EA042987B1 - HIERARCHICAL PRESSURE CONTROL FOR DRILLING UNDER PRESSURE CONTROL - Google Patents
HIERARCHICAL PRESSURE CONTROL FOR DRILLING UNDER PRESSURE CONTROL Download PDFInfo
- Publication number
- EA042987B1 EA042987B1 EA202290125 EA042987B1 EA 042987 B1 EA042987 B1 EA 042987B1 EA 202290125 EA202290125 EA 202290125 EA 042987 B1 EA042987 B1 EA 042987B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- pressure
- mpd
- choke
- setpoint
- valves
- Prior art date
Links
Description
Перекрестные ссылки на родственные заявкиCross-references to related applications
Заявка на данное изобретение притязает на преимущества, или приоритет, заявки на патент США с порядковым номером 16/810609, поданной 5 марта 2020 г., которая притязает на преимущества, или приоритет, предварительной заявки на патент США с порядковым номером 62/872572, поданной июля 2019 г., которые обе полностью включены в настоящий документ посредством ссылки.An application for this invention claims the benefits, or priority, of U.S. Patent Application Ser. July 2019, both of which are hereby incorporated by reference in their entirety.
Предпосылки создания изобретенияPrerequisites for the creation of the invention
Для выполнения разнообразных технических решений бурения под управляемым давлением (Managed Pressure Drilling, MPD), ориентированных на управление давлением в стволе скважины в ходе бурения и других работ путем управляемого применения обратного давления на устье, можно использовать замкнутую гидравлическую бурильную систему. Обычно для управляемой герметизации затрубного пространства, окружающего бурильную колонну, используют систему затрубной герметизации, а обратное давление на устье под управлением прикладывают путем регулирования установки отверстия штуцера, иногда называемой положением штуцера, одного или нескольких штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD, размещенного на поверхности, которые соединены по текучей среде с одной или несколькими отводными системами, отводящими на поверхность возвратные текучие среды из или из-под затрубного уплотнения. Каждый штуцерный клапан обычно выполнен с возможностью нахождения в полностью открытом состоянии, при этом поток является беспрепятственным, полностью закрытом состоянии, при этом поток остановлен, и нескольких промежуточных состояниях, при этом поток ограничен.A closed-loop hydraulic drilling system can be used to perform a variety of Managed Pressure Drilling (MPD) solutions that focus on controlling wellbore pressure during drilling and other operations by controlled application of back pressure at the wellhead. Typically, an annulus sealing system is used to controlly seal the annulus surrounding the drill string, and controlled back pressure is applied to the wellhead by adjusting the choke orifice setting, sometimes referred to as choke position, of one or more choke valves of a surface-mounted MPD choke manifold that are connected on the fluid medium with one or more diversion systems diverting to the surface return fluids from or from under the annulus seal. Each choke valve is typically configured to be in a fully open state where flow is unobstructed, a fully closed state where flow is stopped, and multiple states in between where flow is restricted.
С целью сохранения контроля за скважиной, в ходе традиционных буровых работ для управления давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления, ограниченного поровым давлением или сминающим давлением, если сминающее давление выше порового давления, и давлением гидроразрыва, можно использовать одно или несколько технических решений MPD. Благодаря сохранению контроля за скважиной предотвращается нежелательный приток в ствол скважины пластовых флюидов и сохраняется целостность пласта, чем предотвращается его гидроразрыв. Если давление в затрубном пространстве падает ниже нижнего порогового значения, один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD можно закрыть до такой степени, которая необходима для повышения затрубного давления до требуемой величины. Аналогично, если давление в затрубном пространстве увеличивается выше верхнего порогового значения, один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD можно открыть в той степени, которая необходима для понижения затрубного давления до требуемой величины. Технические решения MPD приняты для использования в разнообразных бурильных и других приложениях, а также технических решениях реагирования в непредвиденных обстоятельствах.In order to maintain well control, during conventional drilling operations, one or more MPD solutions can be used to control the pressure in the wellbore within a safe pressure gradient limited by the pore pressure or collapse pressure, if the collapse pressure is higher than the pore pressure, and the fracture pressure. . By maintaining control over the well, unwanted influx of formation fluids into the wellbore is prevented and the integrity of the formation is maintained, thereby preventing its hydraulic fracturing. If the annulus pressure falls below the lower threshold, one or more of the MPD choke manifold valves may be closed to the extent necessary to increase the annulus pressure to the desired value. Similarly, if the annulus pressure increases above an upper threshold, one or more of the MPD choke manifold valves may be opened to the extent necessary to lower the annulus pressure to the desired value. MPD engineering solutions are adopted for use in a variety of drilling and other applications, as well as emergency response engineering solutions.
Краткое изложение сущности изобретенияBrief summary of the invention
Согласно одному аспекту одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения способ иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением включает прием измеренного значения давления. Если измеренное давление превышает заданное значение давления MPD, на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD подают команды открываться до тех пор, пока измеренное давление не станет приблизительно равным заданному значению давления MPD или не будет получена команда перейти в установку с полностью открытым отверстием штуцера. Если в любой момент времени измеренное давление превышает заданное значение для клапана регулирования давления, штуцерный коллектор MPD переводят в режим ожидания и на один или несколько клапанов системы клапанов регулирования давления подают команды открываться до тех пор, пока измеренное давление не станет меньше заданного значения для клапана регулирования давления или не будет получена команда перейти в установку с полностью открытым клапаном регулирования давления. Если в любой момент времени измеренное давление превышает заданное значение для клапана сброса давления, на клапан сброса давления подают команду открываться.According to one aspect of one or more embodiments of the present invention, a hierarchical pressure control method for controlled pressure drilling operations includes receiving a measured pressure value. If the measured pressure exceeds the MPD pressure setpoint, one or more choke valves of the MPD choke manifold are commanded to open until the measured pressure is approximately equal to the MPD pressure setpoint or a command is received to move to a fully open choke setting. If at any time the measured pressure exceeds the pressure control valve setpoint, the MPD in-line manifold is put into standby mode and one or more valves of the pressure control valve system are commanded to open until the measured pressure falls below the control valve setpoint. pressure or no command is received to go to the plant with the pressure control valve fully open. If at any time the measured pressure exceeds the pressure relief valve set point, the pressure relief valve is commanded to open.
Согласно одному аспекту одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения энергонезависимый машиночитаемый носитель содержит команды программного обеспечения, которые при исполнении процессором выполняют способ иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением, включающий прием измеренного значения давления. Если измеренное давление превышает заданное значение давления MPD, на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD подают команды открываться до тех пор, пока измеренное давление не станет приблизительно равным заданному значению давления MPD или не будет получена команда перейти в установку с полностью открытым отверстием штуцера. Если в любой момент времени измеренное давление превышает заданное значение для клапана регулирования давления, штуцерный коллектор MPD переводят в режим ожидания и на один или несколько клапанов системы клапанов регулирования давления подают команды открываться до тех пор, пока измеренное давление не станет меньше заданного значения для клапана регулирования давления или не будет получена команда перейти в установку с полностью открытым клапаном регулирования давления. Если в любой момент времени измеренное давление превышает заданное значение для клапана сброса давления, на клапан сброса давления подают команду открываться.In accordance with one aspect of one or more embodiments of the present invention, the non-volatile computer-readable medium comprises software instructions that, when executed by a processor, execute a hierarchical pressure control method for controlled pressure drilling operations, including receiving a measured pressure value. If the sensed pressure exceeds the MPD pressure setpoint, one or more choke valves of the MPD choke manifold are commanded to open until the sensed pressure is approximately equal to the MPD pressure setpoint or a command is received to move to a fully open choke setting. If at any time the measured pressure exceeds the pressure control valve setpoint, the MPD in-line manifold is placed on standby and one or more valves in the pressure control valve system are commanded to open until the measured pressure falls below the control valve setpoint. pressure or no command is received to go to the plant with the pressure control valve fully open. If at any time the sensed pressure exceeds the pressure relief valve set point, the pressure relief valve is commanded to open.
- 1 042987- 1 042987
Согласно одному аспекту одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения система иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением содержит систему затрубной герметизации, которая обеспечивает затрубное уплотнение, окружающее бурильную колонну, датчик давления, измеряющий давление, и штуцерный коллектор MPD, содержащий множество штуцерных клапанов, при этом по меньшей мере один штуцерный клапан находится в сообщении по текучей среде с выкидной линией, отводящей возвратный буровой раствор из или из-под затрубного уплотнения для приложения обратного давления на устье. Система дополнительно содержит систему управления MPD, которая подает на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD команду на заданное значение давления MPD, множество клапанов системы клапанов регулирования давления, где по меньшей мере один клапан регулирования давления находится в сообщении по текучей среде с выкидной линией, сбрасывающей возвратный буровой раствор в газосепаратор для бурового раствора, вибрационное сито или другую систему разделения и очистки бурового раствора, и систему управления клапанами регулирования давления, которая подает на один или несколько клапанов системы клапанов регулирования давления команду открываться, когда измеренное давление превышает заданное значение для клапана регулирования давления. Система дополнительно содержит клапан сброса давления, который сбрасывает возвратный буровой раствор в газосепаратор для бурового раствора, вибрационное сито или за борт, и систему управления клапаном сброса давления, которая подает на клапан сброса давления команду открываться, когда измеренное давление превышает заданное значение для клапана сброса давления.According to one aspect of one or more embodiments of the present invention, a hierarchical pressure control system for controlled pressure drilling comprises an annulus sealing system that provides an annular seal surrounding a drill string, a pressure sensor that measures pressure, and an MPD choke manifold comprising a plurality of choke valves, wherein at least one choke valve is in fluid communication with a flowline that removes return drilling fluid from or under the annular seal to apply back pressure to the wellhead. The system further comprises an MPD control system that commands one or more choke valves of the MPD choke manifold to command an MPD pressure setpoint, a plurality of valves of the pressure control valve system, where at least one pressure control valve is in fluid communication with the flow line, discharging return drilling fluid into a mud gas separator, vibrating screen, or other drilling fluid separation and purification system, and a pressure control valve control system that commands one or more valves of the pressure control valve system to open when the sensed pressure exceeds a valve set point pressure regulation. The system further comprises a pressure relief valve that vents the return drilling fluid into the mud gas separator, shaker or overboard, and a pressure relief valve control system that commands the pressure relief valve to open when the sensed pressure exceeds a set value for the pressure relief valve. .
Другие аспекты настоящего изобретения будут очевидны из следующего описания и формулы изобретения.Other aspects of the present invention will be apparent from the following description and claims.
Краткое описание графических материаловBrief description of graphic materials
На фиг. 1 показана традиционная замкнутая гидравлическая бурильная система для буровых работ под управляемым давлением.In FIG. 1 shows a conventional closed-loop hydraulic drilling system for controlled pressure drilling operations.
На фиг. 2А показан иллюстративный график положения штуцера MPD, обратного давления на устье, заданного значения для клапана сброса давления и положения клапана сброса давления, когда штуцерный коллектор MPD забивается, выходит из строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, повышается обратное давление на устье и клапан сброса давления приводится в действие как предохранительное устройство в традиционной замкнутой гидравлической бурильной системе.In FIG. 2A shows an illustrative graph of MPD choke position, wellhead backpressure, pressure relief valve set point, and pressure relief valve position when the MPD choke manifold becomes clogged, fails, or other unforeseen circumstances occur, wellhead backpressure increases and the pressure relief valve is actuated. act as a safety device in a traditional closed-loop hydraulic drilling system.
На фиг. 2В показан иллюстративный график порового давления, давления гидроразрыва и давления в стволе скважины, когда штуцерный коллектор MPD забивается, выходит из строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, повышается давление в стволе скважины и клапан сброса давления приводится в действие как предохранительное устройство в традиционной замкнутой гидравлической бурильной системе.In FIG. 2B shows an illustrative plot of pore pressure, fracture pressure, and wellbore pressure when an MPD choke manifold plugs, fails, or other unforeseen circumstances occur, wellbore pressure rises and a pressure relief valve is actuated as a safety device in a conventional closed-loop hydraulic drilling system. system.
На фиг. 3 показана система иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.In FIG. 3 shows a hierarchical pressure control system for controlled pressure drilling in accordance with one or more embodiments of the present invention.
На фиг. 4 показан способ иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.In FIG. 4 shows a hierarchical pressure control method for controlled pressure drilling in accordance with one or more embodiments of the present invention.
На фиг. 5А показан иллюстративный график положения штуцера MPD, обратного давления на устье, заданного значения для клапана регулирования давления, установки клапана регулирования давления, заданного значения для клапана сброса давления и положения клапана сброса давления, когда система клапанов регулирования давления используется для дополнения штуцерного коллектора MPD при управлении давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления в системе иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.In FIG. 5A shows an illustrative plot of MPD choke position, wellhead back pressure, pressure control valve setpoint, pressure control valve setting, pressure relief valve setpoint, and pressure relief valve position when a pressure control valve system is used to supplement an MPD choke manifold in control. wellbore pressure within a safe pressure gradient in a hierarchical pressure control system for controlled pressure drilling operations in accordance with one or more embodiments of the present invention.
На фиг. 5В показан иллюстративный график порового давления, давления гидроразрыва и давления в стволе скважины, когда система клапанов регулирования давления используется для дополнения штуцерного коллектора MPD при управлении давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления в системе иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.In FIG. 5B shows an illustrative plot of pore pressure, fracture pressure, and wellbore pressure when a pressure control valve system is used to supplement an MPD choke manifold while controlling wellbore pressure within a safe pressure gradient in a hierarchical pressure control system for controlled pressure drilling according to with one or more embodiments of the present invention.
На фиг. 6 показана иллюстративная компьютерная или управляющая система в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.In FIG. 6 shows an exemplary computer or control system in accordance with one or more embodiments of the present invention.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения описаны подробно со ссылкой на сопроводительные фигуры. Для обеспечения последовательности одинаковые элементы на различных фигурах обозначены одинаковыми ссылочными позициями. В следующем подробном описании настоящего изобретения изложены конкретные детали, чтобы обеспечить полное понимание настоящего изобретения. В других случаях признаки, которые хорошо известны специалисту в данной области техники, не описаны, чтобы избежать затруднения понимания описания настоящего изобретения.One or more embodiments of the present invention are described in detail with reference to the accompanying figures. For consistency, the same elements in the various figures are designated by the same reference numerals. In the following detailed description of the present invention, specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. In other cases, features that are well known to a person skilled in the art are not described in order to avoid obscuring the description of the present invention.
