CN104100219A - 一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装置，应用于石油、天然气钻井井筒压力与流量控制领域。本装置由立管测量系统、回压补偿管汇与流量测量系统、连接管汇、自动节流管汇、井口返出流量测量系统以及信号采集与逻辑控制系统组成，能够对井底压力、井口立压、套压以及钻井液泵入与返出流量进行精确测量，并通过逻辑控制系统分析，判断井底工况，据此选择闭环控制或区块经验模式，实时、自动调节节流管汇对井口施加回压，实现良好的井筒压力控制，从而有效解决窄密度窗口、喷漏同存等井下复杂问题。

Description

一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装置

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井井筒压力与流量控制技术领域，特别是一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法与装置。

背景技术

随着石油勘探向深层、复杂地层发展，窄密度窗口、喷漏同存等井下复杂已成为影响和制约石油勘探开发进程与钻井施工的技术瓶颈。由此也对石油、天然气钻井井筒压力、流量控制能力提出了更高的要求。窄密度安全窗口是指地层孔隙压力和破裂压力、漏失压力之间的安全钻井窗口较小，在常规钻井方式下环空压力波动范围将超过此安全钻井窗口，易造成井漏、井涌、井壁失稳、卡钻等复杂事故，使生产时效低，钻井周期长，成本高。目前，国内外多采用控压钻井技术与装置解决此类问题，并开始推广应用。

在现有控压钻井技术中，大致可分为三类：

①简易控压技术，如：简易导流控压、简易流量监控控压、手动节流控压、充气钻井控压、加压泥浆帽控压、降ECD(当量循环密度Equivalent Circulating Density,简写为ECD)控压、井口连续循环工具控压等，其特征多是采用简单工具针对单一工艺，开环控制，多为手动，自动化程度低。

②井底恒压控压钻井技术，如：斯伦贝谢DAPC(动态环空压力控制Dynamic annular pressure control，简写为DAPC)系统、哈里伯顿MPD（控压钻井Managed Pressure Drilling，简写为MPD）系统、中石油钻井院PCDS-Ⅰ（精细控压钻井系统Pressure Control DrillingSystem，简写为PCDS）系统、川庆钻探CQMPD（川庆控压钻井系统ChuanQing Managed Pressure Drilling，简写为CQMPD）系统等，特征为闭环控制，出口流量监控，自动节流管汇包含互换的主、备节流通道、辅助节流通道，回压补偿包含回压泵系统等。

③微流量控压钻井技术，如：威德福的MFC（微流量控制Micro FluxControl，简写为MFC）系统等，特征为闭环控制，出入口流量监控，自动节流管汇为双节流通道，回压补偿包含回压泵系统等。

其中第一类技术工艺简单、开环控制、控制精度低，现场应用范围局限，是早期控压钻井技术的发展形势。后两种技术都为闭环控制，控制精度较高，自动化程度高，相应的工艺、设备复杂，制造成本高，服务费用昂贵，现场使用中回压泵系统故障率高，工艺切换需要人为协调干预等。

发明内容

针对上述问题，本发明目的是：提供一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井装置和采用该装置进行井筒压力、流量控制的方法，能够实现良好的井筒压力控制，有效解决窄密度窗口、喷漏同存等井下复杂问题。

本发明采用以下技术方案：

一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井装置，主要由连接管汇101，自动节流管汇102，井口返出流量测量系统103，回压补偿管汇与流量测量系统201，立管测量系统202，旋转防喷器2，PWD1，井队钻井泵30和31，液气分离器32，振动筛34，泥浆罐35组成。钻井泵30与31通过排出口阀门组25、26、27、28、29实现互为备用，吸入口用管线连接到泥浆罐35，排出口用管线连接到立管测量系统202后，与水龙头、钻杆相连；井口旋转防喷器2用管线连接至连接管汇101第一入口，连接管汇出口由管线接到自动节流管汇102入口，自动节流管汇出口由多通连至井口返出流量测量系统103，井口返出流量测量系统出口由管线连接至液气分离器32入口，液气分离器出口底部管线连接至振动筛34后进入泥浆罐35，顶部集气管线连接至燃烧口；回压补偿管汇与流量测量系统201入口阀门组22、23、24由管线连接到钻井泵出口阀门组，回压补偿管汇与流量测量系统出口由管线连接至连接管汇101第二入口。

