der Lageranordnung für
die Abstützung
gegenüber
den Radial- und Axialkräften
des Bohrmeißels.
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Üblicherweise
werden Bohrlöcher
längs vorgegebener
Bahnen gebohrt, und das Bohren eines typischen Bohrlochs geht durch
verschiedene Formationen hindurch. Der Bohrmeister steuert gewöhnlich die
von über
Tage gesteuerten Bohrparameter, wie die Meißelbelastung, den Bohrfluidfluss
durch das Gestängerohr, die
Gestängestrangdrehzahl
und die Dichte und Viskosität
des Bohrfluids, um die Bohrarbeiten zu optimieren. Die bohrlochseitigen
Betriebsbedingungen ändern
sich kontinuierlich, und der Bohrmeister muss auf solche Änderungen
reagieren und die von über
Tage gesteuerten Parameter einstellen, um die Bohrarbeiten zu optimieren.
Zum Bohren eines Bohrlochs in einem unverritzten Gebiet hat der
Bohrmeister gewöhnlich
seismische Messdiagramme, die ein Makrobild der Untertage-Formationen
geben, und eine vorgeplante Bohrlochbahn. Zum Bohren von Mehrfachbohrlöchern in
der gleichen Formation hat der Bohrmeister auch Informationen über die
in der gleichen Formation vorher gebohrten Bohrlöcher.
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Üblicherweise
gehören
zu den Informationen, die der Bohrmeister während des Rohrens erhält, der Bohrlochdruck
und die Bohrlochtemperatur sowie Bohrparameter, wie die Meißelbelastung
(WOB – Weight-On-Bit),
die Drehzahl des Bohrmeißels
und/oder des Gestängestrangs
und der Bohrfluiddurchsatz. In einigen Fällen erhält der Bohrmeister auch ausgewählte Informationen über den
Bohrlochsohlenzustand (Parameter), wie Drehmoment, Vor-Ort-Motor-Differenzdruck,
Drehmoment, Meißelsprung
und Wirbel, usw..
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Bohrlochsensordaten
werden gewöhnlich
in bestimmtem Ausmaß unter
Tage verarbeitet und nach über
Tage durch Senden eines Signals durch den Gestängestrang oder durch Spülungs impuls-Übertragung telemetriert,
bei welcher Druckimpulse durch das zirkulierende Bohrfluid übertragen
werden. Obwohl die Spülungsimpulstelemetrie
häufiger
verwendet wird, ist ein solches System in der Lage, nur wenige (1
bis 4) Bits an Informationen pro Sekunde zu übertragen. Infolge einer derart
niedrigen Übertragungsrate
ging der Trend in der Industrie dahin, zu versuchen, größere Mengen
von Daten im Bohrloch zu verarbeiten und ausgewählte berechnete Ergebnisse
oder "Antworten" nach über Tage
zur Verwendung durch den Bohrmeister für ein Steuern der Bohrarbeiten
zu übermitteln.
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Eine
kommerzielle Entwicklung von Kohlenwasserstofffeldern erfordert
beträchtliche
Kapitalmengen. Bevor eine Feldentwicklung beginnt, möchten die
Bohrmeister so viele Daten wie möglich
haben, um die Lagerstätte
nach ihrer kommerziellen Lebensfähigkeit
zu bewerten. Trotz Fortschritten in der Datenerfassung während des
Rohrens bei Verwendung von MWD-Systemen
ist es häufig
erforderlich, eine weitere Prüfung
der Kohlenwasserstofflagerstätten
auszuführen,
um zusätzliche
Daten zu erhalten. Deshalb werden, nachdem das Bohrloch gebohrt
worden ist, die Kohlenwasserstoffzonen häufig mit anderem Testgerät geprüft.
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Zu
einer Art eines Nachprüftests
gehört
das Gewinnen von Fluid aus der Lagerstätte, das Einschließen der
Bohrung, das Sammeln von Proben mit einer Sonde oder Doppelpackern,
das Reduzieren des Drucks in dem Testvolumen und das Ermöglichen
eines Druckaufbaus auf ein statisches Niveau. Diese Folge kann mehrere
Male auf mehreren unterschiedlichen Tiefen oder an einer Stelle
in einer Einzellagerstätte
und/oder an mehreren verschiedenen Lagerstätten in einem vorgegebenen
Bohrloch wiederholt werden. Einer der wesentlichen Aspekte der Daten,
die während
eines solchen Tests gesammelt werden, sind die Druckaufbauinformationen,
die nach dem Absenken des Drucks gesammelt werden. Aus diesen Daten
können
Informationen hinsichtlich Permeabilität und Größe der Lagerstätte abgeleitet
werden. Ferner müssen
aktuelle Proben der Lagerstätte
erhalten werden, und diese Proben müssen untersucht werden, um
Druck-, Volumen-, Temperaturdaten und Fluideigenschaften, wie Dichte,
Viskosität
und Zusammensetzung zu sammeln.
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Zur
Durchführen
dieser wichtigen Tests erfordern einige Systeme das Herausziehen
des Gestängestrangs
aus dem Bohrloch. Danach wird ein anderes Gerät, das für das Testen ausgelegt ist,
in das Bohrloch eingeführt.
Häufig
wird ein Drahtseil verwendet, um das Testgerät in das Bohrloch abzusenken.
