自主式流体系统的制作方法

1.本公开内容涉及用于钻孔的钻探流体系统。更具体地，本公开内容涉及用于监测和/或控制钻探流体的组成的方法和系统。


背景技术：

2.诸如用于开采碳氢化合物或地热资源的地下井通常是通过旋转钻探来创建的。在旋转钻探过程中，旋转切割头或钻头经由机械扭矩或经由来自钻探流体的流体压力被旋转并驱动穿过地面。钻探流体还具有其他功能例如润滑切割头并且保持其冷却、将岩屑输送至地面以及防止地层流体进入钻孔。
3.图1示出了钻探装置1的简化示意图。钻机1包括向下延伸至钻孔3中并且终止于钻头8的钻柱2。钻柱2与钻孔3的壁之间的间隙是环隙3b。连接至钻柱2的是流体系统，该流体系统包括泵5，泵5被配置成从泥浆池6中抽取钻探流体。钻探流体由泵5驱动沿立管7向上，并且随后沿钻柱2下降。钻探流体在钻头8处离开钻柱2并且通过环隙3b沿钻孔3向上传递。然后将钻探流体沿流线9驱动至振动筛4，振动筛4将固体物质与钻探流体分离并且将流体返回至泥浆池6以进行再循环。
4.钻探流体可以是水基的、非水基的或者气动的，并且在每种情况下都包括各种添加剂。钻探流体的化学组成确定了钻探流体的物理特性，该钻探流体的物理特性又影响了钻探过程的效率。因此必须仔细控制钻探流体的组成。在商业钻探操作中，钻探流体工程师的责任是对钻探流体的组成进行监测，通常是通过以规则的间隔(例如，每六小时一次)采集流体样本。然后，钻探流体工程师确定需要哪些(如果有的话)添加剂，以及需要多少量的添加剂。钻探流体工程师将添加剂与钻探流体混合以提供期望流体特性。向钻探流体添加添加剂可以被称为配料。
5.维持或改变钻探流体的组成的正确化学配料方案是高度主观的并且部分取决于负责其管理的人员的经验和能力。因此，解释易于产生许多认知偏差并且依赖于钻探流体工程师的经验和培训的水平。
6.本发明寻求解决或改善上述问题，或者另外提供有用的可替选方案。


技术实现要素：

7.根据第一方面，提供了一种控制钻探流体的组成的方法。该方法可以包括接收钻探流体的特性的测量结果。该方法还可以包括确定钻探流体的多个组分中的每一个的浓度。该浓度可以通过将所测量的特性输入至流体模型来确定，该流体模型将钻探流体的特性与多个组分中的每一个的浓度相关联。该方法还可以包括确定钻探流体的多个组分中的每一个的期望浓度。该期望浓度可以通过将钻探流体的期望特性输入至流体模型来确定。该方法还可以包括确定为了实现多个组分中的每一个的期望浓度而要被添加至钻探流体的一个或更多个添加剂的量。
8.可选地，确定钻探流体的多个组分中的每一个的期望浓度包括随机选择钻探流体
的多个组分中的每一个的浓度，以及使用流体模型来估计具有随机选择的浓度的钻探流体的特性。该方法还可以包括将钻探流体的期望特性与具有随机选择的浓度的钻探流体的估计特性相比较。
9.该方法还可以包括通过重复执行以下操作来确定具有与期望特性最紧密地匹配的特性的钻探流体的组成：随机选择钻探流体的多个组分中的每一个的浓度；使用流体模型来估计具有随机选择的浓度的钻探流体的特性；以及将钻探流体的期望特性与具有随机选择的浓度的钻探流体的估计特性相比较。
10.可选地，确定钻探流体的多个组分中的每一个的浓度可以包括使用质量平衡方程来估计钻探流体的组分的浓度。该方法还可以包括使用在钻探过程期间已被耗尽的钻探流体的组分的估计量来求解质量平衡方程。该方法还可以包括使用耗尽模型来估计已被耗尽的钻探流体的组分的量，耗尽模型将该组分的耗尽与钻探过程的一个或更多个变量相关联。该方法还可以包括基于在钻探过程期间进行的对一个或更多个变量的测量结果来更新耗尽模型的耗尽系数。该方法还可以包括使用在钻探过程期间已被添加至钻探流体的添加剂的已知量来求解质量平衡方程。确定钻探流体的多个组分中的每一个的浓度还可以包括通过将所测量的特性输入至流体模型来确定钻探流体的多个组分中的每一个的多个候选浓度以及消除与估计浓度不一致的候选浓度。