连接管汇101为“T”型汇流管汇，第一入口与井口旋转防喷器出口相连，并在其间安装压力计Ⅳ7，第二入口与回压补偿管汇与流量测量系统201排出口相连，第二入口由单流阀13和气控平板阀Ⅰ12组成，单流阀防止流体回流进入回压补偿管汇，气控平板阀Ⅰ对第二入口流道进行通断控制。

自动节流管汇102分为直通通道和节流通道，直通通道由入口四通、手动平板阀Ⅰ9和出口多通组成，手动阀9常为关闭状态；节流通道由气控平板阀Ⅱ14、液动自动节流阀15、泄压阀17以及手动平板阀Ⅱ16组成；在入口四通前安装温度计8，出口多通处安装压力计Ⅴ10。

井口返出流量测量系统103分为直通通道和流量测量通道，直通通道由手动平板阀Ⅲ11构成，测量通道由手动平板阀Ⅳ18、流量计Ⅱ20、手动平板阀Ⅴ19构成，当流量计堵塞时，打开阀门11，关闭阀门18、19，可对流量计进行清淤检修，完成后再关闭直通通道，使流体走测量通道，恢复正常工作。

回压补偿管汇与流量测量系统201入口阀门组由手动平板阀a22、手动平板阀b23、手动平板阀c24呈“Y”型连接，这三个阀门分别位于三条分支上，其中阀门b23与钻井泵31排出口相连，阀门c24与钻井泵30排出口相连，阀门a22与流量计Ⅲ21相连，回压补偿管汇与流量测量系统201排出口用管线连接至连接管汇101第二入口。

立管测量系统202在立管处安装耐高压流量计Ⅰ6，用于测量泵入井内流体流量，流量计下端安装压力计Ⅰ3用于测量立管压力、压力计Ⅱ5用于PWD（压力随钻测量装置Pressure While Drilling，简写为PWD）信号捕获。

一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法，采取回压补偿管汇201连接在井队钻井泵上代替控压装置中必需的回压泵系统，在节流通道前使用连接管汇101对井口返出及回压补偿通道进行流道选择，自动节流管汇102简化为单节流通道，并由此在控压钻进各环节中采取不同的工艺方法：

控压准备，在进行控压钻井工艺前，求取井底裸眼地层压力P_p；根据井底地层压力P_p确定需要控制的井底环空压力P_B，并由公式P_B=P_H+P_f+P_WBP，确定井口回压P_WBP控制范围，其中P_B为井底压力--MPa，P_H为环空静液柱压力--MPa，P_f为循环摩阻--MPa，P_WBP为井口回压--MPa。

控压钻进，钻井液循环路线是由泥浆罐35、井队钻井泵30、立管进入井底，再由旋转防喷器2、连接管汇101、自动节流管汇102、井口返出流量测量系统103、液气分离器32回到泥浆罐35。此时连接管汇101中气控平板阀Ⅰ12关闭，自动节流管汇102中手动平板阀Ⅰ9关闭、气控平板阀Ⅱ14开启、手动平板阀Ⅱ16开启，井口返出流量测量系统103中手动平板阀Ⅲ11关闭、手动平板阀Ⅳ18和手动平板阀Ⅴ19开启，流量计Ⅱ20测得井口返出流量Q_out--S/L。井底PWD1即环空压力随钻测量仪测到井底压力P_B，并由立管测量系统202中压力计Ⅱ5捕获其数值，井口返出钻井液进入自动节流管汇，通过调节自动节流阀15对井口施加回压P_WBP，维持井底压力P_B在允许范围内钻进。这一过程由信号采集与逻辑控制系统自动完成，控制方法为根据井底压力P_B反馈调节或根据区块经验调节。

