钻探流体参数监测系统和方法

1.一种钻探系统，其特征在于：该钻探系统包括：
钻探组件，连接在钻探平台和井口之间以用于钻探井孔，该钻探组件包括读取器模块以读取返回的钻探流体中分布的射频标签的数据信息，通过通讯线路将该射频标签的数据信息传输给控制器以计算得到该返回的钻探流体的相关参数，其中该读取器模块包括多个读取器组，每个读取器组沿着该钻探组件中立管的延伸方向分布。
2.如权利要求1所述的钻探系统，其中，该返回的钻探流体的相关参数包括该返回的钻探流体的流速或流量。
3.如权利要求2所述的钻探系统，其中：
该射频标签包括多个射频标签，每个射频标签的数据信息至少包括唯一的标签识别码；以及
该多个读取器组的每一个读取器组包括多个用于分别读取该射频标签的数据信息的读取器。
4.如权利要求3所述的钻探系统，其中，该多个读取器均匀围绕设置在该钻探组件中的防喷器、低位海下油管截油装置或立管上。
5.如权利要求3所述的钻探系统，其中，该控制器根据该多个读取器之间的距离参数以及对应读取器读取到该射频标签的标签识别码信号的时间参数计算该射频标签在该返回的钻探流体中的移动速率。
6.如权利要求3所述的钻探系统，其中，该控制器根据每个读取器接收到该标签识别码的时间差以及该钻探组件中的环形空间的横截面积计算得到该射频标签在该环形空间中的位置参数。
7.如权利要求6所述的钻探系统，其中，该控制器根据该射频标签在该环形空间中的不同位置参数以及检测到该不同位置参数的时间参数计算得到该射频标签的旋转速率。
8.一种钻探流体参数监测方法，其特征在于：该方法包括：
向钻探组件注入混有至少一个射频标签的钻探流体；
通过读取器模块读取随返回的钻探流体移动的射频标签的数据信息，其中该读取器模块包括多个读取器组，每个读取器组沿着该钻探组件中立管的延伸方向分布；以及接收该至少一个射频标签的数据信息以计算得到该返回的钻探流体的相关参数。
9.如权利要求8所述的方法，其中，该返回的钻探流体的相关参数包括该返回的钻探流体的流速或流量。
10.如权利要求8所述的方法，其中，该至少一个射频标签包括多个射频标签，每个射频标签的数据信息至少包括唯一的标签识别码。
11.如权利要求8所述的方法，其中，该读取器模块包括多个读取器，每个读取器均匀围绕设置在钻探系统的防喷器、低位海下油管截油装置或立管上。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该计算返回的钻探流体的相关参数的步骤包括：
根据该多个读取器之间的距离参数以及对应读取器读取到的射频标签的标签识别码信号的时间参数计算该射频标签在该返回的钻探流体的移动速率。
13.一种用于钻探系统的防喷器，包括读取器模块以读取在该钻探系统的返回的钻探流体中分布的射频标签的数据信息，每个射频标签包括一个唯一的标签识别码，通过通讯线路将该射频标签的数据信息传输给该钻探系统的控制器以计算得到该返回的钻探流体的相关参数，其中该读取器模块包括多个读取器组，每个读取器组沿着该钻探组件中立管的延伸方向分布。
14.如权利要求13所述的防喷器，其中：
该射频标签包括多个射频标签，每个射频标签的数据信息至少包括唯一的标签识别码；以及
该读取器模块包括至少一个读取器组，每一个读取器组包括多个用于分别读取该射频标签的数据信息的读取器。
15.如权利要求14所述的防喷器，其中，该控制器根据该多个读取器之间的距离参数以及对应读取器读取到该射频标签的标签识别码信号的时间参数计算该射频标签在该返回的钻探流体中的移动速率。
16.如权利要求14所述的防喷器，其中，该控制器根据每个读取器接收到该标签识别码的时间差以及该防喷器中的环形空间的横截面积计算得到该射频标签在该环形空间中的位置参数。
17.如权利要求16所述的防喷器，其中，该控制器根据该射频标签在该环形空间中的不同位置参数以及检测到该不同位置参数的时间参数计算得到该射频标签的旋转速率。

