用于確定鉆桿位置的系統和方法
【技術領域】
[0001] 本發明大體涉及鉆井領域，尤其涉及一種在鉆井過程中用于確定鉆桿位置的系統 和方法。
【背景技術】
[0002] 在鉆井時，可轉動的鉆頭設置在鉆桿上，海面平臺通過鉆桿對鉆頭進行控制，鉆桿 驅動鉆頭轉動，從而從海床下鉆出井孔。在此期間，來自設置在海面平臺的流體罐中的鉆井 液通過鉆桿到達鉆頭，然后，通過設置在鉆桿和立管之間的環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行冷卻。另外，鉆井液 與井孔形成過程中產生的物料相混合以返回并攜帶其到海面進行處理。
[0003] 在鉆井過程中，當從井壁中進入井孔中的流體的壓力大于鉆井液的壓力時，則會 導致井壁中的流體隨同鉆井液一同進入環形空間中，從而產生較大壓力的返回的鉆井液， 如果控制不當就會導致井噴的發生。因此，需要對返回的鉆井液進行實時的監控測量以確 定是否會發生井噴。通常，通過測量返回的鉆井液的流量來監控井噴的發生。而在測量返 回的鉆井液的流量時，鉆桿位置起到至關重要的作用。另外，通過鉆桿位置可以確定出鉆桿 直徑變化，從而當封井裝置將被關閉時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和方法以解決如上所述的至少一個問題。
【發明內容】
[0005] 本發明的一個方面在于提供一種用于確定鉆桿位置的系統，其包括超聲傳感器陣 列、超聲收發裝置及信號處理裝置。其中，所述超聲傳感器陣列被設置在管道上，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形空間。 所述超聲收發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 來向所述環形空間發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行處理，以估算出所述鉆桿的位置。
[0006] 本發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的鉆桿之間的環形空間發射 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行處理，以估算出所述鉆桿的位置。
[0010] 根據本發明的【具體實施方式】的用于確定鉆桿位置的系統和方法不要求超聲必須 到達鉆桿，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行分析和處理，即 使在超聲到達鉆桿的強度很小的情況下，也可以估算出鉆桿的位置，進而也可以基于鉆桿 的位置估算出鉆桿隨時間變化的運動軌跡，進一步提高流速測量的準確性。本發明的用于 確定鉆桿位置的方法對于鉆井應用具有較高的實用性和可靠性。
【附圖說明】
[0011] 當參照附圖閱讀以下詳細描述時，本發明的這些和其它特征、方面及優點將變得 更好理解，在附圖中，相同的元件標號在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：
[0012] 圖1是根據本發明的一個【具體實施方式】的用于確定鉆桿位置的系統的示意性框 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構框圖；
[0015] 圖4是使用空間連續性來估算鉆桿位置時的示意圖；
[0016] 圖5是使用平均速度來估算鉆桿位置時的示意圖；及
[0017] 圖6是根據本發明的一個【具體實施方式】的用于確定鉆桿位置的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018] 為幫助本領域的技術人員能夠確切地理解本發明所要求保護的主題，下面結合附 圖詳細描述本發明的【具體實施方式】。在以下對這些【具體實施方式】的詳細描述中，本說明書 對一些公知的功能或構造不做詳細描述以避免不必要的細節而影響到本發明的披露。
[0019] 除非另作定義，本權利要求書和說明書中所使用的技術術語或者科學術語應當為 本發明所屬技術領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權利要求書 中所使用的"第一"、"第二"以及類似的詞語并不表示任何順序、數量或者重要性，而只是用 來區分不同的組成部分。"一個"或者"一"等類似詞語并不表示數量限制，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在"包括"或者"具有"前面的元件或 者物件涵蓋出現在"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示出根據本發明的一個【具體實施方式】的用于確定鉆桿位置的系統的示意性 框圖。本發明的用于確定鉆桿位置的系統100可用來鉆探井孔，從而來開采碳氫化合物，例 如化石燃料等。其中，井孔包括陸上井孔和海上井孔。現在參照圖1所示，根據本發明的一 個【具體實施方式】的用于確定鉆桿位置的系統100包括設置在管道11上的超聲傳感器陣列 21、22、23、24、超聲收發裝置3及信號處理裝置4。在本發明的一個示例中，管道11被示為 包括立管（riser)，以下將以管道11包括立管為例來進行描述。然而，這僅作為本發明的 管道11的一個示意性例子，本發明的管道11并不限于此。在本發明的另一個示例中，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的壓力并對鉆頭進行冷卻，同時，鉆井液120把在開鑿井孔過程中產生的物料， 如破碎的巖石等帶到水面。在一個【具體實施方式】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生的物料的 混合物。在平臺上，返回的鉆井液130可被進行處理，比如進行過濾，來移除其中的固體物 質后可重新進行循環。
[0022] 如圖1和圖2所示，超聲傳感器陣列21、22、23、24被設置在立管11上。在本發明 的一個【具體實施方式】中，超聲傳感器陣列21、22、23、24設置在立管11的周圍并且彼此間隔 設置。在本【具體實施方式】中，超聲傳感器陣列21、22、23、24設置在立管11的外表面上。然 而，超聲傳感器陣列的設置位置并不限于此，在其他【具體實施方式】中，超聲傳感器陣列21、 22、23、24也可設置在立管11的內表面上或立管11中，從而作為接觸式感應器來接觸返回 的鉆井液130以進行監測。在非限定的一個【具體實施方式】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，其具有較高的感應準確度。當然，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裝置。在本發明的【具體實施方式】中，超聲 傳感器陣列21、22、23、24包括設置在立管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量并不限于四個，其可以為任意多 個。當然，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可以包括適當多個超聲傳感器。
[0023] 超聲收發裝置3與超聲傳感器陣列21、22、23、24電性連接，超聲收發裝置3用于 激勵超聲傳感器陣列21、22、23、24。在實際應用中，超聲收發裝置3通過超聲傳感器陣列 21、22、23、24來向立管11和鉆桿12之間的環形空間13發射多個超聲信號，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可與超聲收發裝置3進行通訊，以對接收到的多個超聲信號進行 處理，從而能夠估算出鉆桿12的位置，并且，進而能夠基于鉆桿12的位置估算出鉆桿12隨 時間變化的運動軌跡。
[0025] 如圖1所示，用于確定鉆桿位置的系統100還包括控制裝置5,超聲收發裝置3在 控制裝置5的控制下，通過超聲傳感器陣列21、22、23、24來發射及接收超聲信號。
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