专利名称：钻探系统和操作钻探系统的方法
技术领域：
本发明涉及钻探系统和操作钻探系统的方法，尤其涉及用于离岸钻探的带有立管的钻探系统，其允许对取油管中的流体施压。
背景技术：
在对海底井筒钻探时，设有立管以将钻井液(泥浆)、钻屑和其他固体或液体从井筒带回地面。钻柱沿立管的中心向下延伸，返回的钻探液、钻屑等沿立管中绕钻柱的环形空间(立管环空)流动。在井筒的钻探采用钻台(例如钻探船、半潜式钻井台、浮动钻探或生产平台)来执行时，公知的是对井筒提供一滑动接头，该滑动接头允许井筒随着钻台因海平面因潮汐和海浪的起伏的上下移动而伸长或缩短。这种滑动接头，例如如US4626135所描述，包括一外 管部、一内管部，该外管部连接井口，该内管部位于外管部内并与连接钻台基底。外管部和内管部之间设有密封，基本上阻止液体从立管泄露，同时允许内管部相对外管部滑动。US4626135所示的立管组合还设有一转向器，该转向器带有一出口端，该出口端将转向器管线连接到立管。转向器可以在例如井涌时(即来自所钻探的地层的流体进入立管时)操作，以将不期望的碳氢化合物从立管导向到转向管线。在转向器的这种操作时，钻探停止，密封元件移动进入与钻管的密封接合，以关闭立管环空的上行流体流动路径。直接通过压井管线或者间接通过钻柱和井筒将泥浆泵入立管环空，立管环空内的流体压力会增力口。但是在钻柱旋转时转向器不能操作来保持立管环空中的流体压力。涉及井筒环空中流体的增压的钻探方法，例如控压钻探或泥浆帽钻探，越来越重要，它们要求在钻探时保持在立管环空中的流体压力的能力。US2008/0105434公开了一种提供增压立管组合的系统。在该系统中，一通用立管部(OURS)位于立管中滑动接头之下。OURS包括至少一旋转控制器(RCD)以及需要操作RCD的各种常用连接器和附件。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种钻探系统，该系统包括一钻柱和一管状立管，该钻柱从浮动钻台延伸到一井筒，该管状立管在所述井筒和钻台之间绕所述钻柱的至少一部分，所述立管有一位于所述立管的一第一管状部分和一第二管状部分之间的伸缩接头，所述第一管状部分向下延伸至所述井筒顶部的井口，所述第二管状部分向上延伸至所述钻台，所述伸缩接头包括一内管部分，所述内管部分安装在一外管部分，所述钻探系统还包括一立管封闭装置，该装置安装在所述立管的第二部分并可以操作以在所述立管和所述钻柱之间提供对流体基本上的密封同时允许所述钻柱相对所述立管转动。通过将所述立管封闭装置设置在所述伸缩接头之上，相当程度简化了井控制系统的安装和维护。所述立管封闭装置可以是转动控制装置。优选地，所述立管具有一主腔和一副腔，所述钻柱沿所述主腔延伸，所述副腔在所述伸缩接头和所述立管封闭装置之间从所述立管的所述第二部分的主腔延伸至所述立管的周围。在这种情况，所述副腔优选连接至一流体流动管线，所述管线从所述副腔延伸至一流体储存槽，所述流体流动管线为流动控制系统的一部分。优选地，所述钻探系统还包括一流动控制装置，例如一阀或截流器，其设置在流体流动管线内并可以操作以将沿所述流体流动管线的流体流动限制在不同程度。所述流动控制装置优选使用一电子控制单元控制。所述钻探系统优选包括一压力传感器，该传感器传输代表在所述流体流动管线内的流体压力的电信号给所述电子控制单元控制。所述钻探系统还可以包括一阻尼系统，其包括一圆柱体，该圆柱体通过可移动的分隔器(例如隔板或活塞)分成基本上流体密封的第一和第二腔室，所述第一腔室连接至所述流体流动管线，所述第二腔室连接至一增压储气池。所述阻尼系统优选还包括一压力调节装置，该装置可以操作以控制在所述第二腔室的气压。优选地，利用所述电子控制单元控制所述压力调节装置。优选地，所述钻探系统包括一位移计，其提供表征所述立管的所述第一部分相对所述立管的所述第二部分的移动的移位信号。所述位移计可以与所述电子控制单元通信，使得其可以传输所述移位信号给所述电子控制单元。