- 2 042987- 2 042987
В затруднительных условиях, в том числе при работах в глубоких и сверхглубоких условиях, способность управлять давлением в стволе скважины и реагировать на непредвиденные обстоятельства критически важна для безопасности работ, а также защиты окружающей среды. По существу, стандартная отраслевая практика ориентирована на сохранение контроля за скважиной в ходе бурения и других работ. С прагматической точки зрения, контроль за скважиной относится к способности буровой установки справляться с потенциально опасными результатами нежелательного притока неизвестных пластовых флюидов, иногда называемого гидравлическим ударом, в систему скважины. Неизвестные пластовые флюиды могут содержать взрывоопасные газы, представляющие значительную угрозу безопасности и потенциально способные привести к внезапному выбросу. Дополнительно при контроле за скважиной предотвращается гидроразрыв пласта, благодаря чему защищается конструктивная целостность ствола скважины. Один способ, в котором контроль за скважиной сохраняется в ходе традиционных работ MPD, заключается в поддержании давления в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления, ограниченного поровым давлением или сминающим давлением, если оно выше порового давления, и давлением гидроразрыва пласта. Однако, по мере того как операторы и буровики следуют все более и более сложному плану бурения, возможность сохранения контроля за скважиной требует тщательного ориентирования в узких пределах безопасного градиента давления с очень небольшим правом на ошибку, которые изменяются с глубиной.In challenging environments, including deep and ultra-deep operations, the ability to manage wellbore pressure and respond to unforeseen circumstances is critical to operational safety as well as environmental protection. As such, it is standard industry practice to maintain control of the well during drilling and other activities. From a pragmatic point of view, well control refers to the ability of a drilling rig to cope with the potentially damaging results of an unwanted influx of unknown formation fluids, sometimes referred to as water hammer, into the well system. Unknown reservoir fluids may contain explosive gases that pose a significant safety hazard and have the potential to lead to a sudden release. Additionally, well control prevents hydraulic fracturing, thereby protecting the structural integrity of the wellbore. One way in which well control is maintained during conventional MPD operations is to maintain wellbore pressure within a safe pressure gradient limited by pore pressure, or collapse pressure if higher than pore pressure, and fracturing pressure. However, as operators and drillers follow an increasingly complex drilling plan, being able to maintain control of the well requires careful orientation within narrow margins of safe pressure gradients with very little margin for error that change with depth.
При столь сложной деятельности неизбежно возникают непредвиденные обстоятельства, и буровая установка должна иметь возможность быстро и соразмерно реагировать для восстановления контроля за скважиной. Традиционные способы реагирования на такие непредвиденные обстоятельства включают, например, отключение устройства предотвращения выброса (blowout preventer, BOP), введение бурового раствора для глушения фонтанирующей скважины и выкачивание неизвестных пластовых флюидов. По существу, традиционные способы реагирования на непредвиденные обстоятельства приводят к остановке буровых работ, представляют значительную угрозу безопасности персонала на буровой установке и приводят к загрязнению окружающей среды. Значительным недостатком стандартной отраслевой практики является то, что она по своей природе является реагирующей, при этом радикальные меры принимаются только после того, как непредвиденные обстоятельства уже возникли, что ставит под удар безопасность персонала буровой установки и потенциально приводит к загрязнению окружающей среды. Поэтому в данной отрасли имеется давно ощущаемая, но не разрешенная потребность в увеличении в первую очередь возможностей предотвращения возникновения таких непредвиденных обстоятельств.In such a complex operation, unforeseen circumstances inevitably arise, and the rig must be able to respond quickly and proportionately to regain control of the well. Conventional responses to such contingencies include, for example, disabling a blowout preventer (BOP), injecting mud to kill a flowing well, and pumping unknown formation fluids. As such, traditional methods of responding to unforeseen circumstances lead to a shutdown of drilling operations, pose a significant threat to the safety of personnel on the drilling rig, and lead to environmental pollution. A significant disadvantage of standard industry practice is that it is reactive in nature, with drastic measures taken only after contingencies have already arisen, compromising the safety of rig personnel and potentially resulting in environmental pollution. Therefore, there is a long felt but unresolved need in the industry to increase the ability to prevent such contingencies in the first place.
Соответственно, в одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения в способе и системе для иерархического управления давлением для работ MPD используется интеллектуальная и программируемая система клапанов регулирования давления (PCV), содержащая систему управления PCV и один или несколько клапанов системы PCV, для усиления способности буровой установки поддерживать давление в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления и уменьшения количества или исключения ситуаций, в которых для реагирования на непредвиденные обстоятельства используется клапан сброса давления (PRV) и которые, несмотря на использование PRV, часто приводят к тому, что давление в стволе скважины превышает давление гидроразрыва пласта или его падает ниже порового давления. В ходе традиционных работ MPD для приложения обратного давления на устье и управления давлением в стволе скважины может использоваться штуцерный коллектор MPD. Независимую систему управления PCV можно запрограммировать на открытие одного или нескольких клапанов системы PCV при превышении давлением в стволе скважины заданного значения для PCV. Заданное значение для PCV может быть установлено в значение давления, которое меньше заданного значения для PRV, или значения срабатывания, на разницу, достаточную для того, чтобы позволять системе PCV полностью открывать клапаны системы PCV, прежде чем задействовать PRV. Когда давление в стволе скважины превышает заданное значение для PCV, один или несколько клапанов системы PCV могут открываться и направлять поток в газосепаратор для бурового раствора (MGS), вибрационное сито или другую систему разделения и очистки бурового раствора с целью предотвращения дальнейшего повышения давления в стволе скважины и в то же время предотвращения падения давления в стволе скважины, которое обычно происходит при открытии PRV. Система PCV может включать интенсивное отсечение и управление, позволяющее ей реагировать быстро и эффективно.Accordingly, in one or more embodiments of the present invention, a method and system for hierarchical pressure control for MPD operations uses an intelligent and programmable pressure control valve (PCV) system comprising a PCV control system and one or more PCV system valves to enhance the drilling rig's ability to maintain wellbore pressure within a safe pressure gradient and reduce or eliminate situations in which a pressure relief valve (PRV) is used to respond to contingencies and which, despite the use of a PRV, often results in wellbore pressure exceeding the fracturing pressure or it falls below the pore pressure. In conventional MPD operations, an MPD choke manifold may be used to apply wellhead back pressure and control wellbore pressure. An independent PCV control system can be programmed to open one or more valves of the PCV system when the wellbore pressure exceeds a setpoint for the PCV. The PCV setpoint may be set to a pressure value that is less than the PRV setpoint, or actuation value, by a difference sufficient to allow the PCV system to fully open the PCV system valves before activating the PRV. When the wellbore pressure exceeds the PCV setpoint, one or more valves in the PCV system may open and direct flow to a mud gas separator (MGS), vibrating screen, or other mud separation and purification system to prevent further pressure buildup in the wellbore. and at the same time prevent the pressure drop in the wellbore that normally occurs when a PRV is opened. The PCV system may include heavy clipping and control, allowing it to respond quickly and efficiently.
При приведении в действие системы PCV штуцерный коллектор MPD может переводиться в режим ожидания и сохранять свое последнее положение. Если давление стабилизируется на или почти на заданном значении для PCV, буровая бригада затем может изучить первопричину высокого давления и попытаться решить эту проблему, пока давление в стволе скважины поддерживается на безопасном уровне. После решения проблемы с давлением поток в штуцерный коллектор MPD может быть возобновлен, и давление будет продолжать понижаться до или почти до заданного значения давления MPD. По мере понижения давления система PCV будет продолжать закрывать один или несколько клапанов до тех пор, пока не достигнет полностью закрытого состояния, в котором давление падает ниже заданного значения для PCV, и в этот момент обычные работы могут быть возобновлены с потоком, проходящим только через штуцерный коллектор MPD. Если штуцерный коллектор MPD, дополненный системой PCV, не способен поддерживать давление в стволе скважины, в качестве меры предосторожности дляWhen the PCV system is activated, the MPD in-line manifold can be put into standby mode and retain its last position. If the pressure stabilizes at or near the PCV setpoint, the drilling crew can then investigate the root cause of the high pressure and attempt to correct the problem while the wellbore pressure is maintained at a safe level. Once the pressure problem has been resolved, flow to the MPD inlet manifold may be resumed and the pressure will continue to fall to or near the MPD pressure setpoint. As the pressure decreases, the PCV system will continue to close one or more valves until it reaches a fully closed state in which the pressure drops below the PCV setpoint, at which point normal operation can be resumed with flow through the choke only. MPD collector. If an MPD choke manifold supplemented with a PCV system is unable to maintain wellbore pressure, as a precaution to
- 3 042987 крайнего случая может быть использован PRV. Преимущественно способ и система иерархического управления давлением для работ MPD защищают целостность ствола скважины без необходимости в закрытии ВОР или других радикальных мерах, тогда как традиционное использование исключительно PRV ориентировано только на защиту оборудования от повреждения, связанного с давлением, и не защищает ствол скважины от гидроразрыва, а также при задействовании PRV обычно требуется отключение ВОР или принятие других радикальных мер.- 3 042987 PRV can be used as a last resort. Advantageously, the hierarchical pressure control method and system for MPD operations protect the integrity of the wellbore without the need to close the BOP or other drastic measures, while the traditional use of PRV exclusively is focused only on protecting equipment from pressure-related damage and does not protect the wellbore from hydraulic fracturing, and when the PRV is activated, it usually requires the VOR to be turned off or other drastic measures to be taken.
На фиг. 1 показана традиционная замкнутая гидравлическая бурильная система 100 для работ MPD. Традиционная замкнутая гидравлическая бурильная система 100, выполненная для работ бурения в море, показана лишь в целях иллюстрации. Несмотря на, что приложения в море требуют для облегчения бурения ствола подводной скважины таких дополнительных компонентов, как, например, водоотделяющая колонна, специалисту в данной области техники будет понятно, что приложения на суше являются по существу аналогичными по конфигурации и функциям, относящимся к компонентам, необходимым для работ MPD. Традиционная замкнутая гидравлическая бурильная система 100 обычно содержит традиционную систему MPD (например, систему 110 затрубной герметизации, затрубную закрывающую систему 115 и устройство 120 отведения потока), нижнюю часть системы 125 водоотделяющей колонны и ВОР 130. Специалисту в данной области техники будет понятно, что бурильная система 100 может содержать другие компоненты, такие как, например, устройство отведения для крайнего случая (не показано), шаровой шарнир (не показан) и раздвижную муфту (не показана), которые обычно размещены над традиционной системой MPD и которые не показаны.In FIG. 1 shows a conventional closed-loop hydraulic drilling system 100 for MPD operations. A conventional closed-loop hydraulic drilling system 100 made for offshore drilling operations is shown for purposes of illustration only. While offshore applications require additional components, such as a riser, to facilitate drilling of a subsea wellbore, one skilled in the art will appreciate that onshore applications are substantially similar in configuration and function to the components required for MPD operations. Conventional closed-loop hydraulic drilling system 100 typically includes a conventional MPD system (e.g., annulus sealing system 110, annulus closure system 115, and flow diverter 120), a bottom of a riser system 125, and a BOP 130. Those skilled in the art will appreciate that the drilling system 100 may include other components, such as, for example, an emergency retractor (not shown), a ball joint (not shown), and an expandable sleeve (not shown), which are typically located above a conventional MPD system and are not shown.
Традиционная система MPD обычно содержит систему 110 затрубной герметизации, затрубную закрывающую систему 115, размещенную под системой 110 затрубной герметизации, и устройство 120 отведения потока, размещенное под затрубной закрывающей системой 115. Система 110 затрубной герметизации под управлением герметизирует затрубное пространство 108, окружающее бурильную колонну 135 так, что она заключена в оболочку. Система 110 затрубной герметизации может представлять собой поворотное управляющее устройство (RCD), активное управляющее устройство (ACD) или систему любого другого типа или вида, выполненную с возможностью создания затрубного уплотнения так, что давлением в стволе скважины можно управлять путем приложения обратного давления на устье. Затрубная закрывающая система 115 может представлять собой дублирующую систему для поддержания затрубного уплотнения в ходе соединений или при установке, обслуживании или замене системы 110 затрубной герметизации или ее компонентов. Устройство 120 отведения потока отводит возвратный буровой раствор из или из-под затрубного уплотнения в штуцерный коллектор 145 MPD, который направляет этот возвратный буровой раствор в системы разделения и очистки бурового раствора (например, MGS 155 или вибрационные сита 160) для переработки и повторного использования. Устройство 120 отведения потока размещено над и в сообщении по текучей среде с нижней частью системы 125 водоотделяющей колонны. Нижняя часть системы 125 водоотделяющей колонны размещена над и в сообщении по текучей среде с ВОР 130, размещенным на или почти на морском дне 104. ВОР 130 размещен над и в сообщении по текучей среде с устьем скважины (отдельно не показано), которое размещено над и в сообщении по текучей среде со стволом 106 скважины, бурение которого производится. Центральный просвет проходит через традиционную систему MPD (например, систему 110 затрубной герметизации, затрубную закрывающую систему 115 и устройство 120 отведения потока), нижнюю часть системы 125 водоотделяющей колонны, ВОР 130, устье скважины (отдельно не показано) и в ствол 106 скважины для облегчения бурения и других работ. Бурильная колонна 135 может быть проведена через центральный просвет и содержит на дистальном конце буровое долото 140, используемое для бурения ствола 106 скважины.A conventional MPD system typically comprises an annular seal system 110, an annulus closure system 115 located below the annulus seal system 110, and a diverter 120 located below the annulus closure system 115. The annulus seal system 110 under control seals the annulus 108 surrounding the drill string 135 so that it is enclosed in a shell. The annular seal system 110 may be a rotary control device (RCD), an active control device (ACD), or any other type or form of system configured to create an annular seal such that wellbore pressure can be controlled by applying back pressure at the wellhead. The annulus closure system 115 may be a back-up system to maintain the annular seal during connections or when the annulus seal system 110 or its components is installed, maintained, or replaced. The flow diverter 120 diverts return mud from or under the annular seal to an MPD choke manifold 145, which directs this return mud to mud separation and purification systems (e.g., MGS 155 or vibrating screens 160) for recycling and reuse. The diversion device 120 is positioned above and in fluid communication with the bottom of the riser system 125. The bottom of the riser system 125 is positioned above and in fluid communication with a BOP 130 located on or near the seafloor 104. A BOP 130 is positioned above and in fluid communication with a wellhead (not shown separately) which is positioned above and in fluid communication with the wellbore 106 being drilled. The central lumen extends through a conventional MPD system (e.g., annulus seal system 110, annulus closure system 115, and diverter 120), the bottom of the riser system 125, the BOP 130, the wellhead (not shown separately), and into the wellbore 106 to facilitate drilling and other works. The drill string 135 may be passed through the central lumen and includes at the distal end a drill bit 140 used to drill the wellbore 106 .
