专利名称：一种组合式多级压力控制方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及石油、天然气钻井压力控制装备领域，特别涉及油气井控制压力钻井 技术，是一种组合式多级压力控制方法与装置。
背景技术：
油气井工程包括三种基本钻井方式，分别为欠平衡钻井、近平衡钻井和过平衡钻 井。其中，欠平衡钻井时井底压力小于地层压力，近平衡钻井时井底压力接近井底压力，过 平衡钻井时井底压力大于地层压力。三种钻井方式适用领域各不相同，过平衡钻井相对保 守，不利于提高钻速和储层保护，应用范围将会逐渐缩小；欠平衡钻井有利于钻速提高和储 层保护，但是对地层稳定性要求较高，应用范围受到限制；近平衡钻井应用范围不受限制， 对钻速提高和储层保护有一定帮助，但是要求精确的井底压力控制。随着油气钻井领域不 断扩展，窄密度窗口钻井(地层孔隙压力一一地层破裂压力窗口狭小，钻井液正常循环压 耗已经超过地层孔隙压力与破裂压力的压差)、枯竭压力油气藏钻井、小井眼钻井和海洋钻 井都获得越来越广泛的应用，要求精确的井底压力控制以减少或避免由于井底压力控制不 当引起的井漏、井塌、卡钻、井涌等井下复杂问题，提高钻井速度，减少非生产时间和节约钻 井成本，这些都促进了控制压力钻井技术的发展。控制压力钻井要求高精度、高可靠性和稳定性的压力控制系统以进行精确地控制 钻井液循环压力，保证井底压力在准确的狭小范围。采用的一般方法是通过控制井口回压 来控制井底压力，控制的主要手段是对井口返出钻井液进行管路限流，控制钻井液循环系 统中的压力损失。管路限流主要方式是通过安放一个或多个节流阀，调节节流阀开度对钻 井液节流控制井口回压。因此，控制压力钻井对压力系统的要求可以概括以下几个方面1、 高精度的节流压力控制；2、通过节流对井底产生足够大的回压，但不能堵塞回流通道；3、 节流阀在调节过程中，使节流阀的流量和节流前的压力在某一合适的范围，节流控制压力 与阀的开度控制呈简单关系，控制容易、稳定，避免出现在某些行程压力变化不明显，某些 行程压力又发生突变的情况；4、耐冲蚀，流道分布合理，避免泥浆直接冲刷。传统的井控节流系统仅能配合加重钻井液控制井底压力，控制精度低，建立平衡 时间长，无法满足控制压力钻井的要求，必须开发新的压力控制系统以适应控制压力钻井 发展的要求。国际知名公司如Halliburton，Shell等公司的压力控制系统都是使用的单一 的高性能节流阀进行节流，可以在大压差、大流量下长期进行精确压力控制，但是成本十分 昂贵，而国产节流阀尽管成本较低，但是耐磨损、抗冲击性能较差，无法满足大压差条件下 长时间、连续压力控制的要求。因此，开发一种新型高精度、高可靠性、稳定性的低成本压力 控制系统势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种组合式多级压力控制装置和采用该装置进行井下压力控制的方法，实现窄密度窗口钻井、枯竭压力油气藏钻井、小井眼钻井和海洋压力控制钻井，达到精确、可靠、稳定井底压力的控制。本发明采用的技术方案是一种组合式多级压力控制装置，主要由泥浆泵、旋转控 制头、第一自控平板阀、回压泵、灌注泵、第一球阀、第二球阀、密闭分离器、振动筛、泥浆罐、 粗调节流控制系统和微调节流控制系统组成。