CN115726712A - 一种实时泥浆监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种实时泥浆监测系统，该系统包括若干流动回路支腿和仪器设备；至少两个水平定向管道流动回路支腿，用于为每台仪器设备提供最佳测量条件；当处于工作位置时，至少其中一个流动回路支腿可调节到相距90°的位置，以补偿或消除由钻机运动引起的对测量的动态影响；所述仪器设备包括：用于测量泥浆重量/密度和流速的组合式流量密度计；用于测量泥浆粘度的粘度计；用于测量泥浆流变性的流变仪。本发明的优势在于：该系统可以直接在矿井平台上安装部署，对入井和出井的泥浆进行实时测量，从而提高钻井的准确性、进度和安全性。本发明可以很容易地改装到现有的泥浆系统中。

Description

一种实时泥浆监测系统

技术领域

本发明涉及用于勘探或生产石油等石油流体的井的钻探，更具体地说，本发明涉及一种用于实时监测钻井液性质的系统；该钻井液性质通常为泥浆；泵入井中进行压力控制、润滑和井眼清洁。此外，在选择的情况下，还有一个用于实时监测从井中返回的泥浆特性的附加系统。

背景技术

用于勘探或生产石油，凝析油和天然气等石油流体的井的钻探非常昂贵，尤其是在海上，钻探单元的日费到目前为止可能超过50万美元。

在钻井过程中，泥浆对于控制井的压力，提供润滑和冷却以及运输钻出的材料(通常称为钻屑)至关重要。根据几个因素，不同条件下需要使用不同的泥浆，从而导致特定条件下具有特定属性的泥浆。表征泥浆的最著名的参数是密度和粘度。泥浆可以基于水，矿物油或烃油，并且可以包括传统材料，如膨润土，其他天然材料或合成材料。对于钻井，泥浆工程师负责泥浆的选择和制定。对于其他行业，可以将此职责分配给另一个具有其他头衔的胜任人员。就此权利要求书而言，此人已限定为泥浆工程师。

监测从井中返回的泥浆，以发现痕量的碳氢化合物(尤其是气体的痕迹)是一种工业惯例，可以对瓦斯涌动(储层流体意外流入井眼)发出早期警告。

但是，对于由泥浆泵向下泵入井中的泥浆，按照行业惯例，采集样品并手动批量处理取样，以确保泥浆属性符合预期。

通常必须在泥浆实验室中，对样品进行分析，无论是在钻机上还是在偏远地区的陆地上，分析过程都可能要花费大量时间。对于海上钻井作业，时间非常昂贵，甚至适度减少花费的时间，也会对运营的经济性产生重大影响。另一个提高安全性的方面，如果可以始终确保仅将具有正确属性的泥浆泵入钻柱，则可以提高安全性。

存在许多用于数据采集和数据处理的技术。存在许多用于从井中收集泥浆样品的技术，和一些用于收集泥浆矿井中混合的泥浆样品并准备将其泵抽至钻柱的技术。另外，存在许多用于分析泥浆的单个参数的技术。

专利公开本文中的CN 201802388，GB 2445209，CA 2005195，MX 2011006044和US6378628中描述了一些相关技术。

但是，为了提供以下一项或多项进展，对技术的需求仍然存在：

减少用于监视MUD属性的时间；提供持续监控；提供比当前行业标准惯例更多的参数数据；允许在钻机上取消特定的MUD实验室；

减少泵入不正确的MUD成分的风险；减少废物，罐体需求和无效的钻井时间，并提高安全性。本发明的目的能够满足上述需求。

发明内容

本发明通过提供一种实时泥浆监测系统，其特征在于，该系统包括若干流动回路支腿和仪器设备；

所述流动回路支腿为至少两个水平定向的流动回路支腿，用于为每台仪器设备提供最佳测量条件；处于工作位置时，流动回路支腿处于水平方向；至少其中一个流动回路支腿当处于工作位置时可调节到相距90°的位置，以补偿或消除由钻机运动引起的对测量的动态影响；

