CN103180541A - 控制压力钻井设备 - Google Patents

Abstract

一种钻井系统，其包括延伸到钻孔(10)中的钻柱(12)；和井封闭系统，该井封闭系统将流体容纳在钻孔中的围绕钻柱的环形空间(16)中，所述井封闭系统具有侧口，由此允许流体受控地流出钻孔中的围绕钻柱的环形空间，该侧口被连接到从该侧口延伸到流体存储池(34)的流体回路管线(28)，在流体回流管线上设置有阀(30a)和流量计(32)，该阀能操作以将沿着流体回流管线的流体流限于可变程度，该流量计能操作以测量流体沿着流体回流管线的流量，该流量计位于阀和侧口之间，在流量计和侧口之间设置有过滤器(40)，该过滤器包括多个孔，这些孔的横截面面积小于流量计中最小流体流动管线的横截面面积。

Description

控制压力钻井设备

发明描述

本发明涉及用于利用被称为控制压力钻井的技术来钻探地下钻孔的设备，所述地下钻孔具体但不排他地为油井、气井或者地热井。

通常利用被称为钻柱的在最下端具有钻头的钢管来进行钻孔或钻井。可以利用地上钻井马达使整个钻柱旋转，或者可以利用安装在钻柱中钻头正上方的流体动力马达与钻柱无关地使钻头旋转。当进行钻孔时，泥浆流用来将由钻孔过程产生的岩屑携带到钻孔外。泥浆通过入口管线被沿钻柱向下泵送以穿过钻头，并且泥浆经由钻柱的外径和钻孔之间的环形空间(通常称为环空)返回到地面。泥浆是一个非常宽泛的钻探术语，并且在本文中它被用来描述在钻孔期间所用的任何流体或流体混合物，并且涵盖从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、具有空气或氮气的泡沫流体、充气流体或氮化流体到具有固体颗粒的油或水的很重的混合物的宽泛范围。需要相当大的压力以沿着该流径驱动泥浆，并且为了实现该泥浆驱动，通常利用一个或更多个容积泵将泥浆泵入钻柱中，所述一个或更多个容积泵经由管和歧管(被称为立管管汇)连接至钻柱。

供这样的钻孔通常钻进的地质层组常常包括加压流体(油、气和/或水)的存储池，以及泥流，其除了冲出岩屑和冷却钻头外，对钻孔加压，因此基本上防止了非可控流体流从地层流入钻孔中。地层流体流入钻孔中被称为井涌，并且，如果不控制，可以导致井喷。虽然需要对井眼加压以避免井涌或井喷，但是如果钻孔中的流体压力太高，那么流体压力可导致地层断裂和/或泥浆可穿透并流失到地层。因此，虽然由钻孔中泥浆的重量提供的压力，以及通过将泥浆泵入钻孔所形成的动压可以足够容纳地层中流体，但是对于很多地层来说需要对流体压力的更大且更快的控制，并且适于钻进这样的地层中的一个钻井方法为控制压力钻井(MPD)。

控制压力钻井(MPD)包括通过对从钻孔的环空退出的泥浆施加背压而控制井底压力。图1中示意性地示出了传统现有技术控制压力钻井系统的大部分相关元件。这个图示出了延伸到包含了流体(诸如油、气或水)的存储池的地质层组11’中的钻孔10’。钻柱12’向下延伸到钻孔10’中。在钻柱12’的最下端处具有井底钻具组合(BHA)14’，其包括钻头、泥浆马达、各种传感器、以及用于将读数从传感器传送到地面监视和控制设备的电信设备。钻柱12’的最上端延伸到钻机(为清楚起见未示出)。

钻孔10’由井口18’、和封闭装置20’(诸如旋转防喷器(BOP)或旋转控制装置(RCD)来覆盖。钻柱12’延伸穿过井口18和封闭装置20’，封闭装置20’具有包围钻柱12’外部的密封件，以提供围绕钻柱12’的大体上的不透流体密封，同时使得钻柱绕着其纵轴旋转，并且往复进出钻孔10’。井口18’和封闭装置20’一起隔离环空16’中的流体。

在该示例中，钻柱12’从封闭装置20’延伸到驱动设备22’(诸如顶驱)，钻柱12’的最上端连接到立管管汇24’的出口，该管汇具有由入口管线连接到泥浆泵26’的入口。井口18’包括侧口18a’，该侧口连接到环空回流管线28’，并且其为来自环空16’的流体提供出口。环空回流管线28’经由可调节流器或阀30’以及位于该节流器或阀30’下游的科里奥利流量计32’延伸到泥浆存储池34’。过滤器和/或振动器(未示出)通常被提供来移除颗粒物质(诸如在返回泥浆存储池34’之前来自泥浆的钻屑。

钻井期间，顶驱22’使钻柱12’绕其纵轴旋转，从而使得钻头切入地层中，并且泵26’被操作为将泥浆从存储池34’泵送到立管管汇24’，并泵入钻柱12’，在钻柱中BHA14’进入到环空16’中。泥浆和钻屑沿环空16’向上流到井口18’，并且流入到环空回流管线28’，且可调节流器或阀32’被操作以限制该流体沿着环空回流管线28’的流动，并且，因此，施加被施加到环空16’的背压。该背压增大，直到井眼10’的底部的流体压力(井底压力)被认为足以承载地层11’中的地层流体，同时最小化使地层断裂或者使得泥浆穿透地层的危险。流体流出环空16’的流量使用流量计32’监控，并且将其与进入钻柱12’的流体的流量相比，并且这个数据可以用来检测井涌或至地层的泥浆损失。