控压接单根，钻井泵31启动程序为先进行不带压排气循环，手动平板阀g28和手动平板阀h29开启，手动平板阀b23和手动平板阀e26关闭，当流量稳定后，关闭阀门28和29，同时打开阀门23和气控平板阀Ⅰ12，流量计Ⅲ21测得回压补偿流量Q_bk。

完整控压接单根过程划分为两个步骤：①钻井泵31启动，钻井泵30关闭；②钻井泵30启动，钻井泵31关闭；当第一步骤钻井泵30关闭，节流阀流量由Q_out+Q_bk下降为Q_bk过程时，调节节流阀使得井口回压为P_WBP+P_f；当第二步骤钻井泵30开启，节流阀流量由Q_bk转向Q_out时，调节节流阀使得井口回压由P_WBP+P_f转向P_WBP，控制方法为根据节流阀特性方程调节或根据压力反馈模式调节；

控压起下钻，起钻钻井泵启停动作与控压接单根第一步骤相同，通过旋转防喷器2憋压控压起钻，调节节流阀维持井口回压为P_WBP+P_f+ΔP，其中ΔP≈抽吸压力+安全余量，当起至安全井段打入一定高度重浆后，转入常规起钻；下钻与起钻程序相反，当常规下钻至重浆帽底部时，开泵用井浆替出重浆帽，通过旋转防喷器2憋压控压下钻，调节节流阀维持井口回压为P_WBP+P_f-ΔP，其中ΔP≈激动压力-安全余量。

本发明的有益效果：

1、一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法能够监测井底压力、井口回压以及井筒出入口流量，采取不同控制策略，更好地适应压力、流量的变化；

2、配备PWD井下环空压力测量工具（1），可以准确、实时地测量井底环空压力及循环压耗等关键数据，当井筒出气较多，PWD信号无法传输时，又可通过出入口流量监测进行控制，能够更好地适应井下多变的复杂工况；

3、自动节流管汇仅使用一个节流阀，可实现正常钻进、起下钻、接单根等不同钻井工况的需求，简化自动节流管汇结构，使设备成本大幅降低；

4、用回压补偿管汇取代回压泵系统，充分利用钻井队资源，简化控压钻井装置，减少设备安全风险；

5、回压补偿流量测量系统能够及时检测钻井泵的上水效率，与泵压、泵冲等参数作对比可更快地发现钻井泵故障，降低设备安全风险。

6、回避因回压泵启停造成的需提前与井队沟通协调等人为因素，能够全自动、自适应井队各种工艺、工况。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

图1中：101.连接管汇，102.自动节流管汇、103.井口返出流量测量系统，201.回压补偿管汇与流量测量系统，202.立管测量系统。

1.PWD，2.旋转防喷器，3.压力计Ⅰ，4.压力计Ⅱ，5.压力计Ⅲ，6.流量计Ⅰ，7.压力计Ⅳ，8.温度计，9.手动平板阀Ⅰ，10.压力计Ⅴ，11.手动平板阀Ⅲ，12.气控平板阀Ⅰ，13.单流阀，14.气控平板阀Ⅱ，15.液动节流阀，16.手动平板阀Ⅱ，17.泄压阀，18.手动平板阀Ⅳ，19.手动平板阀Ⅴ，20.流量计Ⅱ，21.流量计Ⅲ，22.手动平板阀a，23.手动平板阀b，24.手动平板阀c，25.手动平板阀d，26.手动平板阀e，27.手动平板阀f，28.手动平板阀g，29.手动平板阀h，30.钻井泵Ⅰ，31.钻井泵Ⅱ，32.液气分离器，33.集气燃烧管线，34.振动筛，35.泥浆罐。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