所述仪器设备包括：

组合式流量密度计，用于测量泥浆的重量/密度和流速；

粘度计，用于测量泥浆的粘度；

流变仪，用于测量泥浆的流变性

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括用于流入泥浆以进行泥浆参数测量的入口；和用于返回泥浆的出口；

其中该入口与以下之一进行耦合：

泥浆泵出口管线，测量被泵入井中的加压泥浆；

泥浆泵入口管路；

泥浆返回管线；

泥浆坑，或在任何特定兴趣点均可使用。

作为上述系统的一种改进，将两套系统的入口分别安装在泥浆泵出口管线和泥浆返回管线，分别测量被泵入井中的加压泥浆和从井中返回的泥浆；

作为上述系统的一种改进，比较和分析泵入井中的泥浆的数据/参数与从井中返回的泥浆的泥浆数据/参数，提供有关井控的直接指示。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括泵，用于对从入口进入的泥浆进行加压，安装在入口与所述仪器设备之间。

作为上述系统的一种改进，所述泵根据测量要求，输出特定的压力和流量。

作为上述系统的一种改进，所述仪器设备还包括以下一种或多种仪器的任意组合：

表压变送器，用于测量泥浆的压力；

流量计，用于测量泥浆的流量。

作为上述系统的一种改进，所述流变仪包括两段或三段管道；每段管道上均装有一个差压变送器，测量每段管道的压差。

作为上述系统的一种改进，所述系统设置在容器中，该容器可在有爆炸风险的危险区域进行安全地操作。

作为上述系统的一种改进，所述仪器设备将测量结果实时传递给泥浆工程师的界面；泥浆工程师的界面位于钻机上、海上、陆上或远程的其他位置。所述系统还包括：

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：测斜仪，用于测量流动回路支腿调整的角度。

本发明的优势在于：

1、通过流动回路支腿可以直接在矿井平台上安装部署本系统，对入井和出井的泥浆进行实时测量，提高了生产的安全性。

2、将其他现有技术连接到已经存在的泥浆工艺流程中。本发明的滑移系统能够很容易地改装到现有的泥浆系统或安装在新的泥浆系统中。

3、从泥浆工艺过程中自动获得泥浆属性。通过使用具有连续测量功能的标准化、自动化系统来减少时间和不确定性，这是当今行业所不具备的。

4、从安装的整套仪器和处理软件中，将泥浆系统整体的实时泥浆属性数据或特定数据直接提供给用户(软件或个人)。

附图说明

图1示出了本发明的系统结构示意图；

图2示出了本发明的系统的一个实施例的结构示意图；

图3示出了图2的系统的管道布置的结构示意图；

图4示出了处于工作位置的图2的系统的结构示意图；

图5示出了处于工作位置的图2的系统的管道布置的结构示意图；

图6示出了处于工作位置的本发明的系统的另一实施例的结构示意图；

图7示出了处于工作位置的图6的系统的管道布置的结构示意图；

图8示出了处于工作位置的本发明的系统的另一实施例的结构示意图；

图9示出了处于工作位置的图8的系统的管道布置的结构示意图。

附图标记：

1、金属框架的滑道 2、金属框架的电滑道

2.1、HMI面板 2.2、紧急停止

2.3、电柜 3、管道装置

3.1、冲洗喷嘴 3.2、球阀

3.3、入口 3.4、出口

3.5、DP壳体 3.6、容积泵

3.7、科里奥利流量计 3.8、第一压力变送器

3.9、第二压差变送器 3.10、测斜仪外壳

3.11、爆破片 3.12、第一水平流动回路支腿

3.13、第二水平流动回路支腿 3.15、第一垂直流动回路支腿

3.16、第二垂直流动回路支腿

具体实施方式

参考图1：其示出来本发明的一个典型系统流程图。如有关在钻井中使用的介绍中所述，该系统S优选地包括：用于泥浆的入口I，该泥浆流入系统中的用于参数测量的仪器；以及用于返回该泥浆的出口O。提出了两种系统：第一个系统是一种用于监测流入井中的泥浆的系统，入口连接到歧管流路，该歧管流路连接到泥浆泵入口管线，泥坑，或特定感兴趣的可访问点。第二个系统是一种用于监测从井中流出的泥浆的系统，在提取钻屑之后，在特定关注的可访问点，入口连接到泥浆处理系统中的泥浆返回管线。通常，相对于钻机上的用于使泥浆循环通过井的泥浆循环系统，来自本发明的系统的泥浆的出口相对于钻机上的泥浆循环系统布置在入口下游的短距离处。