钻探流体参数监测系统和方法\n技术领域\n[0001] 本发明涉及钻探系统，尤其涉及一种针对钻探系统中的钻探流体进行监测的系统和方法。\n背景技术\n[0002] 在碳氢化合物(Hydrocarbon)的开采过程中，钻柱从海面平台获得必要的能量驱动钻头转动，其间，来自设置在海面平台的流体罐的钻探流体(或者钻探泥浆)通过钻柱到达钻头，然后通过设置在钻柱和立管壳体间的环形空间返回流体池。钻探流体维持了一定的静水压力(Hydrostatic Pressure)来平衡来自井孔的流体的压力并对钻头进行冷却。另外，钻探流体与井孔形成过程中产生的物料相混合以携带其到海面进行处理。\n[0003] 在一些情况下，从地层中进入井孔中的流体的压力大于钻探流体的压力，其可导致往井孔中侵入不期望的流体，这在行业中可称为井涌。在一定的情况下，井涌的发生具有潜在的风险，其可造成设备损坏及对操作人员和环境造成不利影响。为了防止这种灾难性的破坏，有必要对井涌进行估算以提前关闭防喷器的截止阀门或调整钻探流体的密度以缓解井涌现象。\n[0004] 测量钻探流体流量变化是目前对判断井涌常用的估算方法，实际上除了科里奥利流量计(质量流量计)外的其他流量计的测量结果都受到流体形态(Flow Shape)的影响，因此希望在“充分发展的流体形态”(Well Developed Flow Shape)下可靠地测得流量。然而，在钻井的过程中，钻柱的运动会导致流体形态混乱；同时由于钻探流体成分复杂，理论上无法确定其流体形态，因此精确可靠地测量流量就成了世界难题。而质量流量计由于其原理的限制，不适于在海下工作且不适于测量带有气体、大颗粒物或粘度较大的流体，因此不适合用于钻探流体的测量。为更精确可靠的分析井涌现象，希望采用一种不受流体形态影响的流速和流量的测量方法以为井涌的估算提供重要依据。\n[0005] 因此，有必要提供一种改进的系统和方法来解决上述技术问题。\n发明内容\n[0006] 鉴于上面提及的技术问题，本发明的一方面在于提供一种钻探系统，该钻探系统包括：钻探组件，连接在钻探平台和井口之间以用于钻探井孔，该钻探组件包括读取器模块以读取返回的钻探流体中分布的射频标签的数据信息，通过通讯线路将该射频标签的数据信息传输给控制器以计算得到该返回的钻探流体的相关参数。\n[0007] 本发明的另一方面在于提供一种钻探流体参数监测方法，该方法包括如下步骤：\n[0008] 向钻探组件注入混有至少一个射频标签的钻探流体；\n[0009] 通过读取器模块读取随返回的钻探流体移动的射频标签的数据信息；以及[0010] 接收该至少一个射频标签的数据信息以计算得到该返回的钻探流体的相关参数。\n[0011] 本发明的另一方面在于提供一种用于钻探系统的防喷器，包括读取器模块以读取在该钻探系统的返回的钻探流体中分布的射频标签的数据信息，每个射频标签包括一个唯一的标签识别码，通过通讯线路将该射频标签的数据信息传输给该钻探系统的控制器以计算得到该返回的钻探流体的相关参数。\n[0012] 相较于现有技术，本发明提供的钻探流体参数的监测系统和方法采用射频识别技术(Radio Frequency Identification Device，RFID)以对返回的钻探流体的相关参数进行监测。读取器模块可快速对与该返回的钻探流体一同移动的射频标签的标签识别码信号进行读取并传输至控制器。该控制器可对该标签识别码信号进行解码并识别以计算得到射频标签在该返回的钻探流体中的移动速度，进而得到该钻探流体的流速和流量。通过本发明提供的方法可提高测量流速和流量的精度，从而可提高井涌估算的可靠性并快速响应以防止灾难性破坏。\n附图说明\n[0013] 通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：\n[0014] 图1所示为本发明具有钻探流体参数监测功能的钻探系统的一种实施方式示意图；\n[0015] 图2所示为安装于图1钻探系统上的读取器模块的一种实施方式示意图；\n[0016] 图3所示为安装于图1钻探系统上的读取器模块的另一种实施方式示意图；\n[0017] 图4所示为如图2或如图3所示的钻探系统中钻探组件沿I-I的一种截面示意图；\n[0018] 图5所示为图1钻探系统上的读取器和射频标签的一种实施方式示意图；\n[0019] 图6所示为图1钻探系统生成的钻探流体的一个流速曲线图；\n[0020] 图7所示为如图2或如图3所示的钻探系统中钻探组件沿I-I的另一种截面示意图；\n[0021] 图8所示为如图2或如图3所示的钻探系统中钻探组件沿I-I的另一种截面示意图；\n[0022] 图9所示为对如图8所示的截面流体的不同位置点的流速的一种实施方式示意图；\n以及\n[0023] 图10所示本发明对钻探流体参数进行监测的方法的一种实施方式流程图。