CN102758619B - 自动化井控制的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动化井控制的方法和设备。一种钻探控制系统，监测和比较钻探和完井操作传感器值，以及响应于诸如井涌或纵荡的状况而自主地动作。多种组合的传感器可监测返回流体流率、流体流入速率、井口孔压力、返回流体的温度、扭矩、钻进速率和柱重量变化。控制系统具有对应的控制逻辑，以基于传感器输入来进行监测、警报和动作。动作可包括保障人员的警报，关闭环形防喷器，使用闸板剪切器剪切钻探管，沿着扼流压井管路向下泵送较重的流体，断开立管或多种其它动作。

Description

自动化井控制的方法和设备

相关申请交叉引用

本申请要求2011年4月26日提交的美国临时申请No.61/479,203的权益。

技术领域

本公开大体涉及海上钻井，并且具体而言，涉及用于在钻探过程期间控制海底井的自动化方法。

背景技术

油气开采的未来在于深水和海床之下的较大深度处。这为海底装备带来日益严厉的状况，例如较高的压力和提高的温度。这些较严厉的状况可导致井涌的数量增加，以及因此降低给定操作的效率和安全性。这要求设计一种用于这个变宽的高压和高温包络的海底自动控制系统。能够监测和在逻辑上控制装备和工具的控制系统可导致较可靠、较安全和较高效的海底操作。

寻找一种提供较可靠、较安全和较高效的海底钻探操作的改进的控制系统。

发明内容

本发明的钻探系统具有在不需要操作人员作出决策的情况下自动地探测和控制井涌或纵荡(surge)的特征。本发明包括传感器和基于传感器输入而自主地监测和执行动作的自动控制系统。在给定的实施例中，可存在多个传感器组合，这取决于具体钻探操作的需要。例如，在一个实施例中，可存在用以监测回流速率的传感器。传统上，可通过例如导线和光纤传感器来传输来自回流速率传感器的信号，导线和光纤传感器可为通往平台的脐带的一部分。理想地，回流速率传感器将始终指示井口组装件内存在的流率。回流速率传感器感测的流率增大可指示井涌。诸如流入速率、温度、井口孔压力、柱重量变化、钻进(penetration)速率、扭矩和多种其它传感器的额外的传感器输入均可被监测，以用于井涌或纵荡状况的额外指示。某组传感器状况可导致控制系统执行自主动作，以减轻或停止井涌。例如，指示的井涌状况可导致控制系统警告操作人员，以及随后启动应急程序。这些程序可包括应急断开序列或启动井孔闭井序列。

考虑到结合所附权利要求和附图得到的本发明的以下详细描述，本发明的前述和其它目标与优点对本领域技术人员将是显而易见的。

附图说明

图1是示出了根据本公开的钻井控制系统的示意图。

图2是标识图1的控制系统采用的步骤的示意性流程图。

具体实施方式

图1示出了被钻探或完成的海底井。该井已经至少部分地被钻探，并且具有安装在海床13处的海底井口组装件11。至少一个套管柱(未显示)将悬吊在井中，并且由井口组装件11支承。井可具有尚未装套管的开孔部分，或者它可完全被装套管，但是完井还没有结束。

液压促动式连接器15将防喷器(BOP)组17可释放地固定到井口壳体组装件11。BOP组17具有若干个闸板式防喷器19，其中的一些是管闸板，而其中的至少一个是全封闭闸板。管闸板具有大小设置成包围向下延伸通过井口壳体11的管且密封在管上的腔体。全封闭闸板能够剪切管和实现完全封闭。闸板19中的每一个具有位于封闭元件的下方的端口21，以在闸板19关闭时将流体泵送到井中，或者从井中泵送出流体。流体流经过扼流压井管路(未显示)。

液压促动式连接器23将低位海下立管总成(LMRP)25连接到BOP组17的上部端上。LMRP 25的元件中的一些包括一个或多个环形BOP 27(显示了两个)。各个环形BOP 27具有将包围任何大小的管的弹性元件。而且，在没有管延伸通过BOP 27的情况下，BOP 27可完全关闭。各个环形BOP 27具有位于弹性元件下方的端口29，以在BOP27关闭时在弹性元件下方将流体泵送到井中，或者从井中泵送出流体。通过端口29的流体流由扼流压井管路处理。环形BOP 27备选地可为BOP组17的一部分，而非用液压促动式连接器23连接到BOP组17。

