CN114622854A - 一种钻井系统、控压补压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻井系统、控压补压装置及方法，所述控压补压装置包括自控节流管汇、内、外循环管路、循环管路切换单元、储液罐、流量调节单元、泥浆泵、动力系统以及控制单元，自控节流管汇的入口用于与井口管汇系统连接，其第一出口通过循环管路切换单元与外循环管路的入口和内循环管路的入口中的一者连通，其第二出口与内循环管路的出口连通，外循环管路的出口用于与液气分离器连通；储液罐和泥浆泵设置在内循环管路上；动力系统与泥浆泵连接以驱动泥浆泵；控制单元与动力系统、泥浆泵、自控节流管汇单元、循环管路切换单元、流量调节单元连接，以对井口压力进行控制。本发明可用于钻井和固井等过程的井口压力精细控制。

Description

一种钻井系统、控压补压装置及方法

技术领域

本发明涉及油气田钻井作业技术领域，具体来讲，涉及一种控压补压装置、一种控压补压方法以及包括该控压补压装置的钻井系统。

背景技术

近年来，为缓解国内天然气供需矛盾，川渝地区加快了深井、超深井深层天然气勘探开发步伐，随着钻探作业向深部地层发展，受套管层次的限制，川渝地区深层钻井、固井和完井等作业过程中大多存在裸眼井段长，多压力系统压力系数差异大等地质特征，窄安全密度窗口导致作业过程中井下漏喷复杂、压差卡钻等工程难题频发，同时窄安全密度窗口条件下高压、高产、高含硫海相地层存在巨大的井控风险，深井超深井钻井、固井等作业中由于停泵、起下钻、钻井液(水泥浆)性能变化等因素造成井底压力波动大，井底压力难以稳定控制在安全密度窗口内，井下溢漏复杂造成钻井过程中处理复杂时间长、钻井液损耗大、井控风险高，固井作业时则造成井下严重漏失水泥浆无法上返至预定位置，严重影响固井质量，尤其是由漏转溢，大量气体进入环空，出现喇叭口窜气，井口带压，严重影响下一开的作业，增加后续钻井作业的难度。

经过对现有专利的检索和对比，名称为一种注气稳压钻井方法公开了一种能够克服含流体地层漏喷窄安全窗口难题的钻井方法，公开号为CN101139911A，解决了现有钻井技术无法适应漏喷窄安全压力窗口储层并易造成钻井过程中井喷、井漏或又漏又喷的技术难题，在钻井液循环过程中采用适量注气的方法抵消钻井液循环的附加摩阻动压，停止循环或起钻或下钻前或空井等待时，反复采用憋压、脱气、灌浆、释放高压气，实现平衡压井；在注气稳压钻井实施前，应用随钻测试方法测试储层参数，以确定是否应用以及如何应用上述方法钻井。公开号CN101139911A专利通过注气的方式来实现压力稳定，而且是需要额外增加注气设备，且不能应用于固井作业。

现有的精细控压钻井作业为实现井底压力恒定，采用自动节流控制系统进行井筒压力动态追踪和自动控制，停泵、起下钻等工况下采用井口憋压和独立的回压补偿系统实施压力补偿，补偿因循环摩阻降低而造成的井底压力损耗，井口憋压法存在一定的压力控制误差，采用回压补偿系统虽然可以实施连续压力补偿，但两套设备占地面积较大，回压补偿系统需要采用灌注系统连续给储液罐补充钻井液，存在上水效率差，灌注管线多的问题，导致控制压力波动较大，操作过程中频繁切换流程存在误操作的风险。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种结构紧凑且一套装置可实现精细控压自动节流控制和回压补偿控制的控压补压装置。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种控压补压装置，所述控压补压装置包括：自控节流管汇单元、内循环管路、外循环管路、循环管路切换单元、储液罐、流量调节单元、泥浆泵、动力系统以及控制单元，其中，所述自控节流管汇单元包括自控节流管汇，所述自控节流管汇的入口用于与井口管汇系统连接，所述自控节流管汇的第一出口通过循环管路切换单元与外循环管路的入口和内循环管路的入口中的一者连通，所述自控节流管汇的第二出口与内循环管路的出口连通，外循环管路的出口用于与液气分离器连通；储液罐和泥浆泵沿着钻井液流动方向依次设置在所述内循环管路上；流量调节单元，用于调节回流入储液罐的钻井液流量；动力系统与泥浆泵连接，用于向泥浆泵提供动力，以驱动泥浆泵；所述控制单元与所述动力系统、泥浆泵、自控节流管汇单元、循环管路切换单元、流量调节单元连接，并被配置为进行数据采集、处理、控制，以对井口压力进行控制。

