CN111852365B - 利用井口补压装置进行井口补偿作业的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用井口补压装置进行井口补偿作业的方法，该方法通过设置密封腔体、活塞、第一阀门、第二阀门、第一管线和第二管线，并使活塞与密封腔体间隙配合，且在密封腔体内可移动，同时配合第一阀门和第二阀门进行开、关操作，保证了压力补偿作业的顺利进行。通过设置压力表，可以实时获取井口回压，以保证在井底压力与地层压力达到平衡时，停止继续对井口进行压力补偿。此外，通过设置第三阀门、第三管线和储浆罐，保证了在起、下钻具的过程中，井底压力与地层压力始终能够保持平衡状态。本发明在对井口进行压力补偿时，无需使用回压泵系统，结构简单，操作方便，成本较低，对电和配件的要求较低。

Description

利用井口补压装置进行井口补偿作业的方法
技术领域
本发明涉及石油勘探技术领域，尤其涉及一种利用井口补压装置进行井口补偿作业的方法。
背景技术
在石油勘探开发作业中，窄密度窗口地层的地层压力较敏感，使用常规的钻井工艺经常会遇到喷、漏、卡、塌等事故，为了保证钻井作业的安全进行，针对窄密度窗口地层，经常使用控压钻井技术，控压钻井技术的手段之一是通过控制井口回压从而间接控制井底压力，其核心技术和装备之一是控压自动节流管汇。利用控压自动节流管汇可以实现对井口回压的精确控制，间接实现对井底压力的快速精确控制。
现有技术一般通过回压泵系统与控压自动节流管汇相配合，进行控压钻井。具体地，控压自动节流管汇由控制系统自动控制，在正常钻进作业时，回压泵系统处于待命状态，当钻井液排量很小或完全停止时，回压泵系统通过控压自动节流管汇循环钻井液，向井筒内施加回压，对井口进行压力补偿，使地层压力与井底压力相平衡，确保后续钻井作业的安全进行。其中，钻井液位于泥浆罐中，回压泵系统包括：泥浆泵、回压泵、电机、变频器液气分离器等设备。
发明人发现现有技术存在以下问题：
现有技术在对井口进行压力补偿时需要使用回压泵系统，而回压泵系统结构复杂，成本较高，且对电和配件的要求较高。
发明内容
本发明实施例提供一种井口补压装置，用以在无需使用回压泵系统的情况下对井口进行压力补偿作业，该装置包括：密封腔体、活塞、压力表、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第一管线、第二管线、第三管线和储浆罐；
所述密封腔体通过所述第二管线与所述第一管线连通；
所述活塞可移动地设置在所述密封腔体内，并与所述密封腔体间隙配合；
所述压力表设置在所述密封腔体上，用于检测井口回压；
所述第一阀门设置在所述第二管线上；
所述第二阀门设置在所述第二管线与所述泥浆罐之间的所述第一管线上；
所述第一管线的两端分别与井筒、泥浆罐连通；
所述储浆罐通过所述第三管线与所述密封腔体联通，所述第三阀门设置在所述第三管线上。
可选的，所述装置还包括：安全阀，设置在所述密封腔体上，用于在所述密封腔体的内部压力达到预设压力时自动打开。
可选的，所述装置还包括：针阀，设置在所述密封腔体上，用于调节所述密封腔体的内部压力。
可选的，所述装置还包括：驱动单元，用于驱动所述活塞运动。
可选的，所述装置还包括：控制单元，用于根据所述压力表检测的井口回压控制所述驱动单元工作。
可选的，所述密封腔体、所述第二管线、所述第一管线顺次通过法兰连接。
可选的，所述第一阀门和所述第二阀门为气动平板闸阀。
本发明实施例还提供一种井口补压方法，用以在无需使用回压泵系统的情况下对井口进行压力补偿作业，该方法包括：
打开第一阀门，关闭第二阀门，将活塞从接近第二管线一端向远离所述第二管线一端移动，使井筒中的钻井液顺次经第一管线、所述第二管线流至密封腔体内；
在钻具固定于所述井筒时，关闭第二阀门，将所述活塞从远离所述第二管线一端向远离接近所述第二管线一端移动，将所述密封腔体内的钻井液注入所述井筒中；
