CN109209269A - 一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统及方法，涉及油气田钻井工艺技术领域。本申请的井筒压力控制系统包括包括旋转控制头、节流管汇、井队循环罐和井口压力控制装置；所述井口压力控制装置包括压力控制装置入口、压力控制装置前端部分、压力控制装置中端部分和压力控制装置后端部分；本申请是在井口压力控制装置的后端部分与入口建立一内循环，在整个固井作业中，井口一直处于密闭循环状态，尤其是反复开停泵时，通过调节节流阀控制井口套压，不会造成井筒压力的波动。

Description

一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统及方法

技术领域

本发明涉及油气田钻井工艺技术领域，更具体地说涉及一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统及方法。

背景技术

在深井窄安全密度窗口地层进行固井作业，若采用常规固井方式，注替过程中，钻井液或水泥浆密度设计不合理、反复开停泵等都易造成井筒压力失衡，引发环空水泥浆气侵或漏失，严重影响固井质量。井筒压力平衡固井技术是在固井作业的各个阶段，依靠地面调节井口套压，将井筒环空压力合理控制在安全密度窗口内的一项技术。这项技术前期提出时，采用欠平衡钻井设备（旋转控制头和欠平衡节流管汇）进行井口压力控制，至目前已采用精细控压钻井设备（旋转控制头和自动节流系统）来控制井口套压。但在实际应用过程中，由于入井流体的变化、反复的开停泵，仍无法快速准确的将井筒压力控制平稳，因此，若要进一步提高固井质量，亟需解决井口压力精确控制的难题。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的缺陷和不足，本申请提供了一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统及方法，本申请的发明目的在于解决现有技术中，由于入井流体的变化、反复的开停泵，导致的无法快速准确的将井筒压力控制平稳，无法实现井口压力精确控制的难题。本申请的压力控制系统可以应用在井筒压力平衡固井作业过程中井内压力变化剧烈的阶段，如注前置液、水泥浆、后置液、泥浆等的反复开停泵及流体变化过程。

本申请的压力控制方法包括注入前置液、水泥浆、后置液、泥浆等的过程的井口压力控制方法以及反复开停泵的井口压力控制方法，本申请的方法在整个固井作业中，井口一直处于密闭循环状态，尤其是反复开停泵时，通过调节节流阀控制井口套压，不会造成井筒压力的波动。

为了解决上述现有技术中存在的问题，本申请是通过下述技术方案实现的：

一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，包括旋转控制头、节流管汇、井队循环罐和井口压力控制装置，其特征在于：所述井口压力控制装置包括压力控制装置入口、压力控制装置前端部分、压力控制装置中端部分和压力控制装置后端部分；所述压力控制装置入口与节流管汇出口相连；所述压力控制装置前端部分包括四通连接头，所述四通连接头一端与压力控制装置入口相连，四通的其余三个连接头并联两条节流通道和一条直通道，两条节流通道中，一条通道正常使用，另一条通道作为备用通道，所述节流通道上安装有平板阀和节流阀；所述直通道上安装有平板阀；所述压力控制装置中端部分由管线法兰连接压力控制装置前端部分的出口，管线法兰后并联两条通道，一条通道为直通道，另一条通道上设置有流量计，为计量通道；所述压力控制装置后端部分由管线与压力控制装置中端部分的出口进行法兰连接，管线后端连接三通，三通的一条支路进入液面检测罐，另一条支路进入液气分离器，所述液面检测罐内安装有液位监测仪；所述液面检测罐外连接有压力泵，压力泵的出口通过管线连接至井口压力控制装置的入口处。

