CN102828712A - 用于施加井口回压的双节流控制泥浆泵分流管汇及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻探技术领域，涉及一种用于施加井口回压的双节流控制泥浆泵分流管汇和方法。双节流控制泥浆泵分流管汇包括主管、管汇四通、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线；管汇四通分别连接主管、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线；主管上安装有压力计；第一分流管线上安装有第一截止阀和第一节流阀，第二分流管线上安装有第二截止阀和第二节流阀，第三分流管线上安装有第三截止阀。本发明接单根、起/下钻过程中不必进行停泵和开泵的操作，可以减少井底压力波动，提高对井底压力的控制能力；不需要回压泵，避免由回压泵带来的额外作业，减少非生产时间，降低钻井成本；避免由于回压泵泄漏而造成的污染；节约能源和场地。

Description

用于施加井口回压的双节流控制泥浆泵分流管汇及其方法

技术领域

本发明属于石油钻探技术领域，涉及一种控压钻井方法，特别涉及一种用于施加井口回压的双节流控制泥浆泵分流管汇和方法。

背景技术

目前，随着深水油气勘探开发规模的不断扩大和陆上更复杂地层勘探开发活动的日益增多，深水环境和深部地层的地质条件越来越复杂。地层破裂压力和孔隙压力之间的窗口往往较窄，钻井过程中常会遇到喷、漏、卡、塌等井下复杂情况甚至漏喷同存的情况，不仅延长了钻井周期，增加了钻井成本，而且带来了严重的安全环保问题。因而，如何预防复杂地层中喷、漏、卡、塌等复杂情况的产生，安全高效地钻穿窄密度窗口的复杂地层，同时有效减小钻井过程中钻井液对储层的伤害，已经成为当今钻井行业的技术热点和提高经济效益的关键。

控制压力钻井技术是近几年发展起来的一项新钻井技术，是一种用于精确控制整个井筒环空压力剖面的改进钻井程序。该技术为解决复杂地层的安全钻进问题提供了一个新的解决方案，非常适宜在钻井液安全密度窗口较窄的地层作业，是当今钻井技术发展的重大进步。实践证明，该技术能有效减少井漏、井涌、压差卡钻、井壁失稳等钻井复杂和钻井事故，简化操作，缩短钻井周期，提高钻井效率，降低钻井成本。

控压钻井的核心就是对井底压力进行精确控制，将井底压力控制在安全密度口之内，保证钻进与停钻等一系列作业的顺利安全进行。常规控压钻井中使用回压泵帮助钻井液进入地面管线建立地面循环，来施加环空回压，调整井底压力。钻井过程中，回压泵要一直运转待命，以达到需要时迅速施加井口回压、调整井底压力的目的，耗费了大量能源。

常规控压钻井作业过程中所面临的挑战是，在接单根和起/下钻过程中的压力控制问题，即如何保证井底压力的平稳恒定。接单根和起/下钻实际上是停泵、停止循环和开泵、开始正常循环的动态切换过程。控压钻井要求在开泵和停泵过程中钻井泵按照规定泵冲数分步开泵和停泵，实现井眼内钻井液按规定阶梯式增加和减少，但电动钻机特别是机械钻机的开泵和停泵无法精确控制，导致井底压力控制的连续性和稳定性普遍较差，井底压力控制不准确。

使用回压泵施加井口回压的局限性还包括：钻井系统中增加额外的回压泵，不仅增加成本(包括维护成本)，而且需要占用更多的场地；由于回压泵失效、装卸和复杂性增加所带来的额外作业，造成非生产时间增加，钻井成本升高；回压泵的泄漏可能造成污染。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种用于施加井口回压的双节流控制泥浆泵分流管汇和方法，通过钻井液分流的方式来施加井口回压，不依赖回压泵帮助钻井液进入地面管线施加井口回压。

本发明所采取的技术方案如下所述：

一种双节流控制泥浆泵分流管汇，包括主管、管汇四通、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线；其特征在于：管汇四通分别连接主管、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线；主管上安装有压力计；第一分流管线上安装有第一截止阀和第一节流阀，第二分流管线上安装有第二截止阀和第二节流阀，第三分流管线上安装有第三截止阀。

