CN108425649A - 钻井液密度分段调控装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种钻井液密度分段调控装置，包括接头本体和多个密度小于钻井液密度的空心球体；接头本体上设置沿轴向贯通的中心孔，中心孔由等径直孔和锥孔连通构成，接头本体的侧壁上设置排液透孔；等径直孔内设有导流叶轮筒，导流叶轮筒内设置多个叶片，导流叶轮筒内设置返流过液孔，导流叶轮筒的顶部固定设有排液管，排液管的顶部通过过渡管与各排液透孔密封连通，导流叶轮筒的底部固定设有向下延伸设置的溢流管，溢流管的内腔与返流过液孔的底部密封连通设置。通过该装置可以实现深水变梯度钻井，很好地解决了单梯度钻井下入套管层次过多的问题，同时也解决了双梯度钻井中需要大型设备的问题，降低钻井成本，解决了深水钻井窄密度窗口问题。

Description

钻井液密度分段调控装置

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其涉及一种钻井液密度分段调控装置。

背景技术

近年来，全球获得的重大油气勘探开发中，有50％来自海洋，主要是深水海域，深水海域已经成为国际上油气勘探开发的重要接替区。深水油气勘探开发正成为世界石油的主要增长点和科技创新的前沿，深水将成为未来油气资源争夺的主战场。

钻井是深水油气勘探开发的关键环节，深水钻井面临诸多挑战和风险：(1)水深带来的挑战。随着水深的增加，对钻具、钻井液、隔水管、平台的承载能力、钻机载荷、甲板空间等提出了更高的要求，成本相应增加。(2)风浪带来的挑战。深水环境的风浪会引起钻井船的移动，导致隔水管出现变形和涡激振动，需要更高的疲劳强度设计；风浪流对隔水管系统与水下防喷器的连接也会有影响；海洋风暴对钻井平台更是灾难性的破坏。(3)低温带来的挑战。海水温度随井深增加而降低，海底温度一般在4℃左右，并可以影响到海底泥线以下约数百米的岩层，导致隔水管中钻井液的流变性发生变化，使钻井液的粘度和密度增大，出现凝胶效应，对井筒压力控制带来了困难，而且低温导致水钻井液的凝固时间加长，容易出现流体的窜流，导致水泥的强度下降。(4)水合物带来的挑战。如果钻井过程中井内含有天然气，那么水合物极容易出现。使得节流管汇、压井管汇、液气分离器、防喷器阻塞，妨碍油井的压力监测。(5)窄钻井液安全密度窗口带来的挑战。深水造成的欠压实使得破裂压力梯度与地层孔隙压力梯度之间的窗口较窄，容易造成漏喷塌卡等事故，导致套管层次增加，甚至无法钻达目的层，使钻井深度和建井周期受到很大的影响。其中，地层窄安全密度窗口问题最为突出，以致在钻井过程中，易发生漏、喷、塌、卡等复杂事故，给深水油气勘探开发带来巨大安全隐患。如阿姆河气田储层为礁灰岩，裂缝发育，渗透性极好，地层压力窗口非常窄，在钻井过程中由于钻井液密度过大，发生恶性漏失。

目前，深水钻井采用常规单梯度钻井技术，为应对地层狭窄的密度窗口，通常只有采取增加套管层次的方式来降低作业风险，以维持钻进。其不足之处在于：单开裸眼段较短，套管层次较多，对于深井，难以钻达目的层。上世纪90年代出现的双梯度钻井技术在一定程度上解决了深水钻井中窄密度窗口问题，双梯度钻井技术是通过在隔水管环空底部注入低密度轻质介质，降低隔水管环空钻井液密度，使之与海水密度相当，这样在井筒中形成两个液柱压力梯度，使海底以下钻井液的密度可调范围相对变宽。双梯度钻井虽然比单梯度钻井更具优势，但其仍存在不足：需要大型设备(如海底举升泵)，增加了钻井成本，且随着油气资源开发深度越来越深，双梯度钻井技术也不能完全地解决深水钻井窄密度窗口问题，其局限性也日益突出。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种钻井液密度分段调控装置，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻井液密度分段调控装置，通过该装置可以实现深水变梯度钻井，很好地解决了单梯度钻井下入套管层次过多的问题，同时也解决了双梯度钻井中需要大型设备的问题，降低钻井成本，最终解决了深水钻井窄密度窗口问题。

