CN103926422A - 流体测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于钻探井孔的流体测量系统和方法。该测量系统包括导管、超声感应装置和处理装置。所述导管开设有可收容钻杆及通过返回的钻探流体的通道。所述超声感应装置用于传输复数个探测信号来探测返回的钻探流体的流动，且基于所探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置以产生复数个相应的响应信号。所述处理装置用于对所述复数个响应信号进行处理以产生与所述探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置相关的复数个相应的流体轮廓信息，该处理装置可进一步对所述复数个流体轮廓信息进行处理以获得返回的钻探流体的体积流速。

Description

流体测量系统和方法

技术领域

本发明涉及一种可用于测量流体体积流速（或称体积流量）（Volumetric Flow Rates）的流体测量系统和方法，尤其涉及一种可在油井，比如海上油井钻探过程中来测量返回的钻探流体（或返回的钻探泥浆，Returning Drilling Fluids）的体积流速以减轻或避免井涌（Kick）发生的流体测量系统和方法。 

背景技术

从地下地层（Subsurface Formation）来寻找并开探碳氢化合物（Hydrocarbon），如石油已经进行了数十年。由于以地面为基地的油井有限的生产能力，从海底油井开探碳氢化合物就引起了关注。通常，在钻探海上油井（Offshore Well）时，可转动的钻头（Drill Bit）设置在钻柱（Drill String）上从海床下钻出井孔。表面平台，如海面平台或钻探船通过钻柱对钻头进行控制。同时，立管（Riser）设置来连接海面平台和海床上形成的井口（Wellhead）。钻柱穿过立管来导引钻头到井口处。 

在钻井过程中，钻柱从海面平台获得必要的能量驱动钻头转动。其间，来自设置在海面平台的流体罐的钻探流体（或者钻探泥浆）通过钻柱到达钻头，然后通过设置在钻柱和立管壳体间的环形空间返回流体罐。钻探流体维持了一定的静水压力（Hydrostatic Pressure）来平衡来自井孔的流体的压力并对钻头进行冷却。另外，钻探流体与井孔形成过程中产生的物料相混合以携带其到海面进行处理。 

在一些情况下，从海床中进入井孔中的流体的压力大于钻探流体的压力，其可导致往井孔中进入不期望的流体，这在行业中可称为井涌。通常可通过返回的钻探流体流量大于来自钻柱中的钻探流体的流量的情况来确定井涌的发生。在一定的情况下，井涌的发生具有潜在的风险，其可造成设备损坏及对操作人员和环境造成不利影响。 

操作人员密切关注这种不期望发生的流体所造成的潜在风险的可能并在 海面持续的监控钻探流体的流入及流出。比如，在钻探流体循环的过程中不断监控流体罐中钻探流体的水平或在泥浆振动筛（Shale Shakers）的流体线上安装叶片式测量计（Paddle Meters）来确定是否钻探过程中流体流量发生变化。然而，这种方法并不准确且需要相对较长的时间才能发现并对井孔中流体的变化做出反应。 

所以，需要提供一种新的流体测量系统和方法，其可在井孔钻探的过程中对返回的钻探流体的体积流速进行测量来确定流体是否有变化，从而来确保钻探的安全运行。 

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种用于钻探井孔的流体测量系统。该测量系统包括导管、超声感应装置和处理装置。所述导管开设有可收容钻杆及通过返回的钻探流体的通道。所述超声感应装置用于传输复数个探测信号来探测返回的钻探流体的流动，且基于所探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置以产生复数个相应的响应信号。所述处理装置用于对所述复数个响应信号进行处理以产生与所述探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置相关的复数个相应的流体轮廓信息，该处理装置可进一步对所述复数个流体轮廓信息进行处理以获得返回的钻探流体的体积流速。 

本发明另一个实施例提供了一种用于钻探井孔的流体测量方法。该流体测量方法包括利用超声感应装置传输复数个探测信号来探测导管中的返回的钻探流体的流动，该导管开设有可收容钻杆及通过所述返回的钻探流体的通道；利用超声感应装置基于所探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置以产生复数个相应的响应信号；利用处理装置对所述复数个响应信号进行处理以产生与所述所探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置相关的复数个相应的流体轮廓信息；及利用处理装置对所述复数个流体轮廓信息进行处理以获得返回的钻探流体的体积流速。 

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中： 

图1为本发明钻探系统的一个实施例的示意图； 

图2为沿图1所示钻探系统中的A-A线所得的钻探组合的一个实施例的剖面示意图； 

图3为本发明钻探系统的测量系统的一个实施例的示意图；及 

图4为本发明测量系统的超声感应装置的一个实施例的示意图。 

具体实施方式

以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。 

除非另作定义，权利要求书和说明书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举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。“设置”、“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。 

