专利名称：用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法
技术领域：
本发明涉及石油、天然气钻井领域，一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模 拟方法和装置，适用于控制压力钻井技术与装备的实验、测试，实现了控压钻井技术室内研 究、装置工作性能检测的目的。
背景技术：
控压钻井技术是一项精确的井底压力控制钻井技术，保证在整个钻井作业过程中 无论是正常钻进、接单根、起下钻等过程中精确的井底压力控制，减少井涌、井漏等多种钻 井复杂情况，相对常规钻井技术，可以减低80%的井下复杂问题，减少非生产时间20% 40%，降低钻井成本。但是，该项钻井技术对软硬件水平要求都很高，表现在①软件方面， 集自动控制技术和实时水力学计算于一体，需要应对各种工况，如开泵、停泵、井漏、井涌、 起下钻、活动钻具等不同工况实时分析、预测，然后发出控制指令，通过对钻井液进行自动 节流达到控制井底压力的目的；②硬件方面，由中央控制系统、节流管汇系统和回压泵系统 3大系统组成控压钻井装备，在中央控制系统的组织下协同工作，节流管汇进行正常钻井条 件下钻井液节流控制，在井队泥浆泵停止工作或者提供的地面返回的钻井液流量不够时， 则启动回压泵系统为节流管汇系统提供钻井液进行节流控制，从而达到不间断、精确的压 力控制，使井底压力控制在允许范围内。由此可以看出开发控压钻井技术的困难程度，一方面需要深入分析实际控压钻井 的多种工况条件，考虑众多控制变量，如钻井液流量的变化、密度的变化、循环压力的波动、 环空压力损耗的变化等等，建立复杂控压钻井工艺技术；另一方面需要研制设备，并完成设 备联动调试，使之在复杂的控压钻井井下工况条件下可以做出稳定、可靠、准确和快速的动 作。在没有完善以上两方面详细的室内实验、测试的基础上，控压钻井技术是不能钻井现场 进行测试，更不可能进入钻井现场服务。目前，国内外均没有可以进行成套控压钻井技术与装备实验和测试的井下工况模 拟方法和装置，因此研究一种用于控压钻井技术与装备测试的井下工况模拟方法和装备势 在必行。通过建立该井下工况模拟方法和装置可以完成以下功能①进行控压钻井工艺技 术实验，寻找最佳控制方法和手段，包括井口回压，流量补偿方式；②模拟控压钻井多种井 下工况，测试控压钻井装备多个系统连接后运行信号采集的准确性，设备调节的快速性以 及控制的稳定性，测试内容包括软件和硬件两个方面；③研究流量、出入口压力差和节流阀 开度三者之间关系，建立准确的控制模型。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于控压钻井技术与装备实验、测试的井下工况的模 拟方法和装置，达到精确掌握控压钻井技术参数，精准调试控压钻井装备，实现控压钻井技 术与装备的室内实验和测试的目的。本发明采用的技术方案是用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法是通过井下工况模拟装置与控压钻井装备连接进行实验或测试，井下工况模拟装置模拟井下工况 的变化。控压钻井装备根据工况的变化进行自动判断、识别工况，并进行压力控制。具体方 法是首先由输入钻井液流量和钻井液密度两个参数(输入参数框1)；其次控制地层压力 值和井漏或井涌量两个参数的变化(控制参数框2)；最后经过井下工况模拟装置输出井口 回压、钻井液流出量和钻井液密度三个参数(输出参数框3)。将控压钻井装备串联在井下 工况模拟装置之后进行如控压方法实验、控压精度以及灵敏度、可靠性测试等相关的功能 实验、测试。钻井液的循环流程由泥浆罐开始，通过井下工况模拟装置进入控压钻井装备，最 终返回泥浆罐。