用于钻探井孔的井涌检测系统和方法及相关的钻井系统与流程

本发明通常涉及用于钻探井孔的井涌检测系统和方法及相关的钻井系统。

背景技术：

对于来自地下地层的碳氢化合物的勘探和开采已经进行了长达数十年。因老化陆基开采井的受限的产率，从而对于来自海底井孔的碳氢化合物回收越发关注。通常，为了钻探海上井孔，附于钻柱的可旋转的钻头被用于开凿海底之下的井孔。钻柱允许从表面位置(通常，从海上平台或钻井船)对钻头进行控制。此外，部署立管以将表面处的平台连接到海底上的井口。钻柱穿过立管从而将钻头引导到井孔。

在钻井期间，钻头旋转，同时钻柱传递来自表面平台的必要的功率。同时，钻井流体从表面平台通过钻柱循环至钻头，并然后通过钻柱和套管或立管之间的空间返回到表面平台。钻井流体保持静压以抗衡来自井孔的流体压力，并在操作期间对钻头进行冷却。另外，钻井流体与在开凿井孔期间挖掘的材料混合，并将材料运载到表面以进行处理。

在某些情况下，从地层进入井孔的流体压力可高于钻井流体的压力。这可能导致不期望的流体涌入到井孔中，在产业中被称为“井涌”。在一些情况下，发生井涌导致潜在的毁灭性的设备失效和伴随而来的对钻井操作者和环境的潜在伤害。

井孔操作员对这样的不期望的涌入而带来潜在毁灭性保持警觉，并在海面处连续地监视钻井流体的流入和流出，以检测井涌。然而，因传统装置的体积和复杂性而难以采用传统的装置来监视表面平台中的钻井流体。此外，在井孔处发生流体的扰动的时刻与在海面处检测到扰动的时刻之间存在相对长的时间(例如，数十分钟)，即，当在海面处的操作者得到井涌警告时，可能已经发生了井涌。

因此，期望提供新的和改进的用于钻探井孔的井涌检测系统和方法及相 关的钻井系统。

技术实现要素：

在一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种用于钻探井孔的井涌检测系统，包括：超声模块，用于向从井孔的返回的钻井流体发送信号并接收相应的背向散射信号；处理设备，用于基于所述背向散射信号得到所述返回的钻井流体的流动特性并基于所述返回的钻井流体的所述流动特性和钻井相关数据检测井涌。

在另一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种钻井系统，包括：钻柱，用于将钻头和钻井流体引导到井孔；导管，限定用于容纳所述钻柱和从所述井孔返回的钻井流体的通道；以及根据本发明的实施例的井涌检测系统。

在又一方面中，本发明的具体实施方式涉及一种用于钻探井孔的井涌检测方法，包括：向从井孔返回的钻井流体发送信号并接收相应的背向散射信号；基于所述背向散射信号得到所述返回的钻井流体的流动特性；基于所述返回的钻井流体的所述流动特性和钻井相关数据检测井涌。

附图说明

参照下面结合附图的详细描述，本公开的上面的和其他的方面特征和优点将变得更清楚，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的运行中的钻井系统的示意图；

图2是根据本发明的实施例的井涌检测系统的示意图；

图3是根据本发明的实施例的设置在导管上的超声传感器的示意图；

图4是根据本发明的实施例的设置有超声模块的导管的局部示意图；

图5是根据本发明的实施例的用于钻探井孔的井涌检测方法的示意性流程图；及

图6是根据本发明的实施例的图5的步骤23的示意性流程图。

具体实施方式

以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，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，或者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，不应当理解为本发明公开的内容不充分。

除非另作定义，在本说明书和权利要求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。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“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。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“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。

图1示出了根据本发明的实施例的运行中的钻井系统10的示意图。图2示出了根据本发明的实施例的井涌检测系统100的示意图。在一些实施例中，钻井系统10被构造为用于勘探和开采诸如化石燃料的碳氢化合物的井孔钻探。井孔的非限制性实施例包括陆上井孔和海上井孔。在一些实施例中，钻井系统10被构造为钻探海上井孔。