根据本发明的控压补压装置的一个示例性实施例，所述控制单元可被配置为根据工况在正常控压模式和压力补偿模式之间切换，正常控压模式：在钻井液正常循环的情况下，控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口连通，开启外循环通路，而所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口断开，关闭内循环通路；压力补偿模式：当作业工况发生改变需要压力补偿时，控制所述动力系统驱动所述泥浆泵启动，控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口连通，开启内循环通路，随着井口返出钻井液量逐渐减少直至为零时，使所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口断开，关闭外循环通路；其中，在开启内循环通路之后，还控制所述流量调节单元，以调节回流至储液罐中的钻井液流量，使所述储液罐中的钻井液量基本保持不变；当井口压力补偿结束时，控制所述循环管路切换单元，恢复外循环通路，关闭内循环通路，关闭泥浆泵、动力系统，切换至正常控压模式。

根据本发明的控压补压装置的一个示例性实施例，所述控制单元还可被配置为：在钻井液正常循环的情况下，开启外循环通路之前，控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口连通，以使钻井液流入所述储液罐内，直至所述储液罐内的钻井液量达到预设量，再关闭内循环通路。

根据本发明的控压补压装置的一个示例性实施例，所述循环管路切换单元可以包括：第一平板阀，设置在所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口之间，使自控节流管汇与外循环管路连通或断开；第二平板阀，设置在所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口之间，使自控节流管汇与外循环管路连通或断开。

根据本发明的控压补压装置的一个示例性实施例，所述流量调节单元可以为节流阀，所述节流阀可以设置在所述内循环管路上并且沿着钻井液流动方向位于所述储液罐的上游。

根据本发明的控压补压装置的一个示例性实施例，所述控压补压装置还可以包括：第一流量计，设置在所述自控节流管汇的第一出口与循环管路切换单元之间；第二流量计，设置在所述流量调节单元与所述储液罐的入口之间；第三流量计，设置在所述自控节流管汇的第二出口与所述泥浆泵的出口之间的管路上；液位计，设置在所述储液罐内，以监测罐内储液量，所述液位计为超声波液位计，布置在所述储液罐的上部。

根据本发明的控压补压装置的一个示例性实施例，所述控制单元可以与所述第一流量计、所述第二流量计、所述第三流量计和所述液位计连接，并可以被配置为对钻井液流量进行实时计量和监测，并通过对比压力补偿过程中钻井液流量的细微变化，来判断井筒内钻井液的溢漏状态。

根据本发明的控压补压装置的一个示例性实施例，所述自控节流管汇单元还可以包括压力传感器、第四流量计，所述控制单元与所述压力传感器、第四流量计连接，并控制所述自动节流管汇单元进行节流控制。

根据本发明的控压补压装置的一个示例性实施例，所述储液罐可以位于泥浆泵的上方，并通过自吸管与泥浆泵连接。

本发明另一方面提供了一种钻井系统，包括井口管汇系统、液气分离器，还包括如上所述的控压补压装置。

本发明又一方面提供了一种控压补压方法，所述控压补压方法包括：将如上所述的控压补压装置中的自控节流管汇的入口端与井口节流管汇连接，外循环管路的出口用于与液气分离器连通；在钻井液正常循环的情况下，通过所述控制单元控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口连通，以使钻井液流入所述储液罐内，直至所述储液罐内的钻井液量达到预设量，再通过所述控制单元控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口连通，开启外循环通路，而所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口断开，关闭内循环通路；当作业工况发生改变需要压力补偿时，控制所述动力系统驱动所述泥浆泵启动，控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口连通，开启内循环通路，随着井口返出钻井液量逐渐减少直至为零时，使所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口断开，关闭外循环通路；当井口压力补偿结束时，控制所述循环管路切换单元，恢复外循环通路，关闭内循环通路，关闭泥浆泵、动力系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明能采用精细控压钻井原理，解决钻井过程中漏喷、压差卡钻等工程问题和因漏喷复杂造成的固井质量差的难题，降低作业过程中的井控风险。