该系统连接到数据系统以进行记录，并且最好对测量结果进行比较和分析，最好包括将泵入井中的泥浆的泥浆数据/参数与从井中返回的泥浆的泥浆数据/参数进行比较，提供有关井控的直接指示。

参考图2，其示出了本发明的系统的实施例。本发明的系统也被称为流变感单元。本发明的实施例的系统包括：金属框架的滑道1和金属框架的电滑道2，该金属框架的电滑道2包括：HMI面板2.1、紧急停止按键2.2和电柜2.3，以及管道装置3；

金属框架的电滑道2叠加放置在金属框架的滑道1的上方，管道装置3设置在金属框架的滑道1内。

在图3中详细示出了本发明的系统1的管道系统3的设置。

本系统主要设备由管路和仪表设备组成。仪表设备包括流变仪、粘度计、密度计、表压变送器、流量计等用于对泥浆参数进行测量的仪表。管路包括流动回路支腿和/或固定管路(根据需要设置)。仪表设备根据测量需要安装在流动回路支腿或固定管路中。根据仪表设备对测量的需要，还可以安装泵等设备。为了操作方便还可以增加阀门、冲洗喷嘴等设备。从入口进入的泥浆流过设备上安装的仪表设备，进行各类参数的测量，然后从出口流出。

图2和图3示出了本发明的系统1和管道设置处于关闭，非操作或非工作位置。图4示出了图1的系统处于工作位置。图5示出了图2的系统的管道装置3处于工作位置。

从图中可以清楚地看到，当本发明的系统处于工作位置时：请参见图4和5；其管路装置3与非工作状态下的布置不同，请参见图2和4。

参考图3和5所示，同一设备特征用同一附图标记编号。

管道装置3还包括冲洗喷嘴3.1、球阀3.2、入口3.3、出口3.4、DP壳体3.5、容积泵3.6、科里奥利流量计3.7、第一压力变送器3.8。管道流变仪包括：第二差压变送器3.9；安装在两个水平流动回路支腿3.12和3.13和两个垂直流动回路支腿3.14和3.15上(图3显示这些支腿处于非操作位置，图5显示在工作位置)、测斜仪外壳3.10、爆破片3.11。

图6示出了本发明的第二实施例，该系统安装在基本子框架上，该子框架可分为3个部分：标识为4，5和6；标记3是指管道装置，并在图7中有更详细的说明，其中相同的设备特征用与图3和5相同的附图标记编号。在此系统配置中，电气设备在图中被标识为标记2.1HMI面板和2.3电气箱。图2和图4未示出，因为它们将被远程安装在被分类为具有爆炸危险的安全区域中。

在图8中示出了本发明的第三实施例，其中两个系统安装在标准的20英尺钢制运输容器内，标识为7。该容器有一个被标识为7.1的修改，用于保护流变仪的垂直部分。这种双重系统可以测量流入和返回井的泥浆。在钻井时，这种紧凑的解决方案适用于泥浆存储和泵入井中靠近井外泥浆处理的情况。图9示出了管道装置，在容器的一侧在一个系统的图8中标识为标记3。容器另一侧的系统实际上是该管道装置的镜像副本。相同的设备特征用与图2、3、4和5相同的附图标记编号。本发明的系统可以代替并消除在钻井平台上的泥浆实验室中执行的许多传统功能。因此，可以避免费力且费时的批量采样和实验室分析。优选将测量信号作为边缘计算结果，或原始，或过滤后的信号，或组合直接传输到泥浆工程师和/或控制室。

