流體測量系統(tǒng)和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于鉆探井孔的流體測量系統(tǒng)和方法。該測量系統(tǒng)包括導管、超聲感應裝置和處理裝置。所述導管開設有可收容鉆桿及通過返回的鉆探流體的通道。所述超聲感應裝置用于傳輸復數個探測信號來探測返回的鉆探流體的流動，且基于所探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置以產生復數個相應的響應信號。所述處理裝置用于對所述復數個響應信號進行處理以產生與所述探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置相關的復數個相應的流體輪廓信息，該處理裝置可進一步對所述復數個流體輪廓信息進行處理以獲得返回的鉆探流體的體積流速。
【專利說明】流體測量系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可用于測量流體體積流速(或稱體積流量)(Volumetric FlowRates)的流體測量系統(tǒng)和方法，尤其涉及一種可在油井，比如海上油井鉆探過程中來測量返回的鉆探流體(或返回的鉆探泥衆(zhòng)，Returning Drilling Fluids)的體積流速以減輕或避免井涌(Kick)發(fā)生的流體測量系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]從地下地層(Subsurface Formation)來尋找并開探碳氫化合物(Hydrocarbon),如石油已經進行了數十年。由于以地面為基地的油井有限的生產能力，從海底油井開探碳氫化合物就引起了關注。通常，在鉆探海上油井(Offshore Well)時，可轉動的鉆頭(DrillBit)設置在鉆柱(Drill String)上從海床下鉆出井孔。表面平臺，如海面平臺或鉆探船通過鉆柱對鉆頭進行控制。同時，立管(Riser)設置來連接海面平臺和海床上形成的井口(Wellhead)。鉆柱穿過立管來導引鉆頭到井口處。
[0003]在鉆井過程中，鉆柱從海面平臺獲得必要的能量驅動鉆頭轉動。其間，來自設置在海面平臺的流體罐的鉆探流體(或者鉆探泥漿)通過鉆柱到達鉆頭，然后通過設置在鉆柱和立管殼體間的環(huán)形空間返回流體罐。鉆探流體維持了一定的靜水壓力(HydrostaticPressure)來平衡來自井孔的流體的壓力并對鉆頭進行冷卻。另外，鉆探流體與井孔形成過程中產生的物料相混合以攜帶其到海面進行處理。
[0004]在一些情況下，從海床中進入井孔中的流體的壓力大于鉆探流體的壓力，其可導致往井孔中進入不期望的流體，這在行業(yè)中可稱為井涌。通?？赏ㄟ^返回的鉆探流體流量大于來自鉆柱中的鉆探流體的流量的情況來確定井涌的發(fā)生。在一定的情況下，井涌的發(fā)生具有潛在的風險，其可造成設備損壞及對操作人員和環(huán)境造成不利影響。
[0005]操作人員密切關注這種不期望發(fā)生的流體所造成的潛在風險的可能并在海面持續(xù)的監(jiān)控鉆探流體的流入及流出。比如，在鉆探流體循環(huán)的過程中不斷監(jiān)控流體罐中鉆探流體的水平或在泥衆(zhòng)振動篩(Shale Shakers)的流體線上安裝葉片式測量計(PaddleMeters)來確定是否鉆探過程中流體流量發(fā)生變化。然而，這種方法并不準確且需要相對較長的時間才能發(fā)現并對井孔中流體的變化做出反應。
