CN104895548B - 深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于石油工程深水钻井领域,具体地,涉及一种深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置。深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置包括:海底钻井液管汇系统和海底井口压力指示及自动调节系统;海底钻井液管汇系统为井筒返回钻井液提供流动通道,使得钻井液能够顺利返回到钻井平台,同时为海底井口压力指示及自动调节系统提供基础;海底井口压力指示及自动调节系统能够实时显示海底井口压力,并对海底井口压力进行调节,保持海底井口压力恒等于海底处的海水静液压力。本发明能够在深水双梯度钻井的过程中,实时、自动保持海底井口压力恒等于海底处的海水静液压力,从而确保双梯度钻井的顺利实施。
Description
技术领域
本发明属于石油工程深水钻井领域,具体地,涉及一种深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置。
背景技术
我国石油工业逐步迈向海洋,尤其是南海深水油气田的勘探开发力度不断加大。海洋钻井,尤其是深水钻井面临着比陆地钻井更苛刻的作业环境,其中突出问题就是由于海水的存在,导致“安全密度窗口”窄。深水安全钻井要求井筒内的压力控制在安全密度窗口之内,因此,为使得井筒中的压力分布更接近深水钻井中面临的两种环境压力分布(泥线以上为海水压力分布,泥线以下为地层压力分布),海洋双梯度钻井等新技术逐步发展,并在应用中体现出明显优势。
深水双梯度钻井中的井筒压力控制,关键是保持海底井口以上隔水管内为海水静液压力分布,而海底井口以下井筒内为地层压力分布,尤其是确保海底井口压力为海底处海水的静液压力。为实现深水双梯度钻井,在海底井口附件安装了旋转分流器等特殊装置,从而将井筒一分为二,海底井口上部为隔水管,海底井口下部为井筒,实现空间分割的同时,将井筒的水力系统也隔离开来,海底井口上部的隔水管内充满海水,海底井口下部的井筒内为钻井液,旋流分离器上下的压力并不相等,意味着旋流分离器下部的海底井口压力并不等于海底处海水的静液压力,从而增加了下部井筒内压力检测及控制的困难,降低了深水双梯度钻井的压力控制精度。
同时,由于在钻井过程中海水深度时刻变化,导致海底处海水的静液压力也会随时间发生变化。而海水的存在导致海底压力的监测难度增加,从而进一步影响了双梯度钻井中对井筒压力的控制精确度。因此,有必要结合深水钻井所面临的环境特点,设计一种装置,能够实现对海底压力的监测,并实时保持海底井口压力为海底处海水的静液压力;同时为海底泥浆泵工作提供参数,保证其顺利工作。
发明内容
为满足深水油气资源勘探开发中安全钻井的要求,本发明提供一种深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置,能够时刻保持海底井口压力为海底处海水的静液压力,同时,能够实时指示海底井口的压力,为作业者提供参考。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案如下:
深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置,包括:海底钻井液管汇系统和海底井口压力指示及自动调节系统;海底钻井液管汇系统为井筒返回钻井液提供流动通道,使得钻井液能够顺利返回到钻井平台,同时为海底井口压力指示及自动调节系统提供基础;海底井口压力指示及自动调节系统能够实时显示海底井口压力,并对压力进行调节,保持海底井口压力恒等于海底处的海水静液压力,从而确保双梯度钻井的顺利实施。
相对于现有技术,本发明的有益效果如下:
(1)、实时维持海底井口压力与海底处海水的静液压力恒相等;
(2)、结构简单,实现方便,无需来自钻井平台的额外监测及控制装置和作业;
(3)、提高了双梯度钻井旋转防喷器以下井筒内的压力控制精度,利于安全、高效钻进。
