用于鉆井泥漿的多模態(tài)分析和處理的裝置和方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請要求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的美國臨時申請的優(yōu)先權。
技術領域
[0003] 本發(fā)明總體上涉及用于多模態(tài)鉆井泥漿的分析和處理的裝置和方法，以及基于 NMR/MRI (核磁共振/磁共振成像）的多部件集成系統(tǒng)及其方法。
【背景技術】
[0004] 鉆井泥漿是用于鉆油井的復雜流體。它們的功能包括攜帶巖肩到地面、維持對巖 層的足夠的壓力、以及潤滑和冷卻鉆頭。鉆井泥漿包括油基泥漿和水基泥漿。油基泥漿配 方包括基油和添加劑，所述添加劑例如是水滴、表面活性劑、親有機物質的粘土、增粘劑等， 其被用來賦予泥漿特定的性質。鉆井泥漿通常被描述為是具有屈服應力的觸變剪切稀化流 體。由于其復雜的成分，鉆井泥漿顯示出可能根據流動和剪切條件而改性的內部結構，這可 能導致不均勻的現(xiàn)象。因此，重要的是開發(fā)允許與流變學測量并行的可視化流體內部結構 的研宄技術。
[0005] 在鉆機上，泥漿通過鉆柱從泥漿池泵送，它從鉆頭上的噴嘴噴射出，在此過程中清 潔并冷卻鉆頭。所述泥漿然后攜帶壓碎的或切割的巖石（"鉆肩"）沿著在鉆柱與被鉆孔的 側面之間的環(huán)形空隙（"環(huán)形空間"）向上，向上穿過地面套管，在那里它返回出現(xiàn)在地面。 鉆肩然后或者用振動篩，或者用較新的頁巖輸送技術過濾掉，而泥漿返回到泥漿池。所述泥 漿池讓鉆出的"細肩"沉淀；所述池還是流體通過添加化學品和其它物質而被處理的地方。
[0006] 返回的泥漿可以包含天然氣或其它易燃材料，這將在振動篩/輸送機區(qū)域中和振 動篩/輸送機區(qū)域周圍聚集，或者在其它作業(yè)區(qū)域中聚集。由于要是它們點燃會引發(fā)火災 或爆炸的危險，通常安裝專用的監(jiān)測傳感器和防爆認證設備，并且工人應采取安全防范措 施。泥漿然后被沿孔向下泵送返回并進一步循環(huán)。在測試之后，泥漿在泥漿池中被定期地 處理以確保其性質，所述性質優(yōu)化并提高鉆井效率、井孔穩(wěn)定性和下面列出的其它要求。
[0007]鉆井泥漿基于它們的流體相、堿度、分散性和使用的化學品類型而進行分類。分散 的系統(tǒng)是淡水泥漿一低pH泥漿（7. 0-9. 5)，包括鉆探、膨潤土、天然、磷酸鹽處理的泥漿、有 機泥漿和有機膠體處理泥漿。高pH泥漿具有高于約9. 5的pH值。水基鉆井泥漿抑制粘土 的水化和分散。有四種類型：高pH石灰泥漿和低pH值石膏、海水和飽和鹽水泥漿。非分 散系統(tǒng)是低固泥漿。這些泥漿含有體積百分比小于3%至6%且重量百分比小于9. 5鎊/ 加侖（lbs/gal)的固體。大部分這種類型的泥漿是水基的，具有不同的膨潤土和聚合物的 量。乳化通常從水中的油（油乳化泥漿）和油中的水（反油乳化泥漿）選擇。油基泥漿含 有作為連續(xù)相的油和作為污染物而不是作為泥漿設計中的元素的水。它們一般含有少于 5% (體積百分比）的水。油基泥漿通常是柴油和瀝青的混合物，但是它們可以以所生產的 原油和泥楽為基礎，參見 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) 報告了耦合到磁共振成像（MRI)的流變試驗。使用這種技術，他們已經確定了在粘度流中 的速度分布圖。Coussot等人沒有公開或教導在回收的鉆井泥漿的處理中使用MRI。
[0009] 授予Numar公司的美國專利6268726 (下文中稱為'726)公開了一種NMR測量隨 鉆工具，其具有機械強度和測定靈敏度以在鉆井孔時執(zhí)行地層的NMR測量，并且公開了一 種用于監(jiān)測測量工具的運動的方法和裝置，以便在處理來自井孔的NMR信號時將這個運動 考慮在內。'726還公開了一種裝置，其中，它的工具具有永磁體、圍繞磁體的由非磁性材料 制成的鋼套環(huán)、定位在套環(huán)外部的天線、以及軟磁性材料，其中所述永磁體的磁場方向基本 上垂直于井孔軸線，所述軟磁性材料相對于套環(huán)和磁體以預定關系定位，使得有助于塑造 工具的磁場。由于所述非磁性套環(huán)，工具在鉆井孔時可經受井孔環(huán)境中的極端條件。運動 管控裝置和方法被用來確定可進行NMR測量而測量準確性不受工具的運動或其空間朝向 影響的時間段。
[0010] 涉及鉆井時的實際NMR測量的其它專利包括美國專利No. 5, 705, 927 ;美國專 利 No. 5, 557, 201 ;美國專利 No. 5, 280, 243 ;美國專利 No. 6, 362, 619、No. 8, 373, 412 和 No. 8, 143, 887。
[0011] 多因素鑒定（也稱MFA、雙因素鑒定、兩步鑒定、TFA、T-FA或2FA)是一種需要展示 三個鑒定因素中的兩個或兩個以上的鑒定方法，所述三個鑒定因素是：知識因素（"只有用 戶知道的事情"）、占有因素（"只有用戶擁有的事情"）、以及內在因素（"只有用戶是的事 情"）。在展示之后，為了進行鑒定，每個因素必須由另一方認證。