优选的，第一截止阀位于第一节流阀和管汇四通之间；第二截止阀位于第二节流阀和管汇四通之间。

利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统，包括主管、管汇四通、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线、主节流管汇、辅助节流管汇、振动筛、多相分离器、泥浆罐、泥浆泵；其特征在于：辅助节流管汇包括辅助节流管线、手动平板阀、第三节流阀；管汇四通分别连接主管、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线；主管上安装有压力计；第一分流管线上安装有第一截止阀和第一节流阀，第二分流管线上安装有第二截止阀和第二节流阀，第三分流管线上安装有第三截止阀；主管的一端与管汇四通相连、另一端与泥浆泵的排液端相连，泥浆泵的进液端通过泥浆泵进液管线与泥浆罐相连；管汇四通通过第一分流管线与立管相连；管汇四通通过第二分流管线与泥浆罐相连；三通分别连接第三分流管线、辅助节流管线和第一管线，三通通过第三分流管线与管汇四通相连，第一管线上安装有单向阀，单向阀的入口靠近三通，辅助节流管线上安装有第三节流阀和手动平板阀，旋转控制装置通过钻井液返出管线与主节流管汇相连，主节流管汇通过第二管线与质量流量计相连，质量流量计通过第六管线与振动筛相连，振动筛通过筛后排液管线与泥浆罐相连；第六管线上靠近振动筛端设有气控平板阀；第一管线的末端与钻井液返出管线相连，辅助节流管线的末端与第二管线相连；多相分离器通过第三管线与第六管线相连，多相分离器通过多相分离器排液管线与泥浆罐相连。

优选的，第一截止阀位于第一节流阀和管汇四通之间；第二截止阀位于第二节流阀和管汇四通之间。

优选的，第三节流阀位于三通与手动平板阀之间。

优选的，还包括钻机节流管汇，钻井四通通过第四管线与钻机节流管汇相连，钻机节流管汇通过第五管线与多相分离器相连。

所述的双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统施加井口回压的方法，应用于正常钻进工况、接单根工况、起/下钻工况，其特征在于：

(1)、正常钻进工况

打开第一截止阀、主节流管汇，关闭第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，将第一节流阀的开度调节至最大，由泥浆泵流出的钻井液由主管全部流至第一分流管线；

(2)、接单根工况

由正常钻进工况转为接单根工况时，将第二节流阀、第三节流阀的开度调节至最大，打开第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，逐渐将第一节流阀的开度减小至零，在逐渐将第一节流阀的开度减小至零的同时，逐渐将第二节流阀、第三节流阀调节至所需开度，将井口回压调节至所需大小；第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动；第一节流阀的开度减小至零后关闭第一截止阀、主节流管汇，然后开始接钻具；

接完钻具后，打开第一截止阀、主节流管汇，然后逐渐将第一节流阀的开度增至最大，与此同时逐渐将第二节流阀、第三节流阀的开度减小至零，第二节流阀、第三节流阀的开度减小至零后，关闭第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，重新建立井筒循环，恢复正常钻进；

(3)、起/下钻工况

由正常钻进工况转为起/下钻工况时，将第二节流阀、第三节流阀的开度调节至最大，打开第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，逐渐将第一节流阀的开度减小至零，在逐渐将第一节流阀9的开度减小至零的同时，逐渐将第二节流阀、第三节流阀调节至所需开度，将井口回压调节至所需大小；第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动；第一节流阀的开度减小至零后关闭第一截止阀、主节流管汇，然后开始起钻。

完成起钻操作后开始下钻，下钻至预定深度后，打开第一截止阀、主节流管汇，然后逐渐将第一节流阀的开度增至最大，与此同时逐渐将第二节流阀、第三节流阀的开度减小至零，第二节流阀、第三节流阀的开度减小至零后，关闭第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，重新建立井筒循环，恢复正常钻进。

