СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА БУРОВОГО РАСТВОРА, УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СОСТАВА БУРОВОГО РАСТВОРА, БУРОВАЯ УСТАНОВКА, СОДЕРЖАЩАЯ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО, И МАШИНОЧИТАЕМЫЙ НОСИТЕЛЬ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2025 года по МПК E21B21/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к системам подачи бурового раствора в буровые скважины. В частности изобретение относится к способам и системам для мониторинга и/или регулирования состава бурового раствора.

Уровень техники

Подземные скважины, такие как для добычи углеводородов или геотермальных ресурсов, обычно образуют роторным бурением. При осуществлении процессов роторного бурения режущая головка или буровое долото вращается и продвигается через грунт вследствие наличия либо механического вращающего момента, либо давления бурового раствора. Кроме того, на буровой раствор возложены другие функции, такие как смазывание режущей головки и поддержание ее холодной, транспортировка обломков породы на поверхность и предотвращение втекания пластовых флюидов в буровую скважину.

На фиг. 1 представлен упрощенный схематичный вид буровой установки 1. Буровая установка 1 содержит бурильную колонну 2, которая продолжается вниз в буровую скважину 3 и заканчивается на буровом долоте 8. Зазор между бурильной колонной 2 и стенками буровой скважины 3 представляет собой кольцевое пространство 3b. С бурильной колонной 2 соединена система подачи бурильного раствора, которая содержит насос 5, выполненный с возможностью всасывания бурового раствора из емкости 6 для бурового раствора. Буровой раствор перемещается насосом 5 вверх, в стояк 7, а затем вниз, в бурильную колонну 2. Буровой раствор выходит из бурильной колонны 2 возле бурового долота 8 и проходит вверх по кольцевому пространству 3b до верха буровой скважины 3. Затем буровой раствор движется по линии 9 возврата бурового раствора в сито 4 для очистки бурового раствора, которое отделяет твердое вещество от бурового раствора, и буровой раствор возвращается в емкость 6 для бурового раствора для рециркуляции.

Буровые растворы могут быть на водной основе, не на водной основе или содержащими воздух и в каждом случае содержат ряд добавок. Химическим составом бурового раствора определяются физические свойства бурового раствора, которые в свою очередь влияют на эффективность процесса бурения. Поэтому состав бурового раствора следует тщательно контролировать. При выполнении промышленных операций бурения обязанность инженера по буровым растворам заключается в мониторинге состава бурового раствора, обычно путем отбора проб раствора через регулярные промежутки времени (например, через каждые шесть часов). В таком случае инженер по буровым растворам определяет, какие добавки требуются (если вообще требуются) и какое количество добавок необходимо. Инженер по буровым растворам примешивает добавки к буровому раствору для получения требуемых свойств раствора. Добавление добавок в буровой раствор может быть названо дозированием.

Точная схема дозирования химикатов для поддержания или модификации состава бурового раствора является крайне субъективной и частично зависит от опыта и компетенции персонала, на который возложена ответственность за работу. По существу, интерпретация схемы предрасположена к многочисленным когнитивным отклонением и зависит от уровня квалификации и подготовки инженера по буровым растворам.

В публикации WO 2017/129523 описаны способ и система автоматизированной регулировки свойств бурового раствора. В публикации WO 2011/095600 описан способ проведения скважинных операций и способы управления буровыми растворами.

В настоящем изобретении сделана попытка разрешить или устранить изложенные выше проблемы или предложить другое полезное решение.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту предложен способ регулирования состава бурового раствора. Способ может содержать прием результатов измерений свойств бурового раствора. Кроме того, способ может содержать определение концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора. Концентрация может быть определена путем ввода измеренных свойств в модель раствора, которая связывает свойства бурового раствора с концентрацией каждого из компонентов. Способ может также содержать определение требуемой концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора. Требуемая концентрация может быть определена путем ввода требуемых свойств бурового раствора в модель раствора. Кроме того, способ может содержать определение количества одной или более добавок, подлежащих добавлению к буровому раствору для достижения требуемой концентрации каждого из множества компонентов.

В качестве варианта определение требуемой концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора содержит случайный выбор концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора и использование модели раствора для оценивания свойств бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации. Кроме того, способ может содержать сравнение требуемых свойств бурового раствора с оцененными свойствами бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации.

Кроме того, способ может содержать определение состава бурового раствора, имеющего свойства, которые наиболее близко соответствуют требуемым свойствам, путем неоднократного выполнения операций случайного выбора концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора, использования модели раствора для оценивания свойств бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации, и сравнения требуемых свойств бурового раствора с оцененными свойствами бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации.