在US6575244和US7044237中公开了这样的系统。

控制压力钻井系统也是已知的并且例如在US7185719、US7395878，US2007/0151762、WO2007/081711和WO2008/051978中被公开，在控制压力钻井系统中，提供泵以通过将泥浆经由环空回流管线泵送回到环空16中而帮助所需井底压力的发展。

根据本发明的第一方面，我们提供了一种钻井系统，该钻井系统包括延伸到钻孔中的钻柱；和井封闭系统，该井封闭系统将流体容纳在所述钻孔中的围绕所述钻柱的环形空间中，所述井封闭系统具有侧口，由此允许流体受控地流出所述钻孔中的围绕所述钻柱的所述环形空间，所述侧口被连接到从该侧口延伸到流体存储池的流体回流管线，在所述流体回流管线中设置有阀和流量计，所述阀能操作以将沿着所述流体回流管线的流体流限于可变程度，所述流量计能操作以测量流体沿着所述流体回流管线的流量，所述流量计位于所述阀和所述侧口之间，其中在所述流量计和所述侧口之间设置有过滤器，所述过滤器包括多个孔，这些孔的横截面面积小于所述流量计中最小流体流动管线横截面面积。

优选地，所述流量计为科里奥利流量计。

所述流量计可定位于从所述流体回流管线分支的支管中，所述支管在所述流体回流管线的第一部分和所述流体回流管线的第二部分之间延伸，所述第一部分定位于所述侧口和所述第二部分之间。这种情况下，优选地所述过滤器定位于或者邻近于所述支管和所述流体回流管线的所述第一部分之间的接点。所述过滤器可具有位于所述支管和所述流体回流管线的所述第一部分之间所述接点处的一个或多个边缘，以及延伸到所述支管中的中央部分。

优选地，主动声纳流量计被提供来测量沿着所述流体回流管线流动的流体流量。这种情况下，所述主动声纳流量计优选地定位于所述侧口和所述科里奥利流量计之间。所述主动声纳流量计可以是夹装式流量计(clamp-on meter)。

有利地，入口管线从泵延伸到所述钻柱中，并且第二主动声纳流量计被提供以测量沿着所述入口管线流动的流体流量。这种情况下，所述第二主动声纳流量计优选为夹装式流量计。

根据本发明的第二方面，我们提供了一种钻井系统，该钻井系统包括延伸到钻孔内的钻柱；和井封闭系统，该井封闭系统将流体容纳在所述钻孔中的围绕所述钻柱的环形空间中，所述井封闭系统具有侧口，由此允许流体受控地流出所述钻孔中的围绕所述钻柱的所述环形空间，所述侧口被连接到从该侧口延伸到流体存储池的流体回流管线，在所述流体回流管线中设置有阀，该阀包括阀构件，该阀构件能旋转以将沿着所述流体回流管线的流体流限于可变程度。

优选地，所述阀包括阀体，该阀体具有通道，该通道具有从阀入口延伸到阀出口的纵轴，所述通道形成了所述流体回流管线的一部分，并且其中所述阀构件为安装在所述阀体的所述通道中的大致球状的球。在这种情况下，所述阀构件优选地包括中心通道，该中心通道延伸穿过所述球并具有纵轴，所述阀构件能在关闭位置和打开位置之间旋转，在所述关闭位置中所述中心通道的所述纵轴与所述阀体中的所述通道的所述纵轴成约90°延伸，并且在所述打开位置中所述中心通道的所述纵轴大致平行于所述阀体中的所述通道的所述纵轴。所述中心通道的垂直于其纵轴的横截面可从短侧向高侧成锥形，所述中心通道的高度从所述短侧向所述高侧大致线性地增加。

所述球可设置在所述阀体中，从而当所述球从所述关闭位置旋转到所述打开位置时，所述中心通道的所述短侧首先通向所述阀体中的所述通道。所述中心通道的垂直于其纵轴的所述横截面能具有扇形形状。

所述阀可以设置有致动器输出杆，该致动器输出杆绕其纵轴的旋转使得所述阀构件在所述打开位置和所述关闭位置之间旋转。在这种情况下，所述致动器输出杆优选地具有带多个径向齿的小齿轮部，并且所述阀设置有至少一个致动器活塞，所述致动器活塞具有带齿杆，该带齿杆与所述致动器输出杆的所述小齿轮部啮合，从而所述活塞的平移运动引起所述致动器输出杆和所述阀构件的旋转。所述阀可以设置有四个致动器活塞，每个致动器活塞均具有带齿杆，该带齿杆与所述致动器输出杆的所述小齿轮部啮合。

所述活塞或每个活塞可安装在致动器壳体中并且与该致动器壳体接合，从而所述致动器壳体和所述活塞围出控制室，所述致动器壳体设置有导管，由此流体流入到所述控制室中。

根据本发明的第三方面，我们提供了一种阀，该阀包括阀构件和具有通道的阀体，所述通道具有从阀入口延伸到阀出口的纵轴，其中所述阀构件为安装在所述阀体的所述通道中的大致球状的球，并且包括中心通道，该中心通道延伸穿过所述球并且具有纵轴，所述阀构件能在关闭位置和打开位置之间旋转，在所述关闭位置中，所述中心通道的所述纵轴与所述阀体中的所述通道的所述纵轴成约90°延伸，在所述打开位置在，所述中心通道的所述纵轴大致平行于所述阀体中的所述通道的所述纵轴，其中所述中心通道的垂直于其纵轴的横截面从短侧向高侧成锥形，所述中心通道的高度从所述短侧向所述高侧大致线性地增加。

