CN112031685A - 一种液面稳定控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液面稳定控制系统及其控制方法。该系统主要由包括旋转防喷器、液位计、自控系统、常规节流管汇、自动节流管汇和液气分离器、灌浆泵、循环罐、钻井泵组成。液位计用于实时监测循环罐液面的变化，其数据传给自控系统，自控系统实时分析液位计采集的液面数据，并根据数据分析对自动节流管汇开度作出控制，进而改变井口压力。液面稳定控制的控制目标是地面循环罐的液面变化率，判断液面达到稳定的标准是液面变化率变为0，进而判断井筒内的井底压力和地层压力达到平衡。该方法省略了常规控压钻井中复杂的水力学计算，具有操作简单，成本低和易于推广的特点，适用于地层压力未知和窄密度窗口的地层。

Description

一种液面稳定控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于石油钻探的井筒压力控制钻井技术领域，涉及一种液面稳定控制系统及其控制方法。

背景技术

随着国民经济的持续、快速发展，我国对石油天然气能源的需求也日益剧增，目前我国的石油对外依存度逼近70%，因此，油气勘探开发转向地质情况复杂的新区块成为必然。在钻探新区块的过程中，尤其是打预探井时，由于缺乏邻井资料对比，加之前期地质勘探的地层资料不是绝对准确，在钻井中经常会遇到地层压力不确定或窄密度窗口等情况。一旦钻遇这种地层，就会发生井涌、井漏，或者出现漏涌同存等复杂情况。如果出现井涌，应立即关井并进行循环压井；反之如出现井漏就需要堵漏处理。如果地层压力未知，且地层又是很窄的密度窗口，则在钻井过程中可能会出现非涌即漏的情况，即使频繁的进行压井和堵漏处理也不能解决复杂的情况。这将直接导致非生产时间增多，建井周期增长，最终造成较大的经济损失。

目前对于窄密度窗口地层比较通用的解决方案是采用控制压力钻井技术，包括井底恒压法控压钻井、双梯度钻井等常用的方式，该技术能通过精确控制环空压力剖面，在钻井全过程保持井底压力处于地层孔隙压力和地层破裂压力之间的窗口，因此，控制压力钻井技术能很好的解决窄密度压力窗口地层和未知压力地层的钻井复杂情况。但无论采取哪一种方式，控压钻井早期溢流及井涌的检测一般通过井口的高精度的流量计进行监测，在钻井过程中通常也需要在井底安装随钻测压装置（PWD）以实时读取井底压力，此外还需要一套匹配的水力参数计算软件实时计算井筒关键水力参数。以上控压钻井中所必需的硬件和软件配套要求高，成本高，对作业者的软件操作要求较高，因此使用条件受到的限制很多。

如何以一种低成本、易操作且便于推广的钻井方式实现控压钻井的基本功能，是目前石油钻探过程中面临的难题。

发明内容

本发明就是针对现有技术存在的问题，提出一种成本低、操作简单，适用于地层压力未知地层和窄密度窗口压力地层钻井的液面稳定控制系统及其控制方法。该技术能通过控制地面钻井液循环罐的液面稳定，维持井筒压力平衡，达到不漏不涌的目的。

本发明的目的之一是这样实现的：

一种液面稳定控制系统包括旋转防喷器、液位计、自控系统、常规节流管汇、自动节流管汇和液气分离器、灌浆泵、钻井泵、循环罐；其中：所述旋转防喷器安装于井口防喷器组的上端；液位计安装于循环罐正上方，液位计通过数据采集线连接到自控系统；自控系统与自动节流管汇相连接；自动节流管汇出口接入液气分离器；灌浆泵通过压井管汇接入井筒环空，压井管汇上设有循环罐；钻井泵出口一路接入钻具，另一路通过高压管线接入压井管汇。

所述钻井泵一路出口通过立管、水龙带之后接入钻具。

所述的液位计为雷达液位计。

基于前述的液面稳定控制系统的液面稳定控制方法，包括以下步骤：

钻井泵出口一路接入钻具，另一路通过高压管线接入压井管汇；旋转防喷器密封井口井筒和钻具之间的环空；井筒返出的流体经过旋转防喷器，进入高压管线，之后通过自动节流管汇进入液气分离器，钻井流体经过气液两相分离后，液体钻井液经过管线进入循环罐，循环罐接入钻井泵完成一个循环；循环罐接到灌浆泵，灌浆泵通过压井管汇接入井筒环空，其作用是完成起钻时的灌浆；循环罐上安装液位计，液位计采集的数据通过数据线连接到自控系统，自控系统跟自动节流管汇连接，通过实时分析液位计采集的数据，判断井筒压力与地层压力的关系，之后完成对自动节流管汇节流阀开度的控制，从而改变井口套压，最终达到井底压力和地层压力平衡。

