CN102606069A

CN102606069A - 超临界二氧化碳钻井井筒内相态的控制装置

Info

Publication number: CN102606069A
Application number: CN2012100932914A
Authority: CN
Inventors: 孙宝江; 李�昊; 王俊博; 王志远; 高永海; 王金波
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2012-04-01
Filing date: 2012-04-01
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-04-01
Also published as: CN102606069B

Abstract

本发明涉及一种超临界二氧化碳钻井井筒内相态的控制装置，包括主循环回路和控制系统，主循环回路由CO₂储罐、柱塞泵、热交换装置、立管、钻杆、钻头、井筒、井口回压控制系统、旋转分离器、热交换装置通过管线依次联接而成；控制系统由工控机分别与高压气罐、电磁阀、热交换装置、压力传感器、温度传感器和质量流量计电连接组成；压力传感器、温度传感器和质量流量计安装在井筒入口和出口处，实时监测井口二氧化碳钻井液的温度和压力，通过工控机控制软件系统发出控制信号，对井口回压控制系统和热交换装置进行控制和实时调节，然后重新计算得到井底超临界二氧化碳钻井液的压力、温度，直到满足超临界态判别条件为止，进而保证在井底的二氧化碳钻井液始终处于超临界态状态。

Description

超临界二氧化碳钻井井筒内相态的控制装置

技术领域：

本发明涉及一套超临界二氧化碳钻井井筒内相态的控制装置，属于石油钻探技术领域。

背景技术：

我国经济的持续高速发展引发了油气需求不断增加，油气生产供应不足的问题日趋突出，优良的油气资源所剩无几，大规模开采非常规难动用油气资源(例如页岩气和致密气等)在所难免。为提高非常规难动用油气资源的开采效率，避免油气层污染、快速高效的钻井方法备受关注。超临界二氧化碳流体既具有类似气体的低粘度和高扩散系数，并具有类似液体的高密度和良好的溶解性，在提高机械钻速、储层保护和非常规油气藏开发等方面具有巨大优势。

超临界二氧化碳(Supercritical CO₂，简称SC-CO₂)是指处于临界温度(31.1℃)和临界压力(7.38Mpa)之上的二氧化碳流体，其具有以下特点：(1)超临界CO₂流体密度与液体相近，比一般气体大2个数量级。密度增大，溶质的溶解度就增大，有利于溶质的转移。(2)超临界CO₂流体粘度比液体小1个数量级，近似于普通气体，扩散系数比液体大2个数量级，因而具有良好的流动、渗透和传递性能。(3)超临界CO₂流体的粘度小，密度大，表面张力小，具有良好的传质性能。(4)临界点附近微小的温度和压力变化就能导致超临界CO₂流体特性的改变。

基于超临界二氧化碳性质特点，超临界二氧化碳钻井液在井筒循环过程中由于温度压力的改变会发生相态变化，呈现气态、液态、超临界态三种相态，而处于超临界态的二氧化碳钻井液具有气液双重特性，有利于提高机械钻速，保护储层，是钻井过程中井筒内的理想相态，因此需建立一套超临界二氧化碳钻井井筒内相态的控制装置，为超临界二氧化碳钻井新技术奠定基础，而目前国内外尚未公开报道应用于超临界二氧化碳钻井过程中的此类控制装置。

发明内容：

本发明的目的就是提供一套超临界二氧化碳钻井井筒内相态的控制装置，通过对井口回压和温度的自动调节，保证井筒内的二氧化碳钻井液始终处于超临界状态。

本发明所提出的控制装置，包括主循环回路和控制系统，主循环回路由CO₂储罐、柱塞泵、热交换装置、立管、钻杆、钻头、井筒、井口回压控制系统、旋转分离器、制冷装置通过管线依次联接而成，制冷装置的出口再连接到CO₂储罐的入口，形成主循环回路。控制系统由工控机、高压气罐、电磁阀、热交换装置、压力传感器、温度传感器和质量流量计组成。在井筒入口和出口处各安装一台压力传感器、温度传感器和质量流量计，并且均与工控机电连接。高压气罐、电磁阀、井口回压控制系统和热交换装置也分别与工控机电连接，在井口回压控制系统和高压气罐之间安装电磁阀。在循环过程中，工控机可进行二氧化碳钻井液井筒入口和出口温度、压力、流量数据的实时采集和分析。根据采集到的数据，利用井筒多相流动计算模型，计算得到井底超临界二氧化碳钻井液的压力、温度，根据二氧化碳的临界条件判别其相态，若处于超临界态(P＞7.38Mpa，T＞311℃)，则正常循环钻进；若未处于超临界态，则通过工控机控制软件系统发出控制信号，对井口回压控制系统和热交换装置进行控制，实时调节井口回压和二氧化碳钻井液的入口温度，然后重新计算得到井底超临界二氧化碳钻井液的压力、温度，直到满足超临界态判别条件为止。