图1所示为本发明钻探系统10的一个实施例的示意图。在本发明实施例中，钻探系统10可用来钻探井孔来开探碳氢化合物，如化石燃料（Fossil Fuels）。在非限定示例中，井孔包括陆上井孔（Onshore Well）和海上井孔（Offshore Well）。在一个示例中，钻探系统10用来开探海上井孔。 

如图1所示，钻探系统10通常包括位于水面上的平台11及连接平台11和位于海床14上的井口13的钻探组合12。钻探组合12（如图2所示）包括钻柱15、钻头（未图示）及立管16来开凿出井孔。 

钻柱15包括钻杆（Drill Pipe），其由多个具有一定长度的管道首尾相连形成。钻头安装在钻柱15的一端并且可旋转的在海床14下进行开凿。钻柱15可用来输送钻头从而来延伸在海床14下的开凿。同时，来自平台11的钻探流体100（也常被称为钻探泥浆，如图3所示）通过钻柱15输送到井孔中。 

立管16包括导管，其具有筒形横截面（Tubular Cross Section）。钻柱15可设置在立管16中且沿着立管16的长度方向在立管16中延伸。立管16在其内开设有通道来收容钻柱15。这样，就在钻柱15和立管16的内表面间形成了环形空间17，从而立管16可导引钻柱15到井口13处，而且来自井孔中的返回的钻探流体101（如图3所示）可通过环形空间17返回平台11。 

这样，在钻探过程中，钻柱15转动钻头。来自平台11的钻探流体100的循环通过钻柱15到达钻头，然后通过形成于钻柱15和立管16内表面间的环形空间17以返回的钻探流体101的形成返回平台11。钻探流体100维持了一定的静水压力（Hydrostatic Pressure）来平衡来自井孔的流体的压力并对钻头进行冷却，同时，钻探流体把在开凿井孔过程中产生的物料，如破碎的岩石等带到水面。在一定示例中，来自平台11的钻探流体100可包括水或油和多种添加物。返回的钻探流体101可至少包括钻探流体100和开凿井孔过程中产生的物料的混合物。在平台11上，返回的钻探流体101可被进行处理，比如进行过滤移除其中的固体物质后可重新进行循环。 

如上所述，在一定的应用中，从海床中进入井孔中的流体的压力可大于钻探流体100的压力，这可导致海床中的流体随同钻探流体一同进入环形空间17中从而产生较大的返回流体。这种返回流体可称为井涌（Kick），如果控制不当就会导致井喷（Blowout）。 

因此，就需要对返回的钻探流体101进行实时的监控测量来确定井是否发生从而减轻或避免井涌（Kick）的发生造成的危害。图3所示为本发明流体测量系统18的一个实施例的示意图。在一些示例中，流体测量系统18可用来通过测量返回的钻探流体101的体积流速来探测井涌的发生以减轻或避免井涌（Kick）的发生造成的危害。在其他示例中，流体测量系统18可进一步通过比对预先确定的钻探流体100的体积流速和测量的返回的钻探流体 101的体积流速来确定井涌的发生。 

如图3所示，流体测量系统18包括立管16、超声感应装置19及处理装置20。超声感应装置19用来当返回的钻探流体101通过环形空间17的过程中对处于不同位置或不同时间点的返回的钻探流体101的流体轮廓（Flow Profiles）信息进行测量。在非限定示例中，流体轮廓信息可包括流体流速信息。在本实施例中，超声感应装置19设置在立管16上，其包括具有复数个超声感应器21。该复数个超声感应器21彼此间隔且成一定的角度（Azimuthally）围绕着立管16设置。尽管在本实施例中设置有一个以上的超声感应器，在一定的应用中，也可仅设置一个超声感应器。 

图4所示为设置在立管16上的复数个超声感应器21的一个实施例的排列示意图。如图4所示，超声感应器21围绕着立管16且彼此间隔设置。在本实施例中，超声感应器21设置在立管16的外表面上，在一定的示例中，超声感应器21也可设置在立管16中或延伸进立管16中，从而作为湿感应器（Wetted Sensor）来接触返回的钻探流体101以进行监测。 

在测量中，在返回的钻探流体101通过环形空间17的过程中，每一个超声感应器21产生并传输探测信号到返回的钻探流体101中，且由于钻探流体101中的颗粒物的反向散射来产生响应信号。随后，响应信号被相应的超声感应器21所接收以便于到处理装置20中进行处理，从而就获得与探测信号所探测的返回的钻探流体101的相应的位置相关的流体轮廓信息。 