所述的第二节流阀、第三节流阀开度的确定方法，包括如下步骤：

(1)、根据泥浆泵流量和环空补浆流量，计算第二分流管线的钻井液流量和流速

第二分流管线的钻井液流量为：q₂＝Q-q

钻井液流速为： $u_2=\frac{q_2}{{{\mathrm{\πd}}_2}^2/4}$

式中：q₂——第二分流管线的钻井液流量，m³/s；

q——第三分流管线的钻井液流量即环空补浆流量，由控压钻井设计提供，m³/s；

Q——泥浆泵排量，m³/s；

u₂——第二分流管线的钻井液流速，m/s；

d₂——第二分流管线的管径，m

(2)、计算第二节流阀的压降

第二节流阀10的压降根据下式计算：

$\frac{P_0}{\mathrm{\γ}}+\frac{{u_0}^2}{2g}=\frac{P_2}{\mathrm{\γ}}+\frac{{u_2}^2}{2g}+({\mathrm{\λ}}_2\frac{l_2}{d_2}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ζ}}_2)\frac{{u_2}^2}{2g}$

式中，P₀——压力计读数，Mpa；

γ——钻井液重度，kg/S²·m²；

u₀——主管的钻井液流速，m/s；

P₂——第二节流阀的压降，Mpa；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

λ₂——第二分流管线3的沿程水力摩阻系数；

l₂——分支点到第二分节流阀10的距离，m；

∑ζ₂——分支点与第二节流阀10之间的总局部摩阻系数；

g——重力加速度，m/s²；

u₂——第二分流管线的钻井液流速，m/s

(3)、计算第二节流阀10所需开度

第二节流节流阀所需开度根据以下2式计算：

$P_2=\frac{{{2q}_2}^2\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\πC}}^2{D}^2-4\mathrm{\π}{C}^2{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}$

$x=1-\frac{4{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}{D^2}$

式中：q₂——第二分流管线的钻井液流量，m³/s；

P₂——第二节流阀的压降，Mpa；

s——阀芯位移，m；

α——阀芯半锥角，°；

C——由节流口形状、钻井液流态和性质等因素决定的系数；

D——阀座直径，m；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

x——节流阀开度

(4)、根据所需井口回压和环空补浆流量，计算第三节流阀11所需开度

第三节流阀所需开度根据以下2式计算：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{{2q}^2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\π}{C}^2{D}^2-4\mathrm{\π}{C}^2{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}$

$x^{\′}=1-\frac{4{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}{D^2}$

式中：q——第三分流管线的钻井液流量即环空补浆流量，由控压钻井设计提供，m³/s；

s——阀芯位移，m；

α——阀芯半锥角，°；

C——由节流口形状、钻井液流态和性质等因素决定的系数；

D——阀座直径，m；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

ΔP——所需井口回压，MPa；

x′——第三节流阀的开度。

优选的，接单根工况中，第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动。

优选的，起/下钻过程中，第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动。

本发明的有益效果是：

(1)、接单根、起/下钻过程中不必进行停泵和开泵的操作，可以减少井底压力波动，提高对井底压力的控制能力；

(2)、不需要回压泵，可以避免由回压泵带来的一系列额外作业，减少非生产时间，降低钻井成本；

(3)、避免由于回压泵泄露而可能造成的污染；

(4)、可以节约能源和场地。

附图说明

图1是用于施加井口回压的双节流控制泥浆泵分流管汇示意图；

图2是利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统示意图；

图3是利用辅助节流管汇施加井口回压时节流阀所需开度计算流程示意图；

图中，1、主管，2、第一分流管线，3、第二分流管线，4、第三分流管线，5、压力计，6、第一截止阀，7、第二截止阀，8、第三截止阀，9、第一节流阀，10、第二节流阀，11、第三节流阀，12、立管，13、旋转控制装置，14、单向阀，15、钻井液返出管线，16、质量流量计，17、振动筛，18、多相分离器，19、泥浆罐，20、泥浆泵，21、主节流管汇，22、手动平板阀，23、钻机节流管汇，24、钻井四通，25、辅助节流管线，26、泥浆泵进液管线，27、第一管线，28、多相分离器排液管线，29、筛后排液管线，30、第二管线，31、第三管线，32、第四管线，33、第五管线，34、第六管线，35、辅助节流管汇，36、气控平板阀，37、管汇四通，38、三通。

