用于钻井操作的智能电磁筛系统的方法及装置与流程

本发明总体上涉及钻井操作的自动化，并且更具体地涉及用于从钻井流体中去除金属颗粒的方法及系统。

背景技术：

在钻井或处理井时通常在油田中使用液压节流器装置。这里，术语“液压节流器”用于指该装置与例如钻井泥浆、盐水、油、气体以及能流入或流出井的其它化学物质等各种流体一起使用的情况。“液压”这里不指代节流致动装置。液压节流器用作用于从井流出的流体的减压阀。必须显著减小从井流量控制系统排出的流体的压力，以进一步处理和储存这些流体。在液压节流器的操作期间出现的典型问题是：相对大的固体颗粒物质倾向于限制或堵塞节流器，使得节流器的流动控制变得不规则。造成问题的颗粒物质可以是井下地质地层的金属颗粒、钻屑、碎片或来自钻井设备的碎屑。常规的节流器在没有任何流体筛选或井流体的其它过滤的情况下运行。

滤网筛通常用于从井的流出流中去除大颗粒，但是除了小的直线式(in-line)筛之外，该筛选在大气压下在被称为用于钻井的泥浆振动筛的振动筛上进行。如果存在大量的颗粒物质或者流动持续长时间，则固定的筛装置会被堵塞并减少流体流动。在这种情况下，堵塞的筛本身可能结构上失效，并将颗粒物质添加到流动流中。

也使用水力旋流器从流出的流体流分离出较重的成分，例如岩石钻屑和金属碎屑。然而，这种微粒去除系统是在非常低的系统压力下使用的。此外，水力旋流器通常不会分离具有金属颗粒和相对低的比重的微粒，例如橡胶。

需要一种系统来控制从节流器上游的管道通过的井流体中的颗粒尺寸。还需要一种可靠的装置来从井的流出流中去除颗粒物质，从而可以识别和补救由于过量的颗粒捕获而引起的过滤器堵塞，且不会中断井的流动。该装置必须在液压节流器上游的非常高的压力下是可使用的，使得该装置能够用于保护节流器不被阻塞，并且防止由于颗粒截留在节流器中而导致的流动损坏加剧。

技术实现要素：

因此，在钻井操作这个领域中需要自动化，并且更具体地需要一种用于在钻井操作中定期地从钻井流体清除金属碎屑的自动清洁机构。

一个示例性实施例是一种用于在钻井操作中清洁钻井流体的自动清洁系统。所述自动清洁系统包括第一管线，第一管线包括构造成允许所述钻井流体流入所述第一管线的第一入口阀、构造成在入口点处测量所述第一管线中的所述钻井流体的第一压力的第一压力传感器、构造成在出口点处测量所述第一管线中的所述钻井流体的第二压力的第二压力传感器以及构造成允许所述钻井流体从所述第一管线流出的第一自动清洁阀。该系统还包括第二管线，第二管线包括构造成允许所述钻井流体流入所述第二管线中的第二入口阀以及构造成允许所述钻井流体从所述第二管线流出的第二自动清洁阀。该系统还包括自动清洁泵，自动清洁泵经由自动清洁管线操作性地连接到所述第一自动清洁阀和所述第二自动清洁阀，所述自动清洁泵构造成从所述第一管线或所述第二管线接收所述钻井流体，并从所述钻井流体中去除金属颗粒。该系统还包括电磁装置，电磁装置围绕所述第一管线的至少一部分，其中，当所述钻井流体通过所述第一管线时，所述电磁装置被激励。该系统还包括控制器，该控制器操作性地至少连接至所述第一入口阀、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第一自动清洁阀、所述第二入口阀、所述第二自动清洁阀、所述自动清洁泵和所述电磁装置，其中，所述控制器构造成：判定所述第二压力与所述第一压力之间的差高于预定阈值；至少部分打开所述第二入口阀，以将从所述第一管线引入的钻井流体转移到所述第二管线；并且关闭所述第一入口阀以阻止所述钻井流体进入所述第一管线。

