用于实时测量钻井流体中气体含量的系统和方法
【专利说明】用于实时测量钻井流体中气体含量的系统和方法
[0001 ]发明背景
[0002]本公开涉及用于监测钻井流体的系统和方法，并且更具体地说，涉及使用光学计算设备实时测量钻井流体中的气体含量并且响应于此调整一个或多个钻井参数的系统和方法。
[0003]在产烃井的钻井期间，钻井流体或“泥楽”不断从表面向下循环到所钻出的井眼底部并再返回到表面。钻井流体提供多种功能，其中一个功能是将井眼钻肩向上传输到与钻井流体分离的表面。钻井流体的另一个功能是冷却钻头并且将液体静压力提供在钻出的钻孔壁上以阻止井眼坍塌并阻止气体或液体从正在钻的地层流入。
[0004]在石油和天然气工业中，将分析返回到表面时的钻井流体视为对潜在的含烃储层区的第一重要的鉴定，从而提供重要数据以指导后续评估和测试。此类分析和测试通常被称为“泥浆录井”分析。当储层区被最初穿透时可通过泥浆录井来评估储层区，从而基本上阻止后期钻井对能够限制许多其他评估技术效果的地层的改变。
[0005]泥浆录井通常包括当钻井流体返回到表面时对存在于钻井流体中的地层气体的测量和分析。此类分析对于提供关于当钻井时可能出现的烃和非烃气体种类的数据可以是有价值的。具体地说，知道在钻井流体中的烃和非烃气体的存在和浓度提供钻头碰到的地层的指示并且提供确定从井中获得烃的可行性的基础。此类分析提供的信息在烃储层的计划和开发中以及在储层的容量和性能的评估中至关重要。
[0006]通常使用实验室分析离线进行钻井流体的泥浆录井分析，所述实验室分析需要提取钻井流体的样品并且随后通常在分离位置进行受控测试程序。然而，根据所要求的分析，这种方法可能需要数小时到数天来完成，并且即使在最好的情况下，工作通常将会在获得分析之前完成。虽然离线，但是在某些情况下回顾性分析可能是令人满意的，然而它们没有实时或近实时的分析能力。因此，不会发生对钻井操作的主动控制，至少当等待分析的结果时，不会发生严重过程破坏。由于在收集与分析之间的延迟时间期间钻井流体的提取样品的特征常常变化，所以离线、回顾性分析对于确定钻井流体的真实特征也可能是不令人满意的，从而使样品的特性不能指示真实化学组分或特征。
[0007]附图简述
[0008]以下图包括了用于说明本公开的特定方面，并且不应视作排它性实施方案。如本领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在许多修改、改变、组合和等效形式。
[0009]图1示出根据一个或多个实施方案的示例性集成计算元件。
[0010]图2示出根据一个或多个实施方案的用于监测流体的示例性光学计算设备。
[0011]图3示出根据一个或多个实施方案的用于监测流体的另一个示例性光学计算设备。
[0012]图4示出根据一个或多个实施方案的可采用用于监测流体的一个或多个光学计算设备的示例性钻井组件。
[0013]图5A-5D示出根据一个或多个实施方案的由气体含量的测量形成的示例性图形输出。
[0014]详述
[0015]本公开涉及用于监测钻井流体的系统和方法，并且更具体地说，涉及使用光学计算设备实时测量钻井流体中的气体含量并且响应于此调整一个或多个钻井参数的系统和方法。
[0016]本文所述的示例性系统和方法采用光学计算设备(通常也称为“光学分析设备”)的各种配置和布置，以实时地或近实时地监测流体，如钻井流体。在操作中，示例性系统和方法对于确定流体的一种或多种特性或特征，如存在于流体内的一种或多种气体的类型和浓度来说是有用或以其他方式有利的。光学计算设备可有利地提供实时流体监测，目前不可在施工现场利用就地分析或通过在实验室进行的更详细的分析来获得所述实时流体监测。这些设备的显著和明显的优点是它们可被配置来具体地检测和/或测量流体的感兴趣的特定组分或特征，从而允许对流体进行定性和/或定量分析而不需要在远离现场的实验室提取样品并对样品进行耗时分析。