[0012] 一種公鑰證書（也稱為數(shù)字證書或身份證書）是使用數(shù)字簽名以將公鑰與身份結 合的電子文檔，所述身份是諸如人或機構的名字、地址和電子郵件地址的信息。所述證書可 以被用來核實公鑰屬于個人。
[0013] 在典型的公鑰基礎結構（PKI)方案中，簽名將是證書頒發(fā)機構（CA)的。在信任網 絡的方案中，簽名可以是該用戶（自簽名證書）的或是其它用戶（"背書"）的。在任一情 況下，證書上的簽名是身份信息和公鑰一起所屬的證書簽名者的證明。
[0014] 美國專利申請20110270525公開了石油和天然氣的生產需要專門的井裝備，例如 在極端條件下工作的管道、閥門，接頭和配件，所述極端條件包括例如高的壓力、溫度、揮發(fā) 性和腐蝕性。這樣的條件促使井裝備快速磨損，并增加故障的可能性。此外，當井裝備確 實發(fā)生故障時，故障的影響通常是災難性的。例如，井裝備的故障可能導致巨大的爆炸，傷 害工人、破壞財產、并在相當長的時間內中斷操作一可能在負債、維修和收入損失中耗資數(shù) 百萬美元。
[0015] 美國專利6907375公開了油回收系統(tǒng)的診斷和分析，以及用于與油回收過程的優(yōu) 化相關聯(lián)的事件的肯定報告和理解的人機界面。這提出了用于監(jiān)測和分析來自多個鉆機中 的至少一個第一鉆機上的監(jiān)測器的多個信號的方法。
[0016] 包括泥漿相關參數(shù)的連續(xù)的單步在線測量的用于鉆井泥漿的實時測量、特別是用 于泥漿回收條件和處理的優(yōu)化的多模態(tài)和基于MRI/NMR的多模態(tài)分析系統(tǒng)和方法仍然是 長期以來的需要。此外，另一未實現(xiàn)的需要是用于限定泥漿的特性以便優(yōu)化和提高鉆井效 率、井孔穩(wěn)定性和上述其它要求的測量系統(tǒng)，泥漿的特性例如是它的流體相、堿度、分散性 和要添加的化學制品的類型。

【發(fā)明內容】

[0017] 由此，本發(fā)明的目的是公開一種用于鉆井泥漿再循環(huán)系統(tǒng)中的分析系統(tǒng)，所述鉆 井泥漿再循環(huán)系統(tǒng)包括：（a)包括入口和出口的處理單元，包括至少一個部件，所述至少一 個部件從由下述構成的組中選擇：用于過濾所述鉆井泥漿的過濾裝置；用于清潔所述鉆井 泥漿的清潔裝置；振動篩；至少一個泥漿池；和與所述內部流動可關閉地流體連接的至少 一個貯存器；(b)至少一個導管，穿過所述處理單元；所述入口和出口構造成經由所述導管 流體連接到鉆井裝置；（c)流動裝置，用于產生鉆井泥漿通過所述導管從所述入口到所述 出口的內部流動，并且，當所述處理單元流體連接到所述鉆井裝置時，鉆井泥漿通過所述導 管從所述鉆井裝置流到所述入口，并且鉆井泥漿通過所述導管從所述出口回流到所述鉆井 裝置；（d)可選地，從由下述構成的組中選擇的至少一個部件：流速測量裝置，用于測量所 述鉆井泥漿流動通過所述至少一個導管的至少一部分的速率；壓力測量裝置，用于測量所 述鉆井泥漿在所述至少一個導管的至少一部分中的壓力；和，壓差測量裝置，用于測量所述 鉆井泥漿的所述流動在沿著所述導管的兩個預定點之間的壓力差；(e)可選地，（i)構造成 用于容納用過的鉆井液的儲罐；（ii)耦接到所述儲罐的出口的密度分離設備，所述密度分 離設備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，構造成用于將用過的鉆井液從所述儲罐移到所述密度分離裝置；和（ii)流 體液位控制系統(tǒng)，構造成用于將所述用過的鉆井液在所述儲罐中的液位調節(jié)成防止空氣引 入所述泵的液位；以及，（f)再循環(huán)控制系統(tǒng)，用于控制所述處理單元和所述流動裝置；其 中，所述分析系統(tǒng)包括：(a)分析裝置，構造成提供對流過所述再循環(huán)系統(tǒng)的鉆井泥漿的至 少一種化學或物理性質的實時分析，并實時地報告和/或記錄所述分析的結果和/或實時 地將所述分析的結果與一存儲值相比較，所述分析裝置包括圍繞所述導管布置的至少一個 磁共振設備；可選地，（b)樣品提取和傳送裝置，用于從所述鉆井泥漿流中提取樣品并將所 述樣品傳送到所述分析裝置；和（c)數(shù)據連接，構造成用于將來自所述分析裝置的所述分 析的所述結果傳送到從由下述構成的組中選擇的至少一個接收器：所述再循環(huán)控制系統(tǒng)； 未連接到所述再循環(huán)系統(tǒng)的接收站；所述再循環(huán)系統(tǒng)的操作者；和所述分析裝置的操作 者。
[0018] 本發(fā)明的另一目的是公開一種如上述任一限定的分析系統(tǒng)，其中，所述至少一個 導管包括至少一個分支導管，并且所述磁共振設備圍繞所述分支導管布置。
[0019] 本發(fā)明的另一目的是公開一種如上述任一限定的分析系統(tǒng)，其中所述分析裝置附 加地包括下述中至少之一 ：（a)從由下述構成的組中選擇的分析裝置：溫度計；