本发明的系统和方法的特殊设置，提出的管道结构，利用每个流环支腿中的压差测量和质量流量测量，和/或体积流量测量，和/或每个流环支腿中的密度测量，和每个与泵相连的流环支腿都可控制泥浆流量，由于实际测量的参数与密度，粘度和流变性中的每一个有关，可以允许使用所述简单的在线仪器进行密度，粘度和流变学测量。

该系统的具体结构可提供密度，粘度和流变性的测量，以及许多其他需要且更优选的泥浆参数的测量。该系统的泵用于在特定的剪切速率下测量流变性，这与特定的泵每分钟转数，rpm或每分钟冲程有关。由于与传统测量相比，该数据更加真实和正确，因此，所提供的数据能够更好地适合用于钻井过程数值模拟的模型。

本发明的系统也被称为流变感单元或滑轨，对于有效和安全的钻井，流变学数据特别有价值的。流变学是粘度与剪切力的函数关系，正如在非牛顿流体中所发现的那样。与传统的批量样品测量相比，通过改变泵速和以特定速度测量，该特定速度对应于井和循环路径内的特定流速或流量，可以提供更具代表性的数据。泥浆可以从泥浆泵出口管路中取出，在泵入井中，泥浆泵的入口管线，泥浆回流管线，泥坑或在任何可访问的特定感兴趣的点的地方，测量加压流体。可以对测量结果进行比较和分析。例如，比较泵入井中的泥浆的泥浆数据/参数与从井中返回的泥浆的泥浆数据/参数，以直接指示井控制。

本发明通过提供一种实时泥浆监测系统，该系统包括：

组合式流量密度计，该组合式流量密度计在至少500-3000g/l的范围内测量泥浆的重量/密度；

粘度计，该粘度计在至少10-150000mPas(毫帕斯卡秒)或10-500000mPas的范围内测量粘度；

流变仪，该流变仪在多个特定流速下，测量至少0-900lb/fts范围内的流变性；其中，每个特定的流速与一个特定的泵速有关，例如，该特定的泵速与每分钟的rpm-转速或泵的每分钟冲程相关；

滑道，该滑道上至少设置了用于测量上述限定的参数的仪器；

泵，该泵用于根据测量规定，影响特定流量；

至少两个水平定向管道流动回路支腿，水平定向，处于工作位置；当测量流变性和粘度时，其中一个可能的流动回路支腿可调节以在物质中相距90°垂直定向以测量密度，与倾角仪结合，可以补偿或消除由钻机运动引起的对测量的动态影响；

其中，所述仪器实时连接到数据收集和分析系统接口，用于将收集的数据和分析传递给泥浆工程师。

如图1所示，该系统包括用于通过系统中的仪器进行泥浆参数测量的入口；和用于将返回泥浆的出口；

其中该入口与以下之一进行耦合：

泥浆泵出口管线，测量被泵入井中的加压泥浆；

泥浆泵入口管路；

泥浆返回线；

泥浆坑，或在任何特定兴趣点均可使用。

对于泥浆监测系统，该泥浆流入井中，入口与连接到泥浆泵入口管线的歧管流线，泥坑，或特定兴趣的可访问点。用于监测井中流出的泥浆的系统；在提取钻屑后，入口连接到MUD处理系统中的MUD返回管线，位于特定感兴趣的可访问点。通常，相对于钻机上用于使泥浆循环通过井的泥浆循环系统，来自本发明系统的泥浆出口布置在入口下游的短距离处。

