CN104847287B - 一种平衡压力钻井控压方法 - Google Patents

一种平衡压力钻井控压方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种平衡压力钻井控压方法,在钻进过程中关闭旋转防喷器和钻井液灌注系统的闸板阀,通过调节控压节流管汇的节流阀开度,控制循环钻井液量稳定;在起钻过程中开启闸板阀,控压节流管汇处于关位,通过钻井液灌注系统向井内挤注钻井液;下钻过程闸板阀处于关位,通过控压节流管汇的节流阀交替开、关放出钻井液。本发明通过控制钻井液液量实现控压操作,通过钻井液循环罐液面的变化判定井底压力与地层压力的平衡状态,无需进行井底压力的计算、测量与控制,控压工艺更加简便,提高了现场可操作性水平。

Description

一种平衡压力钻井控压方法
技术领域
[0001]本发明涉及钻井技术领域中的一种平衡压力钻井控压方法。
背景技术
[0002]控压钻井技术是近年来形成的一项钻井新技术,主要用于保护油气层等地下资 源、防止钻进中的井漏、保证钻井井控安全以及加快钻井速度。但目前形成的控压钻井方 法,主要是“井底恒压”控制方法和“微流量控制”控制方法,不能将井底压力与地层压力联 系起来进行考虑和控制,不能实现二者的实时平衡,不能实现“零压力窗口”地层的钻井。并 且配套装备复杂、控制要求高、现场实施难度大,具有很大局限性。
[0003] 油钻探技术2011年第39卷第4期,在第7—12页介绍了《P⑶S — 1精细控压钻井系 统研制与现场试验》。文中介绍了 PCDS—1系统的研制与现场试验情况,也介绍了国外控压 钻井技术,包括Schlumberger公司的DAPC系统、Halliburton公司的MPD系统和 Weatherford公司的MFC系统。
[0004] Schlumberger公司的DAPC系统采用“井底恒压”控压方式,节流管汇、回压栗、水力 学模型和综合压力控制器协同工作,提供不间断的精确压力控制,使井底压力保持在允许 范围内。本方法强调自动调节回压和动态控制,以保持井底压力稳定。
[0005] Halliburton公司的MPD系统采用“井底恒压”控压方式,其与DAPC的功能类似,并 具备微流量监测控制功能,其优势是自动化、反应迅速、控制精度高,井口回压自动控制精 度达到0.35MPa。
[0006] PCDS—1精细控压钻井系统,采用“井底恒压”控制方式,主要由自动节流系统、回 压泵系统、液气控制系统、自动控制系统和控制中心等部分组成。在控压钻井试验中,钻进 中井口回压值误差不大于设定值0.2MPa,起下钻工况误差在0.5MPa以内。
[0007] 该种控制方式存在四个方面的问题:一是控制目的为“井底恒压”,即pb = pma+pla +pax (pb为井底压力,pma为环形空间静液压力,pla为循环时环空压耗,pax为井口回压),没 有考虑井底压力与地层压力的平衡。在实施中,即使按设定的井底压力值精确控压,对窄压 力窗口或无压力窗口地层,也会因两个压力存在差值而无法达到“不涌不漏”状态;二是对 于井底压力的计算,受循环压耗、抽吸压力、激动压力以及钻井液性能等因素影响,难以计 算准确;三是需要增加井底测压装置、回压泵、综合压力控制器以及水力学模型等,配套复 杂,控制难度大;四是现场实施需要专业队伍,推广难度大。
[0008] Weatherford公司的MFC系统采用“微流量控制”控压方式,通过实时监测进出口钻 井液的微小压力、质量流量、当量循环密度和流速等参数快速改变井口回压,以满足钻井工 艺要求。该方式强调微流量监测控制,即在溢流小于80L时即可检测出来并在2min内对其进 行控制,使总溢流体积小于800L。该控制方式控制的是溢流,只要既没有溢流、也没有漏失 就能达到安全钻井状态,更适应控压钻井要求。但该控压方式存在装置和仪器配套复杂、实 施工艺复杂的问题,推广应用难度大。