所述钻探系统可以包括一流量计，其位于所述流体流动管线内，优选位于所述副腔和所述流动控制装置之间，所述流量计提供表征流体沿所述流体流动管线流动的速率的流动信号。所述流量计可以与所述电子控制单元通信，使得其可以传输所述流动信号给所述电子控制单元。优选地，所述伸缩接头包括一个或多个密封，这些密封在所述伸缩接头的内管部分和外管部分延伸，以在所述内管部分和所述外管部分之间提供基本上的流体密封同时允许所述内管部分和所述外管部分彼此滑动。所述伸缩接头的外管部分可以设置在所述立管的所述第一部分上，所述伸缩接头的内管部分可以设置在所述立管的所述第二部分上。优选地，所述立管还包括一角位移接头，其位于所述立管的所述第二部分内所述立管密封装置和钻台之间并允许所述立管相对于所述钻台角度移动。根据本发明的第二方面，提供一种操作权利要求I所述钻探系统的方法，其中所述立管具有一主腔和一副腔，所述钻柱沿所述主腔延伸，所述副腔在所述伸缩接头和所述立管封闭装置之间从所述立管的所述第二部分的主腔延伸至所述立管的周围，所述副腔连接至一流体流动管线，所述管线从所述副腔延伸至一流体储存槽，所述流体流动管线为流动控制系统的一部分，所述流动控制系统包括一流动控制器，例如一阀或截流器，其设置在流体流动管线内并可以操作以将沿所述流体流动管线的流体流动限制在不同程度，所述流动控制系统包括一阻尼系统和一压力调节装置，该阻尼系统包括一容器(或腔室)，该容器通过可移动的分隔器(例如隔板或活塞)分成基本上流体密封的第一和第二腔室，所述第一腔室连接至所述流体流动管线，所述第二腔室连接至一增压储气池，所述压力调节装置可以电子操作，以控制所述第二腔室的气压，所述方法包括控制操作所述流动控制器和所述压力调节装置的步骤，以维持所述流体流动管线内的流体压力基本恒定。根据本发明的第三方面，提供一种操作权利要求I所述钻探系统的方法，其中所述立管具有一主腔和一副腔，所述钻柱沿所述主腔延伸，所述副腔在所述伸缩接头和所述立管封闭装置之间从所述立管的所述第二部分的主腔延伸至所述立管的周围，所述副腔连接至一流体流动管线，所述管线从所述副腔延伸至一流体储存槽，所述流体流动管线为流动控制系统的一部分，所述流动控制系统包括一流量计，所述流量计位于所述流体流动管线内，优选位于所述副腔和所述流动控制装置之间，所述流量计提供表征流体沿所述流体流动管线流动的速率(Qtjut)的流动信号，所述井控制系统包括一位移计，其提供表征所述立管的所述第一部分相对所述立管的所述第二部分的移动的移位信号，其中所述方法包括以下步骤利用位移信号计算所述立管内流体体积在一特定时间段(S T)的变化(8 V)的、利用流动信号和所计算的所述立管内流体体积的变化来获得调整的流出速率、比较所述调整的流出流速和钻探流体流入钻柱的速率(流入速率)，如果调整的流出流速与流入速率差别超过一第一预定值，发送警报给操作员，如果调整的流出流速超过流入速率一第二预定值，操作井控制系统执行井涌控制程序，如果调整的流出流速小于流入速率一第三预定值，操作井控制系统执行流入控制程序。优选地，使用以下公式计算5 V8 V= 6 D (Asj-Ads)
其中5 D为所述立管的所述第一部分相对所述第二部分在一段时间的位置改变，Asj为所述伸缩接头的内管部分的内截面的面积，Ads为所述钻柱的外截面的面积。优选地，所述调整的流出速率(Qt^adj)使用体积公式计算Q0U,adJ=Q0Ut+6V/6T其中，Qtjut为测量体积的流出速率。根据本发明的第四方面，提供一种操作权利要求I所述钻探系统的方法，其中所述立管具有一主腔和一副腔，所述钻柱沿所述主腔延伸，所述副腔在所述伸缩接头和所述立管封闭装置之间从所述立管的所述第二部分的主腔延伸至所述立管的周围，所述副腔连接至一流体流动管线，所述管线从所述副腔延伸至一流体储存槽，所述流体流动管线为流动控制系统的一部分，所述流动控制系统包括一流动控制器，例如一阀或截流器，其设置在流体流动管线内并可以操作以将沿所述流体流动管线的流体流动限制在不同程度，所述井控制系统还包括一位移计，其提供表征所述立管的所述第一部分相对所述立管的所述第二部分的移动的移位信号，其中所述方法包括利用位移信号计算所述立管内流体体积在一特定时间段的变化(SV)的步骤和操作所述流动控制器的步骤，以降低在流体流动管线的流体压力(如果立管内流体体积下降)或者以增加在流体流动管线的流体压力(如果立管内流体体积增加)。
