CN114109371B - 一种井下随钻钻井液烃类检测仪器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种井下随钻钻井液烃类检测仪器，属于油气勘探领域，其包括钻铤本体；设置在所述钻铤本体上的检测模块，所述检测模块在井下吸取钻井液并检测钻井液内的烃类含量；以及设置在所述钻铤本体上的控制和数据传输模块，所述控制和数据传输模块控制所述检测模块检测烃类含量，并将检测的数据通过MWD模块传输至地面。本发明可以随钻柱下入井中，实现井下随钻检测，最大限度保证井下钻井液烃类的原状性，直接检测储层中的油气等烃类流体。
Description
技术领域
本发明涉及一种井下随钻钻井液烃类检测仪器，属于油气勘探领域。
背景技术
石油勘探的主要目的是寻找井下油气储层或其它资源，采用的主要手段是通过钻井连接地面与井下油气通道。在钻井过程中，所面临的风险是较大的，成本也很高。因此，在有效发现地下油气储层的基础上，提高钻井时效，降低钻井风险，保障钻井安全是重要的油气勘探开发任务。
现有的发现油气和保障钻井，提高时效的现状和问题主要为：
第一，钻井破碎岩层后，岩层内的油气通过钻井液携带，在地面检测钻井液携带的地层油气来判断井下油气资源。目前现状有很多相关包括气体检测、油气发现的相关专利和文献，其记载的主要是通过地面对钻井液携带的油气成分进行分离或直接检测，采用色谱、质谱等方法检测分离油气组分。从而推断井下储层的油气性质或产能。
这种地面检测的方法主要不能克服的局限在于，钻井液通在上返过程中，其携带的储层油气经过钻井液在井筒内的不规则运动，出现了较大的散失和混合，特别是可成为气态的组分，其失真程度更大。因此地面检测难以描述储层油气的真实特性。另外，从井底上返到地面需要较长的迟到时间，储层油气检测具有较严重的滞后性，不能在提高时效性及安全预防方面发挥及时性的作用。
第二，井下随钻测量具有实时检测的作用，即在钻头钻开储层不久后就能对储层的性质进行检测，大大提高了钻井过程检测的及时性，提升了钻井时效。目前随钻测量主要手段很多，包括随钻伽马测量、电阻率测量、声波测量、核磁共振测量等等。这些测量都是直接对地层的电性、磁性、声学性质及放射性进行检测，以便在随钻过程中对地层进行对比，确定地层的界面或岩性，确定地层的孔、洞、缝隙，并通过检测推断地层流体性质。另外，也存在对钻柱进行检测的随钻测量，主要测量钻柱的扭曲、弯曲、扭转、振动、压力等参数，以保证钻柱的安全。
目前的随钻测量手段的本质目的是对地层特性或钻柱进行检测，在随钻过程中对地层进行对比，指导钻井，调整钻井轨迹。或者对钻柱进行检测，保障钻柱安全。但是，目前常用随钻测量手段缺少对井下油气储层中烃类流体的直接检测，没有发展相应的检测仪器和方法，因此不能在随钻过程中直接判断和了解油气储层。
发明内容
针对现有技术中所存在的上述技术问题，本发明提出了一种井下随钻钻井液烃类检测仪器，可以随钻柱下入井中，实现井下随钻检测，最大限度保证井下钻井液烃类的原状性，保证检测的真实性。
本发明提出了一种井下随钻钻井液烃类检测仪器，包括：
钻铤本体；
设置在所述钻铤本体上的检测模块，所述检测模块在井下吸取钻井液并检测钻井液内的烃类含量；以及
设置在所述钻铤本体上的控制和数据传输模块，所述控制和数据传输模块控制所述检测模块检测烃类含量，并将检测的数据采集并传输给MWD模块，由MWD模块将数据传输至地面。
本发明的进一步改进在于，所述检测模块包括钻井液样品管，所述钻井液样品管的上下两端的侧面设置有供钻井液进出的钻井液进出口；所述钻井液样品管连接有钻井液循环装置，钻井液进出口用以平衡钻井液循环装置在井下工作过程中受到的压力。
本发明的进一步改进在于，所述钻井液样品管上设置多波段激光探测装置，所述多波段激光探测装置通过多个具有相同发射光强的不同波长的激光作用在钻井液样品管内的钻井液，对比烃类吸收波长的检测光强和烃类非吸收波长的检测光强，可以得到钻井液内的烃类含量。
