CN116905993B - 一种可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置与方法，所述装置包括安装于钻柱内的调压系统和安装于钻柱外的固定系统，其中调压系统包括可将钻柱内的钻井液导出的旁通阀及与所述旁通阀经阀道连通的调压流道；固定系统包括若干可与钻柱表面卡合的卡瓦，连接各卡瓦的、与钻柱平行的工具臂及设置于工具臂内、与所述调压流道及环空连通的调压孔。本发明可通过在多压力体系地层段井筒的钻柱上安装钻井调节装置，以地层压力系数为依据，通过调节进入环空中的钻井液的流量，平衡地层压力与井筒压力。

Description

一种可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置与方法

技术领域

本发明涉及控压钻井方法的技术领域。

背景技术

随着钻井深度的不断深入，地层环境变得异常复杂，钻井面临的技术问题越来越多，如对超深层地质特征的认识不清，压力系统随着深度出现变化，同一裸眼段出现多压力系统交错，设计的井筒压力分布不合理，缺乏适宜的井筒压力剖面调节方法等，若不解决这些技术问题，会导致井筒压力与地层压力难以达到平衡，造成卡钻、喷漏等诸多问题，损失大量钻井时效，不仅造成开采计划的延期，也会产生巨大的经济损失和资源、能源耗费。控压钻井技术是解决复杂地层开发的重要技术，其关键在于使井筒压力接近地层压力，实现近平衡钻井。

现有专利文献CN 110067512公开了一种双梯度钻井系统及其钻井方法，该方法采用双壁钻杆、钻井泵和辅助泵在井内环空中实现了双梯度钻井，其中，钻井泵组注入第一流体进入双壁钻杆，然后通过排出管线到达下游泥浆处理系统；辅助泵装置用于向环隙内注入不参与钻井液循环的第二流体以调节环隙内的压力梯度，通过第二流体在环隙内的高度和第一流体的密度实现双梯度钻井。该方法受限于环境因素，对陆地钻井并不适用，且对于具有多梯度压力的地层难以实现平衡钻井。现有专利文献CN 113404481公开了一种基于双层连续管双梯度钻井系统的井筒流动控制方法，该方法中，钻井液一方面通过钻井泵由双层连续管的环空进入井下举升泵中，经流道转换接头后进入双层连续管的内管，通过钻头水眼进入井底，并在进入井底的过程中形成压力平衡，另一方面从返回孔进入井下工具组合的环空，经流道转换接头进入双层连续管的内管，通过井下举升泵返回平台，并在返回的过程中形成压力平衡。该方法受环境因素限制较大，且只能实现双梯度钻井，无法适用于多梯度控压钻井中。现有专利文献CN 1446286提出了一种在海洋钻井环空循环中外接管道注入不可压缩得漂浮物质，实现双梯度钻井的方法，此方法同样局限性较大，只能在海水段形成双梯度钻井，无法在地层段实现。

可以看出，现有技术多只能实现单一环境如海洋环境下的双梯度钻井，无法在同一裸眼段具有多压力体系、多压力梯度的复杂地层上得到应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置及方法。该方法可应用于同一裸眼段具有多段复杂压力体系的复杂钻井中，可在不改变钻井液的液相密度下，用于陆地钻井中。

本发明的技术方案如下：

一种可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置，其包括：安装于钻柱内的调压系统和安装于钻柱外的固定系统，所述调压系统包括可将钻柱内的钻井液通过阀道导出钻柱的旁通阀及与所述旁通阀经阀道连通的调压流道；所述固定系统包括若干可与钻柱表面及井壁卡合的卡瓦，连接各卡瓦的、与钻柱平行的工具臂及设置于工具臂内、与所述调压流道及环空连通的调压孔；所述旁通阀固定于钻柱内，并设有电磁阀。

根据本发明的一些优选实施方式，所述旁通阀包括：与钻井液相通的进液口、阀道、出液口和设置于进液口处的电磁阀，所述钻井液通过电磁阀开启后的进液口进入阀道，通过出液口进入调压流道，所述电磁阀上设置RFID读取器，所述调压流道为设置于钻柱壁内的、具有一定长度的流道，其起始端和终止端均设置有RFID标签。

本发明进一步提供了应用上述钻井调节装置的钻井调节方法，其包括：

S1在具有n个不同地层压力系数的地层段的多压力体系地层中，安装n-1个所述钻井调节装置；

S2通过安装的n-1个钻井调节装置对不同地层段中自钻柱内进入环空中的钻井液的流量即环空钻井液的流量进行调节，使各地层段的环空钻井液的当量密度ρ_e等于该地层段的地层压力系数α_p，达到井筒压力与地层压力的平衡；

