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CN105473816A - 用于实时测量钻井流体中气体含量的系统和方法 - Google Patents

用于实时测量钻井流体中气体含量的系统和方法 Download PDF

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CN105473816A
CN105473816A CN201380079013.6A CN201380079013A CN105473816A CN 105473816 A CN105473816 A CN 105473816A CN 201380079013 A CN201380079013 A CN 201380079013A CN 105473816 A CN105473816 A CN 105473816A
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伊恩·戴维·坎贝尔·米切尔
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Halliburton Energy Services Inc
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Abstract

公开了用于实时地监测钻井流体的系统和方法。一种方法包括将钻井流体循环入并循环出钻孔，利用布置成靠近所述钻孔出口处的第一光学计算设备生成第一输出信号，所述第一光学计算设备具有被配置来与所述钻井流体光学地相互作用的第一集成计算元件；利用通信地耦合到所述第一光学计算设备的信号处理器接收所述第一输出信号；利用所述信号处理器确定在所述钻孔的所述出口处存在于所述钻井流体中的所述气体浓度并且生成所得的输出信号；将所述所得的输出信号传送到一个或多个外围设备，并且响应于存在于所述钻井流体中的所述气体浓度来调整一个或多个钻井或完井参数。

Description

用于实时测量钻井流体中气体含量的系统和方法
发明背景
本公开涉及用于监测钻井流体的系统和方法，并且更具体地说，涉及使用光学计算设备实时测量钻井流体中的气体含量并且响应于此调整一个或多个钻井参数的系统和方法。
在产烃井的钻井期间，钻井流体或“泥浆”不断从表面向下循环到所钻出的井眼底部并再返回到表面。钻井流体提供多种功能，其中一个功能是将井眼钻屑向上传输到与钻井流体分离的表面。钻井流体的另一个功能是冷却钻头并且将液体静压力提供在钻出的钻孔壁上以阻止井眼坍塌并阻止气体或液体从正在钻的地层流入。
在石油和天然气工业中，将分析返回到表面时的钻井流体视为对潜在的含烃储层区的第一重要的鉴定，从而提供重要数据以指导后续评估和测试。此类分析和测试通常被称为“泥浆录井”分析。当储层区被最初穿透时可通过泥浆录井来评估储层区，从而基本上阻止后期钻井对能够限制许多其他评估技术效果的地层的改变。
泥浆录井通常包括当钻井流体返回到表面时对存在于钻井流体中的地层气体的测量和分析。此类分析对于提供关于当钻井时可能出现的烃和非烃气体种类的数据可以是有价值的。具体地说，知道在钻井流体中的烃和非烃气体的存在和浓度提供钻头碰到的地层的指示并且提供确定从井中获得烃的可行性的基础。此类分析提供的信息在烃储层的计划和开发中以及在储层的容量和性能的评估中至关重要。
通常使用实验室分析离线进行钻井流体的泥浆录井分析，所述实验室分析需要提取钻井流体的样品并且随后通常在分离位置进行受控测试程序。然而，根据所要求的分析，这种方法可能需要数小时到数天来完成，并且即使在最好的情况下，工作通常将会在获得分析之前完成。虽然离线，但是在某些情况下回顾性分析可能是令人满意的，然而它们没有实时或近实时的分析能力。因此，不会发生对钻井操作的主动控制，至少当等待分析的结果时，不会发生严重过程破坏。由于在收集与分析之间的延迟时间期间钻井流体的提取样品的特征常常变化，所以离线、回顾性分析对于确定钻井流体的真实特征也可能是不令人满意的，从而使样品的特性不能指示真实化学组分或特征。
附图简述
以下图包括了用于说明本公开的特定方面，并且不应视作排它性实施方案。如本领域中的技术人员以及受益于本公开的人员将了解，所公开的主题能够在形式和功能上存在许多修改、改变、组合和等效形式。
图1示出根据一个或多个实施方案的示例性集成计算元件。
图2示出根据一个或多个实施方案的用于监测流体的示例性光学计算设备。
图3示出根据一个或多个实施方案的用于监测流体的另一个示例性光学计算设备。
图4示出根据一个或多个实施方案的可采用用于监测流体的一个或多个光学计算设备的示例性钻井组件。
图5A-5D示出根据一个或多个实施方案的由气体含量的测量形成的示例性图形输出。
详述
本公开涉及用于监测钻井流体的系统和方法，并且更具体地说，涉及使用光学计算设备实时测量钻井流体中的气体含量并且响应于此调整一个或多个钻井参数的系统和方法。
本文所述的示例性系统和方法采用光学计算设备(通常也称为“光学分析设备”)的各种配置和布置，以实时地或近实时地监测流体，如钻井流体。在操作中，示例性系统和方法对于确定流体的一种或多种特性或特征，如存在于流体内的一种或多种气体的类型和浓度来说是有用或以其他方式有利的。光学计算设备可有利地提供实时流体监测，目前不可在施工现场利用就地分析或通过在实验室进行的更详细的分析来获得所述实时流体监测。这些设备的显著和明显的优点是它们可被配置来具体地检测和/或测量流体的感兴趣的特定组分或特征，从而允许对流体进行定性和/或定量分析而不需要在远离现场的实验室提取样品并对样品进行耗时分析。
由于所描述的光学计算设备提供用于监测石油/天然气相关流的体(如钻井流体)的成本有效、坚固且精确的装置，所以本文所公开的系统和方法可适用于石油和天然气工业。具体地说，系统和方法可证明有利于用于泥浆录井气体分析，从而提供关于当在地面以下针对烃储层的开采而钻孔时可能遇到的烃和非烃气体种类的持续数据流。当钻井流体返回到表面时，例如，它可能含有包含在已被钻出的岩石中的烃(以及其他化合物)以及已从周围岩石地层漏入井眼中的另外的烃。对这些气体化合物的丰度的实时测量将得到关于岩石的烃含量的信息。
可将此类数据提供给钻井作业员以供解释并考虑，并且如果需要的话，钻井作业员可响应于此来改变各种钻井或完井参数。例如，根据正在被钻孔的岩石内检测到的气体的类型和浓度，钻井作业员可调整生产阀和/或节流口设置以便调节钻井操作的进程并且还可通过早期井涌检测使井眼井涌最小化。在其他情况下，钻井作业员可改变泥浆特性以致力于优化钻井效率或地层评估效率。基于数据的考虑可通过钻井作业员改变的其他钻井和完井参数包括改变计划的固井和/或加套程序并且优化完井设计。
在一些情况下，所述数据可揭示过量的危险或有毒气体正返回到表面。此类气体对钻井工作者和周围环境造成了潜在的健康危害。在这种情况下，钻井作业员可将一种或多种补救添加剂或成分引入到钻井流体以主动地减少有害/有毒的气体量。
在其他情况下，数据可指示在钻出的钻孔中(如在井眼的特定的横向轨迹处)的活力烃的增加量。在这种情况下，钻井作业员可操作钻井计划和/或地质导向，使得所得的井眼基本上在观察到的富含烃的层或区域中并穿过其形成。换句话说，可通过地质导向钻井设备操作或以其他方式改变井路径的计划轨迹，使得钻孔穿过比已穿过的富含烃层大的部分。
通过直接测量在钻井流体中的气体含量，不必从用于泥浆录井气体分析的流体提取气体样品。由于通常用于泥浆录井气体分析的气体提取过程不总是有效的(因为它取决于多个变量，其包括温度、流速、粘度、钻井流体类型等)，所以这可证明是尤其有利的。使用本文所述的光学计算设备将从分析中有效地消除所有这些变量。通过减少在分析中的变量，可极大地增加结果的精确度。由于有更少的活动部件，还可改善可靠性。此外，使用本文所述的光学计算设备显著减少流出井口的钻井流体与可用的测量结果之间的延迟时间。更新速率与传统提取系统相比也有了极大的改善。