\n具体实施方式\n[0024] 以下将描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本公开的内容不充分。\n[0025] 除非另作定义，权利要求书和说明书中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。“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“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”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。“设置”或者“连接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，也不限于是直接的还是间接的连接。\n[0026] 请参照图1，为本发明具有钻探流体参数监测功能的钻探系统100的一种实施方式示意图。在本发明实施例中，钻探系统100可用来钻探井孔121以开探碳氢化合物。在非限定示例中，井孔121包括陆上井孔(Onshore Well)和离岸井孔(Offshore Well)。在一个示例中，钻探系统100用来开探离岸井孔。\n[0027] 如图1所示，钻探系统100包括钻探平台101和钻探组件103。该钻探平台101可包括钻探船只或海上塔架。该钻探平台101可通过其上设置的流体池131、流体泵135、旋转驱动装置137、控制器138和其他未示意的组件控制该钻探组件103伸入地层107以下钻探井孔\n121。\n[0028] 该钻探组件103连接到该钻探平台101的底部。在一些实施方式中，该钻探组件103包括钻柱110、钻头114、立管111、低位海下油管截油装置(Lower Marine Riser Package，LMRP)113和防喷器(Blowout Preventor，BOP)115。\n[0029] 在钻探过程中，该旋转驱动装置137在该控制器138的控制下通过该钻柱110驱动该钻头114转动以在该地层107下对地层进行钻探进而形成该井孔121。同时，来自该流体池\n131的钻探流体141(钻探泥浆)在该一个或多个流体泵135的作用下由注入管132注入该钻柱110并到达该钻头114，然后通过形成于该钻柱110和该立管111内表面间的环形空间122以将返回的钻探流体143经由输出管133返回该钻探平台101如该流体池131的另一空间。\n[0030] 该钻探流体141维持一定的静水压(Hydrostatic Pressure)以平衡地层流体的压力、冷却该钻头114，同时可携带钻探该井孔121的过程产生的物料混合物(未示出)。\n[0031] 该钻探流体141可包括水、油和/或其他钻探液成分。该物料混合物可包括钻探该井孔121时形成的岩石碎屑。该返回的钻探流体143可至少包括钻探流体141和该物料混合物。在该钻探平台101上对该返回的钻探流体143进行处理，比如对该返回的钻探流体143进行过滤以滤除其中的岩石碎屑等物质的操作，处理后的返回的钻探流体143可用作新的钻探流体141重新进行循环使用。\n[0032] 如上所述，在一定的应用中，从地层107中进入该井孔121中的流体/气体117的压力可大于该钻探流体141的压力，这可导致井涌(Kick)的发生。当井涌发生时，如果控制不当，该返回的钻探流体143在该环形空间122中流动并在到达该钻探平台101后从该钻探组件103中喷发而出进而导致井喷(Blowout)。