其中，对所述环空钻井液的流量进行的调节根据以下调节模型实现：

其中，α_px表示x地层段的的地层压力系数，ρ_ex表示x地层段的环空钻井液的当量密度，ρ_l表示钻井液密度，H表示x地层段的井身长度，Q_x表示x地层段的环空钻井液的流量，K_x表示x地层段的循环压耗系数，H_x表示x地层段的井筒长度，ρ_l表示钻井液密度，η表示钻井液塑性粘度，d_p表示钻杆内径，D_p表示钻杆外径，D表示井眼直径。

以上方案中所述地层压力系数是指地层垂直深度的地层压力与该处淡水静液柱压力之比，可根据测井资料计算得到。

根据本发明的一些优选实施方式，所述钻井调节装置的安装包括：

将钻井调节装置以抱柱的形式安装于钻柱上，随钻头钻进，进入井内；

当钻柱钻进至裸眼段指定位置时，将所述钻井调节装置通过其卡瓦坐挂在井壁上；

当钻柱钻进到指定深度后，钻进过程结束，将所述钻井调节装置保持在多梯度地层压力体系交界处，即各地层的压力突变处。

其中，各地层的压力突变处可由地层资料、邻井资料等进行确定。

本发明具备以下有益效果：

本发明的钻井调节方法可通过在多压力体系地层段井筒的钻柱上安装钻井调节装置，以地层压力系数为依据，使钻杆内的钻井液按控制流量提前进入环空中，改变环空钻井液流量分布，实现井筒压力调节，解决了现有技术中多压力体系地层段中井筒压力与地层压力难以平衡的问题。

本发明的钻井调节装置适用于陆地控压钻井，其控压钻井效果优于现有的精细控压钻井方法，可在裸眼段复杂多压力体系地层中实现多梯度控压钻井，能够有效平衡地层压力与井筒压力。

附图说明

图1为本发明的可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置的剖面结构示意图。

图2为图1中A-A面剖视图。

图3为钻井调节装置中的调压系统的结构示意图。

图4为钻井调节装置中的固定系统的结构示意图。

图5为钻井调节装置的安装方式示意图。

图6为实施例1得到不同情况下安装或不安装钻井调节装置得到的环空循环压耗的对比情况。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

参照附图1-4，在一些具体实施方式中，本发明的可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置包括安装于钻柱内的调压系统和安装于钻柱外的固定系统，其中，调压系统包括可将钻柱2内的钻井液通过阀道9导出钻柱2的旁通阀3及与旁通阀3经阀道连通的调压流道6；固定系统包括若干可与钻柱2表面及裸眼段井壁1卡合的卡瓦7，连接各卡瓦7的、与钻柱2平行的工具臂4及设置于工具臂4内、与调压流道6及环空8连通的调压孔5。

进一步的，其中，旁通阀3可通过紧固装置如螺栓固定在钻柱2内随钻柱向下钻进，旁通阀3包括与钻井液相通的进液口、阀道9、出液口和设置于进液口处的电磁阀，钻井液通过电磁阀开启后的进液口进入阀道9，通过出液口进入调压流道6。调压流道6可设置为在钻柱2与具有一定长度的流道，其内的钻井液通过与环空8相通的调压孔5进入到环空8中。

在一些优选实施方式，在电磁阀上设置RFID读取器，在调压流道6的起始端和终止端各设置一个RFID标签，当旁通阀3通过调压流道6起始端的RFID标签时，读取器读取开启指令，开启电磁阀，对钻井液进行分流；当旁通阀3通过调压流道6终止端的RFID标签时，读取器读取关闭指令，关闭电磁阀，停止钻井液分流，同时，RFID标签可先进行远程定义，以对电磁阀的开口程度进行控制，实现对分流流量的控制。

在应用中，当钻柱钻进到裸眼段指定位置时，可通过对钻柱2的上提下放，将钻井调节装置中的卡瓦7坐挂在井壁1上且不坐封井段。钻井调节装置在钻柱2内安装的旁通阀3随着钻柱向下钻进，在经过多梯度压力地层段时，通过旁通3阀内设置的电磁阀的开启，使钻井液通过阀道进入到调压流道6内，调压流道内的钻井液再通过调压孔5进入到环空中，可以保证一直在指定位置对钻井液进行分流，调节井段压力。当完成钻进后，压力剖面调节工具解封，上提钻柱，将其带出。