В качестве варианта определение концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора может содержать оценивание концентрации компонента бурового раствора с использованием уравнения массового баланса. Кроме того, способ может содержать нахождение решения уравнения массового баланса с использованием оцененного количества компонента бурового раствора, которое истощилось в течение процесса бурения. Способ может также содержать оценивание количества компонента бурового раствора, которое истощилось, с использованием модели истощения, которая связывает истощение компонента с одной или более переменными процесса бурения. Кроме того, способ может содержать обновление коэффициента истощения из модели истощения на основании результатов измерений одной или более переменных, выполненных в течение процесса бурения. Способ может также содержать нахождение решения уравнения массового баланса с использованием известного количества добавки, которая добавляется к буровому раствору в течение процесса бурения. Определение концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора может также содержать определение множества возможных концентраций каждого из множества компонентов бурового раствора путем ввода измеренных свойств в модель раствора и исключения возможной концентрации, которая является несовместимой с оцененной концентрацией.

Одна или более добавок представляют собой любой один или более из загустителя бурового раствора, регулирующего фильтрацию полимера, инкапсулирующего полимера, ингибитора, разбавленного ингибитора, смазочного масла, стабилизатора пласта, мостикообразующего твердого вещества, закупоривающих поры добавок, стабилизаторов температуры, средства для обработки жесткой загрязненной воды, добавки для регулирования pH и/или биоцидной добавки.

Одна или более добавок могут представлять собой полисахарид. Одна или более добавок могут представлять собой одну или более из гуаровой смолы, ксантановой смолы, крахмала, предварительно желатинизированного крахмала, целлюлозы, карбоксиметилцеллюлозы, в том числе полианионной карбоксиметилцеллюлозы, гидроксиэтилцеллюлозы, и плода рожкового дерева.

Кроме того, способ может содержать измерение свойств бурового раствора с использованием одного или более датчиков на буровой установке. Датчики могут включать в себя датчики, выполненные с возможностью измерения любого одного или более из следующих свойств: реологии (например, скорости сдвига бурового раствора, срезывающего напряжения и/или вязкости), плотности бурового раствора, температуры, концентрации хлоридов, концентрации катионов, катионных частиц, pH, фильтрации раствора, концентрации нефти, воды и/или твердого вещества, распределения частиц по размерам, щелочности (например, концентрации карбонатов по отношению к концентрации бикарбонатов), концентрации аминов. Следует понимать, что это только примеры датчиков, которые могут быть использованы, и что датчики других видов также могут быть использованы.

Свойства могут включать в себя одно или более из вязкости, плотности, реологического свойства, данных о фильтрате бурового раствора, измеренной концентрации ионов одного или более видов, измеренной концентрации одного или более химикатов и фильтрации/потери раствора. Дополнительно или в ином случае свойства могут включать себя вязкость по вискозиметру Марша, пластическую вязкость, индекс тиксотропности, предел текучести, прочность геля бурового раствора, электрическую стабильность и скорость инкапсуляции.

Кроме того, способ может содержать управление дозирующей химикаты установкой для добавления определенного количества одной или более добавок к буровому раствору.

Согласно дальнейшему аспекту предложено устройство управления/контроллер для регулирования состава бурового раствора. Устройство управления может содержать один или более процессоров. Устройство управления может содержать машиночитаемый носитель информации/считываемый процессором носитель информации, сохраняющий команды, которые при исполнении одним или более процессором обеспечивают выполнение устройством управления способа, описанного в этой заявке.

Согласно дальнейшему аспекту предложена буровая установка, содержащая устройство управления, описанное в этой заявке. В качестве варианта буровая установка может также содержать один или более датчиков, выполненных с возможностью измерения свойств бурового раствора. Датчики могут быть выполнены с возможностью представления измеренных свойств устройству управления. Буровая установка может содержать дозирующую химикаты установку для добавления определенного количества одной или более добавок к буровому раствору.

Согласно дальнейшему аспекту предложен машиночитаемый носитель информации/считываемый процессором носитель информации, содержащий команды, которые при исполнении одним или более процессорами обеспечивают выполнение одним или более процессорами способа, описанного в этой заявке. Согласно еще одному дальнейшему аспекту предложена компьютерная программа, содержащая команды, которые при исполнении компьютером обеспечивают выполнение компьютером способа, описанного в этой заявке.

Таким образом, согласно первому объекту настоящего изобретения создан способ регулирования состава бурового раствора, при котором:

принимают результаты измерений свойств бурового раствора;

определяют концентрацию каждого из множества компонентов бурового раствора, вводя измеренные свойства в модель раствора, которая связывает свойства бурового раствора с концентрацией каждого из компонентов;

определяют требуемую концентрацию каждого из множества компонентов бурового раствора, вводя требуемые свойства бурового раствора в модель раствора;

определяют количество одной или более добавок, подлежащих добавлению к буровому раствору для достижения требуемой концентрации каждого из множества компонентов; и

управляют дозирующей химикаты установкой для добавления определяемого количества одной или более добавок к буровому раствору.

Предпочтительно, при определении требуемой концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора:

случайным образом выбирают концентрацию каждого из множества компонентов бурового раствора и

используют модель раствора для оценивания свойств бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации.

Предпочтительно, дополнительно:

сравнивают требуемые свойства бурового раствора с оцененными свойствами бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации.