所述压力控制装置前端部分的两条节流通道上分别安装有两个电控型节流阀。

所述压力控制装置中端部分中的流量计包括质量流量计和/或电磁流量计。

所述压力控制装置后端部分中进入液气分离罐的分支通道上安装有平板阀。

所述压力控制装置后端部分中进入液面检测罐的分支通道上安装有电控型节流阀。

所述液面检测罐外还配备有一台压力泵，由软管直接连接井队循环罐。

所述压力控制装置还包括数据采集单元和本地控制单元，所述数据采集单元包括压力传感器、阀位传感器、温度传感器、液位监测仪、流量计中的一种或多种的组合，所述本地控制单元包括本地工控机、控制器和驱动器，控制器和驱动器用于控制压力控制装置中所有阀门的开启关闭动作和压力泵的启停动作。

一种井筒压力平衡固井的井口压力控制方法，其特征在于：

在向井筒内注入流体前，在所述的井口压力控制系统内先建立一个闭环循环通道，维持井口套压恒定；

注入前置液、水泥浆、后置液、泥浆顶替时，钻井液仍在井口压力控制系统内维持闭环流动，控制井口套压，维持井筒压力平稳，同时打开压力控制装置与井队循环罐之间的出口阀，并调节节流阀，将多余钻井液导流入液气分离器然后至井队循环罐；

在停泵时，钻井液仍在井口压力控制系统内维持闭环流动，控制井口套压，保持井筒压力恒定。

所述在井口压力控制系统内建立一个闭环循环通道，具体是指，液面检测罐外接压力泵，压力泵的出口通过管线连接至井口压力控制装置入口处；具体表现为：压力泵将液面检测罐内的流体抽出，输送至压力控制装置入口处，然后流体经压力控制装置前端部分、压力控制装置中端部分、压力控制装置后端部分流回液面检测罐内。

更进一步地，在向井筒内注入流体前，通过管线将井队循环罐和液面检测管之间建立流体通道，在管线上设置压力泵，压力泵将井队循环罐内的流体泵入液面检测罐内。

所述维持井口套压恒定，具体是指，井口压力控制系统的本地控制单元控制压力控制装置各管线通道上的阀体的阀位，从而维持井口套压恒定。

与现有技术相比，本申请所带来的有益的技术效果表现在：

1、在井筒压力平衡固井作业过程中，可通过井口压力控制装置内部建立循环，防止因注前置液、水泥泵、后置液、泥浆等的反复开停泵及流体变化造成的压力波动，确保井筒压力恒定，从而使环空的水泥浆不会发生气侵或漏失，达到提高固井质量的目的。

2、在整个固井作业中，井口一直处于密闭循环状态，尤其是反复开停泵时，通过自动调节节流阀控制井口套压，不会造成井筒压力的拨动。在泥浆顶替的过程中，可自动调节井口套压，维持井筒压力的平稳，使环空的水泥浆不会发生气侵或漏失，从而提高固井质量。

3、将本申请的压力控制装置结构简单，可以单独成撬，方便单车运输，能够节约运输成本。同时本申请的压力控制装置采用数据采集单元和本地控制单元，自动化程度高，各个阀门联立动作，可节约人工成本。在本申请中，数据采集单元的压力传感器、阀位传感器、温度传感器、液位监测仪和流量计均通过信号传输电缆与数据采集单元相连，数据采集单元通过总线与本地控制单元的控制器相连，控制器通过数据总线与本地工控机相连，工控机采用标准工业用控制工控机，工控机上有完善的控制软件，可显示控压钻井参数，操作人员可通过该软件实现对压力控制装置的操作，在本申请中，工控机和控制软件均采用现有工控机和井口压力控制软件。

4、本申请的井口压力控制方法，在整个固井作业中，井口一直处于密闭循环状态，尤其是反复开停泵时，通过调节节流阀控制井口套压，不会造成井筒压力的波动。在泥浆顶替的过程中，可自动调节井口套压，维持井筒压力的平稳，使环空的水泥浆不会发生气侵或漏失，从而提高固井质量。

