[发明专利]带有测量地面顶部接头的监测系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年3月13日提交的名称为“带有测量顶部接头的监测系统”、序列号为62/133,157的美国临时专利申请的优先权和权益，该美国临时专利申请的全部内容通过参引并入本申请中。

技术领域

本公开涉及用于钻井操作的监测系统，具体地涉及包括测量顶部接头的监测系统。

背景技术

油气钻井是花费较大且较复杂的。达到目标或潜在烃源所需的时间直接影响提炼烃的成本。为了使钻井时间最小化，石油公司经营者、钻机承包商以及近来的随钻测量(MWD)服务公司必须了解、监测、管理并有效地控制钻井过程和钻柱井下行为。钻井复杂性是显著的并且包括：1)较宽范围类型和尺寸的井下设备，这些井下设备包括井底组件(例如钻头、钻杆、钻铤、MWD和随钻测井(LWD)工具、稳定器、钻井马达和转向工具)；2)参数的显著操作变化(例如，钻进速率(ROP)、钻压(WOB)、钻柱扭矩和转速)；3)较大范围的钻井流体条件(例如，泥浆重量、地层压力、钻头和环流液压)；4)井眼条件(例如，倾斜度、扭折、直径、曲折度、地层特性)；以及5)钻机性能(例如，输入马力、扭矩、泵流体输出、诸如钻杆等设备的条件等)。这些复杂性使寻求了解并控制钻井操作以最终提高整体钻井效率成为艰巨的任务。

有效的钻井过程控制需要与涉及的参数有关的可靠数据。以往，关注的基本测量值包括深度、钻柱扭矩、钻柱转速、钻柱拉力(即，起吊载荷)、钻柱压缩量或WOB、钻井流体流量、钻井流体密度、钻井流体压力和温度以及钻柱振动。服务公司通常签约提供用于测量并监测多个这些及其他参数的传感器。传感器从特征为相当粗糙演变成对关注参数的一般行为推断提供基本的充分性。传感器数据通常以从低至每10秒1次采样(0.1Hz)至典型的每秒1次采样(1Hz)、至近来的每秒10次采样(10Hz)变化的频率进行记录。最终，传感器数据被直接加载到安装在钻机上的电子数据记录器(EDR)系统。在某些情况下，利用卫星链路通信将钻井数据直接传送至石油公司办公室。

许多钻机缺乏可靠的地面数据，从而降低钻井操作效率。不精确的地面数据和不可靠的传感器增加了钻井停止时间和成本。典型的基于地面的传感器不适于精确监测钻井操作。在某些情况下，地面钻机传感器获取最多是所需参数的间接近似值的测量值。在其他情况下，关注测量值是离线测量或依赖于人力输入的。典型的地面传感器需要频繁的维修、维护、校准和电池更换，所有这些都使钻井停止时间和操作成本增大。具有与不足的地面传感器和不可靠的地面数据相关联的缺点的钻机无法实现操作者和油井业主日益要求的操作效率。

存在若干利用典型的地面传感器或测量技术的不可靠或不精确的地面数据的示例。例如，钻柱扭矩的测量已经基于测量旋转台马达、动力回转件或顶部驱动器的输入马达电流的钻机扭矩传感器来进行。尽管马达电流可能与扭矩有关，但测得的马达电流可能反映附加至马达的拉力。在另一示例中，通常是附接至绞车死绳的夹紧传感器的起吊载荷传感器用于估计钻柱的重量并估算钻压(WOB)。但起吊载荷传感器数据往往随着夹紧力、时间、温度和天气的变化而漂移。产生误差的另一种测量是钻杆或立根长度的测量，这可以用于估计钻头在井眼内的深度。钻杆长度测量通常由使用手持卷尺的若干钻机人员进行。测量值可以四舍五入到最接近十分之一米或英尺并被记录在记录薄中。在钻杆长度数字从一个源传送至另一源时，存在很多引入误差的其他可能性。

钻井流体动力是当前收集的地面数据与实际参数不同或者该类型的传感器较昂贵且不可靠的另一方面。钻井流体的流量和密度是与钻井流体动力有关的重要参数中的两个参数。然而，密度通常每天仅离线且手动地测量若干次。测得的密度随后用作向现有控制系统中的输入，或者测得的密度可以由钻井工用来直接介入钻井操作。密度仅被接受并假设为缓慢变化的参数，而实际上密度可能在钻井操作的过程中相当快速地变化。

钻井流体的流量影响钻井操作的若干方面，例如泥浆脉冲遥测工具的操作、井下钻井马达的操作、钻头齿的清洗以及切屑的去除。但专用的地面流量计是昂贵的并且需要频繁校准。通常，这样的流量计在去除钻柱动力的位置处测量沿着排放管线或立管的流量。换言之，不测量钻柱的通道中的流量，而测量钻柱与泥浆泵之间的某处的流量。在没有专用的地面流量计的情况下，流量基于泥浆泵的特性如泵压力、机械“针电极”冲程计数器、以及泵体积效率的猜测来估算。因此，钻柱处的实际流量可能与上述流量估计值显著不同。

发明内容