井下工况模拟装置显示井下工况模拟过程是首先启动泥浆泵A，提供输入 钻井液密度和钻井液流量两个参数(输入参数见框1)；其次调节节流阀B开度控制控制模 拟井底压力值，打开平板阀A，调节节流阀A开度控制井漏量或启动泥浆泵B，改变泵排量控 制井涌量(控制参数见框2)；最后经过井下工况模拟装置由压力计C输出井口回压、由泥 浆泵A和泥浆泵B输出钻井液流出量，由控制气源输气控制输出钻井液密度(输出参数见 框3)。控压钻井装备则是放置实验、测试的控压钻井装备，将其串联在井下工况模拟装置之 后进行相关的功能实验、测试。一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置主要由泥浆罐，流量计A、流量 计B，泥浆泵A，泥浆泵B，节流阀A、节流阀B，阻流管汇以及平板阀A、平板阀B、平板阀C、平 板阀D和压力计B、压力计A，压力计C组成。其中，泥浆罐可以由两个60m3标准罐组成，可 装同一种液体，也可分装不同液体；泥浆泵A的入口管线与泥浆罐出口管线连接，流量计A 安装在泥浆泵A的入口管线；泥浆泵B的入口管线与泥浆罐出口管线连接，流量计B安装在 泥浆泵B的入口管线。泥浆泵A的出口管线安装了一个单流阀A，然后泥浆泵A的出口管线 通过三通分成三路第一路通过三通连接一个放空阀，放空阀出口连接泥浆罐入口 ；第二 路通过三通连接平板阀A，平板阀A串联一个节流阀A，节流阀A出口管线与泥浆罐的回水 管线连接；第三路通过三通连接平板阀B，平板阀B与节流阀B的入口管线相连，在节流阀B 的入口处安装了压力计A。气源的出口管线通过单流阀B与平板阀D串联后与泥浆泵A的 第三路管线相连，连结点在平板阀B之后管线上。泥浆泵B的出口管线上依次连接一个单 流阀A和压力计B，然后通过三通分成两路一路是通过一个放空阀与泥浆罐的回水管线连 接；另一路通过三通连接一个平板阀C并与泥浆泵A第三路管线的平板阀B出口管线相连。 节流阀B的出口管线与阻流管汇的入口管线相连，阻流管汇的出口管线与控压钻井装备相 连，在阻流管汇的出口管线安装了一个压力计C。在阻流管汇的入口管线通过入口法兰与控 压钻井装备连接，控压钻井装备通过出口法兰与泥浆罐回水管线连接；另外控压钻井装备 的上水管线与泥浆罐连接。所述的阻流管汇是由总长40m的钢管弯曲而成，钢管内径为20mm、30mm或40mm。控压钻井装备是安装被测试的部件，被测试的部件是与钻井井口压力控制有关的 部件，如节流管汇、回压泵、节流阀等，简称控压钻井装备。模拟井下工况的方法是通过泥浆泵A输入钻井液，并获得钻井液的流量和密度 值，调节节流阀B开度模拟正常钻进、起下钻等工况造成的井底压力波动；阻流管汇模拟井 眼环空压力损耗；开启节流阀A调节开度，模拟井漏工况；启动泥浆泵B或者气源，控制输 入流量，模拟井涌工况。其中，节流阀B调节的方式包括正弦、线性和随机变化三种，即
y = A. sin(co (t_t0)) +x。 (1)
B ( 、
_3] y = Y'(t-t0) + x0(2)y = C. rand (t_t0)+x0(3)式中xQ:初始开度；t，tQ 时间和初始时间；A，B，C:常量;co 调节的角速度；T:设定的时间间隔；y:调节开度值。节流阀A关闭的控制方程如下所示少=—~^+ x0(4)式中P:压力计A测量压力；P2 启动控制方程前的压力；Pi 控制压力目标值。调节泥浆泵B或者气源排量控制方程如下所示Q —Q°p(/>"/2)+Qo(5)式中Q0 初始的泥浆泵B或气源排量；Q 调节的泥浆泵B或气源排量。本发明的有益效果本发明用于控压钻井技术与装备测试的井下工况模拟方法和 装备具有以下优点1、综合考虑控压钻井的多种工况，在实验室模拟了正常钻进、开泵、停泵、起下钻、 井漏、井涌等不同井下工况情况，对完善、提高、开发控压钻井技术与装备的水平起到极大 的推动作用，并保证了控压钻井装备的安全、可靠运行；2、控压钻井装备的测试是将井下工况模拟装置模拟的井下工况作为黑匣子处理， 不管具体作用机理，仅是控制模拟的井底压力以及井漏量或井涌量，实验、测试过程与现场 工程实际很符合，为控压钻井装备调试提供了可靠的平台；3、井下工况模拟装置模拟多种井下工况为深入理解、分析控压钻井工艺理论，特 别是压力传播特性，以及建立微溢流条件的压力控制模型提供很好的帮助。