[0006]所以，需要提供一種新的流體測量系統(tǒng)和方法，其可在井孔鉆探的過程中對返回的鉆探流體的體積流速進行測量來確定流體是否有變化，從而來確保鉆探的安全運行。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的一個實施例提供了一種用于鉆探井孔的流體測量系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)包括導管、超聲感應裝置和處理裝置。所述導管開設有可收容鉆桿及通過返回的鉆探流體的通道。所述超聲感應裝置用于傳輸復數個探測信號來探測返回的鉆探流體的流動，且基于所探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置以產生復數個相應的響應信號。所述處理裝置用于對所述復數個響應信號進行處理以產生與所述探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置相關的復數個相應的流體輪廓信息，該處理裝置可進一步對所述復數個流體輪廓信息進行處理以獲得返回的鉆探流體的體積流速。
[0008]本發(fā)明另一個實施例提供了 一種用于鉆探井孔的流體測量方法。該流體測量方法包括利用超聲感應裝置傳輸復數個探測信號來探測導管中的返回的鉆探流體的流動，該導管開設有可收容鉆桿及通過所述返回的鉆探流體的通道；利用超聲感應裝置基于所探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置以產生復數個相應的響應信號；利用處理裝置對所述復數個響應信號進行處理以產生與所述所探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置相關的復數個相應的流體輪廓信息；及利用處理裝置對所述復數個流體輪廓信息進行處理以獲得返回的鉆探流體的體積流速。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]通過結合附圖對于本發(fā)明的實施例進行描述，可以更好地理解本發(fā)明，在附圖中:
[0010]圖1為本發(fā)明鉆探系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；
[0011]圖2為沿圖1所示鉆探系統(tǒng)中的A-A線所得的鉆探組合的一個實施例的剖面示意圖；
[0012]圖3為本發(fā)明鉆探系統(tǒng)的測量系統(tǒng)的一個實施例的示意圖；及
[0013]圖4為本發(fā)明測量系統(tǒng)的超聲感應裝置的一個實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0014]以下將描述本發(fā)明的【具體實施方式】，需要指出的是，在這些實施方式的具體描述過程中，為了進行簡明扼要的描述，本說明書不可能對實際的實施方式的所有特征均作詳盡的描述。應當可以理解的是，在任意一種實施方式的實際實施過程中，正如在任意一個工程項目或者設計項目的過程中，為了實現開發(fā)者的具體目標，為了滿足系統(tǒng)相關的或者商業(yè)相關的限制，常常會做出各種各樣的具體決策，而這也會從一種實施方式到另一種實施方式之間發(fā)生改變。此外，還可以理解的是，雖然這種開發(fā)過程中所作出的努力可能是復雜并且冗長的，然而對于與本發(fā)明公開的內容相關的本領域的普通技術人員而言，在本公開揭露的技術內容的基礎上進行的一些設計，制造或者生產等變更只是常規(guī)的技術手段，不應當理解為本公開的內容不充分。
[0015]除非另作定義，權利要求書和說明書中使用的技術術語或者科學術語應當為本發(fā)明所屬【技術領域】內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本發(fā)明專利申請說明書以及權利要求書中使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分?！耙粋€”或者“一”等類似詞語并不表示數量限制，而是表示存在至少一個?！鞍ā被蛘摺鞍钡阮愃频脑~語意指出現在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵蓋出現在“包括”或者“包含”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“設置”、“連接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機械的連接，也不限于是直接的還是間接的連接。