本发明的有益效果是：由于在井口安装压力传感器、温度传感器和质量流量计，可以实时监测井底二氧化碳钻井液的温度、压力，通过工控机控制软件系统发出控制信号，对井口回压控制系统和热交换装置进行控制，实时调节井口回压和二氧化碳钻井液的入口温度，然后重新计算得到井底超临界二氧化碳钻井液的压力、温度，直到满足超临界态判别条件为止，从而实现了超临界二氧化碳钻井井筒内相态的实时控制，可为利用超临界二氧化碳钻井技术高效开发非常规油气藏提供关键的技术支撑。

附图说明：

下面结合附图对本发明做出详细说明。

图1是依据本发明所提出的超临界二氧化碳相态控制装置组成结构示意图。

图2是本发明控制软件系统的计算机程序框图。

图中：1-CO₂储罐；2-柱塞泵；3-热交换装置；4-质量流量计；5-立管；6-钻杆；7-钻头；8-井筒；9-质量流量计；10-井口回压控制系统；11-旋转分离器；12-制冷装置；13-电磁阀；14-高压气罐；15-工控机。

具体实施方式：

下面结合附图对超临界二氧化碳钻井中井筒内相态的控制装置和控制过程作进一步的描述。

如图1所示，超临界二氧化碳钻井中井筒内相态的控制装置，包括主循环回路和控制系统，主循环回路由CO₂储罐1、柱塞泵2、热交换装置3、质量流量计4、立管5、钻杆6、钻头7、井筒8、井口回压控制系统10、旋转分离器11和制冷装置12通过管线依次连接而成，制冷装置12的出口再连接到CO₂储罐1的入口，形成主循环回路。控制系统由工控机15、高压气罐14、电磁阀13、井口回压控制系统10、热交换装置3组成，在井筒入口和出口处各安装一台压力传感器、温度传感器和质量流量计，并且均与工控机15电连接，高压气罐14、电磁阀13、热交换装置3也分别与工控机15电连接，电磁阀13安装在井口回压控制系统10和高压气罐14之间。

本控制装置的工作过程是：二氧化碳钻井液以液态形式存储在CO₂储罐1中，开动柱塞泵2，储罐中的二氧化碳钻井液经过热交换装置3，控制温度以保证流动安全，经质量流量计4后进入立管5、钻杆6、钻头7下行至井底，并由环空返出，所返出的二氧化碳钻井液经井口回压控制系统10后进入旋转分离器11进行气固分离，然后进入制冷装置12制冷后再进入CO₂储罐1，从而建立循环。

如图2所示，通过井口测量的超临界二氧化碳钻井液压力、温度、流量数据，利用井筒多相流动计算模型，计算得到井底超临界二氧化碳钻井液的压力、温度，根据二氧化碳的临界条件判别其相态，若处于超临界态，则正常循环钻进；若未处于超临界态，则通过工控机15控制软件系统发出控制信号，驱动电磁阀13，由高压气罐14提供液压动力，对井口回压控制系统10进行控制，实时调节井口回压；控制信号对热交换装置3进行控制，实时调节二氧化碳钻井液进入井口的温度，然后重新计算得到井底超临界二氧化碳钻井液的压力、温度，直到满足超临界态判别条件为止。

以上未详细述及的部分均为本领域普通技术人员的公知常识，本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明保护范围之内。

Claims

1.一种超临界二氧化碳钻井井筒内相态的控制装置，包括主循环回路和控制系统，其特征在于：主循环回路由CO₂储罐、柱塞泵、热交换装置、立管、钻杆、钻头、井筒、井口回压控制系统、旋转分离器、制冷装置通过管线依次连接而成，制冷装置的出口再连接到CO₂储罐的入口，形成主循环回路；控制系统由工控机分别与高压气罐、电磁阀、热交换装置、压力传感器、温度传感器和质量流量计电连接组成；在井筒入口和出口处各安装一台压力传感器、温度传感器和质量流量计，在井口回压控制系统和高压气罐之间安装电磁阀。