CN111980693A - 基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统 - Google Patents

基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统。所述控制系统包括井筒烃类物质监测单元、井底漏失检测单元以及井底压力控制单元，所述井筒烃类物质监测单元能够判定是否有地层烃类物质进入井筒，所述井底漏失检测单元能够判定是否出现井下漏失，所述井底压力控制单元能够调整井底压力；所述井底压力控制单元能够根据所述井筒烃类物质监测单元的判定结果以及所述井底漏失检测单元的判定结构对井底压力进行控制，直到井筒内既没有地层烃类物质进入又不会发生井漏，所述井底压力控制单元保持当前井底压力不变。本发明的有益效果可包括：本控制系统利用井下烃类检测技术和漏失检测技术实现井底压力的精细控制。

Description

基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统
技术领域
本发明涉及油气井钻井井筒压力控制领域，具体地，涉及一种基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统。
背景技术
目前，深井钻井领域的主要工程风险集中在井控风险，而井控风险的实质是控制井底压力大于地层孔隙压力，避免地层流体大量进入井筒。传统钻井技术的井底压力控制极为粗糙，误差在5-10MPa。而目前深井超深井钻完井面临窄安全密度窗口问题，较大的井底压力波动极易造成井下溢流和井漏，从而出现井控风险，降低生产作业时效。目前国内外通用的方法是在井下安装井下压力监测装置(PWD)，但该工具的安全位置并不在井底，且受传感器压力校准精度的影响，井下压力真实值监测精度误差也偏大(2-3MPa)，具备一定的参考价值但受工具稳定性和价格影响推广范围较小，且该工具应用相对较少。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统，以解决深井超深井钻完井面临窄安全密度窗口的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统。所述控制系统可包括井筒烃类物质监测单元、井底漏失检测单元以及井底压力控制单元，其中，所述井筒烃类物质监测单元能够判定是否有地层烃类物质进入井筒，所述井底漏失检测单元能够判定是否出现井下漏失，所述井底压力控制单元能够调整井底压力；所述井底漏失检测单元与所述井筒烃类物质监测单元相互连接，所述井底漏失检测单元能够获取所述井筒烃类物质监测单元的判定结果，所述井筒烃类物质监测单元也能够获取所述井底漏失检测单元的判定结果，所述井底压力控制单元分别与所述井底漏失检测单元和所述井筒烃类物质监测单元连接，并能够获取所述井底漏失检测单元的判定结果以及所述井筒烃类物质监测单元的判定结果，若监测不到存在地层烃类物质，所述井底漏失检测单元监测井下漏失，若监测不到井下漏失，则保持井底压力不变，若监测到井下漏失，所述井底压力控制单元调整井底压力，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失，此时，所述井筒烃类物质监测单元判定是否存在地层烃类物质侵入井筒，直至井筒内既没有地层烃类物质进入又不发生井漏，保持井底压力不变；若监测到存在地层烃类物质，所述井底压力控制单元调整井底压力，直至所述井筒烃类物质监测单元监测不到有地层烃类物质进入，所述井底漏失检测单元监测井下漏失，若监测不到井下漏失，则保持井底压力不变，若监测到井下漏失，所述井底压力控制单元调整井底压力，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失，此时，所述井筒烃类物质监测单元监测井底是否存在地层烃类物质侵入井筒，直至井筒内既没有地层烃类物质进入又不发生井漏，保持井底压力不变。
在本发明的一个示例性实施例中，若所述井底漏失检测单元监测到井下漏失，所述井底压力控制单元调整井底压力可包括：
所述井底压力控制单元以0.01～10Mpa/s的降压速度降低井口套压，从而降低井底压力，所述井底漏失检测单元对每次降低井底压力后的井筒进行漏失检测。