可在钻井流体循环系统内的各个点处采用光学计算设备以监测钻井流体及其相关联的气体含量。根据特定光学计算设备的位置，可获得关于流体的不同类型的信息。在一些情况下，例如，光学计算设备可用来监测钻井流体循环流入和流出井眼之前和之后的其中的气体的类型和浓度。在其他情况下，在通过传统钻井流体采样过程从钻井流体提取气体样品之后，光学计算设备可用来实时地分析所提取的气体样品。在其他情况下，光学计算设备可用来监测在或临近于井眼节流设备的钻井流体，以便当钻井流体在井眼条件循环时，实时地登记钻井流体的气体浓度。
如本文所用，术语“流体”是指任何能够流动的物质，包括颗粒固体、液体、气体、浆液、乳液、粉末、泥浆、混合物、它们的组合物等。在一些实施方案中，流体是钻井流体或钻井“泥浆”，其包括水基的钻井流体、油基的钻井流体、合成钻井流体等。在其他实施方案中，流体可以是完井流体或清理流体，如但不限于：淡水、盐水(例如，其中包含一种或多种溶解盐的水)、咸水(例如，饱和盐水、氯化物盐、溴化物盐、它们的组合物等)、海水、分隔流体、基流体或本领域已知的其他处理流体。
如本文所用，术语“特征”是指流体的化学、机械或物理特性。流体的特征可包括存在于流体中的一种或多种化学成分或化合物的定量值或浓度。在本文可将此类化学成分称为“分析物”。本文所公开的可利用光化学计算设备监测的物质的说明性特征可包括，例如，化学组分(例如，总体特性和浓度或单个组分或化合物)、相存在(例如，气体、油、水等)、杂质含量、pH、碱度、粘度、密度、离子强度、总溶解固体、含盐量(例如，盐度)、孔隙度、不透明度、细菌含量、总硬度、它们的组合、物态(固体、液体、气体、乳剂、混合物等)等等。
此外，短语“流体的感兴趣的特征/在流体中”在本文可用来指包含在流体中或以其他方式夹带在流体内的气体的浓度或特征。可利用光学计算设备监测或以其他方式测量的包含在钻井流体内的示例性气体，例如，包括但不限于：甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、异丁烷、异戊烷、新戊烷、苯、甲苯、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、乙酸、氩气、氦气、氧气、氮气、水、氢气、氧硫化碳、二硫化碳以及它们的任何组合。
如本文所用，术语“流动路径”是指流体能够在至少两个点之间传输的路径。在一些情况下，流体路径在两个点之间不必是连续的或以其他方式相连的。示例性流动路径包括但不限于：流线、管路、生产管、钻柱、工作管柱、套管、井眼、在井眼与布置在井眼内的任何管之间限定的环、泥浆池、地下地层等、它们的组合等等。应当注意，术语“流动路径”不一定意味着流体在其中流动，而是流体能够通过它传输或可以其他方式流动。
如本文所用，术语“电磁辐射”是指无线电波、微波辐射、红外线或近红外线辐射、可见光、紫外光、X射线辐射以及γ射线辐射。
如本文所用，术语“光学计算设备”是指被配置来接收与流体相关联的电磁辐射的输入并且产生来自布置在光学计算设备内的处理元件的电磁辐射的输出的光学设备。处理元件可以是，例如，在光学计算设备中使用的集成计算元件(ICE)，也称为多元光学元件(MOE)。改变与处理元件光学地相互作用的电磁辐射以便能够由检测器读出，使得检测器的输出可与流体的特征(例如，在流体中的气体的类型和浓度)相关。来自处理元件的电磁辐射输出可以是反射的电磁辐射、发送的电磁辐射和/或分散的电磁辐射。检测器是否分析反射、发送或分散的电磁辐射可以由光学计算设备的结构参数以及本领域技术人员已知的其他考虑因素来决定。此外，也可通过光学计算设备监测流体的放射和/或散射(例如，通过荧光、冷光、拉曼、米氏和/或瑞利散射)。
如本文所用，术语“光学地相互作用”或其变体是指在、通过或从一个或多个处理元件(即，集成计算元件或多元光学元件)、流体或存在于所述流体内的气体反射、传输、散射、衍射或吸收电磁辐射。因此，光学地相互作用的光是指已通过发射或再辐射(例如，使用处理元件，但是也可实施与流体或夹带在流体中的气体相互作用)而反射、传输、散射、衍射或吸收的电磁辐射。
本文所述的示例性系统和方法将包括至少一个光学计算设备，所述光学计算设备被布置成沿着流动路径或在流动路径中以监测其中所含的流体。每个光学计算设备可包括电磁辐射源、至少一个处理元件(例如，集成计算元件)以及至少一个检测器，所述检测器被布置成从至少一个处理元件或流体接收光学地相互作用的光。在一些实施方案中，示例性光学计算设备可被具体地配置成用于检测、分析并定量测量流体的特定特征，如存在于流体内的气体的类型和浓度。在其他实施方案中，光学计算设备可以是通用光学设备，其利用用于具体地检测流体的特征的采集后处理(例如，通过计算机装置)。
目前所述的光学计算设备可实时地或近实时地执行计算(分析)而不需要耗时样品处理。此外，光学计算设备可被具体地配置来检测并分析流体或存在于所述流体内的气体的特定特征。因此，通过光学计算设备的适当配置将干涉信号与在流体中的那些感兴趣的特征区分，使得光学计算设备在基于检测到的输出时提供关于流体特征的快速响应。在一些实施方案中，可将检测到的输出转换成与流体的特征的大小不同的电压。
光学计算设备不仅可被配置来检测在流体内的气体的组成和浓度，其还可被配置来基于从流体和/或气体接收的电磁辐射的分析确定流体和/或气体的物理特性和其他特征。例如，光学计算设备可被配置来确定分析物的浓度并且使所确定的浓度与流体的特征相关。应当理解，光学计算设备可被配置来检测如所需的流体的许多特征(例如，气体化合物和它们的相应的浓度)。实现监测多个特征的所有需要是将合适的处理和检测装置并入针对每个特征的光学计算设备内。在一些实施方案中，流体的特性可以是其中分析物的特性的组合(例如，线性、非线性、对数和/或指数组合)。因此，使用光学计算设备检测并分析越多的特征和分析物，将越准确地确定给定流体和/或气体的特性。
与常规电子处理器的硬线电路相反，本文所述的光学计算设备利用电磁辐射来执行计算。当电磁辐射与流体相互作用时，将关于流体的独特物理和化学信息编码到从流体反射、通过流体传输或从流体辐射的电磁辐射。该信息通常是指流体的光谱“指纹”。本文所述的光学计算设备能够提取在流体内的多个特征或分析物的光谱指纹的信息，并且将该信息转换成关于流体的一个或多个特征或存在于流体内的气体的可检测的输出。也就是说，通过光学计算设备的合适配置，可将与流体的感兴趣的特征或分析物相关联的电磁辐射从与流体的所有其他组分相关联的电磁辐射分开，以便实时地或近实时地估计流体的特性。
本文所述的用于示例性光学计算设备的处理元件可表征为集成计算元件(ICE)。每个ICE能够将关于感兴趣的特征的电磁辐射与关于流体的其他组分的电磁辐射区分开。参考图1，示出了在本文所述的系统和方法中使用的适用于光学计算设备的示例性ICE100。如图所示，ICE100可包括多个交替层102和104，如分别为硅(Si)和SiO2(石英)。通常，这些层102、104由折射率分别是高和低的材料组成。其他实例可包括氧化铌和铌、锗和氧化锗、MgF、SiO以及其他本领域已知的高和低折射率材料。可将层102、104计划地沉积在光学基板106上。在一些实施方案中，光学基板106是BK-7光学玻璃。在其他实施方案中，光学基板106可以是另一种类型的光学基板，如石英、蓝宝石、硅、锗、硒化锌、硫化锌，或各种塑料，如聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚氯乙烯(PVC)、金刚石、陶瓷、它们的组合等。
在相对端(例如，相对图1中的光学基板106)，ICE100可包括总体上暴露于设备或装置环境中的层108。层102、104的数目和每个层102、104的厚度由光谱属性确定，所述光谱属性由使用常规光谱仪器从流体的特征的光谱分析获取。给定特征的感兴趣的光谱通常包括任何数量的不同波长。应当理解，图1中的示例性ICE100实际上不代表给定流体的任何特定特征，而是仅仅出于说明的目的。因此，如图1所示的层102、104的数量以及它们的相对厚度与任何特定特征不相关。层102、104以及它们的相对厚度也不必按比例绘制，并且因此不应该被认为是限制本公开。此外，本领域的技术人员将容易认识到，制成每个层102、104的材料(即，Si和SiO2)可根据应用、材料成本，和/或到给定流体的材料的适用性而改变。