如图1中所示，钻井系统10包括用于将钻头15和钻井流体101引导到井孔104的钻柱(drillingstring)14、限定用于容纳钻柱14和从井孔104返回的钻井流体102的通道103的导管(conduit)13、以及井涌检测系统100。

钻柱14包括组装到海上装置106(诸如海上平台或钻井船)的钻杆(drillingpipe，未示出)。钻头15组装到钻柱14的端部。在钻井操作期间，钻井流体101通过钻杆引导到井孔104，钻头15旋转以执行在海床105下方的钻探。

导管13的端部组装到海上装置106，导管13的另一端部与井孔104的井口连接。

在钻探期间，钻柱14将钻头15引导到井孔104并旋转钻头15。钻井流体101从海上装置106通过钻柱14循环到钻头15并通过通道103作为返回的钻井流体102返回到海上装置106。

钻井流体101保持静压(hydrostaticpressure)以抗衡地层中的流体压力，并在钻探井孔104期间将诸如被砍碎或挖碎的物料(包括被碾碎或砍剁的岩石)运载到海上装置106的同时冷却钻头15。在一些实施例中，钻井流体101可以包括水、油和多种添加剂。返回的钻井流体102可以包括钻井流体101和在钻探井孔104期间挖掘的材料的混合物。在海上装置106上，可以对返回的钻井流体102进行处理，以去除固体并然后使之再循环以用作钻井流体101。

井涌检测系统100包括用于将信号发送到来自井孔104的返回的钻井流体102并接收相应的背向散射信号的超声模块11、以及用于基于背向散射信号得到返回的钻井流体102的流动特性并基于返回的钻井流体102的流动特性和钻井相关数据检测井涌的处理设备12。

在一些实施例中，超声模块11位于海面107下方。在一些实施例中，超声模块11靠近井孔104设置。

超声模块11在返回的钻井流体102穿过通道103时将信号发送到返回的钻井流体102，并且，超声模块11接收因返回的流体102中的颗粒(未示出)反射信号而得到的对应的背向散射信号。

在一些实施例中，超声模块11设置在导管13之外，并将信号发送到导管13。在一些实施例中，超声模块11设置在导管13上。例如，超声模块11设置在导管13的外表面上，或设置在导管13内或延伸到导管13中。在这种情况下，导管13还可以包括用于将超声模块11与返回的钻井流体102隔离的阻挡件(未示出)，从而提供热绝缘并减小超声模块11上的压力。

在一些实施例中，超声模块11包括一个或多个超声传感器。图3示出了彼此空间分开并设置在导管13周围的多个超声传感器111的示意图。

在一些实施例中，如图4中所示，导管13包括立管(standpipe)131和管道(spool)132。立管131和管道132限定容纳钻柱14和返回的钻井流体102的通道103。超声模块11设置在管道132上。管道132隔离超声模块11并为超声模块11提供工作环境，例如，其可以为超声模块11提供合适的温度和压力环境。在一些实施例中，管道132的每个端部连接到立管131。在 一些实施例中，管道132的一端连接到立管131，管道132的另一端连接到隔水管下部插入总成(lmrp,lowermarineriserpackage，未示出)或立管接头(riserjoint，未示出)。

超声模块11将接收的背向散射信号发送到处理设备12。基于背向散射信号，处理设备12得到返回的钻井流体102的流动特性，诸如返回的钻井流体102的速度、流体轮廓(flowprofiles)的至少一部分、体积流量(volumetricflow)或它们的任意组合。在一些实施例中，可以使用合适的算法(诸如多普勒谱分析算法或基于时域的矩阵束分解算法)来基于背向散射信号得到流动特性。

