CN210768665U - 一种高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置，针对高温高压深井压井作业时存在的井下情况复杂、井底压力控制精度低、压井一次成功率低等问题，本实用新型利用节流压井期间实测数据建立压井作业井筒流动模型，实时分析井筒环空流体分布及流动状态，在实测立管压力偏离设计时，考虑压力波传递速度和回压施加延迟影响，精确计算压力控制值，自动调整自动控制节流阀动作。本实用新型的通过降低压力波传递及回压延迟对井底压力控制的影响，提高压井控制精度，通过自动化智能化计算降低对操作人员经验的依赖。

Description

一种高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置

技术领域

本发明涉及油气井压力控制技术领域，特别是一种高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置。

背景技术

井控工作作为石油与天 然气勘探开发过程中的重要环节，一直位于安全生产的突出位置。尤其是近些年来，油气勘探开发已逐渐走向高温高压的深部复杂地层，在深部复杂地层钻井时，一方面由于深部复杂地层孔隙压力变化规律复杂，另一方面钻井液密度和流变性能易受高温高压影响造成井筒压力发生复杂变化，导致井筒压力失衡，地层流体侵入井筒发生溢流。溢流发生后，若控制处理不当，将会演变为井涌、井喷，甚至井喷失控，严重时甚至造成人员伤亡、设备损毁及环境污染。

为防止溢流向井喷、甚至井喷失控方向发展，最常用且安全有效的控制方法为节流压井，即及时采用防喷器关闭井口，阻止地层流体的进一步侵入，求取地层压力调整钻井液密度，然后调节位于节流管汇上节流阀开度维持足够的井口回压将入侵流体排出井筒。其中，节流压井施工作业时各压力间的关系及其要求为：循环时立管压力-钻柱内压降+钻柱内静液柱压力=环空回压+环空内静流体柱压力+环空流动阻力=井底压力≥（略大于）地层孔隙压力。故节流压井的成功与否取决于压井施工作业期间对井底压力的控制程度，也就是取决于节流阀调整的精度，节流阀开得太大，井底压力就降低，地层流体可能侵入井内，节流阀开得太小，套管压力升高，井底压力过大，可能压漏地层。

长期以来，国内井队现场节流压井作业施工存在以下不足之处：（1）大多数井队节流阀开度控制为现场技术人员手动控制，严重依赖于操作者个人经验；（2）鉴于钻柱内流体为单相液体，且节流压井时压井排量一般为固定值，压井设计时可根据井底压力恒定要求，得到压井期间立管压力走势。当立管压力测量计读数偏离设计立管压力走势，表明此时井底压力发生波动，需控制节流阀开度调整井口回压，使井底压力维持在设计范围内，然而由于压力波在传播需要时间，按照立管压力测量计变化调整节流阀开度，存在压力传递滞后现象（液柱压力传递速度约为300m/s，如6000m井深，在t时刻监测到立管压力表读数偏离设计值，其实井底压力在t-20时刻已偏离设计值，而在t时刻调整节流阀动作20s后压力才能施加到井底，延迟约40s，而在这40s间由于气体运移及压力传递延迟将造成井底压力在原先波动基础上发生更大变化）。针对井深较浅、复杂程度较小的井，依靠现场技术人员的丰富操作经验溢流能够得到较好的控制；而目前钻井已走向高温高压深部复杂地层，井控作业难度大，在现有的技术装备条件下，多数井难以实现一次压井成功，需多次重复压井作业，重复压井增加了作业周期、提高作业成本，甚至还会破坏井筒完整及污染地层，影响后期生产作业。

针对国内现场节流压井作业存在的上述问题，不断有研究人员提出改进措施。《节流压井自动控制系统》采用实时采集立管压力、套管压力和泥浆池增量等数据，计算出立管压力控制压差、套管压力控制压差和节流阀阀位开度等参数，根据参数自动控制液动节流阀的开关，调节井口回压的大小。其发明虽然针对节流阀控制提出了解决方案，但未考虑压力波传播造成的压力传递延迟问题，对于目前大力开发的深井超深井适用性较小；《一种智能压井系统》采用了多个传感器对钻井和压井过程进行实时监测及自动控制，根据信号指令调整节流阀的开启，控制套管压力。在压井作业阶段，其发明主要是自动调节节流阀开度，调节井口回压的大小，同样未考虑压力波传播造成的压力传递延迟问题，对于目前大力开发的深井超深井适用性较小。 此外，针对压力波传播造成的压力传递延迟问题，刘绘新、袁征、刘璞等提出采用套管压力代替立管压力作为节流阀开度控制依据，其方法是在压井设计时，采用多相流体力学模拟压井施工作业，得到设计压井套管压力曲线，压井施工时严格按照设计的套管压力曲线控制节流阀开度。此方法理论上省去了压力波在钻柱内传播时长，减轻了压力传递延迟问题，但现阶段采用多相流体力学模拟压井过程存在初值难确定、理论模拟设计与矿产实际差别大等问题，造成该方法难以适用于指导压井现场作业。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置，包括入口流量计、出口流量计、立管压力测量计、套管压力测量计、自动控制节流阀、手动控制节流阀、平板阀、智能化节流压井施工作业控制台和数据采集及控制线路；