泥浆泵的进口有管线连接到泥浆罐，泥浆泵 的出口有管线连接到钻杆，在钻杆底部由钻头经井眼环空至旋转控制头处与回压泵的出口 管线和粗调节流控制系统的入口管线相通；回压泵与灌注泵串联，灌注泵的进口有管线连 接泥浆罐，回压泵的出口管线串接第一自控平板阀并连接到粗调节流控制系统的进口管线 上；微调节流控制系统的进口管线与粗调节流控制系统的出口管线连接；微调节流控制系 统的出口管线有两条分支分支其一经第一球阀连接密闭分离器入口，密闭分离器出口一 条连接到气体燃烧口，另一条连接到振动筛，再由振动筛连接到泥浆罐；分支其二经第二球 阀连接到振动筛，再由振动筛连接到泥浆罐。粗调节流控制系统的进口有管线连接井口旋转控制头；粗调节流控制系统由4 20条粗调节流通道和一条直流通道并联组成，粗调节流通道均由一个相同的第三自控平板 阀和一个相同的节流短接串联组成，直流通道连接一个第二自控平板阀；粗调节流控制系 统的进口端固定有第一压力计，出口端固定有第二压力计。微调节流控制系统串联在粗调节流控制系统之后；微调节流控制系统，由两条微 调节流通道和一直流通道并联组成，两条微调截流通道分别由相同的第四自控平板阀、第 六自控平板阀和第一自控节流阀、第二自控节流阀串联组成，直流通道连接一个第五自控 平板阀。在微调节流控制系统的出口端固定有第三压力计。组合式多级压力控制方法分为泥浆泵正常工作条件下和泥浆泵停止工作条件下 的控制方法。在泥浆泵正常工作条件下，泥浆泵由泥浆罐吸入钻井液，然后泵入井底，经井眼环 空向上返至地面，受旋转控制头阻隔，换向进入组合式多级压力控制系统。首先进入粗调节 流控制系统，通过选择若干个粗调节流通道并联，能控制粗调前后的节流压差范围，若并联 的粗调节流通道越多，则粗调节流控制系统节流前后的压差越小，所以想获得高的节流压 差，只能选择很少的节流通道。每一个节流短接都是一样的结构，在一定流量下，节流压差 控制范围固定在一个合适的范围内，便于自由并联组合，估算大致的节流压差。如果某一第 三自控平板阀或节流短接发生失效，可迅速切换到其它节流通道，如果流量过大、可以打开 第二自动平板阀启用直流通道分流。粗调节流通道有一定的冗余且便于在线更换，可以保 证粗调节流控制系统的连续工作。在粗调节流控制系统前后两个四通位置安装了第一压力 计和第二压力计，实时测量粗调节流控制前后的压力变化，并传送到中央控制系统，经中央 控制系统判断，根据井底压力控制的需要调整并联粗调节流通道的数目。一般情况下，经过 粗调节流控制系统节流控制，井底压力基本可以保持在控制要求范围，此时钻井液不经过 微调节流控制系统的节流通道，而直接打开第五自控平板阀，由直流通道经第二球阀流向 振动筛，最后返回泥浆灌。以上流程适用于地面大循环的压力控制。若井底压力达不到控 制要求范围，则需要进一步节流，根据节流阀的适合流量，可以选择是仅经过第一自控节流 阀或第二自控节流阀进行节流，还是并联直流通道分流钻井液，使节流阀在适合压差和流 量条件下进行节流压力控制。在微调节流控制系统之后的四通上安装第三压力计。由第二 压力计和第三压力计的读数差就可以得出微调节流的压差，通过中央控制系统调整微调节流控制系统的控制，即可获得设定的井底压力。若钻井液含气，钻井液需从微调节流控制系 统经第一球阀进入密闭分离器分离出气体由燃烧口排出燃烧，液体由振动筛返回泥浆灌。在泥浆泵停止工作条件下，启动灌注泵和回压泵，从泥浆灌吸入钻井液，打开第 一自控平板阀，与粗调节流控制系统连接，通过关闭若干粗调节流通道可使节流压差迅速 提高，井口压力也随者升高，弥补由于钻井液停止循环导致循环压耗损失，保持井底压力恒 定。若是粗调节流精度不够，可进一步微调第一自控节流阀或第二自控节流阀，使井底压力 保持恒定。