具体实施方式

如图1所示，双节流控制泥浆泵分流管汇，包括主管1、管汇四通37、第一分流管线2、第二分流管线3和第三分流管线4；管汇四通37分别连接主管1、第一分流管线2、第二分流管线3和第三分流管线4；主管1上安装有压力计5；第一分流管线2上安装有第一截止阀6和第一节流阀9，第一截止阀6位于第一节流阀9和管汇四通37之间；第二分流管线3上安装有第二截止阀7和第二节流阀10，第二截止阀7位于第二节流阀10和管汇四通37之间；第三分流管线4上安装有第三截止阀8。通过第一截止阀6、第二截止阀7、第三截止阀8的开关实现钻井液的分流。压力计5测量各分流管线的入口压力，用于计算节流阀所需开度。

如图2所示，利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统，包括主管1、管汇四通37、第一分流管线2、第二分流管线3和第三分流管线4、主节流管汇21、辅助节流管汇35、钻机节流管汇23、振动筛17、多相分离器18、泥浆罐19、泥浆泵20；辅助节流管汇35包括辅助节流管线25、手动平板阀22、第三节流阀11；管汇四通37分别连接主管1、第一分流管线2、第二分流管线3和第三分流管线4；主管1上安装有压力计5；第一分流管线2上安装有第一截止阀6和第一节流阀9，第一截止阀6位于第一节流阀9和管汇四通37之间；第二分流管线3上安装有第二截止阀7和第二节流阀10，第二截止阀7位于第二节流阀10和管汇四通37之间；第三分流管线4上安装有第三截止阀8；主管1的一端与管汇四通37相连、另一端与泥浆泵20的排液端相连，泥浆泵20的进液端通过泥浆泵进液管线26与泥浆罐19相连；管汇四通37通过第一分流管线2与立管12相连；管汇四通37通过第二分流管线3与泥浆罐9相连。

三通38分别连接第三分流管线4、辅助节流管线25和第一管线27，三通38通过第三分流管线4与管汇四通37相连，第一管线27上安装有单向阀14，单向阀的入口靠近三通，辅助节流管线25上安装有第三节流阀11和手动平板阀22，第三节流阀11位于三通38与手动平板阀22之间。

旋转控制装置13通过钻井液返出管线15与主节流管汇21相连，主节流管汇21通过第二管线30与质量流量计16相连，质量流量计16通过第六管线34与振动筛17相连，振动筛17通过筛后排液管线29与泥浆罐19相连；第六管线34上靠近振动筛端设有气控平板阀36。

第一管线27的末端与钻井液返出管线15相连，辅助节流管线25的末端与第二管线30相连。

钻井四通24通过第四管线32与钻机节流管汇23相连，钻机节流管汇23通过第五管线33与多相分离器18相连，多相分离器18通过第三管线31与第六管线34相连，多相分离器18通过多相分离器排液管线28与泥浆罐19相连。

辅助节流管线25与第三节流阀11、手动平板阀22构成的辅助节流管汇35，与主节流管汇21形成双节流管汇，均可用于施加井口回压。

单向阀14用于防止钻井液经第一管线27流向第三节流阀11，以致将第三节流阀11冲蚀损坏。质量流量计16用于测量从井眼环空返出的钻井液流量，从而判断钻进过程中是否发生井下事故，如果泵入的钻井液流量小于所测量的流量，表明发生了井涌，反之，则发生井漏。

钻机节流管汇23的作用是，在发生井涌而关井的条件下施加一定的井口回压，来控制井底压力始终略大于地层压力，避免地层流体进一步流入井内，并可实施放喷。

振动筛17用于清除钻井液中的岩屑等固相颗粒，多相分离器18用于分离出混入钻井液中的油、气、岩屑等杂质。钻井中如果预计会有较大量井涌发生，则关闭气控平板阀36，打开多相分离器18的入口，选择使用多相分离器18进行油、气、液和固的多相分离；否则打开气控平板阀36，关闭多相分离器18的入口，选择使用振动筛17实现钻井液的固相分离。

利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统的使用原理如下：

通过第一截止阀6、第二截止阀7、第三截止阀8的开关实现钻井液的分流，通过调节第一节流阀9、第二节流阀10、第三节流阀11的开度对分流到第一分流管线2、第二分流管线3和第三分流管线4的钻井液流量进行分配，使钻井液或分流至第一分流管汇2，由主节流管汇21施加井口回压，或分流至第二分流管汇3、第三分流管汇4，由辅助节流管汇35施加井口回压。