图1是本发明装置示意图。除钻井队配备相关设备外，本发明设备主要由连接管汇101，自动节流管汇102，井口返出流量测量系统103，回压补偿管汇与流量测量系统201，立管测量系统202，旋转防喷器2，PWD1组成。钻井液主循环通道为：由泥浆罐35吸入，经钻井泵30经立管测量系统202泵送入钻柱内，再由井筒循环出井口，经过井口旋转防喷器2憋压进入连接管汇101第一入口，至自动节流管汇102节流后进入井口返出流量测量系统103，流量计测量流量后进入液气分离器32，液相进入振动筛34后返回泥浆罐35，分离的气体经上部燃烧管线33排放燃烧。辅助循环通道为：钻井泵31吸入钻井液，经回压补偿管汇201进行通道选择，再经流量计后进入连接管汇101第二入口，其它同上步骤。

其中流量计6为电磁式流量计；流量计20、21为质量流量计，额定压力≥4MPa，测量范围6～40L/S，精度大于99.8%；压力计3，额定压力70MPa，总线传输；压力计4为可视大头表；压力计5为PWD信号捕捉压力传感器；气控平板阀12、14，气源压力≥0.7MPa，全开至全关时间＜6S；液动节流阀，节流通径2寸，节流压力0～14MPa，节流精度≤±0.5MPa，全开至全关时间应≤15s；节流阀前高压管线额定压力35MPa，节流后低压管线额定压力14MPa。

本发明逻辑控制方法为，首先进行工况判定，分为：控压钻进、接单根、起下钻。

控压钻进，对比井口回压目标值P_WBP与井口回压实测值P₇，ΔP=|P_WBP-P₇|（压力判据），对比泵入与返出流量ΔQ=|Q_out-Q_in|（流量判据），当ΔP≤0.1MPa且ΔQ≤80L时，为正常控压状态，维持节流阀当前开度；当此压力与流量判据不满足时，调节自动节流阀，使之回到正常控压状态。当井下PWD返回数据异常时，根据流量判据进行调节，当井筒出气较多导致PWD数据无法传输至地面、质量流量计无测量精度时，调节节流阀逐步增加井口回压，每次增加0.5MPa，直至气侵停止，再根据压力、流量判据进行控压。

节流阀调节方式分为：大流量变化时，根据节流阀特性方程P_C=f(K_C,Q_C,C_C)对节流阀进行调节，该方程可由实验室测得，其中P_C为节流阀节流压力--MPa，K_C为节流阀特性系数--无量纲，Q_C为通过节流阀的流量--L/S，C_C为节流阀开度--%；当流量变化较小时，根据压力反馈模式对节流阀进行调节，即根据井口实测回压值P₇与目标值P_WBP的差值进行比例反馈调节，直至差值符合压力判据。

完整控压接单根过程划分为两个步骤：①钻井泵31启动，钻井泵30关闭；②钻井泵30启动，钻井泵31关闭；当第一步骤钻井泵30关闭，节流阀流量由Q_out+Q_bk下降为Q_bk过程时，调节节流阀使得井口回压为P_WBP+P_f；当第二步骤钻井泵30开启，节流阀流量由Q_bk转向Q_out时，调节节流阀使得井口回压由P_WBP+P_f转向P_WBP，控制方法为根据节流阀特性方程调节或根据压力反馈模式调节；

控压起下钻，起钻钻井泵启停动作与控压接单根第一步骤相同，通过旋转防喷器2憋压控压起钻，调节节流阀维持井口回压为P_WBP+P_f+ΔP，其中ΔP≈抽吸压力+安全余量，当起至安全井段打入一定高度重浆后，转入常规起钻；下钻与起钻程序相反，当常规下钻至重浆帽底部时，开泵用井浆替出重浆帽，通过旋转防喷器2憋压控压下钻，调节节流阀维持井口回压为P_WBP+P_f-ΔP，其中ΔP≈激动压力-安全余量。