附图说明
图1为深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置示意图;
图2为附带海底井口压力自动调节装置的深水双梯度钻井装置示意图;
图中:100、深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置;101、第一三通;102、第一平板闸阀;103、第二平板闸阀;104、第一压力计;105、第二三通;106、第三三通;107、液动节流阀;108、单流阀;110、第二压力计;109、海底泥浆泵;201、岩屑过滤器;202、海底压力控制器;2021海底压力控制器壳体;2022、下滑动杆;2023、弹簧;2024、活塞;2025、上滑动杆;2026、海底井口压力指示杆;2027、压力腔;203、增压器;301、浮式钻井平台;302、隔水管;303、钻柱;304、海底井口装置;305、钻头;306、钻井液排出管线;307、钻井液返回管线。
具体实施方式
如图1所示,深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置100,包括:海底钻井液管汇系统和海底井口压力指示及自动调节系统;海底钻井液管汇系统为井筒返回钻井液提供流动通道,使得钻井液能够顺利返回到钻井平台,同时为海底井口压力指示及自动调节系统提供基础;海底井口压力指示及自动调节系统能够实时显示海底井口压力,并对压力进行调节,保持海底井口压力恒等于海底处的海水静液压力,从而确保双梯度钻井的顺利实施;其中:
海底钻井液管汇系统,包括:第一三通101、第一平板闸阀102、第二平板闸阀103、第一压力计104、第二三通105、第三三通106、液动节流阀107、单流阀108、海底泥浆泵109、第二压力计110;第一三通101的入口通过钻井液排出管线306与海底井口装置304相连,第一三通101的第一出口通过管线与第一平板闸阀102的入口相连,第一平板闸阀102的出口通过管线与第二三通105的入口相连,第一平板闸阀102的出口与第二三通105的入口相连的管线上设有第一压力计104,第二三通105的第一出口通过管线与第三三通106的第一入口相连;第一三通101的第二出口通过管线与第二平板闸阀103的入口相连,第二平板闸阀103的出口通过管线与第三三通106的第二入口相连;第三三通106的出口通过管线与液动节流阀107的流体入口相连,液动节流阀107的流体出口通过管线与单流阀108的入口相连,单流阀108的出口通过管线与海底泥浆泵109的入口相连,单流阀108与海底泥浆泵109之间的连接管线上设有第二压力计110,海底泥浆泵109的出口通过钻井液返回管线307与浮式钻井平台301相连;第一三通101实现钻井液排出管线306的分支,第一平板闸阀102控制所在管线是否为流动管线,打开时为流动管线,关闭时为非流动管线,可通过水下机器人对第一平板闸阀102进行开关作业,第一压力计104显示海底井口压力,可通过水下机器人观测,第二三通105将入口管线分支为两条出口管线,第三三通106将两条入口管线合并为一条出口管线;第二平板闸阀103控制所在管线是否为流动管线,打开时为流动管线,关闭时为非流动管线,可通过水下机器人对第二平板闸阀103进行开关作业;液动节流阀107设置有液控装置,其开度由海底井口压力指示及自动调节系统控制,通过调节自身开度来控制钻井液流量及节流压降,单流阀108保证钻井液不发生回流,第二压力计110显示泵入口压力,可通过水下机器人观测,海底泥浆泵109返回的钻井液提供动力,使钻井液通过钻井液返回管线307返回到浮式钻井平台301。
海底井口压力指示及自动调节系统,包括:岩屑过滤器201、海底压力控制器202、增压器203;岩屑过滤器201的入口通过管线与第二三通105的第二出口相连,岩屑过滤器201内置过滤网,网孔尺寸小于深水双梯度钻井的固相颗粒处理器处理后的固相颗粒尺寸,实现对钻井液中固相颗粒的过滤,确保无大固相颗粒进入到海底井口压力指示及自动调节系统的腔体内;