当井口回压由主节流管汇21施加时，第一截止阀6、第一节流阀9处于打开状态，第二截止阀7、第三截止阀8、手动平板阀22处于关闭状态，由泥浆泵20流出的钻井液由主管1全部流至第一分流管线2，然后依次经立管12、钻头、井眼环空、旋转控制装置13、钻井液返出管线15、主节流管汇21、质量流量计16到达振动筛17或多相分离器18，然后返回泥浆罐19。

当井口回压由辅助节流管汇35施加时，第一截止阀6、第一节流阀9和主节流管汇21处于关闭状态，第二截止阀7、第三截止阀8、第二节流阀10、第三节流阀11、手动平板阀22处于打开状态，由泥浆泵20流出的钻井液，一部分分流至第二分流管线3后流向泥浆罐19；另一部分分流至第三分流管线4，然后经第三节流阀11、手动平板阀22、质量流量计16到达振动筛17或多相分离器18，然后返回泥浆罐19；同时钻井液经单向阀14、旋转控制装置13向井眼环空补充钻井液，直至第一管线27、钻井液返出管线15和井眼环空中充满钻井液为止。钻井液流经第三节流阀11时产生的压降通过辅助节流管线25、第一管线27和钻井液返出管线15中的钻井液传递到井眼环空，施加井口回压。将第二节流阀10、第三节流阀11调节至所需开度，即可将井口回压调节至所需大小。第二节流阀10和第三节流阀11的所需开度可根据所需井口回压的大小计算得到。

图3是利用辅助节流管汇施加井口回压时第二节流阀、第三节流阀所需开度计算流程示意图。第二节流阀、第三节流阀所需开度的计算包括如下主要步骤：

1、根据泥浆泵流量和环空补浆流量，计算第二分流管线3的钻井液流量和流速。

第二分流管线3的钻井液流量为：q₂＝Q-q

钻井液流速为： $u_2=\frac{q_2}{{{\mathrm{\πd}}_2}^2/4}$

式中：q₂——第二分流管线3的钻井液流量，m³/s；

q——第三分流管线4的钻井液流量即环空补浆流量，由控压钻井设计提供，m³/s；

Q——泥浆泵排量，m³/s；

u₂——第二分流管线的钻井液流速，m/s；

d₂——第二分流管线3的管径，m。

2、计算第二节流阀10的压降。

第二节流阀10的压降根据下式计算：

$\frac{P_0}{\mathrm{\γ}}+\frac{{u_0}^2}{2g}=\frac{P_2}{\mathrm{\γ}}+\frac{{u_2}^2}{2g}+({\mathrm{\λ}}_2\frac{l_2}{d_2}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ζ}}_2)\frac{{u_2}^2}{2g}$

式中，P₀——压力计读数，Mpa；

γ——钻井液重度，kg/S²·m²；

u₀——主管1的钻井液流速，m/s；

P₂——第二节流阀10的压降，Mpa；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

λ₂——第二分流管线3的沿程水力摩阻系数；

l₂——分支点到第二分节流阀10的距离，m；

∑ζ₂——分支点与第二节流阀10之间的总局部摩阻系数；

g——重力加速度，m/s²；

u₂——第二分流管线的钻井液流速，m/s

3、计算第二节流阀10所需开度。

第二节流节流阀10所需开度根据以下2式计算：

$P_2=\frac{{{2q}_2}^2\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\πC}}^2{D}^2-4\mathrm{\π}{C}^2{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}$

$x=1-\frac{4{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}{D^2}$

式中：q₂——第二分流管线3的钻井液流量，m³/s；

P₂——第二节流阀10的压降，Mpa；

s——阀芯位移，m；

α——阀芯半锥角，°；

C——由节流口形状、钻井液流态和性质等因素决定的系数；

D——阀座直径，m；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

x——节流阀开度。

4、根据所需井口回压和环空补浆流量，计算第三节流阀11所需开度。

第三节流阀11所需开度根据以下2式计算：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{{2q}^2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\π}{C}^2{D}^2-4\mathrm{\π}{C}^2{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}$