\n[0033] 如图1所示，该低位海下油管截油装置113置于该立管111的末端并与该防喷器115相邻。该低位海下油管截油装置113包括连接器127以用于将该低位海下油管截油装置113连接至该立管111。采用该低位海下油管截油装置113，通过分离该连接器127，该钻探平台\n101可与该井口105分离。\n[0034] 该防喷器115置于该低位海下油管截油装置113和该井口105之间。该防喷器115包括一个或多个截止阀门125堆叠在一起以用于在井涌发生时部分密封或完全密封该井口\n105。\n[0035] 为对该返回的钻探流体143的多种参数进行监测以为井涌的估算提供重要依据，本发明进一步应用了一种射频识别技术(Radio Frequency Identification Device，RFID)。如图1所示，该射频识别技术通过将至少一个射频标签(Radio Frequency Tag)151添加入该钻探流体141内再注入到该钻探组件103中。在一些实施方式中，在该钻探平台101上可采用人工或自动的方式将该至少一个射频标签151添加入该钻探流体141中并尽量使其均匀分布在其中。\n[0036] 当该至少一个射频标签151随该返回的钻探流体143返回至该钻探平台101时，通过设置在该钻探组件103上的读取器模块150对该至少一个射频标签151内的数据信息进行读取并传送至该控制器138。该射频识别技术(RFID)可通过非接触识别的方式，透过钻探过程中产生的具有复杂成分的该返回的钻探流体143对该至少一个射频标签151的内部数据信息进行快速读取。\n[0037] 在一些实施方式中，设置于该钻探平台101上的该控制器138通过通讯线路与该读取器模块150进行通讯。该读取器模块150可包括多个数据端口，该通讯线路可包括相对应的多根数据通讯线以将该读取器模块150的数据端口与该控制器138相连接。该控制器138用于接收该至少一个射频标签151的数据信息并对该至少一个射频标签151进行识别以计算对应的射频标签151在该返回的钻探流体143的状态参数。该状态参数可包括该射频标签\n151在该返回的钻探流体143中的移动速度如沿该立管111延伸方向的移动速率及在侧面涡流作用下沿该立管111横截面如I-I截面的旋转速率。\n[0038] 该射频标签151在该返回的钻探流体143中的状态参数可反映该返回的钻探流体\n143的相关参数。如该控制器138可根据该至少一个射频标签151在该返回的钻探流体143中的状态参数计算得到该返回的钻探流体143的流速或流量。\n[0039] 请参照图2和图4，图2为安装于该钻探系统100上的读取器模块150的一种实施方式示意图，图4为如图2或图3所示的钻探系统100中钻探组件沿该I-I的一种截面示意图。如图2和图4所示，该读取器模块150包括A～H共8列读取器单元，每列读取器单元包括7个读取器如A1～A7，E1～E7。在一些实施方式中，该读取器模块150可包括任意数量的读取器单元，每列读取器单元可包括任意数量的读取器。在一些实施方式中，可根据成本及检测数据精度要求来合理选择读取器的数量和安装位置。在本实施方式中，该多个读取器均匀围绕设置在该防喷器115上。在其他实施方式中，该读取器模块150还可设置在该低位海下油管截油装置113或该立管111上。\n[0040] 请参照图3，为安装于钻探系统100上的读取器模块150的另一种实施方式示意图。\n该读取器模块150包括多个读取器组如150a和150b，如图2所示的该读取器模块150可用作如图3所示的每个读取器组。每个读取器组可设置在该钻探组件103的任意部位，如该读取器组150a设置在该防喷器115上，该读取器组150b设置在该立管111上。每个读取器组沿着立管111的延伸方向以等间距S分布或以非等间距进行分布。通过在该钻探组件103的不同位置处设置该多个读取器组，可对该返回的钻探流体143在该钻探组件103中不同位置的相关参数进行监测，从而可获得更多与该返回的钻探流体143相关的参数信息以便更加精确的对井涌是否发生进行估算。