根据本发明的第四方面，我们提供了一种钻井系统，该钻井系统包括延伸到钻孔中的钻柱；和井封闭系统，该井封闭系统将流体容纳在所述钻孔中的围绕所述钻柱的环形空间中，所述井封闭系统具有侧口，由此允许流体受控地流出所述钻孔中的围绕所述钻柱的所述环形空间，所述侧口被连接到从该侧口延伸到流体存储池的流体回流管线，所述钻井系统还包括阀，该阀具有连接到所述流体回流管线的入口，被连接到用于从液体中分离出所夹带的气体的气体分离设备的第一出口，被连接到用于从液体中分离出固体颗粒的固体分离设备的第二出口，其中所述阀能操作以选择性地允许流体从所述入口流向所述第一出口或所述第二出口，同时决不禁止流体从所述入口流向两个所述出口。

优选地，所述气体分离器具有连接到所述固体分离器的入口的用于液体的出口。

优选地，所述固体分离器具有连接到所述存储池的用于液体的出口。

有利地，所述固体分离器包括至少一个振动器。

现将参考附图仅通过示例来描述本发明的实施方式，附图中：

图1示出了现有技术控制压力钻井系统的示意图，

图2示出了根据本发明的钻井系统的示意图，以及

图3示出了图2中所示的钻井系统的背压控制设备的详细的示意图，

图4示出了图3中所示的背压控制设备的部分A的横截面的详细的视图，

图5示出了图3中所示的背压控制设备的背压控制阀的横截面的视图，

图6示出了图5中所示的背压控制阀沿着线X的剖面的平面图，

图7a和图7b示出了图5中所示的背压控制阀沿线Y的剖面，其中图7a示出了处于全开位置的阀，图7b示出了处于部分打开位置的阀。

现在参看图2，这示出了用于钻探地下钻孔的岸基系统的示意图。然而，应该理解的是，本发明可以相对于海上钻井系统相同地被使用。该图示出了钻孔10，该钻孔延伸到地质层组11中，该地质层组包括流体(诸如油、气或水)的存储池。钻柱12向下延伸进入到钻孔10中。钻柱12的最下端处具有井底钻具组合(BHA)14，该井底钻具组合包括钻头、泥浆泵、各种传感器以及用于从传感器向地面监视和控制设备传输读数的电信设备。钻柱12的最上端延伸到钻机(为清楚起见未示出)。

孔眼10由井口18和封闭装置20(诸如旋转防喷器(BOP)或者旋转控制装置(RCD)覆盖。钻柱12延伸穿过井口18和封闭装置20，该封闭装置20具有围绕钻柱12外部封闭的密封件，以提供围绕钻柱12的大致不透流体密封，同时允许钻柱绕其纵轴旋转，并进一步向下移动进出钻孔10。井口18和封闭装置20一起将液体容纳在环空16中。

在这个示例中，钻柱12从封闭装置20延伸到驱动设备22(诸如顶驱)，并且钻柱12的最上端连接到立管管汇24的出口，该管汇具有由入口管线连接到泥浆泵26的入口。流量计46(在本发明的该实施方式中为夹装式主动声纳流量计)安装在泥浆泵26和立管管汇24之间的入口管线上，且它提供了指示泥浆流入钻柱12的流量的输出信号。

在标准的控制压力钻井系统中，流入钻柱12的流体流量通过计数泵26的冲程数，并且使该冲程数乘以每冲程移位的流体量来测量，其中例如使用活塞冲程计数器晶须(whiskers)、活塞冲程计数器近程式传感器或者泵驱动轴每分钟转数传感器来计数泵的冲程数。这些方法都是机械的，并且记录泵的机械活动，而不是直接测量流体流量。因而，所有方法都是可变可靠性和精确性的并且倾于失败。相反，主动声呐流量计为流入钻柱12的流体流量提供了直接、精确且可靠的测量。

除了主动声纳流量计46之外，有利地设置了如上所述用于测量注入流体流量的标准机械设备，并且因此在开始钻井之前可以使用该标准机械设备来校准主动声纳流量计46。

井口18包括侧口18a，该侧口与环空回流管线28连接，并且该侧口提供用于来自环空16的流体的出口。该环空回流管线28经由在图3中更为详细地示出的新颖的背压系统36延伸到泥浆存储池34。流体流提供在泵26和存储池34之间，从而泵26可以被操作为从存储池34抽出泥浆，并且经由立管管汇24将泥浆泵送到钻柱12中。

现在参看图3，背压系统36构造如下。环空回流管线28经由主动声纳流量计38延伸到可调节流器或阀30a(在下文中称为背压控制阀30a)，主动声纳流量计38位于背压控制阀30a上游。主动声纳流量计38为非侵入夹装式流量计，其对流体沿着环空回流管线28的流动不具有任何影响，并因此对环空回流管线28中的流体压力不具任何影响，且不会增加环空回流管线28被岩屑堵塞或阻塞的可能性。

另一第一流体流管线28a(在下文称为科里奥利流量计管线)从主动声纳流量计38和节流器30a之间的环空回流管线28经由上游过滤器40延伸到科里奥利型流量计。过滤器40包括网筛或穿孔金属板，该网筛或穿孔金属板定位于科里奥利流量计管线28a和环空回流管线28之间的接点处，如图4所示。过滤器40稍呈圆顶状，并设置为使得过滤器40的中央部分延伸到科里奥利流量计管线28a中。这在图4中示出，尽管应该理解的是，该图不按比例绘制，并且过滤器40的拱起度为清楚起见被放大。