本发明的有益效果本发明组合式多级压力控制方法具有以下优点1、粗调节流控制系统和微调节流控制系统串联，逐级降压，粗调节流控制系统的 主要元件是节流短接，耐磨损，耐酸碱、抗冲击，有效降低了微调节流控制系统中自控节流 阀的损害和失效问题，延长使用寿命，且提高节流压力以及压力控制安全性，因此可选择使 用国产自控节流阀进行控制压力钻井，降低压力控制系统的整体成本；2、节流短接通过室内测试试验，节流压差控制范围固定在一定范围内，通过选择 若干节流短接并联，可以获得不同的节流压差，并联节流短接越多，节流压差越低，粗调系 统已经可以基本满足控制压力钻井的要求，自控节流阀在低井口回压情况下一般不需要工 作；3、节流短接经特殊设计和制造，结构简单，价格便宜且便于在线更换；4、粗调和微调系统均设置了直流通道，通过与节流短接组和自控节流阀的不同组 合可以有效解决大流量、大压差以及大量岩屑通过时的节流压力控制，大大扩展了压力控 制系统的控制范围；5、微调系统在粗调系统之后，微调系统节流压差较小，且微调系统的自控节流阀 可以与直流通道并联，节流流量降低，可使自控节流阀在适合压差和流量的条件下进行节 流压力控制，使压力控制难度降低，精度提高；6、新型组合式多级压力控制方法与装置可应用于地面大循环钻井工艺，切换操作 简单，减少井场管道铺设，精简设备。
图1是本发明组合式多级压力控制装置节流控制系统示意图。图2是本发明节流压力变化示意图。图3是本发明自控节流阀的开度K与流量Q关系示意图。图4是本发明自控节流阀的开度K与节流前后的压差ΔΡ关系示意图。图中，1.泥浆泵，2.旋转控制头，3.第一自控平板阀，4.回压泵，5.灌注泵，6.第 一压力计，7.第二自控平板阀，8.第三自控平板阀，9.节流短接，10.第二压力计，11.第四 自控平板阀，12.第五自控平板阀，13.第六自控平板阀，14.第一自控节流阀，15.第二自控 节流阀，16.第三压力计，17.第一球阀，18.第二球阀，19.密闭分离器，20.振动筛，21.泥 浆罐，22.燃烧口。
具体实施例方式实施例1 以一个组合式多级压力控制装置和控制方法为例，对本发明作进一步详细说明。参阅图1。组合式多级压力控制装置，主要由泥浆泵1、旋转控制头2、第一自控平 板阀3、回压泵4、灌注泵5、第一球阀17、第二球阀18、密闭分离器19、振动筛20、泥浆罐 21、粗调节流控制系统1001和微调节流控制系统1002组成。旋转控制头2的动密封压力 14MPa，静密封压力35MPa ；回压泵4可选用160泵，额定工作压力35MPa，排量8L/s ；密闭 分离器19液体处理量200m7h，气体处理量20000m7h，工作压力1. 5MPa。泥浆泵1的进口有管线连接到泥浆罐21，泥浆泵1的出口有管线连接到钻杆，在 钻杆底部由钻头经井眼环空至旋转控制头2处与回压泵4的出口管线和粗调节流控制系统 1001的入口管线相通；回压泵4与灌注泵5串联，灌注泵5的进口有管线连接泥浆罐21，回 压泵4的出口管线串接第一自控平板阀3并连接到粗调节流控制系统1001的进口管线上； 微调节流控制系统1002的进口管线与粗调节流控制系统1001的出口管线连接；微调节流 控制系统1002的出口管线有两条分支1)分支一经第一球阀17连接密闭分离器19入口， 密闭分离器19出口一条连接到气体燃烧22，另一条连接到振动筛20，再由振动筛20连接 到泥浆罐21 ；2)分支二经第二球阀18连接到振动筛20，再由振动筛20连接到泥浆罐21。