处理设备12基于返回的钻井流体102的流动特性和钻井相关数据来检测井涌。

在一些实施例中，钻井相关数据包括但不限于通过将信号发送到流向井孔104的钻井流体101而得到的背向散射信号、与钻井操作相关的操作数据、流体特性数据或它们的任意组合。

钻井流体101的背向散射信号可以通过由另一超声模块(未示出)将信号发送到钻井流体101得到。在一些实施例中，该另一超声模块位于海上装置106上或位于海面107(图1)上方或靠近海面107(图1)。在一些实施例中，与返回的钻井流体102的流动特性相似，可以基于钻井流体101的背向散射信号来得到钻井流体101的流动特性。

在一些实施例中，与钻井操作相关的操作数据包括但不限于用于钻探井孔104的钻井模式、泵冲程数(pumpstrokenumber)、地层分析数据(formationanalysisdata)、钻头重量(bitweight)、包括立管压力和/或孔洞压力(boreholepressure)的压力数据或它们的任意组合；钻井模式可以包括但不限于下钻模式(tripinmode)、起钻模式(tripoutmode)、流量检查模式(flowcheckmode)、正常钻井模式(normaldrillingmode)和泥浆循环模式(mudcirculationmode)等。钻井操作通常对钻井流体101和返回的钻井流体102有影响，所以与钻井操作相关的操作数据可以帮助井涌检测。

例如，如果较快地泵送钻井流体101(即，泵冲程数较大)，则钻井流体101的速度较大且可以基于泵冲程数来估计在井涌检测中使用的钻井流体101的粗计流率。作为另一示例，钻头重量的改变、由压力数据指示的压力的改变或由地层分析数据指示的值得关注的地质结构可以帮助井涌检测。

在一些实施例中，流体特性数据可以指示钻井流体101或返回的钻井流体102的密度、粘度或组分。在一些实施例中，流体特性数据包括但不限于泥浆重量(mudweight)、海面采样泥浆成分(surfacemudcut)或它们的组合。在一些实施例中，由流体特性数据指示的返回的钻井流体102中的不期望的组分和密度的改变等可以帮助井涌检测。

在一些实施例中，钻井流体101的背向散射信号和泵冲程数可以作为用于得到钻井流体101的流动特性的钻井相关数据的第一部分。在一些实施例中，操作数据和流体特性数据可以作为用于与返回的钻井流体102的流动特性一起检测井涌的钻井相关数据的第二部分。

在一些实施例中，处理设备12根据返回的钻井流体102的流动特性和基于钻井相关数据的第一部分得到的钻井流体101的流动特性之间的差异的改变来检测井涌。

例如，当返回的钻井流体102的流动特性和钻井流体101的流动特性之间的差异的改变增加或增加得快于阈值时，处理设备12识别出进行中的或即将发生的井涌。在一些实施例中，当返回的钻井流体102的速度、流体轮廓的至少一部分、或体积流量比钻井流体101的速度、流体轮廓的至少一部分、或体积流量增加得更快(或快于阈值)时，处理设备12识别出进行中的或即将发生的井涌。

在一些实施例中，处理设备12基于返回的钻井流体102的流动特性和钻井流体101的流动特性之间的差异的改变以及包括与钻井操作相关的操作数据和/或流体特性数据的钻井相关数据的第二部分来检测井涌。在一些实施例中，当仅基于所述差异的改变不容易确定井涌时，钻井相关数据的第二部分可以是有帮助的，这是因为可以通过钻井相关数据的第二部分中的一些数据来识别井涌。

