CN104234648A - 一种钻井液密度井下实时控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是一种钻井液密度井下实时控制系统，这种钻井液密度井下实时控制系统包括钻机、空气压缩机、泥浆泵、中间传输装置、电磁阀、封隔器、无线接收器、地面控制系统，中间传输装置由同轴设置的内筒和外筒构成，空气压缩机连接到内筒的进气口，泥浆泵连接外筒的进液口，内筒末端连接内钻杆，外筒末端连接外钻杆；外钻杆的末端连接钻铤，内钻杆的末端固定在钻铤底部；内钻杆末端连接电磁阀，封隔器安装在外钻杆上，无线密度传感器和无线压力传感器均安装在钻铤底部；无线接收器连接地面控制系统。本发明充分利用了过平衡钻井、欠平衡钻井和控压钻井这三种钻井技术的优势，使井底压差在过平衡、欠平衡和近平衡状态之间转换，可安全高效地钻达目的层，减少非生产时间，降低钻井成本。

Description

一种钻井液密度井下实时控制系统

技术领域

本发明涉及井下钻井液密度控制系统，具体涉及一种钻井液密度井下实时控制系统。

背景技术

由于地层本身存在压力，并且随着井深的增加而增加，为了保持井壁稳定最初都是过平衡钻井即使用密度较大的钻井液，始终保持井底压力大于地层压力，使井眼环空中的钻井液柱对井壁起着支撑作用。但由于过大的钻井液静液柱压力加持在钻头上，不利于钻头破岩，因此过平衡钻井最大的缺点就是钻速慢和钻井液漏失污染地层。到了六七十年代，欠平衡钻井技术开始出现，欠平衡钻井技术即使用密度较小的钻井液，允许井底压力小于地层压力，并在地面加以控制的技术。欠平衡钻井由于采用负压钻进，减小了压持作用，有利于钻头对岩石的破碎，因此欠平衡钻井最大的优势是提高了钻速和有效控制漏失，但欠平衡钻井井壁稳定性差，一般适用于地层条件较好的情况，复杂地层如异常高压地层等限制了欠平衡钻井的应用。控压钻井技术，通过对井底压力的实时监测，控制井口回压，始终保持井底压差处于微过平衡或近平衡状态，有效控制地层流体侵入井眼，非常适宜窄密度窗口的地层作业。可以看到不管过平衡钻井、欠平衡钻井还是控压钻井，都有各自的优势和适用范围，但过平衡钻井、欠平衡钻井、控压钻井的优势没有很好地结合起来，影响了钻井效率。

另外，目前普通气液混合一般都是在地面进行，空气通过压缩机，钻井液通过泥浆泵，在进入钻杆之前在地面进行混合，这样流过钻杆的流体将是气液两相流，由于气液两相流存在滑脱现象，这往往引起比单相的液流更高的压力损耗，因此能耗较高；由于流入钻杆的钻井液中混入空气，钻杆的腐蚀速度更快；若调整气液比，新的气液混合流体从地面到达目标地层需要一定的时间，存在滞后。 

发明内容

本发明的目的是提供一种钻井液密度井下实时控制系统，这种钻井液密度井下实时控制系统用于解决目前普通气液混合在地面进行不能很好地使井底压差在过平衡、欠平衡和近平衡状态之间转换的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种钻井液密度井下实时控制系统包括钻机、防喷装置、双钻杆钻具、空气压缩机、泥浆泵、中间传输装置、钻铤、电磁阀、封隔器、无线接收器、地面控制系统，防喷装置安装在钻机下，双钻杆钻具有内钻杆和外钻杆，内钻杆和外钻杆同轴设置，中间传输装置由同轴设置的内筒和外筒构成，内筒和外筒之间的环形空间为钻井液通道，内筒的上端面设置进气口，外筒的侧壁设置进液口，空气压缩机通过输气管线连接到内筒的进气口，泥浆泵连接外筒的进液口，内筒末端连接内钻杆，外筒末端连接外钻杆；外钻杆的末端连接钻铤，内钻杆的末端通过三脚架固定在钻铤底部；内钻杆末端连接电磁阀，封隔器安装在外钻杆上，无线密度传感器和无线压力传感器均安装在钻铤底部；无线接收器接收来自无线密度传感器和无线压力传感器的信号，无线接收器连接地面控制系统。