具体的，所述入口流量计安装在压井液入口处，可实时测量入口流量；

具体的，所述立管压力测量计安装在压井液入口处，可实时测量立管压力；

具体的，所述出口流量计安装在压井液出口处，可实时测量出口流量；

具体的，所述套管压力测量计安装在节流管汇处，可实时测量套管压力；

具体的，所述自动控制节流阀安装在节流管汇处，可根据指令自动调整开度，工作压力在70MPa以上；

具体的，所述手动控制节流阀安装在节流管汇处，可根据指令手动调整开度；

具体的，所述平板阀安装在节流管汇、防喷管线、放喷管线上，可根据要求开启及关闭，控制钻井液流动；

具体的，所述数据采集及控制线路将所述入口流量计、出口流量计、立管压力测量计、套管压力测量计、自动控制节流阀与智能化节流压井施工作业控制台相连，可传输实时测量数据、实时传输自动控制节流阀开度控制的指令；

具体的，所述智能化节流压井施工作业控制台包括测量参数显示模块、井筒流动参数分析与修正模块、自动控制节流阀开度自动调节模块、实时套管压力曲线模块、实时立管压力曲线模块、设计立管压力曲线模块、设计套管压力曲线模块、实测出入口排量曲线模块；

具体的，所述测量参数显示模块，可显示当前实时采集的入口流量计读数、立管压力测量计读数、出口流量计读数、套管压力测量计读数、自动控制节流阀开度读数、自动控制节流阀开度调整指令参数；

具体的，所述井筒流动参数分析与修正模块，可通过多相流理论结合入口流量计、立管压力测量计、出口流量计、套管压力测量计测量数据建立井筒流动参数分析与修正模型，计算得到井筒环空中溢流物高度，井筒环空中持气率、持液率，井筒环空中压力分布，井筒环空中气相、液相流动速度等参数；

具体的，所述自动控制节流阀开度自动调节模块，以井筒流动参数分析与修正模块的预测结果作为调整依据，向自动控制节流阀发出控制指令进行开度自动控制，控制井底压力在设计范围之内；

具体的，所述实测/设计出入口排量曲线模块，可将出、入口流量计测量/设计的出、入口排量沿时间分布数据绘制成可视化图形；

具体的，所述实测套管压力曲线模块，可将套管压力测量计测量的套管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；

具体的，所述实测立管压力曲线模块，可将立管压力测量计测量的立管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；

具体的，所述设计立管压力曲线模块，可将设计的立管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；所述设计套管压力曲线模块，可将设计的套管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；

具体的，所述高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置采用如前所述的高温高压深井钻井溢流智能化节流压井方法。

本发明的有益效果是：

（1）提高了压井控制的精确度，考虑到压力波传递速度和回压施加延迟的影响，精确计算了精确计算压力控制值，减弱压力波传递延迟的影响，有助于高温高压深井超深井压井作业；

（2）操作简便，软件自动化计算与控制，无需工作人员手动调节节流阀开度，提高了节流阀控制的平稳度和精确度，降低了对操作经验的依赖；

（3）设备需求少，成本较低，只需将井场现有节流管汇中其中一个手动控制节流阀升级为自动控制节流阀，及配套相关软件即可。

附图说明

图1为本发明的高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置示意图。

图2为本发明的高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置的智能化节流压井施工作业控制台。

图中，1-钻井液罐，2-钻井泵，3-智能化节流压井施工作业控制台，4-数据采集及控制线路，5-防喷器，6-节流管汇，7-压井管汇，8-钻柱，9-环空，10-溢流物，11-钻头，12-测量参数显示模块，13-井筒流动参数分析与修正模块，14-自动控制节流阀开度自动调节模块，15-实测/设计出入口排量曲线模块，16-实测套管压力曲线模块，17-实测立管压力曲线模块，18-设计立管压力曲线模块，19-设计套管压力曲线模块， F1-入口流量计，F2-出口流量计，G1-立管压力测量计，G2-套管压力测量计，J1-自动控制节流阀，J4-手动控制节流阀，1#、2#、3#、4#、J2a 、J2b、J3a 、J3b、J5、J6a 、J6b、J7 、J8、J9 、J10-平板阀。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置包括入口流量计F1、出口流量计F2、立管压力测量计G1、套管压力测量计G2、自动控制节流阀J1、手动控制节流阀J4、平板阀（1#、2#、3#、4#、J2a 、J2b、J3a 、J3b、J5、J6a 、J6b、J7 、J8、J9 、J10）、智能化节流压井施工作业控制台3和数据采集及控制线路4。

