CN103775011A - 井筒压力控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井筒压力控制系统，属于油气开发钻井技术领域。其包括安装在钻杆上的至少一个测量传感器和至少一个压力控制元件，以及用于控制压力控制元件的控制器，测量传感器将所检测的井筒参数发送给控制器，控制器根据接收到的井筒参数控制压力控制元件停机、沿第一方向转动或沿与其相反的第二方向转动。通过根据本发明的井筒压力控制系统，能够对全井筒的压力实施控制，并独立于泥浆循环系统。

Description

井筒压力控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及油气开发钻井技术领域，特别涉及一种井筒压力控制系统。

本发明还涉及一种井筒压力控制方法。

背景技术

为了达到提高机械钻速、减少储层污染、避免泥浆漏失、增加井眼稳定、控制溢流井涌等目的，近年来控制压力钻井和井控技术成为国内外钻井研究中的热点领域。

现有技术中的HydroPulse^TM脉冲工具利用流动循环阀阀门的开启和关闭来间歇式地阻断来流，对钻头施加冲击力，从而形成吸入压力脉冲，产生吸入脉冲钻井效果。

在现有技术中，已经基于附壁射流原理开发出了负压脉冲工具，其基本原理是：当高速液流经过喷嘴时卷吸旁道内的液体，使其向上流动，此时在阀的受力面上，阀体受到推动向下移动，直至关闭，由于液流的瞬间中断，在井底钻头附近就产生了相对负压区。

现有技术中还存在Anderhammer工具，其工作原理则是：钻井液通过上接头进入流道盘的喷嘴后进行分流，一部分进入衬套和筒体的环空，一部分进入定子衬套来驱动螺杆旋转，并继续下行，在套筒中和另一部分钻井液汇合，然后经由回转中心轴上端的径向流道口进入中心轴，流向上盘阀，上盘阀的旋转使上盘阀与下盘阀的流道时开时闭，液流在这种情况下将会出现闭则升压，开则泄压，由此产生脉冲射流和脉冲压力。

上述3种工具仅能对井底压力形成影响。

针对欠平衡钻井技术在海上钻井中难以解决的一些问题，近几年还开发出了更为复杂同时功能更为强大的控制压力钻井（MPD）技术和控制钻井液帽（CMC）钻井技术。控制压力钻井（MPD）技术是由欠平衡钻井（UBD）技术和动力钻井技术综合发展起来的一项新技术，它利用封闭的钻井液循环系统，通过液力井的模拟程序来反馈数据，预测环空压力剖面，从而使自动控制压力系统自动调节节流阀，产生微小调节量来精确控制整个井眼的环空压力剖面。控制钻井液帽(CMC)钻井技术是控制压力钻井（MPD）技术在深水钻井应用中的新发展，它既能当作开放式循环系统操作，又能当作封闭式循环系统操作，同时使用较重的钻井液，通过水下钻井液举升泵系统调节钻井液帽在隔水管内的位置，从而快速、准确地调节井底压力。

上述这些工具与系统，除了控制钻井液帽(CMC)钻井技术外，其它的工具与系统都是由流动的钻井液直接驱动，这种方式存在三个方面的问题：一是部分工具仅能对井底压力形成影响；二是需要占用钻井系统有限的可资利用的循环压力，即在产生压力控制效果的同时，必然会引起钻头压降的降低，从而影响钻头水马力和水力冲击力，对破岩产生不利影响；三是一旦钻井泵出现故障，或者循环系统发生泄漏（包括海洋套管），井眼压力剖面将立即发生改变，这有可能导致发生井漏、溢流、井塌等复杂的情况。