在起钻时，将所述密封腔体内的钻井液注入所述井筒中，停止起钻，关闭所述第一阀门，打开第三阀门，将所述活塞从接近所述第二管线一端向远离所述第二管线一端移动，使储浆罐中的钻井液经第三管线流至所述密封腔体内，待所述密封腔体内充满钻井液后，关闭所述第三阀门，打开所述第一阀门，继续起钻，将所述活塞从远离所述第二管线一端向远离接近所述第二管线一端移动，将所述密封腔体内的钻井液注入所述井筒中；
在下钻时，关闭所述第一阀门，打开所述第三阀门，将所述活塞从远离所述第二管线一端向远离接近所述第二管线一端移动，将所述密封腔体内的钻井液通过所述第三管线进入所述储浆罐中，待所述密封腔体内没有钻井液后，关闭所述第三阀门，打开第一阀门，将所述活塞从远离所述第二管线一端向远离接近所述第二管线一端移动，将所述密封腔体内的钻井液注入所述井筒中；
在此过程中，利用压力表实时获取井口回压，并在井口回压达到预设值后，停止移动所述活塞。
可选的，该方法还包括：
获取钻井参数，并根据所述钻井参数计算环空压耗和静液柱压力；
在钻进过程中，根据所述静液柱压力、所述环空压耗和所述井口回压计算井底压力。
可选的，该方法还包括：在停止钻进后，根据所述环空压耗和所述井口回压计算需要补偿的井口压力值。
本发明实施例提供的井口补压装置，通过设置密封腔体、活塞、第一阀门、第二阀门、第一管线和第二管线，并使活塞与密封腔体间隙配合，且在密封腔体内可移动，同时配合第一阀门和第二阀门进行开、关操作，保证了压力补偿作业的顺利进行。通过设置压力表，可以实时获取井口回压，以保证在井底压力与地层压力达到平衡时，停止继续对井口进行压力补偿。可见，本发明实施例提供的井口补压装置在对井口进行压力补偿时，无需使用回压泵系统，结构简单，操作方便，成本较低，对电和配件的要求较低。此外，通过设置第三阀门、第三管线和储浆罐，保证了在起、下钻具的过程中，井底压力与地层压力始终能够保持平衡状态。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中井口补压装置的结构示意图。
1 密封腔体，
2 活塞，
3 压力表，
4 第一阀门，
5 第二阀门，
6 第三阀门，
7 第一管线，
8 第二管线，
9 第三管线，
10 储浆罐，
11 安全阀，
12 针阀，
X 井筒，
Y 泥浆罐。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
一方面，本发明实施例提供了一种井口补压装置，如附图1所示，该装置包括：密封腔体1、活塞2、压力表3、第一阀门4、第二阀门5、第三阀门6、第一管线7、第二管线8、第三管线9和储浆罐10。其中，密封腔体1通过第二管线8与第一管线7连通。活塞2可移动地设置在密封腔体1内，并与密封腔体1间隙配合。压力表3设置在密封腔体1上，用于检测井口回压。第一阀门4设置在第二管线8上。第二阀门5设置在第二管线8与泥浆罐Y之间的第一管线7上。第一管线7的两端分别与井筒X、泥浆罐Y连通。储浆罐10通过第三管线9与密封腔体1联通，第三阀门6设置在第三管线9上。
本发明实施例提供的井口补压装置的工作原理如下所述：
当需要对井口压力进行补压作业时，开第一阀门4，将活塞2从接近第二管线8一端向远离第二管线8一端移动，使井筒X中的钻井液顺次经第一管线7、第二管线8被吸至密封腔体1内。待密封腔体1内充满钻井液后(此动作发生在短时间停泵前，例如接单根、测斜等)。
在钻具固定于井筒X内时，停泵，关闭第二阀门5，将活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液注入井筒X中(此处的井筒X指的是：钻具与套管所形成的环形空间中。其中，钻具上设置有止回阀，避免钻井液流入钻具内)，增加井口压力，完成井口压力补偿作业。在此过程中，利用压力表3实时获取井口回压，以保证在井底压力与地层压力达到平衡时，使活塞2停止运动，即停止继续对井口进行压力补偿。