[0009] 石油钻探技术2011年第39卷第4期,在第13—18页介绍了《控压钻井分级智能控制 系统》。该控制系统也采用了“井底恒压”控压方式,同样存在上述的问题,达不到“零压力窗 口”控压钻井要求。
[0010] 石油钻探技术2〇12年第40卷第6期,在第99 一103页介绍了《三参数自动控压钻井 系统的研制与试验》。三参数自动控压钻井系统属于“井底恒压”方式和“微流量控制”方式 的组合应用。在井底恒压方式方面,采用了井底压力计算公式,g卩pb = Pma+pla+pax,没有考 虑与地层压力的平衡,仍然存在上述的四方面问题;在微流量控制方面,引用了国外MFC系 统和相关控制参数,即能在流量变化小于80L时检测到溢流并可在120s内控制溢流,使总溢 流体积小于8〇OL。该系统需要增加回压泵、高精度进出口流量计装置与仪器,存在配套复 杂、控制难度大等问题。对于超饱和盐水层钻井,允许溢流量800L就不能满足井下安全要 求。
[0011] 为此,研究一种原理科学、工艺技术先进、配套简单、现场实施方便的控压钻井工 艺方法,适应钻井压力控制越来越大的实际状况,是十分必要的。
发明内容
[0012] 本发明的目的是针对现有技术存在的问题,提供一种原理科学、技术先进、配套简 单、操作方便、满足窄压力窗口地层安全钻井需要的平衡压力钻井控压方法。
[0013]本发明的原理设计是以实现井底压力与地层压力平衡为出发点,即满足pp = pb = pma+pla+pax (pp为地层压力,pb为井底压力,pma为井眼环形空间静液柱压力,pla为循环 时环形空间压力损失,pax为套管压力)。
[0014]为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
[0015] 一种平衡压力钻井控压方法,其基于一种平衡压力钻井控压装置,该装置包括井 口装置和常规钻井液循环系统,其中井口装置包括井口四通、井口防喷器组和井口立管,常 规钻井液循环系统包括常规节流管汇、钻井液循环罐、钻井泵和灌浆泵;该装置还包括井口 旋转防喷器、控压节流管汇以及钻井液灌注系统;钻井液灌注系统包括压井管汇、闸板阀、 单流阀、灌注泵,其中,压井管汇一路与井口四通连接,二路与井口立管和钻井泵连接,三路 通过闸板阀、单流阀、灌注泵与钻井液循环罐连接;井口旋转防喷器安装在井口防喷器组上 端;控压节流管汇和常规节流管汇并联,其一端分别与井口旋转防喷器、井口四通连接,另 一端连接至钻井液循环罐并形成钻井液循环。在控压节流管汇与钻井液循环罐之间还连接 有液气分离器。在钻井液循环罐上安装有液位仪并与计算机进行实时传输。控压节流管汇 的节流阀采用电动和手动双重控制机构,并与计算机PLC控制器连接。
[0016] 本发明的平衡压力钻井控压方法是:在钻进过程中关闭旋转防喷器和钻井液灌注 系统的阐板阀,通过调节控压节流管汇的节流阀开度,控制循环钻井液量稳定;在起钻过程 中开启闸板阀,控压节流管汇处于关位,通过钻井液灌注系统向井内挤注钻井液;下钻过程 闸板阀处于关位,控压节流管汇的节流阀交替开、关;
[0017] 上述方案还包括:在钻进和下钻过程中通过节流阀放出的钻井液量与下入钻柱体 积相等,在起钻过程中挤注钻井液的体积与起出的钻具体积相等。
[0018] 上述方法的具体实施步骤如下:
[0019] a、钻进作业中,旋转防喷器处于关闭状态,钻井液通过高压管线、控压节流管汇、 液气分离器、钻井液循环罐进行循环,通过液位仪检测钻井液液面变化情况,并通过计算机 PLC控制器或手动控制控压节流管汇的节流阀开度,保持循环液量稳定;