结合附图描述本发明的实施例，但是附图仅仅是示例性的，附图中图I示出了一个立管系统的示意图；图2示出了包括图I所示立管系统的根据本发明的第一方面的钻探系统示意图。
具体实施例方式现在参考图1，示出了包括立管12的立管系统10，立管的下端连接井口(未示出)，在本例中通过防喷器(BOP)堆(未示出)安装在井口处的海底表面或泥浆管。如图2所示，钻柱13从井筒延伸，穿过井口、BOP堆直至立管12中心。立管12的上端连接浮动钻探设备的钻台14，该钻台设有驱动钻柱的设备，通常是转盘或顶驱(未示出)。立管组合10设有转向器16，该转向器为来自立管12的流体提供出口并通过常用的球形或挠性接头18连接至立管12的上端。球形或挠性接头18允许立管12相对竖直线一定程度的角运动，同时还维持立管12和转向器16之间的基本上的流体密封。类似于上述的公知立管系统，立管12设有一滑动接头20，该接头位于大约海平面21附近并包括一外管部20a和一内管部20b，在本例中，外管部构成向下延伸至井口的立管12的最低部分的一部分，内管部位于外管部20a内并向上延伸至钻台14。在外管部20a和内管部20b之间设有多个密封20c，这些密封基本上阻止流体从立管12泄露同时允许内管部20b相对外管部20a滑动。因此，立管12的长度可以变化，以适应海平面随海浪或潮汐变化时钻台的竖直运动。
另外，流量滑阀22设置在立管12内滑动接头20和球形或挠性接头18之间。如图2所示，流量滑阀22带有一滑动孔22a，该孔将立管环空12a连接至环空压力控制系统27，下面会详细讨论。立管12的最下段由多个张紧装置24支撑，该装置从钻台14延伸至滑动接头20的外管部20a。张紧装置24为传统的构造，每个包括一液压圆柱筒24a和一活塞24b，该圆柱筒相对钻台14固定，该活塞可以在圆柱筒24a内运动。活塞20b利用钢索24c连接滑动接头20的外管部20a，流体储存槽为圆柱筒24a提供流体，从而允许活塞24b在圆柱筒24a内运动。张紧装置从而提供对立管12的最下段的连续的支撑，阻止立管12随着钻台因海平面的升降而上下运动的弯曲。有时，张紧装置带有一滑轮(未示出)，以允许液压活塞24b更好的定位。所有这些元件均出现在现有技术的立管系统。本发明不同于这些现有系统之处在于，在滑动接头20之上设有一立管封闭装置26，在本例中在挠性或球形接头18和流动滑阀22之间。立管封闭装置26可以操作，以基本上阻止流体流出立管环空顶部并保持立管环空内的流体压力同时允许钻柱的转动，在本例中钻柱包括一转动控制装置(RCD)。立管封闭装置26包括一弹性密封元件26a，其连接钻柱并甚至在钻柱13转动时提供立管和钻柱之间的基本上的流体密封。因此，立管封闭装置26用于在钻探时维持立管12内的流体压力。在本例中，立管封闭装置26为传统的转动控制装置，有适当的封闭装置的许多可能的设置。立管封闭装置26可以包括用于操作工具接头的传统的BOP闸板，或者是传统的环形BOP。RCD可以是主动式或被动式的，其可以有一支撑在轴承上的密封件或者没有轴承，其可以是转动的或非转动的封闭装置。与现有技术的设置相比，在滑动接头20之上设有立管封闭装置26的优点在于简化了立管封闭装置26的安装和维护。立管12的最下段和张紧装置24可以在装配立管封闭装置26之前安装，且不必在立管封闭装置26的任何元件不合格时拉开。流动滑阀22可以最上安装至钻台14上的滑动接头20的内管部20b，随后立管封闭装置26安装在流动滑阀22顶部直至球形或挠性接头18。