一个示例性实施例是一种用于在钻井操作中使用自动清洁系统清洁钻井流体的方法。所述方法包括：利用安装在第一管线上的第一压力传感器在第一点处测量所述钻井流体的第一压力；利用安装在所述第一管线上的第二压力传感器在第二点处测量所述钻井流体的第二压力，所述第一管线具有构造成允许所述钻井流体流入所述第一管线的第一入口阀以及构造成允许所述钻井流体从所述第一管线流出的第一自动清洁阀。所述方法还包括通过激励围绕所述第一管线的至少一部分的电磁装置来从所述钻井流体中收集金属颗粒。所述方法还包括利用操作性地连接至所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第一入口阀和所述第一自动清洁阀的控制器判定所述第二压力和所述第一压力之间的差高于预定阈值；至少部分打开第二入口阀，所述第二入口阀构造成允许所述钻井流体流入第二管线；以及利用所述控制器关闭所述第一入口阀以阻止所述钻井流体进入所述第一管线。

一个示例性实施例是用于在钻井操作中清洁钻井流体的自动清洁系统。该系统包括第一管线，第一管线包括构造成允许所述钻井流体流入所述第一管线的第一入口阀、构造成在第一点处测量所述第一管线中的所述钻井流体的第一压力的第一压力传感器、构造成在第二点处测量所述第一管线中的所述钻井流体的第二压力的第二压力传感器以及构造成允许所述钻井流体从所述第一管线流出的第一自动清洁阀。该系统还包括第二管线，第二管线包括构造成允许所述钻井流体流入所述第二管线中的第二入口阀以及构造成允许所述钻井流体从所述第二管线流出的第二自动清洁阀。该系统还包括：电磁装置，电磁装置围绕所述第一管线的至少一部分，其中，当所述钻井流体通过所述第一管线时，所述电磁装置被激励。该系统还包括自动清洁泵，自动清洁泵经由自动清洁管线操作性地连接到所述第一自动清洁阀和所述第二自动清洁阀，所述自动清洁泵构造成从所述第一管线或所述第二管线接收所述钻井流体，并且从所述钻井流体中去除金属颗粒。该系统还包括：控制器，所述控制器操作性地至少连接至所述第一入口阀、所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述第一自动清洁阀、所述第二入口阀、所述第二自动清洁阀以及所述自动清洁泵，其中，所述控制器构造成：判定所述第二压力与所述第一压力之间的差高于预定阈值；至少部分打开所述第二入口阀，以将从所述第一管线引入的钻井流体转移到所述第二管线；并且关闭所述第一入口阀，以阻止所述钻井流体进入所述第一管线。

附图说明

为了获得并更详细地理解本发明的特征、优点和目的以及其它可能变得显而易见的方式，通过参考在附图中示出的本发明的实施例，可以得到以上简要概述的本发明的更具体的描述，附图形成本说明书的一部分。然而，应注意的是，附图仅说明本发明的示例性实施例，且因此不应视为限制本发明的范围，因为本发明可允许其它等效实施例。

图1是根据本发明的一个或多个示例实施例的具有用于在钻井操作中清洁钻井流体的示例性自动清洁系统的钻机的示意图。

图2示出了根据本发明的一个或多个示例性实施例的用于在钻井操作中清洁钻井流体的示例性自动清洁系统。

图3示出了根据本发明的一个或多个示例性实施例的用于在钻井操作中清洁钻井流体的示例性自动清洁系统的电磁部件。

图4示出了根据本发明的一个或多个示例性实施例的用于在钻井操作中自动清洁钻井流体的方法中的示例性操作。

图5示出了根据本发明的一个或多个示例性实施例的用于在钻井操作中自动清洁钻井流体的方法中的示例性操作。

具体实施方式

现在在下文中参考示出了实施例的附图更全面地描述本发明的方法及系统。本发明的方法及系统可以是许多不同的形式，并且不应被解释为限于本文阐述的所示实施例；确切地说，提供这些实施例是为了使本发明透彻和完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域的技术人员。相同的数字始终表示相同的元件。

现在转到附图，图1是根据本发明的一个或多个示例性实施例的钻探装置100的示意图，钻探装置100具有用于在钻井操作中清洁钻井流体的示例性自动清洁系统50。在钻井操作期间，钻井流体或钻井泥浆可以从钻机20的流动管线循环到振动器22，从振动器22循环到泥浆池24，从泥浆池24循环到泥浆泵26，并且从泥浆泵26循环返回到立管或钻机20。如该图所示，自动清洁系统50可以安装在钻机20与振动器22之间或安装在泥浆泵26与钻机20之间。每个钻井设备均可以经由能输送用于执行钻井操作的钻井流体的管线28而互连。