在一些实施方案中，可以掺杂每个层102、104的材料或组合两种或多种材料的方式来获得所需的光学特征。除了固体，示例性ICE100还可含有液体和/或气体、任选地与固体组合，以便产生所需的光学特征。在气体和液体的情况下，ICE100可含有对应的容器(未示出)，所述容器容纳气体或液体。ICE100的示例性变体还可包括例如可形成感兴趣的传输、反射和/或吸收特性的全息光学元件、光栅、压电、光导管、数字光导管(DLP)和/或声光元件。
多个层102、104表现出不同的折射率。通过适当地选择层102、104的材料和它们的相对厚度和间隙，ICE100可被配置来在不同波长处选择性地通过/反射/折射电磁辐射的预定部分。对每个波长给出了预定的加权或负载因数。可使用各种近似方法根据感兴趣的特征或分析物的光谱确定层102、104的厚度和间隙。这些方法可包括光学传输光谱的傅里叶逆变换(IFT)并且将ICE100构造为IFT的物理表示。基于具有恒定折射率的已知材料，近似值将IFT转换成结构。
将应用于每个波长的ICE100的层102、104的加权设置为相对于已知的公式、或数据或光谱特性描述的回归加权。简单地说，ICE100可被配置来执行进入ICE100的输入光束的点积和由针对每个波长的每个层102、104表示的所需的负载回归矢量。因此，ICE100的输出光强度与感兴趣的特征或分析物相关。
现参考图2，示出了根据一个或多个实施方案的用于监测流体202的示例性光学计算设备200。在示出的实施方案中，流体202可包含在示例性流动路径204内或以其他方式在示例性流动路径204内流动。流动路径204可以是流线、管道、井眼、限定在井眼内的环或延伸到井眼/从井眼延伸的任何流线或管道。存在于流动路径204内的流体202可以在箭头A所指的大致方向上流动(即，从上游到下游)。部分流动路径204可被布置成基本垂直、基本水平，或其间的任意方向的配置，而不背离本公开的范围。
光学计算设备200可被配置来确定流体202内感兴趣的特征，如存在于流体202中的气体的类型和/或浓度。在一些实施方案中，设备200可包括被配置来发射或以其他方式生成电磁辐射210的电磁辐射源208。电磁辐射源208可以是如本文定义的能够发射或生成电磁辐的任何设备。例如，电磁辐射源208可以是灯泡、发光二极管(LED)、激光器、黑体、光子晶体、X射线源、它们的组合等。在一些实施方案中，透镜212可被配置来收集或以其他方式接收电磁辐射210并引导电磁辐射210的射束214朝向流体202。透镜212可以是被配置来根据需要发送或以其他方式传送电磁辐射210的任何类型的光学设备，如标准透镜、菲涅耳透镜、衍射光学元件、全息光学元件、镜子(例如，聚焦镜)或一种准直器。在其他实施方案中，透镜212可从设备200省去并且电磁辐射210可替代地直接从电磁辐射源208被引导朝向流体202。
在一个或多个实施方案中，设备200还可包括布置成用于测试目的的邻近于流体202或以其他方式与流体202接触的采样窗口216。采样窗口216可由被配置来允许电磁辐射210穿过其中的多种透明的、刚性或半刚性的材料制成。例如，采样窗口216可由(但不限于)玻璃、塑料、半导体、晶体材料、多晶材料、热压或冷压粉末、它们的组合等制成。在穿过采样窗口216之后，电磁辐射210照射在流体202上并与流体202光学地相互作用。因此，光学地相互作用的辐射218由流体202生成并从流体202反射。然而，本领域的技术人员将容易地认识到，设备200的可选择的变体可允许光学地相互作用的辐射218通过和/或从流体202通过发送、散射、衍射、吸收、发射或再辐射生成，而不背离本公开的范围。
可将通过与流体202相互作用生成的光学地相互作用的辐射218引导到布置在设备200内的ICE220或由其以其他方式接收。ICE220可以是上文参照图1描述的基本上类似于ICE100的光谱部件。因此，在操作中，ICE220可被配置来接收光学地相互作用的辐射218并且产生对应于流体202的特定特征的改性的电磁辐射222。具体地说，改性的电磁辐射222是已与ICE220光学地相互作用的电磁辐射，从而获得对应于流体202的特征的回归矢量的近似值。
尽管图2示出ICE220从流体202接收反射的电磁辐射，但是ICE220可沿着设备200的光学链被布置在任何点处，而不背离本公开的范围。例如，在一个或多个实施方案中，ICE220(如虚线所示)可在采样窗口216之前布置在光学链内并且同样得到基本上相同的结果。在其他实施方案中，ICE220可通过反射而不是穿过其中生成改性的电磁辐射222。
此外，虽然在设备200中仅仅示出了一个ICE220，但是本文预期的实施方案包括在设备200中使用的至少两个ICE部件，所述ICE部件被配置来共同确定流体202中的感兴趣的特征。例如，两个或更多个ICE可在设备200内布置成串联或并联并且可被配置来接收光学地相互作用的辐射218，从而增强设备200的灵敏度以及检测器限制。在其他实施方案中，两个或更多个ICE可被布置在可移动的组件(如转盘或振动的线性阵列)上，移动所述可移动的组件使得单个ICE部件在一段短时间内能够暴露于电磁辐射或以其他方式光学地与电磁辐射相互作用。任意这些实施方案的两个或更多个ICE部件可被配置成与流体202中的感兴趣的特征相关或不相关。在其他实施方案中，两个或更多个ICE可被配置成与在流体202中的感兴趣的特征正相关或负相关。
在一些实施方案中，可能期望使用设备200一次监测一个以上的感兴趣的特征，如检测在流体202内的气体的多种类型或化合物。在此类实施方案中，可使用用于多个ICE部件的各种配置，其中每个ICE部件被配置来检测特定的和/或相异的感兴趣的特征。在一些实施方案中，随后可使用多个ICE部件分析特征，所述多个ICE部件提供有从流体202反射或通过流体202传输的电磁辐射的单一光束。在一些实施方案中，可将多个ICE部件布置在转盘上，其中各个ICE部件仅仅短时间暴露于电磁辐射的光束中。此方法的优点可包括使用单个光学计算设备200分析流体202多个特征的能力，以及将另外的ICE部件添加到转盘以简单地测定另外特征(例如，在流体202内的气体的类型或化合物)的机会。
在其他实施方案中，可沿着流动路径204将多个光学计算设备安置在单个位置处，其中每个光学计算设备包含被配置来检测在流体202中感兴趣的特定特征的独特ICE。在此类实施方案中，分束器能够使通过流体202反射、发射或传输的一部分电磁辐射转向并且进入每个光学计算设备。接着，可将每个光学计算设备耦合到对应的检测器或检测器阵列，所述检测器或检测器阵列被配置来检测并分析来自相应的光学计算设备的电磁辐射的输出。光学计算设备的并联配置可能对需要低功率输入和/或无活动部件的应用尤其有利。
本领域的技术人员应当理解，可将任何前述配置进一步与任何在本实施方案中的串联配置组合使用。例如，可将具有利用布置在其上的多个ICE部件的转盘的两个光学计算设备定位成串联以在沿着流动路径204的长度的单个位置处执行分析。同样地，可将每个含有并联光学计算设备的多个检测站串联安置以用于执行相似的分析。
可将由ICE220生成的改性的电磁辐射222随后传送到检测器224以用于信号的定量。检测器224可以是能够检测电磁辐射的任何设备，并且可通常表征为光变换器。在一些实施方案中，检测器224可以是(但不限于)热检测器，如热电堆或光声检测器、半导体检测器、压电检测器、电耦设备(CCD)检测器、视频或阵列检测器、分割检测器、光子检测器(如光电倍增管)、光电二极管、它们的组合等或本领域技术人员已知的其他检测器。
在一些实施方案中，检测器224可被配置来以电压(或电流)的形式实时地或近实时地产生输出信号226，所述输出信号226对应于在流体202中感兴趣的特定特征。通过检测器224返回的电压实质上是光学地相互作用的辐射218与相应ICE220光学地相互作用的点积，所述点积作为流体202感兴趣特征的浓度的函数。这样，由检测器224产生的输出信号226可与特征的浓度相关，例如，成正比。在其他实施方案中，然而，关系可对应于多项式函数、指数函数、对数函数和/或它们的组合。