[0020] b、起钻过程之前,旋转防喷器处于关闭状态,在循环情况下根据地层压力首先向 钻柱内部注入重钻井液,使立管压力降至〇,并关闭控压节流管汇的节流阀;打开闸板阀,用 灌注栗通过灌注管线向井内挤注入将要起出的一柱钻柱体积相等的钻井液量,通过钻井液 循环罐进行计量,然后起出一柱钻柱,再次挤注入、再次起出钻柱,起至即将发生“管轻”现 象之前,关闭闸板阀、打开控压节流管汇的节流阀,用重钻井液循环将套管压力降至〇,或直 接向环形空间挤注入重钻井液使套管压力降至〇,然后打开旋转防喷器,开井起钻并连续灌 入与起出钻柱体积相等的常规钻井液,直至起钻完;
[0021] C、下钻过程中,关闭闸板阀,开始下钻阶段为开井状态,返出的钻井液量与下入的 钻柱体积应相等,下钻至即将发生溢流的深度,关闭旋转防喷器,通过高压管线、控压节流 管汇并通过计量罐计量返出钻井液量,直至下钻完。
[0022]上述方法实施过程中应根据地层压力调整钻井液密度,套管压力不宜过高,保证 钻进与起下钻过程中的安全控制。起钻和下钻过程中,采用手动控制钻井液的灌入和放出 量时,通过计量罐进行准确计量。
[0023]本发明的有益效果如下:1、钻进过程中保持旋转防喷器关闭状态,根据钻井液循 环罐中钻井液的实时变化情况,控制节流阀开度以控制循环钻井液量的“稳定”,可实现井 底压力与地层压力的平衡;2、起钻过程中,初期保持旋转防喷器关闭状态,用循环方式将钻 具内注入重钻井液使立管压力降至0,根据将要起出的钻柱体积挤(灌)注入井内相等的钻 井液量,然后起出一柱钻柱,再次挤(灌)注入钻井液,再次起出钻柱,……,可保证井底压力 与地层压力的平衡;起至即将发生“管轻”现象之前,采用重钻井液循环或者从井眼环空挤 (灌)注入重钻井液方法,使套管压力降至0,实现井底压力与地层压力的平衡,然后打开防 喷器开井起钻并灌入钻进时密度的钻井液;3、下钻中,初期井内压力处于平衡状态,可开井 下钻。下钻至有溢流发生时关闭旋转防喷器,每下入一柱钻柱然后开节流阀放出该钻柱体 积的钻井液量,可保证井底压力与地层压力的平衡。
[0024]在有天然气侵入井筒的情况下,随着钻井液节流循环进入液气分离器进行分离排 气,并根据气量的大小适时、适当提高钻井液密度,但以控制循环液量的稳定为原则,实现 井底压力与地层压力的平衡。
[0025]与现行控压钻井方法相比,具有显著优势:地面无回压泵、流量计等设备与装置, 井下无压力测量传输装置,配套简单;钻进操作中以钻井液循环罐中液量的稳定为原则、起 下钻中以钻柱的体积为原则进行控制,测量计量与操作十分简便。
附图说明
[0026]附图1为本发明一种装置的实施例流程示意图。
具体实施方式
[GG27]下面结合附图作详细说明。
[0028]本发明平衡压力钻井控压装置主要由井口四通、井口防喷器组、井口立管、井口旋 转防喷器1、控压节流管汇3、常规节流管汇15和钻井液灌注系统、液气分离器4、液位仪以及 钻井液循环系统等组成。井口旋转防喷器1安装于井口防喷器组上端,并通过高压管线2与 控压节流管汇3连接,控压节流管汇3通过管线与液气分离器4连接并连接钻井液循环罐10; 从井口装置四通接出的压井管汇5与钻井液灌注系统连接,钻井液灌注系统压井管汇5出口 端依次连接闸板阀6、单流阀7和灌注栗8,灌注栗8与钻井液循环罐10相连;压井管汇5通过 高压管线与钻井泵9连接,钻井液循环罐10、11、12、13、14用管线连接并与钻井栗9连接;钻 井液循环罐10、11、12、13、14上安装有液位仪。