本发明的目的是这样实现的，一种钻井液密度分段调控装置，所述钻井液密度分段调控装置包括呈筒状设置的接头本体和多个密度小于钻井液密度的空心球体；所述接头本体上设置沿轴向贯通的中心孔，所述中心孔由等径直孔和直径向下减缩的锥孔上下连通构成，所述接头本体位于所述等径直孔的顶部的侧壁上设置多个排液透孔，各所述排液透孔的内径尺寸大于所述空心球体的直径尺寸；

所述等径直孔内靠近所述锥孔的一端套设有导流叶轮筒，所述导流叶轮筒内设置多个沿轴向倾斜设置的叶片，各所述叶片沿周向间隔设置，相邻所述叶片之间构成允许空心球体和钻井液下行的轴向通道，所述导流叶轮筒内设置轴向贯通的返流过液孔，所述返流过液孔能允许空心球体和钻井液返流上行；所述导流叶轮筒的顶部固定设有向上延伸设置的排液管，所述排液管的内腔与所述返流过液孔的顶部密封连通设置，所述排液管的顶部通过多个过渡管与各所述排液透孔密封连通，各过渡管之间呈周向间隔设置；所述导流叶轮筒的底部固定设有向下延伸设置的溢流管，所述溢流管的内腔与所述返流过液孔的底部密封连通设置，所述溢流管的底部开口位于所述锥孔内；所述排液管和所述溢流管的内径尺寸大于所述空心球体的直径尺寸。

在本发明的一较佳实施方式中，所述导流叶轮筒包括叶轮外筒，所述叶轮外筒内同轴套设有叶轮内筒，所述叶轮内筒的内腔构成所述返流过液孔。

在本发明的一较佳实施方式中，所述导流叶轮筒包括叶轮外筒，所述叶轮外筒内同轴套设有叶轮内筒，所述排液管、所述溢流管由一个密封穿过所述叶轮内筒的管体构成，所述管体位于所述导流叶轮筒上方的部分构成所述排液管，所述管体位于所述导流叶轮筒下方的部分构成所述溢流管，所述管体的内腔构成所述返流过液孔。

在本发明的一较佳实施方式中，各所述叶片的径向内侧分别与所述叶轮内筒的外壁连接，各所述叶片的径向外侧分别与所述叶轮外筒的内壁连接。

在本发明的一较佳实施方式中，所述叶轮外筒的外壁通过螺纹密封固定连接于所述等径直孔的内壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，所述等径直孔位于所述叶轮外筒下方的内壁上设有第一台阶部，所述第一台阶部的顶面与所述叶轮外筒的底面顶抵设置。

在本发明的一较佳实施方式中，所述等径直孔的侧壁上部设置第一连接锥螺纹部，所述接头本体的外壁底部设置直径向下减缩的锥面，所述锥面上设置第二连接锥螺纹部。

由上所述，本发明提供的钻井液密度分段调控装置具有如下有益效果：

(1)本发明的钻井液密度分段调控装置可以通过在钻井液中加入相应规格的空心球体来调控进入井眼环空不同深度处的钻井液的密度，从而更加灵活、精确地控制井筒压力，实现多梯度钻井，解决深水钻井窄密度窗口问题；

(2)本发明的钻井液密度分段调控装置能够很好地解决较短的单梯度钻井中，下入套管层次过多的问题，同时有利于井控控制，减少了危险事故发生的概率；

(3)使用本发明的钻井液密度分段调控装置进行井筒压力分段控制时，无需大型的设备，降低了钻井成本，同时随着开发深度的加大，在有限的套管层次下，很好的解决了单梯度和双梯度钻井很难钻达目的层的问题。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1：为本发明的钻井液密度分段调控装置的结构示意图。