科里奥利流量计常常用在钻井系统中，因而这些流量计的结构和操作对于本领域技术人员来说都是公知的。然而，简而言之，科里奥利流量计包括两条管，流入流量计的流体在两条管之间分流，从而在离开流量计之前一半的流体沿着每一条管流动。提供了激励线圈，该激励线圈构造成使得电流穿过该线圈导致这些管以它们的固有频率振动，每条管均沿与另一条管相反的方向振动。被称为传感器的磁体和线圈组件安装在每条管上。当每条管振动时，每个线圈移动穿过由另一条管上的磁体所形成的磁场，并且这感应每个线圈中的正弦电压。当没有流体流过流量计时，每个线圈中所感应的电压是同相的。当存在流体流动时，科里奥利力被引发，从而使得这些管沿彼此相反的方向扭转，并且这使得线圈中的电压有相位差量δt，该相位差量与穿过管的质量流量成比例。这个量δt可以被确定并且用于提供这样的输出信号，该输出信号对于穿过流量计的质量流量给出了高度精确的(达到总流量的约0.1％)值。

来自所有的流量计32、38、46的输出信号使用标准电信装置被传输到中央钻井控制单元(未示出)，该中央钻井控制单元具有这样的处理器，该处理器被编程以将流入钻孔10的流体流量与流出钻孔10的流体流量进行比较。如果流体以比其离开钻孔10更高的速度被注入钻孔10中，那么这表示一些流体流失到地层中，并且期望井底压力降低。另选地，如果流出钻孔10的流体流量比流入钻孔10的流体流量显著更高，这意味着地层流体的井涌已进入到钻孔10中，并且期望井底压力增大以防止该涌进，并且需要采取行动以处理已经存在于钻孔10中的地层流体。将理解的是，为使该控制机构有效，从流量计32、38、46处接收精确且可靠的数据是关键。

设置两个用于测量沿着环空回流管线28的流动的流量计是有利的，这是因为，如果一个流量计被破坏或者发生故障，那么另一个流量计可用于监测流量。此外，由于使用了两种不同类型的流量计，因此来自一个流量计的输出可以与来自另一个流量计的输出进行比较以用于校准目的，并且表示流量计的精确度和可靠性。

这两个流量计仅仅适用于测量液体流量，并且如果液体中存在任意夹带的气体，那么流量计的输出的精确度会恶化。当钻进地层中时，对存在于钻探泥浆中一些烃气是十分常见的。烃气可以在地层被钻开时被释放，或者在钻探泥浆能在钻孔面上形成有效密封和滤饼之前，可以从与钻孔10相邻的生产性断口或存储砂产生。同时，钻探泥浆在环空16和环空回流管线28中处于负压，该气体溶解在钻探泥浆中或者被压缩到其液态。节流器30a下游的环空回流管线28中的压力显著低于节流器30a上游的环空回流管线28中的压力。因而，当钻探泥浆离开节流器30a时，所夹带的气体被降压、膨胀，并且在液态泥浆中形成气泡。流量计被定位在标准MPD系统中的节流器的下游，并且这些气泡对于从流量计获得的质量流量测量的精确度具有有害影响，并且甚至可以完全混乱来自流量计的流量数据。如上所述，质量流量读数被用于检测井涌或者至地层的泥浆损失，因此这些读数的精确度对于钻井过程的稳定性是不可缺少的。本发明通过将流量计32、38两者定位在节流器30a的上游而避免了该问题。

过滤器40的设置是有利的，这是因为，没有它，科里奥利流量计32中的两条管可容易地被返回流体中的颗粒岩屑堵住，因为这两条管都具有小于科里奥利流量计管线28a的横截面面积的横截面面积。科里奥利流量计32的堵塞可引起系统中流量计32上游处的流体压力增加到这样的程度，即，流量计32或科里奥利流量计管线28a或者环空回流管线28的管道受损或者完全失效。

过滤器40中的孔显著小于这些管的横截面，从而足够大以堵塞这些管的任意岩屑被过滤器40捕获并且被禁止进入科里奥利流量计40，如图4所示。过滤器40定位在科里奥利流量计管线28a和环空回流管线28之间的T接头处也是有利的，这是因为由过滤器40捕获的岩屑通过沿着环空回流管线28流动的流体被冲出过滤器40，并且因此过滤器40保持清洁且基本上不会变堵。过滤器40的圆顶形状和布置过滤器40使得中央部分延伸到科里奥利流量计管线28a中确保了过滤器40和由过滤器40捕获的任意岩屑不会阻碍流体沿着环空回流管线28的流动。

同时，过滤器40的设置使由于科里奥利流量计32的堵塞造成的对系统的损害的危险最小化，在本发明的该实施方式中，作为另一安全措施，系统36设置有减压管线28b，该减压管线从主动声纳流量计38和科里奥利流量计管线28a之间的环空回流管线28延伸到主减压阀44。该减压阀44为标准的爆脱(pop off)型减压阀，该减压阀通常大体上防止流体沿着减压管线28b流动，但是构造成在阀上游的压力超过预定值时打开以允许流体沿着减压管线28b流动。该预定值通常比钻井系统中的最低压力额定部件(通常是封闭装置20)的最大工作压力低50psi。

