CN108643887A - 用于钻井作业的控制方法及控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地层钻井领域，具体地涉及用于钻井作业的控制方法及控制装置。该控制方法包括：检测井中是否发生溢流；当所述井中未发生溢流时，根据井底压力设定值控制井口回压，以使井底压力保持稳定；以及当所述井中发生溢流时，执行关井操作，并根据从所述井的环空部返回的流体排出量控制所述井口回压，以在发生溢流的溢流钻井液从井底排出的过程中，使所述井底压力保持稳定，并防止地层中的气体继续侵入钻井液。该控制方法及控制装置在钻井作业过程中发生气侵时，能够避免因侵入气体在排出过程中膨胀而引起井口回压的剧烈波动，从而实现井口回压的稳定控制。
Description
技术领域
本发明涉及地层钻井领域，具体地涉及用于钻井作业的控制方法及控制装置。
背景技术
随着油气勘探开发程度加深，深井、超深井及深水井越来越多。钻井过程中面临着多产层、多套压力系统、高压、高含硫、裂缝和溶洞发育等复杂地层情况，地层中孔隙压力、漏失压力、破裂压力三者接近，安全密度窗口窄的特殊工况常导致井下故障频发、钻井周期长等问题，严重制约了油气勘探开发进程。
控压钻井技术是一种用于精确控制整个井眼压力剖面的自适应钻井程序。通过对井口回压、流体密度、流体流变性、环空液面、循环摩阻和井眼几何尺寸的综合分析，精确计算水力参数。通过相关装备和工艺对井口回压和钻井液流速进行实时调整，控制井底压力始终在设定范围内。控压钻井技术能有效避免井漏、井塌等事故，提高机械转速，缩短非生产时间，同时还能减小钻井作业对储层的伤害。
在正常钻进过程中，环空中只有钻井液和岩屑，井口回压调节相对容易。当有气体侵入(即气侵，气体侵入钻井液使钻井液柱压力降低，并使井筒完整性失效的过程)井筒时，由于气体相变、溶解、滑脱及气液两相流型转化等因素，将给井筒压力精确调节制带来如下问题：①气侵关井时，属于半软关井，存在一定的水击压力，可能对防喷器、节流管线造成破坏，增大裸露地层被压漏风险；②当气侵后环空部含气率较高时，气液两相流动流型表现为段塞流，液塞段和气体段流经节流阀时流量及节流阀前后的压差存在显著差异，导致井口回压存在周期性大幅波动，难以实现井筒环空和井底压力的稳定控制。
当H2S和CO2等酸性气体侵入井筒后，井深较深时，酸性气体处于超临界状态，压缩程度高，当距离井口很近时，酸性气体由超临界态变为气态而发生相变，因而密度迅速降低，体积迅速膨胀，即存在“前期隐蔽、后期突发”的特点，导致井口压力难以稳定控制。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种用于钻井作业的控制方法及控制装置，该控制方法及控制装置在钻井作业过程中发生气侵时，能够避免因侵入气体在排出过程中膨胀而引起井口回压的剧烈波动，从而实现井口回压的稳定控制。
为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于钻井作业的控制方法，该控制方法包括：检测井中是否发生溢流；当所述井中未发生溢流时，根据井底压力设定值控制井口回压，以使井底压力保持稳定；以及当所述井中发生溢流时，执行关井操作，并根据从所述井的环空部返回的流体排出增加量控制所述井口回压，以在发生溢流的溢流钻井液从井底排出的过程中，使所述井底压力保持稳定，并防止地层中的气体继续侵入钻井液。
其中，所述检测井中是否发生溢流可以包括：检测从所述井的环空部返回的流体排出量；以及根据所述流体排出量确定所述井中是否发生溢流。
其中，该控制方法还可以包括：当所述井中发生溢流时，在所述溢流钻井液从所述井中排出后，分离所述溢流钻井液中的液体和气体。
其中，所述根据从所述井的环空部返回的流体排出量控制所述井的井口回压可以包括：在所述关井操作之后的初期阶段，将所述井口回压控制为第一回压；所述初期阶段持续预定时间后，检测到井口有气体溢出之前，将所述井口回压控制为第二回压；以及检测到所述井口有气体溢出时，将所述井口回压控制为第三回压。
其中，所述第一回压根据下式确定：
其中，pa0为所述第一回压，Vk0为所述溢流发生时的流体排出增加量，pd为读取的立压，Aa为所述裸眼井段环空部的横截面积，ρm为无侵入气体时的钻井液密度，ρg1为井底处侵入气体的密度，z0为标准状态下的甲烷压缩因子，T0为标准状态温度，p0为标准大气压，ρg0为标准状态下的甲烷密度，Tb为井底温度，z1为井底温压条件下的甲烷压缩因子，pb为井底设计压力。
其中，所述第二回压根据下式确定：
pa1＝pa0+pml，
其中，pa1为所述第二回压，Vk1为所述溢流钻井液上升到井深hi处时的流体排出增加量，Aai为井深为hi处时环空面积，pml为所述溢流钻井液到达井口前引起的钻井液柱压力损失，ρgi为所述溢流钻井液上升到井深为hi时的密度，zi为在井深hi处的温压条件下甲烷压缩因子，Ti为hi处的温度，hi根据泵排量、气体滑脱速度和所述预定时间计算。
其中，所述第三回压根据下式确定：
pa2＝pa0+pml2
其中，pa2为所述第三回压，Aa0为井口处环空部的横截面积，Vk2为所述溢流钻井液到达井口时的流体排出增加量，pml2为所述溢流钻井液到达井口处时引起的钻井液柱压力损失，ρg2为所述气体到达所述井口处时的气体密度，z2为井口温压环境下气体压缩因子，T2为所述井口处的温度。