而控制钻井液帽（CMC）钻井技术只适用于深水，并且只具备一套钻井液提升泵，通过控制其在隔水管中的位置来控制压力，由于控制窗口狭窄，不能实现全井控制压力。

另外，专利文献CN102402184A公开了一种井筒压力模型预测系统控制方法。然而此文献并未涉及具体检测井筒状况以及弥补溢流，漏失等问题的装置。

发明内容

针对现有技术中所存在的问题，本发明提出了一种井筒压力控制系统及控制方法，其不仅能够对全井筒的压力实施控制，而且不依赖泥浆循环系统，可独立发挥作用。

根据本发明的一方面，提出了一种井筒压力控制系统，包括安装在钻杆上的至少一个测量传感器和至少一个压力控制元件，以及用于控制该压力控制元件的控制器，测量传感器将所检测的井筒参数发送给控制器，控制器根据接收到的井筒参数控制压力控制元件停机、沿第一方向转动或沿与其相反的第二方向转动。

在一个实施例中，当井筒参数显示为正常钻进时，控制器使压力控制元件停机；当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生井漏时，控制器使相邻于该特定的测量传感器的压力控制元件沿第一方向转动；当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生溢流时，控制器使相邻于该特定的测量传感器的压力控制元件沿第二方向转动。

在一个实施例中，压力控制元件沿第一方向的转动导致井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值减小，而沿第二方向的转动导致井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值增大。

在一个实施例中，控制器根据压力控制元件离井漏或溢流的发生位置点的距离和井筒内环空液流的流量来调整该压力控制元件的转速和转动时间。

在一个实施例中，控制器设置成随着压力控制元件离开井漏或溢流的发生位置点，该控制器使该压力控制元件的转动速度逐渐降低至零。

在一个实施例中，根据本发明的井筒压力控制系统包括多个排量彼此不同的压力控制元件。

在一个实施例中，测量传感器安装在中继短节中。

在一个实施例中，压力控制元件是涡轮泵。

在一个实施例中，控制器设置在地面。

在一个实施例中，控制器设置在中继短节内。

在一个实施例中，根据本发明的井筒压力控制系统还包括用于调整钻头方向的导向装置。

在一个实施例中，控制器通过导向装置来调整钻头的方向。

在一个实施例中，根据本发明的井筒压力控制系统还包括将所述测量传感器测得的数据传送到互联网的地面信息传输设备。

在一个实施例中，根据本发明的井筒压力控制系统还包括引入外部电力的井口动力及信息传输装置。

根据本发明的第二方面，提出了一种使用本发明的井筒压力控制系统的方法，包括：

第一步骤，通过测量传感器检测井筒内的状况；

第二步骤，根据所检测到的井筒内的状况，由控制器控制压力控制元件停机、沿第一方向转动或沿与其相反的第二方向转动。

在一个实施例中：

当井筒参数显示为正常钻进时，通过控制器控制压力控制元件停机；

当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生井漏时，通过控制器控制相邻于该特定的测量传感器的压力控制元件沿第一方向转动；

当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生溢流时，通过控制器控制相邻于该特定的测量传感器的压力控制元件沿第二方向转动。

在一个实施例中，压力控制元件沿第一方向转动时，井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值减小，压力控制元件沿第二方向转动时，井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值增大。

在一个实施例中，在根据本发明的方法的第二步骤中，根据压力控制元件离井漏或溢流的发生位置点的距离和井筒内环空液流的流量的不同，通过控制器来调整压力控制元件的转速和转动时间。

在一个实施例中，在根据本发明的方法的第二步骤中，随着压力控制元件离开井漏或溢流的发生位置点，通过控制器控制压力控制元件的转动速度，使其逐渐降低至零。

根据本发明的井筒压力控制系统及其使用方法，不仅能够对全井筒的压力实施控制，而且由于测量传感器和压力控制元件的动力可由外部引入，因此根据本发明的系统的运转不依赖泥浆循环系统，弥补了背景技术中所指出的不足。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是根据本发明的井筒压力控制系统的示意图；