附图说明

图1为本发明的井口压力控制系统的布局图；

图2为本发明井口压力控制装置的布局图；

图3为本发明压力控制装置的数据采集与控制流程图；

附图标记：100、压力控制装置入口，200、压力控制装置前端部分,300、压力控制装置中端部分,400、压力控制装置后端部分，500、旋转控制头，600、节流管汇，700、液气分离器，800、井队循环罐。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和说明书附图，对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本发明公开了一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，包括旋转控制头500、节流管汇600、井队循环罐800和井口压力控制装置，所述井口压力控制装置包括压力控制装置入口100、压力控制装置前端部分200、压力控制装置中端部分300和压力控制装置后端部分400；所述压力控制装置入口100与节流管汇600出口相连；所述压力控制装置前端部分200包括四通连接头，所述四通连接头一端与压力控制装置入口100相连，四通的其余三个连接头并联两条节流通道和一条直通道，两条节流通道中，一条通道正常使用，另一条通道作为备用通道，所述节流通道上安装有平板阀和节流阀；所述直通道上安装有平板阀；所述压力控制装置中端部分300由管线法兰连接压力控制装置前端部分200的出口，管线法兰后并联两条通道，一条通道为直通道，另一条通道上设置有流量计，为计量通道；所述压力控制装置后端部分400由管线与压力控制装置中端部分300的出口进行法兰连接，管线后端连接三通，三通的一条支路进入液面检测罐，另一条支路进入液气分离器700，所述液面检测罐内安装有液位监测仪；所述液面检测罐外连接有压力泵，压力泵的出口通过管线连接至井口压力控制装置的入口处。

实施例2

作为本申请又一较佳实施例，参照说明书附图1和2，本实施例公开了：

一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，包括旋转控制头500、节流管汇600、井队循环罐800和井口压力控制装置，所述井口压力控制装置包括压力控制装置入口100、压力控制装置前端部分200、压力控制装置中端部分300和压力控制装置后端部分400；所述压力控制装置入口100与节流管汇600出口相连；所述压力控制装置前端部分200包括四通连接头，所述四通连接头一端与压力控制装置入口100相连，四通的其余三个连接头并联两条节流通道和一条直通道，两条节流通道中，一条通道正常使用，另一条通道作为备用通道，所述节流通道上安装有平板阀和节流阀；所述直通道上安装有平板阀；所述压力控制装置中端部分300由管线法兰连接压力控制装置前端部分200的出口，管线法兰后并联两条通道，一条通道为直通道，另一条通道上设置有流量计，为计量通道；所述压力控制装置后端部分400由管线与压力控制装置中端部分300的出口进行法兰连接，管线后端连接三通，三通的一条支路进入液面检测罐，另一条支路进入液气分离器700，所述液面检测罐内安装有液位监测仪；所述液面检测罐外连接有压力泵，压力泵的出口通过管线连接至井口压力控制装置的入口处。

所述压力控制装置前端部分200的两条节流通道上分别安装有两个电控型节流阀。所述压力控制装置中端部分300中的流量计包括质量流量计和/或电磁流量计。所述压力控制装置后端部分400中进入液气分离罐的分支通道上安装有平板阀。所述压力控制装置后端部分400中进入液面检测罐的分支通道上安装有电控型节流阀。所述液面检测罐外还配备有一台压力泵，由软管直接连接井队循环罐800。所述压力控制装置还包括数据采集单元和本地控制单元，所述数据采集单元包括压力传感器、阀位传感器、温度传感器、液位监测仪、流量计中的一种或多种的组合，所述本地控制单元包括本地工控机、控制器和驱动器，控制器和驱动器用于控制压力控制装置中所有阀门的开启关闭动作和压力泵的启停动作。

在本实施例中，所述井口压力控制系统的压力控制装置的前端部分，包括两条并联节流通道和一条直通道组成，两条节流通道中，一条通道正常使用，另一条通道作为备用，而遇到紧急情况下，可直接打开直通道。所述的节流通道由节流阀进行节流压力控制。所述的节流阀可由人工或自动进行控制。所述的自动控制包括电控型、液控型、气控型三种方式。

所述的井口压力控制系统的压力控制装置中端部分300；包括由管线连接前端部分的出口，并包括并联两条通道。一条通道有流量计，另一条通道为直通道。所述的流量计包括质量流量计、电磁流量计等。正常工况下，走具有流量计的通道，特殊情况下走直通道。