在一些实施方案中，设备200可包括第二检测器228，所述第二检测器228可类似于第一检测器224，因此它可以是能够检测电磁辐射的任何设备。第二检测器228可用来检测源于电磁辐射源208的辐射偏差。由于各种原因和潜在地对设备200造成各种负面影响，电磁辐射210的强度可发生不期望的辐射偏差。这些负面影响可对在一段时间内进行的测量尤其有害。在一些实施方案中，辐射偏差可作为在采样窗口216上建造膜或材料的结果而发生，所述采样窗口216具有降低最终到达第一检测器224的光的数量和质量的影响。在没有适当补偿的情况下，此类辐射偏差能够导致错误的读数并且输出信号226将不再主要地或准确地与感兴趣的特征相关。
为了补偿这些类型的不需要的影响，第二检测器228可被配置来生成主要指示电磁辐射源208的辐射偏差的补偿信号230，从而使通过第一检测器224生成的输出信号226标准化。如图所示，第二检测器228可被配置来通过分束器232接收一部分光学地相互作用的辐射218以检测辐射偏差。在其他实施方案中，然而，第二检测器228可被布置成从设备200中的任何部分的光学链接收电磁辐射以检测辐射偏差，而不背离本公开的范围。
在一些应用中，可将输出信号226和补偿信号230传送到通信地耦合到检测器224、228两者的信号处理器234或由其以其他方式接收。信号处理器234可以是计算机，所述计算机包括在其中存储有指令的处理器和机器可读存储介质，当由处理器234执行所述指令时，致使光学计算设备200执行多个操作，如确定流体202的感兴趣的特征。例如，可将利用光学计算设备200检测到的每个特征的浓度加入由信号处理器234操作的算法中。算法可以是被配置来使用每个检测到的特征浓度以评估流体202的总体特征或质量的人工神经网络的一部分。
根据由第二检测器228检测到的任何辐射偏差，信号处理器234还可被配置来将补偿信号230与输出信号226计算地结合以使输出信号226标准化。将输出信号226与补偿信号230计算地结合可需要计算两种信号226、230的比率。例如，可将使用光学计算设备200确定的每个特征的浓度或大小加入由信号处理器234运行的算法中。算法可被配置来做出关于如果一种或多种组分或添加剂的浓度相对于彼此变化，流体202的特征如何变化的预测。
实时或近实时地，信号处理器234可被配置来提供对应于在流体202中感兴趣的特征(如存在于流体202中气体的浓度)的所得的输出信号236。如果需要，所得的输出信号236可以由能够考虑结果并且做出合适调整或采取适当行动的作业员读取。在一些实施方案中，可将所得的信号输出236有线地或无线地传送给作业员以供考虑。在其他实施方案中，当所得的输出信号236在合适操作的预定或预编范围之内或之外时，所述所得的输出信号236可由信号处理器234识别，并且可提醒作业员超出读数范围，从而可采取合适的纠正行动，或者以其他方式自动地采取合适的纠正行动，使得所得的输出信号236返回到合适操作的预定或预编的范围内的值。
现参考图3，示出了根据一个或多个实施方案的用于监测流体202的另一个示例性光学计算设备300。光学计算设备300可在某些方面类似于图2的光学计算设备200，并且因此参考将不再描述的相同数字指示相同的元件的图将得以最佳地理解。另外,光学计算设备300可被配置来确定流体202中感兴趣的特征的浓度，如包含在流动路径204内的在流体202中的气体的浓度。然而，不同于图2的设备200，图3中的光学计算设备300可被配置来通过第一采样窗口302a和布置在流动路径204上的径向相对于第一采样窗口302a的第二采样窗口302b通过流体202发送电磁辐射210。第一采样窗口302a和第二采样窗口302b可相似于上文图2描述的采样窗口216，因此将不再描述。
当电磁辐射210通过第一采样窗口302a和第二采样窗口302b穿过流体202时，其与流体202光学地相互作用并且光学地相互作用的辐射218随后被引导到布置在设备300内的ICE220或由其以其他方式接收。还应当注意，尽管图3示出ICE220在通过采样窗口302a、302b传输辐射时接收光学地相互作用的辐射218，但是可沿着设备300的光学链将ICE220同样地布置在任何点处，而不背离本公开的范围。例如，在一个或多个实施方案中，ICE220可在第一采样窗口302a之前布置在光学链内并且同样得到基本上相同的结果。在又一个实施方案中，ICE220可通过反射而不是穿过其中生成改性的电磁辐射222。此外，如利用图2的设备200，本文预期的实施方案包括在设备300中使用至少两个ICE部件，所述ICE部件被配置来共同确定在流体202中的感兴趣的特征。
由ICE220生成的改性的电磁辐射222随后被传送到检测器224以用于量化信号并且生成对应于在流体202内感兴趣的特定特征的输出信号226。设备300还可包括用于检测源于电磁辐射源208的辐射偏差的第二检测器228。如图所示，第二检测器228可被配置来通过分束器232接收一部分光学地相互作用的辐射218以检测辐射偏差。输出信号226和补偿信号230然后可被传送到信号处理器234或由其以其他方式接收，所述信号处理器234可计算地结合两种信号230、226并且实时地或近实时地提供所得的输出信号236，所述所得的输出信号236对应于在流体202中感兴趣的特征的浓度。
本领域的技术人员将容易地认识到，光学计算设备200、300和其各种替代配置可与各种和多种应用适当地一起使用。例如，现参考图4，示出了根据一个或多个实施方案的示例性钻井组件400，其可采用如本文所述的一个或多个光学计算设备以监测钻井流体或完井流体。钻井组件400可包括钻井平台402，所述钻井平台402支撑具有移动块406以用于提升和降低钻柱408的吊杆404。主动钻杆410在钻柱408通过旋转台412降低时支撑所述钻柱408。将钻头414附接到钻柱408的末端并且由井下电机和/或通过来自井表面的钻柱408的旋转驱动。当钻头414旋转时，其产生穿过各种地下地层418的钻孔416。
泵420(例如，泥浆泵)使钻井流体422穿过进料管424并循环到主动钻杆410，从而穿过在钻柱408中限定的内部管道并且穿过钻头414中的一个或多个孔口将钻井流体422传送到井下。钻井流体422然后可以通过在钻柱408与钻孔416壁之间限定的环426循环回到表面。钻井流体422提供液体静压力来阻止地层流体进入钻孔416中并且在钻井期间冷却并清洁钻头414。当暂停钻井和/或当钻头414被带入并带出钻孔416时，钻井流体422还用于将钻屑和固体带出钻孔416并悬浮钻屑和固体。
当废钻井流体422返回到表面时，它可在井口427处流出环426并且随后通过互联流线430穿过一个或多个节流器或节流阀428(示出一个)。节流阀428可用来保持或以其他方式调节在表面的环426上的压力，例如在约100psi至约1500psi的范围。因此，这将能够使钻井继续欠平衡并且对减少地层418损坏储层是有用的，而且还可有助于增加钻井速度。然而，应当理解，节流阀428在其他实施方案中可省略并且废钻井液体422可替代地返回到在大气压力下的表面，而不背离本公开的范围。
沿着节流阀428，废钻井液体422可通过互联的流线430被传送到一个或多个钻井流体恢复设备。此类钻井流体恢复设备可包括但不限于一个或多个除气单元432和固体控制装置434。除气单元432可以是被配置来从钻井流体422分离在循环入或循环出钻孔416时可能已夹带在钻井流体422中的任何气体(即，烃和非烃气体种类)的任何设备或机器。固体控制装置434可被配置来基本上去除来自钻井流体422的钻屑和固体并且将“清理的”钻井流体422沉积到附近的储料池436(即，泥浆池)中。
可将多种添加剂或组分添加到钻井流体422中以使钻井流体422维持在正常工作状态并增强钻井能力。在一些实施方案中，可将添加剂和组分通过流体耦合到储料池436的混合漏斗438添加到钻井流体422。可添加到钻井流体422的示例性组分包括但不限于：乳液、加重材料、增粘剂、稠化剂、流变改性剂、稀释剂、抗絮凝剂、阴离子聚电解质(例如，丙烯酸酯、多磷酸盐、木质素磺酸盐、丹宁酸衍生物等)、高热聚合物、粘土稳定剂、粘土抑制剂、焦油处理剂、水和其他基流体、它们的组合物等等。恢复的钻井流体422然后可通过供给管424利用管道420再循环并将其泵送回到钻孔416。