最后，球形或挠性接头18可以安装至转向器16，整个组合容易地支撑在转向器基座上。这种设置的优点在于，立管封闭装置26和流动滑阀22不像其他安装那样例如US6，263，982中所描述的可以移动。如上所述，流动滑阀22设有一侧孔22a，该侧孔连接至环空压力控制系统27 (为了清楚起见，仅在图2示出)的一个环空回路28，该环空压力控制系统设有一隔离阀30，该阀可以操作以完全关闭环空回路28。隔离阀30在正常使用时打开，仅仅在需要将环空回路28内的设备与立管12内的流体隔离时关闭，例如更换或修理设备时。环空回路28从隔离阀30通过一流量计34和一气动压力控制阀36延伸至泥浆储存池32，该气动压力控制阀的操作利用电子控制单元38电子控制。环空回路28可以设有隔离器和/或振动器，以将固体物诸如钻屑从泥浆中移除。压力控制系统27还设有一包括阻尼仓(或腔室)40的阻尼器组合39，其在隔离阀30和流量计34之间连接环空回路28。阻尼仓40分成两个腔室40a、40b，在本例中通过隔板42分开(但是可以理解，也可以使用活塞)，第一腔室40a与环空回路28流体连通，第二腔室充满惰性气体，在本例中为来自增压气体储存槽44的氮气。气体由储存槽44到阻尼仓40的第二腔室的流动由气压调节器46控制，通过E⑶38电子控制该调节器的操作。阻尼器组合39也可以在阀30之前直接连接流动滑阀22和类似于出口 22a的另一出口(未示出)。
可以理解，可以使用其他的阻尼设置替代所描述的阻尼器组合39。可以理解，没有流动滑阀22，因为立管封闭装置26的存在，立管12会成为一封闭系统，随着海平面21的涨落而出现的滑动接头20的伸长或缩短会引起立管体积的增大或减小。通过将立管封闭装置26置于滑动接头20之上，在没有其他装置缓解立管环空12a内的压力的情况下，这种伸长或缩短会引起立管12内的压力脉冲(正的或负的)。在受控压力钻探或泥浆帽钻探操作时，理想的是保持立管环空12a和井筒环空内基本上恒定的流体压力，这通常通过以下方法实现，通过立管增强泵将泥浆泵入立管12邻近海底的底部，然后使用液压致动的自动阻气阀或压力控制阀将立管压力调节和维持在一基本上恒定的水平。但是这样的系统在立管容积快速变化时不能快速反应保持立管压力恒定。在本发明中，立管12内的流体压力的以控制的方式缓解，因此，通过流体流经流动滑阀22的侧孔22a将立管压力维持在一基本上恒定的水平。在钻探时，压力控制阀36限制钻探流体(泥浆)沿环空回路28到储存池32的流动，因而对立管环空12a施加反向压力。环空回路28内的压力用压力传感器(未示出)检测，该传感器向ECU 38提供表征环空回路28内的压力的输入信号。ECU 38随后控制压力控制阀36的操作，以在压力低于理想值时进一步限制流体沿环空回路28的流动，或者以在压力高于理想值时放松对流体沿环空回路28的流动的限制。在本发明的一个实施例中，E⑶38还控制压力调节阀46的操作，以将阻尼圆柱筒40的第二腔室40b内的气压维持在与理想的环空回路压力相同的水平。因此，阻尼器40内 的压力在钻探时主动控制且实时变化，协助维持立管环空12a上恒定的反向压力，尤其在滑动接头20运动引起压力脉冲的时候。通常在海底钻探系统钻探时，要监测钻探流体流出立管环空12a的速率，通过与钻探流体流入钻柱的速率相比较，使用该信息探测发生事件的井下，例如地层流体进入井筒或者钻探流体穿过地层。位于环空回路28的流量计34就是为这一目的设置的，其向一处理器发送表征流体沿环空回路28流动的速率的信号，该处理器在本例中为ECU 38。但是可以理解，在上面描述的系统中，流体流出立管环空的速率会随着滑动接头20的伸长或缩短而变化，这是因为立管12的体积会增加或减小。因此，这种体积变化会掩盖这种井下事件引起的流动速率的变化。为了解决这一问题，系统10因此设有一位移计48，其提供表征滑动接头20的外管部20a相对内管部20b的相对位移的信号。