[0029]常规节流管汇15通过高压管线16与控压节流管汇3连接。钻井栗9出口通过高压管 线连接井口立管,并与压井管汇5连接。钻井液循环罐10既可作为钻井液循环罐,也可用作 起钻时挤(灌)注与下钻时放出钻井液的钻井液计量罐。钻井液灌注系统采用了专用通路与 井眼环空连通,不影响压井管汇5作为井控装置的功能。同样,常规节流管汇15通过高压管 线16与液气分离器4连通,可进行正常井控压井作业。
[0030]钻井液循环罐数量应根据不同钻机类型配备,不受图示数量限制。同时,根据不同 井型和钻机类型,还应配备一定数量的重钻井液储备罐。
[0031]利用该控压装置实现的平衡压力钻井控压工艺技术方法如下:
[0032]在钻进前,将井口旋转防喷器1、控压节流管汇3、钻井液灌注系统、液位仪按如下 方式连接:1、将井口旋转防喷器安放于井口防喷器组最上方;2、控压节流管汇与常规节流 管汇并联,其一端通过高压管线2与井口旋转防喷器1旁通法兰相连,另一端与液气分离器 4相连;3、钻井液灌注系统与压井管汇5连接,在管线上安装闸板阀6与单流阀7,连接钻井液 灌注栗8,再与钻井液循环罐(计量罐)10、11、I2、13、14连接;4、在钻井液循环罐上安装液 位仪并与计算机连接;5、计算机PLC控制器与控压节流管汇3上的电动一手动执行机构连 接,该机构在无电时可手动控制。
[0033]在钻进过程中旋转防喷器1处于关闭状态,灌注管线闸板阀6处于关位。通过控制 控压节流管汇3的节流阀开度,控制循环钻井液量稳定;起钻时开启闸板阀6,通过钻井液灌 注系统向井内挤(灌)注钻井液。挤(灌)注钻井液体积与起出的钻柱体积应相等,实现起钻 过程井内压力平衡,控制起钻过程中地层流体侵入;下钻时关闭闸板阀6,通过控压节流管 汇3的节流阀放出与下入钻柱体积相等的钻井液量,实现下钻过程井内压力平衡,防止下钻 过程中的漏失。
[0034]该控压钻井方法的具体实施步骤如下:
[0035] 1、在实施平衡压力控压钻井之前,将旋转防喷器1、控压节流管汇3、钻井液灌注系 统以及液气分离器8与井口防喷器组、钻井液循环系统按图1形式进行连接。
[0036] 2、钻进过程中闸板阀6处于关位,控压节流管汇3的节流阀处于开位;起钻过程中 闸板阀6处于开位,控压节流管汇3的节流阀处于关位;下钻过程闸板阀6处于关位,控压节 流管汇3的节流阀交替开、关。
[0037] 3、钻进作业中,旋转防喷器1处于关闭状态,钻井液通过高压管线2、控压节流管汇 3、液气分离器4、钻井液循环罐1〇进行循环。通过液位仪检测钻井液液面变化情况,并通过 计算机PLC控制器控制控压节流管汇3的节流阀开度,保持循环液量稳定。在无电情况下, 可手动控制控压节流管汇3的节流阀开度保持循环液量稳定。
[0038] 4、起钻过程中,打开闸板阀e,关闭控压节流管汇3的节流阀与闸板阀。起钻前,旋 转防喷器1处于关闭状态,在循环情况下根据地层压力首先向钻具内部注入重钻井液,使立 管压力降至0,并关闭控压节流管汇3的节流阀与闸板阀。打开闸板阀6,用灌注栗8通过灌注 ^线向井内挤(灌)注入将要起出的一柱钻柱体积相等的钻井液量,通过钻井液循环罐10进 行计量,然后起出一柱钻柱,再次挤(灌)注入、再次起出钻柱,……。起至即将发生“管轻,,现 象之前,关闭闸板阀6、打开控压节流管汇3的节流阀与闸板阀,用重钻井液循环将套管压力 降至0,或直接向环形空间挤(灌)注入重钻井液使套管压力降至〇,然后打开旋转防喷器u 开井起钻并连续灌入与起出钻柱体积相等的常规钻井液,直至起钻完。
[0039] 5、下钻过程中,关闭闸板阀6。开始下钻阶段为开井状态,返出的钻井液量与下入 的钻柱体积应相等,下钻至即将发生溢流的深度,关闭旋转防喷器,通过高压管线2、控压节 流管汇3并通过计量罐10计量返出钻井液量,直至下钻完。