LMRP 25包括能够相对于LMRP 25和BOP组17的公共轴线进行枢转运动的挠性接头31。液压促动式立管连接器33安装在挠性接头31的上方，以连接到立管35的柱的下部端。立管35由固定在一起的管36的接头组成。辅助管道37在立管35的中心管36的周围沿周向隔开。辅助管道37比立管35的中心管36具有更小的直径，并且用来传送流体。辅助管道37中的一些用作扼流压井管路。其它辅助管道37则提供液压流体压力。在LMRP 25的上部端处的流端口38将辅助管道37中的某一些连接到多种促动器。当立管连接器33与中心立管的管36断开且立管35被提起时，流端口38还将与辅助管道37断开。在立管35的上部端处，辅助管道37连接到软管(未显示)，该软管延伸到浮动的钻探船或钻探平台40上的多种装备。

电线路和可选地光纤线路在脐带内向下延伸到LMRP 25。电控制线路、液压控制线路和光纤控制线路通往安装到LMRP 25的一个或多个控制模块(未显示)。控制模块控制BOP组17和LMRP 25的多种促动器。

立管35从平台40被液压张紧器(未显示)支承而张紧。张紧器允许平台40响应于波浪、风和水流而相对于立管35移动有限的距离。平台40在其上部端处具有用于从中心立管的管36中输送向上流动的流体的装备。此装备可包括偏流器39，偏流器39具有远离中心立管的管39而通往平台40的出口41。分流器39可被安装到平台40上，以随平台40移动。伸缩式接头(未显示)可位于分流器39和立管35之间，以适应这个移动。分流器39具有液压促动式密封件43，当关闭时，该液压促动式密封件43迫使中心立管的管36中的所有向上流动的流体离开出口41。

平台40具有带旋转台47的钻塔地板45，管通过旋转台47而下降到立管35中，以及下降到井中。在这个示例中，管被示为钻探管49的柱，但是，管可备选地包括其它井管，例如衬管或套管。显示了钻探管49连接到顶部驱动51上，顶部驱动51支承钻探管49的重量，以及供应扭矩。顶部驱动51被一组滑轮(block)(未显示)提起，并且在与扭矩传递轨道接合时，在井架上上下移动。备选地，钻探管49可由滑轮支承，并且经由滑轨(未显示)而被旋转台47旋转，滑轨楔住钻探管49，以使钻探管49与旋转台47成旋转接合。

安装在平台40上的泥浆泵53(仅示出了一个)沿着钻探管49泵送流体。在钻探期间，流体通常将是钻探泥浆。泥浆泵53连接到通往泥浆软管55的管路，泥浆软管55向上延伸到井架，以及延伸到顶部驱动51的上部端中。泥浆泵53经由进口管路59而从泥浆槽57(仅示出了一个)中抽取泥浆。立管出口41经由软管(未显示)而连接到泥浆槽57上。在到达泥浆泵进口管路59之前，泥浆振动筛(未显示)分开钻土事件所造成的钻屑与钻探泥浆。

井涌被定义为地层流体意外进入到井孔中，在钻探时或在完井时可发生井涌。基本上，当泥土地层具有的压力高于井中的流体的静水压力时，发生井涌。如果井具有未装套管的孔部分或开孔部分，作用于泥土地层上的静水压力是钻探泥浆的压力。操作人员控制钻探泥浆的重量，使得钻探泥浆将提供足够的静水压力来避免井涌。但是，如果泥浆重量过度，泥浆可流到泥土地层中，从而损害地层，以及导致循环漏失。因此，操作人员平衡重量，以便提供足够的重量来防止井涌，但是避免流体损失。