[0017]由于所描述的光学计算设备提供用于监测石油/天然气相关流的体(如钻井流体)的成本有效、坚固且精确的装置，所以本文所公开的系统和方法可适用于石油和天然气工业。具体地说，系统和方法可证明有利于用于泥浆录井气体分析，从而提供关于当在地面以下针对烃储层的开采而钻孔时可能遇到的烃和非烃气体种类的持续数据流。当钻井流体返回到表面时，例如，它可能含有包含在已被钻出的岩石中的烃(以及其他化合物)以及已从周围岩石地层漏入井眼中的另外的烃。对这些气体化合物的丰度的实时测量将得到关于岩石的烃含量的信息。
[0018]可将此类数据提供给钻井作业员以供解释并考虑，并且如果需要的话，钻井作业员可响应于此来改变各种钻井或完井参数。例如，根据正在被钻孔的岩石内检测到的气体的类型和浓度，钻井作业员可调整生产阀和/或节流口设置以便调节钻井操作的进程并且还可通过早期井涌检测使井眼井涌最小化。在其他情况下，钻井作业员可改变泥浆特性以致力于优化钻井效率或地层评估效率。基于数据的考虑可通过钻井作业员改变的其他钻井和完井参数包括改变计划的固井和/或加套程序并且优化完井设计。
[0019]在一些情况下，所述数据可揭示过量的危险或有毒气体正返回到表面。此类气体对钻井工作者和周围环境造成了潜在的健康危害。在这种情况下，钻井作业员可将一种或多种补救添加剂或成分引入到钻井流体以主动地减少有害/有毒的气体量。
[0020]在其他情况下，数据可指示在钻出的钻孔中(如在井眼的特定的横向轨迹处)的活力烃的增加量。在这种情况下，钻井作业员可操作钻井计划和/或地质导向，使得所得的井眼基本上在观察到的富含烃的层或区域中并穿过其形成。换句话说，可通过地质导向钻井设备操作或以其他方式改变井路径的计划轨迹，使得钻孔穿过比已穿过的富含烃层大的部分。
[0021]通过直接测量在钻井流体中的气体含量，不必从用于泥浆录井气体分析的流体提取气体样品。由于通常用于泥浆录井气体分析的气体提取过程不总是有效的(因为它取决于多个变量，其包括温度、流速、粘度、钻井流体类型等)，所以这可证明是尤其有利的。使用本文所述的光学计算设备将从分析中有效地消除所有这些变量。通过减少在分析中的变量，可极大地增加结果的精确度。由于有更少的活动部件，还可改善可靠性。此外，使用本文所述的光学计算设备显著减少流出井口的钻井流体与可用的测量结果之间的延迟时间。更新速率与传统提取系统相比也有了极大的改善。
[0022]可在钻井流体循环系统内的各个点处采用光学计算设备以监测钻井流体及其相关联的气体含量。根据特定光学计算设备的位置，可获得关于流体的不同类型的信息。在一些情况下，例如，光学计算设备可用来监测钻井流体循环流入和流出井眼之前和之后的其中的气体的类型和浓度。在其他情况下，在通过传统钻井流体采样过程从钻井流体提取气体样品之后，光学计算设备可用来实时地分析所提取的气体样品。在其他情况下，光学计算设备可用来监测在或临近于井眼节流设备的钻井流体，以便当钻井流体在井眼条件循环时，实时地登记钻井流体的气体浓度。
[0023]如本文所用，术语“流体”是指任何能够流动的物质，包括颗粒固体、液体、气体、浆液、乳液、粉末、泥浆、混合物、它们的组合物等。在一些实施方案中，流体是钻井流体或钻井“泥楽”，其包括水基的钻井流体、油基的钻井流体、合成钻井流体等。在其他实施方案中，流体可以是完井流体或清理流体，如但不限于:淡水、盐水(例如，其中包含一种或多种溶解盐的水)、咸水(例如，饱和盐水、氯化物盐、溴化物盐、它们的组合物等)、海水、分隔流体、基流体或本领域已知的其他处理流体。