在一些实施例中，当钻井相关数据指示下钻模式、起钻模式、流量检查模式和正常钻井模式中的任意一种时，处理设备12基于返回的钻井流体102的流动的改变来检测井涌。在这些钻井模式中，不存在钻井流体101(诸如在下钻模式和起钻模式中)，或者钻井流体101减少(诸如在流量检查模式中)，或者钻井流体101的流动特性通常是稳定的(诸如在正常钻井模式中)，所以处理设备12可在没有钻井流体101的流动特性的情况下检测井涌，例如，当返回的钻井流体102的速度、流体轮廓的至少一部分、或体积流量增加得 较快或快于阈值时，处理设备12检测出井涌。在一些实施例中，当下钻模式、起钻模式、流量检查模式或正常钻井模式被指示时，处理设备12基于返回的钻井流体102的流动改变和钻井相关数据的第二部分来检测井涌。

参照图1和图2，在一些实施例中，处理设备12包括位于海面107下方的第一处理模块121和位于海面107上方的第二处理模块122。在一些实施例中，第一处理模块121基于由超声模块11通过传输模块108提供的背向散射信号得到流动特性。在一些实施例中，第二处理模块122基于返回的钻井流体102的流动特性和钻井相关数据来检测井涌。在一些实施例中，第一处理模块121位于海床105上。在一些实施例中，第二处理模块122位于海上装置106上。在一些实施例中，井涌检测系统100包括用于在第一处理模块121和第二处理模块122之间发送信息的通信设备17。

在一些实施例中，当检测到井涌时，处理设备12将指示提供到钻井系统10的防喷器组16。在一些实施例中，操作员将指示输入到防喷器组16。防喷器组16根据来自处理设备12或来自操作者的指示进行操作以防止井涌。

在一些实施例中，井涌检测系统100包括在检测到井涌时用于向操作者报警的报警设备18。例如，通过警钟或具有警告颜色(诸如黄色或红色)的灯来报警。在一些实施例中，报警设备18位于海上装置106上。

在一些实施例中，井涌检测系统100包括用于显示流动特性、钻井相关数据、井涌警告或它们的任意组合的显示设备19。在一些实施例中，显示设备19位于海上装置106上。

在一些应用中，地层中的流体压力可能高于钻井流体101的压力。这可导致地层中的流体进入到通道103中并加入返回的钻井流体102，这导致较大的返回流量(或涌入)。这样的涌入作为井涌，并可能在不进行控制的情况下导致井喷且对于钻井操作者和环境来说是有害的。因此，期望井涌检测系统及时检测井涌。井涌检测系统100足够简单以适用于海上应用，且井涌检测快速，从而及时报警以减轻或避免井涌的损害。

图5示出了根据本发明的实施例的用于钻探井孔的井涌检测方法20的示意性流程图。井涌检测方法20包括向返回的钻井流体102发送信号并接收相应的背向散射信号的步骤21、基于背向散射信号得到返回的钻井流体102的流动特性的步骤22、以及基于返回的钻井流体102的流动特性和钻井相关数据检测井涌的步骤23。

在一些实施例中，如图6中所示，步骤23包括基于包含泵冲程数或钻井流体101的背向散射信号的钻井相关数据的第一部分得到钻井流体101的流动特性的步骤231、以及基于钻井流体101的流动特性与返回的钻井流体102的流动特性之间的差异的改变来检测井涌的步骤232。

在一些实施例中，步骤232包括基于钻井流体101的流动特性与返回的钻井流体102的流动特性之间的差异的改变以及包括与钻井操作相关的操作数据、流体特性数据或它们的组合的钻井相关数据的第二部分来检测井涌的步骤(未示出)。

在一些实施例中，步骤23包括：在钻井相关数据指示下钻模式、起钻模式、流量检查模式和正常钻井模式中的任意一种时，基于背向散射信号确定返回的钻井流体102的流动改变，并基于流动改变检测井涌的步骤(未示出)。

在一些实施例中，井涌检测方法20包括操作防喷器组16以防止井涌的步骤(未示出)。在一些实施例中，井涌检测方法20包括在检测到井涌时向操作者报警的步骤(未示出)。在一些实施例中，井涌检测方法20包括显示流动特性、钻井相关数据、井涌警告或它们的组合的步骤(未示出)。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，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。