(2)采用钻井液内循环补偿方式，解决对储液罐连续补充钻井液的问题，保证了井口压力控制的连续性。

(3)对进出自控节流管汇系统和储液罐的钻井液流量进行连续实时计量，准确监测、对比井下溢漏变化，为井下复杂的早期发现和处置措施提供依据。

(4)改变钻井液的上水方式，解决了储液罐通过灌注泵上水效率差的问题，提高井口压力控制精度。

(5)采用一体化紧凑型结构设计，减少了设备现场占地面积，满足川渝地区山地和丘陵地带井场狭小的场地安装要求。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明的控压补压装置的一个示例性实施例的示意图。

图2示出了本发明的控压补压方法的一个示例性实施例的流程示意图。

附图标记说明：

1、自控节流管汇，2、第一流量计，3、第一平板阀，4、第二平板阀，5节流阀，6、第二流量计，7、储液罐，8、自吸管，9、液气分离器，10、动力系统，11、泥浆泵，12、控制单元，13、第三流量计，14、第一管段，15、第二管段，16、第三管段，17、第四管段。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的钻井系统、控压补压装置及方法。

需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“内”、“外”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

本发明提供了一种控压补压装置，其包括：自控节流管汇单元、内循环管路、外循环管路、循环管路切换单元、储液罐、流量调节单元、泥浆泵、动力系统以及控制单元。其中，所述自控节流管汇单元包括自控节流管汇，所述自控节流管汇的入口用于与井口管汇系统连接，自控节流管汇的第一出口通过循环管路切换单元与外循环管路的入口和内循环管路的入口中的一者连通，自控节流管汇的第二出口与内循环管路的出口连通，外循环管路的出口用于与液气分离器连通；储液罐和泥浆泵沿着钻井液流动方向依次设置在内循环管路上；流量调节单元，用于调节回流入储液罐的钻井液流量；动力系统与泥浆泵连接，用于向泥浆泵提供动力，以驱动泥浆泵；控制单元与动力系统、泥浆泵、自控节流管汇单元、循环管路切换单元、流量调节单元连接，并被配置为进行数据采集、处理、控制，以对井口压力进行控制。

根据本发明的控压补压装置，可代替常规的精细控压自动节流控制和回压补偿控制两套装置，对原系统的压力控制和补偿方法进行改进，提高井口压力控制精度和溢漏监测能力，优化作业流程，实现对钻井和固井等工况全过程的精细压力控制和补压功能，解决钻井过程中漏喷、压差卡钻等钻井工程难题和因漏喷复杂造成的固井质量差的技术难题，降低作业过程中的井控风险。

图1示出了本发明的控压补压装置的一个示例性实施例的示意图。

如图1中所示，在一个示例性实施例中，控压补压装置可以包括：自控节流管汇单元、内循环管路、外循环管路、循环管路切换单元、储液罐、流量调节单元、泥浆泵、动力系统、控制单元、第一流量计、第二流量计、第三流量计以及液位计(未示出)。

外循环管路的出口用于与液气分离器连通。外循环管路包括彼此连接的第一管段14和第二管段15。第一管段14的入口与自控节流管汇的第一出口连接，第二管段15的出口与液气分离器连接。

第一管段14、第三管段16、自吸管8和第四管段17构成内循环管路。为节约管路，第一管段14为公共管段。

自控节流管汇单元可以采用常规的自控节流管汇组件。例如，自控节流管汇单元可包括自控节流管汇1、压力传感器、第四流量计。自控节流管汇1的入口用于与井口管汇系统、旋转防喷器连接。