在钻探时，在从井中分离出钻探管49或将钻探管49送入到井中时，可发生井涌。当在导线管路(wire line)上将测井仪器下降到井中以测量泥土地层时，也可发生井涌。甚至在已经封闭井之后，例如于通过套管或在套管的周围或在衬管顶部和套管之间有泄漏而，也可发生井涌。在那种情况下，井中的流体可为水，而非钻探泥浆。如果不减轻，井涌可导致高压烃流到水面，从而可能向上推动钻探泥浆和井中的任何管。烃可为可被意外地点燃的气体。

通常，井涌由平台40处的、提前探测井涌和采取补救动作的人员控制。人员基于经验而使用多种技术来探测井涌。而且，采取多种补救动作。例如，探测到与泵入相比有更多钻探泥浆返回可指示井涌。补救动作可包括关闭环形BOP 27，以及沿着扼流压井管路将较重的流体泵送到端口21，端口21将较重的流体引导到井中。如果钻探泥浆继续沿着立管35向上流动且流出出口41，则操作人员可关闭分流器39，并且将流引导到远处的火炬管路。如果补救动作不起作用，则操作人员可关闭闸板19且剪切钻探管49，然后例如在连接器23或连接器33处断开立管35。然后平台40可被移动，从而随之带着立管35。探测和补救步骤需要平台40上的操作人员作出决策。

图1中显示的钻探系统具有在不需要操作人员作出决策的情况下自动地探测和控制井涌的特征。图1的钻探系统具有许多传感器，仅示出了其中的少许传感器。传感器意图提供井涌的早期探测，并可使用较多或较少的传感器。传感器中的一些可能仅在钻探期间有帮助，而在分离钻探管或执行其它操作(例如，粘合)时没有帮助。

回流速率传感器67将感测钻探泥浆返回的流率或任何向上流动流体的流率。回流速率传感器67可如所显示的那样位于出口41中，或者位于BOP组连接器15中。流入传感器69可位于泥浆泵53的出口处，以确定正被泵送到井中的流体的流率。如果传感器67所感测到的回流速率大于传感器69所感测到的流入速率，则存在井涌正发生的指示。如果回流速率小于流入速率，则存在正发生流体损失到泥土地层中的指示。但是，由于其它因素，在传感器67、69之间的流率中可出现差异。例如，可在一个泥土地层中发生一些循环漏失，同时在另一个地层中发生井涌。

井口孔压力传感器61优选地将在最下部闸板19下方的BOP组17内位于井口组装件11的正上方。传统上，可通过例如导线和光纤传感器来传输来自井口孔压力传感器61的信号，导线和光纤传感器可为通往平台40的脐带的一部分。井口孔压力传感器61将始终指示井口组装件11内存在的压力。在使钻探泥浆循环向下通过钻探管49时，感测到的压力将是在那点处在钻探管49的外部的返回钻探泥浆的压力。该压力取决于在传感器61的上方的钻探泥浆的静水压力，该静水压力与海洋深度成比例。如果钻探泥浆不循环，则感测到的压力将是立管中心管36中的流体的静水压力。传感器61所感测到的压力的增大可指示井涌。但是，尽管传感器61仅感测到正常范围的压力，也可能发生井涌。例如，气体沿着立管35向上迁移将使传感器61上方的钻探泥浆柱变轻，从而导致传感器61或者不显示压力增大，或者显示压力下降。而且，传感器61所监测到的压力受到泥浆泵53的压力的影响。尽管如此，当与正被感测的其它参数耦合时，传感器61会提供可指示井涌的有价值的信息。

优选地采用一个或多个温度传感器65来感测向上流动流体的温度。温度传感器65还优选地在井口连接器15中，以感测井口组装件11的孔中的流体的温度。如果发生井涌，温度可改变。当与关于立管35中的向上流动流体的其它数据结合时，可精确地确定井涌的指示。

柱重量传感器71安装到顶部驱动51，或者安装到滑轮，以感测正被井架支承的管柱的重量。在钻探期间，感测到的钻探管49的重量取决于钻探管49对钻头施加多少重量。如果操作人员施加较多制动，则感测到的重量将增大，因为有较少重量传递到钻头。如果操作人员释放一些制动，则有较多重量施加到钻头上，并且传感器71感测到较少重量。如果发生足够量级的井涌而开始向上推动钻探管49，则感测到的重量将减小。