Предпочтительно, дополнительно:

определяют состав бурового раствора, имеющего свойства, которые наиболее близко соответствуют требуемым свойствам, путем неоднократного выполнения операций случайного выбора концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора, использования модели раствора для оценивания свойств бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации, и сравнения требуемых свойств бурового раствора с оцененными свойствами бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации.

Предпочтительно, при определении концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора:

оценивают концентрацию компонента бурового раствора с использованием уравнения массового баланса.

Предпочтительно, дополнительно:

находят решение уравнения массового баланса с использованием оцененного количества компонента бурового раствора, которое истощилось в течение процесса бурения.

Предпочтительно, дополнительно:

оценивают количество компонента бурового раствора, которое истощилось, с использованием модели истощения, которая связывает истощение компонента с одной или более переменными процесса бурения.

Предпочтительно, дополнительно:

обновляют коэффициент истощения из модели истощения на основе результатов измерений одной или более переменных, выполняемых в течение процесса бурения.

Предпочтительно, дополнительно:

находят решение уравнения массового баланса с использованием известного количества добавки, которая добавляется к буровому раствору в течение процесса бурения.

Предпочтительно, при определении концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора дополнительно:

определяют множество возможных концентраций каждого из множества компонентов бурового раствора путем ввода измеренных свойств в модель раствора и

исключают возможную концентрацию, которая является несовместимой с оцененной концентрацией.

Предпочтительно, одна или более добавок включают в себя полисахарид.

Предпочтительно, дополнительно:

измеряют свойства бурового раствора с использованием одного или более датчиков на буровой установке.

Предпочтительно, свойства включают в себя одно или более из: вязкости, плотности, реологического свойства, данных о фильтрате бурового раствора, измеренной концентрации ионов одного или более видов, измеренной концентрации одного или более химикатов и фильтрации/потери раствора.

Согласно второму объекту настоящего изобретения создано устройство управления для регулирования состава бурового раствора, содержащее:

один или более процессоров и

машиночитаемый носитель информации, сохраняющий команды, которые при исполнении одним или более процессорами обеспечивают выполнение устройством управления вышеописанного способа.

Согласно третьему объекту настоящего изобретения создана буровая установка, содержащая вышеописанное устройство управления и дозирующую химикаты установку, выполненную с возможностью добавления определяемого количества одной или более добавок к буровому раствору.

Предпочтительно, один или более датчиков, выполненных с возможностью измерения свойств бурового раствора, выполнены с возможностью предоставления измеренных свойств устройству управления.

Согласно четвертому объекту настоящего изобретения создан машиночитаемый носитель информации, содержащий команды, которые при исполнении одним или более процессорами обеспечивают выполнение одним или более процессорами вышеописанного способа.

Краткое описание чертежей

Теперь варианты осуществления будут описаны только для примера с обращением к сопровождающим чертежам, на которых подобные элементы обозначены одинаковыми позициями и на которых:

Фиг. 1 - упрощенный схематичный вид обычной буровой установки;

Фиг. 2 - упрощенный схематичный вид буровой установки согласно настоящему изобретению;

Фиг. 3 - блок-схема последовательности действий способа регулирования состава бурового раствора;

Фиг. 4 - блок-схема последовательности действий способа определения состава бурового раствора; и

Фиг. 5 - блок-схема последовательности действий способа определения состава бурового раствора.

Подробное описание изобретения

Теперь обратимся к фиг. 2, на которой показана буровая установка 10 согласно настоящему изобретению. Буровая установка 10 подобна буровой установке 1, при этом эквивалентные элементы 2-9 соответственно обозначены как 12-19.

Кроме того, буровая установка 10 снабжена набором 24 датчиков и дозирующей химикаты установкой 22. Как набор 24 датчиков, так и дозирующая химикаты установка 22 управляются устройством 20 управления.

Набор 24 датчиков содержит один или более датчиков для мониторинга свойств (таких как физические или химические характеристики) бурового раствора. В некоторых вариантах осуществления набор 24 датчиков содержит по меньшей мере один датчик, выполненный с возможностью обнаружения физических характеристик бурового раствора непосредственно в емкости 16 для бурового раствора. В ином случае или в дополнение набор 24 датчиков может быть выполнен с возможностью извлечения проб из емкости 16 для бурового раствора к датчику для мониторинга или выполнения исследований. В других примерах (не показанных на фиг. 2) настоящего изобретения набор 24 датчиков может включать в себя один или более датчиков, расположенных на различных местах в системе. Например, датчик из набора 24 датчиков может быть в линии 19 возврата бурового раствора, встроен в дозирующую установку 22, в один из подающих трубопроводов, снабжающих дозирующую установку 22 или насос 15, в стояк 17 и/или в буровую скважину 13. Может использоваться сочетание различных датчиков.