Das Testgerät verwendet
manchmal Packer zum Abtrennen der Lager stätte. Man hat zahlreiche Kommunikationseinrichtungen
entworfen, die für
die Manipulation der Testanordnung oder alternativ für eine Datenübertragung
aus der Testanordnung sorgen. Zu einigen dieser Entwürfe gehört die Spülungsimpulstelemetrie
zu oder von einem Bohrlochmikroprozessor, der sich in der Testanordnung
befindet oder ihr zugeordnet ist. Alternativ kann ein Drahtseil
von über
Tage in einen Absetzbehälter
abgesenkt werden, der sich in einer Testanordnung befindet, um eine
elektrische Signalverbindung zwischen über Tage und der Testanordnung
herzustellen. Unabhängig von
der Art des gegenwärtig
verwendeten Testgeräts
und unabhängig
von der Art des verwendeten Kommunikationssystems sind die Zeitdauer
und die Kosten, die für
das Herausziehen des Bohrgestänges
und für
das Einführen
eines zweiten Testgeräts
in das Loch erforderlich sind, beträchtlich. Außerdem kann, wenn das Loch stark
abgelenkt ist, ein Drahtseil nicht verwendet werden, um die Prüfung auszuführen, da
das Testgerät
nicht tief genug in das Bohrloch eindringen kann, um die gewünschte Formation
zu erreichen.
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In
dem
US-Patent 5,803,186 für Berger
et al. ist ein neueres System offenbart. Das '186-Patent
stellt ein MWD-System bereit, bei welchem Druck- und Widerstandssensoren
in dem MWD-System verwendet werden, um eine Realzeit-Datenübertragung
dieser Messungen zu ermöglichen.
Mit der Vorrichtung nach '186
ist es möglich,
statische Drucke, Druckaufbauten und Druckabsenkungen in dem Arbeitsstrang,
wie dem Gestängestrang,
an Ort und Stelle zu erhalten. Es kann auch eine Berechnung der
Permeabilität
und anderer Lagerstättenparameter
basierend auf den Druckmessungen erhalten werden, ohne dass der
Gestängestrang
gezogen wird.
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Das
in dem '186-Patent
beschriebene System verringert verglichen mit der Verwendung eines
Drahtseils die Zeit, die zur Vornahme einer Prüfung erforderlich ist. Das '186-Patent bietet
jedoch keine Vorrichtung für
eine verbesserte Effizienz, wenn Drahtseilanwendungen erwünscht sind.
Eine Druckgradientenprüfung
ist eine solche Prüfung,
bei welcher mehrere Druckprüfungen
ausgeführt
werden, wenn ein Drahtseil eine Testvorrichtung nach unten durch
ein Bohrloch befördert.
Der Zweck der Prüfung
besteht darin, die Fluiddichte in situ und die Trennfläche oder
Kontaktpunkte zwischen Gas, Öl
und Wasser zu bestimmen, wenn diese Fluide in einer einzelnen Lagerstätte vorhanden
sind.
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Eine
andere Vorrichtung und ein anderes Verfahren zum Messen von Formationsdruck
und Permeabilität
ist in dem
US-Patent 5,233,866 ausgegeben
für Robert
Desbrandes, nachstehend das '866-Patent,
beschrieben.
1 ist eine Wiedergabe einer
Figur aus dem '866-Patent
und zeigt ein Absenktestverfahren zur Bestimmung von Druck und Permeabilität der Formation.
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Bei
dem Verfahren von
1 wird der Druck in einer Durchflussleitung
verringert, die in Fluidverbindung mit einer Bohrlochwand steht.
Im Schritt 2 wird ein Kolben verwendet, um das Durchflussleitungsvolumen zu
erhöhen,
wodurch der Durchflussleitungsdruck abnimmt. In anderen Geräten, wie
sie beispielsweise von Michaels in dem
US-Patent 5,377,755 beschrieben sind,
das hier als Referenz eingeschlossen ist, wird eine Pumpe verwendet,
um Fluid aus der Formation abzuziehen. Die Geschwindigkeit der Druckverringerung
ist derart, dass sich Formationsfluid, das in die Durchflussleitung
eintritt, mit die Durchflussleitung verlassendem Fluid kombiniert,
um einen im Wesentlichen linearen Druckabfall zu erzeugen. Zur Definition
einer Bezugsgeraden für
die Bestimmung einer vorgegebenen akzeptablen Abweichung wird eine "beste Geradenanpassung" verwendet. Die gezeigte
akzeptable Abweichung ist 2σ von
der Geraden. Wenn die Bezugsgerade einmal bestimmt ist, wird die
Volumenzunahme auf einem stetigen Wert gehalten. Zu einer Zeit t
1 überschreitet
der Druck die 2σ-Grenze, und man nimmt
an, dass der Durchflussleitungsdruck, der unter dem Formationsdruck
liegt, die Abweichung verursacht. Bei t
1 wird
die Absenkung unterbrochen, und der Druck kann sich im Schritt 3
stabilisieren. Bei t
2 beginnt ein weiterer
Absenkzyklus, der die Verwendung einer neuen Bezugsgeraden einschließen kann.
Der Absenkzyklus wird wiederholt, bis sich die Durchflussleitung
bei einem Druck zweimal stabilisiert. Der Schritt 5 beginnt bei
t
4 und zeigt einen abschließenden Absenkzyklus
zum Bestimmen der Permeabilität
der Formation. Der Schritt 5 endet bei t
5,
wenn der Durchflussleitungsdruck sich auf den Bohrlochdruck Pm aufbaut.
Wenn der Durchflussleitungsdruck dem Bohrlochdruck entspricht, ist
die Möglichkeit
verringert, dass das Gerät
verklemmt. Das Gerät
kann dann zu einer neuen Teststelle bewegt oder aus dem Bohrloch entfernt
werden.