在起钻(即向上提起钻具)时，关闭第二阀门5，将活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液注入井筒中，增加井口压力，密封腔体1内钻井液注入完毕后，停止起钻，关闭第一阀门4，打开第三阀门6，将活塞2从接近第二管线8一端向远离第二管线8一端移动，使储浆罐中的钻井液经第三管线9流至密封腔体1内。待密封腔体1内充满钻井液后，关闭第三阀门6，开第一阀门4，继续起钻，将活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液注入井筒中，增加井口压力。
在下钻(即向下放落钻具)时，关闭第二阀门5和第一阀门4，打开第三阀门6，活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液通过第三管线9进入储浆罐12中，待密封腔体1内没有钻井液后，关闭第三阀门6，开第一阀门4，活塞2从接近第二管线8一端向远离第二管线8一端移动，在此过程中，利用压力表3实时获取井口回压，以保证在井底压力与地层压力达到平衡时，使活塞2停止运动，即停止继续对井口进行压力补偿。
本发明实施例提供的井口补压装置，通过设置密封腔体1、活塞2、第一阀门4、第二阀门5、第一管线7和第二管线8，并使活塞2与密封腔体1间隙配合，且在密封腔体1内可移动，同时配合第一阀门4和第二阀门5进行开、关操作，保证了压力补偿作业的顺利进行。通过设置压力表3，可以实时获取井口回压，以保证在井底压力与地层压力达到平衡时，停止继续对井口进行压力补偿。可见，本发明实施例提供的井口补压装置在对井口进行压力补偿时，无需使用回压泵系统，结构简单，操作方便，成本较低，对电和配件的要求较低。此外，通过设置第三阀门6、第三管线9和储浆罐10，保证了在起、下钻具的过程中，井底压力与地层压力始终能够保持平衡状态。
其中，密封腔体1的结构可以为多种，举例来说，其可以为矩形腔体结构、圆柱形腔体结构等，只要保证密封腔体1与活塞2的结构相适配即可。密封腔体1与活塞2指的是：活塞2的外壁与密封腔体1的内壁相抵，活塞2从接近第二管线8一端向远离第二管线8一端移动时，会对钻井液产生抽吸力，而活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动时，则会对钻井液产生推力。
为了便于进行后续作业，第二阀门5与泥浆罐Y之间的第一管线7上还可以设置有其它设备，例如节流撬等。
基于气动平板闸阀具有性能可靠、操作切换和维修方便等特点，可以将第一阀门4和第二阀门5设置为气动平板闸阀。
为了保证密封腔体1、第二管线8、第一管线7连接紧固，同时便于拆卸，可以将三者顺次通过法兰连接。
为了提高作业效果，保证密封腔体1内的钻井液存放量足够大，确保对井口的补偿压力，可以将密封腔体1的一端与第二管线8垂直连通，并将活塞2设置在密封腔体1的另一端。
在本发明实施例中，如附图1所示，该井口补压装置装置还包括：安全阀11。该安全阀11设置在密封腔体1上，用于在密封腔体1的内部压力达到预设压力时自动打开。
通过设置安全阀11，避免了密封腔体1内部出现异常情况而产生高压，出现高压压漏地层。
进一步地，为了能够对密封腔体1内的压力进行精确调节，同时将密封腔体1内的气体排出，如附图1所示，该井口补压装置装置还包括：针阀12。该针阀12设置在密封腔体1上，用于调节密封腔体1的内部压力。
为了提高作业效率，实现对活塞2的自动控制，保证在井口回压达到预设的最高值后，活塞2停止运动，即停止对井口继续施加补偿压力，该井口补压装置装置还包括：控制单元和驱动单元。其中，驱动单元用于驱动活塞2运动。控制单元用于根据压力表3检测的井口回压控制驱动单元工作。
其中，驱动单元可以为电机等设备，应用时，只需将电机与活塞2电性连接，以带动活塞2在密封腔体1内移动即可。控制单元可以为计算机、控制器等，应用时，只需将控制单元与压力表3和驱动单元电连接，在作业过程中，不断接收压力表3传递来的压力数据，并根据该压力数据自动控制驱动单元进行工作。
另一方面，本发明实施例提供了利用上述装置进行井口补偿作业的方法，该方法包括：
打开第一阀门4，关闭第二阀门5，将活塞2从接近第二管线8一端向远离第二管线8一端移动，使井筒X中的钻井液顺次经第一管线7、第二管线8流至密封腔体1内。