[0016]圖1所示為本發(fā)明鉆探系統(tǒng)10的一個實施例的示意圖。在本發(fā)明實施例中，鉆探系統(tǒng)10可用來鉆探井孔來開探碳氫化合物，如化石燃料(Fossil Fuels)。在非限定示例中，井孔包括陸上井孔(Onshore Well)和海上井孔(Offshore Well)。在一個示例中，鉆探系統(tǒng)10用來開探海上井孔。
[0017]如圖1所示，鉆探系統(tǒng)10通常包括位于水面上的平臺11及連接平臺11和位于海床14上的井口 13的鉆探組合12。鉆探組合12 (如圖2所示)包括鉆柱15、鉆頭(未圖示)及立管16來開鑿出井孔。
[0018]鉆柱15包括鉆桿(Drill Pipe)，其由多個具有一定長度的管道首尾相連形成。鉆頭安裝在鉆柱15的一端并且可旋轉的在海床14下進行開鑿。鉆柱15可用來輸送鉆頭從而來延伸在海床14下的開鑿。同時，來自平臺11的鉆探流體100 (也常被稱為鉆探泥漿，如圖3所示)通過鉆柱15輸送到井孔中。
[0019]立管16包括導管,其具有筒形橫截面(Tubular Cross Section)。鉆柱15可設置在立管16中且沿著立管16的長度方向在立管16中延伸。立管16在其內開設有通道來收容鉆柱15。這樣，就在鉆柱15和立管16的內表面間形成了環(huán)形空間17，從而立管16可導引鉆柱15到井口 13處，而且來自井孔中的返回的鉆探流體101 (如圖3所示)可通過環(huán)形空間17返回平臺11。
[0020]這樣，在鉆探過程中，鉆柱15轉動鉆頭。來自平臺11的鉆探流體100的循環(huán)通過鉆柱15到達鉆頭，然后通過形成于鉆柱15和立管16內表面間的環(huán)形空間17以返回的鉆探流體101的形成返回平臺11。鉆探流體100維持了一定的靜水壓力(HydrostaticPressure)來平衡來自井孔的流體的壓力并對鉆頭進行冷卻，同時，鉆探流體把在開鑿井孔過程中產生的物料，如破碎的巖石等帶到水面。在一定示例中，來自平臺11的鉆探流體100可包括水或油和多種添加物。返回的鉆探流體101可至少包括鉆探流體100和開鑿井孔過程中產生的物料的混合物。在平臺11上，返回的鉆探流體101可被進行處理，比如進行過濾移除其中的固體物質后可重新進行循環(huán)。
[0021]如上所述，在一定的應用中，從海床中進入井孔中的流體的壓力可大于鉆探流體100的壓力，這可導致海床中的流體隨同鉆探流體一同進入環(huán)形空間17中從而產生較大的返回流體。這種返回流體可稱為井涌(Kick),如果控制不當就會導致井噴(Blowout)。
[0022]因此，就需要對返回的鉆探流體101進行實時的監(jiān)控測量來確定井是否發(fā)生從而減輕或避免井涌(Kick)的發(fā)生造成的危害。圖3所示為本發(fā)明流體測量系統(tǒng)18的一個實施例的示意圖。在一些示例中，流體測量系統(tǒng)18可用來通過測量返回的鉆探流體101的體積流速來探測井涌的發(fā)生以減輕或避免井涌(Kick)的發(fā)生造成的危害。在其他示例中，流體測量系統(tǒng)18可進一步通過比對預先確定的鉆探流體100的體積流速和測量的返回的鉆探流體101的體積流速來確定井涌的發(fā)生。
[0023]如圖3所示,流體測量系統(tǒng)18包括立管16、超聲感應裝置19及處理裝置20。超聲感應裝置19用來當返回的鉆探流體101通過環(huán)形空間17的過程中對處于不同位置或不同時間點的返回的鉆探流體101的流體輪廓(Flow Profiles)信息進行測量。在非限定示例中，流體輪廓信息可包括流體流速信息。在本實施例中，超聲感應裝置19設置在立管16上，其包括具有復數個超聲感應器21。該復數個超聲感應器21彼此間隔且成一定的角度(Azimuthally)圍繞著立管16設置。盡管在本實施例中設置有一個以上的超聲感應器，在一定的應用中，也可僅設置一個超聲感應器。