图1是本发明用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法井下工况模拟功能 示意图。1001.井下工况模拟装置，1002.控压钻井装备，其中在井下工况模拟装置1001
6中模拟的参数框包括1.输入参数框，包括钻井液密度和钻井液流入量；2.控制参数框，包 括地层压力值和井漏或井涌量；3.控制参数框，包括井口回压、钻井液流出量和钻井液密度。图2是本发明用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置1001组成示意图。图中，4.泥浆罐，5.流量计A、6.流量计B，7.泥浆泵A，8.泥浆泵B，9.单流阀A， 10.压力计B，11.放空阀，12.节流阀A，13.平板阀A、14.平板阀B、15.平板阀C、16.平板 阀D，17.单流阀B，18.压力计A，19.节流阀B，20.阻流管汇，21.压力计C，22.入口法兰，
23.出口法兰。
具体实施例方式实施例1 以一种用于控压钻井技术与装备的井下工况模拟方法和装置，对本发 明作进一步详细说明。参阅图1。一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法是通过井下工况模 拟装置与控压钻井装备串联进行实验和测试，井下工况模拟装置模拟井下工况的变化，控 压钻井装备根据工况的变化进行自动判断、识别工况，并进行压力控制。具体方法是由井下 工况模拟装置输入钻井液流量和密度，模拟地层压力值和井漏或井涌量的变化，引起井口 回压、钻井液流出量和钻井液密度等模拟输出参数的变化，然后通过控压钻井装备进行识 别和控制。由井下工况模拟装置1001可以看出井下工况模拟过程是首先启动泥浆泵A7，提 供输入钻井液密度和钻井液流量两个参数(输入参数见框1)；其次调节节流阀B19开度 控制控制模拟井底压力值，打开平板阀A13，调节节流阀A12开度控制井漏量或启动泥浆泵 B8，改变泵排量控制井涌量(控制参数见框2)；最后经过井下工况模拟装置由压力计C21 输出井口回压、由泥浆泵A7、泥浆泵B8输出钻井液流出量，由控制气源输气控制输出钻井 液密度(输出参数见框3)。控压钻井装备1002则是放置实验、测试的控压钻井装备，将其 串联在井下工况模拟装置1001之后进行相关的功能实验、测试，如包括节流特性、PID控制 器整定、控制响应速度、系统稳定性等实验、测试。钻井液的循环流程由泥浆罐4开始，通过 井下工况模拟装置，进入控压钻井装备，最后返回泥浆罐4。井下工况模拟装置1001是通过 模拟地层压力值和井漏或井涌量的变化，模拟正常钻进、开泵、停泵、起下钻、井漏、井涌等 不同钻井作业情况下的井下工况变化，为摸清控压钻井的控制规律，测试、调节控压钻井装 备性能提供技术支持。参阅图2。用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置1001主要由泥浆罐4， 流量计A5、流量计B6，泥浆泵A7，泥浆泵B8，节流阀A12、节流阀B19，阻流管汇20以及平板 阀A13、平板阀B14、平板阀C15、平板阀D16和压力计B10、压力计A18，压力计C21组成。其中，泥浆泵A7额定功率315KW，排量20L，额定压力35MPa。泥浆泵B8额定功率 160KW，排量8L，额定压力35MPa。