图2更详细地示出自动清洁系统50。根据本发明的一个或多个示例性实施例，系统50可以用于在钻井操作中清洁钻井流体。系统50可以包括位于两个独立管线60和62中的两个管筛，两个独立管线60和62可以被分配在泥浆泵与钻机之间或钻台与振动器之间。系统50可以使用单独的压力监测进行电子监测，并且可以使泥浆通过一条管线，而可以将另一条管线作为备用。系统50能够收集进/出钻孔的泥浆上的金属颗粒并确定该材料的重量。例如，该信息还可以经由监视控制器被传输到钻台。自动清洁系统50包括闭环系统，且不会使钻机工作人员暴露于从钻孔中出来的任何金属颗粒。该系统可以实时收集泥浆中的金属颗粒，而无需在钻井操作期间在振动器上安装磁体。

该系统设计有两个主管线60和62，两个主管线60和62可以根据每个筛中的压降而彼此切换。一旦一个管线中的压力增加并且超过先前的输入极限，系统50就自动切换到下一个管线，并且可以启动自动清洁泵以清洁管线，并输送金属颗粒以在称重机上称重。系统50可以安装在钻机系统上的两个不同位置，并且独立地操作，例如在钻机泵与钻台之间。系统50也可以安装在立管中，以避免来自罐的材料进入钻管中，例如避免损坏定向钻井设备。系统50也可以安装在钻台与振动器之间。系统50可以安装在流动管线中，使得系统50可以作为另一个桶工作，以保护金属颗粒不进入泥浆罐，并且防止泥浆系统被微细材料污染，或者可以在对套管进行钻取(开放窗口)的同时安装系统50，以进行侧钻。

自动清洁系统50包括第一管线60，第一管线60包括构造成允许钻井流体流入第一管线60的第一入口阀3、第一出口阀4、构造成在入口点处测量第一管线60中的钻井流体的第一压力的第一压力传感器14、构造成在出口点处测量第一管线60中的钻井流体的第二压力的第二压力传感器17以及构造成允许钻井流体从第一管线60流出的第一自动清洁阀8和第二自动清洁阀11。该系统还包括第二管线62，第二管线62包括构造成允许钻井流体流入第二管线62的第二入口阀2、第二出口阀5、构造成在入口点处测量第二管线62中的钻井流体的第三压力的第三压力传感器15、构造成在出口点处测量第二管线62中的钻井流体的第四压力的第四压力传感器18以及构造成允许钻井流体从第二管线62流出的第三自动清洁阀9和第四自动清洁阀12。系统50还可以包括自动清洁泵58，自动清洁泵58经由自动清洁管线操作性地连接至第一自动清洁阀8、第二自动清洁阀11、第三自动清洁阀9和第四自动清洁阀12。自动清洁泵58可以构造成从第一管线60或第二管线62接收钻井流体，并从钻井流体中去除金属颗粒。自动清洁泵58从这些管线返向地接收钻井流体，因此自动清洁泵58可以将碎屑冲出管线。系统50还包括围绕第一管线60和第二管线62的至少一部分的电磁装置75(其在图3中示出)。当钻井流体通过管线时，电磁装置75被激励。系统50还包括例如plc等控制器52，控制器52经由线路54操作性地至少连接到阀2至4、7，压力传感器14、15、17、18，自动清洁阀8、9、11、12，以控制它们的操作。根据该实施例的控制器52可以构造为判定第二压力与第一压力之间的差高于预定阈值，并且至少部分打开第二入口阀2，以将从第一管线60引入的钻井流体转移到第二管线62，并且关闭第一入口阀3，以阻止钻井流体进入第一管线60。

控制器52还可以构造为以至少部分打开第一自动清洁阀8和/或自动清洁阀11，以将第一管线60中的钻井流体转移到自动清洁泵58，来从钻井流体中去除金属颗粒。控制器52还可以构造为在至少部分打开第一自动清洁阀8之后使电磁装置75断电，以将第一管线60中的钻井流体转移到自动清洁泵58，来从钻井流体中去除金属颗粒。