本发明的进一步改进在于，多波段激光探测装置包括设置在所述钻井液样品管的外壁上的多个不同波长激光发射器，所述多个不同波长的激光发射器相对的一侧的外壁上设置有对应波长激光光谱接收器。
本发明的进一步改进在于，所述钻井液样品管的侧壁上对应所述多个不同波长激光发射器和所述对应波长激光接收器的位置设置有第一透明窗。
本发明的进一步改进在于，所述钻井液样品管上设置荧光光谱探测装置，所述荧光光谱探测装置通过激光激发钻井液样品管内的钻井液中烃类物质的荧光，并通过检测到的荧光强度计算出钻井液内的烃类含量。
本发明的进一步改进在于，所述荧光光谱探测装置包括设置在所述钻井液样品管的外壁上的荧光激光发射器，所述荧光激光发射器的同侧设置有荧光光谱接收器；
其中，所述荧光激光发射器与所述荧光光谱接收器之间具有一定的角度。
本发明的进一步改进在于，所述荧光光谱接收器的前端设置有滤光片。滤光片让激发的烃类荧光波长通过，而滤除荧光激光发射器所发射的激光波长，以滤除光的干扰。
本发明的进一步改进在于，所述钻井液样品管的侧壁上对应所述荧光激光发射器和所述荧光光谱接收器的位置设置有第二透明窗。
本发明的进一步改进在于，所述钻井液样品管的侧壁上设置有电阻率检测传感器，所述电阻率检测传感器检测所述钻井液样品管内钻井液的电阻率。
本发明的进一步改进在于，钻井液循环装置包括设置在所述钻井液样品管内的采样活塞以及带动所述采样活塞在所述钻井液样品管内往复滑动的电源及动力模块，
其中，所述采样活塞包括滑动密封连接在所述钻井液样品管内的活塞块，以及连接所述活塞块的活塞杆；所述活塞杆连接有电源及动力模块。
本发明的进一步改进在于，所述电源及动力模块包括电源和伺服电机，所述伺服电机通过减速器连接所述活塞杆；所述伺服电机正转和反转带动所述活塞块前后移动，使井筒环空钻井液通过钻井液进出口进入钻井液样品管中。
本发明的进一步改进在于，所述钻井液进出口上设置有钻井液精细采样过滤器；钻井液精细采样过滤器过滤处理环空钻井液，使环空钻井液达到吸收激光检测和荧光检测要求。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的一种井下随钻钻井液烃类检测仪器，采用自动对钻井液进行处理、采样和检测，采用激光检测方式，能及时有效检测钻井液携带的正钻储层烃类信息；在检测过程中，可以通过检测的信息实时判断井下钻井液的油气侵情况，有效及时发现钻井液异常，保障钻井安全，防止溢流、井喷等钻井异常的发生。
本发明的仪器可以随钻柱下入井中，实现井下随钻检测，最大限度保证井下钻井液烃类的原状性，保证检测的真实性。本发明随钻检测烃类信息，可以实时发现油气储层，直接识别所钻地层是否为油气储层，，判断当前储层是否为有效油气储层，引导井身轨迹在油气层中钻进，提高油气钻遇率，提高实时地质导向成功率。
附图说明
下面将结合附图来对本发明的优选实施例进行详细地描述，在图中：
图1所示为本发明的一个实施例的井下随钻钻井液烃类检测仪器的结构示意图；
图2所示为本发明的一个实施例的钻铤本体的结构示意图。
附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。
在附图中各附图标记的含义如下：1、钻铤本体，2、检测模块，3、控制和数据传输模块，11、钻柱，12、钻头，13、井筒，20、钻井液精细采样过滤器，21、钻井液样品管，22、不同波长激光发射器，23、对应波长激光光谱接收器，24、第一透明窗，25、荧光激光发射器，26、荧光光谱接收器，27、滤光片，28、第二透明窗，29、电阻率检测传感器，30、采样活塞，31、电源及动力模块。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。
图1示意性地显示了根据本发明的一个实施例的一种井下随钻钻井液烃类检测仪器，包括钻铤本体1。所在钻铤本体1连接在离钻头12距离不远的钻柱11的钻铤串中，下入到井筒13内，其内部用于承载其他的部件。钻铤本体1上设置有检查模块，所述检测模块2在井下吸取钻井液并检测钻井液内的烃类含量。钻铤本体1上还设置有控制和数据传输模块3，所述控制和数据传输模块3控制所述检测模块2检测烃类含量，并将检测的数据采集并传输给MWD模块，由MWD模块将数据传输至地面。。