在本发明的一个示例性实施例中，所述控制系统还可包括井底压力测量单元，所述井筒烃类物质监测单元还能够对井筒内的地层烃类物质浓度实时监测，所述井底压力控制单元调整井底压力，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失可包括：
所述井底压力测量单元对井底压力进行测量得到测量值P1；
所述井底压力控制单元改变井底压力至井底压力大于地层压力，所述井筒烃类物质监测单元判定没有烃类物质侵入，所述井底压力测量单元对井底压力进行测量得到测量值P2；
所述井底压力测量单元继续调整井底压力至P3，其中，P1＜P3＜P2，所述井筒烃类物质监测单元检测井筒内烃类物质的浓度是否大于0且不大于a％，a表示数字且0＜a＜100，无具体含义，若是，则P3为地层压力，所述井底压力控制单元调节井底压力至Px，1≤Px-P3≤3，若否，所述井筒烃类物质监测单元判定井筒内是否存在烃类物质，
若存在，所述井底压力控制单元逐次增大井底压力P3至Pm，所述井筒烃类物质监测单元对每次增大井底压力后的井筒内的烃类物质进行监测，直至井筒内的烃类物质浓度大于0且不小于a％，此时地层压力为Pm，所述井底压力控制单元调节井底压力至Py，1≤Py-P3≤3，其中，P3＜Pm＜P2，m代表数字且m≥4，无具体含义，
若不存在，所述井底压力控制单元逐次减小井底压力P3至Pn，所述井筒烃类物质监测单元对每次减小井底压力后的井筒内的烃类物质进行监测，直至井筒内的烃类物质的浓度大于0且不小于a％，此时地层压力为Pn，所述井底压力控制单元调节井底压力至Pz，1≤Pz-P3≤3，其中，P1＜Pn＜P3，n代表数字且n≥4，无具体含义。
在本发明的一个示例性实施例中，所述P3＝(P1+P2)/2；
所述Pm＝(Pm-1+P2)/2，Pm-1＜Pm＜P2，Pm-1表示井底压力调整至Pm时的前一次调整的井底压力；
所述Pn＝(Pn-1+P1)/2，P1＜Pn＜Pn-1，Pn-1表示井底压力调整至Pn时的前一次调整的井底压力。
在本发明的一个示例性实施例中，所述井底压力控制单元可通过增大钻井液密度，从而增加井底压力，所述井底压力控制单元可通过增大钻井液密度，从而增加井底压力。
在本发明的一个示例性实施例中，所述井底压力控制单元可通过增大钻井液排量，从而增加井底压力，所述井底压力控制单元可通过减小钻井液排量，从而减小井底压力。
在本发明的一个示例性实施例中，所述井底压力测量单元可通过校核过后的水力学模型计算井底压力。
在本发明的一个示例性实施例中，所述井底压力测量单元可利用随钻的井底压力测量装置对井底压力进行测量。
在本发明的一个示例性实施例中，所述井下漏失检测单元可利用地面出口流量装置对漏失进行检测。
在本发明的一个示例性实施例中，所述地层烃类物质可包括C1、C2和C3(或者是可包括Cn，即碳原子个数为n个的烃类物质，n＝1、2、3、4、5、6……)。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：调节井底压力，在保证地层烃类物质的情况下还能够保证井不漏，实现井底压力精细控制，保障井下钻井安全，实现安全高效钻井。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例详细地描述本发明的基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统。
在地层未被钻开之前，地层内各处的地层压力保持相对平衡的状态。在钻井过程中，一旦地层被钻开并投入开采，地层压力平衡状态可能会被打破，若井底压力低于地层压力，在地层压力与井底压力之间产生的压差作用下，地层内的烃类物质就会流向井筒。所述烃类物质可以包括C1(碳原子个数为1个的烃类物质)、C2(碳原子个数为2个的烃类物质)和C3(碳原子个数为3个的烃类物质)(或者是可包括Cn，即碳原子个数为n个的烃类物质，n＝1、2、3、4、5、6……)。
本发明提供了一种基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统。
在本发明的一个示例性实施例中，所述控制系统可以包括：井筒烃类物质监测单元、井底漏失检测单元以及井底压力控制单元；所述井筒烃类物质能够判定是否有地层烃类物质进入井筒；所述井底漏失检测单元能够判定是否出现井下漏失；所述井底压力控制单元能够调整井底压力。