11.一个或更多个添加剂包括以下中的任一个或更多个：增粘剂；过滤控制聚合物；封装聚合物；抑制剂；延伸抑制剂；润滑剂；地层稳定剂；桥接固体；孔堵塞添加剂；温度稳定剂；硬度污染处理；ph控制添加剂；和/或杀生物添加剂。
12.一个或更多个添加剂可以包括多糖。一个或更多个添加剂可以包括瓜尔胶、黄原胶、淀粉、预胶化淀粉、纤维素、包括聚阴离子羧甲基纤维素的羧甲基纤维素、羟乙基纤维素和槐豆胶中的任一个或更多个。
13.该方法还可以包括使用钻探装置上的一个或更多个传感器来测量钻探流体的特性。该传感器可以包括被配置成测量以下特性中的任一个或更多个的传感器：流变性(例如，剪切速率、剪切应力和/或粘度)；流体密度；温度；氯化物浓度；阳离子浓度；阳离子种类；ph；流体过滤；油、水和/或固体浓度；粒度分布；碱度(例如，碳酸盐与碳酸氢盐浓度)；胺浓度。应当理解，这些是可以使用的传感器的示例，并且也可以使用其他类型的传感器。
14.该特性可以包括以下中的一个或更多个：粘度；密度；流变特性；过滤数据；一个或更多个离子的测量浓度；一个或更多个化学物的测量浓度；以及过滤/流体损失。附加地或可替选地，特性可以包括漏斗粘度、塑性粘度、触变指数、屈服点、凝胶强度、电稳定性和封装率。
15.该方法还可以包括控制化学配料设备将所确定的量的一个或更多个添加剂添加至钻探流体。
16.根据另一方面，提供了一种用于控制钻探流体的组成的控制器。该控制器可以包括一个或更多个处理器。该控制器可以包括存储指令的处理器可读介质，该指令当由一个或更多个处理器执行时使控制器执行如本文中所描述的方法。
17.根据另一方面，提供了一种包括如本文中所描述的控制器的钻探装置。可选地，该钻探装置还可以包括被配置成测量钻探流体的特性的一个或更多个传感器。该传感器可以被配置成向控制器提供所测量的特性。该钻探装置可以包括用于将所确定的量的一个或更
多个添加剂添加至钻探流体的化学配料设备。
18.根据另一方面，提供了一种包括指令的处理器可读介质，该指令当由一个或更多个处理器执行时使一个或更多个处理器执行如本文中所描述的方法。根据又一方面，提供了一种包括指令的计算机程序，该指令当由计算机执行时使计算机执行如本文中所描述的方法。
附图说明
19.现在将参照附图仅通过示例的方式来描述实施方式，其中，使用相同的附图标记指示相同的元件，并且在附图中：
20.图1是常规钻探装置的简化示意图；
21.图2是根据本公开内容的钻探装置的简化示意图；
22.图3是用于控制钻探流体的组成的方法的流程图；
23.图4是用于确定钻探流体的组成的方法的流程图；以及
24.图5是用于确定钻探流体的组成的方法的流程图。
具体实施方式
25.现在转向图2，示出了根据本公开内容的钻探装置10。钻探装置10类似于钻机1，因此其中等效特征2至9被标记为12至19。
26.钻探装置10还设有传感器阵列24和化学配料设备22。传感器阵列24和配料设备22两者由控制器20控制。
27.传感器阵列24包括用于监测钻探流体的特性(例如物理特征或者化学特征)的一个或更多个传感器。在一些实施方式中，传感器阵列24包括被配置成直接检测泥浆池16中的钻探流体的物理特征的至少一个传感器。可替选地或另外，传感器阵列24可以被配置成从泥浆池16中提取样品以用于传感器在其上监测或者执行测试。在本公开内容的其他示例(在图2中未示出)中，传感器阵列24可以包括位于系统内不同位置处的一个或更多个传感器。例如，传感器阵列24的传感器可以在流线19内、集成在配料设备22内、在供应配料设备22或者泵15的供应管道之一中、在立管17中和/或在钻孔13内。可以使用不同传感器的组合。