在非限定示例中，超声感应器21可包括多普勒超声感应器（Doppler Ultrasonic Sensors）或渡越时间超声感应器（Transit Time Ultrasonic Sensors），其具有较高的感应准确度。当然，也可使用其他合适的感应装置。在一些应用中，每个多普勒超声感应器可传输探测信号并接收响应信号。在一个示例中，多普勒超声感应器朝向钻柱15传输探测信号并接收相应的响应信号。在渡越时间超声感应器工作时，其中一个感应器可用来传输探测信号，相临的另一个感应器可用来接收响应信号，这样其间的信号传输就不会被钻柱15所阻挡。 

在图3所示的实施例中，处理装置20可与超声感应装置19通讯以接收并对来自超声感应器21的响应信号进行处理，从而获得与探测的返回的钻探流体位置相关的流体轮廓信息。在非限定示例中，处理装置20可设置在立管16的外表面上。频谱分析算法（Spectrum Analysis Algorithm），如多普勒频谱 分析算法可用来对响应信号进行处理以确定相应的流体轮廓信息。进一步的，返回的钻探流体10的流体轮廓信息可在处理装置20中进行处理，以获得返回的钻探流体10的体积流速。在非限定示例中，感应装置19的所有超声感应器21均完成一次探测可获得的所需的流体轮廓信息。 

在一些应用中，处理装置20包括有流体动力学模型（Flow Dynamic Model），其包括但不限于实时的计算的流体动力学模型（Computational Fluid Dynamics Model）。该流体动力学模型利用非线性优化算法，比如非线性最小二乘方优化算法，并基于所探测的与返回的钻探流体101的相应的位置相关的流体轮廓信息从而得到返回的钻探流体的体积流速。 

在一些实施例中，处理装置20不限于任何特定的可用来执行本发明处理任务的处理装置。在本发明实施例中，处理装置可表示任何能够进行运算或计算，对执行本发明的任务而言是必要的装置。如本领域技术人员所理解的，处理装置还可表示任何能够接收输入并按照规定的规则处理该输入，从而产生输出的装置。 

这样，基于所获得的返回的钻探流体101的体积流速就可便于用来确定井涌的发生以便于采取相应的调整措施以减轻或避免井涌的发生。在一定的应用中，如上所述，可把确定的返回的钻探流体101的体积流速与预先确定的钻探流体100的体积流速相比较来确定井涌的发生。在一些示例中，也可在平台11处设置有监控装置22以与处理装置向通讯以显示处理结果，便于使用者观察。 

这样，在操作中，随着钻杆15转动转头进行开凿，来自平台11的钻探流体100通过钻杆15到达钻头，然后以返回的钻探流体101的形式通过环形空间17朝平台11返回。其间，超声感应装置19对立管16中的返回的钻探流体101的流体轮廓信息进行监测。处理装置20对所获得的流体轮廓信息进行处理以确定返回的钻探流体101的体积流速。 

在非限定示例中，当返回的钻探流体101的体积流速大于预设值，比如预先确定的钻探流体100的体积流速时，其可表明来自海床的流体的压力大于钻探流体100的压力，井涌可能发生。在这种情况下，就需要对返回的钻探流体101进行控制，以减轻或避免井涌的发生。 

如图1所示，钻探系统10设置有靠近海床14的封井装置（Blowout Preventer）23来控制返回的钻探流体101的流动以避免井涌（或井喷）的发 生。超声感应装置19和处理装置20可设置在立管16上且靠近封井装置23，从而位于水面下。来自封井装置23的电缆102可对超声感应装置19提供能量。在特定的示例中，超声感应装置19也可设置于封井装置23下或位于其中。 

通常，封井装置23可包括较低位置的封井装置24及与立管16一端相连的下级海底取油管（Lower Marine Riser Package，LMRP）25。闸板（Ram）和环形密封件（未图示）设置在下级海底取油管25后。在开探过程中，较低位置的封井装置24及下级海底取油管25相连。 

复数个闸板和环形器（或防喷件）26设置在较低位置的封井装置24中。在正常操作时，闸板和环形器26处于打开状态，但当井涌或井喷发生时，闸板和环形器26可在控制的状态下来控制通过立管16的返回的钻探流体101的流动。此处使用的“控制的状态”可指闸板和环形器26可关闭或减少在立管16中的返回的钻探流体的流动。比如，当井涌发生时，闸板和环形器26可减少返回的钻探流体101在立管中的流动以减轻或避免井涌的继续发生。此处使用的“减少”可指减少返回的钻探流体的流动，但并不关闭返回流体朝向平台11的流动。当然，在一定的情况下，当井涌发生时，闸板和环形器26也可关闭返回的钻探流体在立管16中的流动。 