所述地面钻井泵和地面钻井泵出口接入立管，立管的一路接入水龙带，之后接入钻具，另一路通过高压管线接入压井管汇。

所述控制液面达到稳定的判断依据是液面变化率变为0且保持不变。

与现有技术相比，本发明的优势是与常规的控压钻井方法相比，用高精度液位计代替昂贵的高精度流量计来判断井涌和井漏；以地面钻井液罐的液面稳定为井筒压力平衡的判据，省略了常规控压钻井过程中复杂的水力学计算，具有操作简单、成本低和适合现场应用推广。

附图说明

图1是本发明的一种液面稳定控制系统及其控制方法的示意图。

图中：1、套管；2、旋转防喷器；3、高压管线；4、自动节流管汇；5、液气分离器；6、第一循环罐；7、第二循环罐；8、液位计；9、第三循环罐；10、钻井泵A；11、钻井泵B；12、灌浆泵；13、常规节流管汇；14、自控系统；15、压井管汇。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

实施例1：

一种液面稳定控制系统包括旋转防喷器2、液位计8、自控系统14、常规节流管汇13、自动节流管汇4和液气分离器5、灌浆泵12、钻井泵（A10/B11）、循环罐（第一循环罐6、第二循环罐7、第三循环罐9）；其中：所述旋转防喷器2安装于井口防喷器组的上端；液位计8安装于第二循环罐7正上方，液位计8通过数据采集线连接到自控系统14；自控系统14与自动节流管汇4相连接；自动节流管汇4出口接入液气分离器5；灌浆泵12通过压井管汇15接入井筒环空，压井管汇15上设有循环罐；钻井泵组（A10/B11）出口一路接入钻具，另一路通过高压管线3接入压井管汇。

所述钻井泵组（A10/B11）一路出口通过立管、水龙带之后接入钻具。

所述的液位计8为雷达液位计。

实施例2：

基于前述的液面稳定控制系统的液面稳定控制方法，包括以下步骤：

钻井泵出口一路接入钻具，另一路通过高压管线接入压井管汇；旋转防喷器密封井口井筒和钻具之间的环空；井筒返出的流体经过旋转防喷器，进入高压管线，之后通过自动节流管汇进入液气分离器，钻井流体经过气液两相分离后，液体钻井液经过管线进入循环罐，循环罐接入钻井泵完成一个循环；循环罐接到灌浆泵，灌浆泵通过压井管汇接入井筒环空，其作用是完成起钻时的灌浆；循环罐上安装液位计，液位计采集的数据通过数据线连接到自控系统，自控系统跟自动节流管汇连接，通过实时分析液位计采集的数据，判断井筒压力与地层压力的关系，之后完成对自动节流管汇节流阀开度的控制，从而改变井口套压，最终达到井底压力和地层压力平衡。

所述地面钻井泵和地面钻井泵出口接入立管，立管的一路接入水龙带，之后接入钻具，另一路通过高压管线接入压井管汇。

所述控制液面达到稳定的判断依据是液面变化率变为0且保持不变。

实施例3：

参照附图1所示，本实施例的一种液面稳定控制系统,包括旋转防喷器2、液位计8、自控系统14、自动节流管汇4和液气分离器5。旋转防喷器2安装于井口防喷器组的上端，用于密封井口井筒和钻具之间的环空；液位计8安装于第二循环罐7正上方，用于实时监测第二循环罐7液面的变化；液位计8通过数据采集线连接到自控系统14，自控系统14的核心是一个控制器；自控系统14与自动节流管汇4相连接，用来实时分析液位计采集的液面数据，并根据数据分析对自动节流管汇4的节流阀开度作出控制；自动节流管汇4出口接入液气分离器5，用以处理环空流体可能含有的气体。

井口的旋转防喷器2通过高压管线3连接到自动节流管汇4，自动节流管汇4出口接入液气分离器5，液气分离器5的液体出口由管线依次接入钻井液第一循环罐6、第二循环罐7和第三循环罐9，第三循环罐9的出口一路通过钻井泵A10和钻井泵B11注入钻具，另一路由灌浆泵12通过压井管汇15接入井筒环空。常规节流管汇13通过井口四通与井口连接，之后接入泥浆池。

液位计8用于测量第一循环罐6、第二循环罐7和第三循环罐9的钻井液液面，液位计8设置于第二循环罐7上，液位计8用数据线连接到自控系统14，自控系统14连接于自动节流管汇4，自控系统14能根据判断自动调节节流管汇4中节流阀的开度。

实施例4：

一种液面稳定控制方法，其特征是包括以下步骤：

旋转防喷器2安装于井口防喷器组的上端，用于密封井口井筒和钻具之间的环空；液位计8安装于第二循环罐7正上方，用于实时监测第二循环罐7液面的变化；液位计8通过数据采集线连接到自控系统14，自控系统14的核心是一个控制器；自控系统14与自动节流管汇4相连接，用来实时分析液位计采集的液面数据，并根据数据分析对自动节流管汇4的节流阀开度作出控制；自动节流管汇4出口接入液气分离器5，用以处理环空流体可能含有的气体。

