CN102741504A - 用于分析在高泥流下被钻地层的气体的系统 - Google Patents

Abstract

一种用于确定地下岩层含气量的气体分析系统。开始钻孔作业，从而进入或穿过例如煤或页岩层等地下岩层形成钻孔，以便确定其中的含气量。在封闭系统中，钻井流体、钻屑和任何已脱附的气体从井下位置被运至地面分析设备，以便已脱附的气体不被暴露至空气。在地面以及井筒环形空间处，钻杆被覆盖或封闭，从而有效地封闭钻井流体、钻屑和已脱附的气体。通过封闭系统，来自岩层的已脱附气体，钻井流体和钻屑从井源设备耦合至气体处理设备，以便能够确定气体的组分和体积。

Description

用于分析在高泥流下被钻地层的气体的系统

相关申请

本PCT申请补充了于2009年4月2日提交的PCT/AU200900403，并且还要求在2009年11月19日提交的澳大利亚临时申请2009905663的进一步益处。该申请提供本发明的附加实施例，其中所述发明在先前申请中已说明。

技术领域

本发明一般涉及烃类钻井作业，更具体地涉及在钻井作业过程中，用于分析脱附(desorb)于钻泥的气体的方法和设备。

背景技术

石油钻探中使用泥浆测井已有很长时间，该泥浆测井用于在钻井过程中确定含气地层的大致位置。特别地，泥浆测井包含检查从钻泥中提取的钻屑的过程，从而辨认气体、碳氢化合物和存在于于钻头特定位置的其他组分。为此，通常在地面设立气体检测器，从而从钻孔中抽取钻泥流出物的样品。该位置通常位于泥浆振动筛上方，但也可以安置在其他位置。采样设备检测与空气一起从钻泥被释放的气体，其中空气由采样设备吸入。本系统提供自钻孔被释放的气体的定性分析。如果泥浆测井系统监测钻井作业过程以及钻泥流速，那么该系统能够计算钻孔中释放气体的大致位置。本过程包含根据时间计算的上返速度及其与泥浆电阻仪输出的相互关系。

由于采样过程的特性，传统的泥浆测井系统缺少气体释放体积的定量评估，其中在采样过程中，从振动筛腹腔或一些其他区域内的泥浆上方获取空气。在储集层的情况中，例如煤或页岩，其中气体贮存在岩石本身内，能够基于容积比率预计气体释放体积与被钻的岩石体积直接相关，以及与煤的含气量直接相关。这还适用于所有无大孔隙空间例如晶洞的含气沉积层。在后一种情况中，预计气体释放将超出被钻的孔体积。

通常用于从煤层中获得气体组分的方法是将岩心钻钻入煤层，然后尽快地将岩心拉至地面。然后从岩心管中移除岩心，并将其放至滤毒罐内，然后在滤毒罐(canister)内监测岩心样品中的气体脱附。不变地，在从煤层深处到地面的运送期过程中，气体损失。该损失的气体必须从岩心一旦被放入滤毒罐的初始脱附速率开始向后推测至认为煤开始脱附的时间计算。当从岩心释放的气体减慢时，习惯于打开滤毒罐并抽取岩心样品，然后破碎样品从而加速脱附过程。测量从破碎的岩心中释放出的气体，并且该气体被用于分析岩心样品中的含气总量。通常该测量法被指定为煤每单位重量内气体体积。

该技术的局限性包含为获得岩心样本需要实施取心过程，以及在分析过程中，对流失至大气的初始气体的不正确评估。由此可见，存在需要这样的过程，其中能够在传统的地层钻井过程中获得气体组分的分析，其中携带钻屑(cuttings)的钻泥未被暴露至大气，而是被贮存直到完成气体分析。另一方面，存在需要动态的气体分析系统，这意味着气体不断地被地累积和分析。