海底压力控制器202由海底压力控制器壳体2021、下滑动杆2022、弹簧2023、活塞2024、上滑动杆2025、海底井口压力指示杆2026和压力腔2027组成。海底压力控制器壳体2021上下两端外径一致,但小于中部外径;上下两端分别设有可供上滑动杆2025、下滑动杆2022上下滑动的孔,其中供下滑动杆2022滑动的孔形成海底压力控制器202的入口;海底压力控制器202的入口通过管线与岩屑过滤器201的出口相连;中部内径比上下两端外径大,海底压力控制器壳体2021构成海底井口压力指示及调节装置的主腔体,活塞2024位于主腔体内,主腔体与活塞2024动密封;活塞2024将主腔体分为上下两部分,实现压力隔离,保证上下两部分互不干扰,上部充满海水,下部充满钻井液,当上下压力不相等时,在压差的作用下可上下运动,从而实现海底井口压力指示杆2026的上下运动及压力腔2027内压力的调整;活塞2024底面中心位置固定有下滑动杆2022,顶面中心位置固定有上滑动杆2025,下滑动杆2022和上滑动杆2025保证活塞2024只能上下运动;下滑动杆2022外套有弹簧2023,弹簧2023顶面位于活塞2024底面,弹簧2023底面位于海底井口压力指示及调节装置的主腔体的底端面,弹簧2023为活塞2024的上下运动提供缓冲,同时预设力,以补偿压力腔2027内的压力对活塞2024平衡位置的影响;主腔体顶部设置有开口,实现与外界海水连通,从而确保活塞2024上部的腔体内充满海水,上部的腔体内压力为海底处海水的静液压力;活塞2024顶面固定有海底井口压力指示杆2026,海底井口压力指示杆2026通过主腔体顶部设置的开口伸出,海底井口压力指示杆2026上标有刻度,海底井口压力指示杆2026随活塞2024运动,可指示海底井口压力指示及调节装置的腔体内活塞的位置,从而表明活塞上下压力的差别程度,可通过水下机器人观测;压力腔2027为顶端封闭的圆柱壳体,压力腔2027的底端固定在海底压力控制器壳体2021顶面中部,上滑动杆2025向上伸入压力腔,上滑动杆2025的顶端固定有活塞,实现对压力腔2027上部空间的密封,上部空间内充满气体,下部空间未密封,与外界海水连通;压力腔2027的出口通过液压管线与增压器203的入口相连,增压器203的出口通过液压管线与液动节流阀107的液控装置的入口相连;增压器203实现压力的增大,为液动节流阀107开度的调整提供足够动力。
如图2所示,深水双梯度钻井装置,安装有前述的深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置100,包括:浮式钻井平台301、隔水管302、钻柱303、海底井口装置304、钻头305、钻井液排出管线306、钻井液返回管线307;其中:
浮式钻井平台301处于海平面处,海底井口装置304位于泥线位置,隔水管302悬挂在浮式钻井平台301下方,隔水管302的下端与海底井口装置304相连,钻柱303穿过隔水管302、海底井口装置304,钻柱303末端安装有钻头305,海底井口装置304通过钻井液排出管线306与深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置100第一三通101的入口相连,深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置100海底泥浆泵109的出口通过钻井液返回管线307与浮式钻井平台301相连;
浮式钻井平台301为控压钻井作业提供工作空间,隔水管302为钻柱303的上下移动提供通道,隔水管302内部的海水实现隔水管302内外压力的平衡,防止隔水管302在海水压力的作用下产生破坏,钻柱303实现钻头的上提、下放,钻头305实现对地层的钻进,海底井口装置304由海底井口、防喷器组、固相颗粒处理器、旋转分流器组成,旋转分流器下设有钻井液流出口,实现来自于下部井筒内钻井液的分流,钻井液流向深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置100,钻井液排出管线306为从井筒排出的钻井液提供流动通道,深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置100实现对海底井口压力的自动调节,钻井液返回管线307为钻井液返回到浮式钻井平台301提供流动通道。