泥浆罐4由两个60m3标准罐组成。流量计A5和流量计 B6采用科氏流量计。压力计B10、压力计A18和压力计C21采用现场总线仪表。阻流管汇 20则是由内径3mm，总长40m的钢管弯曲而成。节流阀A12、节流阀B19采用电磁比例阀控 制。平板阀A13、平板阀B14、平板阀C15和平板阀D16则是采用液动平板阀。泥浆泵A7的入口管线与泥浆罐4出口管线连接，流量计A5安装在泥浆泵A7的入口管线；泥浆泵B8的入口管线与泥浆罐4出口管线连接，流量计B6安装在泥浆泵B8的入 口管线。泥浆泵A7的出口管线安装了一个单流阀A9，然后泥浆泵A7的出口管线通过三通 分成三路第一路通过三通连接一个放空阀11，放空阀11出口连接泥浆罐4入口 ；第二路 通过三通连接平板阀A13，平板阀A13串联一个节流阀A12，节流阀A12出口管线与泥浆罐 4的回水管线连接；第三路通过三通连接平板阀B14，平板阀B14与节流阀B19的入口管线 相连，在节流阀B19的入口处安装了压力计A18。气源的出口管线通过单流阀B17与平板阀 D16串联后与泥浆泵A7的第三路管线相连，连结点在平板阀B14之后管线上。泥浆泵B8的 出口管线上依次连接一个单流阀A9和压力计B10，然后通过三通分成两路一路是通过一 个放空阀11与泥浆罐4的回水管线连接；另一路通过三通连接一个平板阀C15并与泥浆泵 A7第三路管线的平板阀B14出口管线相连。节流阀B19的出口管线与阻流管汇20的入口 管线相连，阻流管汇20的出口管线与控压钻井装备1002相连，在阻流管汇20的出口管线 安装了一个压力计C21。在阻流管汇20的入口管线通过入口法兰22与控压钻井装备1002 连接，控压钻井装备1002通过出口法兰23与泥浆罐4回水管线连接；另外控压钻井装备 1002的上水管线与泥浆罐4连接。控压钻井技术与装备实验和测试需要针对不同井下工况分别进行，设计的模拟工 况包括正常钻进、开泥浆泵、关泥浆泵、起下钻、井漏和井涌等工况。实现方法为通过泥 浆泵A7输入钻井液流量和密度，调节节流阀B19开度模拟正常钻进、起下钻等工况造成的 井底压力波动；阻流管汇20模拟井眼环空压力损耗；开启节流阀A12调节开度，模拟井漏 工况；启动泥浆泵B8或者气源，控制输入流量，模拟井涌工况。对于各个不同的井下工况， 具体的操作流程如下1)对于正常钻井工况，首先控压钻井装备1002连接在入口法兰22与出口法兰 23，打开平板阀B14，其他平板阀保持关闭，设定节流阀B19至某一开度正常工作，启动泥浆 泵A7。记录压力计A18显示数据，加上一个调节量，范围在0. 1 14MPa之间，即得设定的 模拟井底压力，将值发送给控压钻井设备1002，作为井底压力目标值进行调节，记录压力计 A18显示数据的变化。2)对于开泵工况，首先控压钻井装备1002连接入口法兰22与出口法兰23，打开 平板阀B14，其他平板阀保持关闭，维持节流阀B19至某一开度，连接控压钻井装备1002的 上水管线与泥浆罐4，启动控压钻井设备中回压泵，正常工作后，记录压力计A18显示数据， 此值即为设定的模拟井底压力，将值发送给控压钻井设备，启动泥浆泵A7，调节控压钻井设 备保持压力计A18显示数据波动范围在士0. 5MPa之间。3)对于停泵工况，首先控压钻井装备1002连接入口法兰22与出口法兰23，打开 平板阀B14，其他平板阀保持关闭，维持节流阀B19至某一开度，连接控压钻井装备1002的 上水管线与泥浆罐4，启动泥浆泵A7，正常工作后，记录压力计A18显示数据，此值即为设定 的模拟井底压力，将值发送给控压钻井设备，启动控压钻井设备中回压泵，调节控压钻井设 备保持压力计A18显示数据波动范围在士0. 5MPa之间。4)对于起下钻工况，首先控压钻井装备1002连接入口法兰22与出口法兰23，打 开平板阀B14，其他平板阀保持关闭，设定节流阀B19至某一开度，启动泥浆泵A7正常工作。 