CN102933791B - 用于保持钻井压力的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于保持钻井压力的方法包括：降低与钻井中的钻杆流体连接的钻液泵的流量。使出自钻井的流能够进入与钻井用竖管相关联的第一辅助管线。关闭围绕钻杆的密封件。以选择为保持钻井中的特定压力的速率使流体沿第二辅助管线向下泵送。停止钻液流经所述钻杆。

Description

用于保持钻井压力的方法

技术领域

本发明总体涉及通过地面下岩石地层钻进钻井的领域。更具体地，本发明涉及用于在多种长度的钻杆组装或拆卸的过程中控制钻井压力的方法。

背景技术

通过地面下岩石地层钻进钻井包括：使布置在布置于钻井中的钻杆末端的钻头旋转。各种装置用于在通过管泵送钻液的同时使管和/或钻头旋转。钻液具有多种功能，即，使钻头冷却并润滑，将钻屑清出钻井，并且通过液压以保持钻井机械稳定性并且抑制各种可渗透地面下地层中处于压力下的流体进入钻井。

本领域公知的是，使用具有比施加充分液压的钻液比重低的比重的钻液来保持这些地层中的流体。在授予vanRiet且与本发明为共同拥有人的美国专利6,904,981中描述了一种这样的技术。通常，在’981专利中描述的系统使用旋转分流器或旋转控制头来关闭钻柱和钻井壁之间的环形空间。自动地控制出自钻井的流以使钻井底部的流体压力保持为选定量。

钻杆是由以螺纹方式首尾耦合的多个单独的管段(“接头”)组装而成的。为了加长钻井，需要一次又一次地向钻杆增加接头。为了从钻井中移除钻杆，例如更换钻头，需要以螺纹方式将钻杆的分部(“支架”)与钻杆的剩余在钻井中的部分分离。例如，当使用vanRiet的’981专利中所述的系统时，期望在钻杆中包含单向(“止回”)阀，以使得当钻杆的上部打开即与方钻杆或顶部驱动器分离时，防止钻液沿钻柱向上回流。利用反压泵或者通过将来自钻井单元流体泵的流中的一些分流到环形空间中来保持环形压力。

授予vonEberstein,Jr等人的美国专利6,823,950描述了一种用于海底钻井系统的在连接期间保持钻井压力的技术，其中井口位于海底，并且竖管将钻井与水面上的钻井单元流体连接。’950专利中所公开的方法要求用较高密度的流体来填充与竖管系统相关联的辅助流体管线和/或将压力施加到这种管线以保持钻井中的选定流体压力。

使用’950专利中所描述的方法的一个特别的缺陷是，在连接期间从钻进切换到保持钻井压力要求钻井单元的操作员在从使用钻井单元泵进行钻进转变到实现连接所需的条件的过程中作业高度小心。因为较高密度的流体被导入辅助管线中，可能存在例如u管道的风险。这会造成在钻井中的某点处超过地层破裂压力的危险。

所需要的是一种在从钻进转变到实现连接的期间以及不要求在辅助管线中使用较高密度流体的连接期间保持钻井压力的技术。

发明内容

用于保持钻井压力的方法包括：降低与钻井中的钻杆流体连接的钻液泵的流量。使出自钻井的流能够进入与钻井用竖管相关联的第一辅助管线中。关闭围绕钻杆的密封件。以选择为保持钻井中的特定压力的速率将流体沿第二辅助管线向下泵送。停止钻液流经钻杆。

本发明的其它方案以及优势将从下面的详述以及所附的权利要求中变得明显。

附图说明

图1示意性地示出了根据本发明的具有动态环形压力控制系统和流体循环系统的浮式钻井平台。

图2示出了在相对于钻井深度和钻液的实际密度循环的同时井底部的等效钻液密度的曲线图。

图3是示出在以选定流量通过钻杆钻进和循环时保持井中的等效流体密度所需的流经阻流管线和压井管线的量的表。

图4是示出在管连接期间的压力变化的曲线图。

图5是根据本发明的开始连接工序的流程图。

图6是根据本发明的开始钻进的流程图。

图7是示例性的“起下钻”工序。

图8示出了为了使用本发明的方法而对DAPC系统进行的示例性改进。

具体实施方式

图1示出了可与根据本发明的方法一起使用的浮式钻井平台10的实施例。浮式钻井平台1通常包括海底竖管12，海底竖管12从浮式钻井平台10延伸到布置在水底(泥线)的井口14。井口14包括关闭钻井的各种装置(未单独显示)。这种井口装置可以包括密封钻杆(布置在海底竖管12内)的管子闸板，以及当钻杆从井中移除时用于关闭钻井的环形密封件和全封闭防喷器闸板。在本实施例中，套管28用水泥固定到钻井25中的适当位置处到达水底以下的选定深度并且在其上端处与井口14耦合。