其中，在所述执行关井操作之后，该控制方法还包括：根据实际流体排出增加量和流体排出增加量计算值，确定所述气体中是否包含酸性气体，所述流体排出增加量计算值根据气体状态方程计算；当所述气体中包含酸性气体时，根据甲烷溶解度曲线图版、酸性气体溶解度曲线图版、所述环空部的环空压力分布和气体总体积，计算所述酸性气体的总量；根据所述酸性气体的总量、井筒温压场、所述酸性气体的溶解图版及相态曲线，计算使所述酸性气体保持超临界状态的临界压力；以及根据所述临界压力调整所述井口回压，以防止地层中的气体继续侵入钻井液。
其中，所述根据所述临界压力调整所述井口回压包括：根据所述第一回压、所述第二回压、所述第三回压分别对应的阶段，并根据所述第一回压、所述第二回压或所述第三回压与所述第四回压的最大值，调整所述井口回压。
其中，该控制方法还可以包括：当所述气体中包含酸性气体时，在所述溢流钻井液从所述井中排出之后，所述分离所述溢流钻井液中的液体和气体之前，对所述酸性气体进行中和处理，以防止所述酸性气体突发膨胀。
其中，所述井口回压设定值根据下式确定：
pa＝pb-pm-pt
其中，pa为所述井口回压设定值，pb为所述井底压力设定值，pt为摩阻压降，pm为钻井液液柱压力。
根据本发明的另一方面，还提供一种用于钻井作业的控制装置，该控制装置包括：检测模块，用于检测所述井中是否发生溢流；控制模块，用于：当所述井中未发生溢流时，根据井底压力设定值控制井口回压，以使所述井底压力保持稳定；以及当所述井中发生溢流时，执行关井操作，并根据从所述井的环空部返回的流体排出增加量控制所述井口回压，以在发生溢流的溢流钻井液从井底排出的过程中，使所述井底压力保持稳定，并防止地层中的气体继续侵入钻井液。
其中，所述检测井中是否发生溢流可以包括：检测从所述井的环空部返回的流体排出量；以及根据所述流体排出量确定所述井中是否发生溢流。
其中，该控制装置还包括：气液分离模块，用于当所述井中发生溢流时，在溢流钻井液从所述井中排出后，分离所述溢流钻井液中的液体和气体。
其中，所述根据所述流体流量控制所述井的井口回压包括：在所述关井操作之后的初期阶段，将所述井口回压控制为第一回压；所述初期阶段持续预定时间后，检测到井口有气体溢出之前，将所述井口回压控制为第二回压；以及检测到所述井口有气体溢出时，将所述井口回压控制为第三回压。
其中，所述第一回压根据下式确定：
其中，pa0为所述第一回压，Vk0为所述溢流发生时时的流体排出增加量，pd为读取的立压，Aa为所述裸眼井段环空部的横截面积，ρm为无侵入气体时的钻井液密度，ρg1为井底处侵入气体的密度，z0为标准状态下的甲烷压缩因子，T0为标准状态温度，p0为标准大气压，ρg0为标准状态下的甲烷密度，Tb为井底温度，z1为井底温压条件下的甲烷压缩因子，pb为井底设计压力。
其中，所述第二回压根据下式确定：
pa1＝pa0+pml，
其中，pa1为所述第二回压，Vk1为所述溢流钻井液上升到井深hi处时的流体排出增加量，Aai为井深为hi处时环空面积，pml为所述溢流钻井液到达井口前引起的钻井液柱压力损失，ρgi为所述溢流钻井液上升到井深为hi时的密度，zi为在井深hi处的温压条件下甲烷压缩因子，Ti为hi处的温度，hi根据泵排量、气体滑脱速度和所述预定时间计算。
其中，所述第三回压根据下式确定：
pa2＝pa0+pml2
其中，pa2为所述第三回压，Aa0为井口处环空部的横截面积，Vk2为所述溢流钻井液到达井口时的流体排出增加量，pml2为所述溢流钻井液到达井口处时引起的钻井液柱压力损失，ρg2为所述气体到达所述井口处时的气体密度，z2为井口温压环境下气体压缩因子，T2为所述井口处的温度。
其中，所述控制模块还用于在所述执行关井操作之后：根据实际流体排出增加量和流体排出增加量计算值，确定所述气体中是否包含酸性气体，所述流体排出增加量计算值根据气体状态方程计算；当所述气体中包含酸性气体时，根据甲烷溶解度曲线图版、酸性气体溶解度曲线图版、所述环空部的环空压力分布和气体总体积，计算所述酸性气体的总量；根据所述酸性气体的总量、井筒温压场、所述酸性气体的溶解图版及相态曲线，计算使所述酸性气体保持超临界状态的临界压力；以及根据所述临界压力调整所述井口回压，以防止地层中的气体继续侵入钻井液。
其中，所述根据所述临界压力调整所述井口回压可以包括：根据所述临界压力计算第四回压；以及根据所述第一回压、所述第二回压、所述第三回压分别对应的阶段，并根据所述第一回压、所述第二回压或所述第三回压与所述第四回压的最大值，调整所述井口回压。
其中，该控制装置还可以包括：中和处理模块，连接于所述气液分离模块，用于当所述气体中包含酸性气体时，在所述溢流钻井液从所述井中排出之后，在所述分离所述溢流钻井液中的液体和气体之前，向所述气液分离模块中的液体注入中和液而对所述酸性气体进行中和处理，以防止所述酸性气体突发膨胀。
其中，所述井口回压设定值根据下式确定：
pa＝pb-pm-pt
其中，pa为所述井口回压设定值，pb为所述井底设计压力，pt为摩阻压降，pm为钻井液液柱压力。
其中，所述气液分离模块包括气液分离罐，所述气液分离罐与井口连接，该控制装置还包括：回压调节模块，连接于所述气液分离罐和所述控制模块，用于根据所述控制模块的控制，通过调节所述气液分离罐中的压力而调节所述井口回压。
其中，所述回压调节模块包括：第一气源，所述第一气源内装有压力气体；背压阀模块，所述背压阀模块经由第一调节阀与所述第一气源连接，被所述气液分离罐分离的气体通过所述背压阀模块后排出，所述控制模块控制所述第一调节阀的开度而调节从所述第一气源进入所述背压阀模块的压力气体量，从而通过调节所述背压阀模块的动作而控制从所述气液分离罐流出的气体量；以及压力补偿模块，包括第二气源，所述第二气源经由第二调节阀连通于所述气液分离罐和所述背压阀模块之间，所述控制模块通过控制所述第二调节阀的开闭而控制从所述第二气源进入所述气液分离罐的压力气体量，以调节调节所述气液分离罐内压力。