В ходе работ MPD один или несколько буровых насосов 170 под управлением перекачивают буровой раствор (не показан) из резервуара 165 для бурового раствора в ствол скважины через внутренний канал бурильной колонны 135. Возвратный буровой раствор (не показан) возвращается через затрубное пространство 108, окружающее бурильную колонну 135, и под управлением отводится устройством 120 отведения потока через выкидную линию 122 в один или несколько штуцерных клапанов (отдельно не изображены) штуцерного коллектора 145 MPD. Один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора 145 MPD под управлением направляют поток через выкидную линию 147 в расходомер 150, и расходомер 150 направляет поток через выкидную линию 153 в одну или несколько систем разделения и очистки бурового раствора, в том числе, например, MGS 155 и/или вибрационные сита 160, для разделения и очистки перед возвратом обработанного бурового раствора (не показан) в резервуары 165 для бурового раствора с целью повторного использования. В различных местах на пути потока размещены один или несколько датчиков давления (не показаны) для измерения давления возвратного бурового раствора (не показан).During MPD operations, one or more mud pumps 170 are under control to pump mud (not shown) from the mud reservoir 165 into the wellbore through the bore of the drill string 135. Return mud (not shown) is returned through the annulus 108 surrounding the drilling column 135, and is controlled by diverter 120 through flowline 122 to one or more choke valves (not shown separately) of MPD choke manifold 145. One or more MPD choke manifold 145 choke valves are controlled to direct flow through flowline 147 to flowmeter 150, and flowmeter 150 directs flow through flowline 153 to one or more mud separation and purification systems, including, for example, MGS 155 and /or vibrating screens 160 to separate and clean before returning the treated mud (not shown) to the mud tanks 165 for reuse. One or more pressure sensors (not shown) are placed at various locations along the flow path to measure the pressure of the return drilling fluid (not shown).
Система 600а управления MPD может принимать данные датчиков давления (не показаны) и данные расходомера 150 приблизительно или почти в реальном времени. Специалисту в данной области техники будет понятно, что приблизительно или почти в реальном времени означает практически в момент измерения, с задержкой только из-за измерения, вычисления и/или передачи, но обычно порядка долей секунды или не более нескольких секунд. Система 600а управления MPD может подавать командуThe MPD control system 600a may receive pressure sensor data (not shown) and flowmeter 150 data in approximately or near real time. One of ordinary skill in the art will understand what approximately or near real time means practically at the moment of measurement, with a delay only due to measurement, calculation and/or transmission, but usually on the order of fractions of a second or no more than a few seconds. The MPD control system 600a may command
- 4 042987 одному или нескольким штуцерным клапанам (отдельно не изображены) штуцерного коллектора 145 MPD перейти в требуемую установку отверстия штуцера и/или команду с указанием расхода на буровых насосах 170, тем самым управляя давлением в стволе скважины. Герметичное уплотнение затрубного пространства, обеспечиваемое системой 110 затрубной герметизации, обеспечивает возможность точного управления давлением в стволе скважины путем регулирования отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов (отдельно не изображены) штуцерного коллектора 145 MPD и соответствующего приложения обратного давления на устье. Отверстие штуцера, иногда называемое положением штуцера, одного или нескольких штуцерных клапанов (отдельно не изображены) штуцерного коллектора 145 MPD соответствует величине, обычно представляемой в процентах, на которую штуцерные клапаны (отдельно не изображены) или сам штуцерный коллектор 145 MPD открываются и имеют возможность пропускать поток.- 4 042987 one or more choke valves (not shown separately) of the choke manifold 145 MPD to go to the desired choke setting and/or flow command on the mud pumps 170, thereby controlling the pressure in the wellbore. The tight annulus seal provided by the annulus sealing system 110 allows precise control of wellbore pressure by adjusting the orifice of one or more choke valves (not shown separately) of the choke manifold 145 MPD and applying back pressure to the wellhead accordingly. The choke opening, sometimes referred to as the choke position, of one or more choke valves (not shown separately) of a 145 MPD choke manifold corresponds to the amount, usually expressed as a percentage, by which the choke valves (not shown separately) or the 145 MPD choke manifold itself are opened and allowed to flow flow.
Например, один или несколько штуцерных клапанов (отдельно не изображены) штуцерного коллектора 145 MPD могут быть полностью открыты, при этом поток является беспрепятственным, полностью закрыты, при этом поток остановлен, или частично открыты или закрыты, при этом поток ограничен в соответствии со степенью, в которой они открыты или закрыты. Если оператору штуцера необходимо повысить давление в стволе скважины, установку отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов (отдельно не изображены) штуцерного коллектора 145 MPD можно уменьшить для дополнительно ограничения потока бурового раствора и приложения дополнительного обратного давления на устье. Аналогично, если оператору штуцера необходимо понизить давление в стволе скважины, установку отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов (отдельно не изображены) штуцерного коллектора 145 MPD можно увеличить для увеличения потока бурового раствора и уменьшения величины приложенного обратного давления на устье. По существу, системы MPD обратного давления на устье обычно управляют давлением в стволе скважины путем регулирования установки отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов (отдельно не изображены) штуцерного коллектора 145 MPD и/или расхода на буровых насосах 170, вводящих буровой раствор в ствол скважины, на основе по меньшей мере данных датчиков давления.For example, one or more choke valves (not shown separately) of the 145 MPD choke manifold may be fully open with flow unobstructed, fully closed with flow stopped, or partially open or closed with flow restricted according to the degree in which they are open or closed. If the choke operator needs to pressurize the wellbore, the choke orifice setting of one or more choke valves (not shown separately) of the 145 MPD choke manifold can be reduced to further restrict mud flow and apply additional back pressure to the wellhead. Similarly, if the choke operator needs to reduce wellbore pressure, the choke orifice setting of one or more choke valves (not shown separately) of the 145 MPD choke manifold can be increased to increase mud flow and decrease the amount of applied back pressure at the wellhead. As such, back pressure MPD systems typically control wellbore pressure by adjusting the choke orifice setting of one or more choke valves (not shown separately) of the MPD choke manifold 145 and/or the flow rate on the mud pumps 170 introducing drilling fluid into the wellbore, based on at least pressure sensor data.
Система 600с управления PRV управляет PRV 175 и служит в качестве отдельного и независимого предохранительного средства для защиты оборудования буровой установки от повреждения из-за высоких и обычно неконтролируемо возрастающих давлений в системе 100. Система 600с управления PRV может принимать или генерировать данные датчиков давления или другие данные приблизительно или почти в реальном времени. В системе 600с управления PRV обычно хранится заданное значение для PRV, которое устанавливает давление, при котором PRV 175 срабатывает и открывается. Обычно заданное значение для PRV выбрано как значение давления, защищающее самое слабое звено в бурильной системе 100 от повреждения давлением, часто систему 125 водоотделяющей колонны в приложениях в море. После открытия PRV 175 может сбрасывать возвратный буровой раствор из затрубного пространства 108 в систему разделения и очистки бурового раствора (например, MGS 155 или вибрационные сита 160) или за борт 180 в приложениях в море. Несмотря на то, что PRV 175 защищает оборудование буровой установки и рассчитан на сброс как можно большего давления как можно быстрее, он не поддерживает давление в стволе скважины, что потенциально нарушает конструктивную целостность ствола скважины и способность буровой установки проводить последующие работы MPD. Таким образом, применение PRV 175 в качестве предохранительного средства для крайнего случая приводит к прекращению буровых работ и обычно требует принятия радикальных мер, в том числе, например, закрытия ВОР 130, для обеспечения безопасности скважины, тем самым значительно увеличивая издержки и ставя под угрозу возможность восстановления контроля за скважиной и возобновления буровых работ.The PRV control system 600c controls the PRV 175 and serves as a separate and independent safeguard to protect the rig equipment from damage due to high and typically uncontrollably rising pressures in the system 100. The PRV control system 600c may receive or generate pressure transducer data or other data. approximately or almost in real time. The PRV control system 600c typically stores a PRV setpoint that sets the pressure at which the PRV 175 fires and opens. Typically, the setpoint for PRV is chosen as the pressure value that protects the weakest link in the drilling system 100 from pressure damage, often the riser system 125 in offshore applications. Once opened, the PRV 175 may discharge return drilling fluid from the annulus 108 into a mud separation and purification system (eg, MGS 155 or shakers 160) or overboard 180 in offshore applications. While the PRV 175 protects the rig equipment and is designed to release as much pressure as possible as quickly as possible, it does not maintain pressure in the wellbore, potentially compromising the structural integrity of the wellbore and the rig's ability to carry out subsequent MPD operations. Thus, the use of PRV 175 as a last resort results in a cessation of drilling operations and usually requires drastic measures, including, for example, shutting down the BOP 130, to keep the well safe, thereby greatly increasing costs and jeopardizing the possibility restoration of well control and resumption of drilling operations.
На фиг. 2А показан иллюстративный график положения штуцера MPD, обратного давления на устье, заданного значения для PRV и положения PRV, когда штуцерный коллектор MPD (например, 145 на фиг. 1) забивается, выходит из строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, повышается обратное давление на устье и PRV (например, 175 на фиг. 1) приводится в действие в качестве предохранительного устройства для крайнего случая в традиционной замкнутой гидравлической бурильной системе (например, 100 на фиг. 1). Первоначально положение штуцера MPD и соответствующее обратное давление на устье являются относительно постоянными, чего и следует ожидать в ходе обычных буровых работ. В случае, когда один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 1) начинают забиваться, выходить из строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, обратное давление на устье может начать повышаться по причинам, не связанным с намеренным закрытием одного или нескольких штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 1). Система управления MPD (например, 600а на фиг. 1) может в ответ на повышение обратного давления на устье подавать на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 1) команду открыться в попытке стабилизировать давление. Однако даже после подачи на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 1) команды перейти в установку с полностью открытым отверстием штуцера, обратное давление на устье продолжает расти, как показано в изображенном примере. После того как обратное давление на устье превышает заданное значение для PRV, система управления PRV (например, 600с на фиг. 1)In FIG. 2A is an illustrative plot of MPD choke position, wellhead backpressure, PRV set point, and PRV position when an MPD choke manifold (e.g., 145 in FIG. 1) becomes clogged, fails, or other unforeseen circumstances occur, wellhead backpressure rises. and PRV (eg, 175 in FIG. 1) is actuated as an emergency safety device in a traditional closed-loop hydraulic drilling system (eg, 100 in FIG. 1). Initially, the position of the MPD choke and the corresponding wellhead back pressure are relatively constant, which is to be expected during normal drilling operations. In the event that one or more choke valves in an MPD choke manifold (e.g., 145 in Figure 1) begin to clog, fail, or other unforeseen circumstances occur, wellhead backpressure may begin to rise for reasons other than the intentional closure of one or several in-line valves of an MPD in-line manifold (for example, 145 in Fig. 1). The MPD control system (eg, 600a in FIG. 1) may, in response to rising wellhead back pressure, command one or more choke valves of the MPD choke manifold (eg, 145 in FIG. 1) to open in an attempt to stabilize the pressure. However, even after one or more choke valves of an MPD choke manifold (eg, 145 in FIG. 1) are commanded to go into a fully open choke set, wellhead backpressure continues to rise, as shown in the depicted example. After the wellhead backpressure exceeds the PRV setpoint, the PRV control system (for example, 600s in Fig. 1)
- 5 042987 срабатывает и подает на PRV (например, 175 на фиг. 1) команду прийти в действие в качестве крайнего предохранительного средства для быстрого сброса всего давления в системе (например, 100 на фиг. 1), в том числе в стволе скважины, без учета сильного воздействия на конструктивную целостность ствола скважины.- 5 042987 is triggered and commands the PRV (for example, 175 in Fig. 1) to come into action as a last resort to quickly release all pressure in the system (for example, 100 in Fig. 1), including in the wellbore, without taking into account the strong impact on the structural integrity of the wellbore.