Дозирующая установка 22 выполнена с возможностью добавления одной или более добавок к буровому раствору. На фиг. 2 дозирующая установка 22 показана включенной в линию и при этом выполнена с возможностью дозирования бурового раствора, проходящего по трубопроводу к насосу 15. В ином случае дозирующая установка 22 может быть расположена в системе в другом месте. Например, дозирующая установка 22 может быть выполнена с возможностью дозирования и диспергирования добавок непосредственно в буровой раствор, находящийся в емкости 16 для бурового раствора, или в буровую скважину 13.

Устройство 20 управления может содержать один или более процессоров, соединенных во время работы с запоминающим устройством (не показанным на фиг. 2). Запоминающее устройство может содержать команды, которые при исполнении одним или более процессорами побуждают процессор выполнять любой из способов, раскрытых в этой заявке. Устройство 20 управления выполнено с возможностью приема данных датчиков из группы 24 датчиков и управления дозирующей установкой 22 в ответ на данные датчиков. Например, устройство 20 управления может иметь один или более интерфейсов, через которые данные датчиков могут быть приняты от набора 24 датчиков и через которые команды и/или данные могут быть переданы для управления дозирующей установкой 22.

Ниже способ работы устройства 20 управления описывается с обращением к фиг. 3-5.

На фиг. 3 представлена блок-схема последовательности действий способа, выполняемого буровой установкой 10, а более конкретно, устройство 20 управления буровой установки. Устройство 20 управления выполнено с возможностью приема результатов измерений свойств бурового раствора и в ответ на это регулирования в реальном времени состава раствора.

Данные датчиков принимаются согласно блоку 301. Например, данные датчиков принимаются от набора 24 датчиков. Данные датчиков могут быть любым свойством бурового раствора, измеренным набором датчиков, например, могут быть физическими или химическими свойствами. Данные датчиков могут включать в себя что-нибудь одно или более из вязкости, плотности, реологических свойств, данных о фильтрате бурового раствора, измеренной концентрации ионов одного или более видов; измеренной концентрации одного или более химикатов, фильтрации/потери раствора, вязкости по вискозиметру Марша, индекса тиксотропности, предела текучести, прочности геля бурового раствора, электрической стабильности, скоростей инкапсуляции или другого измеряемого физического или химического свойства.

Согласно блоку 303 данные датчиков вводятся в модель раствора. Модель раствора связывает свойства бурового раствора с концентрациями каждого из множества компонентов бурового раствора. Модель раствора может включать в себя множество уравнений, при этом каждое уравнение связывает свойство бурового раствора с концентрациями одного или более компонентов бурового раствора и как вариант с одним или более другими свойствами бурового раствора. Исключительно в качестве иллюстрации уравнение модели раствора может иметь следующий вид:

свойство _x=А⃰концентрация₁+В⃰концентрация₂+С⃰свойство_y+D⃰log(свойство_z) + Е⃰(концентрация₂)²+F, где:

свойство _x, свойство_y, свойство_z представляют собой показатели трех физических или химических свойств бурового раствора; А, В, С, D и Е представляют собой коэффициенты; и концентрация₁ и концентрация₂ представляют собой концентрации двух компонентов бурового раствора. Следует понимать, что приведенное выше уравнение предназначено только для содействия пониманию читателем сущности модели раствора. В реальности, модель раствора содержит многочисленные уравнения, любое из которых может иметь форму, отличающуюся от формы, показанной выше.

Модель раствора вычисляют на основании лабораторных данных, относящихся к различным составам бурового раствора и измеренным физическим и химическим свойствам их. Модель раствора можно вычислять с помощью регрессионного анализа, чтобы определять зависимость данного свойства бурового раствора от других свойств бурового раствора и концентраций компонентов бурового раствора. В некоторых вариантах осуществления для повышения точности модель раствора может быть обновлена в реальном времени на основании обратной связи от системы.

Затем согласно блоку 305 определяется фактический состав бурового раствора. Это обычно делает устройство 20 управления, решающее уравнения модели раствора, когда данные датчиков, принятые согласно блоку 301, введены согласно блоку 303 в уравнения. Результат этого вычисления позволяет устройству 20 управления определить состав бурового раствора. Состав бурового раствора может быть выражен как концентрация каждого из множества компонентов бурового раствора. Пример реализации операции согласно блоку 305 рассматривается более подробно ниже совместно с фиг. 4.

Согласно блоку 307 принимаются требуемые свойства бурового раствора. Например, пользователь (такой как инженер по буровым растворам) вводит требуемые свойства бурового раствора. Пользователь может вводить требуемые свойства через посредство устройства 20 управления. Это может быть осуществлено с помощью компьютера и пользовательского интерфейса или любого другого подходящего устройства. Примеры требуемых свойств раствора могут включать в себя вязкость, индекс тиксотропности, плотность или любые другие свойства, такие как физические и химические свойства, перечисленные в этой заявке.

Согласно блоку 309 после этого требуемые свойства раствора вводят в модель раствора.