$x^{\′}=1-\frac{4{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}{D^2}$

式中：q——第三分流管线4的钻井液流量即环空补浆流量，由控压钻井设计提供，m³/s；

s——阀芯位移，m；

α——阀芯半锥角，°；

C——由节流口形状、钻井液流态和性质等因素决定的系数；

D——阀座直径，m；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

ΔP——所需井口回压，MPa；

x′——第三节流阀11的开度。

本发明可应用于控压钻井的不同工况，包括：正常钻进工况、接单根工况、起/下钻工况。

1、正常钻进工况

打开第一截止阀6、主节流管汇21，关闭第二截止阀7、第三截止阀8、手动平板阀22，将第一节流阀9的开度调节至最大，由泥浆泵20流出的钻井液由主管1全部流至第一分流管线2，然后次经立管12、钻头、井眼环空、旋转控制装置13、主节流管汇21、质量流量计16到达振动筛17或多相分离器18，然后返回泥浆罐19，此时井口回压由主节流管汇21施加。

2、接单根工况

由正常钻进工况转为接单根工况时，将第二节流阀10、第三节流阀11的开度调节至最大，打开第二截止阀7、第三截止阀8、手动平板阀22，逐渐将第一节流阀9的开度减小至零，使钻井液从第一分流管线2转移至第二分流管线3、第三分流管线4，分流至第二分流管线3的钻井液流至泥浆罐19，分流至第三分流管线4的钻井液，经辅助节流管线25、振动筛17流至泥浆罐19，并经单向阀14、钻井液返出管线15向井眼环空补充钻井液，钻井液通过第三节流阀11时产生压降，施加井口回压。在逐渐将第一节流阀9的开度减小至零的同时，逐渐将第二节流阀10、第三节流阀11调节至所需开度，将井口回压调节至所需大小。第一节流阀9、第二节流阀10、第三节节流阀11开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动。这一过程中第一分流管线2的钻井液流量的逐步降低，立管流量逐步下降，环空摩阻逐步减小，而第三分流管线4和辅助节流管线25的流量逐步增大、第三节流阀11的开度逐步减小，井口回压逐步增大，使井底压力保持恒定。第一节流阀9的开度减小至零后关闭第一截止阀6、主节流管汇21，然后开始接钻具。

接完钻具后，打开第一截止阀6、主节流管汇21，然后逐渐将第一节流阀9的开度增至最大，与此同时逐渐将第二节流阀10、第三节流阀11的开度减小至零，使钻井液逐渐从第二分流管线3、第三分流管线4转移至第一分流管线2。第一节流阀9、第二节流阀10、第三节流阀11开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动。这一过程中第一分流管线2的钻井液流量的逐步增大，立管流量逐步增大，环空摩阻逐步增大，与此同时第三分流管线4和辅助节流管线25的流量逐步减小，井口回压逐步减小，使井底压力保持恒定。第二节流阀10、第三节流阀11的开度减小至零后，关闭第二截止阀7、第三截止阀8、手动平板阀22，重新建立井筒循环，恢复正常钻进。

3、起/下钻工况

由正常钻进工况转为起/下钻工况时，将第二节流阀10、第三节流阀11的开度调节至最大，打开第二截止阀7、第三截止阀8、手动平板阀22，逐渐将第一节流阀9的开度减小至零，使钻井液从第一分流管线2转移至第二分流管线3、第三分流管线4，分流至第二分流管线3的钻井液流至泥浆罐19，分流至第三分流管线4的钻井液，经辅助节流管线25、振动筛17流至泥浆罐19，并经单向阀14、钻井液返出管线15向井眼环空补充钻井液，钻井液通过第三节流阀11时产生压降，施加井口回压。在逐渐将第一节流阀9的开度减小至零的同时，逐渐将第二节流阀10、第三节流阀11调节至所需开度，将井口回压调节至所需大小。节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动。这一过程中第一分流管线2的钻井液流量的逐步降低，立管流量逐步下降，环空摩阻逐步减小，而第三分流管线4和辅助节流管线25的流量逐步增大、第三节流阀11的开度逐步减小，井口回压逐步增大，使井底压力保持恒定。第一节流阀9的开度减小至零后关闭第一截止阀6、主节流管汇21，然后开始起钻。