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Ein
Nachteil des '866-Patents
besteht darin, dass die für
das Prüfen
erforderliche Zeit infolge der Stabilisierungszeit während der "Miniaufbauzyklen" zu lang ist. Im
Falle einer Formation mit niedriger Permeabilität kann die Stabilisierung von
einigen zehn Minuten bis sogar Tage dauern, bevor die Stabilisierung
eintritt. Ein oder mehrere auf den ersten Zyklus folgende Zyklen
machen das Zeitproblem nur komplizierter.
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Unabhängig davon,
ob ein Drahtseil oder MWD verwendet wird, messen die vorstehend
erörterten Messsysteme
für Druck
und Permeabilität
der Formation den Druck durch Absenken des Drucks eines Teils des
Bohrlochs auf einen Punkt unter den erwarteten Formationsdruck in
einem Schritt auf einen vorgegebenen Punkt, der weit unter dem erwarteten
Formationsdruck liegt, oder durch Fortsetzen der Absenkung bei einer eingestellten
Rate, bis das in das Gerät
eintretende Formationsfluid den Gerätedruck stabilisiert. Dann
wird der Druck ansteigen und stabilisieren gelassen, indem die Absenkung
unterbrochen wird. Der Absenkzyklus kann wiederholt werden, um zu
gewährleisten,
dass ein gültiger
Formationsdruck gemessen wird, und in einigen Fällen erfordern verlorene oder
verfälschte
Daten einen neuen Test. Dies ist ein zeitraubendes Messverfahren.
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Ein
Verfahren zum Messen der Permeabilität und anderer Parameter einer
Formation und eines Fluids aus solchen Daten ist in dem
US-Patent 5,708,204 für Ekrem
Kasap, übertragen
auf Western Atlas, nachstehend das '204-Patent, beschrieben, das hier durch
Referenz eingeschlossen ist. Das '204-Patent beschreibt ein Fluiddurchsatz-Analyseverfahren
für Drahtseil-Formationsprüfgeräte, mit
dem die Permeabilität
in Bohrlochnähe,
der Formationsdruck (p*) und die Kompressibilität des Formationsfluids leicht
bestimmt werden. Wenn eine Formationsdurchsatzanalyse unter Verwendung
eines Kolbens zum Abziehen von Formationsfluid ausgeführt wird,
werden sowohl die Druckmessungen als auch die Kolbenverschiebemessungen
als Funktion der Zeit unter Verwendung einer multiplen linearen
Regressionstechnik analysiert, die die allgemeine Form hat:
y = α0 + α1·x1 + α2·x2 (1) -
Üblicherweise
wird die multiple lineare Regression auf die nachstehende Differentialgleichung
folgendermaßen
angewendet:
(für die Definitionen
der Symbole siehe Abschnitt "Bezeichnung").
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Der
Druck p(t) in der Absenkeinheit und die Verschiebung x(t) des Abziehkolbens
sind als eine Zeitreihe von gemessenen Daten verfügbar. Aus
diesen Daten werden die Ableitungen dp/dt und dx/dt zur Verwendung
in Gleichung (2) berechnet. Zu erwähnen ist, dass für Systeme,
die eine Pumpe zum Abziehen von Formationsfluid verwenden, der Ausdruck
Apiston·dx/dt durch q, d. h. den
Volumendurchsatz der Pumpe, ersetzt wird.
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Bei
den üblichen
multiplen linearen Regressionstechniken können die Koeffizienten α0, α1 und α2 bestimmt
werden, was das Ergebnis der Formationsdurchsatzanalyse ist, da
diese Koeffizienten alle gewünschten
Informationen über
die Formation enthalten. Die Ableitungen dp/dt und dx/dt werden
numerisch aus den für
p(t) und x(t) gemessenen Daten berechnet, d. h. die in den meisten
Fällen
durch Rauschen verunreinigt sind. Dieses Rauschen stellt ein Problem
dar, welches das Ergebnis der Analyse wesentlich verschlechtert.
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Die
Verfahren der vorliegenden Erfindung überwinden die vorstehenden
Nachteile des Standes der Technik dadurch, dass ein neues Verfahren
der Ausführung
einer multiplen linearen Regressionsanalyse für die gemessenen Daten bereitgestellt
wird, um eine wesentlich genauere Datenkorrelation zu erhalten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen wenigstens
eines interessierenden Parameters einer ein Bohrloch umgebenden
Formation. Bei dem Verfahren wird ein Gerät in ein Bohrloch dorthin transportiert,
wo das Bohrloch eine Untertage-Formation quert, die ein unter Druck
stehendes Formationsfluid enthält.
Aus dem Gerät
wird zu der Formation eine Sonde ausgefahren, um eine hydraulische
Verbindung zwischen der Formation und dem Volumen einer Kammer in
dem Gerät
herzustellen. Aus der Formation wird Fluid dadurch abgezogen, dass
das Volumen der Kammer in dem Gerät mit einer Volumensteuervorrichtung erhöht wird.
Es werden Datensätze
des Fluiddrucks und des Kammervolumens als Funktion der Zeit gemessen.