自控节流管汇1的第一出口通过循环管路切换单元与外循环管路的入口和内循环管路的入口中的一者连通，自控节流管汇1的第二出口与内循环管路的出口连通。

循环管路切换单元用于切换钻井液的流动路径，以使自控节流管汇与内循环管路或外循环管路连通。在本实施例中，循环管路切换单元可以包括第一平板阀3和第二平板阀4。

第一平板阀3设置在自控节流管汇的第一出口与外循环管路的入口之间，例如，第一平板阀3设置在第二管段15上，使自控节流管汇与外循环管路连通或断开。也就是说，第一平板阀3是外循环通道的控制阀，打开第一平板阀3让自控节流管汇1的出口与液气分离器9相连，实现外循环。第一平板阀3又可被称为为外循环出口管路平板阀。

第二平板阀4设置在自控节流管汇的第一出口与内循环管路的入口之间，例如，第二平板阀4设置在第三管段16上，使自控节流管汇与外循环管路连通或断开。也就是说，第二平板阀4是内循环通道的控制阀，打开第二平板阀4，关闭第一平板阀3，让自控节流管汇1的第二出口与储液罐7相连，实现内循环。第二平板阀4又可被称为内循环出口管路平板阀。

流量调节单元用于调节回流入储液罐的钻井液流量。流量调节单元可以为节流阀5，节流阀5设置在内循环管路上并且沿着钻井液流动方向(图1中箭头所示)位于储液罐的上游。

从自控节流管汇1的第一出口出来的钻井液分为两路，一路流入液气分离器9，通过第一平板阀3控制管路开关，从而开关外循环；另一路通过第二平板阀4、节流阀5和第二流量计6，回流入储液罐7中，通过第二平板阀4控制管路开关，从而开关内循环。开启内循环后，可通过节流阀5调节流回储液罐7的钻井液流量，维持储液罐7容量在规定的范围之内，以实现用储液罐内预装的钻井液内循环为精细控压作业连续提供井口压力补偿的功能。

第一流量计2设置在自控节流管汇的第一出口与循环管路切换单元之间。第一流量计2可用于监测自控节流管汇的出口流量。第一流量计2可以为质量流量计。第一流量计2又可称为管汇出口流量计。

第二流量计6设置在流量调节单元与储液罐7的入口之间。储液罐7的入口的第二流量计6用于监测入口流量。第二流量计6可以为电磁流量计。第二流量计6又可称为回罐流量计。

第三流量计13设置在自控节流管汇1的第二出口与泥浆泵的出口之间的管路上。泥浆泵11出口的第三流量计13用于监测出口流量。第三流量计13可以为电磁流量计。第三流量计13又可称为泵出口流量计。

液位计(未示出)设置在储液罐7内，以监测罐内储液量。液位计可以为超声波液位计，布置在储液罐7的上部。

压力补偿过程中，循环通道上的三处流量计和液位计的监测数据可以用于对钻井液进行计量和监测，可对比补压循环过程中钻井液流量的细微变化，从而精确判断期间井筒内钻井液溢漏状态。

动力系统10与泥浆泵11连接，用于向泥浆泵11提供动力，以驱动泥浆泵11。

储液罐7和泥浆泵11沿着钻井液流动方向依次设置在内循环管路上。

泥浆泵11靠动力系统提供动力，一端通过自吸管8与储液罐7相连，另一端通过管线与自控节流管汇1的第二出口相连。泥浆泵11将钻井液泵入自控节流管汇1中，持续为自控节流管汇1提供流量，实现井口压力补偿控制。

控压补压装置开始作业时，开启动力系统10，储液罐7内钻井液通过自吸管8进入泥浆泵11中。

储液罐7在通过泥浆泵11给自控节流管汇1提供钻井液的同时，又有从自控节流管汇1回流的钻井液进行补充，保持储液罐内容量在规定的范围之内，以此实现钻井液内循环补偿方式，为整个固井作业系统提供连续循环的钻井液。

储液罐7位于泥浆泵11的上方，通过自吸管8将储液罐7内的钻井液泵入泥浆泵11，该设计不需要使用灌注泵，能解决目前常规储液罐通过灌注泵上水效率差的问题。

控制单元12可以通过数据线与动力系统10、泥浆泵11、自控节流管汇单元、循环管路切换单元、流量调节单元连接，并被配置为收集的各项数据进行采集、处理、控制，驱动自控节流管汇单元和泥浆泵按设计要求进行节流控制和回压补偿控制，以精细控制井底压力的功能。