图1所示的实施例仅是示意性的。为了便于说明，一些元件没有图示，比如可至少控制闸板和环形器26处于打开状态或处于控制的状态的控制装置及从平台传输信号给控制装置的电缆等。在一些应用中，当基于返回的钻探流体101的体积流速确定井涌的发生后，处理装置可输送信号给控制装置来驱动封井装置23来控制返回的钻探流体101的流动。比如，响应于超声感应器21所探测到的返回的钻探流体101的体积流速，封井装置23可减少返回的钻探流体101的流动，从而增加施加到封井装置23下部的井孔的压力来平衡来自井中的流体的压力以减轻或避免超声感应器21所监测到的事件。当该事件被控制后，钻探操作可恢复至正常。此处使用的“事件”可包括井涌及/或井喷。在一个示例中，该事件指井涌。 

在本发明实施例中，其使用超声感应装置来探测返回的钻探流体的实时体积流速，这样就可以快速的探测返回的钻探流体的流动变化以确定是否事件发生。与传统的方法相比，本发明实施例中的探测系统可提供实时的返回的钻探流体的状态，这样，就可及时的探测事件的发生以及时有效的进行控 制。 

此外，在传统的方法中，钻杆15可在钻探流体100通过时发生震动或摇摆，这样，就会导致返回的钻探流体101不稳定而影响到超声感应装置19的监测。本发明实施例中的流体测量系统设置有复数个超声感应器来测量实时的不同位置的或不同时间点的返回的钻探流体的流体轮廓信息，这就减少或消除了钻杆的震动所造成的影响，从而提高了探测的准确度。进一步的，本发明实施例中的流体控制系统具有较简单的架构、较快的响应速度且可较容易的对传统的控制系统进行改进。 

虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。 

Claims (18)

1.一种用于钻探井孔的流体测量系统，包括：

导管，其开设有可收容钻杆及通过返回的钻探流体的通道；

超声感应装置，其用于传输复数个探测信号来探测返回的钻探流体的流动，且基于所探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置以产生复数个相应的响应信号；及

处理装置，其用于对所述复数个响应信号进行处理以产生与所述探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置相关的复数个相应的流体轮廓信息，该处理装置可进一步对所述复数个流体轮廓信息进行处理以获得返回的钻探流体的体积流速。

2.如权利要求1所述的流体测量系统，其中该流体测量系统可用来在钻探海上油井的过程中以减轻或避免井涌的发生。

3.如权利要求1所述的流体测量系统，其中所述超声感应装置包括复数个超声感应器。

4.如权利要求3所述的流体测量系统，其中所述复数个超声感应器包括多普勒超声感应器或渡越时间超声感应器。

5.如权利要求3所述的流体测量系统，其中所述超声感应器围绕着所述导管设置。

6.如权利要求5所述的流体测量系统，其中所述超声感应器与所述返回的钻探流体相接触。

7.如权利要求1所述的流体测量系统，其中所述处理装置设置在所述导管上。

8.如权利要求1所述的流体测量系统，其中所述处理装置设置有多普勒频谱分析算法来处理所述响应信号以确定相应的流体轮廓。

9.如权利要求1所述的流体测量系统，其中所述处理装置设置有非线性最小二乘方优化算法来基于所述流体轮廓确定所述体积流速。

10.一种用于钻探井孔的流体测量方法，包括：

利用超声感应装置传输复数个探测信号来探测导管中的返回的钻探流体的流动，该导管开设有可收容钻杆及通过所述返回的钻探流体的通道；

利用超声感应装置基于所探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置以产生复数个相应的响应信号；

利用处理装置对所述复数个响应信号进行处理以产生与所述所探测的导管中的返回的钻探流体的不同位置相关的复数个相应的流体轮廓信息；及

利用处理装置对所述复数个流体轮廓信息进行处理以获得返回的钻探流体的体积流速。

11.如权利要求10所述的流体测量方法，其中该流体测量系统可用来在钻探海上油井的过程中以减轻或避免井涌的发生。

12.如权利要求10所述的流体测量方法，其中所述超声感应装置包括复数个超声感应器。

13.如权利要求12所述的流体测量方法，其中所述复数个超声感应器包括多普勒超声感应器或渡越时间超声感应器。

14.如权利要求12所述的流体测量方法，其中所述超声感应器围绕着所述导管设置。

15.如权利要求14所述的流体测量方法，其中所述超声感应器与所述返回的钻探流体相接触。

16.如权利要求10所述的流体测量方法，其中所述处理装置设置在所述导管上。

17.如权利要求10所述的流体测量方法，其中所述处理装置设置有多普勒频谱分析算法来处理所述响应信号以确定相应的流体轮廓。

18.如权利要求10所述的流体测量方法，其中所述处理装置设置有非线性最小二乘方优化算法来基于所述流体轮廓确定所述体积流速。