Затем согласно блоку 311 определяется требуемый состав бурового раствора. Это обычно делает устройство 20 управления, решающее уравнения модели раствора, когда требуемые свойства раствора, принятые согласно блоку 307, введены согласно блоку 309 в уравнения. Результат этого вычисления позволяет устройству 20 управления определить состав бурового раствора, который соответствует введенным требуемым свойствам раствора. Требуемый состав бурового раствора может быть выражен как концентрация каждого из множества компонентов бурового раствора. Устройство 20 управления может определять многочисленные различные составы бурового раствора, при которых будут достигаться такие же или подобные свойства раствора. Устройство 20 управления может автоматически определять, что один из возможных составов бурового раствора является оптимальным, и может автоматически выбирать его в качестве требуемого состава бурового раствора. В ином случае устройство 20 управления может предоставлять пользователю возможность выбора состава из числа нескольких возможных составов бурового раствора. Устройство 20 управления может быть выполнено с возможностью идентификации сильных и слабых сторон конкретных составов и информирования об этом пользователя. Например, устройство управления может идентифицировать и/или сравнивать самый дешевый состав, имеющий требуемые свойства, с составом, который наиболее близко соответствует требуемым свойствам, или с составом, для которого требуется наименьшее количество химических добавок, или руководствоваться любыми другими критериями, выбираемыми пользователем.

Согласно блоку 313 устройство 20 управления сравнивает фактический состав бурового раствора с требуемым составом бурового раствора. При этом устройство управления способно идентифицировать, является ли фактический состав таким же, как требуемый состав, или отличается от него.

Согласно блоку 315 на основании этого сравнения определяется схема дозирования. Схема дозирования включает в себя количество одной или более добавок, которые могут добавляться к буровому раствору для изменения фактического состава бурового раствора до соответствия требуемому составу бурового раствора. Если обнаруживается, что фактический и требуемый составы, сравнение которых было выполнено согласно блоку 313, являются аналогичными, то схема дозирования может показать, что нет необходимости добавлять добавки к буровому раствору. Если обнаруживается, что фактический состав обеспечивает получение раствора, показатель свойства которого является слишком высоким или слишком низким по сравнению с показателем, обеспечиваемым требуемым составом, устройство 20 управления может соответственно скорректировать схему дозирования.

Согласно блоку 317 схема дозирования передается к дозирующей установке 22. Схема может быть передана любым подходящим способом и может быть передана посредством проводного или беспроводного соединения. После приема схемы дозирования дозирующее устройство 22 добавляет одну или более добавок к буровому раствору, чтобы изменить состав бурового раствора до соответствия требуемой концентрации бурового раствора. Если при сравнении согласно блоку 313 двух составов, фактического и требуемого, устанавливается совпадение их, схема дозирования оставляется неизменной и в выполнении операции согласно блоку 317 нет необходимости.

После этого процесс повторяется (319). При необходимости задержка может быть введена перед повторением процесса.

Путь введенных пользователем данных, показанный с помощью блоков 307, 309 и 311, отображен как проходящий параллельно (и необязательно одновременно) пути данных датчиков, показанному с помощью блоков 301, 303 и 305. Система может выполнять операции по пути введенных пользователем данных раньше или позже, чем по пути данных датчиков. Процессы по пути введенных пользователем данных и по пути данных датчиков могут повторяться с одинаковой или разной периодичностью. Например, процесс может повторяться так, что прохождение по пути данных датчиков будет повторяться с первой частотой, которая может быть привязана ко времени, такому как каждые 5 или 10 мин. Процесс может повторяться так, что прохождение по пути введенных пользователем данных будет повторяться с второй частотой или в ответ на другие переменные или сочетание их. Вторая частота может быть ежечасной или ежедневной. Другие переменные могут включать в себя глубину буровой скважины или, например, реакцию на бурение породы.

Как отмечалось выше, модель раствора вычисляется эмпирически на основании лабораторных данных в соответствии с анализом свойств раствора в широком диапазоне составов бурового раствора. При обычных процессах бурения большое количество добавок препятствует выполнению такого анализа. Однако изобретатели настоящего изобретения обнаружили, что такие добавки к буровому раствору, как Pure-Bore® и Pure-Bore LV®, можно использовать вместо многочисленных обычных добавок к буровому раствору для выполнения многочисленных функций (например, для корректировки вязкости, сдвигового разжижения, уменьшения сопротивления течению, покрытия сланца оболочкой и т.д.). Таким образом, общий состав бурового раствора упрощается, а уравнения модели раствора могут быть легче решены. Следует понимать, что изобретение не предполагается ограниченным системами подачи бурового раствора, содержащими Pure-Bore® и Pure-Bore LV®, которые представлены для показа эффективности системы. В качестве альтернативы использованию Pure-Bore® и Pure-Bore LV® обычные добавки к буровому раствору могут быть смешаны в определенном соотношении для выполнения многочисленных функций и тем самым для уменьшения количества необходимых исследований.

Теперь обратимся к фиг. 4, с помощью которого пример реализации процесса 305 определения фактического состава бурового раствора будет пояснен более подробно. На фиг. 4 представлен процесс, в соответствии с которым анализ Монте-Карло может быть использован для определения состава бурового раствора.