В продолжение, на фиг. 2В показан иллюстративный график порового давления, давления гидроразрыва и давления в стволе скважины, когда штуцерный коллектор MPD (например, 145 на фиг. 1) забивается, выходит из строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, как описано в предыдущем примере на фиг. 2А, давление в стволе скважины растет, и PRV (например, 175 на фиг. 1) приводится в действие в качестве крайнего предохранительного средства в традиционной замкнутой гидравлической бурильной системе (например, 100 на фиг. 1). На фиг. 2В используется общая временная ось с фиг. 2А. В изображенном примере безопасный градиент давления можно установить посредством порового давления и давления гидроразрыва, как показано. Первоначально давление в стволе скважины близко следует поровому давлению, но является немного более высоким, однако скважина находится в пределах безопасного градиента давления. Когда один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 1) начинают забиваться, выходить из строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, давление в стволе скважины начинает увеличиваться. Как показано на фиг. 2А, система управления MPD (например, 600а на фиг. 1) пытается поддерживать давление в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления путем открытия одного или нескольких штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 1). Однако штуцерный коллектор MPD (например, 145 на фиг. 1) оказывается не способен поддерживать давление в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления, и когда обратное давление на устье превышает заданное значение для PRV, PRV (например, 175 на фиг. 1) приводится в действие в качестве крайнего предохранительного средства для защиты оборудования буровой установки от повреждения высоким давлением. Хотя PRV (например, 175 на фиг. 1) является успешным для быстрого сброса давления в системе, он не способен управлять стволом скважины. Возвращаясь к фиг. 2В, как показано в данном примере, давление в стволе скважины превышает давление гидроразрыва в течение некоторого промежутка времени до того, как PRV (например, 175 на фиг. 1) смог снизить давление, и аналогично на другой стороне безопасного градиента давления давление в стволе скважины падает ниже порового давления на некоторый промежуток времени, и все это не является неожиданным, поскольку PRV (например, 175 на фиг. 1) просто сбрасывает давление в системе (например, 100 на фиг. 1) с целью предотвращения повреждения высоким давлением. Как следствие, в стволе скважины может произойти гидроразрыв, что, вероятно, потребует закрытия ВОР (например, 130 на фиг. 1), а также принятия других необходимых радикальных мер перед тем, как буровые работы можно будет возобновить, если их вообще можно будет возобновить.In continuation, in FIG. 2B shows an illustrative plot of pore pressure, fracture pressure, and wellbore pressure when an MPD choke manifold (eg, 145 in FIG. 1) plugs, fails, or other contingency occurs, as described in the previous example in FIG. 2A, wellbore pressure builds up and the PRV (eg, 175 in FIG. 1) is activated as a last resort in a traditional closed-loop hydraulic drilling system (eg, 100 in FIG. 1). In FIG. 2B uses a common timeline from FIG. 2A. In the illustrated example, a safe pressure gradient can be established by pore pressure and fracture pressure as shown. Initially, the wellbore pressure closely follows the pore pressure, but is slightly higher, but the well is within a safe pressure gradient. When one or more choke valves in an MPD choke manifold (eg, 145 in FIG. 1) begin to clog, fail, or other unforeseen circumstances occur, the pressure in the wellbore begins to increase. As shown in FIG. 2A, the MPD control system (eg, 600a in FIG. 1) attempts to maintain wellbore pressure within a safe pressure gradient by opening one or more MPD choke manifold choke valves (eg, 145 in FIG. 1). However, the MPD choke manifold (eg, 145 in FIG. 1) is unable to maintain wellbore pressure within a safe pressure gradient, and when the wellhead backpressure exceeds the set value for PRV, the PRV (eg, 175 in FIG. 1) is driven act as a last resort to protect rig equipment from high pressure damage. While the PRV (eg, 175 in FIG. 1) is successful in depressurizing the system quickly, it is not capable of controlling the wellbore. Returning to FIG. 2B, as shown in this example, the wellbore pressure exceeds the fracture pressure for a period of time before the PRV (e.g., 175 in FIG. 1) can depressurize, and similarly on the other side of the safe pressure gradient, the wellbore pressure drops below the pore pressure for a period of time, and all this is not unexpected since the PRV (eg 175 in Fig. 1) simply depressurizes the system (eg 100 in Fig. 1) to prevent high pressure damage. As a consequence, hydraulic fracturing may occur in the wellbore, which will likely require the closure of the BOP (e.g., 130 in Fig. 1) and other necessary drastic measures before drilling operations can be resumed, if they can be resumed at all. .
На фиг. 3 показана усовершенствованная замкнутая гидравлическая бурильная система 300 для иерархического управления давлением для работ MPD в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Вариант осуществления бурильной системы 300 для работ бурения в море показан и описан в данном документе лишь в целях иллюстрации. Хотя приложения в море отличаются от приложений на суше тем, что они требуют дополнительного оборудования для облегчения бурения ствола подводной скважины, специалисту в данной области техники будет понятно, что приложения на суше представляют собой подмножество, по существу подобное в отношении конфигурации и функции компонентов, необходимых для работ MPD. По существу, один или несколько вариантов осуществления настоящего изобретения предполагают применение и использование в приложениях как на суше, так и в море. Специалисту в данной области техники будет понятно, что компоненты и конфигурация компонентов бурильной системы 300 могут варьироваться в зависимости от приложения или конструктивного исполнения в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения и не ограничены иллюстративной системой 300, описанной в данном документе.In FIG. 3 shows an improved hierarchical pressure control hydraulic drilling system 300 for MPD operations, in accordance with one or more embodiments of the present invention. An embodiment of a drilling system 300 for offshore drilling operations is shown and described herein for purposes of illustration only. While offshore applications differ from onshore applications in that they require additional equipment to facilitate drilling of a subsea wellbore, one skilled in the art will appreciate that onshore applications are a subset substantially similar in terms of the configuration and function of the components required for MPD works. As such, one or more embodiments of the present invention are contemplated and used in both onshore and offshore applications. One skilled in the art will appreciate that the components and component configuration of the drilling system 300 may vary depending on the application or design in accordance with one or more embodiments of the present invention and is not limited to the exemplary system 300 described herein.
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения для выполнения работ MPD можно использовать один или несколько компонентов традиционной системы MPD. Система 110 затрубной герметизации или ее функциональный эквивалент могут быть использованы для управляемой герметизации затрубного пространства 108, окружающего бурильную колонну 135 так, что она заключена в оболочку и не связана с атмосферой. Система 110 затрубной герметизации может представлять собой RCD, ACD или систему любого другого типа или вида, выполненную с возможностью образования затрубного уплотнения так, что давлением в стволе скважины можно управлять путем приложения обратного давления на устье. В некоторых вариантах осуществления затрубная закрывающая система 115 или ее функциональный эквивалент может размещаться под системой 110 затрубной герметизации в качестве дублирующей системы для поддержания затрубного уплотнения во время выполнения соединения или при установке, обслуживании или замене системы 110 затрубной герметизации или ее компонентов. Однако затрубная закрывающая система 115 может быть не включена в системы 300 для применения на суше или с низкими техническими требованиями. Устройство 120 отведения потока или его функциональный эквивалент может размещаться под затрубной закрывающей системой 115 или по меньшей мере под затрубным уплотнением в вариантах осуществления, которые не содержат затрубную закрывающуюIn one or more embodiments of the present invention, one or more components of a conventional MPD system may be used to perform MPD operations. The annulus sealing system 110, or a functional equivalent thereof, may be used to controllably seal the annulus 108 surrounding the drill string 135 such that it is enclosed and not exposed to the atmosphere. The annular seal system 110 may be an RCD, ACD, or any other type or form of system configured to form an annulus seal such that wellbore pressure can be controlled by applying back pressure at the wellhead. In some embodiments, the annulus closure system 115, or a functional equivalent thereof, may be placed below the annulus sealing system 110 as a back-up system to maintain the annulus seal during a connection, or when the annulus sealing system 110 or its components is installed, maintained, or replaced. However, the annular closure system 115 may not be included in systems 300 for onshore or low specification applications. The diversion device 120, or a functional equivalent thereof, may be located below the annular closure system 115, or at least below the annular seal in embodiments that do not include an annulus closure.
- 6 042987 систему 115, и отводит возвратный буровой раствор из или из-под затрубного уплотнения в штуцерный коллектор 145 MPD, который под управлением отводит возвратный буровой раствор в системы разделения и очистки бурового раствора (например, MGS 155 или вибрационные сита 160) для переработки и повторного использования. Специалисту в данной области техники будет понятно, что система 110 затрубной герметизации, затрубная закрывающая система 115 и устройство 120 отведения потока или функции и признаки, которые они реализуют, могут быть включены, исключены, встроены или распределены среди одного или нескольких компонентов или секции водоотделяющих колонн в зависимости от приложения или конструктивного исполнения в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Например, лишь в целях иллюстрации в некоторых приложениях на суше или с низкими техническими требованиями устройство 120 отведения потока может быть встроено в RCD 110 в бурильной системе 300, не содержащей затрубную закрывающую систему 115.- 6 042987 system 115, and diverts the return drilling mud from or under the annular seal to the 145 MPD Choke Manifold, which, under control, diverts the return drilling mud into mud separation and purification systems (e.g. MGS 155 or 160 vibrators) for processing and reuse. One skilled in the art will appreciate that the annular seal system 110, annular closure system 115, and diverter 120, or the functions and features they implement, may be included, omitted, incorporated, or distributed among one or more components or riser sections. depending on the application or design in accordance with one or more embodiments of the present invention. For example, for illustrative purposes only, in some onshore or low specification applications, diversion device 120 may be incorporated into RCD 110 in a drilling system 300 that does not include annular closure system 115.
В приложениях в море устройство 120 отведения потока может размещаться над и в сообщении по текучей среде с нижней частью системы 125 водоотделяющей колонны, а нижняя часть системы 125 водоотделяющей колонны может размещаться над и в сообщении по текучей среде с ВОР 130, размещенным на или почти на морском дне 104. В приложениях на суше устройство 120 отведения потока может размещаться над и в сообщении по текучей среде с ВОР 130. ВОР 130 может размещаться над и в сообщении по текучей среде с устьем скважины (отдельно не показано), которое может размещаться над и в сообщении по текучей среде со стволом 106 скважины, бурение которого производится. Центральный просвет может проходить через традиционную систему MPD (например, систему 110 затрубной герметизации, затрубную закрывающую систему 115 и/или устройство 120 отведения потока), нижнюю часть системы 125 водоотделяющей колонны, ВОР 130, устье скважины (отдельно не показано) и в ствол 106 скважины для облегчения бурения и других работ. Бурильная колонна 135 может быть проведена через центральный просвет и содержит на дистальном конце буровое долото 140, используемое для бурения ствола 106 скважины.In offshore applications, the diversion device 120 may be placed above and in fluid communication with the bottom of the riser system 125, and the bottom of the riser system 125 may be placed above and in fluid communication with the BOP 130 located at or near the bottom of the riser system 125. seafloor 104. In onshore applications, the diversion device 120 may be placed above and in fluid communication with the BOP 130. The BOP 130 may be placed above and in fluid communication with the wellhead (not shown separately), which may be placed above and in fluid communication with the wellhead (not shown separately). in fluid communication with the wellbore 106 being drilled. The central lumen may extend through a conventional MPD system (e.g., annulus seal system 110, annulus closure system 115, and/or diverter 120), the bottom of the riser system 125, the BOP 130, the wellhead (not shown separately), and into the wellbore 106 wells to facilitate drilling and other work. The drill string 135 may be passed through the central lumen and includes at its distal end a drill bit 140 used to drill the wellbore 106 .
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения усовершенствованная бурильная система 300 может иметь конфигурацию, выполненную с возможностью осуществления способа иерархического управления давлением для работ MPD. В таких вариантах осуществления, хотя штуцерный коллектор 145 MPD остается первичным устройством управления давлением в обычных условиях эксплуатации, интеллектуальную и программируемую систему PCV, содержащую систему 600b управления PCV и один или несколько клапанов 320 системы PCV, можно использовать для дополнения способности штуцерного коллектора 145 MPD поддерживать давление в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления в случае, если один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора 145 MPD забиваются, выходят из строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, такие что штуцерный коллектор 145 MPD не может самостоятельно поддерживать давление в стволе скважины. Пока система управления PCV помогает поддерживать давление в стволе скважины, персонал буровой установки может изучать первопричину проблем с давлением, в то время как конструктивная целостность ствола скважины защищена от неблагоприятных изменений давления. В случае, когда штуцерный коллектор 145 MPD и один или несколько клапанов 320 системы PCV не могут в достаточной мере управлять давлением в стволе скважины, PRV 175 может срабатывать как крайнее предохранительное средство для защиты оборудования буровой установки от высокого давления путем сброса всего давления в системе.In one or more embodiments of the present invention, the advanced drilling system 300 may be configured to implement a hierarchical pressure control method for MPD operations. In such embodiments, while the MPD inlet manifold 145 remains the primary pressure control device under normal operating conditions, an intelligent and programmable PCV system comprising a PCV control system 600b and one or more PCV system valves 320 can be used to supplement the MPD inlet manifold 145's ability to maintain wellbore pressure within a safe pressure gradient in the event that one or more choke valves of the 145 MPD choke manifold become clogged, fail, or other unforeseen circumstances occur such that the 145 MPD choke manifold cannot maintain wellbore pressure on its own. As long as the PCV control system helps maintain wellbore pressure, rig personnel can investigate the root cause of pressure problems while the structural integrity of the wellbore is protected from adverse pressure changes. In the event that MPD choke manifold 145 and one or more PCV system valves 320 are unable to adequately control wellbore pressure, PRV 175 can act as a last resort to protect rig equipment from high pressure by releasing all system pressure.
В ходе работ MPD один или несколько буровых насосов 170 могут под управлением перекачивать буровой раствор (не показан) из резервуара 165 для бурового раствора в ствол скважины через внутренний канал бурильной колонны 135. Возвратный буровой раствор (не показан) возвращается через затрубное пространство 108, окружающее бурильную колонну 135, и может под управлением отводиться устройством 120 отведения потока или его функциональным эквивалентом через выкидную линию 122 в штуцерный коллектор 145 MPD. Штуцерный коллектор 145 MPD может под управлением направлять поток через выкидную линию 147 в расходомер 150, и расходомер 150 может направлять поток через выкидную линию 153 в одну или несколько систем разделения и очистки бурового раствора, в том числе, например, MGS 155 и/или вибрационные сита 160, для разделения и очистки перед возвратом обработанного бурового раствора (не показан) в резервуары 165 для бурового раствора с целью повторного использования. В различных местах на пути потока могут быть размещены один или несколько датчиков давления (не показаны) для измерения давления в системе 300. Например, для предоставления измеренных значений давления в разных местах во всей системе можно использовать отдельные датчики давления (не показаны), а также датчики давления, встроенные (отдельно не показаны) в одно или несколько из штуцерного коллектора 145 MPD, одного или нескольких клапанов 320 системы PCV или PRV 175.During MPD operations, one or more mud pumps 170 may be controlled to pump mud (not shown) from the mud reservoir 165 into the wellbore through the bore of the drill string 135. Return mud (not shown) returns through the annulus 108 surrounding the drill string 135, and can be controlled by diverter 120 or functional equivalent through flowline 122 to MPD choke manifold 145. Choke manifold 145 MPD can be controlled to direct flow through flow line 147 to flow meter 150, and flow meter 150 can direct flow through flow line 153 to one or more mud separation and purification systems, including, for example, MGS 155 and/or vibrating sieves 160 to separate and clean before returning the treated mud (not shown) to the mud tanks 165 for reuse. One or more pressure sensors (not shown) may be placed at various locations along the flow path to measure the pressure in the system 300. For example, individual pressure sensors (not shown) may be used to provide pressure measurements at various locations throughout the system, as well as pressure transducers incorporated (not shown separately) in one or more of the 145 MPD in-line manifold, one or more of the 320 PCV or PRV 175 valves.