28.配料设备22被配置成向钻探流体添加一个或更多个添加剂。在图2中，配料设备22以线的形式示出并且被配置成配给钻探流体通过管道传递至泵15。可替选地，配料设备22可以被定位在系统内其他地方。例如，配料设备22可以被配置成将添加剂直接配给和分散至泥浆池16内的钻探流体中，或者将添加剂直接供给和分散至钻孔13中。
29.控制器20可以包括可操作地耦接至存储器(在图2中未示出)的一个或多个处理器。存储器可以包括指令，所述指令当由一个或更多个处理器执行时使处理器执行本文中公开的方法中的任一个。控制器20被配置成从传感器阵列24接收传感器数据并且响应于传感器数据控制配料设备22。例如，控制器20可以具有一个或更多个接口，通过该一个或更多个接口可以从传感器阵列24接收传感器数据，并且通过该一个或更多个接口可以通过发送指令和/或数据以控制配料设备22。
30.参照下面的图3至图5来描述控制器20的操作方法。
31.图3是示出由钻探装置10执行的方法，并且更具体地由钻探装置的控制器20执行的方法的示意图。控制器20被配置成接收钻探流体的特性的测量结果并且通过实时调整流体组成来响应。
32.在块301处，接收传感器数据。例如，从传感器阵列24接收传感器数据。传感器数据可以是由传感器阵列测量的钻探流体的任何特性，例如物理特性或者化学特性。传感器数据可以包括以下任何一个或更多个：粘度；密度；流变特性；过滤数据；一个或更多个离子的测量浓度；一个或更多个化学物的测量浓度；过滤/流体损失；漏斗粘度；塑性粘度；触变指数；屈服点；凝胶强度；电稳定性；封装率；或任何其他可测量的物理特性或者化学特性。
33.在块303处，将传感器数据输入至流体模型中。流体模型将钻探流体的特性与钻探流体的多个组分中的每一个的浓度相关联。流体模型可以包括多个方程，其中每个方程将钻探流体的特性与钻探流体的一个或更多个组分的浓度相关联，以及可选地，将钻探流体的特性与钻探流体的一个或更多个其他特性相关联。仅出于说明的目的，流体模型的方程可以具有以下形式：
34.property
x
＝a*concentration1+b*concentration2+c*propertyy+d*log(propertyz)+e*(concentration2)2+f
35.其中：property
x
、propertyy、propertyz是钻探流体的三个物理特性或者化学特性的值；a、b、c、d和e为系数；并且concentration1和concentration2是钻探流体的两个组分的浓度。应当理解，上述方程仅旨在帮助读者理解流体模型的本质。实际上，流体模型包含多个方程，所述多个方程中的任一个可以具有与以上示出的形式不同的形式。
36.流体模型根据与各个钻探流体组成及其测量的物理特性和化学特性相关的实验室数据来计算。流体模型可以通过回归分析来计算，以确定钻探流体的给定特性与钻探流体的其他特性和钻探流体的组分的浓度的关系。在一些实施方式中，可以基于来自系统的实时反馈来更新流体模型以提高其准确性。
37.然后在块305处，确定钻探流体的实际组成。这通常包括在已将在块301处接收到的传感器数据输入至在块303处的方程中时控制器20求解流体模型的方程。此计算结果使得控制器20能够确定钻探流体的组成。钻探流体的组成可以被表达为钻探流体的多个组分中的每一个的浓度。下面结合图4更详细地讨论块305的示例实现方案。