Прежде всего, согласно блоку 401 выбирается случайный показатель (такое как общее содержание или концентрация и т.д.) компонента бурового раствора. Компонент может быть любым потенциальным компонентом или сочетанием компонентов. Например, концентрация каждого из множества компонентов бурового раствора может выбираться случайно.

Согласно блоку 403 случайный показатель вводится в модель раствора. Модель раствора является такой же моделью раствора, как использованная в процессе, описанном выше с обращением к фиг. 3.

Затем согласно блоку 405 свойства бурового раствора оцениваются на основании случайно выбранного показателя. Обычно это выполняет устройство управления 20, решающее уравнения модели раствора, когда случайный параметр, выбранный согласно блоку 401, введен согласно блоку 403 в уравнения. Результат этого вычисления позволяет устройству 20 управления оценивать свойства бурового раствора, компоненты которого имеют концентрации, которые были случайно выбраны согласно блоку 401.

Согласно блоку 407 оцененные свойства раствора сравниваются с измеренными свойствами раствора. Более конкретно, свойства раствора, которые были оценены согласно блоку 405, сравниваются со свойствами раствора, измеренными или полученными согласно блоку 301 непосредственно от набора 24 датчиков. После этого согласно блоку 408 устройство 20 управления определяет, совпадают ли оцененные и измеренные свойства раствора.

Если свойства раствора не совпадают (409), согласно блоку 417 выбирается новый случайный показатель компонента бурового раствора. Операция согласно блоку 417 является по существу такой же, как операция согласно блоку 401. Новый случайный показатель не может быть истинно случайным, поскольку он может исключать ранее выбранные показатели для предотвращения дублирования. Согласно блоку 403 новый показатель вводится в модель раствора, и процесс повторяется. Можно ожидать, что этот процесс будет повторяться много раз до совпадения оцененных свойств раствора с измеренными свойствами раствора.

Если оцененные свойства бурового раствора совпадают (410) со свойствами бурового раствора, наблюдавшимися и измеренными, согласно блоку 411 возможный состав идентифицируется. Поскольку свойства раствора являются результатом некоторого количества взаимосвязанных факторов и компонентов, многочисленные случайные составы могут обеспечивать получение бурового раствора с оцененными свойствами раствора, которые соответствуют измеренным свойствам бурового раствора. Таким образом, вторая проверка выполняется для исключения маловероятных возможных составов бурого раствора.

Чтобы определить, является ли возможный состав подходящим, согласно блоку 413 выполняется анализ массового баланса системы бурового раствора, который описывается в дальнейшем с обращением к фиг. 5.

В устройстве 20 управления имеется запись относительно начального состава раствора и всех добавок, добавленных к раствору, и поэтому он способен отклонять (415) возможные составы, которые не являются подходящими (то есть, являются невозможными или очень маловероятными).

Когда возможный состав отклоняется, новое случайный показатель или концентрация компонента бурового раствора выбирается согласно блоку 417 и процесс повторяется.

Если анализ массового баланса показывает, что возможный состав является подходящим (то есть, является возможным и высоковероятным), то согласно блоку 419 возможный состав считается фактическим составом бурового раствора.

Процесс повторяется от начала до конца много раз до тех пор, пока не будет выбран ряд случайных показателей концентрации, удовлетворяющих результатам сравнения (407) с измеренными физическими характеристиками бурового раствора и результатами анализа (313) массового баланса. Затем, как описывалось ранее, фактическая композиция сравнивается с требуемым составом.

Теперь обратимся к фиг. 5, на которой более детально показано, каким образом выполняется анализ (413) массового баланса.

При анализе (413) массового баланса используют модель истощения раствора, которую получают на основании известных скоростей потерь компонентов раствора при бурении конкретных пластов породы. Поскольку процесс бурения выполняют при повышенном давлении, имеется ожидаемая скорость утечки воды в окружающий пласт. Кроме того, специфические компоненты или добавки из бурового раствора поглощаются преимущественно породными формациями, что влечет за собой постепенное истощение некоторых компонентов. Поэтому модель истощения может быть вычислена на основании известных скоростей истощения всех компонентов и свойств пробуриваемых породных формаций. Как и модель раствора, описанная выше, модель истощения представляет собой эмпирическую модель, которую получают на основании экспериментальных данных. Модель истощения может быть многофакторным линейным уравнением. Модель истощения может состоять из набора коэффициентов, которые используются в сочетании с одной или более переменными процесса бурения для прогнозирования скорости истощения одного или более компонентов бурового раствора. Поэтому моделью истощения связывается истощение компонента бурового раствора с одним или более показателями процесса бурения. Модель истощения можно использовать для оценивания показателя истощения компонента бурового раствора.