\n[0041] 请参照图5，为上述一个读取器A7和一个射频标签1511的一种实施方式示意图。在本实施方式中，以被动式射频标签为例进行说明。该被动式射频标签1511没有内部供电电源，该读取器A7通过天线1502发射一特定频率的无线电波能量1513给该射频标签1511，该被动式射频标签1511通过天线1510接收该无线电波能量1513并驱动该射频标签1511的电子电路1514将该存储芯片1512中的数据信息通过该天线1510发送相应的标签识别码信号\n1515给该阅读器A7。此时，该读取器A7的信息接收器1504可读取该标签识别码信号1515并将该标签识别码信号1515传送给该控制器138。\n[0042] 在一些实施方式中，该存储芯片1512中存储的数据信息不仅包括标签识别码(每个射频标签唯一的ID)，还可以包括预先存在该射频标签1511内的其他数据信息如加密程序。该控制器138可根据每个读取器接收该标签识别码信息1515的时间及相应读取器的位置计算得到发送该唯一标签识别码信息1515的射频标签1511在该返回的钻探流体143中沿该立管111延伸方向的移动速率及在侧面涡流作用下沿该立管111横截面如I-I截面的旋转速率。该射频标签1511在该返回的钻探流体143中的移动速度可反映该返回的钻探流体143的流速、流量等相关参数信息。\n[0043] 在一些实施方式中，该射频标签1511可包括半主动式射频标签，该半主动式射频标签1511包括一个小型供电电源，电力恰好可以驱动该存储芯片1512处于工作状态，这样，该天线1510无需从该读取器A7接收电磁波能量，该天线1510只需发送该标签识别码信号\n1515即可，从而可以更快、更高效的发送存储在该存储芯片1512中的该数据信息。\n[0044] 在一些实施方式中，该射频标签1511可包括主动式射频标签，该主动式射频标签\n1511包括一个电源供应器，用以供应内部存储芯片1512所需电能并产生对外的标签识别码信号1515。该主动式射频标签1511拥有较长的数据发射距离和较大的存储容量以用来存储该读取器A7所传送来的一些附加讯息，如读取器的位置信息。\n[0045] 请再次参考图2，读取器A1～A7沿着该立管111的延伸方向均匀分布，当该射频标签1511随着该返回的钻探流体143在该环形空间122中沿该立管111延伸方向从位置a1所在截面向上移动到位置a7所在截面时，每个读取器A1～A7依次对该射频标签1511发送的该标签识别码信号1515进行接收并传输给该控制器138。然后，在该控制器138中对该标签识别码信号1515进行解码并识别。由于每个射频标签1511都包含各自唯一的标签识别码，因此，当该控制器138根据唯一的标签识别码信息1515可解码识别对应的射频标签1511。\n[0046] 如图6所示，横轴表明每个读取器A1～A7依次检测到该射频标签1511发送的该标签识别码信号1515的时间t1～t7，纵轴表明每个读取器A1～A7在该防喷器115上的位置。在本实施方式中，每两个相邻读取器如读取器A1与读取器A2之间的距离为L。根据以上位置参数和时间参数，该控制器138可实施最小二乘法或其他数学方法以计算得到该射频标签\n1511在该返回的钻探流体143中沿着该立管111延伸方向的移动速率。曲线601为计算得到的速率曲线。\n[0047] 相类似地，其他射频标签151在该返回的钻探流体143中沿着该立管111延伸方向的移动速率均可根据如上所述方法计算得到。其他读取器单元如E1～E7也可根据相类似的方法计算得到每个射频标签在该返回的钻探流体143中沿着该立管111延伸方向的移动速率。在一些实施方式中，对于每个射频标签151，每个读取器单元如A1～A7，E1～E7分别计算出的沿该立管111延伸方向的移动速率再做平均以得到每个射频标签151沿该立管111延伸方向的移动速率从而使计算更加精确。\n[0048] 请参照图7，为如图2或如图3所示的钻探系统中钻探组件沿I-I的另一种截面示意图。在同一截面上，如读取器A7～E7所处截面处，每个读取器A7～E7可检测该射频标签1511发送的该标签识别码信息1515，根据每个读取器A7～E7接收到该标签识别码1515的时间差以及该环形空间122的横截面积可计算得到该射频标签1511在该环形空间122中的具体位置参数。