CN102454372A - 一种井筒压力管理系统及方法 - Google Patents

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李宗清
燕修良
陈永明
朱焕刚
曹强
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Abstract

本发明公开了一种井筒压力管理系统及方法，包括常规钻井循环系统，环空回压系统和监测控制系统。利用环空回压系统的主节流回压系统实现钻井循环过程中回压的控制；利用环空回压系统的辅助泵回压系统实现接单根以及起下钻时的回压控制和自动灌浆；主节流回压系统与辅助泵回压系统利用液动平板阀实现钻井液循环和停止循环过程中的自动切换；监测与控制系统可以监测常规钻井循环系统、环空回压系统以及泥浆的相关信息，对控制对象的预测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统。本发明可以提高钻井的控制能力，实现井底压力在钻井或者完井的整个过程中保持恒定，以及起下钻过程中的自动灌浆。

Description

一种井筒压力管理系统及方法
技术领域
本发明涉及一种井筒压力管理系统及方法，尤其涉及一种钻井和完井的全过程期间进行井筒压力管理的系统和方法。
背景技术
常规钻井过程中，钻柱内孔通过钻头水眼与环形空间形成了一个连通的体系，即U形管。根据U形管原理，常规钻井过程中的井底压力表达式为：
Pb＝Pmd+Pla    (1)
式1中，Pb-井底压力，Pmd-钻井液静液柱压力，Pla-循环时环空摩擦压力。
从此式中可以看出，对于窄压力窗口地层或者老油田的压力衰竭地层，常规泥浆密度设计可以保证静止时井底压力等于所需压力(设计压力)。但是当钻井液开始循环时，井底压力增加了一个环空摩擦压力，此时就很可能就引发井漏。按照常规井控此时需要降低泥浆密度以低于地层破裂压力，如果遇到异常压力地层，井涌就有可能随之发生。这将会导致额外的钻井非生产时间、超额的泥浆成本以及频繁的井控问题，甚至不能钻达设计井深，无法迅速可靠的实现对井筒压力的管理。
在常规钻井技术过程中配备钻柱单向阀、旋转控制头以及专用节流管汇，这样整个钻井系统可以承受一定的套管回压，成为一种闭式循环系统，此时的井底压力表达式为：
Pb＝Pmd+Pla+Pa      (2)
式2中，Pa-井口回压(套压)。
从此式中可以看出，循环和接单根过程中，可以通过井口回压的不断变化来弥补环空摩擦压力的变化，从而可以迅速的完成井筒压力管理，比如维持恒定的井底压力，。
专利ZL 200820209869.7、01136291.X以及200310103433.1分别给出了欠平衡过程中的封闭回压系统，但是由于地层气体的侵入井眼，此时回压作用于井底的时间较长，严重情况下必须关闭防喷器，而且这些封闭系统并不能实现接单根以及起下钻过程中的井筒压力管理。
发明内容
本发明的目的就是提供一种井筒压力管理系统及方法，实现井底压力在钻井或者完井的全过程中保持恒定，并完成起下钻过程中的自动灌浆等工序。
为实现上述目的，本发明采用以下设计方案：
一种井筒压力管理系统，其监测与控制系统可以监测常规钻井循环系统、环空回压系统以及泥浆的相关信息，对控制对象的预测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统；
常规钻井循环系统的防喷器组的顶部联接旋转防喷防喷器，井下钻具组合包括单向阀；
旋转防喷器的导流出口经过一个四向阀撬，一路经过截断阀直接到达泥浆处理系统，一路经过截断阀与钻井四通联接，一路经过截断阀与环空回压系统联接；
环空回压系统包括主节流回压系统和辅助泵回压系统；主节流回压系统包括液动平板阀、液动节流阀、流量计，其中液动平板阀与上游的四向阀撬管线联接，流量计与下游泥浆处理系统联接；辅助泵回压系统包括辅助泵、流量计、液动平板阀、液动节流阀，其中辅助泵经过流量计后分为两路，一路经过液动平板阀与上游的四向阀撬管线联接，另一路经过液动节流阀)与流量计上端管线联接；
所述流量计为质量流量计；
监测与控制系统能够监测钻井系统、环空回压系统以及泥浆的相关信息，包括钻井立压、套压、井深、钻压、钻头下入深度、钻柱旋转速度、机械钻速、泥浆泵排量、泥浆密度、泥浆返出排量、辅助泵排量、辅助泵压力以及各液动阀的阀位，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统；
控制对象可以是钻井立压、套管回压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合；