记录压力计A18显示数据，此值即为设定的模拟井底压力，将值发送给控压钻井设备，然后 调节节流阀B19开度，改变模拟的井底压力，即压力计A18显示数据，节流阀B19调节的方式包括正弦、线性和随机变化三种，采用公式(1)、(2)和(3)进行计算。通过以上三种方 式，模拟在起下钻过程中井底压力的波动。调节控压钻井设备保持压力计A18显示数据波 动范围在士0. 5MPa之间。5)对于井漏工况，首先控压钻井装备1002连接入口法兰22与出口法兰23，打开 平板阀B14，其他平板阀保持关闭，设定节流阀B19至某一开度，启动泥浆泵A7正常工作，记 录压力计A18显示压力P1，此值即为设定的模拟井底压力。然后打开平板阀A13，调节节流 阀A12，控制井漏量，记录压力计A18显示压力P2，调节控压钻井装备，使压力计A18显示压 力调整到P1，同时逐渐关闭节流阀A12，最后关闭平板阀A13，节流阀A12关闭的控制计算采 用公式4。6)对于井涌工况，首先控压钻井装备1002连接入口法兰22与出口法兰23，打开 平板阀B14，其他平板阀保持关闭，设定节流阀B19至某一开度，启动泥浆泵A7正常工作，记 录压力计A18显示压力P1，此值即为设定的模拟井底压力。如果模拟是液体井涌情况，则是 打开平板阀C15，启动泥浆泵B8，控制液体井涌量；如果模拟的是气体井涌情况，则是打开 平板阀D16，使气体进入节流阀B19，控制气体井涌量。记录压力计A18显示压力P2，调节控 压钻井装备，使压力计A18显示压力调整到P1，同时逐渐调节泥浆泵B8或气源排量，最后关 闭平板阀C15或者平板阀D16，调节泥浆泵B8或者气源排量控制计算采用公式(5)。采用公式(1) (5)的计算有助于评价实验结果，本领域技术人员能完成(1) (5)的计算。
权利要求
一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法，其特征在于井下工况模拟装置(1001)模拟正常钻进、开关泥浆泵、起下钻、井漏和井涌工况，将控压钻井装备(1002)串联在井下工况模拟装置(1001)后进行控压方法实验、控压精度以及灵敏度、可靠性测试相关的功能实验和测试；钻井液的循环流程由泥浆罐(4)开始，通过井下工况模拟装置(1001)进入控压钻井装备(1002)，最终返回泥浆罐(4)，井下工况模拟过程是首先启动泥浆泵A(7)，提供输入钻井液密度和钻井液流量两个参数；其次调节节流阀B(19)开度控制控制模拟井底压力值，打开平板阀A(13)，调节节流阀A(12)开度控制井漏量或启动泥浆泵B(8)，改变泵排量控制井涌量；最后经过井下工况模拟装置由压力计C(21)输出井口回压、由泥浆泵A(7)、和泥浆泵B(8)输出钻井液流出量，由控制气源输气控制输出钻井液密度。
2.根据权利要求1所述的一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法，其特征 在于通过泥浆泵A(7)输入钻井液，并获得钻井液的流量和密度值，调节节流阀B(19)开度 模拟正常钻进、起下钻工况造成的井底压力波动；阻流管汇(20)模拟井眼环空压力损耗； 开启节流阀A(12)调节开度，模拟井漏工况；启动泥浆泵B(8)或者气源，控制输入流量，模 拟井涌工况，其中，节流阀B(19)调节的方式包括正弦、线性和随机变化三种方式，即 式中X0 初始开度； t，t0 时间和初始时间； A，B，C:常量; ω 调节的角速度； T 设定的时间间隔； y 调节开度值，节流阀A(12)关闭的控制方程如下所示(4) 式中P:压力计A (18)测量压力； P2 启动控制方程前的压力； P1:控制压力目标值，调节泥浆泵B (8)或者气源排量控制方程如下所示 式中Q0 初始的泥浆泵B (8)或气源排量；Q 调节的泥浆泵B (8)或气源排量。