[0024]圖4所示為設置在立管16上的復數個超聲感應器21的一個實施例的排列示意圖。如圖4所示，超聲感應器21圍繞著立管16且彼此間隔設置。在本實施例中，超聲感應器21設置在立管16的外表面上,在一定的不例中，超聲感應器21也可設置在立管16中或延伸進立管16中，從而作為濕感應器(Wetted Sensor)來接觸返回的鉆探流體101以進行監(jiān)測。
[0025]在測量中，在返回的鉆探流體101通過環(huán)形空間17的過程中，每一個超聲感應器21產生并傳輸探測信號到返回的鉆探流體101中，且由于鉆探流體101中的顆粒物的反向散射來產生響應信號。隨后，響應信號被相應的超聲感應器21所接收以便于到處理裝置20中進行處理，從而就獲得與探測信號所探測的返回的鉆探流體101的相應的位置相關的流體輪廓信息。
[0026]在非限定示例中，超聲感應器21可包括多普勒超聲感應器(Doppler UltrasonicSensors)或渡越時間超聲感應器(Transit Time Ultrasonic Sensors),其具有較高的感應準確度。當然，也可使用其他合適的感應裝置。在一些應用中，每個多普勒超聲感應器可傳輸探測信號并接收響應信號。在一個示例中，多普勒超聲感應器朝向鉆柱15傳輸探測信號并接收相應的響應信號。在渡越時間超聲感應器工作時，其中一個感應器可用來傳輸探測信號，相臨的另一個感應器可用來接收響應信號，這樣其間的信號傳輸就不會被鉆柱15所阻擋。
[0027]在圖3所示的實施例中，處理裝置20可與超聲感應裝置19通訊以接收并對來自超聲感應器21的響應信號進行處理，從而獲得與探測的返回的鉆探流體位置相關的流體輪廓信息。在非限定示例中，處理裝置20可設置在立管16的外表面上。頻譜分析算法(Spectrum Analysis Algorithm),如多普勒頻譜分析算法可用來對響應信號進行處理以確定相應的流體輪廓信息。進一步的，返回的鉆探流體10的流體輪廓信息可在處理裝置20中進行處理，以獲得返回的鉆探流體10的體積流速。在非限定示例中，感應裝置19的所有超聲感應器21均完成一次探測可獲得的所需的流體輪廓信息。
[0028]在一些應用中，處理裝置20包括有流體動力學模型(Flow Dynamic Model)，其包括但不限于實時的計算的流體動力學模型(Computational Fluid Dynamics Model)。該流體動力學模型利用非線性優(yōu)化算法，比如非線性最小二乘方優(yōu)化算法，并基于所探測的與返回的鉆探流體101的相應的位置相關的流體輪廓信息從而得到返回的鉆探流體的體積流速。
[0029]在一些實施例中，處理裝置20不限于任何特定的可用來執(zhí)行本發(fā)明處理任務的處理裝置。在本發(fā)明實施例中，處理裝置可表示任何能夠進行運算或計算，對執(zhí)行本發(fā)明的任務而言是必要的裝置。如本領域技術人員所理解的，處理裝置還可表示任何能夠接收輸入并按照規(guī)定的規(guī)則處理該輸入，從而產生輸出的裝置。
[0030]這樣，基于所獲得的返回的鉆探流體101的體積流速就可便于用來確定井涌的發(fā)生以便于采取相應的調整措施以減輕或避免井涌的發(fā)生。在一定的應用中，如上所述，可把確定的返回的鉆探流體101的體積流速與預先確定的鉆探流體100的體積流速相比較來確定井涌的發(fā)生。在一些示例中，也可在平臺11處設置有監(jiān)控裝置22以與處理裝置向通訊以顯示處理結果，便于使用者觀察。
[0031]這樣，在操作中，隨著鉆桿15轉動轉頭進行開鑿，來自平臺11的鉆探流體100通過鉆桿15到達鉆頭，然后以返回的鉆探流體101的形式通過環(huán)形空間17朝平臺11返回。其間，超聲感應裝置19對立管16中的返回的鉆探流體101的流體輪廓信息進行監(jiān)測。處理裝置20對所獲得的流體輪廓信息進行處理以確定返回的鉆探流體101的體積流速。