其中，所述气液分离模块包括多级气液分离子模块，前一级所述气液分离子模块的出口连接至后一级所述气液分离子模块的入口。
另一方面，本发明还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述控制方法。
通过上述技术方案，本发明在钻井过程中，当检测到有溢流发生时根据溢流排出量控制井口回压，并进一步根据溢流从井底上升过程中溢流的排出增量分阶段控制回压，分离气液两相，从而实现井口回压的稳定控制，以缓冲关井及侵入气体膨胀引起的压力波动，避免水击压力对管线损害。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是根据本发明另一实施例的控制装置的结构框图；
图2是根据本发明另一实施例的控制装置的结构框图；
图3是根据本发明另一实施例的控制装置的结构示意图；
图4是适用于图3所示本发明的控制装置中气液分离罐的一种例示结构的剖视图；
图5是适用于图3所示的压力调节模块的背压阀的一种例示结构的剖视图；
图6A和6B是用于说明在钻井过程中不同井段的井的剖视图；
图7是根据本发明一实施例的控制方法的流程图；
图8是根据本发明另一实施例的控制方法的流程图；
图9是根据本发明另一实施例的控制方法的流程图；以及
图10为示出发生溢流时及溢流钻井液排过程中流体排出增加量的变化的示例性图表。
附图标记说明
1、压力表；2、计算机；3、截止阀；4、一级气液分离罐；5、螺钉；6、滤壳分隔腔体；7、单向阀；8、减压阀；9、截流阀；10、气源；11、压力表；12、减压阀；13、节流阀；14、气瓶；15、背压阀；16、气控背压阀；17、截止阀；18、节流阀；19、中和液注入泵；20、中和液储罐；21、一级气液分离罐滤壳；22、液位计；23、节流阀；24、二级气液分离罐；25、节流阀；26、固控系统；27、单向阀；28、单向阀；29、节流阀；30、燃烧器；31、节流阀；32、可调节流阀；33、压力表；34、钻井液气液分离器接口；35、支撑板；36、精密网；37、密封垫片；38、精滤芯排气管；39、分液板；40、上盖；41、耐腐蚀活塞；42、螺栓；43、垫片；44、密封片；45、母体；46、安装孔；50、井口装置；100、检测模块；200、控制模块；300、气液分离模块；400、中和处理模块；500：回压调节模块
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是根据本发明另一实施例的控制装置的结构框图。如图1所示，用于钻井作业的控制装置包括检测模块100和控制模块200。
检测模块100用于检测井中是否发生溢流。在本发明中，溢流是指侵入地层中的物质(气体或液体(如油、水等))，上述物质侵入钻井液后会占据一部分环空体积，迫使原本占据这一空间的钻井液从井口返出，导致井口钻井液返出量增大。当侵入的物质为气体时，因为气体可压缩性强，在气体上升过程中，由于温压条件变化，导致气体体积膨胀，会导致井口返出的流体排出量进一步增大。如图6A所示，在钻井过程中，钻井液从钻柱进入井中，并经过钻头后从环空部向上返回至钻井液池(图6A中未示出)。图6A中的箭头方向表示钻井液的流动方向。在正常没有气体侵入时，注入的钻井液与返回的钻井液的量会始终保持大致相同。但当有气体侵入时，由于返回的钻井液中含有侵入气体，气体在上升过程中因环境条件变化而发生膨胀、脱溶，因而此时返回的钻井液会比没有气体侵入时多。因而在钻井过程中可通过检测钻井液的排出增加量来确定是否发生溢流。例如，可以在检测到钻井液池的液面上升时确定发生了溢流。
控制模块200用于执行以下操作：
当所述井中未发生溢流时，控制模块200根据井底压力设定值控制井口回压，以使井底压力保持稳定。
在一优选实施例中，在没有发生溢流的正常钻井过程中，所述井口回压设定值根据下式确定：
pa＝pb-pm-pt
其中，pa为所述井口回压设定值，pb为所述井底设计压力，pt为摩阻压降，pm为钻井液液柱压力。钻井液液柱压力可根据井深、钻井液密度并根据液体压力计算公式确定，摩阻压降可根据本领域公知的方法确定。
当所述井中发生溢流时，控制模块200执行关井操作，并根据从所述井的环空部返回的流体排出增加量控制所述井口回压，以在发生溢流的溢流钻井液从井底排出的过程中，使所述井底压力保持稳定，并防止更多气体侵入钻井液。溢流钻井液是指发生溢流后被气体侵入的钻井液。
关井是为了暂时中止钻井液循环过程，以读取立压、溢流量、地层压力等参数。读取上述参数之后进行压井，压井时要首先将被气体侵入的已劣变的钻井液排出，当劣变的钻井液全部排出后，再注入加重后的钻井液(称为新钻井液，密度比原钻井液大)以恢复正常钻井作业。在溢流钻井液从井底向井口排出的过程中，由于不同井深处的温度、压力不同，溢流钻井液越接近井口压力越小，在该过程中气体溶解度、密度会减小，体积会生膨胀，此外溢流中含有的酸性气体可能由溶解状态或超临界态变为气态，如不对压力进行控制，当溢流钻井液接近井口或从井口排出时会发生突然膨胀，导致井筒压力无法稳定控制。因此，在溢流钻井液从井底排出井口的过程中，需要将井口回压控制为使溢流中的溶解态或超临界态酸性气体不发生相变的值。