Es werden Zeitableitungen des gemessenen Drucks und des gemessenen
Volumens für
jeden Datensatz berechnet. Es wird ein Satz von Gleichungen erstellt,
der eine multiple lineare Gleichung für jeden Datensatz aufweist,
der den gemessenen Druck zu einem auf die Zeitableitung des Drucks
bezogenen ersten Term und einem auf die Zeitableitung des Volumens
bezogenen zweiten Term in Beziehung setzt. Für jeden Datensatz weist der
gemessene Druck den entsprechenden gemessenen Druck auf, zu dem
die Summe des gemessenen Drucks aller vorhergehender Datensätze addiert
ist. Der erste Term weist die entsprechende Zeitableitung des Drucks
auf, die zu der Summe der Zeitableitungen des Drucks aller vorhergehender
Datensätze
addiert ist. Der zweite Term weist die entsprechende Zeitableitung
des Volumens auf, zu der die Summe der Zeitableitungen des Volumens
aller vorhergehenden Datensätze
addiert ist. Es wird eine multiple lineare Regression an dem Satz
von Gleichungen ausgeführt,
wobei ein Koordinatenabstandsterm, ein dem ersten Term zugeordneter
erster Steigungsterm und ein dem zweiten Term zugeordneter zweiter
Steigungsterm bestimmt werden. Aus den korrelierten Daten können die
Formationspermeabilität,
der Formationsdruck und die Fluidkompressibilität bestimmt werden.
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Beispiele
für wichtigere
Merkmale der Erfindung wurden so ziemlich breit zusammengefasst,
damit man ihre nachstehende nähere
Beschreibung besser verstehen kann und damit die Beiträge zu dieser
Technik gut verstanden werden können.
Es gibt natürlich
zusätzliche
Merkmale der Erfindung, die nachstehend beschrieben werden und die
den Gegenstand der beiliegenden Ansprüche bilden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Für ein ins
Einzelne gehende Verständnis
der vorliegenden Erfindung sollte Bezug auf die folgende nähere Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen genommen werden,
in denen gleiche Elemente gleiche Bezugszeichen haben und in denen
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1 eine
graphische qualitative Darstellung eines Formationsdrucktests unter
Verwendung eines speziellen Verfahrens nach dem Stand der Technik
ist,
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2 eine
Seitenansicht eines Offshore-Bohrsystems nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist,
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3 einen
Teil eines Gestängestrangs
mit der vorliegenden Erfindung zeigt,
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4 ein
schematisches System der vorliegenden Erfindung ist, und
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5 eine
Seitenansicht einer Drahtseilausführung nach der vorliegenden
Erfindung ist.
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[6 und 7 sind
hier nicht aufgezählt,
Anm. des Übersetzers]
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BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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2 ist
eine Bohrvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es wird eine typische Bohranlage 202 mit
einem davon ausgehenden Bohrloch 204 gezeigt, wie es der
Fachmann kennt. Die Bohranlage 202 hat einen Arbeitsstrang 206,
der bei der gezeigten Ausführung
ein Gestängestrang ist.
An dem Gestängestrang 206 ist
ein Bohrmeißel 208 zum
Bohren des Bohrlochs 204 befestigt. Die vorliegende Erfindung
eignet sich auch für
andere Arten von Arbeitssträngen,
wie ein Drahtseil, ein Verbundrohr, ein Wickelrohr oder einen anderen
Arbeitsstrang mit kleinem Durchmesser, wie ein Schleusenrohr. Die
Bohranlage 202 angeordnet auf einem Bohrschiff 222 mit
einer Steigleitung 224 gezeigt, die sich von dem Bohrschiff 222 zum
Meeresboden 220 erstreckt. Zur Ausführung der vorliegenden Erfindung
kann jedoch jede Ausgestaltung der Bohranlage, wie eine Bohranlage
mit Landbasis, angepasst werden.
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Wenn
es möglich
ist, kann der Gestängestrang 206 einen
im Bohrloch befindlichen Bohrmotor 210 aufweisen. In dem
Gestängestrang 206 ist über dem
Bohrmeißel 208 eine
typische Testeinheit eingeschlossen, die wenigstens einen Sensor 214 aufweisen
kann, um Charakteristika des Bohrlochs, des Meißels und der Lagerstätte zu erfassen,
wobei derartige Sensoren an sich bekannt sind. Eine übliche Verwendung
des Sensors 214 besteht darin, die Richtung, den Azimut
und die Ausrichtung des Gestängestrangs 206 unter
Verwendung eines Beschleunigungsmessers oder eines ähnlichen
Sensors zu bestimmen. Die BHA enthält auch die Formationstestvorrichtung 216 der
vorliegenden Erfindung, die nachstehend näher beschrieben wird. Bei einer geeigneten
Stelle an dem Arbeitsstrang 206, beispielsweise über der
Testvorrichtung 216, ist ein Telemetriesystem 212 angeordnet.
Das Telemetriesystem 212 wird für eine Befehls- und Datenkommunikation
zwischen über
Tage und der Testvorrichtung 216 verwendet.