在另一实例中，控制器可以判定第三压力与第四压力之间的差高于预定阈值，并且至少部分打开入口阀3，以将从第二管线62引入的钻井流体转移到第一管线60，并且关闭入口阀2，以阻止钻井流体进入第二管线62。称重机70可以经由自动清洁管线68操作性地连接到第一自动清洁阀8和第二自动清洁阀9，并且称重机可以构造为对钻井流体中的金属颗粒称重。在示例性实施例中使用的所有入口阀可以包括高关闭比或液压控制远程(hcr)阀。

在一个示例性实施例中，电磁筛系统50能够收集泥浆中的材料颗粒，并将该材料颗粒传送到称重机70以进行称重，然后称重机可以通知钻井者已经收集的金属的实际重量。例如在钻台上可以经由实时监测屏更新和显示金属的总重量。在一个示例性实施例中，如果管线60在运转中，则系统自动地保持阀3和4打开，并且关闭阀2、5、7、8、9、11和12，因此流动将通过管线60。可以通过开关56启动该管线60上的电磁系统，使得电磁装置75(其在图3中示出)能够收集金属颗粒。为了从管线60切换到管线62，系统50可以自动打开阀2和5，并关闭阀3、4、7、8、9、11和12，使得流动可以在整个管线62中通过。这时可以启动该管线62上的电磁系统，以便能够收集管线62中的金属颗粒。

为了冲洗管线60，可以自动关闭阀3、4、7、9、12，而可以打开阀8和11。然后，电磁系统可以释放先前收集的金属颗粒，并且现在可以启动自动清洁泵，以将收集的金属颗粒传送到称重机70中。为了冲洗管线62，可以自动关闭阀2、5、7、8、11，而可以打开阀3、4、9和12。之后，电磁系统可以释放先前收集的金属颗粒，并且现在可以启动自动清洁泵58，以将收集的金属颗粒传送至称重机70中。为了启动旁路管线66，可以自动关闭阀2、3、4、5、8、9、11和12，并且可以打开阀7，使得流动可以被引导到旁路管线66。信号可以被发送到具有监视器或人机接口(hmi)的plc52以进行分析和报警，并且还可以操作致动阀来将抽吸入口切换/转移为备用抽吸部直到解决问题为止。

图3示出了根据本发明的一个或多个示例性实施例的用于在钻井操作中清洁钻井流体的示例性自动清洁系统50的电磁部件75。在该实施例中，电磁系统或装置75围绕管线60和62安装，以从钻井流体收集金属颗粒。只要有流体在管线中流动，就可以由控制器52启动装置75。可以通过闭合电开关64并接通电路来运行控制器52。由于激励，钻井流体72中的金属颗粒74被收集在管线60和62的内表面上。当控制器52通过拨开开关64而使装置75断电时，金属颗粒被移走并被传送至称重机70以进行称重，并将重量显示给操作人员。

图4示出了根据本发明的一个或多个示例性实施例的用于在钻井操作中自动清洁钻井流体的方法400中的示例性操作。为了简化说明，本文公开的示例方法被呈现和描述为一系列框(例如，每个框表示方法中的动作或操作)。然而，应当理解和明白的是，所公开的方法不受框和相关联的动作或操作的顺序的限制，这是因为一些框可以按与本文中示出和描述的顺序不同的顺序发生和/或与其他框同时发生。例如，作为选择，根据本发明的各种方法(或过程或技术)例如在状态图中可以表示为一系列相互关联的状态或事件。此外，并非所有示出的框以及相关联的一个或多个动作都是实现根据本发明的一个或多个方面的方法所必需的。此外，所公开的方法或过程中的两个或更多个可以彼此组合地实现，以实现本文描述的一个或多个特征或优点。

方法400在步骤402处包括利用安装在第一管线上的第一压力传感器测量第一点处的钻井流体的第一压力。第一点可以是例如第一管线上的入口点。该方法在步骤404处还包括利用安装在第一管线上的第二压力传感器测量第二点处的钻井流体的第二压力。第二点可以是例如第一管线上的出口点。第一管线可以包括第一入口阀和第一自动清洁阀，第一入口阀构造成允许钻井流体流入第一管线，并且第一自动清洁阀构造成允许钻井流体从第一管线流出。方法400在步骤406处还包括利用操作性地连接至第一压力传感器、第二压力传感器、第一入口阀和第一自动清洁阀的控制器判定第二压力和第一压力之间的差高于预定阈值。在步骤408处，控制器至少部分打开构造成允许钻井流体流入第二管线的第二入口阀，并且在步骤410处，控制器关闭第一入口阀，以阻止钻井流体进入第一管线。该方法在步骤412处还包括控制器至少部分打开第一自动清洁阀，以将第一管线中的钻井流体转移到自动清洁泵，该自动清洁泵经由自动清洁管线操作性地连接到第一自动清洁阀，以从钻井流体中去除金属颗粒。该方法还可以包括利用自动清洁泵从第一管线接收钻井流体，以从钻井流体中去除金属颗粒。