发明内容

本发明的原理和概念特别适用于测量来自任何钻孔的可量化的总气体释放(量)，但是在吸附过程中详细参考测量来自例如煤或页岩等地层的气体释放(量)，其中气体贮存于地层中。本发明的原理和概念还适用于具有较小的空隙空间和较低的渗透性的孔隙性储集层，其中释放的气体仅来自钻探的岩石。

根据本发明重要特征，通过实施钻井作业可促进地下岩层中的气体的勘探，其中，该钻井作业捕集任何从岩层中脱附的，以及来自于钻井作业所产生的钻屑的气体。来自井下位置的钻井流体、钻屑和脱附的气体耦合至地面设备，该设备用于处理气体，从而确定其中所需的参数。通过封闭系统检索从井下位置被运载至地面处理设备的所需气体，其中该封闭系统防止脱附的气体被稀释或者被空气和其他环境气体污染。因此，由经处理的脱附气体产生的所需参数更为准确，且其提供更好地地层气态特性评价。

根据本发明的另一特征，除了在添加钻杆柱过程中的中断之外，钻井过程是连续的，由此借助地面设备对脱附气体的分析和处理是不间断的，并因此提供被钻探地层的含气量的动态记录。钻孔的长度、环形空间中钻井液向上运动的速率和其他因素被用于确定地层深度，从该地层深度释放被分析的气体。

根据本发明的一个实施例，在井筒套管顶部安置密封装置，从而封闭其中的钻杆柱。出入口(port)位于密封装置的下方，以便从钻孔底部返回的钻井流体或泥浆(其中具有钻屑)通过出入口被挤出。通常地，被钻的钻孔将通过开孔而不是取心技术钻井。通常地，密封装置具有回转型性质，从而允许通过钻杆柱的旋转打钻。被运出出入口的钻井流体含有钻液、钻屑和从地岩层和钻屑脱附中释放的气体。如果钻孔中的泥浆压力超过地岩层压力，那么将没有岩层流体进入钻孔。结果，唯一逸出的气体将来自于被钻的地层，并且或者来自于贮存在空隙空间内气体的直接释放，或者来自于吸至地层并通过脱附释放的气体。

根据被设计用于处理较高钻液流速的本发明的实施例，从旋转密封下方出入口通过的流体被导向初始分离器，其用于将气体与液体和固体分离。该初始分离器的优选实施例为大型旋风装置(cyclonic device)，其中通过将旋风装置基部浸至敞开式容器中，且有固定水平的溢流，比较稳定的保持液体水平。来自分离器的液体和固体流横穿泥浆振动筛(振动筛)或弧形筛，其中该弧形筛用于将较粗糙的钻屑粒级与精细的钻屑粒级和钻液分离开。然后，这些较粗糙的钻屑以传统的方式被采集和脱附。这包含将其放入滤毒罐并测量气体释放率。当该过程显著减慢时，钻屑被移除、称重、并且其中的小部分被研磨至小尺寸，以便允许能够更快地释放残余气体。然后，可测量钻屑内的粒级，以便允许确定被钻的材料的扩散特性，以及以便更加准确地计算损失的气体，该损失的气体是在样品被容纳于脱附容器(desorption vessel)之前从分离器以及通过泥浆振动筛的运送中产生的。分离器的出气口连接至气流测量系统，并且优选连接至气体分析系统。该信息被供应至数据记录系统，该系统也记录钻速、钻头位置和流入孔和从孔流出的流体流。

为了让被分析的气体样品与钻井深度精确相关，必须监测钻井过程，以便监测钻井深度和过程，以及钻泥流入和流出速率。因此，能够非常准确地确定含有钻屑和气泡的泥浆样品的位置。该信息由数据采集系统收集。