本发明的以上装置中，调压系统可通过控制钻井液分流量，实现对压力剖面的调节，固定系统可将装置固定在地层压力突变处。调节装置可使钻柱内的钻井液提前进入环空中，并通过改变环空中钻井液的流量来调节环空循环压耗，达到使井筒压力与地层压力平衡的目的。

基于以上可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置进行的钻井调节方法包括：

S1在多压力体系地层中，根据不同的地层压力系数，安装若干所述钻井调节装置。

更具体的，参照附图5，所述钻井调节装置安装方式如下：

第一阶段，将钻井调节装置以抱柱的形式安装在钻柱上，随着钻头钻进，进入井内，当目的地层有n个具有不同地层压力系数的地层段时，安装n-1个钻井调节装置，以使该井段钻井液当量密度与地层压力系数达到近似平衡；

第二阶段，当钻柱钻进到裸眼段指定位置时，将所述钻井调节装置通过其卡瓦坐挂在井壁上，钻井过程中，通过固定后的钻井调节装置进行钻井液流量调节；

第三阶段，当钻柱钻进到指定深度后，钻进过程结束，除最低层外，每一层地层的压力突变处安装一个钻井调节装置；

其中，地层的压力突变处可由地层资料、邻井资料等进行确定；

第四阶段，钻井完成后，提起钻头，挂留在井壁的调节装置解封，随着钻柱带离出井，完成钻井施工。

S2通过安装的若干钻井调节装置对不同地层段中进入环空中的钻井液的流量进行调节，使各地层段的地层压力系数α_p与该段井筒内的钻井液当量密度ρ_e相等，达到井筒压力与地层压力的平衡。

以具有3个不同地层压力系统的地层段为例，其进入环空中的钻井液的流量通过以下方式进行调节：

设在距离地面H₁、H₂处安装了所述调节装置，其各自调节进入环空中的钻井液流量为Q_f1、Q_f2，则环空中的流量关系满足：

Q＝Q₁+Q_f1＝Q₂+Q_f2+Q_f1 (1)

其中，Q表示泵入钻柱的总流量，L/s；Q₁表示经安装在H₁处的调节装置分流后的钻井液流量，L/s；Q₂表示经安装在H₂处的调节装置分流后的钻井液流量，L/s。

此时井筒内的循环压耗分布为：

H₁段：

H₂-H₁段：

H₃-H₂段：

其中，ΔP_f1表示H₁段的井筒内循环压耗值，ΔP_f2表示H₂-H₁段的井筒内循环压耗值，ΔP_f3表示H₃-H₂段的井筒内循环压耗值，ρ_l表示钻井液密度，g/cm³；η表示钻井液塑性粘度，Pa·s；d_p表示钻杆内径，mm；D_p表示钻杆外径，mm；D表示井眼直径，mm。

根据上述循环压耗计算式，可以得出钻井液在环空中的流量与井筒内循环压耗的关系，如下：

其中，ΔP_fx表示井段x的循环压耗，MPa；Q_x表示井段x的环空钻井液流量，L/s；K_x表示井段x的循环压耗系数，如下：

其中，H_x表示井段x的井筒长度。

进一步的，可建立平衡状态下，某段地层中，环空钻井液的当量密度ρ_ex及地层压力系数α_px与其流量的关系式，如下：

其中，H表示井身长度，m。

地层压力系数可根据测井资料计算得到。而钻井液当量密度ρ_e与井筒内循环摩阻有关。

实施例1

根据具体实施方式，通过模拟全井筒设置钻井液流入的质量流量和控制出口压力，分别对有无钻井调节装置的井筒循环压耗进行模拟，并进一步对钻井调节装置的分流量、位置、个数进行模拟。

其结果如附图6所示，其中，

图(a)为在有一个压力突变的地层中不设置或设置钻井调节装置(即优化前与优化后)的循环压耗对比，其中设置的钻井调节装置数量为一个，安装在4500m处，钻井液泵入量为24.8124L/s，钻井液的分流量为5.2313L/s，模拟结果显示安装钻井调节装置后，循环压耗降低。

图(b)为在有一个压力突变的地层中不设置或设置钻井调节装置的循环压耗对比，其中设置钻井调节装置包括两种条件，即图示优化流量分配工况1和优化流量分配工况2，其中工况1与图(a)中设置钻井调节装置的方式相同，工况2为在4500m处设置一个钻井调节装置，钻井液泵入量为24.8124L/s，分流量为7.7865L/s，模拟结果显示工况2的循环压耗进一步降低。

