用于检测钻进操作期间钻进流体流量变化的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于检测钻进操作期间钻进流体流量的变化的方法和系统。尤其是，本发明描述了一种提供钻进期间井涌或流体损耗的早期指示的方法。
【背景技术】
[0002]在油井或气井钻进操作中，钻进流体(例如"泥浆")通过钻管的内部从钻头出来至井眼中，然后沿着环空(钻柱与井眼的壁之间的空间或套管柱的内部的空间)向上返回到地面而连续地循环。钻进流体典型地由粘土、化学添加剂和油基或水基组成。这种流体有若干目的，包括但不限于:(I)控制地层压力；⑵清理井眼中的地层碎肩；(3)润滑、冷却及清洗钻头和钻柱；(4)稳固井眼；和(5)限制钻进流体到地下地层中的损耗。
[0003]在操作期间，地层压力的控制典型地包括提供钻进流体，以施加比所钻进的储层中的压力更大的流体静压力。如果不维持这样的压力，则钻进流体的压力可能下降到地层压力以下，这可能引起通常被称作"井涌"的现象。这是地层流体从地层流出并进入到井眼中的情况。如果井涌没有被早期识别并采取校正措施，井涌可能导致流体从地层意外地流出。
[0004]钻进操作期间普遍遇到的另一个挑战是"流体损耗"。这是钻进流体从井眼流出并进入到地层中的情况。虽然在常规操作期间典型地存在一定的流体损耗，但是由流体损耗引起的过大压力可能导致对地层产生意外影响。
[0005]为了最小化〃井涌〃或〃流体损耗〃，人们已知的是监测下列变化:(I)钻进流体从井眼流出地面的流量的变化；(2)在钻机中容纳钻进流体的泥浆池中的钻进流体的体积的变化；和/或⑶泵送压力和/或泵速度的变化。但是，这些方法可能不是最好的。
[0006]钻进流体流量的监测，例如可以包括:使用各种流量计，或测量钻机的回流罐中的钻进流体高度，监测流量增大或减小。流量计可能不够足够敏感来检测小的流量变化，并且难以设置在各种不同构造的钻机上。
[0007]同样，泥浆池的监测也可能对回流泥浆流量的小的增加不敏感。
[0008]泵送压力和泵速度的变化可能指示其它工作条件，例如钻柱中的泄漏("冲刷(washout)〃)ο
[0009]因而所希望的是提供一种流量检测方法，该方法克服了现有技术的缺点。
【发明内容】
[0010]在第一个方面中，本发明提供了一种检测钻进操作期间回流钻进流体流量变化的方法，钻进操作包括将钻进流体泵送到井眼中的钻头和在井眼的井头处接收具有溶解地层气体的回流钻进流体，该方法包括下列步骤:以测定流量(measured rate)将至少一种示踪气体注入到回流钻进流体中；在所述至少一种示踪气体的注入的下游某一位置处从回流钻进流体抽取第一气体样本；测量第一气体样本中示踪气体的第一浓度；在所述位置处从回流钻进流体抽取第二气体样本；测量第二气体样本中示踪气体的第二浓度；确定第一样本和第二样本中所测量的示踪气体浓度的变化；和利用所测量的浓度的变化来推断回流钻进流体的流量的变化。
[0011]依照本发明的一个实施例，所测量的示踪气体的浓度的减小指示流体流量的增大，以及所测量的示踪气体的浓度的增大指示流体流量的减小。
[0012]在一个实施例中，提供一种在钻进操作期间检测井涌或流体损耗的方法，其中，该方法包括如上所述检测回流钻进流体流量的变化，以及其中，钻进流体流量的增大指示井涌，钻进流体流量的减小指示流体损耗。
[0013]在本发明的另一个方面中，提供一种钻进系统，所述钻进系统包括:钻柱，所述钻柱包括用于钻进井眼的钻头；用于将钻进流体沿着井眼向下泵送到钻头附近的钻进流体泵，其中采用具有溶解的地层气体的回流钻进流体的形式的至少一些钻进流体向上回流到井眼的井头；用于以恒定流量将示踪气体注入到回流钻进流体中的示踪气体注入器；用于接收带有所注入的示踪气体的回流钻进流体的流送管；用于从由流送管接收的回流钻进流体抽取气体样本的气体抽取器；和用以确定气体样本中示踪气体的浓度的气体分析设备。
[0014]在一种形式中，所述钻进系统包括数据记录单元，所述数据记录单元用于记录气体样本中示踪气体的浓度，并根据示踪气体的一个或多个先前测量的浓度，确定示踪气体浓度的变化，其中，所测量的示踪气体的浓度的减小指示回流钻进流体流量的增大，所测量的示踪气体的浓度的增大指示回流钻进流体流量的减小。