优选地，比较和分析测量值，优选地包括将泵入井中的泥浆的泥浆数据/参数与从井中返回的泥浆的泥浆数据/参数进行比较，为井控提供直接指示。

比较和分析测量值，优选地包括将泵入井中的泥浆的泥浆数据/参数与从井中返回的泥浆的泥浆数据/参数进行比较，为井控提供直接指示。

本发明的系统优选地包括以下仪器或功能中的一种或多种，以任何组合的方式进行测量：

表压变送器，用于测量100mbar压力至全流量压力；

科里奥利流量计：

用于测量温度-5至+200℃；

用于测量密度kg/m3；

用于测量体积流量l/min；

管道流变仪，该管道流变仪包括两段(或三段，如果使用垂直定向)由IMS设计的管道；每段管道上均装有一个差压变送器，测量每段管道中高达1500mbar的压差：

根据测量结果计算如下：

流变性0-450Pa等效，Fann 35转速(参考美国石油学会规范RP 13B)。在3、6、30、60、100、200、300和600rpm或其他预定流变性；

剪切率s-1；

剪切应力pa；

塑料粘度：PV cP；

屈服点：YP pa；

凝胶强度，Pa，在10秒、10分钟或其他定义的间隔；

pH变送器，用于测量pH值0-14；

水包油传感器，用于测量油/水0-100％。

优选地，该系统被配置为在具有爆炸危险的危险区域中操作。可替代地，该系统可以设置在被分类为具有爆炸危险的安全区域中。所述系统设置在容器中，该容器可在有爆炸风险的危险区域进行安全地操作。

优选地，该系统到泥浆工程师的实时接口位于钻机上的控制室，或者是海上或陆上的其他位置。

可选地，如果超过了可选参数的可选阈值，则基于收集和处理数据的分析，由该系统生成针对操作的建议，并且将该操作建议提交给泥浆工程师。

对于安装在所述泵或泵的输出侧的系统，传感器或仪器的压力等级必须与泥浆泵的泥浆压力兼容。

接到泥浆工程师的实时接口优选地包括使所测量的泥浆特性可视化的显示器。该系统还连接到包括数据库，该数据库包括：泥浆属性和井属性数据(经验和理论数据)，并且该系统包括实时连接到可操作部署泥浆流的仪器。该系统优选地包括或耦合到分析算法，用于使用要被抽出井的泥浆特性的实时质量数据，并且优选地还使用泥浆回流特性的实时质量数据，包括将泵入的泥浆属性与返回的泥浆属性进行比较，用于生成估计和建议以供将来采取动作。

本发明还提供了本发明的系统的用途，用于对被泵入井中的MUD进行实时MUD监测，用于增加井控制，和/或增加安全性，和/或用于增加的渗透速率。

本发明的系统提供的进步是提高钻探渗透率，ROP，同时减少了碳氢化合物成分泄漏或泄漏的风险，从而提高了安全性和健康性。

本发明的一些进一步技术效果如下：

1、将其他现有技术连接到已经存在的泥浆工艺流程中。本发明的滑移系统能够很容易地改装到现有的泥浆系统或安装在新的泥浆系统中。

2、从泥浆工艺过程中自动获得泥浆属性。通过使用具有连续测量功能的标准化、自动化系统来减少时间和不确定性，这是当今行业所不具备的。

3、从安装的整套仪器和处理软件中，将泥浆系统整体的实时泥浆属性数据或特定数据直接提供给用户(软件或个人)。

一些关键特征：

测量仪器的安排，(某些仪器可以位于远程)，允许泥浆的持续流动。

允许MUD可变的流量通过滑移装置，以优化测量。

允许自动批量测量与连续流并行，从而可以允许在“静止流体”中进行测量。

泥浆报告的生成和提供给给定软件界面的参数的趋势，或者直接显示在滑移装置上。

一个“单元”进行的测量的组合。

通过了防爆认证，可在潜在爆炸性环境中使用。

适合现有的装置，可以离线安装主要工艺。

批量处理和/或在线实时测量可行的参数(如凝胶和流变参数)是关键优势之一。泥浆穿过滑移装置，流环支腿，然后为每台仪器提供最佳的测量条件，从而提供更好，更精确的读数，减少了之后的数据处理。

本发明提供了一种增强对钻孔过程的控制的方法，该方法包括：

在测量流变学和粘度时，至少有两个水平定向的流动回路支腿；处于工作位置时，至少一个流动回路支腿可调整到相隔90°的位置，垂直定向测量密度；该流动回路支腿与测斜仪结合使用，可以补偿或消除由于钻机运动而引起的测量的动态影响，