图2是正常钻进时井筒压力控制元件不工作时根据本发明的井筒压力控制系统的井下部分的剖面示意图；

图3是井漏时井筒压力控制元件沿第一方向转动时根据本发明的井筒压力控制系统的井下部分的剖面示意图；

图4是溢流时井筒压力控制元件沿第二方向转动时根据本发明的井筒压力控制系统的井下部分的剖面示意图。

在图中，相同的构件由相同的附图标记标示。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步说明。

图1显示了根据本发明的井筒压力控制系统20的一个实施例。如图所示，该井筒压力控制系统20包括安装在打入到地壳4中的钻杆5上的用于测量井下参数的测量传感器6和能够调节井筒压力状况的压力控制元件7。其中钻杆5具有动力及信号传输功能。测量传感器6和压力控制元件7的安装位置及数量由信息传输需要中继放大的最远距离及特殊层位需要加密的距离决定。测量传感器6的类型可根据测量需要选择，可以是例如用于测量环空局部压力的压力传感器，以及用于测量地应力的声发射传感器等等。在本实施例中，测量传感器6为多参数测量传感器。在一个实施例中，压力控制元件7可以是例如涡轮泵或其它类型的泵。不同位置的压力控制元件7的排量可由地壳4的压力分布的具体情况来确定。

根据本发明的井筒压力控制系统20还包括用于控制钻头9的方向的导向装置8以及用于控制所述压力控制元件7并且通过动力及信息传输线3与井下部分连接的地面信息处理设备10（即控制器）。在图1所显示的实施例中，在井口还安装了用于引入外部电力的井口动力及信息传输装置2。所述压力控制系统20安装到常规钻井设备1中以供使用。

在另一个可供选择实施例中，测量传感器6处于中继短节中并尽量靠近压力控制元件7。在此实施例中取消地面信息处理设备10，改为由与测量传感器6处于同一中继短节中的控制器来控制井筒压力控制元件7。

当操作根据本发明的井筒压力控制系统20时，在图1所示的实施例中，利用测量传感器6实时监测整个井筒，所获得的地层和钻井参数信息经过具有信号传输功能的钻杆5、井口动力及信息传输装置2和动力及信号传输线3传递给地面信息处理设备10。根据不同位置的测量传感器6（如流量传感器和位移传感器等）所测得的液流的流量及方向，可以确定井下的状况，例如井壁所发生的溢流或井漏的位置及大小。位于地面的地面信息处理设备10（即控制器）可以根据实时掌握的整个井筒的情况，及时下达调整指令，控制不同位置的压力控制元件7以调整井筒压力。具体而言，通过所述压力控制元件7沿不同方向的转动，能够调整钻杆5与地层4之间的环形空间的压力分布，形成一个井筒压力剖面控制系统，实现欠平衡、近平衡或过平衡钻井作业。

来自控制器的指令还可以同时反馈给井下导向装置8，以便调整钻头9的方向，保证钻井作业安全、顺利。

根据本发明，测量传感器6和压力控制元件7的能量可由设于地面的外部电源经过井口动力及信息传输装置2和具有动力传输功能的钻杆5来提供。

在一个实施例中，测量传感器6所测得的数据信息还可以通过地面信息传输设备11通过互联网提供给相应的数据库，以供钻井工程技术专家和管理人员参考。这样，就可以为工艺的选择提供更可靠的依据，进而降低工程风险，提高钻井的智能化程度，极大地优化井身结构，并且为后续的完井、试采等作业提供空间条件。

图2、3和4分别显示了正常钻进、发生井漏和发生溢流时井筒压力控制系统20的井下部分的剖面示意图。

如图2所示，在正常钻进时，压力控制元件7不工作。由于测量传感器6和压力控制元件7由地面经过井口动力及信息传输装置2和钻杆5提供电力，因此它们独立于泥浆循环系统，即使压力控制元件7不工作也不影响正常钻进。

如图3所示，根据传感器的测量信息，当确定某个位置发生井漏时，由地面信息处理设备10（控制器）根据井下信息指挥压力控制元件7沿第一方向（图3中示意为俯视角度观测为逆时针方向）转动，或者由传感器所在中继短节中的控制器控制附近的压力控制元件7自动工作（沿第一方向转动，图3中示意为俯视角度观测为逆时针方向），使环空静液柱压力与地层破裂压力差值减小，从而降低井漏危害。

如图4所示，根据传感器的测量信息，当确定某个位置发生溢流时，由地面信息处理设备10（控制器）根据井下信息指挥压力控制元件7沿第二方向（图4中示意为俯视角度观测为顺时针方向）转动，或者由传感器所在中继短节中的控制器控制附近的压力控制元件7自动工作（沿第二方向转动，图4中示意为俯视角度观测为顺时针方向），使环空静液柱压力与地层破裂压力差值增大，从而降低溢流危害。