[0015]在一种形式中，所述气体分析设备包括气相色谱仪。所述系统还可以包括用于以恒定流量向气相色谱仪提供所抽取的气体的真空空气泵。
[0016]在另一种形式中，所述钻进系统还包括用于在存在下列情况时提供通知的装置:所抽取的气体中示踪气体的浓度变化在一规定范围或值以外；或回流钻进流体流量的增大或减小在一规定范围或值以外。
[0017]在本发明的另一个方面中，提供了一种检测钻进操作期间回流钻进流体流量变化的方法，钻进操作包括将钻进流体泵送到井眼中的钻头和在井眼的井头处接收回流钻进流体，所述方法包括下列步骤:在第一离散时间段，将至少一种示踪气体注入到回流钻进流体中；在所述至少一种示踪气体注入处下游的某一位置处检测回流钻进流体中来自第一离散时间段的示踪气体；测量在第一离散时间段对示踪气体的注入与在所述位置处对来自第一离散时间段的示踪气体的检测之间的第一时间延迟；在第二离散时间段，将至少一种示踪气体注入到回流钻进流体中；在所述位置处检测回流钻进流体中来自第二离散时间段的示踪气体；测量在第二时间段对示踪气体的注入与在所述位置处对来自第二时间段的示踪气体的检测之间的第二时间延迟，确定第一时间延迟与第二时间延迟之间所测量的时间延迟的变化；和利用所测量的时间延迟的变化来推断回流钻进流体的流量的变化。
[0018]在一种形式中，这可以通过脉动地将示踪气体注入到回流钻进流体中而实现，以允许检测和监测流量的变化。
【附图说明】
[0019]图1显示了本发明的钻进系统的简图；
[0020]图2是代表检测井涌或流体损耗的方法的步骤的示图；和
[0021]图3是显示了钻进深度、所测量的示踪气体浓度、所测量的地层气体和所计算的钻进流体流量的记录曲线的假想实例。
【具体实施方式】
[0022]钻进系统
[0023]图1示出了依照第一实施例的钻进系统I的简图。钻进系统I包括钻柱3，所述钻柱具有位于一个端部处的用于钻进井眼7的钻头5。钻进流体泵9经由钻柱3沿着井眼7向下泵送钻进流体，其中，钻进流体在钻头5处或在钻头附近排出。然后，钻进流体经由钻柱3周围的环空11回流到井眼7的井头13。回流钻进流体包括来自井眼7周围的地层中的溶解的地层气体。设置示踪气体注入器15来以测定的流量将示踪气体注入到回流钻进流体中。带有示踪气体的回流钻进流体在流送管17中传送，随后，气体抽取器21从回流钻进流体中抽取示踪和地层气体的样本。所抽取的气体(包括示踪气体和地层气体)接着被提供给用于确定所抽取的气体样本中示踪气体的浓度的气体分析设备23。可以设置一泥浆振动筛19来从回流钻进流体中移除切肩及其它固体，回流钻进流体再循环到钻进流体泵9以沿着井眼7向下泵送。在一个实施例中，该系统I包括用于监测和/或控制钻进操作的监测或控制系统25。监测或控制系统25从气体分析设备23接收数据，并通过用户界面27显示原始数据或处理的数据。
[0024]注意，本发明的某些方面可以在可由计算机执行的系统和计算机方法的概括内容中描述和实施。这样的计算机可执行指令可以包括程序、过程、对象、组元、数据结构和可用于执行特定任务和处理抽象数据类型的计算机软件技术。本发明的软件实现可以用不同的语言进行编码，以便应用在各种计算平台和环境中。应该明白，本发明的范围和基本原理不局限于任何特定计算机软件技术。
[0025]而且，供计算机处理器使用的制品，例如⑶、预先录制的盘或其它等效装置，可以包括记录在其上的用于指导计算机处理器便于实施和实现本发明的计算机程序存储介质和程序装置。这样的装置和制品也落入本发明的精神和范围之内。
[0026]现在将详细地描述钻进系统I的部件。钻柱3、钻头5、钻进流体泵9和泥浆振动筛19是油气钻进工业中已知的，没有必要进一步详细地论述这些部件。
[0027]示踪气体注入器
[0028]示踪气体注入器15将一种或更多种示踪气体注入到回流钻进流体中。注入点可以位于接收回流钻进流体的井头13处或附近，或者可以位于在回流钻进流体被注入到井头13之后的回流钻进流体的流(处于井头13处或附近)中。
[0029]理想地，示踪气体以恒定流量被引入到钻进流体中。这可以通过气量计进行调节，以确保不踪气体随着时间推移以恒定体积被引入(例如升气体/每分钟)。在一个实施例中，可能所希望的是，保持被引入的示踪气体的恒定压力和/或温度以确保示踪气体的恒定质量流量。替代性地，通过测量包括压力、温度、气体流速、随着时间推移被引入的气体体积等等以及计算保持进入