在钻井过程中，井底需要维持一定的压力，以防止地层中气体侵入钻井液。井底压力由井口回压、环空摩阻和钻井液液柱压力三部分构成，正常钻井时，井底压力大于或等于地层压力。但当井底发生气侵时，侵入气体在环空部占据了一定的空间，因为环空部总体积有限，因此多余的钻井液将从井口处排出环空部。由于气体密度小于钻井液，导致环空部内钻井液柱压力降低，从而导致井底压力降低，进一步引起溢流。在本发明中，在未发生溢流的正常钻井过程中，如果液柱压力能够维持足够的井底压力，则可使井口回压为0，当液柱压力不足以维持需要的井底压力时，可通过在井口施加回压以使井底压力维持为井底压力设值。而当井底发生溢流时，在排出溢流钻井液的过程中，也可以通过控制井口回压而使井底压力始终维持稳定，以防止气体继续侵入钻井液。
通过本实施例，不仅在正常钻井过程中能通过控制井口回压使井底压力维持为井底压力设计值，而且还能及时监测溢流的发生，并进一步通过控制溢流钻井液上升过程中的井口回压而实现在不冲击管线的情况下排出溢流钻井液，同时维持井底压力稳定，防止气体继续侵入钻井液。
图2是根据本发明另一实施例的控制装置的结构框图。
如图2所示，在一优选实施例中，所述控制装置还包括以下中的一者或多者：气液分离模块300，用于当所述井中发生溢流时，在溢流钻井液从所述井中排出后，分离所述溢流钻井液中的液体和气体，气液分离模块300优选为包括气液分离罐；中和处理模块400，连接于所述气液分离模块，用于当所述气体中包含酸性气体时，在所述溢流钻井液从所述井中排出之后，在所述分离所述溢流钻井液中的液体和气体之前，向所述气液分离罐中的液体注入中和液，对所述酸性气体进行中和处理，以防止所述酸性气体突发膨胀；回压调节模块500，连接于所述气液分离罐，用于通过调节所述气液分离罐中的压力而调节所述井口回压。
图3是根据本发明另一实施例的控制装置的结构示意图；图4是适用于图3所示本发明的控制装置中气液分离罐的一种例示结构的剖视图；图5是适用于图3所示的回压调节模块的气控背压阀的一种例示结构的剖视图。
如图3所示，控制模块包括控制装置2(例如计算机和控制程序)及相关控制阀。
气液分离模块300优选为包括多级，以提高分离效果，并提高处理能力，更优选为包括两级气液分离模块。如图3所示，气液分离模块包括一级气液分离罐4和二级气液分离罐24。一级气液分离罐4和二级气液分离罐24还设置有液位计22。一级气液分离罐4的入口通过压力表1、截止阀3与井口连接，其底部的出口经由节流阀23连接至二级气液分离罐24的入口。二级气液分离罐24的出口经由节流阀25连接至固控系统26。中和处理模块包括中和液注入泵19、中和液储罐20、节流阀18。固控系统26包括振动筛、旋流分离器、离心分离机等，用于分离钻井液中岩屑和回收钻井液加重材料，钻井液经固控系统后重新回到泥浆池。
一级气液分离罐的出口连接至回压调节模块500。回压调节模块500包括气瓶14和气控背压阀16、背压阀15，气瓶14中装有控制气控背压阀16的压力气体(即，用于调节压力的气体)，减压阀12和节流阀13用于控制供给至气控背压阀16的压力气体量。气控背压阀16活塞41上部腔体的气体通道分为两路，一路通过减压阀12、节流阀13与气瓶14连接，用于增大活塞41上部腔体内的压力，一路通过背压阀15与气体出口连接，用于减小活塞41上部腔体内的压力；气控背压阀16活塞41下部腔体的进气口通过压力表11与一级气液分离罐4上部气相出口(或入口)连接，出气口通过单向阀28、节流阀29与燃烧器30连接。从溢流钻井液中分离的气体通过气控背压阀16排出到燃烧器30被燃烧。通过气控背压阀16的活塞动作可控制从一级气液分离罐内气体压力。
回压调节模块500还可以配置有包括气源10，气源10通过节流阀9、减压阀8和单向阀7与一级气液分离罐4和气控背压阀之间的管路连通。由此形成压力补偿模块。
通过控制气控背压阀16和背压阀15组成的背压阀模块，当气液分离罐4内压力过高时，可减少气控背压阀15活塞41上部的压力，使活塞41上升，从而使一级气液分离罐4内的气体排出，从而降低一级气液分离罐4内的压力。当一级气液分离罐内的压力降低时，气控背压阀活塞41在其上部的压力作用下下降，从而阻断气液分离罐4内气体排出，同时还可以通过使气源10中的压力气体进入一级气液分离罐4，以增大一级气液分离罐4内的压力。由于气液分离罐4与井口连通，气液分离罐内的压力即井口回压，因此通过气液分离罐4内的压力即可实现对井口回压的控制。此外，一级气液分离罐4内的液面需要维持在其入口以下，因而通过气源10、节流阀9、减压阀8和单向阀7构成的压力补偿模块还可以控制气液分离罐内的液面高度。
图4示出了气液分离罐4和24的一种例示的结构，包括螺钉5、滤壳分离腔体6、气液分离罐滤壳21、液位计22、支撑板35、垫片37、精滤芯排气管38、分液板39、精密网36。井口返出流体从入口进入气液分离罐后，流速降低，气液相在重力作用下分离，分离后液体从底部的出液口流出，气体从上部的出气口流出。
图5示出了气控背压阀16的一种例示的结构，包括上盖40、活塞41、螺栓42、垫片43、密封片44、母体45、安装孔46。气控背压阀16的工作原理为：气控背压阀16上活塞面面积为Au，下活塞面面积为Ad，调整气瓶14出口处节流阀13、减压阀12开度，维持气控背压阀16上部压力为pu，气液分离罐4中的压力pa(即井口回压)与pu和Au、Ad的关系如下式所示。