图2：为双梯度钻井时本发明的钻井液密度分段调控装置使用状态简图。

图3：为多梯度钻井时本发明的钻井液密度分段调控装置使用状态简图。

图中：

100、钻井液密度分段调控装置；

1、接头本体；

11、等径直孔；

12、锥孔；

13、排液透孔；

14、第一台阶部；

15、锥面；

161、第一连接锥螺纹部；162、第二连接锥螺纹部；

2、空心球体；

3、导流叶轮筒；

31、叶片；32、叶轮外筒；33、叶轮内筒；

41、排液管；42、过渡管；43、溢流管；

81、井眼环空；

9、钻杆。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图3所示，本发明提供一种钻井液密度分段调控装置100，使用时，钻井液密度分段调控装置100串接于空心的钻杆9(现有技术)上；钻井液密度分段调控装置100包括呈筒状设置的接头本体1和多个密度小于钻井液密度的空心球体2，多个空心球体2用于分段调控钻井液密度时的投球操作；

如图1所示，接头本体1上设置沿轴向贯通的中心孔，中心孔由等径直孔11和直径向下减缩的锥孔12上下连通构成，接头本体1位于等径直孔11的顶部的侧壁上设置多个排液透孔13，各排液透孔13的内径尺寸大于空心球体的直径尺寸，在本发明的一具体实施例中，排液透孔13的数量为2个，2个排液透孔13呈径向对称设置；等径直孔11内靠近锥孔12的一端套设有导流叶轮筒3，导流叶轮筒3内设置多个沿轴向倾斜设置的叶片31，各叶片31沿周向间隔设置，相邻叶片31之间构成允许空心球体2和钻井液下行的轴向通道，注入的钻井液下行冲击在各叶片上，倾斜设置的各叶片使得钻井液和投入的空心球体旋流向下；导流叶轮筒3内设置轴向贯通的返流过液孔，返流过液孔能允许空心球体和钻井液返流上行；导流叶轮筒3的顶部固定设有向上延伸设置的排液管41，排液管41的内腔与返流过液孔的顶部密封连通设置，排液管41的顶部通过多个过渡管42与各排液透孔13密封连通；导流叶轮筒3的底部固定设有向下延伸设置的溢流管43，溢流管43的内腔与返流过液孔的底部密封连通设置，溢流管43的底部开口位于锥孔12内；排液管41和溢流管43的内径尺寸大于空心球体的直径尺寸。

本发明的钻井液密度分段调控装置100可以通过在钻井液中加入相应规格的空心球体来调控进入井眼环空不同深度处的钻井液的密度，从而更加灵活、精确地控制井筒压力，实现多梯度钻井，解决深水钻井窄密度窗口问题；本发明的钻井液密度分段调控装置100能够很好地解决较短的单梯度钻井中，下入套管层次过多的问题，同时有利于井控控制，减少了危险事故发生的概率；使用本发明的钻井液密度分段调控装置100进行井筒压力分段控制时，无需大型的设备，降低了钻井成本，同时随着开发深度的加大，在有限的套管层次下，很好的解决了单梯度和双梯度钻井很难钻达目的层的问题。

进一步，如图1所示，导流叶轮筒3包括叶轮外筒32，叶轮外筒32内同轴套设有叶轮内筒33，叶轮内筒33的内腔构成前述的返流过液孔。在本发明的一具体实施例中，叶轮内筒33的内壁顶部设置上螺纹部，叶轮内筒33的内壁顶部通过上螺纹部密封连接排液管41；叶轮内筒33的内壁底部设置下螺纹部，叶轮内筒33的内壁底部通过下螺纹部密封连接溢流管43。

进一步，排液管41、溢流管43可以由一个密封穿过叶轮内筒33的管体构成，该管体位于导流叶轮筒3上方的部分构成排液管41，该管体位于导流叶轮筒3下方的部分构成溢流管43，该管体的内腔构成前述的返流过液孔。