在本实施例中，所述井筒烃类物质监测单元可以包括井下烃类检测工具，所述井下烃类检测工具可以是在钻井过程中检测井底是否有甲烷、乙烷等特殊气体的工具，可以包括红外光源、检测器、检测通道、解释单元等部件，钻井液通过检测通道时，红外光源发射红外光谱照射钻井液，检测器检测透过钻井液的光谱，确定是否存在烃类物质，并能够获得烃类物质的浓度或含量，将结果传给解释单元进行分析处理，并将解释结果通过泥浆脉冲信号上传至地面，另外，除了泥浆脉冲信号，还可以通过电磁波信号传输数据。
其中，所述井底漏失检测单元与所述井筒烃类物质监测单元相互连接，并且，所述井底漏失检测单元能够获取所述井筒烃类物质监测单元的判定结果，所述井筒烃类物质监测单元也能够获取所述井底漏失检测单元的判定结果；所述井底压力控制单元分别与所述井底漏失检测单元和所述井筒烃类物质监测单元连接，并能够获取所述井底漏失检测单元的判定结果以及所述井筒烃类物质监测单元的判定结果。
当所述井筒烃类物质监测单元监测不到存在地层烃类物质时(井底压力＞地层压力)，所述井底漏失检测单元从所述井筒烃类物质监测单元接收所述监测不到存在地层烃类物质的信息，并监测井下漏失，若所述井底漏失检测单元此时监测不到井下漏失时(漏失压力＞井底压力＞地层压力)，保持当前井底压力不变，若所述井底漏失检测单元监测到井下漏失(井底压力＞漏失压力＞地层压力)，所述井底压力控制单元从所述井底漏失检测单元接收所述监测到井下漏失的信息，并对井底压力进行调整，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失，此时，所述井筒烃类物质监测单元再进行判定是否存在地层烃类物质侵入井筒，直到井筒内既没有地层烃类物质进入又不会发生井漏(漏失压力＞井底压力＞地层压力)，保持井底压力不变。
当所述井筒烃类物质监测单元监测到存在地层烃类物质时(井底压力＜地层压力)，所述井底压力控制单元从所述井筒烃类物质监测单元获取所述存在地层烃类物质的信息，并能够对井底压力进行调整，直到所述井筒烃类物质监测单元监测不到有地层烃类物质进入(井底压力＞地层压力)，然后所述井底漏失检测单元从所述井筒烃类物质监测单元获取没有地层烃类物质进入井筒的信息，并能够对井下漏失进行监测，若所述井下漏失检测单元监测不到井下漏失(漏失压力＞井底压力＞地层压力)，则保持当前井底压力不变，若所述井下漏失检测单元监测到井下漏失(漏失压力＞井底压力＞地层压力)，所述井底压力控制单元从所述井下漏失检测单元获取所述井下漏失的信息，并能够对井下压力进行调整，直到所述井下漏失检测单元监测不到井下漏失，此时，所述井筒烃类物质监测单元再进行判定是否存在地层烃类物质侵入井筒，直到井筒内既没有地层烃类物质进入又不会发生井漏(漏失压力＞井底压力＞地层压力)，保持井底压力不变。
在本实施例中，若所述井底漏失检测单元监测到井下漏失，所述井底压力控制单元调整井底压力可以包括：
所述井底压力控制单元以0.01～10Mpa/s的降压速度降低井口套压，从而降低井底压力，所述井底漏失检测单元对每次降低井底压力后的井筒进行漏失检测。
进一步地，所述井底压力控制单元可以0.5～2Mpa/s的降压速度降低井口套压，从而降低井底压力。
在本实施例中，所述控制系统还可以包括井底压力测量单元，所述井筒烃类物质监测单元还能够对井筒内的地层烃类物质浓度实时监测，所述井底压力控制单元调整井底压力，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失可以包括：
S1：所述井底压力测量单元对井底压力进行测量得到测量值P1，P1＜地层压力。
S2：所述井底压力控制单元改变井底压力至井底压力大于地层压力，所述井筒烃类物质监测单元判定没有烃类物质侵入，所述井底压力测量单元对井底压力进行测量得到测量值P2，P2＞地层压力。
S3：所述井底压力测量单元继续调整井底压力至P3，其中，P3＝(P1+P2)/2，P1＜P3＜P2，所述井筒烃类物质监测单元检测井筒内烃类物质的浓度是否大于0且不大于a％(a％也可以说是井筒烃类物质浓度监测单元的标定基值浓度)，a表示数字且0＜a＜100(例如，a可以为0.1或a可以为40或a可以为99.9)，无具体含义，若是，则P3为地层压力，所述井底压力控制单元调节井底压力至Px，1≤Px-P3≤3，若否，所述井筒烃类物质监测单元判定井筒内是否存在烃类物质，