减压管线28b还设置有支线28b’，该支线从主减压阀44的上游的减压管线28b上延伸到主减压阀44的下游。因此该支线28b’提供了供流体沿着减压管线28b’流动的导管，对主减压阀44设旁路。在该支线28b’中设置有可调减压阀46。该阀46正常基本上防止流体沿着支线28b’流动，并且阀46的操作由电子控制单元来控制，该电子控制单元接收来自BHA14、环空16或者减压管线28b下游的环空回流管线28中的压力传感器的压力信号。电子控制单元被编程以将该压力信号与期望的井底压力/环空压力/环空回流管线压力进行比较，并且如果差大于预定界限就会打开阀46。换句话说，可调减压阀46被设定为在这样的压力下打开，即，该压力比期望的井底压力、环空压力或者由背压控制系统36施加到环空16的背压大预定界限(margin)。因为期望的压力不断变化，因此阀46被主动调节以在钻井进行的同时保持预定界限。该界限，以及被用作用于与设定值进行比较的基础的压力信号将取决于待被钻孔的地层的类型。

例如，可调减压阀46可设定为在比井底压力设定值高50psi的压力界限下打开。在这种情况下，如果系统设定为将井底压力保持在200psi，那么可调减压阀46将被设定为在来自BHA14中的压力传感器的压力信号指示井底压力大于250psi的情况下打开。

两个减压阀44、46都设置有用来与主钻井控制单元通信的装置，从而如果任一阀44、46由超过最大允许压力而被致动，即打开，那么电子信号被传输到主钻井控制单元，然后该主钻井控制单元显示或者响起警告以警示操作者钻井系统有问题。

这些减压阀因而防止受到因减压管线28b下游的背压控制系统36的任意部件发生阻塞或堵塞而引起的过压积累造成的损害。主减压阀44主要保护包括封闭装置20的地面MPD设备，而可调减压阀46的主要角色是保护套管和地层，并且防止地层断裂以及泥浆流失到地层。

虽然只需要一个背压控制阀30a来控制压力钻井，但是在本发明的该实施方式中，在环空回流减压管线28c中设置有第二背压控制阀30b，该环空回流减压管线从科里奥利流量计管线28a和第一背压控制阀30a之间的环空回流管线28延伸到该环空回流管线28上在第一背压控制阀30a下游的点。第二背压控制阀30b是常闭的，从而没有流体沿着环空回流减压管线28c流动，并且环空16上的背压由第一背压控制阀30a操作单独控制。如果第一背压控制阀30a失效或者变堵，那么阀关闭，并且第二背压控制阀30b打开，从而所有沿着环空回流管线28流动的流体都流过环空回流减压管线28c。因而背压由第二背压控制阀30b的操作来控制。

在典型的控制压力钻井操作期间，背压控制阀30a或30b被用于对环空16施加300-500psi之间的背压。为了实现该背压施加，钻井系统的所有部件(包括封闭装置20和背压控制系统36)优选地被压力定额为钻井压力1500psi且关井压力2200psi。虽然当然可以使用较高压力额定的系统，使用低压额定系统也是有利的，这是因为具有低压额定的设备倾向于可更广泛地利用并且较为便宜。这还允许标准科里奥利流量计(这些流量计通常压力定额为1500-2000psi)可被放置在背压控制阀30a，30b的上游。

虽然背压控制阀30a和30b可以是任意已知的可调节流器或者阀的构造，该可调节流器或阀可操作以将沿着导管的流体流限于可变程度，它们是如图5、6、7a和7b中所示的有利的空气构造的。可调减压阀46也可以按这种方式构造。

现在参看图5，详细示出了背压控制阀30a或30b，该背压控制阀具有安装在大体上筒状的阀体50的中心通道中的阀构件48，该阀构件48包括大体上球状的球。阀体50安装在环空回流管线28、环空回流减压管线28c或减压管线28b’中，从而沿着相应的管线28、28c、28b’流动的流体必须流过阀体50的中心通道。

球48的直径大于阀体50的内径，并且因此阀体50的内表面成形为设置供球48安置在其中的周向环形槽。球48被连接到致动器输出杆52，该致动器输出杆延伸穿过设置在阀体50中且大体上垂直于阀体50的中心通道的纵轴的孔并伸入致动器壳体54中。致动器输出杆52大体上为柱状杆，其能在致动器壳体54内绕其纵轴旋转，并且该杆具有小齿轮部，该小齿轮部提供在致动器输出杆52的长度的至少一部分上延伸的径向齿。

现在参看图6，致动器壳体54中安装有四个活塞56a、56b、56c、56d，致动器壳体54围绕活塞56a、56b、56c、56d成形，从而每个活塞56a、56b、56c、56d均与致动器壳体54接合，以在致动器壳体54内形成控制室58a、58b、58c、58d。每个活塞56a、56b、56c、56d均设置有密封件(在该示例中为O型环)，该密封件与致动器壳体54接合，以在活塞56a、56b、56c、56d和壳体54之间提供大体上不透流体的密封，同时允许活塞56a、56b、56c、56d在壳体54中的往复运动。活塞56a、56b、56c、56d围绕致动器输出杆52设置以形成两对活塞，每一对活塞中的活塞大体上相互平行，并且垂直于另一对活塞中的活塞。四个孔60a、60b、60c、60d分别延伸穿过致动器壳体54进入到控制室58a、58b、58c、58d中的一个控制室内，并且另一孔61延伸穿过致动器壳体54进入到供定位致动器输出杆52的壳体54的剩余的、中央体积中。