进一步，如图1所示，各叶片31的径向内侧分别与叶轮内筒33的外壁连接，各叶片31的径向外侧分别与叶轮外筒32的内壁连接。

进一步，如图1所示，叶轮外筒32的外壁通过螺纹密封固定连接于等径直孔11的内壁上。

进一步，如图1所示，等径直孔11位于叶轮外筒32下方的内壁上设有第一台阶部14，第一台阶部14的顶面与叶轮外筒32的底面顶抵设置。第一台阶部14能够自底部对导流叶轮筒3进行轴向支撑，避免导流叶轮筒3在钻井液下行的冲力作用下发生脱落。

进一步，如图1所示，等径直孔11的侧壁上部设置第一连接锥螺纹部161，接头本体1的外壁底部设置直径向下减缩的锥面15，锥面15上设置第二连接锥螺纹部162。接头本体1通过第一连接锥螺纹部161、第二连接锥螺纹部162稳定串接于钻杆上。

本发明的钻井液密度分段调控装置100的使用过程如下：

将本发明的钻井液密度分段调控装置100串接于钻杆9上，本发明的钻井液密度分段调控装置100随钻杆9下入井中；

正常钻井过程中，自井口注入的钻井液中不需加入空心球体2；

如图2所示，需要进行双梯度钻井时，在钻杆9上串接一个钻井液密度分段调控装置100，自井口注入的钻井液中需加入相应规格的空心球体2，钻井液和空心球体2下行流经导流叶轮筒3内的轴向通道，下行的钻井液冲击在各叶片上，倾斜设置的各叶片使得钻井液和投入的空心球体旋流向下；由于钻井液密度比空心球体2大，受离心力作用被甩向接头本体1的内壁，钻井液沿着接头本体1的内壁向下流动，而空心球体2密度较小则更多地集中在中心孔的中部。当空心球体2作涡流运动旋转向下进入锥孔12后，锥孔12直径向下减缩，液体流速加快。由于空心球体2和钻井液产生涡流运动时使接头本体1内部压力分布沿径向方向分布不均，越靠近中心压力越小，中心位置甚至形成负压区，这样会使空心球体2向中心附近移动、聚集，由于锥孔12底部缩颈，且底部直径较小，促使空心球体2不能全部通过底部。此时溢流管43底部形成低压区，部分空心球体2在压差作用下向其移动，形成向上的内旋流，部分空心球体2通过溢流管43、返流过液孔、排液管41、过渡管42与排液透孔13进入井眼环空81，从而降低位于钻井液密度分段调控装置100以上的井眼环空81的钻井液密度。此时，井眼环空的钻井液密度出现两个值，以钻井液密度分段调控装置100为分界线，分界线以上钻井液密度小于分界线以下的密度，分界线上下两侧的井筒压力得到调控，从而实现钻井液密度分段调控装置100上下两侧的变梯度钻井(双梯度钻井)。

需要进行多梯度钻井时，在钻杆9上上下间隔地串接多个钻井液密度分段调控装置100，自井口注入的钻井液中需加入多种规格的空心球体2。如图3所示，在本发明的一具体应用例中，钻杆9上串接两个钻井液密度分段调控装置100，自井口注入的钻井液中需加入两种规格的空心球体2。含有空心球体2的钻井液经过靠上的第一个钻井液密度分段调控装置100时，部分相应规格的空心球体2通过溢流管43、返流过液孔、排液管41、过渡管42与排液透孔13进入井眼环空81；剩余的空心球体2随钻井液继续下行，经过靠下的第二个钻井液密度分段调控装置100时，部分相应规格的空心球体2通过溢流管43、返流过液孔、排液管41、过渡管42与排液透孔13进入井眼环空81。在整个井眼环空81的剖面上看，空心球体2的分布呈三个层面，第一层面为第一个钻井液密度分段调控装置100以上，第二层面为第一个钻井液密度分段调控装置100和第二个钻井液密度分段调控装置100之间，第三层面为第二个钻井液密度分段调控装置100以下，第一层面的空心球体2的浓度大于第二层面的内空心球体2的浓度，第二层面的内空心球体2的浓度大于第三层面的内空心球体2的浓度，使得井眼环空81内呈现出三个钻井液密度值，第三层面的钻井液浓度大于第二层面的钻井液浓度，第二层面的钻井液浓度大于第一层面的钻井液浓度，从而实现多梯度钻井，解决深水钻井窄密度窗口问题。