将来自柱重量传感器71的信号链接到钻进速率(ROP)传感器73将协助确定感测到较小重量是因为施加了较多制动还是因为井涌。ROP传感器73测量钻探管49向下移动有多迅速，从而是施加的制动的量的指示。ROP传感器73还将确定何时钻入到非常软的地层中，从而提示可能发生循环漏失。

另外，扭矩传感器75提供关于井涌的有用信息。扭矩传感器75安装在顶部驱动处，或者安装在顶部驱动的附近，并且感测在钻探期间施加的扭矩的量。如果井涌趋向于提起钻探管49，则扭矩将下降。扭矩也会由于其它原因而减小，例如故意减小钻头上的重量或碰到软的地层。当与其它数据耦合时，扭矩传感器75在钻探期间感测到的扭矩可协助精确地预测井涌的早期发生。

平台40上的BOP控制系统77接收来自传感器61、65、67、69、71、73和75和可能其它传感器的信号。BOP控制系统77处理这些信号，以探测是否发生井涌，以及响应于此而发布控制信号。而且，钻探管49可具有确定诸如钻头上的重量、钻头上的扭矩、钻探泥浆在钻头处的压力和钻探泥浆在钻头处的温度的状况的井下感测装置。可经由泥浆脉冲或其它已知的技术来将来自这些传感器的信号传输到井上。也可将这些信号馈送给BOP控制系统77。

参照图2，来自多种传感器的数据供应给BOP控制系统77的处理器。步骤79指示处理器确定传感器69、67、65、61、71、73和75中的任何传感器是否在正常的预先设定的范围之外。如果是的话，在步骤81中，处理器然后将比较在范围之外的传感器与接收自其它传感器的数据。例如，如果传感器67的流出速率超过传感器69的流入速率在可接受的范围以外，按照步骤83，控制系统77将检查来自其它传感器的数据，以确定对此是否存在解释。也许，其它传感器将确认问题存在，或者提供指示合理解释的数据。如果解释是合理的，则控制系统77可能不采取动作，这取决于如何对控制系统77编程。

如果多种比较均指示发生井涌，则可将控制系统77编程成一开始对操作人员提供可视以及可选地听得见的警报，如步骤85所指示的那样。然后操作人员可试图补救问题，例如通过关闭环形BOP 27。但是，控制系统77将继续监测传感器所发送的数据，如步骤87所指示的那样。如果确定在选定的时间间隔之后仍然存在井涌状况，则它将移到第二次警报或另一个步骤。在启动应急断开序列时，其它步骤可为第一步骤。那个步骤取决于对控制系统77的编程。按照步骤89，它可为关闭环形BOP 27，如果操作人员还没有这么做的话。控制系统89还将对操作人员发送它已经关闭环形BOP 27的警报。那个警报将使得操作人员能够开始沿着扼流压井管路将钻探泥浆泵送到井中，优选地用较重的钻探泥浆。

不管操作人员采取什么步骤(如果有的话)，控制系统77都将继续监测传感器，处理数据，以及确定是否仍然存在危险状况，如步骤91中指示的那样。如果在选定的时间间隔之后，危险状况没有减轻，控制系统77将针对应急断开采取另一个步骤93。步骤93可为关闭闸板19和剪切钻探管49，或者步骤93可为过渡步骤。控制系统77将对操作人员提供已经发生了这种情况的警报。控制系统77可如按照步骤95那样继续监测传感器。如果不论出于何种原因，在步骤93之后状况仍然存在，则控制系统77可促动或者连接器23或者连接器33，以从井口组装件11中释放出立管35。BOP组17仍然连接到海底井口组装件11。然后操作人员将着手将平台40从其位置上移开，从而随其带着立管35。

