CN203756087U - 一种平衡压力钻井控压装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种平衡压力钻井控压装置，装置中井口旋转防喷器安放在井口防喷器组上端，井口旋转防喷器与控压节流管汇之间以高压管线连接，通过井口四通连接钻井液灌注系统，钻井液灌注系统自压井管汇出口端依次安装有灌注泵、闸板阀和单流阀，灌注泵通过管线与钻井液循环罐相连；控压节流管汇通过管线与液气分离器连接，再连接至循环罐形成钻井液循环。与现行控压钻井技术相比，该装置地面无回压泵、流量计等设备与装置，井下无压力测量传输装置，配套简单；钻进操作中以钻井液循环罐中液量的稳定为原则、起下钻中也钻柱的体积为原则进行控制，测量计量与操作十分简便。
Description
技术领域
本实用新型涉及钻井装置领域的一种平衡压力钻井控压装置。
背景技术
控压钻井技术是近年来形成的一项钻井新技术，主要用于保护油气层等地下资源、防止钻进中的井漏、保证钻井井控安全以及加快钻井速度。但目前形成的控压钻井方法，主要是“井底恒压”控制方法和“微流量控制”控制方法，不能将井底压力与地层压力联系起来进行考虑和控制，不能实现二者的实时平衡，不能实现“零压力窗口”地层的钻井。并且配套装备复杂、控制要求高、现场实施难度大，具有很大局限性。
石油钻探技术2011年第39卷第4期，在第7—12页介绍了《PCDS—1精细控压钻井系统研制与现场试验》。文中介绍了PCDS—1系统的研制与现场试验情况，也介绍了国外控压钻井技术，包括Schlumberger公司的DAPC系统、Halliburton公司的MPD系统和Weatherford公司的MFC系统。
Schlumberger公司的DAPC系统采用“井底恒压”控压方式，节流管汇、回压泵、水力学模型和综合压力控制器协同工作，提供不间断的精确压力控制，使井底压力保持在允许范围内。本方法强调自动调节回压和动态控制，以保持井底压力稳定。
Halliburton公司的MPD系统采用“井底恒压”控压方式，其与DAPC的功能类似，并具备微流量监测控制功能，其优势是自动化、反应迅速、控制精度高，井口回压自动控制精度达到0.35MPa。
PCDS—1精细控压钻井系统，采用“井底恒压”控制方式，主要由自动节流系统、回压泵系统、液气控制系统、自动控制系统和控制中心等部分组成。在控压钻井试验中，钻进中井口回压值误差不大于设定值0.2MPa，起下钻工况误差在0.5MPa以内。
该种控制方式存在四个方面的问题：一是控制目的为“井底恒压”，即pb＝pma+pla+pax（pb为井底压力，pma为环形空间静液压力，pla为循环时环空压耗，pax为井口回压），没有考虑井底压力与地层压力的平衡。在实施中,即使按设定的井底压力值精确控压，对窄压力窗口或无压力窗口地层，也会因两个压力存在差值而无法达到“不涌不漏”状态；二是对于井底压力的计算，受循环压耗、抽吸压力、激动压力以及钻井液性能等因素影响，难以计算准确；三是需要增加井底测压装置、回压泵、综合压力控制器以及水力学模型等，配套复杂，控制难度大；四是现场实施需要专业队伍，推广难度大。
Weatherford公司的MFC系统采用“微流量控制”控压方式，通过实时监测进出口钻井液的微小压力、质量流量、当量循环密度和流速等参数快速改变井口回压，以满足钻井工艺要求。该方式强调微流量监测控制，即在溢流小于80L时即可检测出来并在2min内对其进行控制，使总溢流体积小于800L。该控制方式控制的是溢流，只要既没有溢流、也没有漏失就能达到安全钻井状态，更适应控压钻井要求。但该控压方式存在装置和仪器配套复杂、实施工艺复杂的问题，推广应用难度大。
石油钻探技术2011年第39卷第4期，在第13—18页介绍了《控压钻井分级智能控制系统》。该控制系统也采用了“井底恒压”控压方式，同样存在上述的问题，达不到“零压力窗口”控压钻井要求。
石油钻探技术2012年第40卷第6期，在第99—103页介绍了《三参数自动控压钻井系统的研制与试验》。三参数自动控压钻井系统属于“井底恒压”方式和“微流量控制”方式的组合应用。在井底恒压方式方面，采用了井底压力计算公式，即pb＝pma+pla+pax，没有考虑与地层压力的平衡，仍然存在上述的四方面问题；在微流量控制方面，引用了国外MFC系统和相关控制参数，即能在流量变化小于80L时检测到溢流并可在120s内控制溢流，使总溢流体积小于800L。该系统需要增加回压泵、高精度进出口流量计装置与仪器，存在配套复杂、控制难度大等问题。对于超饱和盐水层钻井，允许溢流量800L就不能满足井下安全要求。
发明内容
本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种原理科学、技术先进、配套简单、操作方便、满足窄压力窗口地层安全钻井需要的平衡压力钻井控压装置。
本实用新型的原理设计是以实现井底压力与地层压力平衡为出发点,即满足pp＝pb＝pma+pla+pax（pp为地层压力，pb为井底压力，pma为井眼环形空间静液柱压力，pla为循环时环形空间压力损失，pax为套管压力）。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
