用于钻井泥浆的多模态分析和处理的装置和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年3月23日提交的No. 61/969175、2014年5月14日提交的 No. 61/992919、以及2014年7月28日提交的No. 62/029585的美国临时申请的优先权。
技术领域
[0003] 本发明总体上涉及用于多模态钻井泥浆的分析和处理的装置和方法，以及基于 NMR/MRI (核磁共振/磁共振成像）的多部件集成系统及其方法。
【背景技术】
[0004] 钻井泥浆是用于钻油井的复杂流体。它们的功能包括携带岩肩到地面、维持对岩 层的足够的压力、以及润滑和冷却钻头。钻井泥浆包括油基泥浆和水基泥浆。油基泥浆配 方包括基油和添加剂，所述添加剂例如是水滴、表面活性剂、亲有机物质的粘土、增粘剂等， 其被用来赋予泥浆特定的性质。钻井泥浆通常被描述为是具有屈服应力的触变剪切稀化流 体。由于其复杂的成分，钻井泥浆显示出可能根据流动和剪切条件而改性的内部结构，这可 能导致不均匀的现象。因此，重要的是开发允许与流变学测量并行的可视化流体内部结构 的研宄技术。
[0005] 在钻机上，泥浆通过钻柱从泥浆池泵送，它从钻头上的喷嘴喷射出，在此过程中清 洁并冷却钻头。所述泥浆然后携带压碎的或切割的岩石（"钻肩"）沿着在钻柱与被钻孔的 侧面之间的环形空隙（"环形空间"）向上，向上穿过地面套管，在那里它返回出现在地面。 钻肩然后或者用振动筛，或者用较新的页岩输送技术过滤掉，而泥浆返回到泥浆池。所述泥 浆池让钻出的"细肩"沉淀；所述池还是流体通过添加化学品和其它物质而被处理的地方。
[0006] 返回的泥浆可以包含天然气或其它易燃材料，这将在振动筛/输送机区域中和振 动筛/输送机区域周围聚集，或者在其它作业区域中聚集。由于要是它们点燃会引发火灾 或爆炸的危险，通常安装专用的监测传感器和防爆认证设备，并且工人应采取安全防范措 施。泥浆然后被沿孔向下泵送返回并进一步循环。在测试之后，泥浆在泥浆池中被定期地 处理以确保其性质，所述性质优化并提高钻井效率、井孔稳定性和下面列出的其它要求。
[0007]钻井泥浆基于它们的流体相、碱度、分散性和使用的化学品类型而进行分类。分散 的系统是淡水泥浆一低pH泥浆（7. 0-9. 5)，包括钻探、膨润土、天然、磷酸盐处理的泥浆、有 机泥浆和有机胶体处理泥浆。高pH泥浆具有高于约9. 5的pH值。水基钻井泥浆抑制粘土 的水化和分散。有四种类型：高pH石灰泥浆和低pH值石膏、海水和饱和盐水泥浆。非分 散系统是低固泥浆。这些泥浆含有体积百分比小于3%至6%且重量百分比小于9. 5镑/ 加仑（lbs/gal)的固体。大部分这种类型的泥浆是水基的，具有不同的膨润土和聚合物的 量。乳化通常从水中的油（油乳化泥浆）和油中的水（反油乳化泥浆）选择。油基泥浆含 有作为连续相的油和作为污染物而不是作为泥浆设计中的元素的水。它们一般含有少于 5% (体积百分比）的水。油基泥浆通常是柴油和沥青的混合物，但是它们可以以所生产的 原油和泥楽为基础，参见 M. G. Prammer, E. Drack, G. et al. 2001. The Magnetic-Resonance While-Drilling Tool:Theory and Operation, SPE Reservoir Evaluation&Engineering 4 (4)72495-PA.)。
[0008] Coussot 等人（Oil&Gas Science and Technology-Rev. IFP, 59 (1) 2004pp. 23-29) 报告了耦合到磁共振成像（MRI)的流变试验。使用这种技术，他们已经确定了在粘度流中 的速度分布图。Coussot等人没有公开或教导在回收的钻井泥浆的处理中使用MRI。
[0009] 授予Numar公司的美国专利6268726 (下文中称为'726)公开了一种NMR测量随 钻工具，其具有机械强度和测定灵敏度以在钻井孔时执行地层的NMR测量，并且公开了一 种用于监测测量工具的运动的方法和装置，以便在处理来自井孔的NMR信号时将这个运动 考虑在内。'726还公开了一种装置，其中，它的工具具有永磁体、围绕磁体的由非磁性材料 制成的钢套环、定位在套环外部的天线、以及软磁性材料，其中所述永磁体的磁场方向基本 上垂直于井孔轴线，所述软磁性材料相对于套环和磁体以预定关系定位，使得有助于塑造 工具的磁场。由于所述非磁性套环，工具在钻井孔时可经受井孔环境中的极端条件。运动 管控装置和方法被用来确定可进行NMR测量而测量准确性不受工具的运动或其空间朝向 影响的时间段。
[0010] 涉及钻井时的实际NMR测量的其它专利包括美国专利No. 5, 705, 927 ;美国专 利 No. 5, 557, 201 ;美国专利 No. 5, 280, 243 ;美国专利 No. 6, 362, 619、No. 8, 373, 412 和 No. 8, 143, 887。