所述的井口压力控制系统的压力控制装置后端部分400，包括与中端部分的出口相连，并在进入后端部分前，中端部分的出口管线要进行分支，分支有两条通道，一条支路进入液面检测罐中，另一条支路进入液气分离器700。在所述的进入液气分离器700的分支通道处，安装有一个阀，所述的阀为截止阀，可进行人工或自动控制；在所述的进入液面检测罐的分支通道处，也安装有一个阀，所述的阀为节流阀，可进行人工或自动控制。在所述的液面检测罐内，安装有液位监测仪，用以实时监测液面检测罐液面。在液面检测罐外有一台小泵，直接连接井队循环罐800，在固井作业前，将井队循环罐800的一定量的泥浆泵送至液面检测罐内。在液面检测罐外还有一台高压泵，该泵将液面检测罐内的泥浆运送至井口压力控制系统的前端入口。

所述的井口压力控制系统的数据采集和本地控制单元，包括数据采集单元和本地控制单元。所述的数据采集单元，包括压力传感器、阀位传感器、温度传感器、液位监测仪、流量计实时采集的数据，并将所有数据存储在本地工控机内，并上传至数据监测与远程监控系统；所述的本地控制单元，包括本地工控机、控制器和驱动器，涵盖所有阀门的开启关闭动作和小泵的启停动作。

所述的数据监测与远程控制系统，包括UPS不间断电源、工控机、摄像头、计算机。所述的工控机可对井口压力控制系统的本地控制单元发送指令，并完成井口压力控制系统的各项动作；所述的计算机包括有数据监测显示软件、实时控制软件、井筒流体变化显示及井筒压力实时变化追踪软件等。

实施例3

作为本申请又一较佳实施例，参照说明书附图1-3，本实施例公开了：

一种井筒压力平衡固井的井口压力控制方法，在向井筒内注入流体前，在所述的井口压力控制系统内先建立一个闭环循环通道，维持井口套压恒定；

注入前置液、水泥浆、后置液、泥浆顶替时，钻井液仍在井口压力控制系统内维持闭环流动，控制井口套压，维持井筒压力平稳，同时打开压力控制装置与井队循环罐800之间的出口阀，并调节节流阀，将多余钻井液导流入液气分离器700然后至井队循环罐800；

在停泵时，钻井液仍在井口压力控制系统内维持闭环流动，控制井口套压，保持井筒压力恒定。

所述在井口压力控制系统内建立一个闭环循环通道，具体是指，液面检测罐外接压力泵，压力泵的出口通过管线连接至井口压力控制装置入口100处；具体表现为：压力泵将液面检测罐内的流体抽出，输送至压力控制装置入口100处，然后流体经压力控制装置前端部分200、压力控制装置中端部分300、压力控制装置后端部分400流回液面检测罐内。更进一步地，在向井筒内注入流体前，通过管线将井队循环罐800和液面检测管之间建立流体通道，在管线上设置压力泵，压力泵将井队循环罐800内的流体泵入液面检测罐内。所述维持井口套压恒定，具体是指，井口压力控制系统的本地控制单元控制压力控制装置各管线通道上的阀体的阀位，从而维持井口套压恒定。

实施例4

注入前置液、水泥浆、后置液、泥浆过程中，井口压力控制方法具体为：在注入前置液、水泥泵、后置液、泥浆前，将压力泵C由井队循环罐800中抽取一定量的泥浆至液面检测罐A中；在所述的井口压力控制装置I内，先建立一个闭环的循环通道，即泥浆从液面检测罐——压力泵B——三通G——四通F——阀3——阀2——阀6——阀9——流量计E——阀12——液面检测罐A。若需控制井口套压，则调节阀2和阀12，实现二级节流控制。其中阀2、阀12为电控型节流阀，阀1、阀3、阀9为开关阀，阀6为平板阀。