根据本公开，钻井流体422的泥浆录井气体分析可通过将一个或多个光学计算设备440(如光学计算设备440a、440b和440c所示)布置在钻井组件400的循环系统中的各个预定监测位置处进行。光学计算设备400a-c可基本上分别类似于图2和图3的光学计算设备200、300中的至少一个，因此将不再详细描述。在示例性操作中，光学计算设备440a-c可被配置来实时地测量并报告钻井流体422的特征，如在它们相应的监测位置处存在的一种或多种气体的类型和/或浓度。
在一个或多个实施方案中，光学计算设备440a-c可通信地耦合到信号处理器442并且被配置来分别将对应的输出信号444a-c传送到信号处理器442。信号处理器442可相似于图2和图3的信号处理器234并且可被配置来接收并处理输出信号444a-c。具体地说，信号处理器442可采用被配置来计算或以其他方式确定在每个监测位置检测到的气体的浓度或类型的算法。信号处理器442可进一步被配置来确定在输出信号440a-c的任意两个或更多个之间的差值。换句话说，信号处理器442可被配置来确定流体422中感兴趣的气体的浓度和/或特征的大小在每个监测位置之间如何变化。
实时地或近实时地，信号处理器442可被配置来提供对应于流体422的一个或多个特征的所得的输出信号446。所得的输出信号446可提供在循环系统中的各个监测位置处的流体422中感兴趣的测量的气体含量和/或特征的大小。在一些实施方案中，可将所得的输出信号446有线地或无线地传送到通信地耦合到信号处理器442的一个或多个外围设备448。外围设备448可包括但不限于：移动设备、计算机监视器或耦合到计算机的打印机。在一些实施方案中，如下文参考图5A-5D更详细讨论，外围设备448可被配置来提供一个或多个图形输出，如Pixler曲线、Haworth曲线或气体比曲线，所述图形输出示出在流体422中检测到的各种特性、参数以及特征。钻井作业员然后能够查询并解释图形输出，从而响应于其做出关于如何最好地管理井的智能决策。
在其他实施方案中，外围设备448可包括可被触发的可听或可视的报警机构或设备。例如，当输出信号444a-c中的一个或多个在钻井流体422的合适操作的预定或预编的范围之内或之外时可通过信号处理器442识别。如果输出信号444a-c超过操作的预定或预编范围，那么所得的输出信号446可触发形成部分外围设备448的报警器并且所述报警器可被配置来提醒作业员可在钻井流体422中执行此类适当的纠正行动。在一些实施方案中，信号处理器442可被配置来自动地采取适当的纠正行动，使得所得的输出信号446返回到合适操作的预定或预编范围内的值。例如，信号处理器442可通信地耦合到自动控制系统(未示出),所述自动控制系统被配置来采取需要的纠正行动。
现参考图5A-5D，继续参考图4，示出了根据一个或多个实施方案的在地下地层的区内代表气体含量的测量的信号的图解表示。在一个实施方案中，可通过图4的光学计算设备440a-c中的一个或多个进行测量，从而使输出信号446呈现到外围设备448，如监视器或打印机(图4)。此外，外围设备448可以图形输出(如Pixler曲线、Haworth曲线以及气体比曲线)的形式显示输出信号446。
图5A和图5B以“Pixler”曲线的形式图形地示出所测量的地层的气体含量。简单地说，Pixler曲线是示出在地层的不同深度处的气体比的可视形式，因此指示在相关联的深度处存在油、气体或非生产物的可能性。在一些情况下，Pixler曲线可指示甲醇(C1)、乙醇(C2)、丙烷(C3)、丁烷(C4)以及戊烷(C5)定量的比率，如在曲线图502(图5A)中X轴上的C1/C2、C1/C3、C1/C4和C1/C5所示。总体来说，在2与15之间的C1/C2的比率指示油，在15与65之间的C1/C2的比率指示气，以及低于2或高于65的C1/C2的比率指示区是非生产性的。C1/C3、C1/C4、和C1/C5的比率同样地具有指示本领域技术人员已知的或可计算的油、气体以及非生产性物的区的范围。
在图5A中，曲线图500示出当钻井穿过一部分地层(例如，图4的地层418)时进行气体测量的总体图示,从而与井下深度和气体测量(色谱)相关。图5B、图5C和图5D的曲线图520、540和560也分别示出深度和色谱信息，因此可参考曲线图500的讨论得以最佳的理解。如图所示，曲线图500示出在从大约100米至大约700米范围深度处的气体测量。曲线图500示出特定气体易于存在于部分地层中，如从约100米至约500米，而感兴趣的气体大体上不存在于所述范围内。然而，在更进一步的井下地层内，如从大约500米至大约650米，感兴趣的特定气体变得易于存在并且气体的比相应地变化。
曲线图502示出对应于在曲线图500的深度范围514发现的气体的气体比Pixler曲线。可将特定气体的比用来估计在什么深度的地层能够产生油或气体或油和气体两者。在曲线图502中，范围504示出气体比指示地层可能能够产生油的深度范围，范围506对应于指示地层418可能能够产生气体的气体比，以及范围508和510示出指示不可产生烃的范围。显然，范围510可被认为是“非生产性”的，即使气体比落入可指示地层能够产生一些油的范围510内。可能由于油是更加难以生产的重油，范围510可被考虑为非生产性的，因此生产的油的数量将不会落在“生产”井的要求内。曲线图502的Y轴可对数地或者通过任何其他有助于确定生产能力的尺度缩放。当气体曲线512落入曲线图502的范围504、506和508内时，地层418在相关的井下深度处能够产生油、气或非生产物。因此，钻井作业员可从气体曲线512推断出该深度是气帽到储层的深度。
现参考图5B，示出了曲线图520和Pixler曲线图522。曲线图520和522基本上类似于图5A的曲线图500和502，因此可参考该图得以最佳地理解。曲线图522的气体曲线524与曲线图520的在深度526处测量的气体相关，所述深度526的范围从井下大约600米至625米。当气体曲线524基本上落在曲线图522的油范围504内时，这向钻井作业员指示地层418可能是在那些深度产生的油。
现参考图5C，在另一个实施方案中，一个或多个“Haworth”曲线可用于示出如由曲线图542和544描绘的所测量的气体比。类似于上文所述的Pixler曲线，Haworth曲线示出可以给钻井作业员在地层中的哪些区能够产生有效烃的指示的气体比。简单地说，Haworth曲线可利用多个曲线图组成以指示在特定深度是否能够产生感兴趣的地层。第一曲线图可描绘相对于“轻与重比”(LHR)的“气体湿度比”(GWR)，例如，如曲线图542示出。在一些实施方案中，可通过公式(((C2+C3+C4+C5)/(C1+C2+C3+C4+C5))×100)计算出GWR，其中C1-C5表示先前讨论的气体。小于.5的GWR值可表示不可能存在干燥气体，.5至17.5的GWR值可指示可能存在气体，17.5至40的GWR值可指示可能存在油，以及大于40的GWR值可指示可能存在残油。可通过公式((C1+C2)/(C3+C4+C5))算出LHR，其中比率可显示随着流体密度的增加而减小的趋势。
曲线图540基本上分别类似于图5A和5B中的曲线图500和520，因此可参考该图得以最佳地理解并且因此将不再讨论。曲线图542示出在井下大约400米至大约625米的深度范围内针对气体的在曲线图540中指示的GWR相对于LHR的曲线。曲线图542示出，气体在地层的较浅深度处的GWR和LHR的计算得出高LHR值和低GWR值(例如，曲线位置546)。随着井下深度增加，GWR值增加并且LHR值减小，例如，625的井下深度具有高GWR以及低LHR(例如，曲线位置548)。落入5至17.5的范围内的GWR值指示可能存在气体。因此，曲线图542向钻井作业员指示从井下大约400米至550米的地层产生气体。此外，落入17.5至40范围内的GWR值指示可能存在油。因此，曲线图542指示可能从井下大约550米至625米的地层产生气体。然而，为了更准确地确定可能发生气体转变成油的地方，Haworth分析包括第二组计算和曲线图的实现方式。