监测与控制系统能够通过随钻测量系统的地面接收装置得到实际的井底压力，校正对井底压力的预测值，从而修改监测控制系统的参数，得出更加合理的控制对象设定值，然后对监测值与设定值进行比较，控制环空回压系统。
一种井筒压力管理方法，包括以下步骤：
在常规钻井循环系统的防喷器组的顶部联接旋转防喷器以及井下钻具组合安装单向阀，使得常规钻井系统成为一钻井过程中的封闭承压系统；
通过四向阀撬中各个截断阀的开闭来选择旋转防喷器所导流出的钻井液的流向；通过四向阀撬中各个截断阀的开闭来选择环空回压系统回压所作用的环空出口；
利用环空回压系统的主节流回压系统实现钻井循环过程中回压的控制；
利用环空回压系统的辅助泵回压系统实现接单根以及起下钻时的回压控制和自动灌浆；
主节流回压系统与辅助泵回压系统利用液动平板阀实现钻井液循环和停止循环过程中的自动切换；
监测与控制系统可以监测常规钻井循环系统、环空回压系统以及泥浆的相关信息，对控制对象的预测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统。
本发明的优点是：(1)可以提高钻井的控制能力、更快、更经济的达到最终的钻井深度；(2)可以实现井底压力在钻井或者完井的整个过程中保持恒定；(3)实现起下钻过程中的自动灌浆；
附图说明
图1是本发明一种井筒压力管理系统及方法的示意图。
图中1.常规钻井循环系统，2.旋转防喷防喷器，3.防喷器组，4.钻井四通，5.单向阀，6.随钻测量工具，7.四向阀撬，8.监测控制系统，9.泥浆循环池，10.泥浆处理系统，11.环空回压系统，12.主节流回压系统，13.辅助泵回压系统，14.泥浆泵，15.16.17.24.26.截断阀，18.辅助泵，19.25.流量计，20.23.液动节流阀，21.22.液动平板阀。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步描述：
常规钻井循环系统1的防喷器组3的顶部联接旋转防喷防喷器2，井下钻具组合包括单向阀6以及随钻测量工具5，由此常规钻井系统成为一钻井过程中的封闭承压系统。
泥浆泵14泵送钻井液进入钻杆，经过单向阀5、随钻测量工具6和钻头进入套管环空，钻井液经过可以经过旋转防喷器2的导流出口，经过四向阀撬7的截断阀17直接到达泥浆处理系统10，或者经过四向阀撬7的截断阀16与环空回压系统11联接。
正常钻井过程中，环空回压系统11的回压作用于旋转防喷器2的导流出口，当需要关闭防喷器组3的时，环空回压系统11的回压作用于钻井四通4。
环空回压系统11包括主节流回压系统12和辅助泵回压系统13；主节流回压系统12包括液动平板阀22、液动节流阀23、流量计25，其中液动平板阀22与上游的四向阀撬7管线联接，流量计25与下游泥浆处理系统10联接；辅助泵回压系统13包括辅助泵18、流量计19、液动平板阀21、液动节流阀20，其中辅助泵18经过流量计19后分为两路，一路经过液动平板阀21与上游的四向阀撬7管线联接，另一路经过液动节流阀20与流量计25上端管线联接；
质量流量计25.19选择质量流量计。
利用环空回压系统11的主节流回压系统12实现钻井循环过程中回压的控制；利用环空回压系统11的辅助泵回压系统13实现接单根以及起下钻时的回压控制和自动灌浆；主节流回压系统12与辅助泵回压系统13利用液动平板阀21.22实现钻井液循环和停止循环过程中的自动切换；
监测与控制系统8可以监测常规钻井循环系统1、环空回压系统11以及泥浆的相关信息，对控制对象的预测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统11。
监测与控制系统8能够监测钻井系统1、环空回压系统11以及泥浆的相关信息，包括钻井立压、套压、井深、钻压、钻头下入深度、钻柱旋转速度、机械钻速、泥浆泵排量、泥浆密度、泥浆返出排量、辅助泵排量、辅助泵压力以及各液动阀的阀位，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统11。
所述的控制对象可以是钻井立压、套管回压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
监测与控制系统能够通过随钻测量系统的地面接收装置得到实际的井底压力，校正对井底压力的预测值，从而修改监测控制系统的参数，得出更加合理的控制对象设定值，然后对监测值与设定值进行比较，控制环空回压系统11。

Claims (10)