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3 zeigt
einen Teil eines Bohrgestänges 206 mit
der vorliegenden Erfindung. Der Geräteabschnitt ist vorzugsweise
in einer BHA in der Nähe
des Bohrmeißels
(nicht gezeigt) angeordnet. Das Gerät hat eine Kommunikationseinheit
und eine Stromversorgung 320 für eine Zwei-Wege-Kommunikation
nach über
Tage und für
die Zuführung
von Strom zu den Bohrlochkomponenten. Bei der bevorzugten Ausführungsform
benötigt
das Gerät
von über
Tage für
die Testeinleitung nur ein Signal. Die ganze anschließende Steuerung
führen eine
Steuereinrichtung und ein Prozessor (nicht gezeigt) aus, die sich
im Bohrloch befinden. Die Stromversorgung kann ein von einem Spülflüssigkeitsmotor
(nicht gezeigt) angetriebener Generator oder irgendeine andere geeignete
Stromquelle sein. Ferner sind mehrere Stabilisatoren 308 und 310 zum
Stabilisieren des Geräteabschnitts
des Gestängestrangs 206 sowie
Packer 304 und 306 zum Abdichten eines Ringraumabschnitts
vorgesehen. Vorzugsweise über
dem oberen Packer 304 ist ein Umwälzventil angeordnet, das dazu
verwendet wird, eine fortlaufende Zirkulation von Bohrspülflüssigkeit über den
Packern 304 und 306 zu ermöglichen, während die Drehung des Bohrmeißels unterbrochen
ist. Ein gesondertes Entlastungs- oder Ausgleichsventil (nicht gezeigt)
dient dazu, Fluid aus dem Testvolumen zwischen den Packer 304 und 306 zu
dem oberen Ringraum abzuführen.
Dieses Abführen
verringert den Testvolumendruck, der für einen Absenktest erforderlich
ist. Man hat auch in Betracht gezogen, den Druck zwischen den Packern 304 und 306 durch
Abziehen von Fluid in das System oder durch Abführen von Fluid zu dem unteren
Ringraum zu reduzieren, jedoch ist auf jeden Fall irgendein Verfahren
zum Steigern des Volumens des Zwischenringraums erforderlich, um
den Druck zu verringern.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist ein ausfahrbares Kissendichtungselement 302 für den Eingriff
mit der Rohrwand 4 (1) zwischen
den Packern 304 und 306 an der Testvorrichtung 216 angeordnet.
Das Kissendichtungselement 302 kann ohne die Packer 304 und 306 verwendet
werden, da eine ausreichende Dichtung mit der Bohrlochwand mit dem
Kissen 302 allein aufrechterhalten werden kann. Wenn keine
Packer 304 und 306 verwendet werden, ist eine
Gegenkraft erforderlich, damit das Kissen 302 den Dichtungseingriff
mit der Wand des Bohrlochs 204 aufrechterhalten kann. Die
Dichtung erzeugt an der Kissenabdichtung ein Testvolumen, das sich
nur in dem Gerät
zur Pumpe erstreckt, das Volumen zwischen den Packerelementen also
nicht benutzt wird.
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Ein
Weg zur Aufrechterhaltung der Abdichtung besteht darin, eine größere Stabilität des Gestängestrangs 206 zu
gewährleisten.
In dem Gestängestrang 206 können selektiv
ausfahrbare Greifelemente 312 und 314 eingebaut
werden, um den Gestängestrang 206 während des
Tests zu verankern. Die Greifer 312 und 314 sind
bei dieser Ausführungsform
als in die Stabilisatoren 308 und 310 eingebaut
gezeigt. Die Greifer 312 und 314, die für den Eingriff
mit der Bohrlochwand eine aufgeraute Stirnfläche haben sollten, schützen weiche Komponenten,
wie das Kissendichtungselement 302 und die Packer 304 und 306 vor
einer Beschädigung
aufgrund einer Bewegung des Geräts.
Die Greifer 312 sind in Offshore-Systemen, wie in 2 gezeigt,
besonders erwünscht,
da durch Seegang erzeugte Bewegung einen vorzeitigen Verschleiß der Dichtungskomponenten
herbeiführen
kann.
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4 zeigt
das Gerät
von 3 schematisch mit internen bohrlochseitigen und übertageseitigen Komponenten.
Die selektiv ausfahrbaren Greiferelemente 312 greifen an
der Bohrlochwand 204 an, um den Gestängestrang 206 zu verankern.
Die im Stand der Technik bekannten Packerelemente 304 und 306 erstrecken
sich in den Eingriff mit der Bohrlochwand 204. Die ausgedehnten
Packer trennen den Bohrlochringraum in drei Abschnitte, nämlich einen
oberen Ringraum 402, einen Zwischenringraum 404 und
einen unteren Ringraum 406. Der abgedichtete Ringraumabschnitt
(oder einfach abgedichteter Abschnitt) 404 grenzt an eine Formation 218 an.
An dem Gestängestrang 206 ist
das wahlweise ausfahrbare Kissendichtelement 302 angebracht
und in den abgedichteten Abschnitt 404 ausfahrbar. Eine
Fluidleitung, die eine Fluidverbindung zwischen unberührtem Formationsfluid 408 und
Gerätesensoren,
wie einem Drucksensor 424, herstellt, ist so gezeigt, dass
sie sich durch das Kissenelement 302 hindurch erstreckt,
um einen Kanal 420 in den abgedichteten Ringraum 404 zu
bilden. Die bevorzugte Ausgestaltung, um zu gewährleisten, dass unberührtes Fluid
geprüft oder
als Probe genommen wird, besteht darin, dass Packer 304 und 306.
vorgesehen sind, die abdichtend gegen die Wand 204 gedrückt werden,
und dass eine Dichtungsbeziehung zwischen der Wand und dem ausfahrbaren
Element 302 hergestellt wird. Eine Reduzierung des Drucks
in dem abgedichteten Abschnitt 404 vor dem Angreifen des
Kissens 302 leitet einen Fluidstrom aus der Formation in
den abgedichteten Abschnitt 404 ein. Wenn das ausfahrbare
Element 302 an der Wand angreift, ist bei strömendem Formationsfluid
der sich durch das Kissen 320 erstreckende Kanal 320 dem
unberührten
Fluid 408 ausgesetzt. Eine Steuerung der Ausrichtung des
ausfahrbaren Elements 302 ist dann in höchstem Maße erwünscht, wenn abgelenkt oder
horizontal gebohrt wird. Die bevorzugte Ausrichtung ist zu einem
oberen Abschnitt der Bohrlochwand hin. Es kann ein Sensor 214,
beispielsweise ein Beschleunigungsmesser, verwendet werden, um die
Ausrichtung des ausfahrbaren Elements 302 zu erfassen.