Claims (10)

1.一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法，采取回压补偿管汇(201)连接在井队钻井泵上代替控压装置中必需的回压泵系统，在节流通道前使用连接管汇(101)对井口返出及回压补偿通道进行流道选择，自动节流管汇(102)简化为单节流通道，并由此在控压钻进各环节中采取不同的工艺方法，具体步骤如下：

第一步，在进行控压钻井工艺前，求取井底裸眼地层压力P_p；

第二步，根据井底地层压力P_p确定需要控制的井底环空压力P_B，并由公式P_B=P_H+P_f+P_WBP，确定井口回压P_WBP控制范围，其中P_B为井底压力--MPa，P_H为环空静液柱压力--MPa，P_f为循环摩阻--MPa，P_WBP为井口回压--MPa；

第三步，控压钻进时，钻井液循环路线是由泥浆罐(35)、井队钻井泵(30)、立管进入井底，再由旋转防喷器(2)、连接管汇(101)、自动节流管汇(102)、井口返出流量测量系统(103)、液气分离器(32)回到泥浆罐(35)；此时连接管汇(101)中气控平板阀Ⅰ(12)关闭，自动节流管汇(102)中手动平板阀Ⅰ(9)关闭、气控平板阀Ⅱ(14)开启、手动平板阀Ⅱ(16)开启，井口返出流量测量系统(103)中手动平板阀Ⅲ(11)关闭、手动平板阀Ⅳ(18)和手动平板阀Ⅴ(19)开启，流量计Ⅱ(20)测得井口返出流量Q_out--S/L；井底PWD(1)即环空压力随钻测量仪测到井底压力P_B，并由立管测量系统(202)中压力计Ⅱ(5)捕获其数值，井口返出钻井液进入自动节流管汇，通过调节自动节流阀(15)对井口施加回压P_WBP，维持井底压力P_B在允许范围内钻进;这一过程由信号采集与逻辑控制系统自动完成，控制方法为根据井底压力P_B反馈调节或根据区块经验调节；

第四步，控压接单根时，钻井泵(31)启动程序为先进行不带压排气循环，手动平板阀g(28)和手动平板阀h(29)开启，手动平板阀b(23)和手动平板阀e(26)关闭，当流量稳定后，关闭阀门(28)和(29)，同时打开阀门(23)和气控平板阀Ⅰ(12)，流量计Ⅲ(21)测得回压补偿流量Q_bk；

完整控压接单根过程划分为两个步骤：①钻井泵(31)启动，钻井泵(30)关闭；②钻井泵(30)启动，钻井泵(31)关闭；当第一步骤钻井泵(30)关闭，节流阀流量由Q_out+Q_bk下降为Q_bk过程时，调节节流阀使得井口回压为P_WBP+P_f；当第二步骤钻井泵(30)开启，节流阀流量由Q_bk转向Q_out时，调节节流阀使得井口回压由P_WBP+P_f转向P_WBP，控制方法为根据节流阀特性方程调节或根据压力反馈模式调节；

第五步，控压起下钻时，起钻钻井泵启停动作与控压接单根第一步骤相同，通过旋转防喷器(2)憋压控压起钻，调节节流阀维持井口回压为P_WBP+P_f+ΔP，其中ΔP≈抽吸压力+安全余量，当起至安全井段打入一定高度重浆后，转入常规起钻；下钻与起钻程序相反，当常规下钻至重浆帽底部时，开泵用井浆替出重浆帽，通过旋转防喷器(2)憋压控压下钻，调节节流阀维持井口回压为P_WBP+P_f-ΔP，其中ΔP≈激动压力-安全余量。

2.根据权利要求1所述的一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法，其特征在于：井口返出流体与回压补偿流体都通过同一个自动节流阀。

3.根据权利要求1所述的一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法，其特征在于：由回压补偿管汇与流量测量系统代替现有控压钻井装置中回压泵系统，通过切换回压补偿管汇流道来使用井队钻井泵代替回压泵进行钻井液的泵送。