В качестве первого уровня иерархического управления давлением система 600а управления MPD может принимать измеренные значения давления с одного или нескольких датчиков давления (не показаны) и/или измеренные расходы с расходомера 150 приблизительно или почти в реальном времени. Специалисту в данной области техники будет понятно, что штуцерный коллектор 145 MPD может содержать множество штуцерных клапанов (отдельно не показаны), которыми по отдельности или вместе может управлять система 600а управления MPD. Система 600а управления MPD может подавать на одинAs a first level of hierarchical pressure control, MPD control system 600a may receive measured pressure values from one or more pressure sensors (not shown) and/or measured flow rates from flowmeter 150 in approximately or near real time. One skilled in the art will appreciate that MPD choke manifold 145 may include a plurality of choke valves (not shown separately) that can be individually or collectively controlled by MPD control system 600a. The MPD control system 600a can supply one
- 7 042987 или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора 145 MPD команду перейти в требуемую установку, или положение, отверстия штуцера и/или задавать командой расход буровых насосов 170, тем самым управляя давлением в стволе скважины. Герметичное уплотнение затрубного пространства, обеспечиваемое системой 110 затрубной герметизации, позволяет управлять давлением в стволе скважины путем регулирования отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов штуцерного коллектора 145 MPD и соответствующего приложения обратного давления на устье. Хотя каждый штуцерный клапан может иметь независимо управляемую установку, или положение, отверстия штуцера, специалисту в данной области техники будет понятно, что ссылка на установку, или положение, отверстия штуцера может относиться к независимой возможности одного или нескольких штуцерных клапанов штуцерного коллектора 145 MPD, или совокупного штуцерного коллектора 145 MPD, направлять поток в зависимости от приложения или конструктивного исполнения. Отверстие, или положение, штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов или совокупного штуцерного коллектора 145 MPD может соответствовать величине, обычно представляемой в процентах, на которую один или несколько штуцерных клапанов, или совокупный штуцерный коллектор 145 MPD, открывается и имеет возможность пропускать поток.- 7 042987 or several choke valves of the MPD choke manifold 145 command to move to the desired setting, or position, of the choke opening and/or command the flow rate of the mud pumps 170, thereby controlling the pressure in the wellbore. The tight annulus seal provided by the annulus sealing system 110 allows wellbore pressure to be controlled by adjusting the choke orifice of one or more choke valves of the MPD choke manifold 145 and applying back pressure to the wellhead accordingly. While each choke valve may have an independently controlled choke orifice setting, or position, one skilled in the art will appreciate that reference to choke orifice setting or position may refer to the independent capability of one or more choke valves of a 145 MPD choke manifold, or 145 MPD inline manifold, direct flow depending on application or design. The orifice, or position, of the choke of one or more choke valves or the collective choke manifold 145 MPD may correspond to the amount, usually expressed as a percentage, by which one or more choke valves, or the collective choke manifold 145 MPD, opens and is able to flow.
Например, один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора 145 MPD могут быть полностью открыты, при этом поток является беспрепятственным, полностью закрыты, при этом поток остановлен, или частично открыты/закрыты, при этом поток ограничен. Если оператору штуцера необходимо повысить давление в стволе скважины, установку отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов или совокупного штуцерного коллектора 145 MPD можно уменьшить для дополнительно ограничения потока бурового раствора и приложения дополнительного обратного давления на устье. Аналогично, если оператору штуцера необходимо понизить давление в стволе скважины, установку отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов или совокупного штуцерного коллектора 145 MPD можно увеличить для увеличения потока бурового раствора и уменьшения величины приложенного обратного давления на устье. По существу, управление давлением в стволе скважины можно осуществлять путем регулирования установки отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов или совокупного штуцерного коллектора 145 MPD и/или расхода буровых насосов 170, вводящих буровой раствор в ствол скважины, на основании по меньшей мере данных датчиков давления, соответствующих измеренным значениям давления.For example, one or more of the choke valves of the choke manifold 145 MPD may be fully open with flow unobstructed, fully closed with flow stopped, or partially open/closed with flow restricted. If the choke operator needs to pressurize the wellbore, the choke orifice setting of one or more choke valves or the 145 MPD choke manifold can be reduced to further restrict mud flow and apply additional back pressure to the wellhead. Similarly, if the choke operator needs to reduce the pressure in the wellbore, the choke orifice setting of one or more choke valves or the total choke manifold 145 MPD can be increased to increase mud flow and reduce the amount of applied back pressure at the wellhead. As such, wellbore pressure control may be accomplished by adjusting the choke orifice setting of one or more choke valves or the total choke manifold 145 MPD and/or the flow rate of the mud pumps 170 introducing drilling fluid into the wellbore based on at least pressure sensor data, corresponding to the measured pressure values.
В качестве второго уровня иерархического управления давлением, независимая интеллектуальная и программируемая система 600b управления PCV может управлять одним или несколькими клапанами 320 системы PCV для дополнения и оказания помощи штуцерному коллектору 145 MPD в поддержании давления в стволе скважины в определенных условиях. Система 600b управления PCV или один или несколько клапанов 320 системы PCV могут содержать встроенный датчик, или измеритель, давления (не показан) и/или принимать измеренные значения давления с одного или нескольких отдельных (не показаны) или встроенных (не показаны) датчиков давления в другом оборудовании. Для уменьшения количества случаев, в которых PRV 175 открывается, система PCV может под управлением открывать один или несколько клапанов 320 системы PCV с целью обеспечения дополнительного пути потока для возвратного бурового раствора в попытке снизить возрастающее давление в системе, что в идеальном случае полностью предотвращает для системы 300 необходимость задействовать PRV 175. Заданное значение для PCV для одного или нескольких клапанов 320 системы PCV можно определить как давление ниже заданного значения для PRV, что обеспечивает открытие одного или нескольких клапанов 320 системы PCV до срабатывания PRV 175, и ниже давления гидроразрыва. При открытии одного или нескольких клапанов 320 системы PCV система PCV стремится поддерживать заданное значение настолько постоянным, насколько возможно.As a second level of hierarchical pressure control, an independent intelligent and programmable PCV control system 600b can control one or more PCV system valves 320 to supplement and assist the MPD choke manifold 145 in maintaining wellbore pressure under certain conditions. The PCV control system 600b or one or more PCV system valves 320 may include a built-in pressure sensor or meter (not shown) and/or receive measured pressure values from one or more separate (not shown) or built-in (not shown) pressure sensors in other equipment. To reduce the number of times the PRV 175 opens, the PCV system can command to open one or more of the PCV system valves 320 to provide an additional flow path for return drilling fluid in an attempt to reduce the buildup of pressure in the system, which ideally prevents the system from 300 the need to actuate the PRV 175. The PCV setpoint for one or more PCV valves 320 can be defined as a pressure below the PRV setpoint that causes one or more PCV valves 320 to open before the PRV 175 is actuated and below the fracture pressure. When one or more valves 320 of the PCV system are opened, the PCV system seeks to maintain the setpoint as constant as possible.
Система PCV может включать интенсивное отсечение и управление, позволяющее ей реагировать быстро и эффективно. В отличие от PRV 175, первичной целью которого является защита оборудования буровой установки от больших изменений давления, система PCV также защищает целостность ствола скважины, не позволяя давлению в стволе скважины превышать давление гидроразрыва или падать ниже порового давления (или сминающего давления, если сминающее давление выше порового давления). Таким образом, если штуцерный коллектор 145 MPD забивается, выходит из строя или иначе теряет возможность управлять давлением в стволе скважины по какой-либо причине, система PCV может открывать дополнительный путь потока, чтобы помогать управлять давлением в стволе скважины без необходимости приводить в действие PRV 175, отключать ВОР 130 или принимать другие радикальные меры.The PCV system may include heavy clipping and control, allowing it to respond quickly and efficiently. Unlike the PRV 175, whose primary purpose is to protect the rig equipment from large pressure changes, the PCV system also protects the integrity of the wellbore by not allowing the wellbore pressure to exceed the fracture pressure or fall below the pore pressure (or collapse pressure if the collapse pressure is higher than pore pressure). Thus, if the 145 MPD choke manifold becomes plugged, fails, or otherwise loses its ability to control wellbore pressure for any reason, the PCV system can open an additional flow path to help control wellbore pressure without the need to actuate the PRV 175 , turn off the VOR 130 or take other drastic measures.
В качестве третьего уровня иерархического управления давлением система 600с управления PRV может управлять PRV 175 и служить отдельным и независимым предохранительным средством для защиты оборудования буровой установки от повреждения из-за высоких и обычно неконтролируемо возрастающих давлений в системе 300. Система 600с управления PRV может принимать измеренные значения давления с одного или нескольких датчиков давления (не показаны), измеренные расходы с расходомера 150 приблизительно или почти в реальном времени или другие данные приблизительно или почти в реальном времени. В системе 600с управления PRV может храниться заданное значение для PRV, которое устанавливает давление, при котором PRV 175 срабатывает и открывается. Обычно заданноеAs a third level of hierarchical pressure control, the PRV control system 600c may control the PRV 175 and serve as a separate and independent safety device to protect rig equipment from damage due to high and typically uncontrollably rising pressures in the system 300. The PRV control system 600c may receive measured values. pressure from one or more pressure sensors (not shown), measured flow rates from the flow meter 150 in near or near real time, or other data in near or near real time. The PRV control system 600c may store a PRV setpoint that sets the pressure at which the PRV 175 fires and opens. Usually given
- 8 042987 значение для PRV выбрано как значение давления, защищающее самое слабое звено в бурильной системе 100, в приложениях в море - часто систему 125 водоотделяющей колонны. После открытия PRV 175 может сбрасывать возвратный буровой раствор из затрубного пространства 108 в систему разделения и очистки бурового раствора (например, MGS 155 или вибрационные сита 160) или за борт 180. Несмотря на то, что PRV 175 защищает оборудование буровой установки и рассчитан на сброс как можно большего давления как можно быстрее, он не поддерживает давление в стволе скважины и не управляет им, что потенциально нарушает конструктивную целостность ствола скважины и способность буровой установки проводить последующие работы MPD. Таким образом, применение PRV 175 в качестве предохранительного средства для крайнего случая приводит к прекращению буровых работ и обычно требует принятия радикальных мер, таких как закрытие ВОР 130, для обеспечения безопасности скважины, что значительно увеличивает издержки, необходимые для восстановления управления скважиной и возобновления буровых работ, если это вообще возможно осуществить.- 8 042987 the value for PRV is chosen as the pressure value protecting the weakest link in the drilling system 100, in offshore applications often the riser system 125. Once opened, the PRV 175 can discharge return drilling fluid from the annulus 108 into a mud separation and purification system (such as MGS 155 or 160 vibrators) or overboard 180. Although the PRV 175 protects the rig equipment and is designed to discharge as much pressure as possible as quickly as possible, it does not maintain or control pressure in the wellbore, potentially compromising the structural integrity of the wellbore and the rig's ability to carry out subsequent MPD operations. Thus, the use of PRV 175 as a last resort results in a cessation of drilling operations and usually requires drastic measures, such as shutting down the BOP 130, to keep the well safe, which greatly increases the costs required to restore well control and resume drilling operations. if at all possible to do so.
С помощью многоуровневого иерархического управления давлением, если штуцерный коллектор 145 MPD не может управлять давлением в стволе скважины в ходе буровых работ и давление в стволе скважины продолжает возрастать вследствие забивания, выхода из строя или других непредвиденных обстоятельств, которые могут возникнуть, как только измеренное давление пересекает порог заданного значение для PCV, система 600b управления PCV может подавать на один или несколько клапанов 320 системы PCV команду открываться до степени, необходимой для стабилизации давления в стволе скважины, отведения возвратного бурового раствора из затрубного пространства 108 в MGS 155, вибрационное сито 160 или другие системы разделения и очистки бурового раствора. Таким образом, давление в стволе скважины можно поддерживать в пределах безопасного градиента давления, ниже давления гидроразрыва пласта и выше порового давления пласта, без необходимости приводить в действие PRV 175, отключать ВОР 130 или принимать другие радикальные меры. Преимущественно буровой бригаде предоставляется возможность изучить первопричину проблемы с давлением, при этом поддерживая давление в стволе скважины и без риска для конструктивной целостности ствола скважины или безопасности персонала.With multi-level hierarchical pressure control, if the 145 MPD choke manifold cannot control the wellbore pressure during drilling operations and the wellbore pressure continues to increase due to clogging, failure, or other unforeseen circumstances that may occur once the measured pressure crosses setpoint for the PCV, the PCV control system 600b may command one or more of the PCV system valves 320 to open to the extent necessary to stabilize the wellbore pressure, divert the return mud from the annulus 108 to the MGS 155, vibrating screen 160, or others drilling fluid separation and purification systems. In this way, the wellbore pressure can be maintained within a safe pressure gradient, below the fracture pressure and above the formation pore pressure, without the need to actuate the PRV 175, disable the BOP 130, or take other drastic measures. Advantageously, the drilling crew is given the opportunity to investigate the root cause of the pressure problem while maintaining pressure in the wellbore and without compromising the structural integrity of the wellbore or personnel safety.