如曲线图544示出，用于Haworth分析的第二曲线图相对于“油特征限定”(OCQ)描绘GWR。可通过公式((C4+C5)/C3)计算出OCQ。因此，曲线图544示出，针对气体在较浅深度处的计算得出围绕曲线位置550的集群。由曲线位置552指示，随着井下深度增加，计算所得的GWR和OCQ值增加。临界接点可以是在OCQ的值为.5处。在OCQ小于.5处，指示可能存在气体。在OCQ大于.5处，指示气体、轻油或冷凝物。当发现OCQ为.5处与气体曲线相交时，如在曲线图544的位置A处，应当注意GWR值。然后该值可与第一曲线图相关，如曲线图542的位置B所示。当执行此类分析时，更准确地通知钻井作业员从气体到油的转变没有发生在先前估计的井下550米处，而是发生在井下大约475米的较浅深度处。
现参考图5D，示出了根据一个或多个实施方案的另一个示例性气体比曲线。图5D提供了曲线图560和562，其中曲线图560基本上类似于曲线图540、520和500，因此可参考该图得以最佳地理解并将不再讨论。然而，曲线图562示出曲线，其中Y轴指示平均C2值除以平均C3值的计算以及X轴指示C1值的计算。如曲线图560以及曲线图562的图例所示，示出了井下大约470米至620米的深度范围的数据。在一个实施方案中，检查曲线图562的气体比曲线可证明有利于帮助钻井作业员区分流体特性对感兴趣的储层区的深度。
本领域的技术人员将理解，参考图5A-5D示出并描述的曲线图仅仅是示出地层的气体测量的说明的示例性实施方案，因此不限制本公开的范围。
再参考图4，如图所示，当钻井流体422被引入到钻孔416中时，第一光学计算设备440a可被布置来监测钻井流体422，并且当其返回到表面或者通过节流阀428减压之后，第二光学计算设备440b可被布置来监测钻井流体422。更具体地说，第一光学计算设备440a可被布置在进料管424中，所述进料管424从泵420通向吊杆404(或者在泵420之后并且在钻孔416之前的任何流体连通位置处)，并且第二光学计算设备440b可在除气单元432之前被布置在或以其他方式耦合到流线430(例如，邻近除气单元432的入口)。应当理解，可将一个以上的光学计算设备布置在这些监测位置中的每一个处，而不背离本公开的范围。
当钻井流体422进入钻孔416时，第一输出信号444a可以指示在钻井流体422中的气体的类型/浓度或流体422的另一个特征。类似地，当钻井流体422流出减压的钻孔416时，第二输出信号444b可以指示气体的类型/浓度或流体422的另一个特征。如上文所描述，信号处理器442可实时地接收输出信号444a、444b，并且可通过一个或多个外围设备448提供可由作业员考虑的所得的输出信号446。在一些实施方案中，如每个第一输出信号444a，当钻井流体422流入钻孔416时，所得的输出信号446可通知作业员在钻井流体422中的气体的类型/浓度。在其他实施方案中，如每个第二输出信号444b，当钻井流体422流出钻孔416时，所得的输出信号446可通知作业员在钻井流体422中的气体的类型/浓度。因此，作业员能够进行钻井流体422的泥浆录井气体分析，而不需要从返回的钻井流体422提取气体样品。
在又一个实施方案中，信号处理器442可被配置来在第一输出信号444a与第二输出信号444b之间进行比较，从而通过外围设备448为作业员提供详述两种输出信号444a、444b之间的差值的所得的输出信号446。因此，作业员可以获知关于当钻井流体422通过钻孔416循环时可能已经流入或以其他方式夹带于其中的一种或多种气体的量和浓度。此类数据对于提供关于正钻通的岩层烃含量的信息可能是有用的，因此，作业员可决定响应于其调整一个或多个钻井或完井参数。
例如，在一些实施方案中，所得的输出信号446可通知作业员当钻井时在地下地层418特定层或区域中发现的有利气体的具体类型或数量。因此，可响应于此调整至少一种钻井参数，如改变钻头414的地质导向，使得可在此层或区域中大体上钻出或形成钻孔416。在一些实施方案中，有利气体可以是可被生产用于处理的一种或多种烃。在其他实施方案中，然而，有利气体可以是氦气。本领域的技术人员将易于理解，如夹带在钻井流体422中返回到表面的氦气的增加的量可以是在地层418中高孔隙率的指示，并且高孔隙率可表示区能够增加生产率。当检测到此类气体和烃时，作业员可改变地质导向井路径，使得钻孔基本上保持在该层中，从而使潜在烃生产和效率最大化。
应当理解，这可证明在改变地质导向可具有保持井路径基本上平行或者保持在含烃的层或区域内的作用的偏离或水平井处尤其有利。然而，这也可证明在垂直井中的钻井作业员能够记录垂直钻孔416的区域处，所检测到的高气体含量是有利的。一段时间之后，作业员可选择回到该位置并在该位置处完成钻孔416，使得在该位置处驻留在地层418中的烃可以更大效率有效地生产。因此，可响应于所得的输出信号446以及通过外围设备448所提供的来优化完井设计。可改变的一些完井设计包括，但不限于：改变固井程序，改变加套程序或设计或优化井下孔眼、滑动套筒和割缝衬管的放置。导致此类完井改变的优化可包括含有不需要的井下流体，如水或不需要的气体，并且还可包括优化不需要生产的区的隔离。此外，具有类似(纠正的)输出信号444a-c或输出信号446的附近的井可实施类似的优化。
在一些实施方案中，所得的输出信号446还可被配置来通过具有可夹带钻井流体422中的危险性、腐蚀性或有毒气体的外围设备448通知作业员。危险性、腐蚀性和/或有毒气体(如硫化氢(H2S)等)可能对钻井作业员和周围环境造成危害。在至少一个实施方案中，例如，第二光学计算设备440b的第二输出信号444b可实时地提供当钻井流体422返回到表面时夹带在其中的硫化氢(H2S)的浓度。如果H2S的登记水平超过预定的“安全”限度，那么信号处理器442可被配置来通过将指示以上情况的所得的输出信号446发送到外围设备448而触发报警器。响应于报警器，作业员可采取关闭井或通过料斗438将H2S清除剂或其他添加剂添加到钻井流体422的操作来补救该情况。
在一些实施方案中，危险性、腐蚀性或有毒气体可以是如夹带在钻井流体422中的甲烷。由于甲烷是高爆炸性的，在返回钻井流体422中所增量的气体可对钻井作业员和周围环境造成相当大的危害。因此，如果有过量的甲烷由，例如，第二光学计算设备440b检测到，使得其超过预定的“安全”范围，信号处理器442可被配置来通过所得的输出信号446和外围设备448触发报警器。响应于报警器，作业员可执行操作以补救这种情况。例如，作业员可使用井喷防护器等“关闭”井并且然后以使用与井喷防护器相关联的节流管线、压井管线的受控方式提取甲烷。
在一些实施方案中，可在完全去压之前使用第三光学计算设备440c监测返回到表面的钻井流体422。如图所示，第三光学计算设备440c可布置在井口427之后或布置在节流阀428之前被布置成与互联流线430流体连通。类似于第二光学计算设备440b，第三光学计算设备440c可被配置来在钻井流体422返回到气体(烃和非烃两种气体中种类)表面之后监测钻井流体422，所述气体可能是在已通过钻孔416循环之后夹带在其中的。当钻井流体422流出节流阀428时，任何夹带在其中的气体将立即被分离或沉淀出钻井流体422。因此，当钻井流体422在或邻近于实际井下钻井环境条件循环时，第三光学计算设备440c对于提供在钻井流体422中的一种或多种气体的实时或近乎实时的浓度是有利的。因此，来自第三光学计算设备440c的输出信号444c可对在井下操作条件中的钻井流体422的泥浆录井气体分析有用。
类似于第二光学计算设备440b，第三光学计算设备440c可被配置来检测并报告在钻孔416处有利气体的增加的量。所得的输出信号446然后可通知作业员在钻孔416的何处发现有利气体的具体类型或数量的，并且因此可响应于此调整至少一个钻井参数。例如，作业员可改变钻头414的地质导向，使得在该层或区域处可基本上钻出或形成钻孔416。在垂直钻孔416处，钻井作业员能够记录在高气体含量检测处的钻孔416的区域，并且一段时间之后，返回到该位置并且在该位置完成钻孔416，使得在该位置处驻留在地层418中的烃可以更大效率有效地生产。