在钻具固定于井筒X时，将活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液注入井筒X中。
在起钻时，将活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液注入井筒X中，停止起钻，关闭第一阀门4，打开第三阀门6，将活塞2从接近第二管线8一端向远离第二管线8一端移动，使储浆罐10中的钻井液经第三管线9流至密封腔体1内，待密封腔体1内充满钻井液后，关闭第三阀门6，打开第一阀门4，继续起钻，将活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液注入井筒X中。
在下钻时，关闭第一阀门4，打开第三阀门6，将活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液通过第三管线9进入储浆罐10中，待密封腔体1内没有钻井液后，关闭第三阀门6，打开第一阀门4，将活塞2从远离第二管线8一端向远离接近第二管线8一端移动，将密封腔体1内的钻井液注入井筒X中。
在此过程中，利用压力表3实时获取井口回压，并在井口回压达到预设值后，停止移动活塞2。
通过利用上述方法，不仅保证了压力补偿作业的顺利进行，而且可以保证在井底压力与地层压力达到平衡时，停止继续对井口进行压力补偿，在对井口进行压力补偿的过程中，无需使用回压泵系统，操作方便，成本较低，对电和配件的要求较低。此外，通过使用第三阀门6、第三管线9和储浆罐10，保证了在起、下钻具的过程中，井底压力与地层压力始终能够保持平衡状态。
在本发明实施例中，为了准确计算出井底压力值，井口补压方法还包括：
获取钻井参数，并根据钻井参数计算环空压耗和静液柱压力；
在钻进过程中，根据静液柱压力、环空压耗和井口回压计算井底压力。
进一步地，为了准确计算需要补偿的井口压力值，该井口补压方法还包括：在停止钻进后，根据环空压耗和井口回压计算需要补偿的井口压力值。
具体地，钻进过程中，不考虑由于流体加速运动，则井底压力为：
Pb(t)＝Ph(t)+Pf(t)+Pw(t)
停泵后，需要补偿的井口压力值为：
P＝Pf(t)+Pw(t)
其中：
Pb(t)：t时刻的井底压力；
Ph(t)：t时刻的静液柱压力；
Pf(t)：t时刻的环空压耗；
Pw(t)：t时刻的井口回压(分两种情况，情况1：控压钻井时，有控压钻井装备，钻进过程中井口有回压，井口回压值由控压钻井装备提供；情况2：常规钻井时，没有控压钻井装备，钻进过程中井口没有回压)。
环空压耗在紊流时的计算公式为：
Figure GDA0003722943850000081
环空压耗在紊层流时的计算公式为：
Figure GDA0003722943850000082
其中：
Figure GDA0003722943850000083
为密度，kg/m3；
μp为塑性粘度，mPa.s；
L为钻杆或钻铤的长度，m；
Q为排量，L/s；
Dh为井径，mm；
Ds为钻杆或钻铤的外径，mm；
τy为屈服值，Pa。
综上，本发明在对井口进行压力补偿时，无需使用回压泵系统，结构简单，操作方便，省时省电，成本较低，利用本发明进行井口压力补偿时，安全、快速、有效。此外，本发明可用于钻井人员单独使用，也可在控压钻井或控压钻井未使用回压泵系统的情况下使用。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种利用井口补压装置进行井口补偿作业的方法，其特征在于，
所述井口补压装置，包括：
密封腔体(1)、活塞(2)、压力表(3)、第一阀门(4)、第二阀门(5)、第三阀门(6)、第一管线(7)、第二管线(8)、第三管线(9)和储浆罐(10)；
所述密封腔体(1)通过所述第二管线(8)与所述第一管线(7)连通；
所述活塞(2)可移动地设置在所述密封腔体(1)内，并与所述密封腔体(1)间隙配合；