完成起钻操作后开始下钻，下钻至预定深度后，打开第一截止阀6、主节流管汇21，然后逐渐将第一节流阀9的开度增至最大，与此同时逐渐将第二节流阀10、第三节流阀11的开度减小至零，使钻井液逐渐从第二分流管线3、第三分流管线4转移至第一分流管线2。节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动。这一过程中第一分流管线2的钻井液流量的逐步增大，立管流量逐步增大，环空摩阻逐步增大，与此同时第三分流管线4和辅助节流管线25的流量逐步减小，井口回压逐步减小，使井底压力保持恒定。第二节流阀10、第三节流阀11的开度减小至零后，关闭第二截止阀7、第三截止阀8、手动平板阀22，重新建立井筒循环，恢复正常钻进。

Claims (10)

1.一种双节流控制泥浆泵分流管汇，包括主管、管汇四通、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线；其特征在于：管汇四通分别连接主管、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线；主管上安装有压力计；第一分流管线上安装有第一截止阀和第一节流阀，第二分流管线上安装有第二截止阀和第二节流阀，第三分流管线上安装有第三截止阀。

2.根据权利要求1所述的双节流控制泥浆泵分流管汇，其特征在于：第一截止阀位于第一节流阀和管汇四通之间；第二截止阀位于第二节流阀和管汇四通之间。

3.一种利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统，包括主管、管汇四通、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线、主节流管汇、辅助节流管汇、振动筛、多相分离器、泥浆罐、泥浆泵；其特征在于：辅助节流管汇包括辅助节流管线、手动平板阀、第三节流阀；管汇四通分别连接主管、第一分流管线、第二分流管线和第三分流管线；主管上安装有压力计；第一分流管线上安装有第一截止阀和第一节流阀，第二分流管线上安装有第二截止阀和第二节流阀，第三分流管线上安装有第三截止阀；主管的一端与管汇四通相连、另一端与泥浆泵的排液端相连，泥浆泵的进液端通过泥浆泵进液管线与泥浆罐相连；管汇四通通过第一分流管线与立管相连；管汇四通通过第二分流管线与泥浆罐相连；三通分别连接第三分流管线、辅助节流管线和第一管线，三通通过第三分流管线与管汇四通相连，第一管线上安装有单向阀，单向阀的入口靠近三通，辅助节流管线上安装有第三节流阀和手动平板阀，旋转控制装置通过钻井液返出管线与主节流管汇相连，主节流管汇通过第二管线与质量流量计相连，质量流量计通过第六管线与振动筛相连，振动筛通过筛后排液管线与泥浆罐相连；第六管线上靠近振动筛端设有气控平板阀；第一管线的末端与钻井液返出管线相连，辅助节流管线的末端与第二管线相连；多相分离器通过第三管线与第六管线相连，多相分离器通过多相分离器排液管线与泥浆罐相连。

4.根据权利要求3所述的利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统，其特征在于：第一截止阀位于第一节流阀和管汇四通之间；第二截止阀位于第二节流阀和管汇四通之间。

5.根据权利要求3-4所述的利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统，其特征在于：第三节流阀位于三通与手动平板阀之间。

6.根据权利要求3-5所述的利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统，其特征在于：还包括钻机节流管汇，钻井四通通过第四管线与钻机节流管汇相连，钻机节流管汇通过第五管线与多相分离器相连。

7.一种利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统施加井口回压的方法，应用于正常钻进工况、接单根工况、起/下钻工况，其特征在于：

(1)、正常钻进工况

打开第一截止阀、主节流管汇，关闭第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，将第一节流阀的开度调节至最大，由泥浆泵流出的钻井液由主管全部流至第一分流管线；

(2)、接单根工况

由正常钻进工况转为接单根工况时，将第二节流阀、第三节流阀的开度调节至最大，打开第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，逐渐将第一节流阀的开度减小至零，在逐渐将第一节流阀的开度减小至零的同时，逐渐将第二节流阀、第三节流阀调节至所需开度，将井口回压调节至所需大小；第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动；第一节流阀的开度减小至零后关闭第一截止阀、主节流管汇，然后开始接钻具；

接完钻具后，打开第一截止阀、主节流管汇，然后逐渐将第一节流阀的开度增至最大，与此同时逐渐将第二节流阀、第三节流阀的开度减小至零，第二节流阀、第三节流阀的开度减小至零后，关闭第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，重新建立井筒循环，恢复正常钻进；