粗调节流控制系统1001的进口有管线连接井口旋转控制头2 ；粗调节流控制系统 1001由六条粗调节流通道和一条直流通道并联组成，粗调节流通道均由一个相同的第三自 控平板阀8和一个相同的节流短接9串联组成，直流通道连接一个第二自控平板阀7 ；粗调 节流控制系统1001的进口端固定有第一压力计6，出口端固定有第二压力计10。微调节流控制系统1002串联在粗调节流控制系统1001之后；微调节流控制系统 1002，由两条微调节流通道和一直流通道并联组成，两条微调截流通道分别由相同的第四 自控平板阀11、第六自控平板阀13和第一自控节流阀14、第二自控节流阀15串联组成，直 流通道连接一个第五自控平板阀12。在微调节流控制系统1002的出口端固定有第三压力 计16。参阅图1。本发明组合式多级压力控制方法分为泥浆泵1正常工作条件下和泥 浆泵1停止工作条件下的控制方法。在泥浆泵1正常工作条件下，泥浆泵1由泥浆罐21吸入钻井液，然后泵入井底，经 井眼环空向上返至地面，受旋转控制头2阻隔，换向进入组合式多级压力控制系统。首先进 入粗调节流控制系统1001，通过选择若干个粗调节流通道并联，能控制粗调前后的节流压 差范围，显然并联的粗调节流通道越多，粗调节流控制系统节流前后的压差越小，所以想获 得高的节流压差，只能选择很少的节流通道。每一个节流短接9都是一样的结构，在一定流 量下，节流压差控制范围固定在一个合适的范围内，便于自由并联组合，估算大致的节流压 差。如果某一第三自控平板阀8或节流短接9发生失效，可迅速切换到其它节流通道，如果 流量过大、打开第二自动平板阀7启用直流通道分流。粗调节流通道有一定的冗余且便于 在线更换，可以保证粗调节流控制系统1001的连续工作。在粗调节流控制系统1001前后 两个四通位置安装了第一压力计6和第二压力计10，实时测量粗调节流控制前后的压力变 化，并传送到中央控制系统，经中央控制系统判断，根据井底压力控制的需要调整并联粗调 节流通道的数目。如图2所示，环空出口钻井液压力为Ps，在泥浆泵1正常工作条件下时Ps大约 l-4MPa,若泥浆泵1停止工作条件下Ps最高可达14MPa，经过粗调节流控制系统1001，行程Ll距离，钻井液压力降为P1，大约达到0. l_3MPa，粗级节流压差(Ps-Pl)，然后经过微调节 流控制系统1002的L2距离，钻井液压力降为P2，范围为0. 1-1. 5MPa, P2为进入密闭分离 器19的压力或者直接流向振动筛20的大气压力，微调节流压差为(P1-P2)。粗级节流压 差(Ps-Pl)和微调节流压差为(P1-P2)是两个关键的压力控制参数，决定了粗级节流控制 系统和微调节流控制系统的控制方式。一般情况下，经过粗调节流控制系统节流控制，井底压力基本可以保持在控制要 求范围，此时钻井液不经过微调节流控制系统1002的节流通道，而直接打开第五自控平板 阀12，由直流通道经第二球阀18流向振动筛20，最后返回泥浆灌21。以上流程适用于地面 大循环的压力控制。若井底压力达不到控制要求范围，则需要进一步节流，根据节流阀的适 合流量，选择仅经过第一自控节流阀14进行节流，使节流阀在适合压差和流量条件下进行 节流压力控制。在微调节流控制系统1002之后的四通上安装第三压力计16。由第二压力 计10和第三压力计16的读数差就可以得出微调节流的压差，通过中央控制系统调整微调 节流控制系统1002的控制，获得设定的井底压力。如图3所示，自控节流阀的开度K与流量Q的关系，可以看出在某一开度区间[K1， K2]，自控节流阀的开度K与流量呈线性关系，此时节流控制关系简单，控制也相对容易和安全。