在使用根据本实施例所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器时，通过钻铤本体1连接在钻铤串中下入到井下随钻检测，检测模块2在井下吸取钻井液并检测钻井液内的烃类含量，控制和数据传输模块3与MWD平台进行数据交换，将数据传递给MWD数据平台。
在一个实施例中，如图2所示，所述检测模块2包括钻井液样品管21，钻井液样品管21为管状的结构，设置在钻铤本体1的内部的边缘。钻井液样品管21的上端和下端均设置有钻井液进出口。所述钻井液进出口设置在钻井液样品管21的端部的侧面，向外与井筒环空相连通，形成所述钻井液进出口。所述钻井液样品管21内设置有钻井液循环装置，并且还设置有若干不同类型的烃类检测装置。
钻井液循环装置受到控制和数据传输模块3的控制，在控制和数据传输模块3的控制下将钻井液通过钻井液进出口进入到钻井液样品管21内进行循环流动。钻井液循环流动的过程中烃类检测装置检测烃类的含量。
在一个实施例中，如图2所示，所述钻井液样品管21上设置多波段激光探测装置，钻井液经过钻井液出入口处的钻井液精细采样过滤器20的过滤处理后，成为可透光的钻井液样品，多波段激光探测装置通过多个具有相同发射光强的不同波长的激光作用在钻井液样品管21内的钻井液，由于烃类对特定波长的光具有吸收作用，因此，对比烃类吸收波长的检测光强和烃类非吸收波长的检测光强，可以得到钻井液内的烃类含量。
在一个优选的实施例中，如图2所示，多波段激光探测装置包括设置在所述钻井液样品管21的外壁上的不同波长激光发射器22，所述不同波长激光发射器相对的一侧的外壁上设置有对应波长激光光谱接收器23。在本实施例中，不同波长激光发射器22包括多个波长的激光管发射器，由于激光具有功率大、聚焦好、主波峰稳定、穿透力强等优点，适用于钻井液采样样品的检测。
在一个优选的实施例中，所述钻井液样品管21的侧壁上对应所述不同波长激光发射器22和所述对应波长激光光谱接收器之间设置有第一透明窗24。
在进行实际检测前，先在实验室对各类型油质样品进行检测，优选出具有显著特征的吸收光谱、荧光光谱的波长和特点、以及非吸收光谱波长。在检测仪器安装过程中，根据钻井区域油质特点进行现场检测激光波长的组合，其中至少有一个非吸收波长光谱的激光探头，不同波长激光发射器内安装了优选的多个特定波长的激光发射器，每个激光发射器所发射的是单个波长的激光束，所发射的激光经过第一透明窗24，经过钻井液样品管21中钻井液样品的吸收后，被对应波长激光光谱接收器所检测，通过检测的吸收光强与非吸收光强进行对比，可以得到钻井液样品中的烃类含量。
使用根据本实施例所述仪器进行多波长激光检测的过程如下，不同波长激光发射器内安装了优选的特定波长的激光发射器，其中至少有一个激光波长是烃类不吸收的波段。激光发射器所发射光强在通过钻井液样品后被对应波长激光光谱接收器所检测，记录多个检测光强，其中不吸收激光波长的光强为I0，其它吸收激光波长的光强为Ii，由于每个激光波段的吸收都反映某一类烃的代表性吸收，并且，其吸收光强与对应烃类的含量有正比的对应关系，因此，对于每个吸收激光波长所代表烃类的含量Ai为：
上式中，ki为在实验室中，对应激光波长在标准含量的烃类含量中吸收拟合标定系数。
因此，在检测中采用了的n个具有吸收的激光波长，钻井液中总的烃类含量A可以近似表示为：
在一个优选的实施例中，所述钻井液样品管21上设置荧光光谱探测装置，所述荧光光谱探测装置通过激光激发钻井液样品管21内的钻井液中烃类的荧光，并通过荧光强度计算出钻井液内的烃类含量。
在一个实施例中，所述荧光光谱探测装置包括设置在所述钻井液样品管21的外壁上的荧光激光发射器25，所述荧光激光发射器25的同侧设置有荧光光谱接收器26。其中，所述荧光激光发射器25与所述荧光光谱接收器26的之间有一定的角度。优选地，所述荧光光谱接收器26的前端设置有滤光片27。