(3)、起/下钻工况

由正常钻进工况转为起/下钻工况时，将第二节流阀、第三节流阀的开度调节至最大，打开第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，逐渐将第一节流阀的开度减小至零，在逐渐将第一节流阀的开度减小至零的同时，逐渐将第二节流阀、第三节流阀调节至所需开度，将井口回压调节至所需大小；第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动；第一节流阀的开度减小至零后关闭第一截止阀、主节流管汇，然后开始起钻。

完成起钻操作后开始下钻，下钻至预定深度后，打开第一截止阀、主节流管汇，然后逐渐将第一节流阀的开度增至最大，与此同时逐渐将第二节流阀、第三节流阀的开度减小至零，第二节流阀、第三节流阀的开度减小至零后，关闭第二截止阀、第三截止阀、手动平板阀，重新建立井筒循环，恢复正常钻进。

8.根据权利要求7所述的利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统施加井口回压的方法，其特征在于：确定第二节流阀、第三节流阀开度的方法包括如下步骤：

(1)、根据泥浆泵流量和环空补浆流量，计算第二分流管线的钻井液流量和流速

第二分流管线的钻井液流量为：q₂＝Q-q

钻井液流速为： $u_2=\frac{q_2}{{{\mathrm{\πd}}_2}^2/4}$

式中：q₂——第二分流管线的钻井液流量，m³/s；

q——第三分流管线的钻井液流量即环空补浆流量，由控压钻井

设计提供，m³/s；

Q——泥浆泵排量，m³/s；

u₂——第二分流管线的钻井液流速，m/s；

d2——第二分流管线的管径，m

(2)、计算第二节流阀的压降

第二节流阀的压降根据下式计算：

$\frac{P_0}{\mathrm{\γ}}+\frac{{u_0}^2}{2g}=\frac{P_2}{\mathrm{\γ}}+\frac{{u_2}^2}{2g}+({\mathrm{\λ}}_2\frac{l_2}{d_2}+\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ζ}}_2)\frac{{u_2}^2}{2g}$

式中，P₀——压力计读数，Mpa；

γ——钻井液重度，kg/S²·m²；

u₀——主管的钻井液流速，m/s；

P₂——第二节流阀的压降，Mpa；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

λ₂——第二分流管线的沿程水力摩阻系数；

l₂——分支点到第二分节流阀的距离，m；

∑ζ₂——分支点与第二节流阀之间的总局部摩阻系数；

g——重力加速度，m/s²；

u₂——第二分流管线的钻井液流速，m/s

(3)、计算第二节流阀10所需开度

第二节流节流阀所需开度根据以下2式计算：

$P_2=\frac{{{2q}_2}^2\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\πC}}^2{D}^2-4\mathrm{\π}{C}^2{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}$

$x=1-\frac{4{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}{D^2}$

式中：q₂——第二分流管线的钻井液流量，m³/s；

P₂——第二节流阀的压降，Mpa；

s——阀芯位移，m；

α——阀芯半锥角，°；

C——由节流口形状、钻井液流态和性质等因素决定的系数；

D——阀座直径，m；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

x——节流阀开度

(4)、根据所需井口回压和环空补浆流量，计算第三节流阀所需开度

第三节流阀所需开度根据以下2式计算：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{{2q}^2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\π}{C}^2{D}^2-4\mathrm{\π}{C}^2{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}$

$x^{\′}=1-\frac{4{(s\·\tan \mathrm{\α})}^2}{D^2}$

式中：q——第三分流管线的钻井液流量即环空补浆流量，由控压钻井设计提供，m³/s；

s——阀芯位移，m；

α——阀芯半锥角，°；

C——由节流口形状、钻井液流态和性质等因素决定的系数；

D——阀座直径，m；

ρ——钻井液密度，kg/m³；

ΔP——所需井口回压，MPa；

x′——第三节流阀的开度。

9.根据权利要求7-8所述的利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统施加井口回压的方法，其特征在于：接单根工况中，第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动。

10.根据权利要求7-9所述的利用双节流控制泥浆泵分流管汇施加井口回压的控压钻井系统施加井口回压的方法，其特征在于：起/下钻过程中，第一节流阀、第二节流阀、第三节流阀开度的调节过程应逐步完成，以减小井底压力的波动。

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