进行深水双梯度钻井时,海底井口装置304上部的隔水管302与钻柱303形成的环空内充满海水;来自浮式钻井平台301的钻井液通过钻柱303到达井底的钻头305,流出后,进入钻柱303与井筒形成的环空,携带岩屑上返;
返回的钻井液到达泥线位置时,通过海底井口装置304中的旋流分离器进入到海底钻井液管汇系统中;第一平板闸阀102所在管线为工作管线,第二平板闸阀103所在管线为备用管线;
深水双梯度正常钻井时,第一平板闸阀102处于打开状态,第二平板闸阀103处于关闭状态,钻井液通过第一平板闸阀102所在的管线流动;海底井口压力指示及自动调节系统失效或者其他意外情况下,通过水下机器人关闭第一平板闸阀102,打开第二平板闸阀103,钻井液通过第二平板闸阀103所在的管线流动;
深水双梯度正常钻井时,第一压力计104显示的为海底井口压力;返回的钻井液通过第一平板闸阀102所在的管线进入到海底井口压力指示及自动调节系统的活塞2024下部的腔体内,确保该腔体内压力为海底井口压力,记为P1;海水通过底压力控制器上壳体106上部的开口进入到海底井口压力指示及自动调节系统的活塞2024上部的腔体内,确保该腔体内压力为海底处海水的静液压力记为P2;
若P1大于P2,意味着海底井口压力超过海底处海水的静液压力,则活塞2024两侧压力不相等,上部压力小于下部压力,在压差的作用下活塞2024向上运动,同时带动海底井口压力指示杆2026一同向上运动,露出的长度增加,从而指示海底井口压力过高,上滑动杆2025也在活塞2024的带动下向上运动,从而压缩压力腔2027内的气体,使其压力增加,压力腔2027内的压力通过液压管线将压力传递到增压器203,从而触动液动节流阀107的液控装置,增加液动节流阀107的开度,减小节流压降的同时,增大了钻井液流量,从而降低了P1,使其向P2变化,直至相等;
若P1小于P2,意味着海底井口压力低于海底处海水的静液压力,则活塞2024两侧压力不相等,上部压力高于下部压力,在压差的作用下活塞2024向下运动,同时带动海底井口压力指示杆2026一同向下运动,露出的长度减小,从而指示海底井口压力过低,上滑动杆2025也在活塞2024的带动下向下运动,从而导致压力腔2027内的气体膨胀,使其压力降低,压力腔2027内的压力通过液压管线将压力传递到增压器203,从而触动液动节流阀107液控装置,减小液动节流阀107开度,增大节流压降的同时,减小了钻井液流量,从而增大了P1,使其向P2变化,直至相等;
若P1等于P2,意味着海底井口压力等于海底处海水的静液压力,则活塞2024两侧压力相等,活塞2024位置保持不变,同时海底井口压力指示杆2026露出长度不变,液动节流阀107开度保持不变,维持节流压降及钻井液流量;
海底钻井液管汇系统上的单流阀108确保钻井液不发生回流;第二压力计110显示的海底泥浆泵109的入口压力,可通过海底机器人观测;返回的钻井液在海底泥浆泵109的作用下,沿着钻井液返回管线307返回到浮式钻井平台301,经过去除固体颗粒等操作后,再进入到钻柱303内,从而实现钻井液的循环,实现双梯度钻井的安全钻进。
Claims (5)