На фиг. 4 показан способ 400 иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет понятно, что программное обеспечение, содержащее, например, одну или несколько гидравлических моделей и/или имитаций, может предоставлять модели, предсказанные безопасные градиенты давления, предсказанные распределения давления в стволе скважины в зависимости от глубины, а также предполагаемые заданные значения давления MPD, заданное значение для PCV и заданное значение для PRV перед осуществлением фактических буровых работ. Программное обеспечение может учитывать тип и вид используемого оборудования, составляющего часть буровой установки, тип и вид скважины, которую предстоит бурить, и информацию, связанную с тем, что известно о грунте, через который необходимо пробурить ствол скважины, а также о среде бурения. Эти действия обычно предпринимают перед началом буровых работ. После завершения и перед осуществлением фактических буровых работ можно выполнить дополнительное использование гидравлических моделей, имитаций и испытаний в предельных режимах с целью отладки моделей, предсказанных градиентов, предсказанных распределений давления и заданных значений.In FIG. 4 shows a hierarchical pressure control method 400 for controlled pressure drilling in accordance with one or more embodiments of the present invention. One of ordinary skill in the art will appreciate that software, including, for example, one or more hydraulic models and/or simulations, may provide models predicted safe pressure gradients, predicted wellbore pressure distributions with depth, and assumed target MPD pressure values, PCV set point and PRV set point before the actual drilling operation. The software may take into account the type and type of equipment used that forms part of the drilling rig, the type and type of well to be drilled, and information related to what is known about the soil through which the wellbore is to be drilled, as well as the drilling environment. These actions are usually taken before the start of drilling operations. After completion and prior to actual drilling operations, additional use of hydraulic models, simulations, and limit tests can be performed to debug models, predicted gradients, predicted pressure distributions, and setpoints.
После начала буровых работ гидравлическая модель может принимать почти в реальном времени информацию с различного оборудования и датчиков буровой установки, и в ходе выполнения буровых работ программное обеспечение может обновлять свои модели, предсказанные градиенты давления, предсказанные распределения давления и заданные значения непрерывно, периодически или по мере того, как становится доступно больше информации. Гидравлическая модель обычно будет предоставлять заданное значение давления MPD, соответствующее требуемому обратному давлению на устье, давлению на стояке или давлению в стволе скважины на основе модели в пределах безопасного градиента давления, однако заданное значение давления MPD может быть предоставлено пользователем. Для достижения заданного значения давления MPD система управления MPD может подавать на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD команду корректировать установку отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов на выверенную величину. Когда измеренное давление поддерживается на величине, приблизительно равной заданному значению давления MPD, можно начинать или возобновлять буровые работы, в зависимости от ситуации.Once the drilling operation has started, the hydraulic model can receive near real-time information from various equipment and sensors on the rig, and as the drilling operation progresses, the software can update its models, predicted pressure gradients, predicted pressure distributions, and setpoints continuously, periodically, or as needed. as more information becomes available. The hydraulic model will typically provide an MPD pressure setpoint corresponding to the desired wellhead back pressure, riser pressure, or model-based wellbore pressure within a safe pressure gradient, however the MPD pressure setpoint may be provided by the user. To achieve the MPD pressure set point, the MPD control system can command one or more inlet valves of an MPD inlet manifold to adjust the nozzle orifice setting of one or more inlet valves by the correct amount. When the measured pressure is maintained at a value approximately equal to the MPD pressure set point, drilling operations can be started or resumed, as appropriate.
На этапе 410 одно или несколько измеренных значений давления могут быть приняты по меньшей мере системой управления MPD, системой управления PCV и системой управления PRV. Каждое измеренное значение давления представляет результат фактического измерения давления, выполненного встроенным или отдельным датчиком давления, являющимся частью бурильной системы. Обычно в том, что касается измерения обратного давления на устье, измеренное значение давления соответствует измерению обратного давления на устье, взятому на устье, обычно датчиком давления, встроенным в штуцерный коллектор MPD или размещенным с ним на одной линии. Давление можно измерять непрерывно, периодически или при возникновении предварительно определенного события. Измеренные значения давления могут передаваться в систему управления MPD, систему управления PCV, систему управленияAt 410, one or more measured pressure values may be received by at least the MPD control system, the PCV control system, and the PRV control system. Each measured pressure value represents the result of an actual pressure measurement made by an integrated or separate pressure sensor that is part of the drilling system. Typically, with respect to wellhead backpressure measurement, the measured pressure value corresponds to a wellhead backpressure measurement taken at the wellhead, typically by a pressure transducer built into or in line with the MPD inline manifold. Pressure can be measured continuously, intermittently, or when a predefined event occurs. The measured pressure values can be transferred to the MPD control system, PCV control system,
- 9 042987- 9 042987
PRV или гидравлическую модель, которая может исполняться в одной из систем управления или независимо от них. В гидравлической модели для вычисления заданного значения давления MPD одно или несколько из данных модели, данных имитации и данных об измеренных значениях давления могут использоваться в оперативном порядке с целью достижения требуемого давления в стволе скважины для текущих условий эксплуатации. Гидравлическая модель может предоставлять заданное значение давления MPD в систему управления MPD. В ответ система управления MPD может подавать на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD команду перейти в выверенную установку отверстия штуцера, при которой достигается заданное значение давления MPD. Однако могут возникать непредвиденные обстоятельства, которые препятствуют управлению штуцерным коллектором MPD давлением при заданном значении давления MPD, в том числе, например, из-за забивания, выхода из строя или других непредвиденных обстоятельств, оказывающих влияние на один или несколько штуцерных клапанов. Несмотря на то, что один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD могут иметь функцию самоочищения, которая пытается удалять обломки породы, которые могут ограничивать поток, эти операции не всегда являются успешными. Система управления MPD или оператор штуцера может иметь возможность открывать дополнительные штуцерные клапаны или выборочно выбирать те штуцерные клапаны, которые не забиты и остаются в работоспособном состоянии, однако это может ограничивать возможности штуцерного коллектора MPD по управлению давлением в стволе скважины. На этом фоне способ, описанный в данном документе, относится к иерархическому управлению давлением для работ MPD.PRV or hydraulic model, which can be executed in one of the control systems or independently of them. In a hydraulic model, one or more of the model data, simulation data, and measured pressure data may be used on-line to calculate the MPD pressure setpoint to achieve the desired wellbore pressure for current operating conditions. The hydraulic model can provide the MPD pressure setpoint to the MPD control system. In response, the MPD control system may command one or more of the choke valves of the MPD choke manifold to go to the correct choke orifice setting that achieves the MPD pressure setpoint. However, unforeseen circumstances may occur that prevent the MPD in-line manifold from controlling pressure at a given MPD pressure, including, for example, clogging, failure, or other unforeseen circumstances affecting one or more in-line valves. Although one or more of the choke valves in an MPD choke manifold may have a self-cleaning function that attempts to remove debris that may restrict flow, these operations are not always successful. The MPD control system or the choke operator may be able to open additional choke valves or selectively select those choke valves that are not clogged and remain operational, however this may limit the ability of the MPD choke manifold to control wellbore pressure. Against this background, the method described in this document relates to hierarchical pressure control for MPD jobs.
На этапе 420, если измеренное давление превышает заданное значение давления MPD, система управления может подавать на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD команду открываться в необходимой степени, пока измеренное давление не станет приблизительно равным заданному значению давления MPD, или один или несколько клапанов штуцерного коллектора MPD получают команду перейти в установку с полностью открытым отверстием штуцера, соответствующую максимальной способности пропускать поток. Ввиду разности между измеренным значением давления и заданным значением давления MPD гидравлическая модель может определять корректировки для установки, или положения, отверстия штуцера одного или нескольких штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD, которые могут быть необходимы для достижения заданного значения давления MPD. Однако один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD могут испытывать забивание, выход из строя или другие непредвиденные обстоятельства. Если система управления MPD подает на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD команду им перейти в установку, или положение, с полностью открытым отверстием штуцера, соответствующую максимальной способности пропускать поток, а измеренное давление по-прежнему превышает заданное значение давления MPD, возникают непредвиденные обстоятельства, в которых штуцерный коллектор MPD самостоятельно больше не может безопасно управлять давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления. В традиционных бурильных системах такое происшествие потребовало бы прекращения бурения, приведения в действие PRV, отключения ВОР и других радикальных мер, угрожающих конструктивной целостности ствола скважины и возможности в конечном итоге возобновить буровые работы.At 420, if the measured pressure is greater than the MPD pressure setpoint, the control system may command one or more of the MPD inlet manifold valves to open as desired until the measured pressure is approximately equal to the MPD pressure setpoint, or one or more inlet manifold valves. MPD manifolds are commanded to go into a fully open choke setting corresponding to maximum flow capacity. Due to the difference between the measured pressure value and the MPD pressure setpoint, the hydraulic model can determine adjustments to the setting, or position, of the orifice of one or more MPD inlet manifold inlet valves that may be necessary to achieve the MPD pressure setpoint. However, one or more in-line MPD in-line manifold valves may experience plugging, failure, or other unforeseen circumstances. If the MPD control system instructs one or more of the choke valves in an MPD choke manifold to go to the setting, or fully open choke position, for maximum flow capability, and the measured pressure is still above the MPD pressure setpoint, an unforeseen circumstance occurs. where the MPD choke manifold alone can no longer safely control wellbore pressure within a safe pressure gradient. In conventional drilling systems, such an event would require a stop to drilling, actuation of the PRV, shutdown of the VOR, and other drastic measures that threaten the structural integrity of the wellbore and the ability to eventually resume drilling operations.
Преимущественно на этапе 430, если в любой момент времени измеренное давление превышает заданное значение для PCV, система управления MPD может переводить штуцерный коллектор MPD в режим ожидания так, что он сохраняет свое последнее положение, часто в заданном командой полностью открытом состоянии, и система управления PCV может подавать на один или несколько клапанов системы PCV команду открываться до тех пор, пока измеренное давление не станет меньше заданного значения для PCV, или команду на один или несколько клапанов системы PCV перейти в установку с полностью открытым PCV. Один или несколько клапанов системы PCV могут направлять поток в MGS, вибрационные сита, другую систему разделения и очистки бурового раствора или сбрасывать его за борт в приложениях в море. В некоторых вариантах осуществления заданное значение для PCV может быть определено гидравлической моделью как значение, которое меньше заданного значения для PRV на предварительно определенный запас надежности, достаточный для того, чтобы предотвращать открытие PRV до тех пор, пока штуцерный коллектор MPD и система PCV не потеряют возможность управлять давлением в стволе скважины. В других вариантах осуществления заданное значение для PCV может автоматически определяться гидравлической моделью как значение, которое меньше заданного значения для PRV с запасом, достаточным для обеспечения возможности полного открытия одного или нескольких клапанов PCV до того, как измеренное давление превысит заданное значение для PRV, частично на основе информации о типе или видах штуцерных клапанов и их возможности сбрасывать поток. Еще в других вариантах осуществления заданное значение для PCV может автоматически определяться гидравлической моделью на основании кривой давления гидроразрыва.Advantageously, at 430, if at any time the sensed pressure exceeds the set value for the PCV, the MPD control system may place the MPD inline manifold into a standby mode such that it maintains its last position, often in a commanded fully open state, and the PCV control system can command one or more PCV valves to open until the measured pressure is less than the PCV setpoint, or command one or more PCV valves to go into a full open PCV setting. One or more valves in the PCV system can direct flow to MGS, vibrating screens, other mud separation and purification systems, or dump mud overboard in offshore applications. In some embodiments, the PCV setpoint may be determined by the hydraulic model as a value that is less than the PRV setpoint by a predetermined margin of safety sufficient to prevent the PRV from opening until the MPD inlet manifold and the PCV system are unable to control pressure in the wellbore. In other embodiments, the PCV setpoint may be automatically determined by the hydraulic model to be less than the PRV setpoint by a margin sufficient to allow one or more PCV valves to fully open before the measured pressure exceeds the PRV setpoint, partially by based on information about the type or types of choke valves and their ability to shed flow. In yet other embodiments, the PCV setpoint may be automatically determined by the hydraulic model based on the fracture pressure curve.
Преимущественно система PCV может открывать дополнительный путь потока для предотвращения дальнейшего повышения давления и одновременно также предотвращать падение давления в стволе скважины. После открытия система PCV может пытаться поддерживать заданное значение для PCV как можно более постоянным с помощью интенсивного отсечения и управления, обеспечивающих возмож- 10 042987 ность быстрого отклика. Если давление стабилизируется при заданном значении для PCV, буровая бригада может иметь возможность изучить первопричину и попытаться решить проблему. Если проблема решена, буровые работы можно возобновить, если измеренное давление можно поддерживать при значении, приблизительно равном заданному значению давления MPD.Advantageously, the PCV system can open an additional flow path to prevent further pressure increase and at the same time also prevent pressure drop in the wellbore. Once opened, the PCV system may attempt to keep the PCV setpoint as constant as possible with heavy clipping and control to enable fast response. If the pressure stabilizes at the PCV set point, the drilling crew may be able to investigate the root cause and attempt to correct the problem. If the problem is resolved, drilling operations can be resumed if the measured pressure can be maintained at a value approximately equal to the MPD pressure setpoint.
На этапе 440, если в любой момент времени измеренное давление превышает заданное значение для PRV, система управления PRV может подавать на PRV команду открыться в качестве крайнего предохранительного средства. Заданное значение для PRV можно определить путем определения наименьшего значения давления из набора максимальных рабочих давлений для оборудования бурильной системы. Заданное значение для PRV может быть задано как наименьшее определенное значение давления меньше необязательного предварительно определенного запаса надежности. Заданное значение для PRV можно определить с помощью одного или нескольких из гидравлических моделей, имитации или пользовательского ввода. Хотя PRV, когда он открыт, защищает оборудование буровой установки от событий, связанных с большим давлением, давление в стволе скважины будет падать до тех пор, пока все давление в системе не будет сброшено, а это означает, что давление не поддерживается в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления, может упасть ниже порового давления и для обеспечения безопасности скважины могут потребоваться радикальные меры, такие как, например, отключение ВОР. По существу, запуск PRV рассматривается как действие в наихудшем случае, предпринимаемое только в качестве крайней меры, когда штуцерный коллектор MPD и PCV не могут управлять давлением в стволе скважины. PRV может направлять поток в MGS, вибрационные сита или сбрасывать за борт в приложениях в море. В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения энергонезависимый машиночитаемый носитель содержит команды программного обеспечения, которые при исполнении процессором могут выполнять любой из вышеуказанных способов.At 440, if at any time the sensed pressure exceeds the set value for the PRV, the PRV control system may command the PRV to open as a last resort. The set point for PRV can be determined by determining the lowest pressure value from a set of maximum operating pressures for the drilling system equipment. The set point for the PRV may be set to the lowest determined pressure value less than an optional predetermined safety margin. The setpoint for the PRV can be determined using one or more of the hydraulic models, simulation, or user input. Although the PRV, when open, protects the rig equipment from high pressure events, the pressure in the wellbore will drop until all system pressure is released, meaning that pressure is not maintained in the wellbore in within a safe pressure gradient may fall below the pore pressure and drastic measures such as turning off the BOP may be required to ensure well safety. As such, launching a PRV is considered a worst-case action only taken as a last resort when the MPD and PCV are unable to control wellbore pressure. The PRV can direct flow to MGS, vibrating screens or overboard in offshore applications. In one or more embodiments of the present invention, the non-volatile computer-readable medium contains software instructions that, when executed by a processor, can perform any of the above methods.