Согласно блоку 501 вводятся показатели в уравнение массового баланса. Уравнение массового баланса имеет следующий вид:

масса _{текущая}=масса_{начальная}+масса_{добавленная} - масса_{истощенная}

Уравнение массового баланса связывает текущую массу (масса_{текущая}) конкретного компонента бурового раствора с начальной массой (масса_{начальная}) этого компонента в буровом растворе, с массой (масса_{добавленная}) этого компонента, которая добавлена к буровому раствору, и оцененной массой (масса_{истощенная}) этого компонента, которая была истощена в процессе бурения. Таким образом, показатели, которые вводятся в уравнения массового баланса согласно блоку 501, могут включать в себя известный начальный состав бурового раствора, старые данные относительно массы одной или более добавок, которые были добавлены в буровой раствор после того, как начальный состав бурового раствора был определен (например, в результате операции выполненной согласно блоку 317), и оцененное истощение одного или более компонентов. Расчетное истощение может быть вычислено при использовании модели истощения и результатов измерений переменных процесса бурения. Следует понимать, что уравнение массового баланса может иметься для каждого компонента бурового раствора и что блок 501 может включать в себя ввод показателей в каждое из уравнений массового баланса.

Согласно блоку 503 уравнение массового баланса используется для оценивания концентрации компонента бурового раствора. Более конкретно, уравнение массового баланса решается для оценивания текущей массы (масса_{текущая}) компонента бурового раствора. Затем концентрация компонента может быть оценена на основании оцененной текущей массы. Концентрация многочисленных компонентов бурового раствора может быть оценена аналогичным образом путем решения соответствующего уравнения массового баланса для каждого компонента.

Согласно блоку 505 затем каждая оцененная концентрация сравнивается с соответствующей возможной концентрацией. Возможная концентрация представляет собой концентрацию конкретного компонента из возможного состава бурового раствора, которая определяется согласно блокам 401-411 процесса, описанного с обращением к фиг. 4. Поэтому устройство 20 управления определяет, соответствует ли оцененная концентрация возможной концентрации.

Если оцененная концентрация соответствует (509) возможной концентрации для всех компонентов бурового раствора, то согласно блоку 419 возможный состав утверждается как фактический состав бурового раствора.

В ином случае, если любая из оцененных концентраций не соответствует (507) соответствующей возможной концентрации, выполняется дальнейший анализ, в процессе которого согласно блоку 513 устройство 20 управления определяет, является ли возможный состав подходящим.

Если различие между возможным составом и оцененным составом больше, чем приемлемые пределы погрешности, то в соответствии с блоком 515 делается заключение, что возможная концентрация является некорректной. Пределы погрешности могут быть заданы системой или могут быть выбраны пользователем, например, чтобы пользователь мог осуществить тонкую настройку системы.

Как описывалось ранее с обращением к фиг. 4, после этого процесс повторяется, при этом согласно блоку 417 выбирается новая случайная концентрация компонента бурового раствора.

Однако, если различие между оцененным и возможным составами находится в приемлемых пределах погрешности, то фактический состав бурового раствора считается точно определенным. Различие между оцененным и возможным составами является следствием некорректности модели истощения или несогласованности в процессе выполнения операции бурения. Поэтому модель истощения обновляется в соответствии с блоком 517. По мере продолжения процесса бурения бурильная колонна и ствол скважины будут проходить через новые пласты породы и скорость истощения будет меняться при бурении различных пород. Поэтому по мере продолжения бурения модель истощения уточняется и обновляется непрерывно и общая точность анализа массового баланса повышается. Таким образом, анализ 413 массового баланса автоматически подстраивается под условия в буровой скважине.

Как описывалось ранее, необходимые процессы выполняет устройство 20 управления, чтобы получать схему дозирования для дозирующей установки 22. В зависимости от заданной периодичности процессов может непрерывно выполняться в реальном времени мониторинг состава бурового раствора и скважинных условий. Поэтому система может реагировать намного быстрее, чем существующие системы, основанные на анализе человеком и на его вмешательстве. Благодаря более быстрому реагированию буровой раствор может поддерживаться в оптимальном рабочем состоянии в течение более длительного времени. Поэтому эффективность операции бурения значительно повышается. Кроме того, благодаря исключению излишнего дозирования некоторых добавок эксплуатационные расходы снижаются.

Способы, раскрытые в этой заявке, могут выполняться по командам, сохраняемым на машиночитаемом носителе/считываемом процессором носителе информации. Машиночитаемым носителем информации могут быть постоянное запоминающее устройство (в том числе программируемое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), стираемое программируемое ПЗУ, электронно-перепрограммируемое ПЗУ), запоминающее устройство с произвольным доступом, флэш-память, электрический, электромагнитный или оптический сигнал, магнитный, оптический или магнитооптический носитель данных, один или более регистров процессора или машиночитаемый носитель информации любого вида. Согласно вариантам осуществления настоящее изобретение может быть реализовано как управляющая логика в аппаратном обеспечении, программно-аппаратном обеспечении, программном обеспечении или в любом сочетании их. Устройство может быть реализовано с помощью специализированных приборов, таких как одна или более специализированных интегральных схем (ASIC) или соответствующим образом соединенные дискретные логические вентили. В случае использования специализированных приборов соответствующий язык описания технических средств может быть использован при реализации способа, описанного в этой заявке.