和将该系统连接到钻机上的泥浆循环系统，测量泥浆的重量/密度的范围至少为500-3000g/l；

测量在至少10-150000mPas或10-500000mPas范围内的粘度；在多个特定流量下测量0--900lb/fts的流变性，其中，每个特定的流量与一个特定的泵速有关，例如，与每分钟的rpm转速或每分钟的冲程有关，其中泵为包含在系统中，和/或是在钻机上的泥浆泵，

根据预期和所提供的仪器测量其他参数，

将测量的数据实时传输到数据收集和分析系统，以进行分析并呈现给泥浆工程师。

该方法还包括将泵入的泥浆属性与返回的泥浆属性进行比较，以通过数据收集和分析系统生成估计和推荐，以用于将来的动作。

对泥浆特性的控制是非常多样化的，可以普遍适用于所有的工业和人造液体。用于勘探或生产石油流体的钻井的泥浆具有复杂的水、油和固体混合物，以及不同的密度和粘度。

本发明的系统可以显著减少对钻机上的传统泥浆实验室的需求，并最终取代和消除传统的泥浆实验室。此外，有理由相信系统对泥浆参数的实时测量比泥浆实验室中传统使用的批处理方法更真实、更精确。由于更快、更真实和更精确的测量所带来的更精确的建模和对油井的控制，可以提高钻孔的穿透率并提高安全性。

本发明的技术可以在更高的精度上确保被泵入井中的钻井液或泥浆具有正确的成分和正确的特性。除了本发明的技术外，没有其他自动化技术，能够更好地确保向下注入井中的钻井液或泥浆，具有正确的组分、正确的属性，同时以如此快速，简单和一致的方式获得上述结果，并且可以长期进行而无需人工干预。而且，没有任何其他技术可以在不进行大规模改造的情况下，部署到现有的钻井液系统中。

Claims (11)

1.一种实时泥浆监测系统，其特征在于，该系统包括若干流动回路支腿和仪器设备；

所述流动回路支腿为至少两个水平定向的流动回路支腿，用于为每台仪器设备提供最佳测量条件；处于工作位置时，流动回路支腿处于水平方向；至少其中一个流动回路支腿当处于工作位置时可调节到相距90°的位置，以补偿或消除由钻机运动引起的对测量的动态影响；

所述仪器设备包括：

组合式流量密度计，用于测量泥浆的重量/密度和流速；

粘度计，用于测量泥浆的粘度；

流变仪，用于测量泥浆的流变性。

2.根据权利要求1所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，所述系统还包括用于流入泥浆以进行泥浆参数测量的入口；和用于返回泥浆的出口；

其中该入口与以下之一进行耦合：

泥浆泵出口管线，测量被泵入井中的加压泥浆；

泥浆泵入口管路；

泥浆返回管线；

泥浆坑，或在任何特定兴趣点均可使用。

3.根据权利要求2所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，将两套系统的入口分别安装在泥浆泵出口管线和泥浆返回管线，分别测量被泵入井中的加压泥浆和从井中返回的泥浆。

4.根据权利要求3所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，比较和分析泵入井中的泥浆的数据/参数与从井中返回的泥浆的泥浆数据/参数，提供有关井控的直接指示。

5.根据权利要求2所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，所述系统还包括泵，用于对从入口进入的泥浆进行加压，安装在入口与所述仪器设备之间。

6.根据权利要求5所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，所述泵根据测量要求，输出特定的压力和流量。

7.根据权利要求1所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，所述仪器设备还包括以下一种或多种仪器的任意组合：

表压变送器，用于测量泥浆的压力；

流量计，用于测量泥浆的流量。

8.根据权利要求1所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，所述流变仪包括两段或三段管道；每段管道上均装有一个差压变送器，测量每段管道的压差。

9.根据权利要求1所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，所述系统设置在容器中，该容器可在有爆炸风险的危险区域进行安全地操作。

10.根据权利要求1所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，所述仪器设备将测量结果实时传递给泥浆工程师的界面；泥浆工程师的界面位于钻机上、海上、陆上或远程的其他位置。

11.根据权利要求1所述的实时泥浆监测系统，其特征在于，所述系统还包括：

测斜仪，用于测量流动回路支腿调整的角度。

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