在本例中，位移计48包括一发射器48a和一接收器48b，该发射器安装在滑动接头20之上，即相对内管部20b固定，该接收器安装在外管部20a上。该发射器发生一红外信号给接收器48b，设有一处理器，该处理器根据信号发射和收到的时延来确定发射器48a和接收器48b的间隔。在本发明的这一实施例中，位移计48连接与流量计34相同的处理器，该处理器在本例中为ECU 38，发射表征在给定时间立管12的长度的信号。应当理解，信号不必是红外信号，发射器可以发 生另一形式的信号，例如超声波或激光束。而且，发射器48a也可以是接收器，在这种情况下，反射器48b可以安装在滑动接头20的外管部20a上，以将信号反射回到发射器/接收器48a。另外，发射器48a可以安装在外管部20a，接收器/反射器48b可以安装在立管12上在滑动接头20的内管部20b之上。这种移位同样可以使用任何其他适当的设备测量，例如线性电位计、多回转旋转式电位计、线性差动位移计、声纳或雷达。滑动接头20的内管部20b的内截面面积和钻柱13的外截面面积是已知的，E⑶38利用这一信息和来自位移计48的信号可以计算立管在任一时刻的准确体积。E⑶38因此可以监测立管的体积，无论其是否变化，计算环空回路28内的流动速率的变化，这种变化可以源于体积的变化。流量计34确定的流动速率然后经过ECU 38校正，给出流出立管12的速率的准确表征。例如，如果海平面暂时下降，滑动接头20的内管部20b会滑进外管部20a，从而在给定时间段S T内减少位移计48的反射器48a和接收器48b之间的分离5 D并减小立管12的体积S V，S V等于立管内径和钻柱13的外径之间的环形区域的面积乘以位移长度。换句话说，S V= S D (Asi-Ads),其中Asj为所述滑动接头的内管部20b的内截面的面积，Ads为所述钻柱13的外截面的面积。这种体积减小会导致等体积的流体进入环空回路28的位移，该位移由流量计34检测作为流动速率的暂时增加。移出滑动接头20的流体体积可以根据方程式Oouiaij * Q0ut + i ——|从流量计测得的总流动速率(Qrat)中减掉，得到实际的流出井筒的速率(Q—.)。由于阻尼器组合39内的气体体积的膨胀和收缩会引起系统体积的额外的波动，可以在压力调节器46加上一质量流量计来测量，该质量流量计将表征气体流入和流出阻尼仓40的第二腔室40b的速率的信号发送给E⑶38。阻尼器组合39还可以设有压力和温度传感器(未示出)，它们发送表征阻尼仓40的第二腔室40b的压力和温度的信号给ECU38。因此，E⑶38可以编程，利用这一压力和温度信息以及气体流入和流出第二腔室40b的质量速率，来确定在任一时刻阻尼仓的第二腔室40b的体积,并从而确定第一腔室40a的体积。这可以作为用作流量计34测量的流动速率的正的或负的校正因子。液压模拟软件可以用于将调整的流出速率(Qt^adj)转化为质量流速。为了实现这个，需要考虑钻管的准确尺寸，包括钻杆接头和钻管相对滑动接头内筒的实时位置(随着时间、钻柱和钻台的升沉运动不断变化)和钻探泥浆的性质，包括温度和可压缩性。温度和压力可以取自RPC系统和MPD自动压力控制支管上的温度和压力传感器，流体/气体的类型由控制和数据采集系统使用质量流体注入的和返回的流速计确定，出现的各种流体的压缩因子可以预编程到控制系统软件(在本例中在ECU 38中)，并由ECU 38计算压力和体积的变化关系。滑动接头的运动由位移计48确定，其和钻柱的尺寸以及相对运动可以确定钻柱在滑动接头内的实时尺寸和位置。如果注入的钻探流体流进井的速率小于钻探流体泥浆产生的流体流出井筒的流速，可能有更多的流体流动(气体或液体)从地层进入井筒。这可以解释为井涌或者地层流体流入井筒。如果注入的钻探流体通过钻管和钻台泵进入井筒的速率大于产生的流体流出井筒的流速，一些钻探流体泥浆可能注入或流失到地层。因此，在该系统中，E⑶38编程为比较调整的流出速率和钻探流体流入钻柱的速率(流入速率)，如果调整的流出速率与流入速率差别超过一第一预定值，发送警报给操作员。如果调整的流出流速超过流入速率一第二预定值，ECU 38启动井涌控制程序，如果调整的流出流速小于流入速率一第三预定值，E⑶38启动流入控制程序。