Следует понимать, что выше изобретение описано только для примера и что модификации отдельных частей могут быть сделаны в объеме изобретения.

Группа изобретений относится к системам подачи бурового раствора в буровые скважины. При осуществлении способа принимают результаты измерений свойств бурового раствора, определяют концентрацию каждого из множества компонентов бурового раствора, вводя измеренные свойства в модель раствора, которая связывает свойства бурового раствора с концентрацией каждого из компонентов, определяют требуемую концентрацию каждого из множества компонентов бурового раствора, вводя требуемые свойства бурового раствора в модель раствора, определяют количество одной или более добавок, подлежащих добавлению к буровому раствору для достижения требуемой концентрации каждого из множества компонентов. Управляют дозирующей химикаты установкой для добавления определяемого количества одной или более добавок к буровому раствору. Оптимизируется подбор состава бурового раствора, обеспечивается автоматизация процесса. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ регулирования состава бурового раствора, при котором:

принимают результаты измерений свойств бурового раствора;

определяют концентрацию каждого из множества компонентов бурового раствора, вводя измеренные свойства в модель раствора, которая связывает свойства бурового раствора с концентрацией каждого из компонентов;

определяют требуемую концентрацию каждого из множества компонентов бурового раствора, вводя требуемые свойства бурового раствора в модель раствора;

определяют количество одной или более добавок, подлежащих добавлению к буровому раствору для достижения требуемой концентрации каждого из множества компонентов; и

управляют дозирующей химикаты установкой для добавления определяемого количества одной или более добавок к буровому раствору.

2. Способ по п. 1, при котором при определении требуемой концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора:

случайным образом выбирают концентрацию каждого из множества компонентов бурового раствора и

используют модель раствора для оценивания свойств бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации.

3. Способ по п. 2, при котором дополнительно:

сравнивают требуемые свойства бурового раствора с оцененными свойствами бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации.

4. Способ по п. 3, при котором дополнительно:

определяют состав бурового раствора, имеющего свойства, которые наиболее близко соответствуют требуемым свойствам, путем неоднократного выполнения операций случайного выбора концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора, использования модели раствора для оценивания свойств бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации, и сравнения требуемых свойств бурового раствора с оцененными свойствами бурового раствора, имеющего случайно выбранные концентрации.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором при определении концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора:

оценивают концентрацию компонента бурового раствора с использованием уравнения массового баланса.

6. Способ по п. 5, при котором дополнительно:

находят решение уравнения массового баланса с использованием оцененного количества компонента бурового раствора, которое истощилось в течение процесса бурения.

7. Способ по п. 6, при котором дополнительно:

оценивают количество компонента бурового раствора, которое истощилось, с использованием модели истощения, которая связывает истощение компонента с одной или более переменными процесса бурения.

8. Способ по п. 7, при котором дополнительно:

обновляют коэффициент истощения из модели истощения на основе результатов измерений одной или более переменных, выполняемых в течение процесса бурения.

9. Способ по любому из пп. 5-8, при котором дополнительно:

находят решение уравнения массового баланса с использованием известного количества добавки, которая добавляется к буровому раствору в течение процесса бурения.

10. Способ по любому из пп. 5-9, при котором при определении концентрации каждого из множества компонентов бурового раствора дополнительно:

определяют множество возможных концентраций каждого из множества компонентов бурового раствора путем ввода измеренных свойств в модель раствора и

исключают возможную концентрацию, которая является несовместимой с оцененной концентрацией.

11. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором одна или более добавок включают в себя полисахарид.

12. Способ по любому из предшествующих пунктов, при котором дополнительно:

измеряют свойства бурового раствора с использованием одного или более датчиков на буровой установке.

13. Способ по п. 12, при котором свойства включают в себя одно или более из: вязкости, плотности, реологического свойства, данных о фильтрате бурового раствора, измеренной концентрации ионов одного или более видов, измеренной концентрации одного или более химикатов и фильтрации/потери раствора.

14. Устройство управления для регулирования состава бурового раствора, содержащее:

один или более процессоров и

машиночитаемый носитель информации, сохраняющий команды, которые при исполнении одним или более процессорами обеспечивают выполнение устройством управления способа по любому из предшествующих пунктов.

15. Буровая установка, содержащая устройство управления по п. 14 и дозирующую химикаты установку, выполненную с возможностью добавления определяемого количества одной или более добавок к буровому раствору.

16. Установка по п. 15, в которой один или более датчиков, выполненных с возможностью измерения свойств бурового раствора, выполнены с возможностью предоставления измеренных свойств устройству управления.

17. Машиночитаемый носитель информации, содержащий команды, которые при исполнении одним или более процессорами обеспечивают выполнение одним или более процессорами способа по любому из пп. 1-13.