上述方案中空气压缩机与内筒之间的输气管线上安装阀门，为了防止井下自动控制失效，钻井技术人员根据返回的钻井参数信息，可以手动关闭该阀门，以切断气体供应，保证安全生产。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明为了利用好过平衡钻井、欠平衡钻井和控压钻井这三种钻井技术的优势，避免这三种钻井技术的劣势，提出一种钻井液密度井下实时控制系统，根据钻遇地层的实际情况，按钻井需要通过向钻井液混入气体调节钻井液密度，使井底压差在过平衡、欠平衡和近平衡状态之间转换，井壁稳定性较好的地层保持欠平衡状态提高机械钻速，异常高压地层保持过平衡状态防止井喷失控，确保钻井安全，从而安全高效地钻达目的层，减少非生产时间，降低钻井成本。

2、本发明采用井下气液混合的方式，与地面气液混合具有以下主要优势：1）能耗较低，外钻杆和内钻杆都是单相流动，摩擦压力损耗较两相流时要小，比如用钻井水力参数计算软件（HUBS）模拟不同气液混合方式的钻井压力损失，已知参数：井深5000m，套管尺寸244.5mm，钻杆/外钻杆尺寸127mm，内钻杆尺寸51mm，钻井液排量1.2m3/min，气体排量80 m3/min，井口回压0.1MPa，结果表明地面气液混合方式压力损耗为18.5MPa，井下气液混合方式压力损耗为12.6MPa，井下混合比地面混合压力损耗低1/3；2）由于钻杆内气液分开向下流动，钻杆腐蚀速度比两相流要慢；3）内钻杆的末端抵达到钻铤的底部，这样气体的出口位于钻铤的底部，气体与钻井液在钻头上方进行气液混合，由于气液在钻头上方附近混合，并且利用内钻杆底端的电磁阀调节气液比，因此采用井下气液混合方式缩短了控制时间，避免了控制滞后。

3、本发明与过平衡钻井主要有两点不同：1）井底压差不同，过平衡钻井必须维持正压差即井底压力大于地层压力，本发明允许出现正压差、负压差甚至零压差的情况；2）钻井液密度，过平衡钻井液密度一般是设计好的，是以固定值，本发明钻井液密度可以实时调整。

4、本发明与欠平衡钻井主要有三点不同：1）使用的钻杆不同，欠平衡钻井使用常规钻杆，本发明使用双钻杆；2）气液混合方式不同，欠平衡钻井在地面进行气液混合，然后一同在钻杆内向下流到井底不同，本发明采用双钻杆这一钻具，钻井液在外钻杆与内钻杆之间的环形空间向下流动，气体在内钻杆中向下流动，气体通过内钻杆底端的电磁阀与钻井液进行混合。

5、本发明与控压钻井主要有两点不同：1）控制目的不同，控压钻井的控制目的是始终保持井底压差处于微过平衡或近平衡状态，本发明的控制目的是根据地层实际情况，维持或调整井底压差，井底压差可以在过平衡、欠平衡和近平衡状态转换；2）控制方式不同，控压钻井通过控制井口回压调节井底压力，本发明通过控制气体注入流量即控制气液比，改变钻井液密度，调节井底压力。 