由上所述，本发明提供的钻井液密度分段调控装置具有如下有益效果：

(1)本发明的钻井液密度分段调控装置可以通过在钻井液中加入相应规格的空心球体来调控进入井眼环空不同深度处的钻井液的密度，从而更加灵活、精确地控制井筒压力，实现多梯度钻井，解决深水钻井窄密度窗口问题；

(2)本发明的钻井液密度分段调控装置能够很好地解决较短的单梯度钻井中，下入套管层次过多的问题，同时有利于井控控制，减少了危险事故发生的概率；

(3)使用本发明的钻井液密度分段调控装置进行井筒压力分段控制时，无需大型的设备，降低了钻井成本，同时随着开发深度的加大，在有限的套管层次下，很好的解决了单梯度和双梯度钻井很难钻达目的层的问题。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种钻井液密度分段调控装置，其特征在于，所述钻井液密度分段调控装置包括呈筒状设置的接头本体和多个密度小于钻井液密度的空心球体；所述接头本体上设置沿轴向贯通的中心孔，所述中心孔由等径直孔和直径向下减缩的锥孔上下连通构成，所述接头本体位于所述等径直孔的顶部的侧壁上设置多个排液透孔，各所述排液透孔的内径尺寸大于所述空心球体的直径尺寸；

所述等径直孔内靠近所述锥孔的一端套设有导流叶轮筒，所述导流叶轮筒内设置多个沿轴向倾斜设置的叶片，各所述叶片沿周向间隔设置，相邻所述叶片之间构成允许空心球体和钻井液下行的轴向通道，所述导流叶轮筒内设置轴向贯通的返流过液孔，所述返流过液孔能允许空心球体和钻井液返流上行；所述导流叶轮筒的顶部固定设有向上延伸设置的排液管，所述排液管的内腔与所述返流过液孔的顶部密封连通设置，所述排液管的顶部通过多个过渡管与各所述排液透孔密封连通，各过渡管之间呈周向间隔设置；所述导流叶轮筒的底部固定设有向下延伸设置的溢流管，所述溢流管的内腔与所述返流过液孔的底部密封连通设置，所述溢流管的底部开口位于所述锥孔内；所述排液管和所述溢流管的内径尺寸大于所述空心球体的直径尺寸。

2.如权利要求1所述的钻井液密度分段调控装置，其特征在于，所述导流叶轮筒包括叶轮外筒，所述叶轮外筒内同轴套设有叶轮内筒，所述叶轮内筒的内腔构成所述返流过液孔。

3.如权利要求1所述的钻井液密度分段调控装置，其特征在于，所述导流叶轮筒包括叶轮外筒，所述叶轮外筒内同轴套设有叶轮内筒，所述排液管、所述溢流管由一个密封穿过所述叶轮内筒的管体构成，所述管体位于所述导流叶轮筒上方的部分构成所述排液管，所述管体位于所述导流叶轮筒下方的部分构成所述溢流管，所述管体的内腔构成所述返流过液孔。

4.如权利要求2或3所述的钻井液密度分段调控装置，其特征在于，各所述叶片的径向内侧分别与所述叶轮内筒的外壁连接，各所述叶片的径向外侧分别与所述叶轮外筒的内壁连接。

5.如权利要求2或3所述的钻井液密度分段调控装置，其特征在于，所述叶轮外筒的外壁通过螺纹密封固定连接于所述等径直孔的内壁上。

6.如权利要求5所述的钻井液密度分段调控装置，其特征在于，所述等径直孔位于所述叶轮外筒下方的内壁上设有第一台阶部，所述第一台阶部的顶面与所述叶轮外筒的底面顶抵设置。

7.如权利要求1所述的钻井液密度分段调控装置，其特征在于，所述等径直孔的侧壁上部设置第一连接锥螺纹部，所述接头本体的外壁底部设置直径向下减缩的锥面，所述锥面上设置第二连接锥螺纹部。