在液面检测罐A中的液位监测仪D记录液面检测罐A的液面，并维持液面的平稳。若阀3、阀2、阀6支路出现堵塞，则关闭阀3，走阀4、阀5、阀8支路。若需控制井口套压，则调节阀5和阀12，实现二级节流控制。其中阀4为开关阀，阀8为平板阀。

前置液、水泥浆、后置液、泥浆等流体入井，环空返出的泥浆由旋转防喷器的高压管线通过三通G进入井口压力控制装置I内。

实时监测流量计E测得的流量及液面检测罐A上的液位监测仪D的数据，一旦发生变化，快速自动打开阀11，同时调节阀12，维持液面检测罐的正常液位，同时保持三通G的套压。泥浆一部分由阀12进入液面检测罐A，另一部分由阀11进入液气分离器700，再由液气分离器700分离后，泥浆进入井队循环罐800。其中阀11为平板阀。

在注入前置液、水泥浆、后置液、泥浆时，有一种应急情况，即一旦发现有气体从井口内返出，则快速停压力泵B，同时快速关闭阀12，带有气体的泥浆全部进入液气分离器700，并进行分离，液体返回井队泥浆罐，气体排至火炬进行燃烧。排气完成恢复正常后，打开压力泵B，在井口压力控制装置I内建立闭环循环。

实施例5

注入前置液、水泥浆、后置液、泥浆过程中反复停泵时的井口压力控制方法具体为：

在停井队泵或水泥车泵时，关闭阀11，仍在井口压力控制装置I内保持闭环循环，即泥浆从液面检测罐A—压力泵B—阀1—三通G—四通F—阀3—阀2—阀6—阀9—流量计E—阀12—液面检测罐A。若需控制井口套压，则调节阀2和阀12，实现二级节流控制。其中阀2、阀12为电控型节流阀，阀1、阀3、阀9为开关阀，阀6为平板阀。

在开井队泵时，自动打开阀11，泥浆仍在井口压力控制装置I内保持闭环循环，同时，从井内返出的部分泥浆从阀11返回至井队循环罐800。

在开井队泵或水泥车泵时，环空返出的泥浆由旋转防喷器的高压管线通过三通G进入井口压力控制装置I内。

实时监测流量计E测得的流量及液面检测罐A上的液位监测仪D监测的数据，一旦发生变化，快速自动打开阀11，同时调节阀12，维持液面检测罐A的正常液位，同时保持三通G的套压。泥浆一部分由阀12进入液面检测罐A，另一部分由阀11进入液气分离器700，再由分离器分离后，泥浆进入井队循环罐800。

在开井队泵或水泥车泵时，有一种应急情况，即一旦发现有气体从井口内返出，则快速停压力泵B，同时，快速关闭阀12，带有气体的泥浆全部进入分离器，并进行分离，液体返回井队泥浆罐，气体排至火炬进行燃烧。排气完成恢复正常后，打开压力泵B在井口压力控制系统I内建立闭环循环。

在起钻时，打开井队泵，由井队节流管汇600入口泵入泥浆，补偿因钻具在井内减少的体积，多余泥浆则通过井口压力控制装置I返回井队循环罐800。此时，井口压力控制装置内停止压力泵B和关闭阀12；若需要带压起，则控制阀2。

实施例6

井口压力控制装置的数据采集与本地控制原理：

数据采集与本地控制单元通过传感器和数据线实时采集数据，包括采集阀2、阀5和阀12的阀位数据；阀1、阀3、阀4、阀6、阀7、阀8、阀9、阀10和阀11的开关阀位；四通F、三通H的温度和压力数据；液面检测罐A中的液面监测数据；流量计E的流量数据。

数据采集后，直接传输至数据分析与远程控制系统。或者直接传输至本地控制单元中。

由控制单元对各个阀门进行联立自动控制：控制阀2或阀5、阀12的开度，控制阀1、阀3、阀4、阀6、阀7、阀8、阀9、阀10和阀11的开关。控制时，要确保四通F的压力不变。