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的控制原理图；

图3是本发明中中间传输装置的结构示意图。 

图中：1钻机；2钻头；3无线压力传感器；4无线密度传感器；5电磁阀；6钻铤；7封隔器；8内钻杆；9外钻杆；10传动系统；11钻井液循环系统；12三脚架；13防喷管线；14防喷装置；15中间传输装置；16泥浆泵；17压缩机；18阀门；19内筒；20外筒；21无线接收器；22地面控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，这种钻井液密度井下实时控制系统包括钻机1、防喷装置14、双钻杆钻具、空气压缩机17、泥浆泵16、中间传输装置15、钻铤6、电磁阀5、封隔器7、无线接收器21、地面控制系统22，地面上钻机1通过传动系统10带动钻杆旋转给钻头2提供破岩能量，防喷装置14安装在钻机1下，防喷管线13从井口处伸出，防喷管线13上设置阀门，双钻杆钻具有内钻杆8和外钻杆9，内钻杆8和外钻杆9同轴设置，外钻杆9和内钻杆8一起转动，两者没有相对运动。为了不影响钻井液在外钻杆9与内钻杆8之间环空的流动，在满足需要的条件下，要尽量选择尺寸较小的内钻杆8。如图3所示，中间传输装置15由同轴设置的内筒19和外筒20构成，内筒19是空气通道，内筒19和外筒20之间的环形空间为钻井液通道，内筒19的上端面设置进气口，外筒20的侧壁设置进液口，空气压缩机17连接到内筒19的进气口，泥浆泵16连接外筒20的进液口，内筒19末端连接内钻杆8，外筒20末端连接外钻杆9，钻井液循环系统11用于完成钻井液在地面和井下的循环；外钻杆9的末端连接钻铤6，内钻8杆的末端通过两到三个三脚架12固定在钻铤6底部，钻铤6连接钻头2；内钻杆8末端连接电磁阀5，封隔器7安装在外钻杆9上，无线密度传感器4和无线压力传感器3均安装在钻铤6底部；无线接收器21接收来自无线密度传感器4和无线压力传感器3的信号，无线接收器21连接地面控制系统22。地面控制系统22包括控制回路和计算机，无线接收器21连接控制回路，控制回路分别连接电磁阀5和封隔器7。

气体由空气压缩机17经中间传输装置15进入内钻杆8内向下流动，钻井液由泥浆泵16经中间传输装置15泵入，在外钻杆9与内钻杆8之间的环形空间向下流动；内钻杆8末端有一电磁阀5，电磁阀5的位于接近钻头2的位置；内钻杆8内的气体流经电磁阀5与钻井液在钻头2上方附近混合，通过注入气体稀释钻井液，形成密度较低的充气钻井液，充气钻井液经钻头2进入井眼环空（井壁与钻具之间环空），向上返回地面。无线压力传感器3和无线密度传感器4安装的钻铤6底部接近钻头2的位置，用来实时监测井眼环空的井底压力和钻井液密度，无线压力传感器3和无线密度传感器4将监测到的信息按一定规律变换成为电信号形式传输给控制回路，控制回路按照一定的规则和算法来决定一个输出信号，电磁阀5的开度取决于输出信号的强度，输出信号越强，电磁阀5开度越大，同一时间气体注入流量越大，反之气体注入流量越小，从而实时自动调节气体注入流量的大小。

发生溢流时：溢流就是由于地层压力高于井底压力，少量的地层液和/或气从地层侵入井眼环空。如果是地层液溢流到环空中，一般情况下地层液的密度高于充气钻井液的密度，地层水侵入会使充气钻井液密度升高，井底压力增大，无线压力传感器3和无线密度传感器4通过控制回路发出指令，增大电磁阀5的开度即增加气体注入流量，使环空充气钻井液密度减小至目标值；如果是地层气溢流到环空中，由于地层气的密度低于充气钻井液的密度，地层气侵入会使钻井液密度降低，井底压力减小，无线压力传感器3和无线密度传感器4通过控制回路发出指令，减小电磁阀5的开度即减小气体注入流量，使环空充气钻井液密度增大至目标值。

发生井涌，可能出现井喷危险时：当钻遇异常高压地层时，由于地层压力远高于井底压力，大量的地层液（或气）从地层涌向井眼环空，可能造成井喷事故。环空充气钻井液密度迅速增大（或减小），并且超出预设的安全值，无线压力传感器3和无线密度传感器4通过控制回路发出指令，一方面关闭电磁阀，阻止气体注入稀释密度较大的钻井液，一方面控制封隔器7膨胀，封住环空阻止环空中的流体上返至地面，环空钻井液密度持续升高，井底压力持续增大，直至消除井喷危险。