若存在，P3＜地层压力，此时井筒内的烃类物质的浓度是大于a％，增大井底压力P3至P4，其中，P4＝(P3+P2)/2，检测井筒内的地层烃类物质的浓度，如果满足大于0且不大于a％，则P4为地层压力；如果不满足，则继续增大井底压力P4至P5，其中，P5＝(P4+P2)/2，检测井筒内的地层烃类物质的浓度，如果满足大于0且不大于a％，则P5为地层压力；如果不满足则继续依次增大井底压力至P6、P7……直到Pm，对每次增大井底压力后的井筒进行地层烃类物质检测，其中，Pm-1＜Pm＜P2，m代表数字且m≥8，没有具体的含义，Pm-1表示井底压力调整至Pm时的前一次调整的井底压力，当井底压力为Pm且此时井筒内的烃类物质浓度大于0且不小于a％，此时地层压力为Pm，随之调节井底压力至Py，1≤Py-P3≤3，其中，P3＜Pm＜P2，m代表数字且m≥4，无具体含义。
若不存在，P3＞地层压力，减小井底压力P3至P4，其中，P4＝(P3+P1)/2，检测井筒内的地层烃类物质的浓度，如果满足大于0且不大于a％，则P4为地层压力；如果不满足，则继续减小井底压力P4至P5，其中，P5＝(P4+P1)/2，检测地层烃类物质的浓度，如果满足大于0且不大于a％，则P5为地层压力；如果不满足则继续减小井底压力至P6、P7……直到Pn，对每次减小井底压力后的井筒进行地层烃类物质检测，其中，P1＜Pn＜Pn-1，其中，n代表数字且n≥8，无具体含义，Pn-1表示井底压力调整至Pn时的前一次调整的井底压力，当井底压力为Pn且此时井筒内地层烃类物质浓度大于0且不大于a％，此时地层压力为Pn，随之调节井底压力至Pz，1≤Pz-P3≤3，其中，P1＜Pn＜P3，n代表数字且n≥4，无具体含义。
在本实施例中，所述井底压力控制单元可通过增大钻井液密度，从而增加井底压力，所述井底压力控制单元可通过减小钻井液密度，从而减小井底压力。
在本实施例中，所述井底压力控制单元可通过增大钻井液排量，从而增加井底压力，所述井底压力控制单元可通过减小钻井液排量，从而减小井底压力。
另外，所述井底压力控制单元调整井底压力，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失可以包括：
以0.01～10Mpa/s的降压速度降低井口套压，从而降低井底压力，对每次降低井底压力后的井筒进行漏失检测，直到监测不到漏失，进一步地，降压速度可以为0.5～2Mpa/s。
在本实施例中，所述井底压力测量单元可通过校核过后的水力学模型计算井底压力；所述井底压力测量单元可利用随钻的井底压力测量装置对井底压力进行测量；所述井下漏失检测单元可利用地面出口流量装置对漏失进行检测。
综上所述，本发明的基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统的优点可包括：
(1)通过井下烃类检测技术能够第一时间发现井下是否出现溢流，从而能够直接调整井底压力、制止溢流继续发生；
(2)制止溢流发生后，继续调整井下压力，使得既能够保证遗漏不发生又能够保证井不漏，实现井底压力精细控制，保障井下钻井安全，实现安全高效钻井。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种基于井下烃类检测的窄密度窗口地层安全钻井的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括井筒烃类物质监测单元、井底漏失检测单元以及井底压力控制单元，其中，
所述井筒烃类物质监测单元能够判定是否有地层烃类物质进入井筒，所述井底漏失检测单元能够判定是否出现井下漏失，所述井底压力控制单元能够调整井底压力；
所述井底漏失检测单元与所述井筒烃类物质监测单元相互连接，所述井底漏失检测单元能够获取所述井筒烃类物质监测单元的判定结果，所述井筒烃类物质监测单元也能够获取所述井底漏失检测单元的判定结果，所述井底压力控制单元分别与所述井底漏失检测单元和所述井筒烃类物质监测单元连接，并能够获取所述井底漏失检测单元的判定结果以及所述井筒烃类物质监测单元的判定结果，
若监测不到存在地层烃类物质，所述井底漏失检测单元监测井下漏失，若监测不到井下漏失，则保持井底压力不变，若监测到井下漏失，所述井底压力控制单元调整井底压力，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失，此时，所述井筒烃类物质监测单元判定是否存在地层烃类物质侵入井筒，直至井筒内既没有地层烃类物质进入又不发生井漏，保持井底压力不变；