38.在块307处，接收钻探流体的期望特性。例如，用户(诸如钻探流体工程师)输入钻探流体的期望特性。用户可以经由控制器20输入期望特性。这可以通过计算机和用户接口或者任何其他合适的设备来实现。期望流体特性的示例可以包括粘度、触变指数、密度或任何其他特性例如本文中列出的物理特性或者化学特性。
39.然后在块309处，将期望流体特性输入至流体模型中。
40.然后在块311处，确定钻探流体的期望组成。这通常包括在已将在块307处接收到的期望流体特性输入至在块309处的方程中时控制器20求解流体模型的方程。此计算结果使得控制器20能够确定满足输入的期望流体特性的钻探流体组成。钻探流体的期望组成可以被表达为钻探流体的多个组分中的每一个的浓度。控制器20可以确定将实现相同或相似流体特性的多个不同的钻探流体组成。控制器20可以自动地确定可能的钻探流体组成之一是最佳的，并且可以自动地选择其作为期望钻探流体组成。可替选地，控制器20可以允许用户从若干可能的钻探流体组成中选择组成。控制器20可以被配置成识别和通知用户关于特
定组成的优点和缺点。例如，控制器可以识别和/或比较具有期望特性的最便宜的组成和与期望特性最紧密地匹配的组成，或者需要最少化学添加的组成，或者由用户可选择的任何其他标准。
41.在块313处，控制器20将钻探流体的实际组成与钻探流体的期望组成相比较。因此控制器能够识别实际组成与期望组成是否相同或不同。
42.基于该比较，在块315处，确定配料方案。配料方案包括可以添加至钻探流体的一个或更多个添加剂的量，以改变钻探流体的实际组成以与钻探流体的期望组成匹配。在块313处如果比较实际组成和期望组成并且发现它们是相同的，则配料方案可以指示不需要将添加剂添加至钻探流体。如果与期望组成相比发现实际组成具有过高或过低的流体特性，则因此控制器20可以调整配料方案。
43.在块317处，将配料方案发送至配料设备22。该方案可以通过任何合适的方法发送，并且可以经由有线连接或无线连接发送。在接收配料方案后，配料设备22将一个或更多个添加剂添加至钻探流体来改变钻探流体组成以与钻探流体的期望浓度匹配。在块313处如果确定实际和期望的两个组成匹配，则配料方案将不变并且不需要执行块317。
44.然后该过程重复319。如果需要，在该过程重复之前可以实现延迟。
45.如由块307、309和311所示出的用户输入路径被显示为与如由块301、303和305所示出的传感器数据路径并行发生(以及可选地同时发生)。该系统可以被操作成执行在传感器数据路径之前或之后的用户输入路径。该过程可以被操作成使得用户输入路径和传感器数据路径以相同或不同的周期重复。例如，可以重复该过程使得传感器数据路径以第一频率重复，该第一频率可以是基于时间的，例如每5分钟或每10分钟。可以重复该过程使得用户输入路径以第二频率重复，或者响应于其他变量或其组合。第二频率可以是每小时或每天。例如，其他变量可以包括钻孔深度或者响应于正被钻探的岩石。
46.如上所述，流体模型是根据通过对大范围钻探流体组成的流体特性进行测试的实验室数据凭经验来计算的。在常规的钻探过程中，大量的添加剂使得执行这样的测试不太可行。然而，本发明者发现，使用诸如和pure-bore的钻探流体添加剂可以用来代替多个常规的钻探流体添加剂以执行多个功能(例如，调节粘度、剪切稀化、减阻、页岩封装等)。因此简化了钻探流体的整体组成，并且可以更容易求解流体模型的方程。应当理解，本发明不旨在限于包括和pure-bore的钻探流体系统，而是这是系统功效的示例。作为使用或pure-bore的可替选方案，常规的钻探流体添加剂可以按照预定义的比例混合以执行多个功能并且由此减少所需的测试量。