图4和图5示出的仅仅是气液分离罐和气控背压阀的一种示例，本领域技术人员可选用其它结构的气液分离罐和气控背压阀，并且可以采用其他方式配置背压阀模块，和压力补偿模块，只要其能实现本发明的回压调节功能即可。
图3中，井口还通过截止阀17、31、可调节流阀32连接至旁路节流管路。图3中，33表示压力表，34表示钻井液气液分离器接口，50表示井口装置。
在钻井过程中，可使截止阀3处于常开状态，使截止阀17处于常闭状态。当从井口返出的流体超出气液分离模块的处理能力时，可打开截止阀17，关闭截止阀3，使流体由节流管汇流出。节流管汇是现有技术中，在钻井过程中发生溢流时的溢流钻井液排出管路。现有技术在溢流钻井液排出过程中，不能实现井口回压稳定控制，而利用本发明的控制装置，在溢流钻井液排出过程中，不仅能控制井口回压，还能有效去除侵入钻井液中的酸性气体。
在使用如图3所示的控制装置时，正常钻井过程中由于从井口处返出的流体流量基本上是恒定的，因而气液分离罐内的液位也是稳定的。而当发生溢流时，由于溢流钻井液中的气体占据了一部分环空部体积，原本占据这一空间的钻井液会由井口处排出，井口处进入气液分离罐中的流体排出量会增大，气液分离罐中的液位会上升，因而可通过检测气液分罐内的液位检测是否发生溢流。此外，发生溢流时，进入气液分离罐内钻井液排量增大后，气液分离罐内的压力也会发生波动，因而也可以通过检测气液分离罐内的压力(例如图3中压力表11的读数)来检测是否发生溢流。
发生溢流时，所述控制模块200还用于在执行关井操作之后执行以下操作：根据实际流体排出增加量和流体排出增加量计算值，确定所述气体中是否包含酸性气体，所述流体排出增加量计算值根据气体状态方程计算；当所述气体中包含酸性气体时，根据甲烷溶解度曲线图版、酸性气体溶解度曲线图版、所述环空部的环空压力分布和气体总体积，计算所述酸性气体的总量；根据所述酸性气体的总量、井筒温压场、所述酸性气体的溶解图版及相态曲线，计算使所述酸性气体保持超临界状态的临界压力；以及根据所述临界压力调整所述井口回压。酸性气体的总量包括气相气体的量和溶解在溢流钻井液中的气体量(或超临界态酸性气体的量)。酸性气体的总量以及临界压力可根据本领域已知的方法计算。
计算得出所述临界压力后，可由控制模块控制回压调节模块，将井口回压调整为使井底压力保持在临界压力以上的值。
侵入气体为来自地层中的气体(此处的气体是指特定物质，而非物质的状态，本发明中在提及物质状态时，使用诸如气态、气相的术语)，当侵入气体中含有酸性气体时，由于酸性气体(如H2S)的溶解度比天然气(主要成分为甲烷)的溶解度大，因而实际侵入钻井液气体体积增大幅度比由甲烷气体状态方程计算得到的体积增大幅度大，因此，当实际侵入气体体积增大幅度比由甲烷气体通过气体状态方程计算得到的体积增大幅度大时，可确定侵入气体中含有酸性气体。
当溢流钻井液进入气液分离罐并确定侵入气体中包含酸性气体(如CO2、H2S等)时，可在溢流钻井液进入气液分离罐4后通过控制中和液注入泵19和流阀18将中和液储罐20中的中和液注入气液分离罐，以中和溶解在溢流钻井液中或者以超临界态存在的酸性气体。
对中和酸性气体的原因说明如下。一级气液分离罐内的压力较大(等于井口回压)，而二级气液分离罐(或固控系统(当没有二级气液分离罐时))中的压力较小，通常为接近常压。溢流钻井液在一级气液分离罐中时，有较大量的酸性气体因环境压力大而处于超临界态或溶解在液体中，此时，如果不对溶解在液体中的酸性气体进行中和，当液体从一级气液分离罐排出到二级气液分离罐(或直接排出到固控系统)时，由于压力突然降低，液体中溶解的酸性气体或处于超临界态的酸性气体会突发膨胀，大量气体突然析出会为后续装置带来冲击。
从一级气液分离罐和二级气液分离罐中分离的气体通往燃烧器30被燃烧。图3中27和28为单向阀，用于避免气体回流，29为节流阀。
虽然以上实施例中说明了包括一级气液分离罐和二级气液分离罐的情况，但本领域技术人员在实现本发明的控制装置时，可以只配置一级气液分离罐，也可以配置三级以上的气液分离罐，还可以匹配每级气液分离罐而设置中和处理模块。
在溢流钻井液从井底上升直至从井口排出的过程中，由于井中温度变化，酸性气体发生相变的压力也会发生变化，而且溢流钻井液处于不同井深时的压力也会变化。因而本发明中优选为控制模块200根据溢流钻井液的上升阶段而分阶段控制井口回压。
因而，所述根据所述流体流量控制所述井的井口回压可以优选地包括：在所述关井操作之后的初期阶段，将所述井口回压控制为第一回压；所述初期阶段持续预定时间后，检测到井口有气体溢出之前，将所述井口回压控制为第二回压；以及检测到所述井口有气体溢出时，将所述井口回压控制为第三回压。
图6A和6B是用于说明在钻井过程中不同井段的井的剖面图。如图6A所示，在靠近地上的井段中，具有套管，在接近井底的井段中没有套管，没有套管的井段称为裸眼井段。图6A仅仅是为了示意裸眼井段和钻井液流动方向的图，各井段的分层结构示出在图6B中。图6A和6B中钻柱与井壁之间的空间称为环空部。
其中，所述第一回压根据下式确定：
其中，pa0为所述第一回压，Vk0为所述溢流发生时的排出增加量，pd为读取的立压，Aa为所述裸眼井段环空部的横截面积，ρm为无侵入气体时的钻井液密度，ρg1为井底处侵入气体的密度，z0为标准状态下的甲烷压缩因子，T0为标准状态温度，p0为标准大气压，ρg0为标准状态下的甲烷密度，Tb为井底温度，z1为井底温压条件下的甲烷压缩因子，pb为井底设计压力。不同温压条件下的甲烷压缩因子可从相关标准数据表中查表获得。
