[发明专利]用于钻井泥浆的多模态分析和处理的装置和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年3月23日提交的No.61/969175、2014年5月14日提交的No.61/992919、以及2014年7月28日提交的No.62/029585的美国临时申请的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及用于多模态钻井泥浆的分析和处理的装置和方法，以及基于NMR/MRI(核磁共振/磁共振成像)的多部件集成系统及其方法。

背景技术

钻井泥浆是用于钻油井的复杂流体。它们的功能包括携带岩屑到地面、维持对岩层的足够的压力、以及润滑和冷却钻头。钻井泥浆包括油基泥浆和水基泥浆。油基泥浆配方包括基油和添加剂，所述添加剂例如是水滴、表面活性剂、亲有机物质的粘土、增粘剂等，其被用来赋予泥浆特定的性质。钻井泥浆通常被描述为是具有屈服应力的触变剪切稀化流体。由于其复杂的成分，钻井泥浆显示出可能根据流动和剪切条件而改性的内部结构，这可能导致不均匀的现象。因此，重要的是开发允许与流变学测量并行的可视化流体内部结构的研究技术。

在钻机上，泥浆通过钻柱从泥浆池泵送，它从钻头上的喷嘴喷射出，在此过程中清洁并冷却钻头。所述泥浆然后携带压碎的或切割的岩石(“钻屑”)沿着在钻柱与被钻孔的侧面之间的环形空隙(“环形空间”)向上，向上穿过地面套管，在那里它返回出现在地面。钻屑然后或者用振动筛，或者用较新的页岩输送技术过滤掉，而泥浆返回到泥浆池。所述泥浆池让钻出的“细屑”沉淀；所述池还是流体通过添加化学品和其它物质而被处理的地方。

返回的泥浆可以包含天然气或其它易燃材料，这将在振动筛/输送机区域中和振动筛/输送机区域周围聚集，或者在其它作业区域中聚集。由于要是它们点燃会引发火灾或爆炸的危险，通常安装专用的监测传感器和防爆认证设备，并且工人应采取安全防范措施。泥浆然后被沿孔向下泵送返回并进一步循环。在测试之后，泥浆在泥浆池中被定期地处理以确保其性质，所述性质优化并提高钻井效率、井孔稳定性和下面列出的其它要求。

钻井泥浆基于它们的流体相、碱度、分散性和使用的化学品类型而进行分类。分散的系统是淡水泥浆—低pH泥浆(7.0-9.5)，包括钻探、膨润土、天然、磷酸盐处理的泥浆、有机泥浆和有机胶体处理泥浆。高pH泥浆具有高于约9.5的pH值。水基钻井泥浆抑制粘土的水化和分散。有四种类型：高pH石灰泥浆和低pH值石膏、海水和饱和盐水泥浆。非分散系统是低固泥浆。这些泥浆含有体积百分比小于3％至6％且重量百分比小于9.5磅/加仑(lbs/gal)的固体。大部分这种类型的泥浆是水基的，具有不同的膨润土和聚合物的量。乳化通常从水中的油(油乳化泥浆)和油中的水(反油乳化泥浆)选择。油基泥浆含有作为连续相的油和作为污染物而不是作为泥浆设计中的元素的水。它们一般含有少于5％(体积百分比)的水。油基泥浆通常是柴油和沥青的混合物，但是它们可以以所生产的原油和泥浆为基础，参见M.G.Prammer,E.Drack,G.et al.2001.The Magnetic-Resonance While-Drilling Tool:Theory and Operation,SPE Reservoir Evaluation&Engineering 4(4)72495-PA.)。

Coussot等人(Oil&Gas Science and Technology-Rev.IFP,59(1)2004pp.23-29)报告了耦合到磁共振成像(MRI)的流变试验。使用这种技术，他们已经确定了在粘度流中的速度分布图。Coussot等人没有公开或教导在回收的钻井泥浆的处理中使用MRI。

授予Numar公司的美国专利6268726(下文中称为'726)公开了一种NMR测量随钻工具，其具有机械强度和测定灵敏度以在钻井孔时执行地层的NMR测量，并且公开了一种用于监测测量工具的运动的方法和装置，以便在处理来自井孔的NMR信号时将这个运动考虑在内。'726还公开了一种装置，其中，它的工具具有永磁体、围绕磁体的由非磁性材料制成的钢套环、定位在套环外部的天线、以及软磁性材料，其中所述永磁体的磁场方向基本上垂直于井孔轴线，所述软磁性材料相对于套环和磁体以预定关系定位，使得有助于塑造工具的磁场。由于所述非磁性套环，工具在钻井孔时可经受井孔环境中的极端条件。运动管控装置和方法被用来确定可进行NMR测量而测量准确性不受工具的运动或其空间朝向影响的时间段。