第三光学计算设备440c还可被配置来检测可能夹带在钻井流体422中的危险性、腐蚀性或有毒气体(即，H2S、甲烷等)。在这种情况下所得的输出信号446可通过外围设备448通知此类气体的存在，并且作业员然后可执行操作以补救该情况。在其他实施方案中，信号处理器442可自动地操作以补救该情况，如通过关闭井或将H2S清除剂或其他添加剂通过料斗438添加到钻井流体422以补救该情况。例如，如上简述，可将信号处理器442通信地耦合到自动控制系统(未示出)，所述自动控制系统可被配置来采取需要的纠正行动。
应当意识到，可使用计算机硬件、软件、它们的组合等实施涉及计算机控制和人工神经网络，包括各种块、模块、元件、部件、方法及算法的本文的各种实施方案。为了说明硬件和软件的这种可互换性，已就其功能性总体上描述了各种示例性的块、模块、元件、部件、方法及算法。此功能性是实施为硬件还是软件取决于具体应用和任何所施加的设计约束。至少由于这个原因，应当意识到，本领域的技术人员能够针对具体应用以各种方式实施所描述的功能性。此外，在不背离明确描述的实施方案的范围的情况下，例如，可将各种部件和块以不的顺序排列或以不同的方式划分。
本文所述的用于执行各种示例性的块、模块、元件、部件、方法及算法的计算机硬件可包括被配置来执行储存在非暂时性、计算机可读介质上指令、编程实例或代码的一个或多个序列的处理器。处理器可以是，例如，通用微处理器、微处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列、可编程逻辑设备、控制器、状态机、栅极逻辑、离散硬件部件、人工神经网络、或者可以对数据执行运算或其他操作的任何其他合适的实体。在一些实施方案中，计算机硬件还可包括元件，例如，存储器(例如，随机存取存储器(RAM)、闪存、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除只读存储器(EPROM))、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、DVD或任何其他类似合适的存储设备或介质。
本文所述的可执行序列可利用包含在存储器中的代码的一个或多个序列执行。在一些实施方案中，此类代码可从另一个机器可读介质读入存储器。执行包含在存储器中的指令的序列可致使处理器执行本文所述的步骤。在多处理结构中的一个或多个处理器也可被实施来执行在存储器中的指令序列。另外，可将硬连线电路用于替代软件指令或与其结合以实施本文所述的各种实施方案。因此，本实施方案不限于硬件和/或软件的任何特定组合。
如本文所用，机器可读介质将指直接地或间接地将指令提供到处理器以执行的任何介质。机器可读介质可采用许多形式，例如，包括非易失性介质、易失性介质以及传输介质。非易失性介质可包括，例如，光盘和磁盘。易失性介质可包括，例如，动态存储器。传输介质可包括，例如，同轴电缆、导线、光纤以及形成总线的导线。机器可读介质的常见形式包括，例如，软盘、柔性盘、硬盘、磁带、其他类似磁性介质、CD-ROM、DVD、其他类似光学介质、穿孔卡、纸带、具有形成开口的类似物理介质、RAM、ROM、PROM、EPROM以及闪存EPROM。
还应当注意，本文提供的各种附图不必按比例绘制，严格地说，如光学领域技术人员所理解也不必示出光学地纠正。实际上，附图本质上仅仅是示例性的并且在本文大体上使用以补充本文提供的系统和方法的理解。实际上，虽然附图可能不是光学准确的，但是本文所述的概念性解释准确地反应了本公开各种实施方案的示例性本质。
本文所公开的实施方案包括：
A.一种系统，所述系统可包括流体路径，在钻井操作期间所述流体路径使钻井流体循环流入并流出钻孔；第一光学计算设备，所述第一光学计算设备被布置成靠近钻孔的出口并且具有第一集成计算元件，所述第一集成计算元件被配置来与靠近钻孔出口的钻井流体光学地相互作用并且生成对应于出口处存在于钻井流体中气体浓度的第一输出信号；信号处理器，所述信号处理器通信地耦合到第一光学计算设备并且被配置来接收第一输出信号并且确定在钻孔出口处存在于钻井流体中的气体浓度，从而得出由信号处理器生成的所得的输出信号；以及一个或多个外围设备，所述一个或多个外围设备通信地耦合到信号处理器并且被配置来接收所得的输出信号并且将所得的输出信号报告给钻井作业员，其中响应于所得的输出信号来调整一个或多个钻井或完井参数。
B.一种方法，所述方法可包括在钻井操作期间在延伸入和延伸出钻孔的流动路径内循环钻井流体；利用布置成靠近钻孔出口的第一光学计算设备来生成第一输出信号，所述第一光学计算设备具有被配置来与钻井流体光学地相互作用的第一集成计算元件，其中第一输出信号对应于在出口处存在于钻井流体中气体的浓度；利用通信地耦合到第一光学计算设备的信号处理器接收第一输出信号；利用信号处理器确定在钻孔的出口处存在于钻井流体中的气体浓度，从而由信号处理器生成所得的输出信号；将所得的输出信号传送到一个或多个外围设备，使得钻井作业员能够考虑所得的输出信号；并且响应于所得的输出信号来调整一个或多个钻井或完井参数。
实施方案A和B中的每一个可具有任何组合的以下另外的要素中的一个或多个：要素1：其中气体选自以下组，其包括甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、异丁烷、异戊烷、新戊烷、苯、甲苯、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、乙酸、氩气、氦气、氧气、氮气、水、氢气、氧硫化碳、二硫化碳以及它们的任何组合。要素2：其还包括第二光学计算设备，所述第二光学计算设备布置在或靠近钻孔入口并且具有被配置来与钻井流体光学地相互作用并且生成对应于在入口处存在于钻井流体中的气体浓度的第二输出信号的第二集成计算元件。要素3：其中信号处理器通信地耦合到第二光学计算设备并且被配置来接收第二输出信号并且生成对应于在第一输出信号与第二输出信号之间差值的所得的输出信号，并且其中一个或多个外围设备被配置来接收所得的输出信号并且向钻井作业员报告在入口与出口之间气体的浓度怎样改变。要素4：其中一个或多个外围设备被配置来提供描绘在钻孔的出口处存在于钻井流体中的气体浓度的图形输出。要素5：其中图形输出包括选自由一个或多个Pixler曲线、Haworth曲线以及气体比曲线组成的组的输出。要素6：其还包括布置成靠近出口的节流阀，其中第一光学计算设备从节流阀向井下布置。要素7：其还包括通信地耦合到信号处理器并且被配置来响应于所得的输出信号采取一种或多种纠正行动的自动控制系统。
要素8：其中一个或多个外围设备包括耦合到计算机系统的监视器和打印机中的至少一个，并且其中将所得的输出信号传送到一个或多个外围设备包括利用监视器或打印机提供所得的输出信号的图形输出以供钻井作业员考虑。要素9：其中一个或多个外围设备包括报警器，并且其中将所得的输出信号传送到一个或多个外围设备包括当所得的输出信号报告气体浓度超过预定安全限度时，利用报警器可听地或可视地提醒钻井作业员。要素10：其还包括当警告气体浓度超过预定安全限度时，关闭井。要素11：其还包括当警告气体浓度超过预定安全限度时，将添加剂添加到钻井流体。要素12：其中调整一个或多个钻井或完井参数包括改变钻头的地质导向。要素13：其中调整一个或多个钻井或完井参数包括改变固井程序、改变加套程序、改变加套设计、优化井下孔眼、滑动套筒和割缝衬管的放置以及优化不需要生产的区的隔离中的至少一个。要素14：其还包括利用布置在或靠近钻孔入口的第二光学计算设备生成第二输出信号，第二光学计算设备具有被配置来与钻井流体光学地相互作用的第二集成计算元件，其中第二输出信号对应于在入口处存在于钻井流体中的气体浓度；利用通信地耦合到第二光学计算设备的信号处理器接收第二输出信号；利用信号处理器计算在第一输出信号与第二输出信号之间的差值，从而生成所得的输出信号并且对应于在入口与出口之间气体浓度如何改变；并且利用一个或多个外围设备将在第一输出信号与第二输出信号之间的差值报告给钻井作业员。要素15：其还包括响应于所得的输出信号来采取一种或多种纠正行动。要素16：其中采取一种或多种纠正行动包括如由通信地耦合到信号处理器的自动控制系统引导关闭井和将添加剂添加到钻井流体中的至少一个。