На фиг. 5А показан иллюстративный график положения штуцера MPD, обратного давления на устье, заданного значения для PCV, установки PCV, заданного значения для PRV и положения PRV, когда система PCV используется для дополнения штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 3) при управлении давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления в системе (например, 300 на фиг. 3) с целью иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.In FIG. 5A shows an illustrative plot of MPD choke position, wellhead back pressure, PCV setpoint, PCV setpoint, PRV setpoint, and PRV position when a PCV system is used to supplement an MPD choke manifold (e.g., 145 in FIG. 3) under pressure control. in the wellbore within a safe system pressure gradient (eg, 300 in FIG. 3) for the purpose of hierarchical pressure control for managed pressure drilling operations in accordance with one or more embodiments of the present invention.
На фиг. 5А и 5В показан пример того, как способ и система иерархического управления давлением для работ MPD будут справляться с иллюстративной ситуацией, показанной на фиг. 2А и 2В. Первоначально положение штуцера MPD и соответствующее обратное давление на устье являются относительно постоянными, чего и следует ожидать в ходе обычных буровых работ. В случае, когда один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 3) начинают забиваться, выходить из строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, обратное давление на устье может начать повышаться по причинам, не связанным с намеренным закрытием одного или нескольких штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 3). Система управления MPD (например, 600а на фиг. 3) может в ответ на повышение обратного давления на устье подавать на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 3) команду открыться в попытке стабилизировать давление. Однако, даже после подачи на один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 3) команды перейти в установку с полностью открытым отверстием штуцера, соответствующую максимальной возможности пропускать поток, обратное давление на устье продолжает расти. После того как обратное давление на устье превышает заданное значение для PCV, система управления PCV (например, 600b на фиг. 3) может подавать на один или несколько клапанов системы PCV (например, 320 на фиг. 3) команду открываться, чтобы помочь штуцерному коллектору MPD (например, 145 на фиг. 3) в управлении давлением в стволе скважины. В изображенном примере PCV (например, 320 на фиг. 3) останавливает дальнейшее повышение давления, и давление стабилизируется на или почти на заданном значении для PCV. В этот момент персонал буровой установки может изучить первопричину проблемы с давлением, в то время как один или несколько клапанов системы PCV (например, 320 на фиг. 3) защищают конструктивную целостность ствола скважины.In FIG. 5A and 5B show an example of how a hierarchical pressure control method and system for MPD jobs would handle the exemplary situation shown in FIG. 2A and 2B. Initially, the position of the MPD choke and the corresponding wellhead back pressure are relatively constant, which is to be expected during normal drilling operations. In the event that one or more choke valves in an MPD choke manifold (e.g., 145 in FIG. 3) begin to clog, fail, or have other unforeseen circumstances, wellhead backpressure may begin to rise for reasons other than intentionally closing one or several in-line valves of an MPD in-line manifold (for example, 145 in Fig. 3). The MPD control system (eg, 600a in FIG. 3) may respond to an increase in wellhead back pressure by commanding one or more choke valves of the MPD choke manifold (eg, 145 in FIG. 3) to open in an attempt to stabilize the pressure. However, even after one or more choke valves of the MPD choke manifold (e.g., 145 in FIG. 3) are commanded to go into a full-open choke setting corresponding to maximum flow capability, back pressure at the wellhead continues to rise. Once the wellhead backpressure exceeds the PCV set point, the PCV control system (for example, 600b in Figure 3) can command one or more valves in the PCV system (for example, 320 in Figure 3) to open to assist the choke manifold. MPD (eg, 145 in FIG. 3) in wellbore pressure control. In the illustrated example, the PCV (eg, 320 in FIG. 3) stops further pressure buildup and the pressure stabilizes at or near the PCV set point. At this point, rig personnel can investigate the root cause of the pressure problem while one or more valves in the PCV system (eg, 320 in FIG. 3) protect the structural integrity of the wellbore.
В продолжение, на фиг. 5В показан иллюстративный график порового давления, давления гидроразрыва и давления в стволе скважины, когда один или несколько клапанов системы PCV (например, 320 на фиг. 3) используются для дополнения штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 3) при управлении давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления в системе (например, 300 на фиг. 3) с целью иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Как показано, безопасный градиент давления может быть установлен посредством порового давления (или сминающего давления в некоторых случаях) и давления гидроразрыва. Первоначально давление в стволе скважины близко следует поровому давлению, но является немного более высоким, однако скважина находится в пределах безопасного градиента давления. Когда один или несколько штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 3) начинают забиваться, выходить изIn continuation, in FIG. 5B shows an exemplary plot of pore pressure, fracture pressure, and wellbore pressure when one or more PCV system valves (eg, 320 in FIG. 3) are used to supplement an MPD choke manifold (eg, 145 in FIG. 3) while controlling pressure in wellbore within a safe system pressure gradient (eg, 300 in FIG. 3) for the purpose of hierarchical pressure control for managed pressure drilling operations in accordance with one or more embodiments of the present invention. As shown, a safe pressure gradient can be established by means of pore pressure (or collapse pressure in some cases) and fracture pressure. Initially, the wellbore pressure closely follows the pore pressure, but is slightly higher, but the well is within a safe pressure gradient. When one or more in-line valves of the MPD in-line manifold (for example, 145 in Fig. 3) begin to clog, exit
- 11 042987 строя или возникают другие непредвиденные обстоятельства, давление в стволе скважины начинает повышаться. Как показано на фиг. 5А, система управления MPD (например, 600а на фиг. 3) пытается управлять давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления путем открытия одного или нескольких штуцерных клапанов штуцерного коллектора MPD (например, 145 на фиг. 3). Однако штуцерный коллектор MPD (например, 145 на фиг. 3) самостоятельно не может поддерживать давление в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления. Вместо приведения в действие PRV (например, 175 на фиг. 3) система управления PCV (например, 600b на фиг. 3) подает на один или несколько клапанов системы PCV (например, 320 на фиг. 3) команду открываться в попытке помочь штуцерному коллектору MPD (например, 145 на фиг. 3) в управлении давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления. Когда один или несколько клапанов системы PCV (например, 320 на фиг. 3) открываются, обратное давление на устье (см. фиг. 5А) стабилизируется на или почти на заданном значении для PCV и давление в стволе скважины безопасно стабилизируется на некотором значении давления в пределах безопасного градиента давления. Преимущественно, в отличие от ситуации, изображенной на фиг. 2А и 2В, давление в стволе скважины никогда не превышает давление гидроразрыва, никогда не падает ниже порового давления и конструктивная целостность ствола скважины сохраняется, при этом без необходимости приведения в действие PRV (например, 175 на фиг. 3). Преимущественно персонал буровой установки может изучить первопричину проблемы с давлением, в то время как один или несколько клапанов системы PCV (например, 320 на фиг. 3) защищают конструктивную целостность ствола скважины. После выяснения причин можно возобновить поток в штуцерный коллектор MPD (например, 145 на фиг. 3). Пока управление давлением происходит в пределах безопасного градиента давления, буровые работы могут продолжаться.- 11 042987 failure or other unforeseen circumstances occur, the pressure in the wellbore begins to rise. As shown in FIG. 5A, the MPD control system (eg, 600a in FIG. 3) attempts to control wellbore pressure within a safe pressure gradient by opening one or more MPD choke manifold choke valves (eg, 145 in FIG. 3). However, an MPD choke manifold (eg, 145 in FIG. 3) alone cannot maintain wellbore pressure within a safe pressure gradient. Instead of actuating the PRV (for example, 175 in Fig. 3), the PCV control system (for example, 600b in Fig. 3) commands one or more valves of the PCV system (for example, 320 in Fig. 3) to open in an attempt to help the choke manifold MPD (eg, 145 in FIG. 3) in controlling wellbore pressure within a safe pressure gradient. When one or more valves in the PCV system (eg, 320 in FIG. 3) are opened, the wellhead back pressure (see FIG. 5A) stabilizes at or near the PCV setpoint and the wellbore pressure safely stabilizes at some pressure in within a safe pressure gradient. Advantageously, in contrast to the situation depicted in FIG. 2A and 2B, the wellbore pressure never exceeds the fracture pressure, never falls below the pore pressure, and the structural integrity of the wellbore is maintained without the need to actuate the PRV (eg, 175 in FIG. 3). Advantageously, rig personnel can investigate the root cause of the pressure problem while one or more valves in the PCV system (eg, 320 in FIG. 3) protect the structural integrity of the wellbore. After clarification of the reasons, you can resume the flow to the MPD choke manifold (for example, 145 in Fig. 3). As long as the pressure is controlled within a safe pressure gradient, drilling operations can continue.
На фиг. 6 показана компьютерная или управляющая система 600 в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет понятно, что, как обсуждено выше, система иерархического управления давлением для буровых работ под управляемым давлением (например, 300 на фиг. 3) может содержать множество систем управления (например, систему 600а управления MPD, систему 600b управления PCV или систему 600с управления PRV), которые функционируют независимо друг от друга в такой степени, что выход из строя одного аспекта иерархического управления давлением не вызывает выхода из строя другого аспекта иерархического управления давлением, в качестве меры предосторожности для защиты бурильной системы, персонала на буровой установке и окружающей среды. Несмотря на вышесказанное, в некоторых вариантах осуществления такие системы управления, или функции или признаки, которые они реализуют, могут быть интегрированными или распределенными в зависимости от приложения или конструктивного исполнения в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Специалисту в данной области техники будет также понятно, что система 600а управления MPD, система 600b управления PCV и система 600с управления PRV могут отличаться одна от другой и от приложения к приложению в зависимости от приложения и конструктивного исполнения в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения.In FIG. 6 shows a computer or control system 600 in accordance with one or more embodiments of the present invention. One skilled in the art will appreciate that, as discussed above, a hierarchical pressure control system for controlled pressure drilling (e.g., 300 in FIG. 3) may comprise a plurality of control systems (e.g., MPD control system 600a, PCV control system 600b or the PRV control system 600c) that operate independently of each other to the extent that the failure of one aspect of the hierarchical pressure control does not cause the failure of another aspect of the hierarchical pressure control, as a precaution to protect the drilling system, personnel on the drilling rig and the environment. Notwithstanding the foregoing, in some embodiments, such control systems, or the functions or features they implement, may be integrated or distributed, depending on the application or design, in accordance with one or more embodiments of the present invention. One of skill in the art will also appreciate that MPD control system 600a, PCV control system 600b, and PRV control system 600c may differ from one another and from application to application, depending on the application and design in accordance with one or more embodiments of the present inventions.
Иллюстративная компьютерная или управляющая система 600 может содержать одно или несколько из центрального процессорного устройства (CPU) 605, главного моста 610, моста 615 ввода/вывода (IO), графического процессорного устройства (GPU) 625, специализированной интегральной микросхемы (ASIC) (не показана) и программируемого логического контроллера (PLC) (не показан), расположенных на одной или нескольких печатных схемных платах (не показаны), которые выполняют вычислительные или логические операции. Каждый CPU 605, GPU 625, ASIC (не показана) и PLC (не показан) может представлять собой одноядерное устройство или многоядерное устройство. Многоядерные устройства, как правило, содержат множество ядер (не показаны), расположенных на одной и той же физической матрице (не показана), или множество ядер (не показаны), расположенных на составной матрице (не показаны), которые совместно размещены в одном и том же механическом блоке (не показан).An exemplary computer or control system 600 may include one or more of a central processing unit (CPU) 605, a main bridge 610, an input/output (IO) bridge 615, a graphics processing unit (GPU) 625, an application specific integrated circuit (ASIC) (not shown). ) and a programmable logic controller (PLC) (not shown) located on one or more printed circuit boards (not shown) that perform computational or logic operations. Each CPU 605, GPU 625, ASIC (not shown), and PLC (not shown) may be a single-core device or a multi-core device. Multi-core devices typically comprise a plurality of cores (not shown) located on the same physical matrix (not shown) or a plurality of cores (not shown) located on a composite matrix (not shown) that are co-located in the same and the same mechanical block (not shown).
CPU 605 может представлять собой вычислительное устройство общего назначения, обычно исполняющее команды программного обеспечения. CPU 605 может содержать один или несколько из интерфейса 608 к главному мосту 610, интерфейса 618 к системному запоминающему устройству 620 и интерфейса 623 к одному или нескольким устройствам IO, таким как, например, один или несколько GPU 625. GPU 625 может служить в качестве специализированного вычислительного устройства, которое обычно выполняет графические функции, связанные с работой с кадровым буфером. Однако специалисту в данной области техники будет понятно, что GPU 625 можно использовать для выполнения не относящихся к графике функций, характеризующихся большим объемом вычислений. В некоторых вариантах осуществления GPU 625 может иметь интерфейс 623 непосредственно с CPU 605 (и опосредованный интерфейс 618 с системным запоминающим устройством 620 через CPU 605). В других вариантах осуществления GPU 625 может иметь интерфейс 621 непосредственно с главным мостом 610 (и иметь опосредованный интерфейс 616 или 618 с системным запоминающим устройством 620 через главный мост 610 или CPU 605 в зависимости от приложения или конструктивного исполнения). Еще в других вариантах осуществления GPU 625 может иметь интерфейс 633 непосредственно с мостом 615 IO (и иметь опосредованный интерфейс 616 или 618 с системным запоминающим устройством 620 через главный мост 610 или CPUThe CPU 605 may be a general purpose computing device, typically executing software instructions. The CPU 605 may include one or more of an interface 608 to the main bridge 610, an interface 618 to the system storage device 620, and an interface 623 to one or more IO devices, such as one or more GPUs 625, for example. a computing device that typically performs graphics functions related to framebuffer operation. However, one of ordinary skill in the art will appreciate that the GPU 625 can be used to perform non-graphics, computationally intensive functions. In some embodiments, GPU 625 may have an interface 623 directly with CPU 605 (and indirect interface 618 with system storage 620 via CPU 605). In other embodiments, GPU 625 may interface 621 directly with main bridge 610 (and indirectly interface 616 or 618 with system storage 620 via main bridge 610 or CPU 605, depending on the application or design). In yet other embodiments, the GPU 625 may have an interface 633 directly with the IO bridge 615 (and have an indirect interface 616 or 618 with the system storage device 620 via the main bridge 610 or CPU
- 12 042987- 12 042987
605 в зависимости от приложения или конструктивного исполнения). Специалисту в данной области техники будет понятно, что GPU 625 также содержит внутриплатное запоминающее устройство. Функциональные возможности GPU 625 могут быть интегрированы, полностью или частично, с CPU 605 и/или главным мостом 610.605 depending on application or design). One of skill in the art will appreciate that GPU 625 also includes on-board storage. The functionality of the GPU 625 may be integrated, in whole or in part, with the CPU 605 and/or the main bridge 610.