如图4所示，自控节流阀的开度K与节流前后的压差ΔΡ的关系，可以看出在某一 开度[K3，K4]，自控节流阀的开度K变化与节流前后的压差△ P变化清楚，节流压力控制简 单；而在开度小于Κ3时，开度K与压差Δ P变化剧烈，节流压力不易精确控制；开度大于Κ4 时，开度K与压差ΔP基本成一水平线，开度对压差ΔΡ已基本没有影响，也不能进行节流 压力控制。若钻井液含气，钻井液需从微调节流控制系统1002经第一球阀17进入密闭分离 器19分离出气体由燃烧口 22排出燃烧，液体由振动筛20返回泥浆灌21。在泥浆泵1停止工作条件下，启动灌注泵5和回压泵4，从泥浆灌1吸入钻井液，打 开第一自控平板阀3，与粗调节流控制系统1001连接，通过关闭若干粗调节流通道使节流 压差迅速提高，井口压力也随者升高，弥补由于钻井液停止循环导致循环压耗损失，保持井 底压力恒定。若是粗调节流精度不够，进一步微调第一自控节流阀14，使井底压力保持恒 定。旋转控制头、自控平板阀、回压泵、灌注泵、节流短接、自控节流阀、球阀、密闭分离 器和振动筛，都是现有产品，市场能采购到。
权利要求
一种组合式多级压力控制装置，主要由泥浆泵(1)、旋转控制头(2)、第一自控平板阀(3)、回压泵(4)、灌注泵(5)、第一球阀(17)、第二球阀(18)、密闭分离器(19)、振动筛(20)、泥浆罐(21)、粗调节流控制系统(1001)和微调节流控制系统(1002)组成；其特征在于泥浆泵(1)的进口有管线连接到泥浆罐(21)，泥浆泵(1)的出口有管线连接到钻杆，在钻杆底部由钻头经井眼环空至旋转控制头(2)处与回压泵(4)的出口管线和粗调节流控制系统(1001)的入口管线相通；回压泵(4)与灌注泵(5)串联，灌注泵(5)的进口有管线连接泥浆罐(21)，回压泵(4)的出口管线串接第一自控平板阀(3)并连接到粗调节流控制系统(1001)的进口管线上；微调节流控制系统(1002)的进口管线与粗调节流控制系统(1001)的出口管线连接；微调节流控制系统(1002)的出口管线有两条分支分支其一经第一球阀(17)连接密闭分离器(19)入口，密闭分离器(19)出口一条连接到气体燃烧口(22)，另一条连接到振动筛(20)，再由振动筛(20)连接到泥浆罐(21)；分支其二经第二球阀(18)连接到振动筛(20)，再由振动筛(20)连接到泥浆罐(21)。
2.根据权利要求1所述的组合式多级压力控制装置，其特征在于粗调节流控制系统(1001)的进口有管线连接井口旋转控制头(2)；粗调节流控制系统(1001)由4 20条粗 调节流通道和一条直流通道并联组成，粗调节流通道均由一个相同的第三自控平板阀(8) 和一个相同的节流短接(9)串联组成，直流通道连接一个第二自控平板阀(7)；粗调节流控 制系统(1001)的进口端固定有第一压力计(6)，出口端固定有第二压力计(10)。
3.根据权利要求1所述的组合式多级压力控制装置，其特征在于微调节流控制系统(1002)串联在粗调节流控制系统(1001)之后；微调节流控制系统(1002)，由两条微调节流 通道和一直流通道并联组成，两条微调截流通道分别由相同的第四自控平板阀(11)、第六 自控平板阀(13)和第一自控节流阀(14)、第二自控节流阀(15)串联组成，直流通道连接一 个第五自控平板阀(12)，在微调节流控制系统(1002)的出口端固定有第三压力计(16)。