通过分析钻井记录，确定由装置钻取的地岩层的含气量的过程是这样的过程，其中测量释放的气体体积，且其与在钻孔中被切割的位置相关。这包含在钻井过程中，了解钻头的位置和钻速，以及具有泥流将碎片运至地面的记录。该信息用于推导碎片模型，其被切割然后在环形空间中以泵送液流的方式上升至地面。当未出现泵送时，考虑在环形空间中的碎片沉淀，和在钻液中出现的上升气泡。虽然该模型能够变得简单或变得复杂，但是来源于该模型的基本信息是将气体释放与被钻的具体地层相关。本过程能够被简化——例如，通过钻取一个钻杆长度的一部分，以及在停止泵送前将所有碎片冲至地面并分析。这保证了在钻井重新开始之前，获得来自钻区的所有信息。释放的气体体积能够与被钻的地层体积相关，其中通过钻头尺寸和切割直径信息打钻。通过在孔被钻后，获得其地球物理孔径钻探剖面(geophysical calliper log)，该碎片体积信息应在可能的情况下被完善。因此，获得的关于地层含气量的基本信息作为关于被钻的单位体积内的含气量信息。包括密度测井的孔的地球物理测井可被用于将该信息转变成较习惯的地层单位重量内的含气量单位，其中气体从地层中被释放。

附图说明

从如附图所示的本发明的优选及其他实施例的下列和更具体的描述中，进一步的特征和优点将变得显而易见。

图1示出钻井系统的一个实施例，其被用于分析从钻孔中释放的气体。

具体实施方式

图1示出适合用于分析从地下煤层获得的气体的类型井井下钻井作业。在很长一段时间内，煤层吸收或产生包含在煤料和其孔隙中的气体。应明白，本发明的原则和概念能够被用于许多其他钻井情形和应用中，包括含油和含气页岩、和其他地质构造。图1所示的气体回收和处理系统示出井源，其提供了用于回收钻井液、钻屑和任何来自井下岩层的已脱附气体的封闭系统。在封闭系统中，钻井液、钻屑和已脱附气体自井源耦合，其中在封闭系统中，气体与钻井液和钻屑分离。然后，已脱附的气体耦合至气体处理设备，从而确定预定义的参数，例如被钻岩层中的气体范围和/或气体组分。

根据图1示出的本发明的实施例，通过附着至钻杆柱(3)端部的钻头(2)钻取钻孔(1)。通过钻杆柱(3)下方的泥浆泵(未示出)的压力，压迫传统的钻泥。或者通过钻杆柱(3)，或者通过泥驱动井下马达(未示出)旋转钻头(2)。如果未使用井下马达，如果没有泵送，通常的做法是在钻头(2)后面放置减压/止回阀(未示出)，以便阻挡钻杆(3)中的流体流。通过井筒环形空间(5)，泥浆将钻屑从岩层运至地面。示出穿过煤层(4)被钻的钻孔(1)。钻井作业产生煤钻屑，其含有被吸附其中的气体。悬浮在钻泥中的钻屑上升至钻杆柱(3)和钻孔(1)之间的环形空间(5)，然后进入套管(6)。附着至套管(6)的是具有出入口(8)和(9)的分馏器(7)。在分馏器(7)上方是可选的防喷器(10)。密封装置(11)位于防喷器(10)上方。通常，密封装置(11)为其中具有钻杆柱(3)通过的旋转装置。在从钻孔(1)底部到地面设备的向上移动过程中，密封装置(11)防止从钻泥中脱附的气体泄出。如在此使用的，术语钻泥和钻井流体可互换。示出分馏器(7)上的出入口(8)连接至阀门(12)和管(13)，其通常为用于井控的压井管线。示出分馏器(7)的其他出入口(9)连接至阀门(14)，其通过导管(15)连接至阻流器(16)，如所示环形可调式减压阀。导管(17)连接至阻流器(16)的出口，并且将钻液排出至一种旋风形式的分离器(18)。在该分离器(18)内，钻液表示为阴影面积(22)，其随着仅贮存气体的中心部分(23)，围绕和在旋风分离器(18)壁内旋转。