1.一种井筒压力管理系统，其特征在于，监测与控制系统(8)可以监测常规钻井循环系统(1)、环空回压系统(11)以及泥浆的相关信息，对控制对象的预测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统(11)，从而产生环空回压，进行井筒压力管理；
常规钻井循环系统(1)的防喷器组(3)的顶部联接旋转防喷防喷器(2)，井下钻具组合包括单向阀(6)；
旋转防喷器(2)的导流出口经过一个四向阀撬(7)，一路经过截断阀(17)直接到达泥浆处理系统(10)，一路经过截断阀(16)与钻井四通(4)联接，一路经过截断阀(15)与环空回压系统(11)联接；
环空回压系统(11)包括主节流回压系统(12)和辅助泵回压系统(13)；主节流回压系统(12)包括液动平板阀(22)、液动节流阀(23)、流量计(25)，其中液动平板阀(22)与上游的四向阀撬(7)管线联接，流量计(25)与下游泥浆处理系统(10)联接；辅助泵回压系统(13)包括辅助泵(18)、流量计(19)、液动平板阀(21)、液动节流阀(20)，其中辅助泵(18)经过流量计(19)后分为两路，一路经过液动平板阀(21)与上游的四向阀撬(7)管线联接，另一路经过液动节流阀(20)与流量计(25)上端管线联接。
2.根据权利要求1所述的一种井筒压力管理系统，其特征在于，流量计为质量流量计。
3.根据权利要求1所述的一种井筒压力管理系统，其特征在于，监测与控制系统(8)能够监测钻井系统(1)、环空回压系统(11)以及泥浆的相关信息，包括钻井立压、套压、井深、钻压、钻头下入深度、钻柱旋转速度、机械钻速、泥浆泵排量、泥浆密度、泥浆返出排量、辅助泵排量、辅助泵压力以及各液动阀的阀位，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统(11)。
4.根据权利要求1或权利要求3所述的一种井筒压力管理系统，其特征在于，所述的控制对象可以是钻井立压、套管回压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
5.根据权利要求1所述的一种井筒压力管理系统，其特征在于，井下钻具组合中联接有随钻测量工具(5)。
6.根据权利要求1、权利要求4和权利要求5所述的一种井筒压力管理系统，其特征在于，监测与控制系统能够通过随钻测量系统的地面接收装置得到实际的井底压力，校正对井底压力的预测值，从而修改监测控制系统的参数，得出更加合理的控制对象设定值，然后对监测值与设定值进行比较，控制环空回压系统(11)。
7.一种井筒压力管理方法，其特征在于包括以下步骤：
在常规钻井循环系统(1)的防喷器组(3)的顶部联接旋转防喷器(2)以及井下钻具组合安装单向阀(6)，使得常规钻井系统成为一钻井过程中的封闭承压系统；
通过四向阀撬(7)中各个截断阀的开闭来选择旋转防喷器(2)所导流出的钻井液的流向以及环空回压系统(11)回压所作用的环空出口；
利用环空回压系统(11)的主节流回压系统实现钻井循环过程中回压的控制；
利用环空回压系统(11)的辅助泵回压系统(13)实现接单根以及起下钻时的回压控制和自动灌浆；
主节流回压系统(12)与辅助泵回压系统(13)利用液动平板阀(21)(22)实现钻井液循环和停止循环过程中的自动切换；
监测与控制系统(8)可以监测常规钻井循环系统(1)、环空回压系统(11)以及泥浆的相关信息，对控制对象的预测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统(11)。
8.根据权利要求7所述的一种井筒压力管理方法，其特征在于，监测与控制系统(8)能够监测钻井系统(1)、环空回压系统(11)以及泥浆的相关信息，包括钻井立压、套压、井深、钻压、钻头下入深度、钻柱旋转速度、机械钻速、泥浆泵排量、泥浆密度、泥浆返出排量、辅助泵排量、辅助泵压力以及各液动阀的阀位，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制环空回压系统(11)。
9.根据权利要求7或权利要求8所述的一种井筒压力管理方法，其特征在于，所述的控制对象可以是钻井立压、套管回压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
10.根据权利要求7、权利要求8或权利要求9所述的一种井筒压力管理方法，其特征在于，井下钻具组合中联接有随钻测量工具(5)；井底压力监测与控制系统能够通过随钻测量系统的地面接收装置得到实际的井底压力，校正对井底压力的预测值，从而修改监测控制系统的参数，得出更加合理的控制对象设定值，然后对监测值与设定值进行比较，控制环空回压系统(11)。
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