[0024]如本文所用，术语“特征”是指流体的化学、机械或物理特性。流体的特征可包括存在于流体中的一种或多种化学成分或化合物的定量值或浓度。在本文可将此类化学成分称为“分析物”。本文所公开的可利用光化学计算设备监测的物质的说明性特征可包括，例如，化学组分(例如，总体特性和浓度或单个组分或化合物)、相存在(例如，气体、油、水等)、杂质含量、pH、碱度、粘度、密度、离子强度、总溶解固体、含盐量(例如，盐度)、孔隙度、不透明度、细菌含量、总硬度、它们的组合、物态(固体、液体、气体、乳剂、混合物等)等等。
[0025]此外，短语“流体的感兴趣的特征/在流体中”在本文可用来指包含在流体中或以其他方式夹带在流体内的气体的浓度或特征。可利用光学计算设备监测或以其他方式测量的包含在钻井流体内的示例性气体，例如，包括但不限于:甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、异丁烷、异戊烷、新戊烷、苯、甲苯、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、乙酸、氩气、氦气、氧气、氮气、水、氢气、氧硫化碳、二硫化碳以及它们的任何组合。
[0026]如本文所用，术语“流动路径”是指流体能够在至少两个点之间传输的路径。在一些情况下，流体路径在两个点之间不必是连续的或以其他方式相连的。示例性流动路径包括但不限于:流线、管路、生产管、钻柱、工作管柱、套管、井眼、在井眼与布置在井眼内的任何管之间限定的环、泥浆池、地下地层等、它们的组合等等。应当注意，术语“流动路径”不一定意味着流体在其中流动，而是流体能够通过它传输或可以其他方式流动。
[0027]如本文所用，术语“电磁辐射”是指无线电波、微波辐射、红外线或近红外线辐射、可见光、紫外光、X射线辐射以及γ射线辐射。
[0028]如本文所用，术语“光学计算设备”是指被配置来接收与流体相关联的电磁辐射的输入并且产生来自布置在光学计算设备内的处理元件的电磁辐射的输出的光学设备。处理元件可以是，例如，在光学计算设备中使用的集成计算元件(ICE)，也称为多元光学元件(Μ0Ε)。改变与处理元件光学地相互作用的电磁辐射以便能够由检测器读出，使得检测器的输出可与流体的特征(例如，在流体中的气体的类型和浓度)相关。来自处理元件的电磁辐射输出可以是反射的电磁辐射、发送的电磁辐射和/或分散的电磁辐射。检测器是否分析反射、发送或分散的电磁辐射可以由光学计算设备的结构参数以及本领域技术人员已知的其他考虑因素来决定。此外，也可通过光学计算设备监测流体的放射和/或散射(例如，通过荧光、冷光、拉曼、米氏和/或瑞利散射)。
[0029]如本文所用，术语“光学地相互作用”或其变体是指在、通过或从一个或多个处理元件(即，集成计算元件或多元光学元件)、流体或存在于所述流体内的气体反射、传输、散射、衍射或吸收电磁辐射。因此，光学地相互作用的光是指已通过发射或再辐射(例如，使用处理元件，但是也可实施与流体或夹带在流体中的气体相互作用)而反射、传输、散射、衍射或吸收的电磁辐射。
[0030]本文所述的示例性系统和方法将包括至少一个光学计算设备，所述光学计算设备被布置成沿着流动路径或在流动路径中以监测其中所含的流体。每个光学计算设备可包括电磁辐射源、至少一个处理元件(例如，集成计算元件)以及至少一