当该射频标签1511从如图2所示该环形空间122中从位置a1所在截面向上移动到位置a7所在截面时，该射频标签在每个截面处的具体位置参数均可计算得到。根据该射频标签1511在该环形空间122中的不同位置参数以及检测到该不同位置参数的时间间隔参数可计算得到该射频标签1511沿该立管111的横截面I-I的旋转速率。同理，如图8所示，每个读取器A7～E7可接收其他射频标签发送的标签识别码信号1515从而计算得到其他射频标签在该环形空间122中的具体位置参数及沿该立管111的横截面I-I的旋转速率。\n[0049] 根据该至少一个射频标签151的沿该立管111延伸方向的移动速率及在侧面涡流作用下沿该立管111横截面如I-I截面的旋转速率可计算该返回的钻探流体143的流速。在一些实施方式中，根据该返回的钻探流体143的流速以及该环形空间122的横截面积可计算该返回的钻探流体143的流量。\n[0050] 在一些实施方式中，为更精确地计算流量，需在该立管111的横截面I-I对每个射频标签151的移动速度进行相应计算，由于每个射频标签151的移动速度不同，因此可得到如图9所示的该至少一个射频标签151在不同该环形空间122的不同位置点的速度。将该环形空间122的横截面划分为多个横截面单元，将每个横截面单元与其该横截面单元处对应的射频标签151的速度作乘积可得到每个横截面单元处的流量，然后将每个横截面单元处的流量求和可得到该返回的钻探流体143的流量。\n[0051] 由此可知，根据该读取器模块150对该至少一个射频标签151的数据信息的读取及相关运算处理可得到该返回的钻探流体143的多种参数如流速和流量。\n[0052] 该返回的钻探流体143的相关参数可为后续井涌的估算提供依据。例如，当该返回的钻探流体143的流速超过该注入的钻探流体141的流速时，井涌可能发生。该返回的钻探流体143的流量远大于该钻探流体141的流量时，井涌可能发生。经由对该返回的钻探流体\n143的多种参数进行综合分析后可对井涌是否发生做出估算。\n[0053] 当井涌发生时，在一些情况下，通过部分关闭该防喷器115的截止阀门以密封该环形空间122从而阻止该返回的钻探流体143向上输送至该钻探平台101。这样，通过该钻探流体141在该立管111中的循环，该静水压可重获平衡。在一些情况下，通过完全关闭该防喷器\n115的截止阀门以完全密封该井口105，即该钻探流体141的通道和该返回的钻探流体143的通道都被截止，该井口105被完全密封。\n[0054] 采用如上所述的射频识别技术(RFID)，该控制器138可快速接收该读取器模块150读取的该至少一个射频标签151的数据信息，该控制器138可对每个射频标签151进行识别并计算得到每个射频标签151在该返回的钻探流体143中沿该立管111延伸方向的移动速率及在侧面涡流作用下沿该立管111横截面如I-I截面的旋转速率。进一步地，该控制器138可根据每个射频标签151在该返回的钻探流体143状态参数对返回的钻探流体143的多种参数同时进行监测以为井涌的估算提供重要依据。\n[0055] 请参照图10，为用于钻探系统100中对返回的钻探流体参数进行监测的方法的流程图。该返回的钻探流体参数监测方法1000包括如下步骤：\n[0056] 步骤1001，向钻探组件103注入混有至少一个射频标签151的钻探流体141。\n[0057] 步骤1003，通过读取器模块150读取随返回的钻探流体143移动的该至少一个射频标签151的数据信息。\n[0058] 步骤1005，接收该至少一个射频标签151的数据信息以计算得到该返回的钻探流体143的相关参数。\n[0059] 如何根据该至少一个射频标签151的数据信息计算得到该返回的钻探流体143的相关参数已在上述描述中进行详细说明，因此这里不再赘述。\n[0060] 虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。