入口流量计F1安装在压井液入口处，实时测量入口流量；立管压力测量计G1安装在压井液入口处，实时测量立管压力；出口流量计F2安装在压井液出口处，实时测量出口流量；套管压力测量计G2安装在节流管汇处，实时测量套管压力；自动控制节流阀J1安装在节流管汇6处，根据指令自动调整开度，工作压力在70MPa以上；数据采集及控制线路4将所述入口流量计F1、出口流量计F2、立管压力测量计G1、套管压力测量计G2、自动控制节流阀J1同智能化节流压井施工作业控制台3相连，实时传输入口流量计F1、出口流量计F2、立管压力测量计G1、套管压力测量计G2测量数据，实时传输自动控制节流阀J1开度控制的指令；手动控制节流阀J4安装在节流管汇处，可根据指令手动调整开度；平板阀（1#、2#、3#、4#、J2a、J2b、J3a 、J3b、J5、J6a 、J6b、J7 、J8、J9 、J10）安装在节流管汇6、压井管汇7上，根据要求开启及关闭，控制钻井液流动通路；智能化节流压井施工作业控制台3包括测量参数显示模块12、井筒流动参数分析与修正模块13、自动控制节流阀开度自动调节模块14、实测出入口排量曲线模块15、实测套管压力曲线模块16、实测立管压力曲线模块17、设计立管压力曲线模块18、设计套管压力曲线模块19；测量参数显示模块12，显示当前实时采集的入口流量计F1读数、立管压力测量计G1读数、出口流量计F2读数、套管压力测量计G2读数、自动控制节流阀J1开度读数、自动控制节流阀开度调整指令参数；井筒流动参数分析与修正模块13，通过多相流理论结合入口流量计F1、立管压力测量计G1、出口流量计F2、套管压力测量计G2测量数据建立井筒流动参数分析与修正模型；自动控制节流阀开度自动调节模块14，以井筒流动参数分析与修正模块的预测结果作为调整依据，向自动控制节流阀J1发出控制指令进行开度自动控制，控制井底压力在设计范围之内；实测/设计出入口排量曲线模块15，将入口流量计F1、出口流量计F2测量的入、出口排量沿时间分布数据绘制成可视化图形；实测套管压力曲线模块16，将套管压力测量计G2测量的套管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；实测立管压力曲线模块17，将立管压力测量计G1测量的立管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；设计立管压力曲线模块18，将设计的立管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；设计套管压力曲线模块19，将设计的套管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形。

Claims (1)

1.一种高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置，其特征在于，所述高温高压深井钻井溢流智能化节流压井装置包括入口流量计、出口流量计、立管压力测量计、套管压力测量计、自动控制节流阀、手动控制节流阀、平板阀、智能化节流压井施工作业控制台和数据采集及控制线路；

所述入口流量计安装在压井液入口处，可实时测量入口流量；

所述立管压力测量计安装在压井液入口处，可实时测量立管压力；

所述出口流量计安装在压井液出口处，可实时测量出口流量；

所述套管压力测量计安装在节流管汇处，可实时测量套管压力；

所述自动控制节流阀安装在节流管汇处，可根据指令自动调整开度，工作压力在70MPa以上；

所述手动控制节流阀安装在节流管汇处，可根据指令手动调整开度；

所述平板阀安装在节流管汇、防喷管线、放喷管线上，可根据要求开启及关闭，控制钻井液流动；

所述数据采集及控制线路将所述入口流量计、出口流量计、立管压力测量计、套管压力测量计、自动控制节流阀与智能化节流压井施工作业控制台相连，可传输实时测量数据、实时传输自动控制节流阀开度控制的指令；

所述智能化节流压井施工作业控制台包括测量参数显示模块、井筒流动参数分析与修正模块、自动控制节流阀开度自动调节模块、实时套管压力曲线模块、实时立管压力曲线模块、设计立管压力曲线模块、设计套管压力曲线模块、实测出入口排量曲线模块；

所述测量参数显示模块，可显示当前实时采集的入口流量计读数、立管压力测量计读数、出口流量计读数、套管压力测量计读数、自动控制节流阀开度读数、自动控制节流阀开度调整指令参数；

所述自动控制节流阀开度自动调节模块，以井筒流动参数分析与修正模块的预测结果作为调整依据，向自动控制节流阀发出控制指令进行开度自动控制，控制井底压力在设计范围之内；

所述实测出入口排量曲线模块，可将出、入口流量计测量/设计的出、入口排量沿时间分布数据绘制成可视化图形；

所述实时套管压力曲线模块，可将套管压力测量计测量的套管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；

所述实时立管压力曲线模块，可将立管压力测量计测量的立管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；

所述设计立管压力曲线模块，可将设计的立管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形；所述设计套管压力曲线模块，可将设计的套管压力沿时间分布数据绘制成可视化图形。

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