[0040] 6、应根据地层压力调整钻井液密度,套管压力不宜过高,保证钻进与起下钻过程 中的安全控制。起钻和下钻过程中,采用手动控制钻井液的灌入和放出量,通过计量罐10进 行准确计量。
[0041]控压钻井中,通过钻井液循环罐液面的变化判定井底压力与地层压力的平衡状 态,使复杂控压钻井工艺大大简化,提高了现场可操作性水平。与国内外现有控压钻井方式 相比,本发明以井底压力与地层压力的实时平衡为出发点,控压原理更加科学;通过控制钻 井液液量实现控压操作,无需进行井底压力的计算、测量与控制,控压工艺更加简便;不需 配套回压泵、进出口流量计、井底测压系统等装备,装备配套和现场使用更加方便。

Claims (3)

1. 一种平衡压力钻井控压方法,其基于一种平衡压力钻井控压装置,该平衡压力钻井 控压装置包括井口装置和常规钻井液循环系统,其中井口装置包括井口四通、井口防喷器 组和井口立管,常规钻井液循环系统包括常规节流管汇、钻井液循环罐、钻井泵和灌浆泵; 该平衡压力钻井控压装置还包括井口旋转防喷器、控压节流管汇以及钻井液灌注系统;钻 井液灌注系统包括压井管汇、闸板阀、单流阀、灌注泵,其中,压井管汇一路与井口四通连 接,二路与井口立管和钻井泵连接,三路通过闸板阀、单流阀、灌注泵与钻井液循环罐连接; 井口旋转防喷器安装在井口防喷器组上端;控压节流管汇和常规节流管汇并联,其一端分 别与井口旋转防喷器、井口四通连接,另一端连接至钻井液循环罐并形成钻井液循环;在控 压节流管汇与钻井液循环罐之间还连接有液气分离器;在钻井液循环罐上安装有液位仪并 与计算机进行实时传输,控压节流管汇的节流阀采用电动和手动双重控制机构,并与计算 机PLC控制器连接;其特征在于:在钻进过程中关闭井口旋转防喷器和钻井液灌注系统的 闸板阀,通过调节控压节流管汇的节流阀开度,控制循环钻井液量稳定;在起钻过程中开启 闸板阀,控压节流管汇处于关位,通过钻井液灌注系统向井内挤注钻井液;下钻过程闸板阀 处于关位,通过控压节流管汇的节流阀交替开、关返出钻井液。
2. 根据权利要求1所述的平衡压力钻井控压方法,其特征在于:在钻进和下钻过程中 通过节流阀返出的钻井液量与下入钻柱体积相等,在起钻过程中挤注钻井液的体积与起出 的钻柱体积相等。
3. 根据权利要求1或2所述的平衡压力钻井控压方法,其特征在于具体实施步骤如下: a、 钻进作业中,井口旋转防喷器处于关闭状态,钻井液通过高压管线、控压节流管汇、 液气分离器、钻井液循环罐进行循环,通过液位仪检测钻井液液面变化情况,并通过计算机 PLC控制器或手动控制控压节流管汇的节流阀开度,保持循环液量稳定; b、 起钻过程之前,井口旋转防喷器处于关闭状态,在循环情况下根据地层压力首先向 钻柱内部注入重钻井液,使立管压力降至0,并关闭控压节流管汇的节流阀;打开闸板阀,用 灌注栗通过灌注管线向井内挤注入将要起出的一柱钻柱体积相等的钻井液量,通过钻井液 循环罐进行计量,然后起出一柱钻柱,再次挤注入、再次起出钻柱,起至即将发生“管轻”现 象之前,关闭闸板阀、打开控压节流管汇的节流阀,用重钻井液循环将套管压力降至〇,或直 接向环形空间挤注入重钻井液使套管压力降至〇,然后打开井口旋转防喷器,开井起钻并连 续灌入与起出钻柱体积相等的常规钻井液,直至起钻完; c、 下钻过程中,关闭闸板阀,开始下钻阶段为开井状态,返出的钻井液量与下入的钻柱 体积应相等,下钻至即将发生溢流的深度,关闭井口旋转防喷器,通过高压管线、控压节流 管汇并通过计量罐计量返出钻井液量,直至下钻完。
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