参阅图2，本发明控制原理：通过对井底压力和钻井液密度的实时监测，自动控制气体混入钻井液的流量，改变钻井液的密度，实现合理的井底压力，使井底压差在过平衡、欠平衡和近平衡状态转换，提高机械钻速，有效控制井壁失稳、井漏、卡钻、井喷等多种钻井复杂情况。通过安装在钻铤6靠近钻头2位置的无线压力传感器3和无线密度传感器4对井底情况进行实时监测，由控制回路向电磁阀5发出指令，控制电磁阀5的开度，从而自动控制流过电磁阀5的气体流量。当钻井液注入流量保持不变时，随着气体注入流量逐渐增加，环空中钻井液密度逐渐减小。通过实时监测环空井底钻井液的密度和压力情况，自动控制气体的注入流量，调节钻井液的密度，实现安全高效钻井的目的。

无线密度传感器4测量井底附近的环空钻井液的密度信息，无线压力传感器3测量井底压力信息，控制回路根据无线密度传感器4和无线压力传感器3的输入信号与预设值作比较，按照一定的规则和算法来决定一个输出信号，控制电磁阀5的打开/闭合和封隔器7的膨胀/收缩，同时通过无线接收器把井底钻井参数在地面上接收，供钻井技术人员参考是否进行人工控制。例如钻遇异常高压气层时，地层压力远大于井底压力，在压差的作用下地层气大量侵入到井眼环空中，地层气的密度远低于欠平衡钻井液的密度，地层气的大量侵入使环空中钻井液密度显著降低，井底压力也随之明显减小。这种变化被无线密度传感器4和无线压力传感器3测量并传输给控制回路，由于密度和压力信息输入值远低于预设值，控制回路一方面控制电磁阀5，关闭气体注入通道，此时只有密度较大的钻井液可以通过钻头，另一方面控制封隔器7膨胀，封住环空阻止环空中的流体上返至地面，环空钻井液密度持续升高，井底压力持续增大，直至消除井喷危险。同时为了防止井下自动控制失效，钻井技术人员根据返回的钻井参数信息，可以手动关闭地面输气管线阀门18切断气体供应，并且通过地面控制系统22发出命令控制电磁阀5关闭和封隔器7膨胀，使环空钻井液密度增大。安全起见，控制优先级上，人工控制优先于自动控制。

本发明采用井下气液混合方式缩短了控制时间，避免了控制滞后。由于钻井液从地面流动至井底需要一定的时间，井深越大则需要的时间越长，因此在地面调整气液混合比例，到达目标地层存在一定的延迟，采用井下进行气液混合避免了延迟，缩短了控制时间。

本发明根据地层实时监测情况，调节钻井液密度，控制井底压力，允许井底压差在过平衡、欠平衡和近平衡状态之间转换。

Claims (2)

1.一种钻井液密度井下实时控制系统，其特征在于：这种钻井液密度井下实时控制系统包括钻机（1）、防喷装置（14）、双钻杆钻具、空气压缩机（17）、泥浆泵（16）、中间传输装置（15）、钻铤（6）、电磁阀（5）、封隔器（7）、无线接收器（21）、地面控制系统（22），防喷装置（14）安装在钻机（1）下，双钻杆钻具有内钻杆（8）和外钻杆（9），内钻杆（8）和外钻杆（9）同轴设置，中间传输装置（15）由同轴设置的内筒（19）和外筒（20）构成，内筒（19）和外筒（20）之间的环形空间为钻井液通道，内筒（19）的上端面设置进气口，外筒（20）的侧壁设置进液口，空气压缩机（17）通过输气管线连接到内筒（19）的进气口，泥浆泵（16）连接外筒（20）的进液口，内筒（19）末端连接内钻杆（8），外筒（20）末端连接外钻杆（9）；外钻杆（9）的末端连接钻铤（6），内钻杆（8）的末端通过三脚架（12）固定在钻铤（6）底部；内钻杆（8）末端连接电磁阀（5），封隔器（7）安装在外钻杆（9）上，无线密度传感器（4）和无线压力传感器（3）均安装在钻铤（6）底部；无线接收器（21）接收来自无线密度传感器（4）和无线压力传感器（3）的信号，无线接收器（21）连接地面控制系统（22）。

2.根据权利要求1所述的钻井液密度井下实时控制系统，其特征在于：所述的空气压缩机（17）与内筒（19）之间的输气管线上安装阀门（18）。