控制单元12与第一流量计2、第二流量计6、第三流量计13和液位计连接，被配置为对钻井液流量进行实时计量和监测，并通过对比压力补偿过程中钻井液流量的细微变化，来判断期间井筒内钻井液的溢漏状态，实现溢漏监测。

控制单元12与自控节流管汇单元的压力传感器、第四流量计连接，并控制自动节流管汇进行节流控制。

控制单元12可以本地控制自控节流管汇1、节流阀5、动力系统10、泥浆泵11。

通过控制自控节流管汇1可以调节管汇压力从而控制井口压力稳定在设计值范围内，实现井口回压自动控制。例如，根据压力传感器传来的数据，监控井口压实测压力，与设定井口压力值进行对比，再发出调节命令给节流阀5，从而使得井口压力自动稳定在设定值范围内。

通过对动力系统10进行操作控制，驱动泥浆泵11按要求进行回压补偿控制，以实现保持钻井和固井过程中精细控制井底压力的功能。

控制单元12被配置为根据工况在正常控压模式和压力补偿模式之间切换。

其中，正常控压模式：在钻井液正常循环的情况下，控制循环管路切换单元，使自控节流管汇的第一出口与外循环管路的入口连通，开启外循环通路，而自控节流管汇的第一出口与内循环管路的入口断开，关闭内循环通路；

压力补偿模式：当作业工况发生改变需要压力补偿时，控制动力系统驱动泥浆泵启动，控制循环管路切换单元，使自控节流管汇的第一出口与内循环管路的入口连通，开启内循环通路，随着井口返出钻井液量逐渐减少直至为零时，使自控节流管汇的第一出口与外循环管路的入口断开，关闭外循环通路。

其中，在开启内循环通路之后，还控制流量调节单元，以调节回流至储液罐中的钻井液流量，使储液罐中的钻井液量基本保持不变。

当井口压力补偿结束时，控制循环管路切换单元，恢复外循环通路，关闭内循环通路，关闭泥浆泵、动力系统，切换至正常控压模式。

控制单元12还可被配置为：在钻井液正常循环的情况下，开启外循环通路之前，控制循环管路切换单元，使自控节流管汇的第一出口与内循环管路的入口连通，以使钻井液流入储液罐内，直至储液罐内的钻井液量达到预设量，再关闭内循环通路。

根据本发明实施例的控压补压装置为一体式自动控压补压装置，主要由自控节流管汇、管汇出口流量计、两个出口管路平板阀、出口管路节流阀、回罐流量计、储液罐、自吸管、动力系统、泥浆泵、控制系统、泵出口流量计组成。

根据本发明实施例的控压补压装置采用一体化紧凑型结构设计，整套装置撬装在一起，减少了现场设备的占地面积和冗长的管线连接。

在精细控压钻井和固井等施工过程中，当按井口压力控制的要求需要进行精细控压作业时，通过一种一体式自动控压补压装置在井口进行控压和补压操作，保持停泵、起下钻和钻井参数发生改变等工况下井口压力稳定在设定范围内。

该装置在正常钻进过程中采用精细控压钻井自动节流控制系统相同的控制原理和方法进行井口压力控制；储液罐内钻井液补充可以在循环过程中打开装置内部补液通道，使钻井液自动流入储液罐内，并通过内循环通道上出口管路节流阀控制流量大小，采用流量计和液位计进行计量；当需要实施压力补偿时，装置动力系统10启动，装置自带的泥浆泵11开始工作，储液罐7内的钻井液开始内部循环，随着井口返出流量的减少，内循环通道上自动节流阀控制流量逐渐增大，连续循环补偿由于井口钻井液量减少造成的井口压力损失，当井口返出钻井液为零时，装置自动关闭外循环，保持内循环循环；期间始终维持储液罐内的钻井液容量不变。当井口不需要压力补偿时，打开外循环，装置则配合井口返出流量的增大而内循环流量逐渐减小，直到自带的泥浆泵停泵关闭内循环通道，恢复外循环的方式对井口压力的控制。

本发明另一方面提供了一种钻井系统，包括井口管汇系统、液气分离器以及如上所述的控压补压装置。

本发明又一方面提供了一种控压补压方法，可用于钻井固井作业，所述控压补压方法通过如上所述控压补压装置来实现。将控压补压装置中的自控节流管汇的入口端与井口节流管汇连接，外循环管路的出口用于与液气分离器连通。