47.现在转向图4，将进一步详细地说明确定钻探流体的实际组成的过程305的示例实现方案。图4列出了通过其可以使用蒙特卡罗分析来确定钻探流体组成的过程。
48.首先，在块401处，选择钻探流体组分的随机值(例如总含量或浓度等)。该组分可以是任何潜在组分或组分的组合。例如，可以随机选择钻探流体的多个组分中的每一个的浓度。
49.在块403处，将随机值输入至流体模型中。流体模型与上面参照图3描述的过程中使用的流体模型相同。
50.随后，在块405处，基于随机选择的值估计钻探流体的特性。这通常包括在已将在块401处选择的随机值输入至在块403处的方程中时控制器20求解流体模型的方程。此计算
结果使得控制器20能够估计其组分具有在块401处随机选择的浓度的钻探流体的特性。
51.在块407处，将估计流体特性与测量流体特性相比较。更具体地，将在块405处估计的流体特性与在块301处从传感器阵列24直接得出的或所测量的流体特性相比较。然后在块408处，控制器20确定估计流体特性和测量流体特性是否匹配。
52.如果流体的特性不匹配409，则在块417处选择钻探流体组分的新随机值。块417与块401基本上相同。新随机值可以不是真正随机的，因为它可以排除先前选择的值以避免重复。在块403处，将新值输入至流体模型中，并且重复该过程。预计在估计流体特性与测量流体特性匹配之前，该过程将重复多次。
53.如果钻探流体的估计特性与从钻探流体观察的和测量的特性确实匹配410，则识别候选组成411。由于流体特性是许多互相关联的因素和组分的结果，因此多个随机组成可以提供具有与钻探流体的测量特性匹配的估计流体特性的钻探流体。因此，执行第二检查以过滤低概率候选钻探流体组成。
54.为了确定候选组成是否可行，在块413处分析钻探流体系统的质量平衡，参照图5进一步描述该块413。
55.控制器20具有初始流体组成的记录和所有流体添加剂添加的记录，并且因此将能够拒绝不可行的(即不可能的或极不可能的)候选组成415。
56.当候选组成被拒绝时，在块417处，选择钻探流体组分的新随机值或钻探流体组分的浓度并且重复该过程。
57.如果质量平衡分析指示候选组成是可行的(即，可能的和极有可能的)，则在块419处，候选组成被认为是钻探流体的实际组成。
58.总之，重复多次该过程，直到所选择的一系列随机浓度值既能满足与观察到的钻探流体的物理特征的比较407又能满足质量平衡分析413为止。然后将实际组成与如前所述的期望组成相比较。
59.现在转向图5，更详细地示出了如何执行质量平衡分析413。
60.质量平衡分析413使用流体耗尽模型，该流体耗尽模型已从钻探通过特定岩层时的已知流体组分损失率中得出。由于钻探过程是在超压下执行的，因此存在进入周围地层中的预计的水损失率。岩层还优先从钻探流体吸收特定的组分或添加剂，从而使某些组分逐渐耗尽。因此，耗尽模型可以根据已知的每个组分的耗尽率和观察到的正被钻探的岩层来计算。与上述的流体模型一样，耗尽模型是根据实验数据得出的经验模型。耗尽模型可以是多元线性方程。耗尽模型可以包括一组系数，这些系数与钻探过程的一个或更多个变量组合使用以预测钻探流体的一个或更多个组分的耗尽率。因此，耗尽模型将钻探流体的组分的耗尽与钻探过程的一个或更多个变量相关联。耗尽模型可以用来估计已被耗尽的钻探流体的组分的量。
61.在块501处，将值输入至质量平衡方程。质量平衡方程具有以下形式：
62.mass
current
＝mass
initial
+mass
added-mass
depleted
63.质量平衡方程将钻探流体中特定的组分的当前质量(mass
current
