用于確定鉆桿位置的系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體涉及鉆井領(lǐng)域，尤其涉及一種在鉆井過程中用于確定鉆桿位置的系統(tǒng) 和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在鉆井時(shí)，可轉(zhuǎn)動的鉆頭設(shè)置在鉆桿上，海面平臺通過鉆桿對鉆頭進(jìn)行控制，鉆桿 驅(qū)動鉆頭轉(zhuǎn)動，從而從海床下鉆出井孔。在此期間，來自設(shè)置在海面平臺的流體罐中的鉆井 液通過鉆桿到達(dá)鉆頭，然后，通過設(shè)置在鉆桿和立管之間的環(huán)形空間來返回流體罐中。鉆井 液維持了一定的靜水壓力來平衡來自井孔的流體的壓力并對鉆頭進(jìn)行冷卻。另外，鉆井液 與井孔形成過程中產(chǎn)生的物料相混合以返回并攜帶其到海面進(jìn)行處理。
[0003] 在鉆井過程中，當(dāng)從井壁中進(jìn)入井孔中的流體的壓力大于鉆井液的壓力時(shí)，則會 導(dǎo)致井壁中的流體隨同鉆井液一同進(jìn)入環(huán)形空間中，從而產(chǎn)生較大壓力的返回的鉆井液， 如果控制不當(dāng)就會導(dǎo)致井噴的發(fā)生。因此，需要對返回的鉆井液進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控測量以確 定是否會發(fā)生井噴。通常，通過測量返回的鉆井液的流量來監(jiān)控井噴的發(fā)生。而在測量返 回的鉆井液的流量時(shí)，鉆桿位置起到至關(guān)重要的作用。另外，通過鉆桿位置可以確定出鉆桿 直徑變化，從而當(dāng)封井裝置將被關(guān)閉時(shí)可以避免鉆桿的接頭處。因此，確定出鉆桿位置對于 鉆井具有重要作用。
[0004] 因此，有必要提供一種系統(tǒng)和方法以解決如上所述的至少一個問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的一個方面在于提供一種用于確定鉆桿位置的系統(tǒng)，其包括超聲傳感器陣 列、超聲收發(fā)裝置及信號處理裝置。其中，所述超聲傳感器陣列被設(shè)置在管道上，其中，所述 管道用于收容鉆桿，在所述管道與所述鉆桿之間形成用于通過返回的鉆井液的環(huán)形空間。 所述超聲收發(fā)裝置用于激勵所述超聲傳感器陣列，并且用于用于通過所述超聲傳感器陣列 來向所述環(huán)形空間發(fā)射多個超聲信號并且接收多個超聲信號。信號處理裝置用于對所述接 收到的多個超聲信號進(jìn)行處理，以估算出所述鉆桿的位置。
[0006] 本發(fā)明的另一個方面在于提供一種用于確定鉆桿位置的方法，其包括：
[0007] 通過超聲傳感器陣列來向形成于管道和所述管道內(nèi)的鉆桿之間的環(huán)形空間發(fā)射 多個超聲信號；
[0008] 通過所述超聲傳感器陣列來接收多個超聲信號；及
[0009] 對所述接收到的多個超聲信號進(jìn)行處理，以估算出所述鉆桿的位置。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的用于確定鉆桿位置的系統(tǒng)和方法不要求超聲必須 到達(dá)鉆桿，其可以通過對由超聲傳感器陣列所接收到的多個超聲信號進(jìn)行分析和處理，即 使在超聲到達(dá)鉆桿的強(qiáng)度很小的情況下，也可以估算出鉆桿的位置，進(jìn)而也可以基于鉆桿 的位置估算出鉆桿隨時(shí)間變化的運(yùn)動軌跡，進(jìn)一步提高流速測量的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的用于 確定鉆桿位置的方法對于鉆井應(yīng)用具有較高的實(shí)用性和可靠性。
【附圖說明】
[0011] 當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其它特征、方面及優(yōu)點(diǎn)將變得 更好理解，在附圖中，相同的元件標(biāo)號在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：
[0012] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個【具體實(shí)施方式】的用于確定鉆桿位置的系統(tǒng)的示意性框 圖；
[0013] 圖2是圖1中的立管的剖視圖；
[0014] 圖3是圖1中的信號處理裝置的示意性結(jié)構(gòu)框圖；
[0015] 圖4是使用空間連續(xù)性來估算鉆桿位置時(shí)的示意圖；
[0016] 圖5是使用平均速度來估算鉆桿位置時(shí)的示意圖；及
[0017] 圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個【具體實(shí)施方式】的用于確定鉆桿位置的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 為幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠確切地理解本發(fā)明所要求保護(hù)的主題，下面結(jié)合附 圖詳細(xì)描述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。在以下對這些【具體實(shí)施方式】的詳細(xì)描述中，本說明書 對一些公知的功能或構(gòu)造不做詳細(xì)描述以避免不必要的細(xì)節(jié)而影響到本發(fā)明的披露。