[0032]在非限定示例中，當返回的鉆探流體101的體積流速大于預設值，比如預先確定的鉆探流體100的體積流速時，其可表明來自海床的流體的壓力大于鉆探流體100的壓力，井涌可能發(fā)生。在這種情況下，就需要對返回的鉆探流體101進行控制，以減輕或避免井涌的發(fā)生。
[0033]如圖1所示，鉆探系統(tǒng)10設置有靠近海床14的封井裝置(Blowout Preventer)23來控制返回的鉆探流體101的流動以避免井涌(或井噴)的發(fā)生。超聲感應裝置19和處理裝置20可設置在立管16上且靠近封井裝置23，從而位于水面下。來自封井裝置23的電纜102可對超聲感應裝置19提供能量。在特定的示例中，超聲感應裝置19也可設置于封井裝置23下或位于其中。
[0034]通常，封井裝置23可包括較低位置的封井裝置24及與立管16 —端相連的下級海底取油管(Lower Marine Riser Package, LMRP) 25。閘板(Ram)和環(huán)形密封件(未圖不)設置在下級海底取油管25后。在開探過程中，較低位置的封井裝置24及下級海底取油管25相連。
[0035]復數個閘板和環(huán)形器(或防噴件)26設置在較低位置的封井裝置24中。在正常操作時，閘板和環(huán)形器26處于打開狀態(tài)，但當井涌或井噴發(fā)生時，閘板和環(huán)形器26可在控制的狀態(tài)下來控制通過立管16的返回的鉆探流體101的流動。此處使用的“控制的狀態(tài)”可指閘板和環(huán)形器26可關閉或減少在立管16中的返回的鉆探流體的流動。比如，當井涌發(fā)生時，閘板和環(huán)形器26可減少返回的鉆探流體101在立管中的流動以減輕或避免井涌的繼續(xù)發(fā)生。此處使用的“減少”可指減少返回的鉆探流體的流動，但并不關閉返回流體朝向平臺11的流動。當然，在一定的情況下，當井涌發(fā)生時，閘板和環(huán)形器26也可關閉返回的鉆探流體在立管16中的流動。
[0036]圖1所示的實施例僅是示意性的。為了便于說明，一些元件沒有圖示，比如可至少控制閘板和環(huán)形器26處于打開狀態(tài)或處于控制的狀態(tài)的控制裝置及從平臺傳輸信號給控制裝置的電纜等。在一些應用中，當基于返回的鉆探流體101的體積流速確定井涌的發(fā)生后，處理裝置可輸送信號給控制裝置來驅動封井裝置23來控制返回的鉆探流體101的流動。比如，響應于超聲感應器21所探測到的返回的鉆探流體101的體積流速，封井裝置23可減少返回的鉆探流體101的流動，從而增加施加到封井裝置23下部的井孔的壓力來平衡來自井中的流體的壓力以減輕或避免超聲感應器21所監(jiān)測到的事件。當該事件被控制后，鉆探操作可恢復至正常。此處使用的“事件”可包括井涌及/或井噴。在一個示例中，該事件指井涌。
[0037]在本發(fā)明實施例中，其使用超聲感應裝置來探測返回的鉆探流體的實時體積流速，這樣就可以快速的探測返回的鉆探流體的流動變化以確定是否事件發(fā)生。與傳統(tǒng)的方法相比，本發(fā)明實施例中的探測系統(tǒng)可提供實時的返回的鉆探流體的狀態(tài)，這樣，就可及時的探測事件的發(fā)生以及時有效的進行控制。
[0038]此外，在傳統(tǒng)的方法中，鉆桿15可在鉆探流體100通過時發(fā)生震動或搖擺，這樣，就會導致返回的鉆探流體101不穩(wěn)定而影響到超聲感應裝置19的監(jiān)測。本發(fā)明實施例中的流體測量系統(tǒng)設置有復數個超聲感應器來測量實時的不同位置的或不同時間點的返回的鉆探流體的流體輪廓信息，這就減少或消除了鉆桿的震動所造成的影響，從而提高了探測的準確度。進一步的，本發(fā)明實施例中的流體控制系統(tǒng)具有較簡單的架構、較快的響應速度且可較容易的對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行改進。