)与钻探流体中该组分的初始质量(mass
initial
)、已被添加至钻探流体中的该组分的质量(mass
added
)以及在钻探期间耗尽的该组分的估计质量(mass
depleted
)相关联。因此，在块501处，输入至质量平衡方程的值可以包括已知的钻探流体的初始组成、关于在确定钻探流体的初始组成之后添加至
钻探流体的一个或更多个添加剂的质量的历史数据(例如，作为在块317处执行的操作的结果)，以及一个或更多个组分的估计耗尽。估计耗尽可以使用耗尽模型和钻探过程的变量的测量来计算。应当理解，对于钻探流体的每个组分可以存在质量平衡方程，并且块501可以包括将值输入至质量平衡方程中的每一个。
64.在块503处，使用质量平衡方程来估计钻探流体的组分的浓度。更具体地，求解质量平衡方程，以估计钻探流体中的组分的当前质量(mass
current
)。然后可以根据其估计的当前质量来估计组分的浓度。可以以类似的方式通过求解针对每个组分的相应的质量平衡方程来估计钻探流体的多个组分的浓度。
65.然后在块505处，将每个估计浓度与相应的候选浓度相比较。候选浓度是钻探流体的候选组成的特定组分的浓度，其在参照图4描述的过程的块401至411中确定。控制器20由此评估估计浓度是否与候选浓度匹配。
66.如果估计浓度与钻探流体的所有组分的候选浓度匹配509，则在块419处，将候选组成确认为钻探流体的实际组成。
67.可替选地，如果估计浓度中的任一个与相应的候选浓度不匹配507，则执行进一步分析，在进一步分析中，在块513处，控制器20评估候选组分是否可行。
68.如果候选组成与估计组成之间的差异大于可接受的误差幅度，则在块515处推断出候选浓度不正确。误差幅度可以由系统设置，或者可以由用户选择，例如，允许由用户对系统进行微调。
69.如先前以及参照图4描述的，然后通过选择钻探流体组分的新随机浓度417来重复该过程。
70.然而，如果估计组成与候选组成之间的差异在可接受的误差幅度内，则认为钻探流体的实际组成已被正确确定。估计组成与候选组成之间的差异被确定为由于耗尽模型不正确或与钻探操作的进展不同步。因此，在块517处相应地更新耗尽模型。随着钻探过程的继续，钻柱和钻孔将穿过新的岩层，并且随着不同的岩石被钻探，耗尽率将相应地变化。因此，随着钻探的继续，耗尽模型会连续地改善和更新，并且质量平衡分析的整体准确性也会提高。因此，质量平衡分析413自动地重新配置自身以适应钻孔内的变化条件。
71.如前所述，由控制器20执行必要的过程以得出用于配料设备22要执行的配料方案。依赖于期望周期性，该过程可以连续地执行以提供对钻探流体组成和钻孔条件的现场、实时监测。因此，该系统可以比依赖于人工分析和人工干预的现有系统快得多地作出反应。通过较快地反应，钻探流体可以在较高比例的时间内保持在最佳操作条件内。钻探操作的效率因此极大提高。此外，通过避免某些添加剂的过配给，降低了操作成本。
72.本文中公开的方法可以通过存储在处理器可读介质上的指令来执行。处理器可读介质可以是：只读存储器(包括prom、eprom或eeprom)；随机存取存储器；闪存存储器；电信号、电磁信号或光信号；磁存储介质、光存储介质或磁光存储介质；处理器的一个或更多个寄存器；或任何其他类型的处理器可读介质。在可替选实施方式中，本公开内容可以实现为在硬件、固件、软件或其任何组合中的控制逻辑。该设备可以由专用硬件实现，例如一个或更多个专用集成电路(asic)或适当连接的分立逻辑门。可以使用合适的硬件描述语言以专用硬件来实现本文中描述的方法。
73.应当理解，以上仅通过示例的方式描述了本发明，并且可以在本发明的范围内对
细节进行修改。