图(c)为在有一个压力突变的地层中不设置或设置钻井调节装置的循环压耗对比，其中设置钻井调节装置包括两种条件，即图示优化安装位置工况1和优化安装位置工况2，其中工况1与图(a)中设置钻井调节装置的方式相同，工况2为在3500m处设置一个钻井调节装置，钻井液泵入量为24.8124L/s，分流量为5.2313L/s，模拟结果显示工况2在3500m处循环压耗即开始降低。

图(d)为在有一个压力突变的地层中不设置或设置钻井调节装置的循环压耗对比，其中设置钻井调节装置包括两种条件，即图示优化安装个数工况1和优化安装个数工况2，其中工况1为在3500m处设置一个钻井调节装置，工况2为在3500m及4250m分别设置一个钻井调节装置，即共设置两个钻井调节装置，模拟发现，在工况1下井筒循环压耗随深度持续降低，在工况2下的井筒循环压耗变得更加平稳。

从图6整体可以看出：

当钻井达深度到4500m以后，为复杂多压力体系地层，通过调节装置优化后的环空循环压耗明显降低。且调节装置的分流量会影响到环空循环压耗的下降趋势，通过控制流量分配可改变环空循环压耗，实现对井筒压力的调节，达到平衡地层压力的目的。

且在同一流量分配情况下，调节装置一旦安装后立即生效，具有即时性，多个调节装置对环空循环压耗的影响具有叠加性，因此在面对一小段地层有多个地层压力系数时可通过安装多个调节装置实现平衡钻井。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种可实现多梯度控压钻井的钻井调节装置，其特征在于，该装置包括：安装于钻柱内的调压系统和安装于钻柱外的固定系统，所述调压系统包括可将钻柱内的钻井液通过阀道导出钻柱的旁通阀及与所述旁通阀经阀道连通的调压流道；所述固定系统包括若干可与钻柱表面及井壁卡合的卡瓦，连接各卡瓦的、与钻柱平行的工具臂及设置于工具臂内、与所述调压流道及环空连通的调压孔；所述旁通阀固定于钻柱内，随钻柱向下钻进，并具体包括：与钻井液相通的进液口、阀道、出液口和设置于进液口处的电磁阀，所述钻井液通过电磁阀开启后的进液口进入阀道，通过出液口进入调压流道，所述电磁阀上设置RFID读取器，所述调压流道为设置于钻柱壁内的、具有一定长度的流道，其起始端和终止端均设置有RFID标签，其中，所述RFID标签先进行远程定义，以对电磁阀的开口程度进行控制，实现对分流流量的控制，当所述旁通阀通过调压流道起始端的RFID标签时，所述RFID读取器读取开启指令，开启电磁阀，对钻井液进行分流，当所述旁通阀通过调压流道终止端的RFID标签时，所述RFID读取器读取关闭指令，关闭电磁阀，停止钻井液分流。

2.应用权利要求1所述的钻井调节装置的钻井调节方法，其特征在于，其包括：

S1在具有n个不同地层压力系数的地层段的多压力体系地层中，安装n-1个所述钻井调节装置；

S2通过安装的n-1个钻井调节装置对不同地层段中自钻柱内进入环空中的钻井液的流量即环空钻井液的流量进行调节，使各地层段的环空钻井液的当量密度ρ_e等于该地层段的地层压力系数α_p，达到井筒压力与地层压力的平衡；

其中，对所述环空钻井液的流量进行的调节根据以下调节模型实现：

其中，α_px表示x地层段的的地层压力系数，ρ_ex表示x地层段的环空钻井液的当量密度，ρ_l表示钻井液密度，H表示x地层段的井身长度，Q_x表示x地层段的环空钻井液的流量，K_x表示x地层段的循环压耗系数，H_x表示x地层段的井筒长度，ρ_l表示钻井液密度，η表示钻井液塑性粘度，d_p表示钻杆内径，D_p表示钻杆外径，D表示井眼直径。

3.根据权利要求2所述的钻井调节方法，其特征在于，所述钻井调节装置的安装包括：

将钻井调节装置以抱柱的形式安装于钻柱上，随钻头钻进，进入井内；

当钻柱钻进至裸眼段指定位置时，将所述钻井调节装置通过其卡瓦坐挂在井壁上；

当钻柱钻进到指定深度后，钻进过程结束，将所述钻井调节装置保持在多梯度地层压力体系交界处，即各地层的压力突变处。