溢流发生后，执行关井并读取立压pd，立压可从现有钻井装置的压力测量装置读取，并记录在关井后的初期阶段溢流钻井液的排出增加量Vk0，排出增加量可以通过钻井液池液位变化获取，也可以通过图3所示的气液分离罐的液位变化获取。初期阶段即关井操作至经过预定时间段之间的阶段。
其中，所述第二回压根据下式确定：
pa1＝pa0+pml，
其中，pa1为所述第二回压，Vk1为所述溢流钻井液上升到井深hi处时的流体排出增加量，Aai为井深为hi处时环空面积，pml为所述溢流钻井液到达井口前引起的钻井液柱压力损失，ρgi为所述溢流钻井液上升到井深为hi时的密度，zi为在井深hi处的温压条件下甲烷压缩因子，Ti为井深hi处的温度，hi根据泵排量、气体滑脱速度和所述预定时间计算。
hi可根据下式确定：
式中，Qm1为向井外排出溢流钻井液的同时，向井内注入原钻井液的注入泵的排量，t0为关井时刻，t为经过预定时间段后的时刻，即t-t0为预定时间段。
其中，所述第三回压根据下式确定：
pa2＝pa0+pml2
其中，pa2为所述第三回压，Aa0为井口处环空部的横截面积，Vk2为所述溢流钻井液到达井口时的流体排出增加量，ρg2为所述气体到达所述井口处时的气体密度，z2为井口温压环境下气体压缩因子，T2为所述井口处的温度。不同井深处的环空部横截面积也根据井深而获知，钻井时不同井段的半径是已知的，因而不同井深处环空部的横截面积也是已知的。如图6中(b)部分所示，示出了由不同直径大小的套管构成的各井段的示意结构，各个井段设置的套管直径是已知的，钻柱外径也是已知的，因此不同井段的环空部横截面积可相应地确定。
此外，图10示出了在溢流发生时及溢流钻井液排出过程中从环空部返出的流体排出增加量的一种示例，其中横轴表示溢流发生后经过的时间，纵轴表示从环空部返出的流体排出增加量。如图10所示，在溢流发生时，由于在井底温压条件下，气体体积较小，流体排出增加量Vk0较小；随着溢流钻井液上升，气体逐渐膨胀，因而流体排出量Vk1逐渐增大；而当溢流钻井液上升到井口处时，由于此时被气体侵入的钻井液被逐渐排出，因此流体排出量Vk2逐渐下降。
此外，在分阶段控制井口回压时，当确定侵入气体中含有酸性气体时，可根据计算得出的临界压力和下式确定第四回压，即用临界压力代替下式中的pb，并根据侵入气体的密度和钻井原液的密度计算下式中的液柱压力pm，此时计算得到的即第四回压。
pa3＝pb-pm-pt
此时，可将第四回压作为井口回压的目标值，也可根据溢流钻井液当前的排出阶段将第一回压、第二回压或第三回压与第四回压的最大值作为井口回压目标值。例如，在确定侵入气体中含有酸性气体时，如果溢流钻井液已上升到上述pa1对应的阶段，则可将pa1和pa3之间的最大值作为井口回压的目标值。
图7是根据本发明一实施例的控制方法的流程图。如图7所示，该控制方法包括：
步骤S710～S720，检测所述井中是否发生溢流。
步骤S730，当所述井中未发生溢流时，根据井底压力设定值控制井口回压，以使井底压力保持稳定。
步骤S740，当所述井中发生溢流时，执行关井操作，并根据所述从所述井的环空部返回的流体排出增加量控制所述井口回压，以在发生溢流的溢流钻井液从井底排出的过程中，使所述井底压力保持稳定，并防止气体继续侵入钻井液。
图8是根据本发明另一实施例的控制方法的流程图。在一优选实施例中，所述控制方法可包括如下步骤：
步骤S801，检测从所述井的环空部返回的流体排出增加量。
步骤S802，根据所述流体排出增加量确定所述井中是否发生溢流。
步骤S803～S805同上述步骤S720-S740。
步骤S806～S807，根据实际流体排出增加量和流体排出增加量计算值，确定气体中是否包含酸性气体，所述流体排出增加量计算值根据气体状态方程计算。
步骤S808，当所述气体中包含酸性气体时，根据甲烷溶解度曲线图版、酸性气体溶解度曲线图版、所述环空部的环空压力分布和气体总体积，计算所述酸性气体的总量。
步骤S809，根据所述酸性气体的总量、井筒温压场、所述酸性气体的溶解图版及相态曲线，计算使所述酸性气体保持超临界状态的临界压力。
步骤S810，根据所述临界压力调整所述井口回压，以防止地层中的气体继续侵入钻井液。
步骤S811，对酸性气体进行中和处理。
步骤S812，分离溢流钻井液中的液体和气体。
图8示出的是本发明优选实施例的步骤，即使省略某些步骤也可以实现本发明。例如，可以省略步骤S806～S810。
图9是根据本发明另一实施例的控制方法的流程图。如图9所示，所述根据所述流体排出量控制所述井的井口回压可以包括以下步骤：
步骤S910在关井操作之后的初期阶段，将井口回压控制为第一回压。
步骤S920，判断关井操作后是否已经过预定时间。
步骤S930，判断井口是否测检到气体溢出。该步骤可通过检测井口的含气率实现，含气率大于0时，表明井口有气体溢出。
步骤S940，所述初期阶段持续预定时间后，检测到井口有气体溢出之前，将所述井口回压控制为第二回压。
步骤S950检测到井口有气体溢出时，将井口回压控制为第三回压。
第一回压、第二回压和第三回压可根据上述已描述的方法确定，在此不再重复描述。
本发明上述实施例中在提到甲烷气体时，应理解为甲烷气体代表的是地层中的天然气，并非指纯甲烷气体，而是指不含例如H2S、CO2等的酸性气体时的地层气体。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (26)
1.一种用于钻井作业的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：