4.根据权利要求1所述的一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法，其特征在于：当通过自动节流阀的钻井液流量变化较大时，根据节流阀特性方程P_C=f(K_C,Q_C,C_C)对节流阀进行调节，该方程可由实验测得，其中P_C为节流阀节流压力--MPa，K_C为节流阀特性系数--无量纲，Q_C为通过节流阀的流量--L/S，C_C为节流阀开度--%，当流量变化较小时，根据压力反馈模式对节流阀进行调节。

5.根据权利要求1所述的一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井方法，其特征在于：信号采集与逻辑控制系统能够自动适应井队工艺动作，并实时控制自动节流管汇。

6.一种实现权利要求1至5所述方法的适应大流量变化的单节流通道控压钻井装置，主要由连接管汇(101)，自动节流管汇(102)，井口返出流量测量系统(103)，回压补偿管汇与流量测量系统(201)，立管测量系统(202)，旋转防喷器(2)，PWD(1)，井队钻井泵(30)和(31)，液气分离器(32)，振动筛(34)，泥浆罐(35)组成；其特征在于：钻井泵(30)与(31)通过排出口阀门组（25、26、27、28、29）实现互为备用，吸入口用管线连接到泥浆罐(35)，排出口用管线连接到立管测量系统(202)后，与水龙头、钻杆相连；井口旋转防喷器(2)用管线连接至连接管汇(101)第一入口，连接管汇出口由管线接到自动节流管汇(102)入口，自动节流管汇出口由多通连至井口返出流量测量系统(103)，井口返出流量测量系统出口由管线连接至液气分离器(32)入口，液气分离器出口底部管线连接至振动筛(34)后进入泥浆罐(35)，顶部集气管线连接至燃烧口；回压补偿管汇与流量测量系统(201)入口阀门组（22、23、24）由管线连接到钻井泵出口阀门组，回压补偿管汇与流量测量系统出口有管线连接至连接管汇(101)第二入口。

7.根据权利要求6所述的一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井装置，其特征在于：回压补偿管汇与流量测量系统(201)入口阀门组由手动平板阀a(22)、手动平板阀b(23)、手动平板阀c(24)呈“Y”型连接，手动平板阀a、手动平板阀b、手动平板阀c三个阀门分别位于三条分支上，其中手动平板阀b(23)与钻井泵(31)排出口相连，手动平板阀c(24)与钻井泵(30)排出口相连，手动平板阀a(22)与流量计Ⅲ(21)相连，回压补偿管汇与流量测量系统(201)排出口用管线连接至连接管汇(101)第二入口。

8.根据权利要求6所述的一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井装置，其特征在于：在立管处安装耐高压流量计，用于测量泵入井内流体流量，流量计下端安装压力计Ⅰ(3)用于测量立管压力，压力计Ⅱ(5)用于PWD信号捕获。

9.根据权利要求6所述的一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井装置，其特征在于：连接管汇(101)为“T”型汇流管汇，第一入口与井口旋转防喷器出口相连，并在其间安装压力计Ⅳ(7)；第二入口与回压补偿管汇及流量测量系统(201)排出口相连，第二入口由单流阀(13)和气控平板阀Ⅰ(12)组成，单流阀防止流体回流进入回压补偿管汇，气控平板阀Ⅰ对第二入口流道进行通断控制。

10.根据权利要求6所述的一种适应大流量变化的单节流通道控压钻井装置，其特征在于：自动节流管汇分为直通通道和节流通道；直通通道由入口四通、手动平板阀Ⅰ(9)和出口多通组成，手动阀(9)常为关闭状态；节流通道由气控平板阀Ⅱ(14)、液动自动节流阀(15)、泄压阀(17)以及手动平板阀Ⅱ(16)组成；在入口四通前安装温度计(8)，出口多通处安装压力计Ⅴ(10)。