这具有上出口(19)，从而吸取从流体(23)中分离出来的气体，而旋风分离器(18)的下部分浸至具有出口(21)的敞开式容器(20)中。出口(21)在旋风分离器(18)内维持比较恒定的流体水平。在旋风分离器(18)内比较恒定的流体水平和体积意味着从出口(19)发出的气流不会因流体体积的改变受到显著影响。从旋风分离器(18)发出的气流从出口(19)流出至导管(24)，再到气体流量计(25)。该气体流量计(25)优选正排量型，其能够增加穿过其向前流动的流量同时减去穿过其向后流动的任何气体值。这能够使在旋风分离器(18)和敞开式容器(20)内的液体体积变化的效应达到最小。经过气体流量计(25)后，气体进入导管(26)然后到排气装置(27)。借助气体分析仪(29)，导管(26)内的气体通过导管(28)被取样。含有钻屑(22)的液体在旋风分离器(18)内向下流入敞开式容器(20)，然后从其溢流口(21)流出进入固体移除系统，在此显示为泥浆振动筛(36)。示出较大的被分离的颗粒(37)离开泥浆振动筛(36)，然后经过筛子(38)，其中较小的粒级(39)穿过筛子(38)进入漏斗(40)，然后进入滤毒罐(41)。当填满材料时，每个滤毒罐被加盖，为此要测量含气量，并且通过监测随着时间气体释放的体积，含气量通常被脱附。做此事的简单系统显示为滤毒罐(42)，其连接至水槽(44)中的倒置(inverted)量筒(43)。能够采纳其他更为自动化的系统。当减慢脱附时，打开滤毒罐(42)，然后确定碎片的质量；其中一些该材料已被破碎，用于确定残余含气量。还应谨慎地确定碎片的颗粒粒径分布，以便可确定碎片材料的扩散系数，并且以便对从钻屑损失的气体能够做出来准确评估，同时钻屑从旋风分离器的基部运送至脱附于滤毒罐中。可从运用颗粒尺寸和运送时间信息的扩散理论中获得该计算。从泥浆振动筛(36)的底流(45)采集样品也是明智的，以便通过与较粗糙材料类似的过程，获得该较细材料的颗粒尺寸和含气量，并且以便可做出对该较细材料和较粗糙材料中贮存的气体的比较。确定产生气体的岩层的过程包括监测钻井深度、钻井泥浆流、无流速和机械钻速次数，以及之后计算其可能来源。做此事的工具包括在附图中显示为来自来源(35)的不同钻井监测仪。示出来自钻井源(35)、气体流量计(25)和气体分析仪(29)的信息通过传输系统(30)、(34)和(45)被传递至数据采集装置(31)。

由上述实施例应注意，优选处于井下位置的动压力比被钻的岩层中的压力要大。这样做的原因是岩层中的任何液体被维持在岩层内而不会流至钻孔(1)与钻泥混合。这能够将钻泥成分更改至达到阻碍准确分析气体的程度。这将通过下列方式被完成，即或者通过维持钻泥密度，或者通过调节钻泥压力，其中该钻泥在井下通过泥浆泵被压迫，以便钻孔(1)中的压力总是比岩层压力要大。附着至井源的传感器(未示出)能够监测不同压力，从而调节压力(通过压力操作泥浆泵)或调节阻流器以维持井筒压力。还应明白，当钻屑尺寸较小时，加快了其中的气体脱附。这减少了滞留时间，其中气体从钻屑中已脱附，因此允许更快地分析气体。本领域技术人员应明白如何实施钻井作业，从而获得较小钻屑，例如改变钻头(2)的旋转运动、使用具有让碎片更小的齿状物的钻头，和其他技术。