图2示出了本发明的控压补压方法的一个示例性实施例的流程示意图。

如图2中所示，在一个示例性实施例中，控压补压方法包括以下步骤：

S1、在钻井液正常循环的情况下，通过控制单元控制循环管路切换单元，即，打开第二平板阀4，打开内循环通道，使自控节流管汇1的第一出口与内循环管路的入口连通，以使部分钻井液流入储液罐7内，直至储液罐7内的钻井液量达到预设量。可通过内循环出口管路的节流阀5控制钻井液流入量，储液罐7钻井液量达到预置的设定值后，再通过控制单元控制循环管路切换单元，使自控节流管汇1的第一出口与外循环管路的入口连通，开启外循环通路，而自控节流管汇1的第一出口与内循环管路的入口断开，关闭内循环通路。即，储液罐钻井液量达到预置的设定值后关闭第二平板阀4，关闭内循环通道。保持第一平板阀3为开启状态，多余的钻井液通过外循环通道流入液气分离器9中。

S2、当作业工况发生改变需要压力补偿时，例如，停泵、起下钻和钻井参数发生改变等工况，可启动控压补压装置的动力系统10和泥浆泵11，在井口进行补压操作，井口压力稳定在设定范围内。

可以通过控制单元12控制动力系统10驱动泥浆泵11启动，控制循环管路切换单元，使自控节流管汇的第一出口与内循环管路的入口连通。即，打开第二平板阀4，打开节流阀5，开启内循环通路。随着井口返出钻井液量逐渐减少直至为零时，使自控节流管汇1的第一出口与外循环管路的入口断开，关闭外循环通路。期间通过装置内的自控节流管汇进行连续井口压力控制，通过节流阀5控制回罐钻井液流量，钻井液在装置内部循环且储液罐中液量保持不变。

S3、当井口压力补偿结束时，控制循环管路切换单元，打开第一平板阀3，打开外循环通路，恢复外循环通路，钻井液流入液气分离器9，关闭第二平板阀4，关闭内循环出口管路节流阀，关闭内循环通路，关闭泥浆泵11、动力系统10。恢复外循环通道正常控压模式。

根据本发明的精细控压方法及其所采用的一体式自动控压补压装置，可具有如下结构和特点：

(1)本发明能采用精细控压钻井原理，解决钻井过程中漏喷、压差卡钻等工程问题和因漏喷复杂造成的固井质量差的难题，降低作业过程中的井控风险。

(2)采用钻井液内循环补偿方式，解决对储液罐连续补充钻井液的问题，保证了井口压力控制的连续性；

(3)对进出自控节流管汇系统和储液罐的钻井液流量进行连续实时计量，准确监测、对比井下溢漏变化，为井下复杂的早期发现和处置措施提供依据；

(4)改变钻井液的上水方式，解决了储液罐通过灌注泵上水效率差的问题，提高井口压力控制精度；

(5)采用一体化紧凑型结构设计，减少了设备现场占地面积，满足川渝地区山地和丘陵地带井场狭小的场地安装要求。

根据本发明的控压补压装置和方法，可用于钻井和固井等过程的井口压力精细控制，属于油气田钻井作业全过程压力控制技术。

尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种控压补压装置，其特征在于，所述控压补压装置包括：自控节流管汇单元、内循环管路、外循环管路、循环管路切换单元、储液罐、流量调节单元、泥浆泵、动力系统以及控制单元，其中，

所述自控节流管汇单元包括自控节流管汇，所述自控节流管汇的入口用于与井口管汇系统连接，所述自控节流管汇的第一出口通过循环管路切换单元与外循环管路的入口和内循环管路的入口中的一者连通，所述自控节流管汇的第二出口与内循环管路的出口连通，外循环管路的出口用于与液气分离器连通；