每个活塞56a、56b、56c、56d均具有大体上垂直于活塞56a、56b、56c、56d的平面朝向致动器输出杆52延伸的致动器杆62a、62b、62c、62d。每个致动器杆62a、62b、62c、62d均设置有与致动器输出杆52的小齿轮部分的齿啮合的齿以形成齿轮齿条副装置。因此活塞56a、56b、56c、56d的平移运动导致致动器输出杆52和球48旋转。

在本发明的这个实施方式中，电力或电子旋转传感器64安装在致动器输出杆52的自由端，并且将指示致动器输出杆52和球48相对于致动器壳体54和阀体50的旋转取向的输出信号传输到中央钻井控制单元。

球48设置有中心通道48a，该中心通道在图7a和7b中最好地示出。中心通道48a延伸穿过球48，并且具有位于阀体50的纵轴所在平面内的纵轴B。当在横剖面中观察时，即，在垂直于其纵轴B的截面中观察时，中心通道48a具有扇形形状，如图7a中最佳所示，即，具有三个主要表面-其中一个表面形成弧，而其他两个表面大体上是平坦的并相互以约45°角倾斜。因而，中心通道48a具有短侧和高侧，该短侧中两个大体上平坦的表面相遇，在该高侧中弧形表面在两个大体上平坦的表面之间延伸。

球48在全闭位置和全开位置之间旋转经过90°，在该全闭位置中，中心通道48a的纵轴B垂直于阀体50的纵轴，而在该全开位置中，中心通道48a的纵轴B与阀体50的纵轴重合，如图6和图7a所示。当阀处于全开位置时，中心通道48a的整个横截面暴露于阀体50中的流体，并且流过阀体50的流体流基本上不受球48的阻碍。

在全开和全闭位置之间，具有多个部分打开位置，在这些部分打开位置中，中心通道48a的变化比例的横截面暴露于阀体50中的流体，如图7b所示。当阀30a处于部分打开位置时，允许流体沿着阀体50流动，但是该流动受到球48的限制。流体流受限的程度取决于中心通道48a的暴露于流体流的比例，球48越接近全开位置，即，暴露面积越大，限制越小，并且球48越接近全闭位置，即，暴露面积越小，限制越大。因此，环空16上的背压可以通过改变球48的旋转位置而改变。

球48在阀体50取向成使得：当阀从全闭位置移到全开位置时，中心通道48a的短侧首先暴露于阀体50中的流体，中心通道48a的高侧最后被暴露。暴露于阀体50中流体的通道48a的高度因而随着球48旋转到全开位置而增加。

传统球阀中的中心通道的横截面大体上为圆形。使用具有扇形成形的横截面的中心通道48a是有利的，这是因为这确保了：在球48的运动范围的至少相当大比例的范围内，球48的角取向和沿着阀体50流动的流体流的限制程度之间大体上线性的关系。这意味着：可以将施加到环空16的背压控制到比现有技术控制压力钻井系统更高的精确度。

使用球阀也是有利的，这是因为当阀30a、30b处于全开位置时，可用于沿着阀体50流动的流体流的横截面积大体上与沿着流动管线流入阀30a、30b中的流动面积相同。这意味着：如果在阀30a、30b处于部分打开位置时岩屑进入阀30a、30b并堵塞球48的中心通道48a，那么阀30a、30b可以被消除堵塞，并且可通过将球48移到全开位置而冲去岩屑。

虽然阀30a、30b可以液压致动，但是优选地，阀可以被气动，在本示例中使用压缩空气来气动阀。致动器壳体54中的孔60a、60b、60c、60d连接到压缩空气存储器，并且传统的气动控制阀(未示出)被提供来控制压缩空气流到室58a、58b、58c、58d。加压流体流到室58a、58b、58c、58d中引起了活塞56a、56b、56c、56d朝向致动器输出杆52的平移运动，这通过杆62a、62b、62c、62d与致动器输出杆52的小齿轮部分啮合引起球48朝向全闭位置旋转。

在致动器壳体54中设置有另一孔61，并且该孔延伸进入壳体54中的中央空间内，该中央空间由活塞56a、56b、56c、56d封闭。加压流体穿过另一孔61流入该中央空间中引起活塞56a、56b、56c、56d远离致动器输出杆52平移运动，这通过杆62a、62b、62c、62d与致动器输出杆52的小齿轮部分啮合引起球48朝向全开位置旋转。

气动控制阀通过中央钻井控制单元被电动操作，该中央钻井控制单元接收来自BHA14中的压力传感器的指示钻孔10底部处的流体压力的输入信号。然后中央钻井控制单元使用标准的MPD控制算法来计算期望的井底压力，并将该期望的井底压力与实际井底压力进行比较。

如果井底压力小于期望的井底压力，那么气动控制阀操作以允许压缩空气流向室58a、58b、58c、58d。这使得活塞56a、56b、56c、56d朝向致动器输出杆移动，并使球48朝向全闭位置旋转，从而流体沿着阀体50的流动的限制增大，并且施加到环空16的背压增加。当测量的井底压力到达期望值时，气动控制阀操作以停止流体流入或流出室58a、58b、58c、58d，并且因此停止活塞56a、56b、56c、56d的任何进一步运动。

类似地，如果井底压力大于期望的井底压力，那么气动控制阀操作以向孔61供应压缩空气，从而使得活塞56a、56b、56c、56d远离致动器输出杆52移动，并且使球48朝向全开位置旋转，从而流体沿着阀体50流动的限制减小，并且施加到环空16的背压减小。当测量的井底压力达到期望值时，气动控制阀操作以停止活塞56a、56b、56c、56d的任何进一步的运动。