为了图示清晰起见，从图1中省去了用于钻探钻井25的设备(例如，钻杆、钻头等)。图1中所示的是动态环形压力控制(“DAPC”)系统及其部件，例如授予vanRiet且与本发明为共同所有人的美国专利6,904,981中所描述的系统。DAPC系统可以但不一定包括位于钻液回流管线中的可控节流口或阻流器22、反压泵20和DAPC控制器21。在设有或不设有DAPC系统的情况下，均可使用本发明。钻井平台10上的单独的泵24或钻井单元的钻液泵(未示出)可用于以选定速率将流体流提供到钻杆中以及因此提供到钻井25中。压力传感器26可紧邻井口14定位并且用于指示钻井25中的压力。在将管段与钻杆(未示出)组装或拆卸的过程中，可以沿着与竖管和井口系统相关联的一个或多个辅助管线16(例如，阻流管线、压井管线、升压管线)将流体向下泵送。流体可沿一个或多个辅助管线18向上回流至水面。下面将参照图5、图6和图7进一步解释该工序。

图2示出了对于构造静态流体密度等效计算各个钻井深度处的流体密度的曲线图，由曲线44至曲线60表示。密度由“泥浆重量”来表示，本领域公知的是泥浆重量通常以每加仑体积的钻液的重量的磅数来表示。从图2的曲线44至曲线60可以观察到，对于流入钻井中的流体的任意特定流量，等效计算浓度相对于深度增加(“ECD”)。当流入钻井的流体流停止时，诸如进行连接(即，向钻柱增加或移除分段)，流体密度将降至其静态值。钻井内任意深度处的流体压力的限值由曲线40和曲线42指示，曲线40和42分别表示以泥浆重量等效(梯度)项表示的地层破裂压力以及为了与曲线44至曲线60中所示的钻液压力相一致也是由泥浆重量等效项表示的所钻进的地层中的流体压力(地层孔隙压力)。

利用图1中示意性示出的系统并且参照图3的表，可以观察到，通过辅助管线(例如，图1的16和18)需要何种流量的流体流来提供以选定钻液流量循环通过钻杆的钻液的等效井底压力(“BHP”)。

图4以图形示出了相对于钻井深度的流体压力(以压力单位表示)。曲线74示出了当未发生循环时相对于深度的流体压力。曲线70表示相对于深度的地层流体(孔隙)压力，并且曲线72表示相对于深度的地层破裂压力。从图3中可以观察到，钻液具有位于地层流体压力梯度以下的静态梯度。因此，使用具有图3所示的静态梯度的钻液将需要在为了防止流体从地层流入钻井中而中断钻井操作时向钻井增加流体压力。曲线68示出了在钻井的同时相对于深度的钻井流体压力，其中钻井平台(或者其它)泵以每分钟350加仑的速率运转。曲线62示出了当以每分钟150加仑将流体泵送到竖管(图1中的12)的底部时相对于深度的流体压力。曲线64和66分别示出了以每分钟50加仑以及每分钟150加仑的速率使用图1所示的系统泵送流体的同时相对于深度的流体压力。

图5示出了根据本发明的开始循环工序的流程图。首先，降低钻机泵速率，如80所示。可以断开压井管线(例如，图1中的16)以进行压力监控。如果海水用于确保连续流体，泵(图1中的24)可以较低速率运转以使流体沿压井管线(图1中的16)向下移动。然后，例如，可以通过操作紧邻防喷器的阀(图1中为16A)来断开阻流管线(图1中的18)，如图所示为86。当泵(图1中的24)运转时，可能需要不同密度的流体来抵消阻流管线摩擦。优选的是，为了减少循环系统中的摩擦损耗，如果所使用的竖管系统使得这点可实现，则使用多个竖管辅助管线以使流体回流到平台。接下来，在88处，海底防喷器(图1中的14)关闭以使通过辅助管线中的至少一个例如阻流管线(图1中的18)的回流分流。该关闭可以包括关闭防喷器上的环形密封件(未单独示出)和/或管子闸板(未单独示出)。可通过例如操作紧邻防喷器的阀(图1中的18A)将阻流管线与钻井液压连接。在90处，钻井平台的主钻泵停止以停止通过钻柱泵送流体。然后，通过以选定流量沿压井管线(图1中的16)向下泵送流体来保持钻井(图1中的25)中的控制点压力。