Das ausfahrbare Element kann dann in die gewünschte Richtung unter Verwendung
von Verfahren und nicht gezeigten bekannten Komponenten ausgerichtet
werden, beispielsweise das Richtbohren mit einem Biegezwischenstück. Beispielsweise
kann die Bohrvorrichtung einen Gestängestrang 206 aufweisen,
der von einem Übertage-Drehantrieb
(nicht gezeigt) gedreht wird. Für
ein unabhängiges
Drehen des Bohrmeißels
kann ein im Bohrloch befindlicher Vor-Ort-Motor (siehe 2 bei 210)
verwendet werden. Der Gestängestrang
kann so gedreht werden, bis das ausfahrbare Element in die gewünschte Richtung
ausgerichtet ist, wie sie von dem Sensor 214 angezeigt
wird. Der Übertage-Drehantrieb
wird angehalten, um die Drehung des Gestängestrangs 206 während eines
Tests anzuhalten, während
mit der Drehung des Bohrmeißels
unter Verwendung des Spülflüssigkeitsmotors
gewünschtenfalls
fortgesetzt werden kann.
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Vorzugsweise
steuert eine im Bohrloch befindliche Steuereinrichtung 418 den
Versuch. Die Steuereinrichtung 418 ist mit wenigstens einer
Systemvolumensteuereinrichtung (Pumpe) 426 verbunden. Die
Pumpe 426 ist vorzugsweise ein kleiner Kolben, der von
einer Kugelspindel und einem Schrittmotor oder einem anderen variablen
Steuermotor wegen der Fähigkeit
angetrieben wird, das Volumen des Systems schrittweise zu ändern. Die
Pumpe 426 kann auch eine Exzenterschnecken-Tiefpumpe sein.
Bei Verwendung anderer Arten von Pumpen sollte auch ein Durchsatzmessgerät vorgesehen
werden. In der Fluidleitung 422 ist zwischen einem Drucksensor 424 und
der Pumpe 426 ein Ventil zum Steuern des Fluidstroms zur
Pumpe 426 angeordnet. Ein Testvolumen 405 ist
das Volumen unter dem zurückfahrenden
Kolben der Pumpe 426 und es schließt die Fluidleitung 422 ein.
Der Drucksensor wird dazu verwendet, den Druck in dem Testvolumen 405 zu
erfassen. Der Sensor 424 ist mit der Steuereinrichtung 418 verbunden,
um Rückkoppelungsdaten
zu liefern, die für
ein Regelsystem erforderlich sind. Die Rückkoppelung wird dazu verwendet,
die Parametereinstellungen zu justieren, beispielsweise eine Druckgrenze
für darauffolgende
Volumenänderungen.
Die im Bohrloch befindliche Steuereinrichtung sollte einen Prozessor
(nicht gesondert gezeigt) für
ein weiteres Reduzieren der Testzeit und ein optionales Datenbank-
und Speichersystem zum Sichern von Daten für eine spätere Analyse und zur Bereitstellung
von Verzugseinstellungen aufweisen.
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Bei
einer Druckabsenkung in dem abgedichteten Abschnitt 404 wird
Fluid zu dem oberen Ringraum 402 über ein Ausgleichsventil 419 abgeführt. Eine
die Pumpe 426 mit dem Aus gleichsventil 419 verbindende Leitung 427 hat
ein wählbares
Innenventil 432. Wenn eine Fluidprobenahme vorgenommen
werden soll, kann das Fluid zu optionalen Probenreservoirs 428 unter
Verwendung der inneren Ventile 432, 433a und 433b anstelle
einer Abführung
durch das Ausgleichsventil 419 abgeleitet werden. Für eine typische
Fluidprobenahme wird das in den Reservoirs 428 enthaltene
Fluid aus dem Bohrloch für
eine Analyse abgezogen.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
zum Prüfen
von Formationen mit niedriger Mobilität (dicht) hat wenigstens eine
Pumpe (nicht gesondert gezeigt) zusätzlich zu der gezeigten Pumpe 426.
Die zweite Pumpe sollte ein inneres Volumen haben, das viel kleiner
als das innere Volumen der Hauptpumpe 426 ist. Ein Vorschlag für ein Volumen
der zweiten Pumpe ist 1/100 des Volumens der Hauptpumpe. Zur Verbindung
der beiden Pumpen mit der Fluidleitung 422 kann ein typisches "T"-Verbindungsstück verwendet werden, das ein
von der im Bohrloch befindlichen Steuereinrichtung 418 gesteuertes
Wahlventil hat.
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Bei
einer dichten Formation wird die Hauptpumpe für die anfängliche Absenkung verwendet.
Die Steuereinrichtung schaltet auf die zweite Pumpe für Arbeitsgänge unter
dem Formationsdruck. Ein Vorteil der zweiten Pumpe mit kleinem Innenvolumen
besteht darin, dass die Aufbauzeiten kürzer als bei einer Pumpe mit
großem
Volumen sind.
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Ergebnisse
der im Bohrloch verarbeiteten Daten können nach über Tage gesendet werden, um
dem Bohrmeister Bohrlochbedingungen zu übermitteln oder um Versuchsergebnisse
zu bestätigen.