1.一种深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置,包括:海底钻井液管汇系统和海底井口压力指示及自动调节系统;其特征在于:海底钻井液管汇系统为井筒返回钻井液提供流动通道,使得钻井液能够顺利返回到钻井平台,同时为海底井口压力指示及自动调节系统提供基础;海底井口压力指示及自动调节系统能够实时显示海底井口压力,并对压力进行调节,保持海底井口压力恒等于海底处的海水静液压力,从而确保双梯度钻井的顺利实施;海底压力控制器由海底压力控制器壳体、下滑动杆、弹簧、活塞、上滑动杆、海底井口压力指示杆和压力腔组成;海底压力控制器壳体上下两端外径一致,但小于中部外径;上下两端分别设有可供上滑动杆、下滑动杆上下滑动的孔,其中供下滑动杆滑动的孔形成海底压力控制器的入口;中部内径比上下两端外径大,海底压力控制器壳体构成海底井口压力指示及调节装置的主腔体,活塞位于主腔体内,主腔体与活塞动密封;活塞将主腔体分为上下两部分,实现压力隔离,上部充满海水,下部充满钻井液;活塞底面中心位置固定有下滑动杆,顶面中心位置固定有上滑动杆;下滑动杆外套有弹簧,弹簧顶面位于活塞底面,弹簧底面位于海底井口压力指示及调节装置的主腔体的底端面;主腔体顶部设置有开口,活塞顶面固定有海底井口压力指示杆,海底井口压力指示杆通过主腔体顶部设置的开口伸出,海底井口压力指示杆上标有刻度,海底井口压力指示杆随活塞运动,可指示海底井口压力指示及调节装置的腔体内活塞的位置;压力腔为顶端封闭的圆柱壳体,压力腔的底端固定在海底压力控制器壳体顶面中部,上滑动杆向上伸入压力腔,上滑动杆的顶端固定有活塞,实现对压力腔上部空间的密封,上部空间内充满气体,下部空间未密封,与外界海水连通;压力腔顶部设有出口,该出口即海底压力控制器的出口。
2.根据权利要求1所述的深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置,其特征在于:海底钻井液管汇系统,包括:第一三通、第一平板闸阀、第二平板闸阀、第一压力计、第二三通、第三三通、液动节流阀、单流阀、海底泥浆泵、第二压力计;第一三通的入口通过钻井液排出管线与海底井口装置相连,第一三通的第一出口通过管线与第一平板闸阀的入口相连,第一平板闸阀的出口通过管线与第二三通的入口相连,第一平板闸阀的出口与第二三通的入口相连的管线上设有第一压力计,第二三通的第一出口通过管线与第三三通的第一入口相连;第一三通的第二出口通过管线与第二平板闸阀的入口相连,第二平板闸阀的出口通过管线与第三三通的第二入口相连;第三三通的出口通过管线与液动节流阀的流体入口相连,液动节流阀的流体出口通过管线与单流阀的入口相连,单流阀的出口通过管线与海底泥浆泵的入口相连,单流阀与海底泥浆泵之间的连接管线上设有第二压力计,海底泥浆泵的出口通过钻井液返回管线与浮式钻井平台相连。
3.根据权利要求2所述的深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置,其特征在于:海底井口压力指示及自动调节系统,包括:岩屑过滤器、海底压力控制器、增压器;岩屑过滤器的入口通过管线与第二三通的第二出口相连,海底压力控制器的入口通过管线与岩屑过滤器的出口相连;海底压力控制器的出口通过液压管线与增压器的入口相连,增压器的出口通过液压管线与液动节流阀的液控装置的入口相连。
4.根据权利要求3所述的深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置,其特征在于:岩屑过滤器内置过滤网,网孔尺寸小于深水双梯度钻井的固相颗粒处理器处理后的固相颗粒尺寸。
5.一种深水双梯度钻井装置,安装有权利要求1-4之一所述的深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置,包括:浮式钻井平台、隔水管、钻柱、海底井口装置、钻头、钻井液排出管线、钻井液返回管线;其中:浮式钻井平台处于海平面处,海底井口装置位于泥线位置,隔水管悬挂在浮式钻井平台下方,隔水管的下端与海底井口装置相连,钻柱穿过隔水管、海底井口装置,钻柱末端安装有钻头,海底井口装置通过钻井液排出管线与深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置第一三通的入口相连,深水双梯度钻井用海底井口压力指示及自动调节装置海底泥浆泵的出口通过钻井液返回管线与浮式钻井平台相连。
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