[0019] 除非另作定義，本權(quán)利要求書和說明書中所使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為 本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)利要求書 中所使用的"第一"、"第二"以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用 來區(qū)分不同的組成部分。"一個"或者"一"等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至 少一個。"包括"或者"具有"等類似的詞語意指出現(xiàn)在"包括"或者"具有"前面的元件或 者物件涵蓋出現(xiàn)在"包括"或者"具有"后面列舉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。"連接"或者"相連"等類似的詞語并非限定于物理的或者機(jī)械的連接， 而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。
[0020] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明的一個【具體實(shí)施方式】的用于確定鉆桿位置的系統(tǒng)的示意性 框圖。本發(fā)明的用于確定鉆桿位置的系統(tǒng)100可用來鉆探井孔，從而來開采碳?xì)浠衔?，?如化石燃料等。其中，井孔包括陸上井孔和海上井孔?，F(xiàn)在參照圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的一 個【具體實(shí)施方式】的用于確定鉆桿位置的系統(tǒng)100包括設(shè)置在管道11上的超聲傳感器陣列 21、22、23、24、超聲收發(fā)裝置3及信號處理裝置4。在本發(fā)明的一個示例中，管道11被示為 包括立管（riser)，以下將以管道11包括立管為例來進(jìn)行描述。然而，這僅作為本發(fā)明的 管道11的一個示意性例子，本發(fā)明的管道11并不限于此。在本發(fā)明的另一個示例中，管道 11也可以包括套管（casing)。
[0021] 圖2示出圖1中的立管11的剖視圖，如圖1并結(jié)合參照圖2所示，立管11可收容 鉆桿12及通過返回的鉆井液130,在立管11與鉆桿12之間形成環(huán)形空間13,鉆桿12是由 多個具有一定長度的管體首尾相連形成，鉆桿12設(shè)置在立管11中并且沿著立管11的長度 方向在立管11中延伸。在鉆桿12的底端可旋轉(zhuǎn)地安裝有鉆頭（未圖示），利用立管11、鉆 桿12及其上的鉆頭來開鑿出井孔。來自平臺（未圖示）的鉆井液120(通常也被稱為鉆井 泥漿）通過鉆桿12輸送到井孔中。在鉆井的過程中，來自井孔中的返回的鉆井液130可通 過環(huán)形空間13返回到平臺。鉆井液120維持了一定的靜水壓力來平衡來自井孔的返回的 鉆井液130的壓力并對鉆頭進(jìn)行冷卻，同時(shí)，鉆井液120把在開鑿井孔過程中產(chǎn)生的物料， 如破碎的巖石等帶到水面。在一個【具體實(shí)施方式】中，來自平臺的鉆井液120可包括水或油 和多種添加物。返回的鉆井液130可至少包括鉆井液120和開鑿井孔過程中產(chǎn)生的物料的 混合物。在平臺上，返回的鉆井液130可被進(jìn)行處理，比如進(jìn)行過濾，來移除其中的固體物 質(zhì)后可重新進(jìn)行循環(huán)。
[0022] 如圖1和圖2所示，超聲傳感器陣列21、22、23、24被設(shè)置在立管11上。在本發(fā)明 的一個【具體實(shí)施方式】中，超聲傳感器陣列21、22、23、24設(shè)置在立管11的周圍并且彼此間隔 設(shè)置。在本【具體實(shí)施方式】中，超聲傳感器陣列21、22、23、24設(shè)置在立管11的外表面上。然 而，超聲傳感器陣列的設(shè)置位置并不限于此，在其他【具體實(shí)施方式】中，超聲傳感器陣列21、 22、23、24也可設(shè)置在立管11的內(nèi)表面上或立管11中，從而作為接觸式感應(yīng)器來接觸返回 的鉆井液130以進(jìn)行監(jiān)測。在非限定的一個【具體實(shí)施方式】中，超聲傳感器陣列21、22、23、24 中的每一個超聲傳感器為多普勒超聲傳感器，其具有較高的感應(yīng)準(zhǔn)確度。當(dāng)然，超聲傳感器 的類型并不限于此，其也可以使用其他合適的感應(yīng)裝置。在本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】中，超聲 傳感器陣列21、22、23、24包括設(shè)置在立管11周圍的四個超聲傳感器21、22、23、24，然而， 超聲傳感器陣列21、22、23、24所包括的超聲傳感器的數(shù)量并不限于四個，其可以為任意多 個。當(dāng)然，為了能夠更加精確地估算出鉆桿12的位置，并且兼顧信號處理裝置4的處理速 度，超聲傳感器陣列21、22、23、24可以包括適當(dāng)多個超聲傳感器。
[0023] 超聲收發(fā)裝置3與超聲傳感器陣列21、22、23、24電性連接，超聲收發(fā)裝置3用于 激勵超聲傳感器陣列21、22、23、24。在實(shí)際應(yīng)用中，超聲收發(fā)裝置3通過超聲傳感器陣列 21、22、23、24來向立管11和鉆桿12之間的環(huán)形空間13發(fā)射多個超聲信號，并且，通過超聲 傳感器陣列21、22、23、24來接收多個超聲信號。接收到的多個超聲信號可能包括來自鉆桿 12反射回來的超聲信號、來自返回的鉆井液130中的顆粒物散射回來的超聲信號或者兩者 的組合。
[0024] 信號處理裝置4可與超聲收發(fā)裝置3進(jìn)行通訊，以對接收到的多個超聲信號進(jìn)行 處理，從而能夠估算出鉆桿12的位置，并且，進(jìn)而能夠基于鉆桿12的位置估算出鉆桿12隨 時(shí)間變化的運(yùn)動軌跡。
[0025] 如圖1所示，用于確定鉆桿位置的系統(tǒng)100還包括控制裝置5,超聲收發(fā)裝置3在 控制裝置5的控制下，通過超聲傳感器陣列21、22、23、24來發(fā)射及接收超聲信號。
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