Die Steuereinrichtung führt
die Daten einem Zweiwege-Datenkommunikationssystem 416 zu,
das im Bohrloch angeordnet ist. Das Bohrlochsystem 416 übermittelt
ein Datensignal zu einem Übertage-Kommunikationssystem 412.
Es sind mehrere Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die für die Datenübertragung
geeignet sind. Für
die Zwecke dieser Erfindung würde
ein geeignetes System genügen.
Wenn das Signal über
Tage empfangen ist, wandelt eine über Tage befindliche Steuer-
und Prozessoreinrichtung 410 die Daten um und übermittelt
sie zu einem geeigneten Ausgang oder einer Speichereinrichtung 414.
Wie vorher beschrieben wurde, werden die über Tage befindliche Steuereinrichtung 410 und
das über
Tage befindliche Kommunikationssystem 412 auch dazu verwendet,
den Befehl für
den Testbeginn zu senden.
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5 ist
eine Ausführung
mit Drahtseil nach der vorliegenden Erfindung. Es ist ein Bohrloch 502 gezeigt,
das durch eine Formation 504 hindurchgeht, die eine Lagerstätte mit
Schichten aus Gas 506, Öl 508 und Wasser 510 enthält. Ein
von einem verstärkten
Kabel 514 gehaltenes Drahtseilgerät 512 ist in dem Bohrloch 502 angrenzend
an die Formation 504 angeordnet. Von dem Gerät 512 aus
erstrecken sich optionale Greifer 312 zur Stabilisierung
des Geräts 512.
An dem Gerät 512 sind
zwei ausfahrbare expandierbare Packer 304 und 306 angeordnet,
die in der Lage sind, den Ringraum des Bohrlochs 502 in
einen oberen Ringraum 402, einen abgedichteten Zwischenringraum 404 und
einen unteren Ringraum 406 zu trennen. An dem Gerät 512 ist
ein selektiv ausfahrbares Kissenelement 302 angeordnet.
Die Greifer 312, die Packer 304 und 306 und
das ausfahrbare Kissenelement 302 sind im Wesentlichen
die gleichen wie anhand von 3 und 4 beschrieben,
so dass eine detaillierte Beschreibung hier nicht wiederholt wird.
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Die
Telemetrie für
die Drahtseilausführung
ist eine im Bohrloch befindliche Zweiwege-Kommunikationseinheit 516,
die mit einer über
Tage befindlichen Zweiwege-Kommunikationseinheit 518 durch
eine oder mehrere Leitungen 520 in dem verstärkten Kabel 514 verbunden
ist. Die über
Tage befindliche Kommunikationseinheit 518 ist in einer über Tage
befindlichen Steuereinrichtung aufgenommen, die einen Prozessor 412 und
eine Abgabeeinrichtung 414 aufweist, wie es anhand von 4 beschrieben
ist. Zum Führen
des verstärkten
Kabels 514 in das Bohrloch 502 wird eine typische
Seilrolle 522 verwendet. Das Gerät 512 hat einen im Bohrloch
befindlichen Prozessor 418 zum Steuern von Formationsversuchen
entsprechend den nachstehend näher
beschriebenen Verfahren.
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Die
in 5 gezeigte Ausführungsform soll zum Bestimmen
von Kontaktpunkten 538 und 540 zwischen dem Gas 506 und
dem Öl 508 und
zwischen dem Öl 508 und
dem Wasser 510 dienen. Zur Veranschaulichung dieser Anwendung
ist der Formation 504 überlagert
ein Diagramm 542 für
den Druck abhängig
von der Tiefe gezeigt. Das Bohrlochgerät 512 hat eine Pumpe 526,
eine Vielzahl von Sensoren 424 und optional Probenbehälter 428,
wie vorstehend für
die Ausführungsform
von 4 beschrieben ist. Diese Komponenten werden dazu
verwendet, den Formationsdruck bei sich ändernden Tiefen innerhalb des
Bohrlochs 502 zu messen. Die wie gezeigt aufgetragenen
Drucke stehen für
eine Fluid- oder Gasdichte, die sich unterschiedlich von einem Fluid
zum nächsten ändert. Wenn
man also mehrere Druckmes sungen M1 bis Mn hat, erhält man Daten, die zur Bestimmung
der Kontaktpunkte 538 und 540 erforderlich sind.
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Die
von den vorstehend beschriebenen beispielsweisen Geräten erfassten
Daten werden in üblicher Weise
analysiert, wie dies vorher erörtert
wurde, wobei die allgemeine Form einer multiplen linearen Regression
zum Einsatz kommt, beispielsweise
y
= α0 + α1·x1 + α2·x2 (1)und
auf Gleichung (2) wie angegeben angewendet wird, wobei Gleichung
(2) den Gerätedruck
p(t) auf Formationseigenschaften und den Durchsatz aus der Formation
bezieht:
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Berücksichtigt
man, dass dp/dt, dx/dt und V die einzigen nicht konstanten Variablen
auf der rechten Seite von Gleichung (2) sind, kann die multilineare
Regressionstechnik dazu verwendet werden, gleichzeitig zwei Steigungen
a1 und a2 und einen
Koordinatenabstand a0 zu erhalten. Aus der
Steigung a2 des dx/dt-Terms wird die Formationspermeabilität k berechnet,
wenn die Fluidviskosität η bekannt
ist. Wenn alternativ die Permeabilität bekannt ist, kann die Fluidviskosität η aus der
a2-Steigung bestimmt werden. Die Steigung
a1 des Druckableitungsterms wird zur Berechnung
der Systemkompressibilität
C verwendet. Die Kompressibilität
wird für
jeden Test berechnet, da sie sich von Test zu Test ändern kann.