气动地而不是使用液压流体致动阀是有利的，这是因为其增大了阀的操作速度。该阀的操作速度通过具有能在打开和关闭位置之间旋转的阀构件并且使用齿轮齿条副装置来旋转该阀构件而进一步增加。虽然该阀可以使用单个活塞来致动，但是设置多个活塞(本示例中为4个)是有利的，这是因为其增加了可用于旋转球48的扭矩，而不会对阀的操作速度具有有害影响。

背压控制系统36还包括三通换向阀66，该三通换向阀具有连接到背压控制阀30a、30b下游的环空回流管线28的入口66a、连接到泥气分离器68的第一出口66b、以及连接到振动器系统70的第二出口66c。振动器系统是传统设计的，并且可操作以从回流的钻探泥浆中移除任何固体物质，同时泥气分离器移除任何夹带气体。减压管线28b从减压阀44、46延伸到泥气分离器的另一个入口，并且泥气分离器的出口也连接到振动器系统70。振动器系统具有连接到泥浆存储池34的出口。

换向阀66具有能在第一位置和第二位置之间移动的阀构件，在第一位置中阀入口66a连接到第一出口66b，在第二位置中阀入口66a连接到第二出口66c。换向阀66被构造成使得流体可以总是从入口66a流到出口66b、66c中的一个出口，即，阀66能够从不被关闭。换向阀66设置有电力致动器，该电力致动器可以例如通过中央钻井控制单元来远程操作。

正常使用中，阀66留在第一位置中，从而回流的钻井液(泥浆、钻屑以及任何其他井眼流体)在返回到泥浆存储池34之前流过泥气分离器68和振动器系统70。然而，阀66可被操作以将阀构件移到第二位置，从而使得回流的钻井液直接转向到振动器系统，例如如果作为钻出深井套筒漂浮系统(casing shoe float system)的结果预期大量岩屑。

所公开的钻井系统可用于具有流体静力欠平衡钻井液重量和动力学超平衡井底压力的控制压力钻井，例如存在这样的厉害关系，即因为压裂梯度是未知而井底压力可能超过地层11的压裂梯度，或者存在在断层线上横跨或者进入另一区域或者岩石的危险。当该系统被用这样的方法使用时，泥浆的密度被选择为使得泥浆重量提供了低于地层11中流体压力(地层压力)的静压，并且井底压力通过钻井期间循环泥浆的摩擦作用和背压控制阀30a30b中的一个背压控制阀的操作而增加以限制流体沿着环空回流管线28的流动并因此造成环空16上的背压，从而井底压力总是高于地层压力，并且至少在钻井期间，不允许地层流体进入到钻孔10中。

该钻井系统也可用于具有流体静力超平衡钻井液重量的控制压力钻井。当该系统以这样的方式被使用时，泥浆密度被选择为使得泥浆重量提供了大于地层压力的静压。因此，该井超平衡并且井底压力总是高于地层压力，即使当没有进行钻井时。

最后，该系统可以用于泥浆帽钻井(mud cap drilling)，重密度泥浆帽被循环到钻孔的顶部，并且较轻密度流体(通常是海水)被循环到泥浆帽下面的井眼中。背压系统36被用于保持井底压力在地层11的压裂梯度之上，从而较轻密度流体被注入地层中，并且在钻井进行的同时地层流体被完全容纳在地层中。

本说明书和权利要求书中使用的术语“包括”以及“包括着”及其变形是指包括特定的特征、步骤和整数。这些术语不能被解释为排除其他特征、步骤或部件的存在。

以它们的特定形式表示或根据用于执行所公开的功能的装置、或用于获得所公开的结果的方法或过程表示的在前述说明、或者以下权利要求书、或者附图中公开的特征视情况而定可以单独地，或者以这些特征的任意组合，来用于按照其不同形式实现本发明。

Claims (25)

1.一种钻井系统，所述钻井系统包括延伸到钻孔中的钻柱；和井封闭系统，所述井封闭系统将流体容纳在所述钻孔中的围绕所述钻柱的环形空间中，所述井封闭系统具有侧口，由此允许流体受控地流出所述钻孔中的围绕所述钻柱的所述环形空间，所述侧口被连接到从该侧口延伸到流体存储池的流体回流管线，在所述流体回流管线中设置有阀和流量计，所述阀能操作以将沿着所述流体回流管线的流体流限于可变程度，所述流量计能操作以测量流体沿着所述流体回流管线的流量，所述流量计位于所述阀和所述侧口之间，其中在所述流量计和所述侧口之间设置有过滤器，所述过滤器包括多个孔，这些孔的横截面面积小于所述流量计中最小流体流动管线的横截面面积。

2.根据权利要求1所述的钻井系统，其中，所述流量计是科里奥利流量计。

3.根据权利要求1或2所述的钻井系统，其中，所述流量计位于从所述流体回流管线分支的支线中，所述支线在所述流体回流管线的第一部分和所述流体回流管线的第二部分之间延伸，所述第一部分位于所述侧口和所述第二部分之间。

4.根据权利要求3所述的钻井系统，其中，所述过滤器位于或邻近于所述支线和所述流体回流管线的所述第一部分之间的接点。

5.根据权利要求4所述的钻井系统，其中，所述过滤器具有位于所述支线和所述流体回流管线的所述第一部分之间的所述接点处的一个或多个边缘，以及延伸到所述支线中的中央部分。