若监测到存在地层烃类物质，所述井底压力控制单元调整井底压力，直至所述井筒烃类物质监测单元监测不到有地层烃类物质进入，所述井底漏失检测单元监测井下漏失，若监测不到井下漏失，则保持井底压力不变，若监测到井下漏失，所述井底压力控制单元调整井底压力，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失，此时，所述井筒烃类物质监测单元监测井底是否存在地层烃类物质侵入井筒，直至井筒内既没有地层烃类物质进入又不发生井漏，保持井底压力不变。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，若所述井底漏失检测单元监测到井下漏失，所述井底压力控制单元调整井底压力包括：
所述井底压力控制单元以0.01～10Mpa/s的降压速度降低井口套压，从而降低井底压力，所述井底漏失检测单元对每次降低井底压力后的井筒进行漏失检测。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括井底压力测量单元，所述井筒烃类物质监测单元还能够对井筒内的地层烃类物质浓度实时监测，所述井底压力控制单元调整井底压力，直到所述井底漏失检测单元监测不到井下漏失包括：
所述井底压力测量单元对井底压力进行测量得到测量值P1；
所述井底压力控制单元改变井底压力至井底压力大于地层压力，所述井筒烃类物质监测单元判定没有烃类物质侵入，所述井底压力测量单元对井底压力进行测量得到测量值P2；
所述井底压力测量单元继续调整井底压力至P3，其中，P1＜P3＜P2，所述井筒烃类物质监测单元检测井筒内烃类物质的浓度是否大于0且不大于a％，a表示数字且0＜a＜100，无具体含义，若是，则P3为地层压力，所述井底压力控制单元调节井底压力至Px，1≤Px-P3≤3，若否，所述井筒烃类物质监测单元判定井筒内是否存在烃类物质，
若存在，所述井底压力控制单元逐次增大井底压力P3至Pm，所述井筒烃类物质监测单元对每次增大井底压力后的井筒内的烃类物质进行监测，直至井筒内的烃类物质浓度大于0且不小于a％，此时地层压力为Pm，所述井底压力控制单元调节井底压力至Py，1≤Py-P3≤3，其中，P3＜Pm＜P2，m代表数字且m≥4，无具体含义，
若不存在，所述井底压力控制单元逐次减小井底压力P3至Pn，所述井筒烃类物质监测单元对每次减小井底压力后的井筒内的烃类物质进行监测，直至井筒内的烃类物质的浓度大于0且不小于a％，此时地层压力为Pn，所述井底压力控制单元调节井底压力至Pz，1≤Pz-P3≤3，其中，P1＜Pn＜P3，n代表数字且n≥4，无具体含义。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述P3＝(P1+P2)/2；
所述Pm＝(Pm-1+P2)/2，Pm-1＜Pm＜P2，Pm-1表示井底压力调整至Pm时的前一次调整的井底压力；
所述Pn＝(Pn-1+P1)/2，P1＜Pn＜Pn-1，Pn-1表示井底压力调整至Pn时的前一次调整的井底压力。
5.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述井底压力控制单元通过增大钻井液密度，从而增加井底压力，所述井底压力控制单元通过减小钻井液密度，从而减小井底压力。
6.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述井底压力控制单元通过增大钻井液排量，从而增加井底压力，所述井底压力控制单元通过减小钻井液排量，从而减小井底压力。
7.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述井底压力测量单元通过校核过后的水力学模型计算井底压力。
8.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述井底压力测量单元利用随钻的井底压力测量装置对井底压力进行测量。
9.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述井下漏失检测单元利用地面出口流量装置对漏失进行检测。
10.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述地层烃类物质包括C1、C2和C3。
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