Der Grund dafür
besteht darin, dass C in Gleichung (2) die Kompressibilität des Fluids
in dem Gerät,
nicht in der Formation, ist und sich der Fluidgehalt des Geräts bei wiederholten
Tests schnell ändern
kann. Der Koordinatenabstand a0 gibt eine
Schätzung
des Formationsdrucks p*. Anzumerken ist, dass das Volumen V das
zeitabhängige
Systemvolumen ist, das aus der Kolbenbewegung, x(t) und der Kolbenfläche Apiston berechnet wird.
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Wenn
die Zeitreihendaten p(t) und x(t) aus dem Probenahmegerät in Gleichung
(2) verwendet werden, wird ein Satz von Gleichungen erzeugt, die
jeden Datensatz darstellen, wie den Datensatz:
wobei
der Satz von Gleichungen die Eingabe für die multiple lineare Regression
ist. Die Techniken zur Ausführung
einer multiplen linearen Regression sind an sich bekannt und werden
hier nicht beschrieben. Die Regressionsanalyse kann in den Übertage-Prozessor
für die
Analyse programmiert werden. Alternativ kann die Regressionstechnik
in einen im Bohrloch befindlichen Prozessor für die Steuerung des Probenahmeprozesses im
Bohrloch programmiert werden. Wie der Fachmann weiß, ist es
nicht erforderlich, alle Daten im Speicher zu speichern und dann
die Analyse auszuführen.
Jeder neue Datensatz kann in geeigneter Weise zu den gespeicherten
Zwischenergebnissen hinzugefügt
werden, um die Notwendigkeit für
im Bohrloch gespeicherte Daten zu minimieren.
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Bei
im Wesentlichen allen Messsystemen sind sowohl systematische und
statistische Fehler üblich und
ergeben eine bestimmte Größe einer
Datenstreuung von einem erwarteten Ergebnis aus. Eine solche Datenstreuung
kann beispielsweise im Schritt 2 von 1 gesehen
werden, wo die Datenpunkte in einem linearen physikalischen Prozess
um eine Gerade mit Bestanpassung streuen. Bekanntlich verschlimmert
eine Differenzierung solcher Zeit-Reihen-Daten mit Streuung das Problem. 6 zeigt
das dx/dt-Ergebnis der Differenzierung der Position x(t) bezogen
auf die Zeit, wobei die Kurve 601 die Auftragung von dx/dt über der
Zeit zeigt. Ähnliche
Ergebnisse können
erwartet werden, wenn der Druck bezüglich der Zeit differenziert
wird. Die vergrößerte Streuung
oder Unsicherheit in den abgeleiteten Termen pflanzt sich durch
die multiplen linearen Regressionstechniken fort und führt zu einer
erhöhten
Unsicherheit in den Konstanten a0, a1 und a2, die aus der
multiplen linearen Regression berechnet werden. Jedoch ist eine
genaue Bestimmung der Konstanten das Ziel der Analyse, da die Formations-
und Fluideigenschaften und der Druck aus den Konstanten, wie vorher beschrieben,
bestimmt werden.
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Die
vorliegende Erfindung stellt, wie nachstehend beschrieben, ein Verfahren
zur Glättung
der Ableitungsergebnisse bereit, das auch als Filterung bekannt
ist, um die Unsicherheit in den berechneten Konstanten zu reduzieren
und um eine bessere Bestimmung der Formations- und Fluideigenschaften zu ermöglichen.
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Die
Technik basiert auf der Annahme, dass, wenn die folgenden zwei Gleichungen
stimmen, dann die Summe der Gleichungen ebenfalls stimmen muss.
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Anstatt
einer Verwendung der multiplen linearen Regression, wie sie für Gleichung
(3) beschrieben ist, kann deshalb der folgende Satz von Gleichungen
verwendet werden:
Nummer des Datensatzes (p, x):
wobei
die allgemeine Form des Satzes von Gleichungen (5) lautet:
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7 zeigt
eine Kurve
701, die der
aufgetragen über der
Zeit ist. Die Kurve
701 ist wesentlich glatter als der
dx/dt-Term von Kurve
601 in
6. Eine
glattere Kurve führt
zu einer wesentlich besseren multiplen linearen Regression mit einer
geringeren Unsicherheit in den Koeffizienten. Dies ergibt eine bessere
Korrelation, die bessere Vorhersagen der Fluid- und Formationseigenschaften aus den
Druck- und Durchflussdaten ermöglicht.
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Die
vorstehende Beschreibung richtet sich auf spezielle Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zur Veranschaulichung und Erläuterung.
Es ist natürlich
für den
Fachmann ersichtlich, dass viele Modifizierungen und Änderungen
an der vorstehend angegebenen Ausführungsform möglich sind.
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- C
- Kompressibilitätsfaktor,
1/psi
- G0
- geometrischer
Faktor
- k
- Permeabilität, mD
- p
- Druck
in psi
- p*
- Druck
der ungestörten
Formation in psi
- q
- Volumenstrom
in cm3/s
- ri
- Sondenradius
in cm
- t
- Zeit
in s
- V
- Systemvolumen
in cm3
- η
- Viskosität des Fluids
in cp
- x
- Absenkkolbenverschiebung
in cm
- Apiston
- Absenkkolbenfläche in cm2