检测井中是否发生溢流；
当所述井中未发生溢流时，根据井底压力设定值控制井口回压，以使井底压力保持稳定；以及
当所述井中发生溢流时，执行关井操作，并根据从所述井的环空部返回的流体排出增加量控制所述井口回压，以在发生溢流的溢流钻井液从井底排出的过程中，使所述井底压力保持稳定，并防止地层中的气体继续侵入钻井液。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述检测井中是否发生溢流包括：
检测从所述井的环空部返回的流体排出量；以及
根据所述流体排出量确定所述井中是否发生溢流。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
当所述井中发生溢流时，在所述溢流钻井液从所述井中排出后，分离所述溢流钻井液中的液体和气体。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据从所述井的环空部返回的流体排出量控制所述井的井口回压包括：
在所述关井操作之后的初期阶段，将所述井口回压控制为第一回压；
所述初期阶段持续预定时间后，检测到井口有气体溢出之前，将所述井口回压控制为第二回压；以及
检测到所述井口有气体溢出时，将所述井口回压控制为第三回压。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述第一回压根据下式确定：
其中，pa0为所述第一回压，Vk0为所述溢流发生时的流体排出增加量，pd为读取的立压，Aa为所述裸眼井段环空部的横截面积，ρm为无侵入气体时的钻井液密度，ρg1为井底处侵入气体的密度，z0为标准状态下的甲烷压缩因子，T0为标准状态温度，p0为标准大气压，ρg0为标准状态下的甲烷密度，Tb为井底温度，z1为井底温压条件下的甲烷压缩因子，pb为井底设计压力。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述第二回压根据下式确定：
pa1＝pa0+pml，
其中，pa1为所述第二回压，Vk1为所述溢流钻井液上升到井深hi处时的流体排出增加量，Aai为井深为hi处时环空面积，pml为所述溢流钻井液到达井口前引起的钻井液柱压力损失，ρgi为所述溢流钻井液上升到井深为hi时的密度，zi为在井深hi处的温压条件下甲烷压缩因子，Ti为hi处的温度，hi根据泵排量、气体滑脱速度和所述预定时间计算。
7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述第三回压根据下式确定：
pa2＝pa0+pml2
其中，pa2为所述第三回压，Aa0为井口处环空部的横截面积，Vk2为所述溢流钻井液到达井口时的流体排出增加量，pml2为所述溢流钻井液到达井口处时引起的钻井液柱压力损失，ρg2为所述气体到达所述井口处时的气体密度，z2为井口温压环境下气体压缩因子，T2为所述井口处的温度。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的控制方法，其特征在于，在所述执行关井操作之后，该控制方法还包括：
根据实际流体排出增加量和流体排出增加量计算值，确定所述气体中是否包含酸性气体，所述流体排出增加量计算值根据气体状态方程计算；
当所述气体中包含酸性气体时，根据甲烷溶解度曲线图版、酸性气体溶解度曲线图版、所述环空部的环空压力分布和气体总体积，计算所述酸性气体的总量；
根据所述酸性气体的总量、井筒温压场、所述酸性气体的溶解图版及相态曲线，计算使所述酸性气体保持超临界状态的临界压力；以及
根据所述临界压力调整所述井口回压，以防止地层中的气体继续侵入钻井液。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述临界压力调整所述井口回压包括：
根据所述第一回压、所述第二回压、所述第三回压分别对应的阶段，并根据所述第一回压、所述第二回压或所述第三回压与所述第四回压的最大值，调整所述井口回压。
10.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，该控制方法还包括：
当所述气体中包含酸性气体时，在所述溢流钻井液从所述井中排出之后，所述分离所述溢流钻井液中的液体和气体之前，对所述酸性气体进行中和处理，以防止所述酸性气体突发膨胀。
11.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述井口回压设定值根据下式确定：
pa＝pb-pm-pt
其中，pa为所述井口回压设定值，pb为所述井底压力设定值，pt为摩阻压降，pm为钻井液液柱压力。
12.一种用于钻井作业的控制装置，其特征在于，该控制装置包括：
检测模块，用于检测所述井中是否发生溢流；
控制模块，用于：
当所述井中未发生溢流时，根据井底压力设定值控制井口回压，以使所述井底压力保持稳定；以及
当所述井中发生溢流时，执行关井操作，并根据从所述井的环空部返回的流体排出增加量控制所述井口回压，以在发生溢流的溢流钻井液从井底排出的过程中，使所述井底压力保持稳定，并防止地层中的气体继续侵入钻井液。
13.根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，所述检测井中是否发生溢流包括：
检测从所述井的环空部返回的流体排出量；以及
根据所述流体排出量确定所述井中是否发生溢流。