尽管通过钻屑脱附的气体的分析被认为是连续的，但应明白当钻柱被添加至钻杆柱(3)时，存在某些不连续。为了使由大气空气引起的任何钻泥变化达到最小，或者优选类似于止回阀的减压阀(未示出)被安置在钻柱的底部，钻头(2)的上方。借助于该阀门，当泥浆泵被中断以便将另一个钻柱安置到钻杆柱(3)时，钻杆柱(3)内减小的压力允许阀门关闭，并且将井下参数维持于现状。另外，钻孔(1)底部的钻泥在钻杆柱(3)内不会趋向于上升。当钻柱被添加至钻杆柱(3)并且泥浆泵开始作业时，钻杆柱(3)内的钻泥压力将打开阀门，以便能够继续正常钻井。必须小心谨慎，以保证当钻柱被添加至钻杆柱(3)时，构成回转连接件(swivel connection)的同时，空气不会进入钻杆柱(3)。

以上说明了关于在煤层中钻井的不同实施例。然而，这不是对本发明的限制，因为本发明的原理和概念能够被应用于其他类型的岩层，例如油页岩岩层、气页岩岩层和猜想出现气体的其他岩层，并具有同等效力。另外，在不同实施例中描述了不同的井源配置，但是应明白能够使用具有同等效力的许多不同配置中，其中只要井源系统提供封闭系统，以防止空气污染来自钻孔岩层的已脱附的气体。不同实施例说明了泥浆池的使用，然而，能够使用具有同等效力的贮槽或其他容器类型储存池。

尽管已经参考具体的钻井装置、分离器和气体处理设备公开了本发明的优选及其他实施例，但是应当理解，不偏离由权利要求所限定的本发明的精神和范围，可以按照设计选择的主题作出细节上的变化。

Claims (25)

1.一种分析地下岩层释放的气体的方法，其包括：以形成所述地层钻屑的方式在所述地下岩层钻井；

在所述钻井过程中使用钻井液，从而将所述地层的所述钻屑运至地面；

允许气体从所述钻井液和从所述钻屑及从两者之间的所述孔隙空间中脱附；

从由所述钻井流体运载的液体和钻屑中分离所述脱附的气体；

将所述已脱附的气体单独耦合至设备，以确定所述气体的预定义参数，包括所述气体的体积；以及

使用封闭系统，将所述钻井液及所述地下岩层的所述钻屑和已脱附气体运至所述设备，以便所述气体不被暴露至所述空气。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括封闭钻杆柱周围的井源，并在所述井源中提供出入口，其用于将所述钻井流体、钻屑和已脱附的气体耦合至所述设备，以确定所述预定义参数。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括在封闭系统中将所述井源的所述钻井流体、钻屑和已脱附的气体耦合至所述设备。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括通过所述设备处理所述气体，从而确定由所述地层产生的所述气体的体积。

5.根据权利要求1所述的方法，还包括处理从所述钻井液分离的所述碎片，从而确定所述碎片内的含气量。

6.一种用于分析钻井过程中从钻孔释放的气体的方法，其包括：

在钻柱和井源之间使用密封设备，以便提供密闭的井源，从而防止空气进入其中；

将来自所述钻孔环形空间的钻井流体压迫穿过所述井源内的出入口到达分离器；

在所述分离器内将所述气体与液体和固体分离；

在钻井作业过程中，在不受液体流速变化影响下，将来自所述分离器的所述气体连续地耦合至流量测量设备；以及

为含气量分析所述固体，这与所述已分离的气体一起，提供所述钻孔的所述含气量的准确确定。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括使用在所述钻井过程中记录的信息，其中所述信息包含测量钻头深度和钻液流量，以便达到这样的深度，其指示了在井下位置发生气体释放的位置。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述气体释放信息用于与含气地层的所述体积的测量相结合，从而获得所述含气地层的单位体积内的含气量。