[0039]雖然結合特定的實施例對本發(fā)明進行了說明，但本領域的技術人員可以理解，對本發(fā)明可以作出許多修改和變型。因此，要認識到權利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明真正構思和范圍內的所有這些修改和變型。
【權利要求】
1.一種用于鉆探井孔的流體測量系統(tǒng)，包括: 導管，其開設有可收容鉆桿及通過返回的鉆探流體的通道； 超聲感應裝置，其用于傳輸復數個探測信號來探測返回的鉆探流體的流動，且基于所探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置以產生復數個相應的響應信號；及 處理裝置，其用于對所述復數個響應信號進行處理以產生與所述探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置相關的復數個相應的流體輪廓信息，該處理裝置可進一步對所述復數個流體輪廓信息進行處理以獲得返回的鉆探流體的體積流速。
2.如權利要求1所述的流體測量系統(tǒng)，其中該流體測量系統(tǒng)可用來在鉆探海上油井的過程中以減輕或避免井涌的發(fā)生。
3.如權利要求1所述的流體測量系統(tǒng)，其中所述超聲感應裝置包括復數個超聲感應器。
4.如權利要求3所述的流體測量系統(tǒng)，其中所述復數個超聲感應器包括多普勒超聲感應器或渡越時間超聲感應器。
5.如權利要求3所述的流體測量系統(tǒng)，其中所述超聲感應器圍繞著所述導管設置。
6.如權利要求5所述的流體測量系統(tǒng)，其中所述超聲感應器與所述返回的鉆探流體相接觸。
7.如權利要求1所述的流體測量系統(tǒng)，其中所述處理裝置設置在所述導管上。
8.如權利要求1所述的流體測量系統(tǒng)，其中所述處理裝置設置有多普勒頻譜分析算法來處理所述響應信號以確定相應的流體輪廓。
9.如權利要求1所述的流體測量系統(tǒng)，其中所述處理裝置設置有非線性最小二乘方優(yōu)化算法來基于所述流體輪廓確定所述體積流速。
10.一種用于鉆探井孔的流體測量方法，包括: 利用超聲感應裝置傳輸復數個探測信號來探測導管中的返回的鉆探流體的流動，該導管開設有可收容鉆桿及通過所述返回的鉆探流體的通道； 利用超聲感應裝置基于所探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置以產生復數個相應的響應信號； 利用處理裝置對所述復數個響應信號進行處理以產生與所述所探測的導管中的返回的鉆探流體的不同位置相關的復數個相應的流體輪廓信息；及 利用處理裝置對所述復數個流體輪廓信息進行處理以獲得返回的鉆探流體的體積流速。
11.如權利要求10所述的流體測量方法，其中該流體測量系統(tǒng)可用來在鉆探海上油井的過程中以減輕或避免井涌的發(fā)生。
12.如權利要求10所述的流體測量方法，其中所述超聲感應裝置包括復數個超聲感應器。
13.如權利要求12所述的流體測量方法，其中所述復數個超聲感應器包括多普勒超聲感應器或渡越時間超聲感應器。
14.如權利要求12所述的流體測量方法，其中所述超聲感應器圍繞著所述導管設置。
15.如權利要求14所述的流體測量方法，其中所述超聲感應器與所述返回的鉆探流體相接觸。
16.如權利要求10所述的流體測量方法，其中所述處理裝置設置在所述導管上。
17.如權利要求10所述的流體測量方法，其中所述處理裝置設置有多普勒頻譜分析算法來處理所述響應信號以確定相應的流體輪廓。
18.如權利要求10所述的流體測量方法，其中所述處理裝置設置有非線性最小二乘方優(yōu)化算法來基于所述流 體輪廓確定所述體積流速。
【文檔編號】G01P5/24GK103926422SQ201310009343
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月10日 優(yōu)先權日:2013年1月10日
【發(fā)明者】劉莉, 劉逢甦, 梅艷, 克里斯多佛.E.沃爾夫, 羅伯特.A.喬吉 申請人:通用電氣公司