用于启动应急断开序列的自动化机构可应用于以及被采用来启动井孔闭井序列。那个步骤取决于对控制系统77的编程。按照步骤89，它可为关闭环形BOP 27，如果操作人员还没有这么做的话。控制系统89也将对操作人员发送它已经关闭环形BOP 27的警报。那个警报将使得操作人员能够开始沿着扼流压井管路将钻探泥浆泵送到井中，优选地用较重的钻探泥浆。不管操作人员采取什么步骤(如果有的话)，控制系统77都将继续监测传感器，处理数据，以及确定是否仍然存在危险状况，如步骤91中指示的那样。如果在选定的间隔之后，危险状况没有减轻，则控制系统77将采取另一个步骤，并且打开内部放泄阀和外部放泄阀，发信号表示井孔的闭井完成。

控制系统还可追踪控制系统目前正使用的现有的组配置模式，并且继续监测来自传感器61、65、67、69、71、73和75以及可能其它传感器的信号。取决于组配置模式，控制系统可警告操作人员确认在现有的组状况下继续进行，或者改变组配置模式，以确保BOP组被带入安全模式。在规定的时间间隔之后，如果没有操作人员的确认，则基于组的目前状况和所涉及的功能而启动应急断开序列或井的闭井序列。

虽然未必与井涌有关，但是立管斜度传感器99(图1)提供严重问题的信息。当平台40从井口组装件11的正上方移动时，立管35将倾斜。平台40典型地具有链接到全球定位系统(GPS)的推进器。GPS接收卫星信号，并且控制推进器，以将平台40保持在期望的位置处。有时，卫星信号会受阻，或者发生GPS故障。如果没有及时探测到，平台40就可能漂离位置太远。立管35具有它可实现的且仍然在连接器23或33处断开的最大角度。在那个角度之外，连接器23或33将无法断开立管35，从而对立管35将很可能发生损害。

可将来自立管斜度传感器99的信号馈送到BOP控制系统77，BOP控制系统77确定斜度是否在选定的范围之外。如果是的话，BOP控制系统77就可进行与图2中示出的相同的步骤，从而在必要时最终断开立管35。

Claims (20)

1.一种用于在海底钻井和完井操作期间提供井涌的自动探测和控制的设备，其中钻探塔通过立管和具有立管断开器的防喷器而连接到海底井口组装件，所述设备包括：

多个传感器，其适于联接到井口组装件，以产生井正经历的操作的当前传感器值；

控制系统，其具有包含指示井涌事件的已知传感器值的数据库的处理器，所述处理器具有用于接收来自所述传感器的所述当前传感器值以及比较所述当前传感器值与所述已知传感器值的装置；以及

所述控制系统具有在所述比较指示井涌事件的情况下警告操作人员的自动化警报组件，

所述控制系统被链接到所述防喷器以便如果在选定的时间周期之后仍然发生井涌事件就自动关闭所述防喷器；以及

所述控制系统被链接到所述立管断开器以便如果在所述防喷器已被关闭了选定的时间周期之后仍然发生井涌事件就自动开始促动所述立管断开器的步骤。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器中的至少一个包括：

适于联接到所述钻探塔的流体返回管道的回流速率传感器。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器中的至少一个包括：

适于联接到所述井口组装件的向上流动流体温度传感器。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器中的至少一个包括：

适于联接到所述井口组装件的井口孔压力传感器。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器中的至少一个包括：

适于联接到所述钻探塔的输入流体管道的流入速率传感器。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器中的至少一个包括：

适于联接到所述钻探塔的顶部驱动的柱重量传感器。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器中的至少一个包括：

适于联接到所述钻探塔的顶部驱动的钻进速率传感器。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述传感器中的至少一个包括：

适于联接到所述钻探塔的顶部驱动的扭矩传感器。

9.一种用于在海底钻井和完井操作期间提供井涌的自动探测和控制的设备，其中钻探塔通过立管和具有立管断开器的防喷器而连接到海底井口组装件，所述设备包括：

多个传感器，其包括适于联接到所述井口组装件的压力传感器和适于联接到所述钻探塔的流体返回管道的回流速率传感器；以及

具有处理器的控制系统，所述处理器具有关于指示井涌事件的井口压力和回流速率的已知范围的数据库，所述处理器具有用于接收来自所述压力传感器和所述回流速率传感器的信号值以及比较所述信号值与所述已知范围以及用于在所述比较的结果指示井涌事件的情况下警告操作人员的装置；