因此，本公开非常适合于达到所提及的目的和优势以及自身固有的目的和优势。上文所公开的具体实施方案仅仅是说明性的，因为本公开可以以对受益于本文教义的本领域技术人员来说显而易见的不同但等效的方式进行修改和实践。此外，除了以下权利要求书中所述之外，并不旨在限制本文所示构造或设计的细节。因此，明显的是，以上所公开的特定说明性实施方案可改变、组合或修改，并且所有这些变化形式被视为在本公开的范围和精神内。本文描述的公开说明性内容适当地可在缺少本文未特定公开的任何要素和/或本文所公开的任何任选要素的情况下得以实践。虽然按照“包含”“含有、”或“包括”各种组分或步骤描述了组合物和方法，但是组合物和方法还可“基本上由各种组分和步骤组成”或“由各种组分和步骤组成”。上文所公开的所有数字和范围可变化某一量。每当公开具有下限和上限的数字范围时，就明确公开了落在范围内的任何数字和任何包括的范围。具体地说，本文所公开的值的每个范围(形式为“从约a至约b，”或等效地“从大约a至b”，或等效地“从大约a-b”)应理解为阐述涵盖在值的较宽范围内的每个数字和范围。另外，除非专利权所有人另外明确地并清楚地定义，否则权利要求书中的术语具有它们简单的、普遍的意义。此外，如权利要求书中使用的不定冠词“一个”或“一个，”在本文中定义为意指其引入的一个或一个以上的元件。

Claims (20)

1.一种系统，其包括：
流动路径，在钻井操作期间所述流动路径使钻井流体流入和流出钻孔；
第一光学计算设备，所述第一光学计算设备被布置成靠近所述钻孔的出口处并且具有第一集成计算元件，所述第一集成计算元件被配置来与靠近所述钻孔的所述出口的钻井流体光学地相互作用并生成对应于在所述出口处存在于所述钻井流体中的气体浓度的第一输出信号；
信号处理器，所述信号处理器通信地耦合到所述第一光学计算设备并且被配置来接收所述第一输出信号并且确定在所述钻孔的所述出口处存在于所述钻井流体中的气体浓度，从而得出由所述信号处理器生成的所得的输出信号；以及
一个或多个外围设备，所述一个或多个外围设备通信地耦合到所述信号处理器并且被配置来接收所述所得的输出信号并且将所述所得的输出信号报告给钻井作业员，其中响应于所述所得的输出信号来调整一个或多个钻井或完井参数。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述气体选自：甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、异丁烷、异戊烷、新戊烷、苯、甲苯、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、乙酸、氩气、氦气、氧气、氮气、水、氢气、氧硫化碳、二硫化碳以及它们的任何组合。
3.如权利要求1所述的系统，其还包括第二光学计算设备，所述第二光学计算设备布置在或靠近所述钻孔入口并且具有被配置来与所述钻井流体光学地相互作用并且生成对应于在所述入口处存在于所述钻井流体中的所述气体浓度的第二输出信号的第二集成计算元件。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述信号处理器通信地耦合到所述第二光学计算设备并且被配置来接收所述第二输出信号并且生成对应于在所述第一输出信号与第二输出信号之间差值的所述所得的输出信号，并且其中所述一个或多个外围设备被配置来接收所述所得的输出信号并且向所述钻井作业员报告在所述入口与所述出口之间所述气体浓度的变化。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述一个或多个外围设备被配置来提供描绘在所述钻孔的所述出口处存在于所述钻井流体中的所述气体浓度的图形输出。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述图形输出包括选自由一个或多个Pixler曲线、Haworth曲线以及气体比曲线组成的组的输出。
7.如权利要求1所述的系统，其还包括布置成靠近所述出口的节流阀，其中所述第一光学计算设备从所述节流阀向井下布置。
8.如权利要求1所述的系统，其还包括自动控制系统，所述自动控制系统通信地耦合到所述信号处理器并且被配置来响应于所述所得的输出信号采取一种或多种纠正行动。
9.一种方法，其包括：
在钻井操作期间在延伸入和延伸出钻孔的流动路径内循环钻井流体；
利用布置成靠近所述钻孔出口的第一光学计算设备生成第一输出信号，所述第一光学计算设备具有被配置来与所述钻井流体光学地相互作用的第一集成计算元件，其中所述第一输出信号对应于在所述出口处存在于所述钻井流体中的气体浓度；
利用通信地耦合到所述第一光学计算设备的信号处理器接收所述第一输出信号；
利用所述信号处理器确定在所述钻孔出口处存在于所述钻井流体中的所述气体浓度，从而通过所述信号处理器生成所得的输出信号；
将所述所得的输出信号传送到一个或多个外围设备，使得钻井作业员能够考虑所述所得的输出信号；并且
响应于所述所得的输出信号来调整一个或多个钻井或完井参数。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述一个或多个外围设备包括耦合到计算机系统的监视器和打印机中的至少一个，并且其中将所得的输出信号传送到一个或多个外围设备包括利用所述监视器或所述打印机提供所得的输出信号的图形输出以供所述钻井作业员考虑。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述图形输出包括选自由一个或多个Pixler曲线、Haworth曲线以及气体比曲线组成的组的输出。
12.如权利要求9所述的方法，其中所述一个或多个外围设备包括报警器，并且其中将所述所得的输出信号传送到一个或多个外围设备包括当所述所得的输出信号报告气体浓度超过预定的安全限度时，利用报警器可听地或可视地提醒钻井作业员。
13.如权利要求12所述的方法，其还包括当警告所述气体浓度超过所述预定安全限度时，关闭所述井。
14.如权利要求12所述的方法，其还包括当警告所述气体浓度超过所述预定安全限度时，将添加剂添加到所述钻井流体。
15.如权利要求9所述的方法，其中调整所述一个或多个钻井或完井参数包括改变钻头的所述地质向导。
16.如权利要求9所述的方法，其中调整所述一个或多个钻井或完井参数包括改变固井程序、改变加套程序、改变加套设计、优化井下孔眼、滑动套筒和割缝衬管的放置以及优化不需要生产的区的隔离中的至少一个。
17.如权利要求9所述的方法，其还包括：
利用布置在或靠近所述钻孔入口的第二光学计算设备生成第二输出信号，所述第二光学计算设备具有被配置来与所述钻井流体光学地相互作用的第二集成计算元件，其中所述第二输出信号对应于在所述入口处存在于所述钻井流体中的所述气体浓度；
利用通信地耦合到所述第二光学计算设备的所述信号处理器接收所述第二输出信号；
利用所述信号处理器计算在所述第一输出信号与第二输出信号之间的差值，所述差值对应于在所述入口与所述出口之间所述气体浓度的变化；并且
利用所述一个或多个外围设备将在所述第一输出信号与第二输出信号之间的差值报告给所述钻井作业员。
18.如权利要求9所述的方法，其还包括响应于所述所得的输出信号来采取一种或多种纠正行动。
19.如权利要求18所述的方法，其中采取所述一个或多个纠正行动包括如由通信地耦合到所述信号处理器的自动控制系统引导关闭所述井以及将添加剂添加到所述钻井流体中的至少一个。
20.如权利要求9所述的方法，其中所述气体选自甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、正戊烷、异丁烷、异戊烷、新戊烷、苯、甲苯、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、乙酸、氩气、氦气、氧气、氮气、水、氢气、氧硫化碳、二硫化碳以及它们的任何组合。
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