用于确定钻杆位置的系统和方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体涉及钻井领域，尤其涉及一种在钻井过程中用于确定钻杆位置的系统 和方法。
【背景技术】
[0002] 在钻井时，可转动的钻头设置在钻杆上，海面平台通过钻杆对钻头进行控制，钻杆 驱动钻头转动，从而从海床下钻出井孔。在此期间，来自设置在海面平台的流体罐中的钻井 液通过钻杆到达钻头，然后，通过设置在钻杆和立管之间的环形空间来返回流体罐中。钻井 液维持了一定的静水压力来平衡来自井孔的流体的压力并对钻头进行冷却。另外，钻井液 与井孔形成过程中产生的物料相混合以返回并携带其到海面进行处理。
[0003] 在钻井过程中，当从井壁中进入井孔中的流体的压力大于钻井液的压力时，则会 导致井壁中的流体随同钻井液一同进入环形空间中，从而产生较大压力的返回的钻井液， 如果控制不当就会导致井喷的发生。因此，需要对返回的钻井液进行实时的监控测量以确 定是否会发生井喷。通常，通过测量返回的钻井液的流量来监控井喷的发生。而在测量返 回的钻井液的流量时，钻杆位置起到至关重要的作用。另外，通过钻杆位置可以确定出钻杆 直径变化，从而当封井装置将被关闭时可以避免钻杆的接头处。因此，确定出钻杆位置对于 钻井具有重要作用。
[0004] 因此，有必要提供一种系统和方法以解决如上所述的至少一个问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的一个方面在于提供一种用于确定钻杆位置的系统，其包括超声传感器阵 列、超声收发装置及信号处理装置。其中，所述超声传感器阵列被设置在管道上，其中，所述 管道用于收容钻杆，在所述管道与所述钻杆之间形成用于通过返回的钻井液的环形空间。 所述超声收发装置用于激励所述超声传感器阵列，并且用于用于通过所述超声传感器阵列 来向所述环形空间发射多个超声信号并且接收多个超声信号。信号处理装置用于对所述接 收到的多个超声信号进行处理，以估算出所述钻杆的位置。
[0006] 本发明的另一个方面在于提供一种用于确定钻杆位置的方法，其包括：
[0007] 通过超声传感器阵列来向形成于管道和所述管道内的钻杆之间的环形空间发射 多个超声信号；
[0008] 通过所述超声传感器阵列来接收多个超声信号；及
[0009] 对所述接收到的多个超声信号进行处理，以估算出所述钻杆的位置。
[0010] 根据本发明的【具体实施方式】的用于确定钻杆位置的系统和方法不要求超声必须 到达钻杆，其可以通过对由超声传感器阵列所接收到的多个超声信号进行分析和处理，即 使在超声到达钻杆的强度很小的情况下，也可以估算出钻杆的位置，进而也可以基于钻杆 的位置估算出钻杆随时间变化的运动轨迹，进一步提高流速测量的准确性。本发明的用于 确定钻杆位置的方法对于钻井应用具有较高的实用性和可靠性。
【附图说明】
[0011] 当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得 更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
[0012] 图1是根据本发明的一个【具体实施方式】的用于确定钻杆位置的系统的示意性框 图；
[0013] 图2是图1中的立管的剖视图；
[0014] 图3是图1中的信号处理装置的示意性结构框图；
[0015] 图4是使用空间连续性来估算钻杆位置时的示意图；
[0016] 图5是使用平均速度来估算钻杆位置时的示意图；及
[0017] 图6是根据本发明的一个【具体实施方式】的用于确定钻杆位置的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0018] 为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附 图详细描述本发明的【具体实施方式】。在以下对这些【具体实施方式】的详细描述中，本说明书 对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