一种平衡压力钻井控压装置，包括井口装置和常规钻井液循环系统，其中井口装置包括井口四通、井口防喷器组和井口立管，常规钻井液循环系统包括常规节流管汇、循环罐、钻井泵和灌浆泵，其特征在于：该装置还包括井口旋转防喷器、控压节流管汇、以及钻井液灌注系统；钻井液灌注系统包括压井管汇、闸板阀、单流阀、灌注泵，其中，压井管汇一路与井口四通连接，二路与井口立管和钻井泵连接，三路通过闸板阀、单流阀、灌注泵与钻井液循环罐连接；井口旋转防喷器安装在井口防喷器组上端；控压节流管汇和常规节流管汇并联，其一端分别与井口旋转防喷器、井口四通连接，另一端连接至循环罐并形成钻井液循环。
上述方案还包括：：在控压节流管汇与循环罐之间还连接有液气分离器。在钻井液循环罐上安装有液位仪并与计算机进行实时传输。控压节流管汇的节流阀采用电动和手动双重控制机构，并与计算机PLC控制器连接。
本实用新型的有益效果如下：1、钻进过程中保持旋转防喷器关闭状态，根据循环罐中钻井液的实时变化情况，控制节流阀开度以控制循环钻井液量的“稳定”，可实现井底压力与地层压力的平衡；2、起钻过程中，初期保持旋转防喷器关闭状态，用循环方式将钻具内注入重钻井液使立管压力降至0，根据将要起出的钻具体积挤（灌）注入井内相等的钻井液量，然后起出一柱钻柱，再次挤（灌）注入钻井液，再次起出钻柱，……，可保证井底压力与地层压力的平衡；起至即将发生“管轻”现象之前，采用重钻井液循环或者从井眼环空挤（灌）注入重钻井液方法，使套管压力降至0，实现井底压力与地层压力的平衡，然后打开防喷器开井起钻并灌入钻进时密度的钻井液；3、下钻中，初期井内压力处于平衡状态，可开井下钻。下钻至有溢流发生时关闭旋转防喷器，每下入一柱钻柱然后开节流阀放出该钻柱体积的钻井液量，可保证井底压力与地层压力的平衡。
在有天然气侵入井筒的情况下，随着钻井液节流循环进入液气分离器进行分离排气，并根据气量的大小适时、适当提高钻井液密度，但以控制循环液量的稳定为原则，实现井底压力与地层压力的平衡。
与现行控压钻井方法相比，具有显著优势：地面无回压泵、流量计等设备与装置，井下无压力测量传输装置，配套简单；钻进操作中以钻井液循环罐中液量的稳定为原则、起下钻中也钻柱的体积为原则进行控制，测量计量与操作十分简便。
附图说明
附图1为本实用新型一种装置的实施例流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图作详细说明。
本实用新型平衡压力钻井控压装置主要由井口四通、井口防喷器组、井口立管、井口旋转防喷器1、控压节流管汇3、常规节流管汇15和钻井液灌注系统、液气分离器4、液位仪以及钻井液循环系统等组成。井口旋转防喷器1安装于井口防喷器组上端，并通过高压管线2与控压节流管汇3连接，控压节流管汇3通过管线与液气分离器4连接并连接循环罐10；从井口装置四通接出的压井管汇5与钻井液灌注系统连接，钻井液灌注系统压井管汇5出口端依次连接闸板阀6、单流阀7和灌注泵8，灌注泵8与循环罐10相连；压井管汇5通过高压管线与钻井泵9连接，循环罐10、11、12、13、14用管线连接并与钻井泵9连接；循环罐10、11、12、13、14上安装有液位仪。
常规节流管汇15通过高压管线16与控压节流管汇3连接。钻井泵9出口通过高压管线连接井口立管，并与压井管汇5连接。循环罐10既可作为循环罐，也可用作起钻时挤（灌）注与下钻时放出钻井液的钻井液计量罐。钻井液灌注系统采用了专用通路与井眼环空连通，不影响压井管汇5作为井控装置的功能。同样，常规节流管汇15通过高压管线16与液气分离器4连通，可进行正常井控压井作业。
钻井液循环罐数量应根据不同钻机类型配备，不受图示数量限制。同时，根据不同井型和钻机类型，还应配备一定数量的重钻井液储备罐。
本实施例应用于控压钻井中，通过钻井液循环罐液面的变化判定井底压力与地层压力的平衡状态，使复杂控压钻井工艺大大简化，提高了现场可操作性水平。与国内外现有控压钻井方式相比，本实用新型以井底压力与地层压力的实时平衡为出发点，控压原理更加科学；通过控制钻井液液量实现控压操作，无需进行井底压力的计算、测量与控制，控压工艺更加简便；不需配套回压泵、进出口流量计、井底测压系统等装备，装备配套和现场使用更加方便。
Claims (4)
1.一种平衡压力钻井控压装置，包括井口装置和常规钻井液循环系统，其中井口装置包括井口四通、井口防喷器组和井口立管，常规钻井液循环系统包括常规节流管汇、循环罐、钻井泵和灌浆泵，其特征在于：该装置还包括井口旋转防喷器、控压节流管汇、以及钻井液灌注系统；钻井液灌注系统包括压井管汇、闸板阀、单流阀、灌注泵，其中，压井管汇一路与井口四通连接，二路与井口立管和钻井泵连接，三路通过闸板阀、单流阀、灌注泵与钻井液循环罐连接；井口旋转防喷器安装在井口防喷器组上端；控压节流管汇和常规节流管汇并联，其一端分别与井口旋转防喷器、井口四通连接，另一端连接至循环罐并形成钻井液循环。
2.根据权利要求1所述的平衡压力钻井控压装置，其特征在于：在控压节流管汇与循环罐之间还连接有液气分离器。
3.根据权利要求1或2所述的平衡压力钻井控压装置，其特征在于：在钻井液循环罐上安装有液位仪并与计算机进行实时传输。
4.根据权利要求1或2所述的平衡压力钻井控压装置，其特征在于：控压节流管汇的节流阀采用电动和手动双重控制机构，并与计算机PLC控制器连接。
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