储液罐和泥浆泵沿着钻井液流动方向依次设置在所述内循环管路上；

流量调节单元用于调节回流入储液罐的钻井液流量；

动力系统与泥浆泵连接，用于向泥浆泵提供动力，以驱动泥浆泵；

所述控制单元与所述动力系统、泥浆泵、自控节流管汇单元、循环管路切换单元、流量调节单元连接，并被配置为进行数据采集、处理、控制，以对井口压力进行控制。

2.根据权利要求1所述的控压补压装置，其特征在于，所述控制单元被配置为根据工况在正常控压模式和压力补偿模式之间切换，

正常控压模式：在钻井液正常循环的情况下，控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口连通，开启外循环通路，而所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口断开，关闭内循环通路；

压力补偿模式：当作业工况发生改变需要压力补偿时，控制所述动力系统驱动所述泥浆泵启动，控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口连通，开启内循环通路，随着井口返出钻井液量逐渐减少直至为零时，使所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口断开，关闭外循环通路；

其中，在开启内循环通路之后，还控制所述流量调节单元，以调节回流至储液罐中的钻井液流量，使所述储液罐中的钻井液量基本保持不变；

当井口压力补偿结束时，控制所述循环管路切换单元，恢复外循环通路，关闭内循环通路，关闭泥浆泵、动力系统，切换至正常控压模式。

3.根据权利要求2所述的控压补压装置，其特征在于，所述控制单元还被配置为：在钻井液正常循环的情况下，开启外循环通路之前，控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口连通，以使钻井液流入所述储液罐内，直至所述储液罐内的钻井液量达到预设量，再关闭内循环通路。

4.根据权利要求1所述的控压补压装置，其特征在于，所述循环管路切换单元包括：

第一平板阀，设置在所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口之间，使自控节流管汇与外循环管路连通或断开；

第二平板阀，设置在所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口之间，使自控节流管汇与外循环管路连通或断开。

5.根据权利要求1所述的控压补压装置，其特征在于，所述流量调节单元为节流阀，所述节流阀设置在所述内循环管路上并且沿着钻井液流动方向位于所述储液罐的上游。

6.根据权利要求5所述的控压补压装置，其特征在于，所述控压补压装置还包括：

第一流量计，设置在所述自控节流管汇的第一出口与循环管路切换单元之间；

第二流量计，设置在所述流量调节单元与所述储液罐的入口之间；

第三流量计，设置在所述自控节流管汇的第二出口与所述泥浆泵的出口之间的管路上；

液位计，设置在所述储液罐内，以监测罐内储液量，所述液位计为超声波液位计，布置在所述储液罐的上部。

7.根据权利要求6所述的控压补压装置，其特征在于，所述控制单元与所述第一流量计、所述第二流量计、所述第三流量计和所述液位计连接，被配置为对钻井液流量进行实时计量和监测，并通过对比压力补偿过程中钻井液流量的细微变化，来判断井筒内钻井液的溢漏状态；

所述自控节流管汇单元还包括压力传感器、第四流量计，所述控制单元与所述压力传感器、第四流量计连接，并控制所述自动节流管汇单元进行节流控制。

8.根据权利要求1所述的控压补压装置，其特征在于，所述储液罐位于泥浆泵的上方，并通过自吸管与泥浆泵连接。

9.一种钻井系统，包括井口管汇系统、液气分离器，其特征在于，还包括如权利要求1至8中任意一项所述的控压补压装置。

10.一种控压补压方法，其特征在于，所述控压补压方法包括：

将如权利要求1至8中任意一项所述的控压补压装置中的自控节流管汇的入口端与井口节流管汇连接，外循环管路的出口用于与液气分离器连通；

在钻井液正常循环的情况下，通过所述控制单元控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口连通，以使钻井液流入所述储液罐内，直至所述储液罐内的钻井液量达到预设量，再通过所述控制单元控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口连通，开启外循环通路，而所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口断开，关闭内循环通路；

当作业工况发生改变需要压力补偿时，控制所述动力系统驱动所述泥浆泵启动，控制所述循环管路切换单元，使所述自控节流管汇的第一出口与所述内循环管路的入口连通，开启内循环通路，随着井口返出钻井液量逐渐减少直至为零时，使所述自控节流管汇的第一出口与所述外循环管路的入口断开，关闭外循环通路；

当井口压力补偿结束时，控制所述循环管路切换单元，恢复外循环通路，关闭内循环通路，关闭泥浆泵、动力系统。

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