在使用根据本实施例所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器时，荧光激发激光发射器所发射的激光，激发钻井液中烃类的荧光特性，其激发荧光被滤光片27选择后，将具有特定的荧光波长送至检测器进行检测。其检测荧光强度为F，因此，对于烃类的含量A为：
A＝kF
上式中，k为在实验室中，根据不同含量的烃类，所检测荧光光强与烃类含量之间的拟合标定系数。
在一个实施例中，所述钻井液样品管21的侧壁上对应所述荧光激光发射器25和所述荧光光谱接收器26的位置设置有第二透明窗28。第一透明窗24和第二透明窗28均为高透光率的材料，可使激光射入钻井液样品管21内的能量损失大大降低。优选地，第一透明窗24和第二透明窗28由人造宝石打磨而成，安装在样品管壁，既节约成本，也能减小对激光传播的影响。
在一个实施例中，所述钻井液样品管21的侧壁上设置有电阻率检测传感器29，所述电阻率检测传感器29检测所述钻井液样品管21内钻井液的电阻率。
在根据本实施例所述仪器中，电阻率检测传感器29测量钻井液样品的电阻率特性，由于烃类具有不导电特性，因此，通常情况下烃类含量与钻井液电阻率大小呈正比。电阻率大小可以辅助检测钻井液中是否含有烃类，与激光光谱测量相结合，可以更加准确检测钻井液烃类。
在一个实施例中，如图1和图2所示，钻井液循环装置包括采样活塞和电源及动力模块31，采样活塞设置在钻井液样品管21内，并能够在钻井液样品管21内滑动。电源及动力模块31连接控制和数据传输模块3，并受到控制和数据传输模块3的控制。所述电源和动力模块连接采样活塞，为所述采用活塞30提供动力。
在本实施例中，活塞包括活塞块和活塞杆，活塞块与钻井液样品管21滑动密封相连。活塞杆设置在活塞块上，并连接电源及动力模块31。
采样活塞的由电源及动力模块31中的电机驱动，往复运动，用以获取和推送钻井液样品，活塞也可以清洁钻井液样品管21的内壁，使其保持清洁，为光学检测提供条件。活塞两端的压力与井筒环空压力一致，可以平衡采样动作时的压力影响。
在一个实施例中，所述电源及动力模块31包括电源和伺服电机，所述伺服电机通过减速器连接所述活塞杆；所述伺服电机正转和反转带动所述活塞块前后移动，使井筒环空钻井液通过钻井液进出口进入钻井液样品管中。
在一个实施例中，所述钻井液进出口上设置有钻井液精细采样过滤器20。钻井液精细采样过滤器20由抗压陶瓷膜组成(也可以由大于1500目的筛网组成)，安装在采样口中，能充分过滤钻井液，避免杂质进入到钻井液中。使钻井液样品达到透射和/或荧光检测标准。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。因此，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和/或修改，根据本发明的实施例作出的变更和/或修改都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，包括：
钻铤本体（1）；
设置在所述钻铤本体（1）上的检测模块（2），所述检测模块（2）在井下吸取钻井液并检测钻井液内的烃类含量；以及
设置在所述钻铤本体（1）上的控制和数据传输模块（3），所述控制和数据传输模块（3）控制所述检测模块（2）检测烃类含量，并将检测的数据采集并传输给MWD模块，由MWD模块将数据传输至地面；
所述检测模块（2）包括钻井液样品管（21），所述钻井液样品管（21）上设置多波段激光探测装置，所述多波段激光探测装置通过多个具有相同发射光强的不同波长的激光作用在钻井液样品管（21）内的钻井液，对比烃类吸收波长的检测光强和烃类非吸收波长的检测光强，可以得到钻井液内的烃类含量；
激光发射器所发射光强在通过钻井液样品后被对应波长激光光谱接收器所检测，记录多个检测光强，其中不吸收激光波长的光强为I0，其它吸收激光波长的光强为I i ，由于每个激光波段的吸收都反映某一类烃的代表性吸收，并且，其吸收光强与对应烃类的含量有正比的对应关系，因此，对于每个吸收激光波长所代表烃类的含量A i 为：