Claims (10)

1.一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，包括旋转控制头（500）、节流管汇（600）、井队循环罐（800）和井口压力控制装置，其特征在于：所述井口压力控制装置包括压力控制装置入口（100）、压力控制装置前端部分（200）、压力控制装置中端部分（300）和压力控制装置后端部分（400）；所述压力控制装置入口（100）与节流管汇（600）出口相连；所述压力控制装置前端部分（200）包括四通连接头，所述四通连接头一端与压力控制装置入口（100）相连，四通的其余三个连接头并联两条节流通道和一条直通道，两条节流通道中，一条通道正常使用，另一条通道作为备用通道，所述节流通道上安装有平板阀和节流阀；所述直通道上安装有平板阀；所述压力控制装置中端部分（300）由管线法兰连接压力控制装置前端部分（200）的出口，管线法兰后并联两条通道，一条通道为直通道，另一条通道上设置有流量计，为计量通道；所述压力控制装置后端部分（400）由管线与压力控制装置中端部分（300）的出口进行法兰连接，管线后端连接三通，三通的一条支路进入液面检测罐（A），另一条支路进入液气分离器（700），所述液面检测罐（A）内安装有液位监测仪；所述液面检测罐（A）外连接有压力泵，压力泵的出口通过管线连接至井口压力控制装置的入口处。

2.如权利要求1所述的一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，其特征在于：所述压力控制装置前端部分（200）的两条节流通道上分别安装有两个电控型节流阀。

3.如权利要求1所述的一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，其特征在于：所述压力控制装置中端部分（300）中的流量计包括质量流量计和/或电磁流量计。

4.如权利要求1所述的一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，其特征在于：所述压力控制装置后端部分（400）中进入液气分离罐的分支通道上安装有平板阀。

5.如权利要求1所述的一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，其特征在于：所述压力控制装置后端部分（400）中进入液面检测罐（A）的分支通道上安装有电控型节流阀。

6.如权利要求1所述的一种井筒压力平衡固井的井口压力控制系统，其特征在于：所述液面检测罐（A）外还配备有一台压力泵，由软管直接连接井队循环罐（800）。

7.一种井筒压力平衡固井的井口压力控制方法，其特征在于：

在向井筒内注入流体前，在所述的井口压力控制系统内先建立一个闭环循环通道，维持井口套压恒定；

注入前置液、水泥浆、后置液、泥浆顶替时，钻井液仍在井口压力控制系统内维持闭环流动，控制井口套压，维持井筒压力平稳，同时打开压力控制装置与井队循环罐（800）之间的出口阀，并调节节流阀，将多余钻井液导流入液气分离器（700）然后至井队循环罐（800）；

在停泵时，钻井液仍在井口压力控制系统内维持闭环流动，控制井口套压，保持井筒压力恒定。

8.如权利要求7所述的一种井筒压力平衡固井的井口压力控制方法，其特征在于：所述在井口压力控制系统内建立一个闭环循环通道，具体是指，液面检测罐（A）外接压力泵，压力泵的出口通过管线连接至井口压力控制装置入口（100）处；具体表现为：压力泵将液面检测罐（A）内的流体抽出，输送至压力控制装置入口（100）处，然后流体经压力控制装置前端部分（200）、压力控制装置中端部分（300）、压力控制装置后端部分（400）流回液面检测罐（A）内。

9.如权利要求8所述的一种井筒压力平衡固井的井口压力控制方法，其特征在于：在向井筒内注入流体前，通过管线将井队循环罐（800）和液面检测管之间建立流体通道，在管线上设置压力泵，压力泵将井队循环罐（800）内的流体泵入液面检测罐（A）内。

10.如权利要求7-9任意一项所述的一种井筒压力平衡固井的井口压力控制方法，其特征在于：所述维持井口套压恒定，具体是指，井口压力控制系统的本地控制单元控制压力控制装置各管线通道上的阀体的阀位，从而维持井口套压恒定。