地面钻井泵组（10和11）出口接入立管，立管的一路接入水龙带，之后接入钻具，立管的另一路通过高压管线接入压井管汇15。井筒返出的流体经过旋转防喷器2，进入高压管线3，之后通过自动节流管汇4进入液气分离器5，钻井流体经过气液两相分离后，液体钻井液经过管线进入第一循环罐6，第一循环罐6和第二循环罐7及第三循环罐9相连，组成循环罐组，第三循环罐9出口接入地面钻井泵组（10和11），完成一个循环。第三循环罐9出口还接到灌浆泵12，灌浆泵12通过压井管汇15接入井筒环空，其作用是完成起钻时的灌浆。第二循环罐7正上方安装液位计8，液位计8采集的数据通过数据线连接到自控系统14，自控系统14跟自动节流管汇4连接，通过分析液位计8采集的数据，判断井筒压力与地层压力的关系，之后完成对自动节流管汇4节流阀开度的控制，从而改变井口套压，最终达到井底压力和地层压力平衡的目的。

本发明中一种液面稳定控制系统中的液位计选用高精度的雷达液位计。

在钻进作业中，井涌或井漏发生的判断依据是液面变化量。液位计8通过实时检测第二循环罐7内钻井液液面的变化，将液面变化的数据实时传给自控系统14，自控系统14根据液面变化的数据判断井底压力和地层压力情况。如果钻井液罐液面增加值达到设定的Δ h，则认为发生井涌；反之，如钻井液罐液面降低值达到设定的Δh，则认为发生井漏。一旦判断井涌或井漏发生，自控系统14会控制自动节流管汇4的节流阀开度相应地减小或增大，进而增大或减小井口的套压。

一种液面稳定控制方法的控制对象是液面变化率。发生井涌或井漏后，钻井液罐液面是否稳定通过液面变化率（切线斜率）进行判断。如果液面变化率（切线斜率）一直大于0，说明液面一直在增长，表明一直发生井涌；反之如果液面变化率一直小于0，则表示液面一直在降低，说明一直发生井漏。当发生井涌时，自控系统14会减小自动节流管汇4的节流阀开度，增加井口回压，进而增大井底压力，液面变化率（切线斜率）会由原来的正数慢慢趋向于0；当发生井漏时，自控系统14会增大自动节流管汇4的节流阀开度，降低井口回压，进而减小井底压力，液面变化率（切线斜率）会由原来的负数慢慢趋向于0。

本系统液面稳定控制方法，其控制液面达到稳定的判断依据是液面变化率（切线斜率）变为0，且保持不变。液面变化率变为0且保持不变，则可以判断这段时间内注入井筒钻井液和返出井口的钻井液体积相等，未发生井筒流体进入地层或地层流体侵入井筒的情况，井筒内的井底压力和地层压力达到平衡，实现了液面稳定控制。

本发明提出的一种液面稳定控制系统及其控制方法，能通过控制钻井液循环灌液面的稳定，自动控制井内发生的溢流或井涌，最终达到维持井筒压力平衡的目标，该方法成本低、操作简单，适用于地层压力未知地层和窄密度窗口压力地层的钻井，使成功解决新区块地层压力未知和窄密度窗口地层的钻井难题成为可能。

Claims (5)

1.一种液面稳定控制系统，包括旋转防喷器、液位计、自控系统、常规节流管汇、自动节流管汇和液气分离器、灌浆泵、循环罐、钻井泵；其特征在于：所述旋转防喷器安装于井口防喷器组的上端；液位计安装于循环罐正上方，液位计通过数据采集线连接到自控系统；自控系统与自动节流管汇相连接；自动节流管汇出口接入液气分离器；灌浆泵通过压井管汇接入井筒环空，压井管汇上设有循环罐；钻井泵出口一路接入钻具，另一路通过高压管线接入压井管汇。

2.根据权利要求1所述的液面稳定控制系统，其特征在于：所述钻井泵一路出口通过立管、水龙带之后接入钻具。

3.根据权利要求2所述的液面稳定控制系统，其特征在于：所述的液位计为雷达液位计。

4.基于权利要求1-3-任一所述的液面稳定控制系统的液面稳定控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

钻井泵出口一路接入钻具，另一路通过高压管线接入压井管汇；旋转防喷器密封井口井筒和钻具之间的环空；井筒返出的流体经过旋转防喷器，进入高压管线，之后通过自动节流管汇进入液气分离器，钻井流体经过气液两相分离后，液体钻井液经过管线进入循环罐，循环罐接入钻井泵完成一个循环；循环罐接到灌浆泵，灌浆泵通过压井管汇接入井筒环空，其作用是完成起钻时的灌浆；循环罐上安装液位计，液位计采集的数据通过数据线连接到自控系统，自控系统跟自动节流管汇连接，通过实时分析液位计采集的数据，判断井筒压力与地层压力的关系，之后完成对自动节流管汇节流阀开度的控制，从而改变井口套压，最终达到井底压力和地层压力平衡。

5.根据权利要求4所述的液面稳定控制方法，其特征在于：所述控制液面达到稳定的判断依据是液面变化率变为0且保持不变。

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