9.根据权利要求6和/或7，以及8所述的方法，其中被用于测量所述含气地层的所述体积的所述方法为所述钻孔的地球物理测井，其包括钻孔直径的测井记录。

10.根据权利要求6和/或7，以及8所述的方法，其中所述气体释放信息被用于与所述含气地层的所述体积和密度测量相结合，从而获得所述含气地层的单位质量内的含气量。

11.根据权利要求6和/或7、8、9以及10所述的方法，其中被用于测量所述含气地层的所述体积和密度的所述方法包括所述钻孔的地球物理测井。

12.根据权利要求6所述的方法，其中来自所述分离器的所述气流的所述出口被采样，从而没有空气污染地测量来自所述钻孔的绝对气体类型释放。

13.根据权利要求6所述的方法，还包括测量煤层的所述含气量。

14.一种用于分析从地下岩层释放出的气体的设备，其包括：井源设备，其连接至套管和位于所述套管内的钻杆柱，在所述套管和所述钻杆柱之间限定环形空间的空间；

所述井源设备中的出入口，其用于来自所述环形空间的钻井流体、钻屑和已脱附的气体的流动；

用于从所述已脱附气体分离出液体和固体的分离器，以便所述气体存在于所述分离器中而没有所述液体和固体；

导管，其将来自所述出入口的所述钻井流体、钻屑和已脱附的气体耦合至所述分离器；所述环形空间、在所述井源设备内的出入口、所述导管和所述分离器定义了封闭系统，其用于防止空气与所述已脱附的气体混合；以及

气体处理设备，其用于连续地接收来自所述分离器的所述已脱附的气体，并处理所述已脱附的气体，从而确定所述已脱附的气体的预定义参数，以及确定所述气体的体积。

15.一种用于在钻井作业过程中测量和分析钻孔中释放的气体的设备，其包括：

井源和钻柱；

导管；

用于从液体和钻屑分离气体的分离器；

气体流量计系统；

在所述钻柱和所述井源之间的密封装置，以便通过所述导管，将所述钻孔环形空间的钻井液运至所述分离器；

所述分离器包括旋风分离器，其含有敞开式基部，所述基部浸至容纳所述分离的钻井液和钻屑的顶部敞开式容器，从而允许控制来自所述容器中的钻井液和钻屑的释放的同时，允许从所述液体和钻屑中脱附的所述气体逸出所述分离器，并通过所述气体流量计系统测量流速；以及

在封闭的容器中捕集来自所述分离器的所述钻屑碎片，以便能够为含气量分析所述钻屑。

16.根据权利要求15所述的设备，其中通过将所述钻屑收集至容器内并在测量其中含有的所述气体，测量所述钻屑中的所述残留气体，以便建立关于所述被钻地层的所述气体含量的完整信息。

17.根据权利要求15所述的设备，还包括用于测量钻头深度和用于测量钻井液流的装置，以便得到这样的深度指示，在该深度处在所述钻孔内已经出现气体释放。

18.根据权利要求15所述的设备，还包括这样的装置，其用于将气体释放信息与所述含气地层的所述体积的测量相结合，从而获得所述地层的单位体积内的含气量。

19.根据权利要求15所述的设备，其中用于测量所述含气地层的所述体积的方法为所述钻孔的地球物理测井，其包含钻孔直径的测井记录。

20.根据权利要求15所述的设备，还包括这样的方法，使用所述气体释放信息连同所述含气地层的所述体积和密度的测量，从而获得所述含气地层的单位质量内的含气量。

21.根据权利要求15所述的设备，其中用于测量所述含气地层的体积和密度的方法为所述钻孔的地球物理测井。

22.根据权利要求15所述的设备，还包括用于测量来自所述分离器的气流的出口的装置，从而测量来自所述钻孔的绝对气体类型释放，而没有空气污染。

23.根据权利要求15所述的设备，还包括测量和分析煤层的释放的气体。

24.根据权利要求15所述的设备，还包括测量和分析来自页岩的气体释放。

25.根据权利要求15所述的设备，还包括测量和分析来自所有含气地层的气体释放。

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