14.根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，该控制装置还包括：
气液分离模块，用于当所述井中发生溢流时，在溢流钻井液从所述井中排出后，分离所述溢流钻井液中的液体和气体。
15.根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，所述根据所述流体流量控制所述井的井口回压包括：
在所述关井操作之后的初期阶段，将所述井口回压控制为第一回压；
所述初期阶段持续预定时间后，检测到井口有气体溢出之前，将所述井口回压控制为第二回压；以及
检测到所述井口有气体溢出时，将所述井口回压控制为第三回压。
16.根据权利要求15所述的控制装置，其特征在于，所述第一回压根据下式确定：
其中，pa0为所述第一回压，Vk0为所述溢流发生时时的流体排出增加量，pd为读取的立压，Aa为所述裸眼井段环空部的横截面积，ρm为无侵入气体时的钻井液密度，ρg1为井底处侵入气体的密度，z0为标准状态下的甲烷压缩因子，T0为标准状态温度，p0为标准大气压，ρg0为标准状态下的甲烷密度，Tb为井底温度，z1为井底温压条件下的甲烷压缩因子，pb为井底设计压力。
17.根据权利要求16所述的控制装置，其特征在于，所述第二回压根据下式确定：
pa1＝pa0+pml，
其中，pa1为所述第二回压，Vk1为所述溢流钻井液上升到井深hi处时的流体排出增加量，Aai为井深为hi处时环空面积，pml为所述溢流钻井液到达井口前引起的钻井液柱压力损失，ρgi为所述溢流钻井液上升到井深为hi时的密度，zi为在井深hi处的温压条件下甲烷压缩因子，Ti为hi处的温度，hi根据泵排量、气体滑脱速度和所述预定时间计算。
18.根据权利要求17所述的控制装置，其特征在于，所述第三回压根据下式确定：
pa2＝pa0+pml2
其中，pa2为所述第三回压，Aa0为井口处环空部的横截面积，Vk2为所述溢流钻井液到达井口时的流体排出增加量，pml2为所述溢流钻井液到达井口处时引起的钻井液柱压力损失，ρg2为所述气体到达所述井口处时的气体密度，z2为井口温压环境下气体压缩因子，T2为所述井口处的温度。
19.根据权利要求12-18中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述控制模块还用于在所述执行关井操作之后：
根据实际流体排出增加量和流体排出增加量计算值，确定所述气体中是否包含酸性气体，所述流体排出增加量计算值根据气体状态方程计算；
当所述气体中包含酸性气体时，根据甲烷溶解度曲线图版、酸性气体溶解度曲线图版、所述环空部的环空压力分布和气体总体积，计算所述酸性气体的总量；
根据所述酸性气体的总量、井筒温压场、所述酸性气体的溶解图版及相态曲线，计算使所述酸性气体保持超临界状态的临界压力；以及
根据所述临界压力调整所述井口回压，以防止地层中的气体继续侵入钻井液。
20.根据权利要求19所述的控制装置，其特征在于，所述根据所述临界压力调整所述井口回压包括：
根据所述临界压力计算第四回压；以及
根据所述第一回压、所述第二回压、所述第三回压分别对应的阶段，并根据所述第一回压、所述第二回压或所述第三回压与所述第四回压的最大值，调整所述井口回压。
21.根据权利要求19所述的控制装置，其特征在于，该控制装置还包括：
中和处理模块，连接于所述气液分离模块，用于当所述气体中包含酸性气体时，在所述溢流钻井液从所述井中排出之后，在所述分离所述溢流钻井液中的液体和气体之前，向所述气液分离模块中的液体注入中和液而对所述酸性气体进行中和处理，以防止所述酸性气体突发膨胀。
22.根据权利要求12所述的控制装置，其特征在于，所述井口回压设定值根据下式确定：
pa＝pb-pm-pt
其中，pa为所述井口回压设定值，pb为所述井底设计压力，pt为摩阻压降，pm为钻井液液柱压力。
23.根据权利要求12-18中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述气液分离模块包括气液分离罐，所述气液分离罐与井口连接，
该控制装置还包括：
回压调节模块，连接于所述气液分离罐和所述控制模块，用于根据所述控制模块的控制，通过调节所述气液分离罐中的压力而调节所述井口回压。
24.根据权利要求23所述的控制装置，其特征在于，所述回压调节模块包括：
第一气源，所述第一气源内装有压力气体；
背压阀模块，所述背压阀模块经由第一调节阀与所述第一气源连接，被所述气液分离罐分离的气体通过所述背压阀模块后排出，所述控制模块控制所述第一调节阀的开度而调节从所述第一气源进入所述背压阀模块的压力气体量，从而通过调节所述背压阀模块的动作而控制从所述气液分离罐流出的气体量；以及
压力补偿模块，包括第二气源，所述第二气源经由第二调节阀连通于所述气液分离罐和所述背压阀模块之间，所述控制模块通过控制所述第二调节阀的开闭而控制从所述第二气源进入所述气液分离罐的压力气体量，以调节调节所述气液分离罐内压力。
25.根据权利要求12-18中任一项所述的控制装置，其特征在于，所述气液分离模块包括多级气液分离子模块，前一级所述气液分离子模块的出口连接至后一级所述气液分离子模块的入口。
26.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行权利要求1-11中任一项所述的控制方法。
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