[0019] 除非另作定义，本权利要求书和说明书中所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 中所使用的"第一"、"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。"包括"或者"具有"等类似的词语意指出现在"包括"或者"具有"前面的元件或 者物件涵盖出现在"包括"或者"具有"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。"连接"或者"相连"等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接， 而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0020] 图1示出根据本发明的一个【具体实施方式】的用于确定钻杆位置的系统的示意性 框图。本发明的用于确定钻杆位置的系统100可用来钻探井孔，从而来开采碳氢化合物，例 如化石燃料等。其中，井孔包括陆上井孔和海上井孔。现在参照图1所示，根据本发明的一 个【具体实施方式】的用于确定钻杆位置的系统100包括设置在管道11上的超声传感器阵列 21、22、23、24、超声收发装置3及信号处理装置4。在本发明的一个示例中，管道11被示为 包括立管（riser)，以下将以管道11包括立管为例来进行描述。然而，这仅作为本发明的 管道11的一个示意性例子，本发明的管道11并不限于此。在本发明的另一个示例中，管道 11也可以包括套管（casing)。
[0021] 图2示出图1中的立管11的剖视图，如图1并结合参照图2所示，立管11可收容 钻杆12及通过返回的钻井液130,在立管11与钻杆12之间形成环形空间13,钻杆12是由 多个具有一定长度的管体首尾相连形成，钻杆12设置在立管11中并且沿着立管11的长度 方向在立管11中延伸。在钻杆12的底端可旋转地安装有钻头（未图示），利用立管11、钻 杆12及其上的钻头来开凿出井孔。来自平台（未图示）的钻井液120(通常也被称为钻井 泥浆）通过钻杆12输送到井孔中。在钻井的过程中，来自井孔中的返回的钻井液130可通 过环形空间13返回到平台。钻井液120维持了一定的静水压力来平衡来自井孔的返回的 钻井液130的压力并对钻头进行冷却，同时，钻井液120把在开凿井孔过程中产生的物料， 如破碎的岩石等带到水面。在一个【具体实施方式】中，来自平台的钻井液120可包括水或油 和多种添加物。返回的钻井液130可至少包括钻井液120和开凿井孔过程中产生的物料的 混合物。在平台上，返回的钻井液130可被进行处理，比如进行过滤，来移除其中的固体物 质后可重新进行循环。
[0022] 如图1和图2所示，超声传感器阵列21、22、23、24被设置在立管11上。在本发明 的一个【具体实施方式】中，超声传感器阵列21、22、23、24设置在立管11的周围并且彼此间隔 设置。在本【具体实施方式】中，超声传感器阵列21、22、23、24设置在立管11的外表面上。然 而，超声传感器阵列的设置位置并不限于此，在其他【具体实施方式】中，超声传感器阵列21、 22、23、24也可设置在立管11的内表面上或立管11中，从而作为接触式感应器来接触返回 的钻井液130以进行监测。在非限定的一个【具体实施方式】中，超声传感器阵列21、22、23、24 中的每一个超声传感器为多普勒超声传感器，其具有较高的感应准确度。当然，超声传感器 的类型并不限于此，其也可以使用其他合适的感应装置。在本发明的【具体实施方式】中，超声 传感器阵列21、22、23、24包括设置在立管11周围的四个超声传感器21、22、23、24，然而， 超声传感器阵列21、22、23、24所包括的超声传感器的数量并不限于四个，其可以为任意多 个。当然，为了能够更加精确地估算出钻杆12的位置，并且兼顾信号处理装置4的处理速 度，超声传感器阵列21、22、23、24可以包括适当多个超声传感器。
[0023] 超声收发装置3与超声传感器阵列21、22、23、24电性连接，超声收发装置3用于 激励超声传感器阵列21、22、23、24。在实际应用中，超声收发装置3通过超声传感器阵列 21、22、23、24来向立管11和钻杆12之间的环形空间13发射多个超声信号，并且，通过超声 传感器阵列21、22、23、24来接收多个超声信号。接收到的多个超声信号可能包括来自钻杆 12反射回来的超声信号、来自返回的钻井液130中的颗粒物散射回来的超声信号或者两者 的组合。
[0024] 信号处理装置4可与超声收发装置3进行通讯，以对接收到的多个超声信号进行 处理，从而能够估算出钻杆12的位置，并且，进而能够基于钻杆12的位置估算出钻杆12随 时间变化的运动轨迹。
[0025] 如图1所示，用于确定钻杆位置的系统100还包括控制装置5,超声收发装置3在 控制装置5的控制下，通过超声传感器阵列21、22、23、24来发射及接收超声信号。
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