在一个优选的实施例中，压力控制元件7会根据发生井漏或溢流的位置点与自己相隔的距离以及环空液流的流量，自动调整其转动的速度和时间来控制局部井段的压力，使环空压力尽量与地层压力平衡，达到减小事故危害的目的。这种局部调整是根据压力控制元件7在井筒中位置的改变而自动进行的，如果某个压力控制元件7随井深的增加已经越过井漏或溢流位置，则它会逐渐降低转动速度以减小其控制范围，当离开由井漏或溢流确定的平衡控制压力区后，它会自动停止转动，直到下一次进入某个平衡控制压力区再重新开始转动。进入井漏或溢流平衡控制压力区时压力控制元件7的运作过程和离开正好相反。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (19)

1.一种井筒压力控制系统，包括安装在钻杆上的至少一个测量传感器和至少一个压力控制元件，以及用于控制所述压力控制元件的控制器，所述测量传感器将所检测的井筒参数发送给所述控制器，所述控制器根据接收到的井筒参数控制所述压力控制元件停机、沿第一方向转动或沿与其相反的第二方向转动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，当井筒参数显示为正常钻进时，所述控制器使所述压力控制元件停机；

当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生井漏时，所述控制器使相邻于所述特定的测量传感器的压力控制元件沿第一方向转动；

当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生溢流时，所述控制器使相邻于所述特定的测量传感器的压力控制元件沿第二方向转动。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述压力控制元件沿第一方向的转动导致井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值减小，而沿第二方向的转动导致井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值增大。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器根据所述压力控制元件离井漏或溢流的发生位置点的距离和井筒内环空液流的流量来调整所述压力控制元件的转速和转动时间。

5.根据权利要求1到4中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器设置成随着所述压力控制元件离开井漏或溢流的发生位置点，所述控制器使所述压力控制元件的转动速度逐渐降低至零。

6.根据权利要求1到5中任一项所述的系统，其特征在于，包括多个排量彼此不同的压力控制元件。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的系统，其特征在于，所述测量传感器安装在中继短节中。

8.根据权利要求1到7中任一项所述的系统，其特征在于，所述压力控制元件是涡轮泵。

9.根据权利要求1到8中任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器设置在地面。

10.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述控制器设置在中继短节内。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的系统，其特征在于，还包括用于调整钻头方向的导向装置。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述控制器通过所述导向装置来调整钻头的方向。

13.根据权利要求1到12中任一项所述的系统，其特征在于，还包括将所述测量传感器测得的数据传送到互联网的地面信息传输设备。

14.根据权利要求1到13中任一项所述的系统，其特征在于，还包括引入外部电力的井口动力及信息传输装置。

15.一种使用根据上述权利要求中任一项所述的系统来控制井筒压力的方法，包括以下步骤：

第一步骤，通过所述测量传感器检测井筒内的状况；

第二步骤，根据所检测到的井筒内的状况，由控制器控制所述压力控制元件停机、沿第一方向转动或沿与其相反的第二方向转动。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在第二步骤中：

当井筒参数显示为正常钻进时，通过所述控制器控制所述压力控制元件停机；

当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生井漏时，通过所述控制器控制相邻于所述特定的测量传感器的压力控制元件沿第一方向转动；

当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生溢流时，通过所述控制器控制相邻于所述特定的测量传感器的压力控制元件沿第二方向转动。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在第二步骤中，当所述压力控制元件沿第一方向转动时，井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值减小，当所述压力控制元件沿第二方向转动时，井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值增大。

18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在第二步骤中，根据所述压力控制元件离井漏或溢流的发生位置点的距离和井筒内环空液流的流量的不同，通过所述控制器来调整所述压力控制元件的转速和转动时间。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在第二步骤中，随着所述压力控制元件离开井漏或溢流的发生位置点，通过所述控制器控制所述压力控制元件的转动速度，使其逐渐降低至零。

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