所述控制系统具有用于链接到所述防喷器，以便如果在选定的时间周期之后仍然发生所述井涌事件就自主地响应于井涌事件的指示而关闭所述防喷器的装置；

所述控制系统还具有用于如果在所述防喷器已被关闭了选定的时间周期之后仍然发生井涌事件就关闭所述防喷器的剪切闸板并剪切钻探管的装置；以及

所述控制系统还具有用于如果在所述剪切闸板已经被关闭并且钻探管已经被剪切了选定的时间周期之后仍然发生井涌事件就促动所述立管断开器的装置。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述传感器进一步包括：

链接到所述处理器的立管斜度传感器；以及

其中所述控制系统只在由所述处理器感测的立管斜度小于最大立管斜度的情况下促动所述立管断开器。

11.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述传感器进一步包括：

适于联接到所述井口组装件的向上流动流体温度传感器；

适于联接到所述钻探塔的输入流体管道的流入速率传感器；以及

所述控制系统接收来自所述向上流动流体温度传感器和所述流入速率传感器的信号，以进行处理。

12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述传感器进一步包括：

适于联接到所述钻探塔的顶部驱动的柱重量传感器；

适于联接到所述钻探塔的顶部驱动的钻进速率传感器；

适于联接到所述钻探塔的所述顶部驱动的扭矩传感器；以及

所述控制系统接收来自所述柱重量传感器、所述钻进速率传感器和所述扭矩传感器的信号，以进行处理。

13.一种用于在海底钻井和完井操作期间提供井涌的自动探测和控制的方法，其中钻探塔通过立管和防喷器而连接到海底井口组装件，所述方法包括：

将传感器联接到所述井口组装件和所述钻探塔的多种组件，以指示所述井内的状况；

提供具有可指示压力井涌的已知传感器值的数据库的控制系统，并且将所述控制系统链接到所述传感器；

利用所述控制系统，通过比较所述已知传感器值与接收自所述传感器的当前传感器值来确定井涌事件的存在；以及

当探测到井涌事件时，自动地警告操作人员，

所述控制系统被链接到所述防喷器以便如果在选定的时间周期之后仍然发生井涌事件就自动关闭所述防喷器；以及

所述控制系统被链接到所述立管断开器以便如果在所述防喷器已被关闭了选定的时间周期之后仍然发生井涌事件就自动开始促动所述立管断开器的步骤。

14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

自动采取从所述防喷器断开所述立管的步骤包括自动关闭防喷器的剪切闸板，所述剪切闸板包围延伸通过所述立管和防喷器进入钻井的钻柱；然后

利用控制系统，用所述剪切闸板自动剪切所述钻柱，警告操作人员所述钻柱已被剪切，并继续判定所述井涌事件是否仍然发生。

15.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

自动采取从所述防喷器断开所述立管的步骤包括自动关闭防喷器的剪切闸板，所述剪切闸板包围延伸通过所述立管和防喷器进入钻井的钻柱；然后

利用控制系统，用所述剪切闸板自动剪切所述钻柱，警告操作人员所述钻柱已被剪切，并继续判定所述井涌事件是否仍然发生；然后

如果所述控制系统判定在选定的时间周期之后所述井涌事件仍然发生，利用所述控制系统自动地从所述防喷器断开所述立管柱。

16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

将传感器联接到所述井口组装件和所述钻探塔的多种组件包括：将压力传感器联接到所述井口组装件。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

将传感器联接到所述井口组装件和所述钻探塔的多种组件包括：将回流速率传感器联接到所述钻探塔的流体返回管道。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

将传感器联接到所述井口组装件和所述钻探塔的多种组件包括：将回流速率传感器联接到所述钻探塔的流体返回管道，以及将流入速率传感器联接到所述钻探塔的输入流体管道。

19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

将传感器联接到所述井口组装件和所述钻探塔的多种组件包括：将柱重量传感器、钻进速率传感器和扭矩传感器联接到所述钻探塔的顶部驱动。

20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

将传感器联接到所述井口组装件和所述钻探塔的多种组件包括：将立管斜度传感器联接到所述钻探塔。