所述压力表(3)设置在所述密封腔体(1)上，用于检测井口回压；
所述第一阀门(4)设置在所述第二管线(8)上；
所述第二阀门(5)设置在所述第二管线(8)与泥浆罐(Y)之间的所述第一管线(7)上；
所述第一管线(7)的两端分别与井筒(X)、所述泥浆罐(Y)连通；
所述储浆罐(10)通过所述第三管线(9)与所述密封腔体(1)联通，所述第三阀门(6)设置在所述第三管线(9)上；
所述方法包括：
打开第一阀门(4)，关闭第二阀门(5)，将活塞(2)从接近第二管线(8)一端向远离所述第二管线(8)一端移动，使井筒(X)中的钻井液顺次经第一管线(7)、所述第二管线(8)流至密封腔体(1)内；
在钻具固定于所述井筒(X)时，将所述活塞(2)从远离所述第二管线(8)一端向远离接近所述第二管线(8)一端移动，将所述密封腔体(1)内的钻井液注入所述井筒(X)中；
在起钻时，将所述密封腔体(1)内的钻井液注入所述井筒(X)中，停止起钻，关闭所述第一阀门(4)，打开第三阀门(6)，将所述活塞(2)从接近所述第二管线(8)一端向远离所述第二管线(8)一端移动，使储浆罐(10)中的钻井液经第三管线(9)流至所述密封腔体(1)内，待所述密封腔体(1)内充满钻井液后，关闭所述第三阀门(6)，打开所述第一阀门(4)，继续起钻，将所述活塞(2)从远离所述第二管线(8)一端向远离接近所述第二管线(8)一端移动，将所述密封腔体(1)内的钻井液注入所述井筒(X)中；
在下钻时，关闭所述第一阀门(4)，打开所述第三阀门(6)，将所述活塞(2)从远离所述第二管线(8)一端向远离接近所述第二管线(8)一端移动，将所述密封腔体(1)内的钻井液通过所述第三管线(9)进入所述储浆罐(10)中，待所述密封腔体(1)内没有钻井液后，关闭所述第三阀门(6)，打开所述第一阀门(4)，将所述活塞(2)从远离所述第二管线(8)一端向远离接近所述第二管线(8)一端移动，将所述密封腔体(1)内的钻井液注入所述井筒(X)中；
在此过程中，利用压力表(3)实时获取井口回压，并在井口回压达到预设值后，停止移动所述活塞(2)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述井口补压装置，还包括：安全阀(11)，设置在所述密封腔体(1)上，用于在所述密封腔体(1)的内部压力达到预设压力时自动打开。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述井口补压装置，还包括：针阀(12)，设置在所述密封腔体(1)上，用于调节所述密封腔体(1)的内部压力。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述井口补压装置，还包括：驱动单元，用于驱动所述活塞(2)运动。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述井口补压装置，还包括：控制单元，用于根据所述压力表(3)检测的井口回压控制所述驱动单元工作。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述密封腔体(1)、所述第二管线(8)、所述第一管线(7)顺次通过法兰连接。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一阀门(4)和所述第二阀门(5)为气动平板闸阀。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
获取钻井参数，并根据所述钻井参数计算环空压耗和静液柱压力；
在钻进过程中，根据所述静液柱压力、所述环空压耗和所述井口回压计算井底压力。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：在停止钻进后，根据所述环空压耗和所述井口回压计算需要补偿的井口压力值。
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