4.根据权利要求1所述的组合式多级压力控制装置，其特征在于组合式多级压力控 制方法分为泥浆泵(1)正常工作条件下和泥浆泵(1)停止工作条件下的控制方法；在泥浆泵(1)正常工作条件下，泥浆泵(1)由泥浆罐(21)吸入钻井液，然后泵入井底， 经井眼环空向上返至地面，受旋转控制头(2)阻隔，换向进入组合式多级压力控制系统；首 先进入粗调节流控制系统(1001)，通过选择若干个粗调节流通道并联，控制粗调前后的节 流压差范围，若并联的粗调节流通道越多，则粗调节流控制系统节流前后的压差越小；某 一第三自控平板阀(8)或节流短接(9)发生失效，迅速切换到其它节流通道，如果流量过 大，打开第二自动平板阀(7)启用直流通道分流，粗调节流通道有一定的冗余且便于在线 更换，保证粗调节流控制系统(1001)的连续工作，在粗调节流控制系统(1001)前后两个 四通位置安装了第一压力计(6)和第二压力计(10)，实时测量粗调节流控制前后的压力变 化，并传送到中央控制系统，经中央控制系统判断，根据井底压力控制的需要调整并联粗调 节流通道的数目，一般情况下，经过粗调节流控制系统节流控制，井底压力基本保持在控制 要求范围，此时钻井液不经过微调节流控制系统(1002)的节流通道，而直接打开第五自控 平板阀(12)，由直流通道经第二球阀(18)流向振动筛(20)，最后返回泥浆灌(21)，以上 流程适用于地面大循环的压力控制，若井底压力达不到控制要求范围，则需要进一步节流， 根据节流阀的适合流量，选择是仅经过第一自控节流阀(14)或第二自控节流阀(15)进行 节流，还是并联直流通道分流钻井液，使节流阀在适合压差和流量条件下进行节流压力控制，在微调节流控制系统(1002)之后的四通上安装第三压力计(16)，由第二压力计(10) 和第三压力计(16)的读数差得出微调节流的压差，通过中央控制系统调整微调节流控制 系统(1002)的控制，获得设定的井底压力；若钻井液含气，钻井液需从微调节流控制系统 (1002)经第一球阀(17)进入密闭分离器(19)分离出气体由燃烧口(22)排出燃烧，液体由 振动筛(20)返回泥浆灌(21)；在泥浆泵(1)停止工作条件下，启动灌注泵(5)和回压泵(4)，从泥浆灌(1)吸入钻井 液，打开第一自控平板阀(3)，与粗调节流控制系统(1001)连接，通过关闭若干粗调节流通 道可使节流压差迅速提高，井口压力也随者升高，弥补由于钻井液停止循环导致循环压耗 损失，保持井底压力恒定；若是粗调节流精度不够，进一步微调第一自控节流阀(14)或第 二自控节流阀(15)，使井底压力保持恒定。
全文摘要
本发明组合式多级压力控制方法，应用于石油、天然气钻井压力控制。采用一个粗调节流控制系统和一个微调节流控制系统串联控制钻井液循环压耗，调节井底压力。粗调节流控制系统由若干条粗调节流通道和一条直流通道并联组成，粗调节流通道均由一个相同的自控平板阀和一个相同的节流短接串联组成。效果是通过多种节流通道并联和串联组合方式，节流短接节流压差控制范围固定在一定范围内，粗调钻井液循环压力，接近或者达到井底压力控制范围，然后微调节流控制系统微调钻井液循环压力，满足高精度井底压力控制要求。
文档编号E21B43/12GK101892824SQ20101023636
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者刘伟, 周英操, 方世良, 杨雄文, 王凯, 蒋宏伟, 赵庆, 郭庆丰 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