上式中，k i 为在实验室中，对应激光波长在标准含量的烃类含量中吸收拟合标定系数；
在检测中采用了的n个具有吸收的激光波长，钻井液中总的烃类含量A表示为：
；
所述钻井液样品管（21）上设置荧光光谱探测装置，所述荧光光谱探测装置通过激光激发钻井液样品管（21）内的钻井液中烃类物质的荧光，并通过检测到的荧光强度计算出钻井液内的烃类含量；
检测荧光强度为F，对于烃类的含量A为：
上式中，k为在实验室中，根据不同含量的烃类，所检测荧光光强与烃类含量之间的拟合标定系数；
所述钻井液样品管（21）的侧壁上设置有电阻率检测传感器（29），所述电阻率检测传感器（29）检测所述钻井液样品管（21）内钻井液的电阻率。
2.根据权利要求1所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，所述钻井液样品管（21）的上下两端的侧面设置有供钻井液进出的钻井液进出口；所述钻井液样品管（21）连接有钻井液循环装置，钻井液进出口用以平衡钻井液循环装置在井下工作过程中受到的压力。
3.根据权利要求2所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，多波段激光探测装置包括设置在所述钻井液样品管（21）的外壁上的多个不同波长激光发射器（22），所述多个不同波长的激光发射器相对的一侧的外壁上设置有对应波长激光光谱接收器（23）。
4.根据权利要求3所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，所述钻井液样品管（21）的侧壁上对应所述多个不同波长激光发射器（22）和所述对应波长激光光谱接收器（23）的位置设置有第一透明窗（24）。
5.根据权利要求4所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，所述荧光光谱探测装置包括设置在所述钻井液样品管（21）的外壁上的荧光激光发射器（25），所述荧光激光发射器（25）的同侧设置有荧光光谱接收器（26）；
其中，所述荧光激光发射器（25）与所述荧光光谱接收器（26）之间具有一定的角度。
6.根据权利要求5所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，所述荧光光谱接收器（26）的前端设置有滤光片（27）；滤光片（27）让激发的烃类荧光波长通过，而滤除荧光激光发射器（25）所发射的激光波长，以滤除光的干扰。
7.根据权利要求6所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，所述钻井液样品管（21）的侧壁上对应所述荧光激光发射器（25）和所述荧光光谱接收器（26）的位置设置有第二透明窗（28）。
8.根据权利要求7所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，钻井液循环装置包括设置在所述钻井液样品管（21）内的采样活塞以及带动所述采样活塞（30）在所述钻井液样品管（21）内往复滑动的电源及动力模块（31），
其中，所述采样活塞包括滑动密封连接在所述钻井液样品管（21）内的活塞块，以及连接所述活塞块的活塞杆；所述活塞杆连接有电源及动力模块（31）。
9.根据权利要求8所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，所述电源及动力模块（31）包括电源和伺服电机，所述伺服电机通过减速器连接所述活塞杆；所述伺服电机正转和反转带动所述活塞块前后移动，使井筒环空钻井液通过钻井液进出口进入钻井液样品管（21）中。
10.根据权利要求2所述的井下随钻钻井液烃类检测仪器，其特征在于，所述钻井液进出口上设置有钻井液精细采样过滤器（20）；钻井液精细采样过滤器（20）过滤处理环空钻井液，使环空钻井液达到吸收激光检测和荧光检测要求。
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