在此期间，钻杆的上端可与钻井单元的主泵分离，可进行连接或断开连接(即，可向钻柱增加钻柱段或者从钻柱移除钻柱段)。在钻井中保持在此期间的流体压力以使ECD保持在地层孔隙压力以上，从而减小地层流体进入钻井中的可能性。

图6示出了在参照图5说明的保持压力之后用于恢复钻进的实施例工序的流程图。在92处，利用参照图5说明的泵送技术来保持控制点压力。在94处，钻井单元的主流体泵可重新启动以通过钻杆来恢复钻进流。在96处，通过控制进入钻柱以及进入压井管线(图1中的16)的流体流量，在套管靴(图1中的28的顶部)或者钻井(图1中的25)的跟部保持动态钻井流体压力。然后，可以打开防喷器，在98处，将来自阻流管线(图1中的18)和钻杆的回流液体流分流回到竖管(图1中的12)中。在100处，例如通过关闭阀(图1中的18A)，将阻流管线与钻井液压隔离。而且在100处，如果泵正在使用中，则可以停止泵(图1中的24)，或者，如果泵正用于使流体移动而通过压井管线(图1中的16)，则泵停止来自钻机泵的流。然后，在102处，例如通过操作阀(图1中的16A)，将压井管线(图1中的16)与钻井隔离。最后，在104处，如果在连接工序期间使用不同密度的流体，则阻流管线和压井管线可与钻井泥浆平齐。

图7说明了可用于包括钻杆的轴向运动的一些操作(例如，“起下钻”)的工序。在106处，“短”起下钻将需要泵送，同时使钻杆移入移出钻井中，从而如果防喷器打开则将压力保持在地层孔隙压力以上。在108处，“拆卸”防喷器中的环形密封元件是一种可能的选择。如果使用环形密封件，则不建议使钻柱旋转。在110处，当防喷器包括多个管子闸板时，从防喷器的一个管子闸板托脱跳到另一管子闸板是另一可能的选择。如果使用多个管子闸板，则不建议使钻柱旋转。在112处，可利用参照图5说明的工序来执行完全脱离钻井或者完全进入钻井。

另外且参照图8，可以在114处推断液柱的表面压力和高度，以便在BOP处的压力传感器不可用时获得防喷器(“BOP”)以下的压力。在116处，可基于管子闸板位置来执行泵(图1中的24)启动/停止序列。在118处，当管子闸板关闭时，可以停止泵。在120处，当管子闸板打开时，可以启动泵。

根据本发明的方法提供了在实现管连接的同时保持钻井中的选定压力的技术。

尽管已经参照有限数量的实施方案描述了本发明，受益于本公开的本领域技术人员将理解到，可以构思出不偏离如本文公开的本发明范围的其它实施方案。因此，本发明的范围应当仅由随附的权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种用于保持钻井压力的方法，包括：

降低与所述钻井中的钻杆流体连接的钻液泵的流量，同时保持向钻杆的流体流动；

使出自钻井的流能够进入与钻井用竖管相关联的第一辅助管线；

围绕所述钻杆关闭密封件；

以选择为保持所述钻井中的特定压力的速率将流体沿第二辅助管线向下泵送；以及

停止钻液流经所述钻杆。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：将所述钻液泵与所述钻杆分离，以及将管段与所述钻杆连接和分离中的至少一项。

3.如权利要求2所述的方法，进一步包括：

保持所述特定压力；

将所述钻液泵重新连接至所述钻杆的上端；

使钻液重新开始流经所述钻杆；

打开所述密封件；

将所述第二辅助管线与用于将流体沿所述第二辅助管线向下泵送的泵隔离并且将所述第一辅助管线与所述钻井隔离。

4.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

保持所述特定压力；

使钻液重新开始流经所述钻杆；

打开所述密封件；

将所述第二辅助管线与用于将流体沿所述第二辅助管线向下泵送的泵隔离并且将所述第一辅助管线与所述钻井隔离。