3.根据权利要求1或2所述的用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法，其特 征是所使用的井下工况模拟装置，主要由泥浆罐(4)、流量计A (5)、流量计B (6)、泥浆泵 A(7)、泥浆泵B(8)、节流阀A(12)、节流阀B(19)、阻流管汇(20)以及平板阀A(13)、平板阀 B(14)、平板阀C(15)、平板阀D(16)和压力计B(IO)、压力计A(18)、压力计C(21)组成；泥浆 泵A(7)的入口管线与泥浆罐⑷出口管线连接，流量计A(5)安装在泥浆泵A(7)的入口管 线；泥浆泵B(8)的入口管线与泥浆罐(4)出口管线连接，流量计B(6)安装在泥浆泵B(8) 的入口管线，泥浆泵A(7)的出口管线安装了一个单流阀A(9)，然后泥浆泵A(7)的出口管 线通过三通分成三路第一路通过三通连接一个放空阀(11)，放空阀(11)出口连接泥浆罐 (4)入口 ；第二路通过三通连接平板阀A(13)，平板阀A(13)串联一个节流阀A(12)，节流阀 A(12)出口管线与泥浆罐⑷的回水管线连接；第三路通过三通连接平板阀B (14)，平板阀 B(14)与节流阀B(19)的入口管线相连，在节流阀B(19)的入口处安装有压力计A(18)，气 源的出口管线通过单流阀B(17)与平板阀D(16)串联后与泥浆泵A(7)的第三路管线相连， 连结点在平板阀B(14)之后管线上，泥浆泵B(8)的出口管线上依次连接一个单流阀A(9) 和压力计B(IO)，然后通过三通分成两路一路是通过一个放空阀(11)与泥浆罐(4)的回 水管线连接；另一路通过三通连接一个平板阀C(15)并与泥浆泵A(7)第三路管线的平板阀 B(14)出口管线相连，节流阀B(19)的出口管线与阻流管汇(20)的入口管线相连，阻流管汇 (20)的出口管线与控压钻井装备(1002)相连，在阻流管汇(20)的出口管线安装了一个压 力计C(21)，在阻流管汇(20)的入口管线通过入口法兰(22)与控压钻井装备(1002)连接， 控压钻井装备(1002)通过出口法兰(23)与泥浆罐(4)回水管线连接；另外控压钻井装备 (1002)的上水管线与泥浆罐(4)连接。
4.根据权利要求3所述的用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法，其特征是 所述的阻流管汇(20)是由总长40m的钢管弯曲而成，钢管内径为20mm、30mm或40mm。
全文摘要
本发明涉及一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法和装置，通过井下工况模拟装置与控压钻井装备串联进行实验和测试。井下工况模拟装置模拟井下工况的变化，包括正常钻进、开关泥浆泵、起下钻、井漏和井涌等多种工况，控压钻井装备根据工况的变化，自动判断、识别工况并控制压力的变化，保持模拟井底压力恒定，避免井漏、井涌等异常情况的发生。通过泥浆泵A输入钻井液流量和密度，调节节流阀B开度模拟井底压力波动；阻流管汇模拟井眼环空压力损耗；节流阀A开度调节，模拟井漏工况；启动泥浆泵B或者气源，控制输入流量，模拟井涌工况。实现精确掌握控压钻井参数，细致调试控压钻井装备。
文档编号E21B44/00GK101852076SQ20101013948
公开日2010年10月6日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者刘伟, 周英操, 方世良, 杨雄文, 纪荣艺, 霍宗强, 项德贵 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团钻井工程技术研究院