[0011] 多因素鉴定（也称MFA、双因素鉴定、两步鉴定、TFA、T-FA或2FA)是一种需要展示 三个鉴定因素中的两个或两个以上的鉴定方法，所述三个鉴定因素是：知识因素（"只有用 户知道的事情"）、占有因素（"只有用户拥有的事情"）、以及内在因素（"只有用户是的事 情"）。在展示之后，为了进行鉴定，每个因素必须由另一方认证。
[0012] 一种公钥证书（也称为数字证书或身份证书）是使用数字签名以将公钥与身份结 合的电子文档，所述身份是诸如人或机构的名字、地址和电子邮件地址的信息。所述证书可 以被用来核实公钥属于个人。
[0013] 在典型的公钥基础结构（PKI)方案中，签名将是证书颁发机构（CA)的。在信任网 络的方案中，签名可以是该用户（自签名证书）的或是其它用户（"背书"）的。在任一情 况下，证书上的签名是身份信息和公钥一起所属的证书签名者的证明。
[0014] 美国专利申请20110270525公开了石油和天然气的生产需要专门的井装备，例如 在极端条件下工作的管道、阀门，接头和配件，所述极端条件包括例如高的压力、温度、挥发 性和腐蚀性。这样的条件促使井装备快速磨损，并增加故障的可能性。此外，当井装备确 实发生故障时，故障的影响通常是灾难性的。例如，井装备的故障可能导致巨大的爆炸，伤 害工人、破坏财产、并在相当长的时间内中断操作一可能在负债、维修和收入损失中耗资数 百万美元。
[0015] 美国专利6907375公开了油回收系统的诊断和分析，以及用于与油回收过程的优 化相关联的事件的肯定报告和理解的人机界面。这提出了用于监测和分析来自多个钻机中 的至少一个第一钻机上的监测器的多个信号的方法。
[0016] 包括泥浆相关参数的连续的单步在线测量的用于钻井泥浆的实时测量、特别是用 于泥浆回收条件和处理的优化的多模态和基于MRI/NMR的多模态分析系统和方法仍然是 长期以来的需要。此外，另一未实现的需要是用于限定泥浆的特性以便优化和提高钻井效 率、井孔稳定性和上述其它要求的测量系统，泥浆的特性例如是它的流体相、碱度、分散性 和要添加的化学制品的类型。
【发明内容】
[0017] 由此，本发明的目的是公开一种用于钻井泥浆再循环系统中的分析系统，所述钻 井泥浆再循环系统包括：（a)包括入口和出口的处理单元，包括至少一个部件，所述至少一 个部件从由下述构成的组中选择：用于过滤所述钻井泥浆的过滤装置；用于清洁所述钻井 泥浆的清洁装置；振动筛；至少一个泥浆池；和与所述内部流动可关闭地流体连接的至少 一个贮存器；(b)至少一个导管，穿过所述处理单元；所述入口和出口构造成经由所述导管 流体连接到钻井装置；（c)流动装置，用于产生钻井泥浆通过所述导管从所述入口到所述 出口的内部流动，并且，当所述处理单元流体连接到所述钻井装置时，钻井泥浆通过所述导 管从所述钻井装置流到所述入口，并且钻井泥浆通过所述导管从所述出口回流到所述钻井 装置；（d)可选地，从由下述构成的组中选择的至少一个部件：流速测量装置，用于测量所 述钻井泥浆流动通过所述至少一个导管的至少一部分的速率；压力测量装置，用于测量所 述钻井泥浆在所述至少一个导管的至少一部分中的压力；和，压差测量装置，用于测量所述 钻井泥浆的所述流动在沿着所述导管的两个预定点之间的压力差；(e)可选地，（i)构造成 用于容纳用过的钻井液的储罐；（ii)耦接到所述储罐的出口的密度分离设备，所述密度分 离设备包括提供溢出流的溢流出口和提供含有比所述溢出流密度更大的材料的下溢流的 下溢出口；泵，构造成用于将用过的钻井液从所述储罐移到所述密度分离装置；和（ii)流 体液位控制系统，构造成用于将所述用过的钻井液在所述储罐中的液位调节成防止空气引 入所述泵的液位；以及，（f)再循环控制系统，用于控制所述处理单元和所述流动装置；其 中，所述分析系统包括：(a)分析装置，构造成提供对流过所述再循环系统的钻井泥浆的至 少一种化学或物理性质的实时分析，并实时地报告和/或记录所述分析的结果和/或实时 地将所述分析的结果与一存储值相比较，所述分析装置包括围绕所述导管布置的至少一个 磁共振设备；可选地，（b)样品提取和传送装置，用于从所述钻井泥浆流中提取样品并将所 述样品传送到所述分析装置；和（c)数据连接，构造成用于将来自所述分析装置的所述分 析的所述结果传送到从由下述构成的组中选择的至少一个接收器：所述再循环控制系统； 未连接到所述再循环系统的接收站；所述再循环系统的操作者；和所述分析装置的操作 者。
[0018] 本发明的另一目的是公开一种如上述任一限定的分析系统，其中，所述至少一个 导管包括至少一个分支导管，并且所述磁共振设备围绕所述分支导管布置。
[0019] 本发明的另一目的是公开一种如上述任一限定的分析系统，其中所述分析装置附 加地包括下述中至少之一 ：（a)从由下述构成的组中选择的分析装置：温度计；