Главный мост 610 может представлять собой интерфейсное устройство, которое реализует интерфейс между одним или несколькими вычислительными устройствами и мостом 615 IO, а также, в некоторых вариантах осуществления, системным запоминающим устройством 620. Главный мост 610 может содержать интерфейс 608 к CPU 605, интерфейс 613 к мосту 615 IO, для вариантов осуществления, в которых CPU 605 не содержит интерфейс 618 к системному запоминающему устройству 620, интерфейс 616 к системному запоминающему устройству 620, а для вариантов осуществления, в которых CPU 605 не содержит интегрированный GPU 625 или интерфейс 623 к GPU 625, - интерфейс 621 к GPU 625. Функциональные возможности главного моста 610 могут быть интегрированы, полностью или частично, с CPU 605 и/или GPU 625.Master bridge 610 may be an interface device that implements an interface between one or more computing devices and IO bridge 615, as well as, in some embodiments, system storage 620. Master bridge 610 may include interface 608 to CPU 605, interface 613 to bridge 615 IO, for embodiments in which the CPU 605 does not contain an interface 618 to the system storage device 620, an interface 616 to the system storage device 620, and for embodiments in which the CPU 605 does not contain an integrated GPU 625 or an interface 623 to the GPU 625 , - interface 621 to GPU 625. The functionality of main bridge 610 may be integrated, in whole or in part, with CPU 605 and/or GPU 625.
Мост 615 IO может представлять собой интерфейсное устройство, которое реализует интерфейс между одним или несколькими вычислительными устройствами и различными устройствами IO (например, 640, 645), а также расширительными, или дополнительными, устройствами IO (отдельно не изображены). Мост 615 IO может содержать интерфейс 613 к главному мосту 610, один или несколько интерфейсов 633 к одному или нескольким расширительным устройствам 635 IO, интерфейс 638 к клавиатуре 640, интерфейс 643 к мыши 645, интерфейс 648 к одному или нескольким локальным устройствам 650 хранения данных и интерфейс 653 к одному или нескольким устройствам 655 сетевого интерфейса. Функциональные возможности моста 615 IO могут быть интегрированы, полностью или частично, с CPU 605 и/или главным мостом 610. Каждое локальное устройство 650 хранения данных, если имеется, может представлять собой твердотельное запоминающее устройство, массив твердотельных запоминающих устройств, накопитель на жестком диске, массив накопителей на жестком диске или любой другой энергонезависимый машиночитаемый носитель. Устройство 655 сетевого интерфейса может обеспечивать один или несколько сетевых интерфейсов, в том числе любой сетевой протокол, подходящий для облегчения сетевой передачи данных.An IO bridge 615 may be an interface device that interfaces between one or more computing devices and various IO devices (eg, 640, 645) as well as expansion or additional IO devices (not shown separately). An IO bridge 615 may include an interface 613 to a host bridge 610, one or more interfaces 633 to one or more IO expansion devices 635, an interface 638 to a keyboard 640, an interface 643 to a mouse 645, an interface 648 to one or more local storage devices 650, and interface 653 to one or more devices 655 network interface. The functionality of the IO bridge 615 may be integrated, in whole or in part, with the CPU 605 and/or the host bridge 610. Each local storage device 650, if present, may be a solid state storage device, an array of solid state storage devices, a hard disk drive, an array of hard disk drives or any other non-volatile machine-readable medium. The network interface device 655 may provide one or more network interfaces, including any network protocol suitable for facilitating network communication.
Система 600 управления может содержать одно или несколько устройств 660 хранения данных с подключением по сети в дополнение к одному или нескольким локальным устройствам 650 хранения данных или вместо них. Каждое устройство 660 хранения данных с подключением по сети, если оно присутствует, может представлять собой твердотельное запоминающее устройство, массив твердотельных запоминающих устройств, накопитель на жестком диске, массив накопителей на жестком диске или любой другой энергонезависимый машиночитаемый носитель. Устройство 660 хранения данных с подключением по сети может быть или не быть совместно расположено с системой 600 управления и может быть доступным для системы 600 управления через один или несколько сетевых интерфейсов, предоставленных одним или несколькими устройствами 655 сетевого интерфейса.The control system 600 may include one or more network connected storage devices 660 in addition to or instead of one or more local storage devices 650 . Each network attached storage device 660, if present, may be a solid state storage device, an array of solid state storage devices, a hard disk drive, a hard disk drive array, or any other non-volatile computer-readable medium. Network connected storage device 660 may or may not be co-located with control system 600 and may be accessible to control system 600 through one or more network interfaces provided by one or more network interface devices 655 .
Специалисту в данной области техники будет понятно, что система 600 управления может представлять собой традиционную вычислительную систему или специализированную вычислительную систему (не показана). В некоторых вариантах осуществления специализированная вычислительная система (не показана) может содержать одну или несколько ASIC (не показаны) или программируемых логических контроллеров (PLC) (не показаны), выполняющих одну или несколько специальных функций более эффективным образом. Одна или несколько ASIC (не показаны) могут иметь интерфейс непосредственно к CPU 605, главному мосту 610 или GPU 625 или иметь интерфейс через мост 615 IO. Альтернативно в других вариантах осуществления специализированную вычислительную систему (не показана) можно сократить только до тех компонентов, которые необходимы для выполнения требуемых функции или функций, в попытке сократить одно или несколько из количества интегральных схем, площади, занимаемой печатными схемными платами, величины отвода тепла и энергопотребления. Одну или несколько ASIC (не показаны) или PLC (не показаны) можно использовать вместо одного или нескольких из CPU 605, главного моста 610, моста 615 IO или GPU 625. В таких системах одна или несколько ASIC (не показаны) или PLC (не показаны) могут обладать достаточными функциональными возможностями для выполнения определенных сетевых, вычислительных или логических функций при минимальной занимаемой площади и значительно меньшем количестве составляющих устройств.One of skill in the art will appreciate that control system 600 may be a conventional computing system or a dedicated computing system (not shown). In some embodiments, a dedicated computing system (not shown) may include one or more ASICs (not shown) or programmable logic controllers (PLCs) (not shown) that perform one or more special functions in a more efficient manner. One or more ASICs (not shown) may interface directly to the CPU 605, main bridge 610, or GPU 625, or interface through the IO bridge 615. Alternatively, in other embodiments, an application-specific computing system (not shown) may be reduced to only those components necessary to perform the required function or functions, in an attempt to reduce one or more of the number of integrated circuits, the area occupied by printed circuit boards, the amount of heat dissipation, and energy consumption. One or more ASICs (not shown) or PLCs (not shown) may be used in place of one or more of the CPU 605, main bridge 610, IO bridge 615, or GPU 625. In such systems, one or more ASICs (not shown) or PLCs (not shown) may have sufficient functionality to perform certain network, computing, or logic functions in a minimal footprint and significantly fewer component devices.
По сути, специалисту в данной области техники будет понятно, что CPU 605, главный мост 610, мост 615 IO, GPU 625, ASIC (не показана) или PLC (не показан), или подмножество, надмножество или комбинация их функций или признаков могут быть интегрированы, распределены или исключены, полностью или частично, на основе приложения, конструктивного исполнения или форм-фактора в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Таким образом, описание системы 600 управления является лишь иллюстративным и не предназначено для ограничения типа, вида или конфигурации составляющих устройств, которые составляют систему 600 управления, подходящую для выполнения вычислительных операций в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Несмотря на вышесказанное, специалисту в данной области техники будет понятно, что система 600 управления может быть промышленной, автономной, вы- 13 042987 полненной с возможностью установки на ноутбуке, настольном компьютере, сервере, сверхкомпактном сервере, серверном шкафу и может варьироваться в зависимости от приложения или конструктивного исполнения.As such, one skilled in the art will appreciate that the CPU 605, main bridge 610, IO bridge 615, GPU 625, ASIC (not shown) or PLC (not shown), or a subset, superset, or combination of functions or features thereof, may be integrated, distributed, or excluded, in whole or in part, based on application, design, or form factor, in accordance with one or more embodiments of the present invention. Thus, the description of control system 600 is illustrative only and is not intended to limit the type, form, or configuration of the component devices that make up control system 600 suitable for performing computing operations in accordance with one or more embodiments of the present invention. Notwithstanding the foregoing, one of skill in the art will appreciate that control system 600 may be industrial, stand-alone, laptop, desktop, server, ultra-compact server, server cabinet, and may vary depending on the application. or design.
Преимущества одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения могут включать одно или несколько из следующего.Advantages of one or more embodiments of the present invention may include one or more of the following.
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения иерархическое управление давлением для работ MPD обеспечивает режим многоуровневого иерархического управления давлением, который дополняет способность штуцерного коллектора MPD управлять давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления способом, защищающим конструктивную целостность ствола скважины при возникновении непредвиденных обстоятельств, связанных с давлением.In one or more embodiments of the present invention, hierarchical pressure control for MPD operations provides a multi-level hierarchical pressure control mode that complements the MPD choke manifold's ability to control wellbore pressure within a safe pressure gradient in a manner that protects the structural integrity of the wellbore when contingencies arise. with pressure.
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения иерархическое управление давлением для работ MPD управляет давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления даже при возникновении серьезных непредвиденных обстоятельств, связанных с давлением, давая персоналу на буровой установке критически важное время, необходимое для решения проблемы, при этом не ставя под угрозу конструктивную целостность ствола скважины.In one or more embodiments of the present invention, hierarchical pressure control for MPD operations controls wellbore pressure within a safe pressure gradient even when severe pressure contingencies occur, giving rig personnel critical time to resolve a problem when without compromising the structural integrity of the wellbore.
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения иерархическое управление давлением для работ MPD управляет давлением в стволе скважины в пределах безопасного градиента давления даже при возникновении серьезных непредвиденных обстоятельств, связанных с давлением, без необходимости приводить в действие PRV, отключать ВОР или принимать другие радикальные меры.In one or more embodiments of the present invention, hierarchical pressure control for MPD operations controls wellbore pressure within a safe pressure gradient even in the event of severe pressure contingencies without the need to activate a PRV, disable a BOP, or take other drastic measures.
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения иерархическое управление давлением для работ MPD увеличивает продолжительность эксплуатации и эффективность бурильной системы благодаря обеспечению возможности продолжения работ даже при возникновении серьезных непредвиденных обстоятельств, связанных с давлением.In one or more embodiments of the present invention, hierarchical pressure control for MPD operations increases the life and efficiency of the drilling system by allowing operations to continue even in the event of major pressure contingencies.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения иерархическое управление давлением для работ MPD повышает безопасность работ.In one embodiment of the present invention, hierarchical pressure control for MPD jobs improves job safety.
В одном или нескольких вариантах осуществления настоящего изобретения иерархическое управление давлением для работ MPD защищает окружающую среду от загрязнения, обычно связанного со сбросом возвратного бурового раствора за борт при приведении в действие PRV.In one or more embodiments of the present invention, hierarchical pressure control for MPD operations protects the environment from pollution typically associated with the discharge of return drilling fluid overboard when the PRV is actuated.
Хотя настоящее изобретение было описано относительно вышеуказанных вариантов осуществления, специалисты в данной области техники, обладая преимуществами этого описания, поймут, что могут быть разработаны другие варианты осуществления, находящиеся в пределах объема настоящего изобретения, как оно описано в этом документе. Соответственно, объем настоящего изобретения следует ограничивать только прилагаемой формулой изобретения.Although the present invention has been described with respect to the above embodiments, those skilled in the art, having the benefit of this description, will appreciate that other embodiments may be devised that fall within the scope of the present invention as described herein. Accordingly, the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims.
Claims (20)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US62/872,572 | 2019-07-10 | ||
US16/810,609 | 2020-03-05 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA042987B1 true EA042987B1 (en) | 2023-04-13 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11136841B2 (en) | Hierarchical pressure management for managed pressure drilling operations | |
CA2870163C (en) | Method of handling a gas influx in a riser | |
US11332987B2 (en) | Safe dynamic handover between managed pressure drilling and well control | |
EP3698010B1 (en) | Method and system for controlled delivery of unknown fluids | |
US20170044857A1 (en) | Method of operating a drilling system | |
US20190242204A1 (en) | Systems and Methods for Managing Fluid Pressure in a Borehole During Drilling Operations | |
US11131157B2 (en) | System and method of managed pressure drilling | |
US20180245411A1 (en) | Method of operating a drilling system | |
WO2021150299A1 (en) | Deepwater managed pressure drilling joint | |
EP3743589B1 (en) | Method and system for safe pressurized mud cap drilling | |
EA042987B1 (en) | HIERARCHICAL PRESSURE CONTROL FOR DRILLING UNDER PRESSURE CONTROL | |
CA2949675C (en) | A system for controlling wellbore pressure during pump shutdowns | |
BR122023021556B1 (en) | METHOD FOR HIERARCHICAL PRESSURE MANAGEMENT FOR PRESSURE MANAGED DRILLING OPERATIONS | |
CA3001207C (en) | Method and apparatus for maintaining bottom hole pressure during connections | |
CA3036986C (en) | Integrated control system for a well drilling platform |