图5示出了根据本发明的一个或多个示例性实施例的用于在钻井操作中自动清洁钻井流体的方法500中的示例性操作。方法500在步骤502处可以包括利用自动清洁泵58从第一管线60接收钻井流体，以从钻井流体中去除金属颗粒。该方法还可以包括利用控制器52和第三压力传感器17判定第三压力高于预定阈值，并关闭第一出口阀4以阻止钻井流体离开第一管线60，其中，控制器52可以操作性地连接至能操作为允许钻井流体从第一管线60流出的第一出口阀4，并且第三压力传感器17用于测量第一管线60中的钻井流体的第三压力。该方法还可以包括至少部分打开第三自动清洁阀11，第三自动清洁阀11可以操作为允许钻井流体从第一管线60流出，并进入自动清洁泵58，以从钻井流体中去除金属颗粒。该方法在步骤504处还可以包括利用称重机70来对钻井流体中的金属颗粒称重，称重机70经由自动清洁管线68操作性地连接到第一自动清洁阀8。方法500在步骤506处还可以包括在操作性地连接到控制器的人机界面上显示金属颗粒的重量，并且接收来自操作者的指令。短语“至少部分打开阀”是指至少部分打开阀的操作。例如，阀可以在某个时间点部分打开或完全打开。如本文所述，短语“至少部分打开"涵盖阀可部分或完全打开的两种情形。

在一个示例性实施例中，自动清洁系统50还可以包括人机界面(未示出)，该人机界面可以连接到控制器以显示消息和接收来自操作者的指令。控制器52可以根据从操作者接收的输入来启动阀2至阀12中的任一个阀。

包括发明内容、附图说明和具体实施方式的说明书以及所附权利要求涉及本发明的特定特征(包括过程或方法步骤)。本领域的技术人员应理解的是，本发明包括说明书中描述的特定特征的所有可能的组合和使用。本领域的技术人员应理解的是，本发明不限于说明书中给出的实施例的描述或不受其限制。

本领域技术人员还应理解的是，用于描述特定实施例的术语不限制本发明的范围或广度。在解释说明书和所附权利要求时，所有术语应当以与每个术语的上下文一致的最宽的可能方式来解释。除非另有定义，否则说明书和所附权利要求书中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。

如在说明书和所附权利要求中所使用的那样，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用物，除非上下文另有明确指示。动词“包括”及其变形形式应当被解释为以非排他的方式指代元件、部件或步骤。所引用的元件、部件或步骤可以与未明确引用的其它元件、部件或步骤一起存在、使用或组合。动词“操作性地连接”及其变形形式意味着涵盖任何类型的所需连接，包括电、机械或流体连接，以在两个或更多个先前未连接的物体之间形成连接。如果第一部件操作性地连接到第二部件，则该连接可以直接实现或通过共用连接器实现。“可选地”及其各种形式是指随后描述的事件或情况可以发生或可以不发生。该描述包括事件或情况发生的实例和事件或情况不发生的实例。

除非另外具体说明或者在所使用的上下文内以其他方式理解，否则例如“能够”、“可能”或“可以”等条件语言一般旨在传达某些实施方式可以包括而其他实施例方式可以不包括的某些特征、元素和/或操作。因此，这样的条件语言一般不旨在暗示特征、元素和/或操作以任何方式对于一个或多个实施例方式是需要的，或者一个或多个实施例方式必须包括用于在有或没有用户输入或提示的情况下决定这些特征、元素和/或操作是否被包括在任何特定实施例方式中或者是否要在任何特定实施例方式中执行的逻辑。

因此，本文所述的系统和方法非常适于实现所述目的并获得所提及的结果和优点以及其中固有的其它结果和优点。虽然为了公开的目的已经给出了系统和方法的示例性实施例，但是在用于实现期望结果的过程的细节中存在许多改变。这些和其它类似的修改对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且旨在包括在本文公开的系统和方法的精神以及所附权利要求的范围内。