6.根据权利要求2所述的钻井系统，其中，主动声纳流量计被设置以测量流体沿着所述流体回流管线的流量。

7.根据权利要求6所述的钻井系统，其中，所述主动声纳流量计位于所述侧口和所述科里奥利流量计之间。

8.根据权利要求7所述的钻井系统，其中，所述主动声纳流量计为夹装式流量计。

9.根据任一前述权利要求所述的钻井系统，其中，入口管线从泵延伸到所述钻柱中，并且第二主动声纳流量计被设置以测量流体沿着所述入口管线的流量。

10.根据权利要求9所述的钻井系统，其中，所述第二主动声纳流量计为夹装式流量计。

11.一种钻井系统，所述钻井系统包括延伸到钻孔中的钻柱；和井封闭系统，所述井封闭系统将流体容纳在所述钻孔中的围绕所述钻柱的环形空间中，所述井封闭系统具有侧口，由此允许流体受控地流出从所述钻孔中的围绕所述钻柱的所述环形空间，所述侧口被连接到从该侧口延伸到流体存储池的流体回流管线，所述流体回流管线中设置有阀，所述阀包括阀构件，所述阀构件能旋转以将沿着所述流体回流管线的流体流限于可变程度。

12.根据权利要求11所述的钻井系统，其中，所述阀包括阀体，所述阀体具有通道，所述通道具有从阀入口延伸到阀出口的纵轴，所述通道形成所述流体回流管线的一部分，并且所述阀构件为安装在所述阀体的所述通道中的大体上球状的球。

13.根据权利要求12所述的钻井系统，其中，所述阀构件包括中心通道，所述中心通道延伸穿过所述球并且具有纵轴，所述阀构件能在关闭位置和打开位置之间旋转，在所述关闭位置中，所述中心通道的所述纵轴与所述阀体中的所述通道的所述纵轴成约90°延伸，在所述打开位置中，所述中心通道的所述纵轴与所述阀体中的所述通道的所述纵轴大体上平行。

14.根据权利要求13所述的钻井系统，其中，所述中心通道的垂直于其纵轴的横截面从短侧向高侧成锥形，所述中心通道的高度从所述短侧向所述高侧大体上线性地增加。

15.根据权利要求14所述的钻井系统，其中，所述球被设置在所述阀体中使得在其从所述关闭位置旋转到所述打开位置时，所述中心通道的所述短侧首先通向所述阀体的所述通道。

16.根据权利要求14或15所述的钻井系统，其中，所述中心通道的垂直于其纵轴的所述横截面具有扇形形状。

17.根据任一前述权利要求所述的钻井系统，其中，所述阀设置有致动器输出杆，所述致动器输出杆绕其纵轴的旋转使得所述阀构件在所述打开位置和所述关闭位置之间旋转。

18.根据权利要求17所述的钻井系统，其中，所述致动器输出杆具有带有多个径向齿的小齿轮部分，并且所述阀设置有至少一个致动器活塞，所述活塞具有与所述致动器输出杆的所述小齿轮部分啮合的带齿杆，从而所述活塞的平移运动引起所述致动器输出杆和所述阀构件的旋转。

19.根据权利要求18所述的钻井系统，其中，所述阀设置有四个致动器活塞，每个活塞都具有与所述致动器输出杆的所述小齿轮部分啮合的带齿杆。

20.根据权利要求18或19所述的钻井系统，其中，所述活塞或每个活塞都安装在致动器壳体中并且与该致动器壳体接合，从而所述致动器壳体和所述活塞围出控制室，所述致动器壳体设置有供流体流入所述控制室的导管。

21.一种阀，所述阀包括阀构件和阀体，所述阀体具有通道，所述通道具有从阀入口延伸到阀出口的纵轴，其中所述阀构件为大体上球状的球，所述球安装在所述阀体的所述通道中，并且所述阀构件包括延伸穿过所述球并且具有纵轴的中心通道，所述阀构件能在关闭位置和打开位置之间旋转，在所述关闭位置中，所述中心通道的所述纵轴与所述阀体中的所述通道的所述纵轴成约90°延伸，在所述打开位置中，所述中心通道的所述纵轴与所述阀体中的所述通道的所述纵轴大体上平行，所述中心通道的垂直于其纵轴的横截面从短侧向高侧成锥形，所述中心通道的高度从所述短侧向所述高侧大体上线性地增加。

22.一种钻井系统，所述钻井系统包括延伸到钻孔中的钻柱；和井封闭系统，所述井封闭系统将流体容纳在所述钻孔中的围绕所述钻柱的环形空间中，所述井封闭系统具有侧口，由此允许流体受控地流出所述钻孔中的围绕所述钻柱的所述环形空间，所述侧口被连接到从该侧口延伸到流体存储池的流体回流管线，所述钻井系统还包括阀，所述阀具有连接到所述流体回流管线的入口、连接到用于从液体中分离出所夹带气体的气体分离器设备的第一出口、连接到用于从液体中分离出固体颗粒的固体分离器设备的第二出口，其中，所述阀能操作以选择性地允许流体从所述入口流到所述第一出口或所述第二出口，同时决不禁止流体从所述入口流到两个所述出口。

23.根据权利要求22所述的钻井系统，其中，所述气体分离器具有与所述固体分离器的入口连接的用于液体的出口。

24.根据权利要求22或23所述的钻井系统，其中，所述固体分离器具有与所述存储池连接的用于液体的出口。

25.根据任一前述权利要求所述的钻井系统，其中，所述固体分离器包括至少一个振动器。

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