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在井涌控制程序中，钻头可以从井筒底部抬起，循环继续进行，而所有的钻探和注入参数、速率、压力尽可能维持恒定。继续监测，如果执行程序后事件的确确定为井涌，底孔压力(BHP)会增加，优选使用压力控制阀36，以阻止更多的地层流体进入井筒。或者，BHP可以自动增加，随即启动井涌控制程序。一旦BHP增加足够控制该井，停止任何进一步的井涌/流入井筒，然后执行4个选项之一。这取决于当前的井和地层条件和预先拟定的HAZOP(危险与可操作性)操作和意外程序。这些选项如下a)继续循环并向前钻探，任何少的、不显著的、间隔的气泡流、串出的地层流体通过环空回路28循环出去(没有BOP关闭，该井循环同时利用RCD封闭)；b)继续循环，钻头抬离底部，任何少的、不显著的、间隔的气泡流、串出的地层流体通过环空回路28循环出去(没有BOP关闭，该井循环同时利用RCD封闭)；c)关闭一个B0P，该井通过一辅助流动管循环同时封闭，任何少的、不显著的、间隔的气泡流、紧接的地层流体通过环空回路28循环出去；d)控制的压力钻探操作停止，在一 BOP关闭该井，启动钻台的传统井控制程序。一旦井处于控制之下，在井筒或表面系统中没有地层流体，随后重新评估情况。如果认为在控制压力钻探模式下继续钻探操作安全且有效，则在更高BHP和环空压力(WHP)下或者使用更高的泥浆重量继续钻探。在入流控制程序中，BHP会下降(例如使用压力控制阀36)，以阻止更多的钻探流体流失或注入地层。一旦BHP降低足够多以将该井带入控制之下并停止了钻探流体泥浆的流失，则选择一个选项，(再一次)取决于当前的井和地层条件和预先拟定的HAZOP (危险与可操作性)操作和意外程序。这些选项如下a)继续循环并向前钻探，使用修改的、较低的BHP和WHP ；b)继续循环并向前钻探，使用修改的、较低的BHP和WHP，同时降低钻探流体泥浆的密度(重量);c)继续循环，不向前钻探，钻头抬离底部，使用修改的、较低的BHP和WHP，同时泥浆的重量和密度降低；
d)以上选项之一，同时流失的循环材料(LCM)加入钻探流体泥浆。如果流失非常严重或者甚至是完全流失，可以使用钻台井控制设备和程序关闭该井，或者控制压力钻探设备在泥浆帽钻模式使用。入流控制程序可以使用选项(a)_ (d)的组合。一旦井处于控制之下，在井筒或表面系统中没有进一步的钻探流体泥浆流失，随后重新评估情况。如果认为在控制压力钻探模式下继续钻探操作安全且有效，则在更低的BHP和WHP下和/或者使用改变的、更低的泥浆重量继续钻探。钻探时，钻柱浮沉补偿器(即在钻柱13和钻探面14之间的弹簧)用于保持钻柱13 “接地”，即位于井筒的底部。压力控制系统27在不钻探时也是有用的，例如在起/下钻时或连接钻管的新的一段至钻柱13时。但是在这些程序中，安装在钻柱13上的底孔组合(BHA)是不接地的，钻柱浮沉补偿器是锁定的。随海平面升降的钻台的任何竖直运动，即钻台的沉浮，会引起BHA在井筒内的以钻台的沉浮速度上下移动。BHA (尤其是其稳定器)与 井筒之间的空隙可以很小，这使得BHA作为井筒的活塞。如果使用立管压力控制装置26， BHA因而可以向井筒底部施加压力脉冲。这种现象是颠簸或擦动(swab)。无论是否有钻管在井筒、是否有循环、钻管起钻或下钻到孔中、井钻探或延伸，滑动接头体积如上所述会不断变化。因此，井筒底部内流体体积源自颠簸或擦动的变化可以通过BHA的截面积(A)乘以位移SD来计算。来自位移计48的信号因此给出了钻台沉浮的实时表征，因此可以用于估计竖直运动，即钻杆13的颠簸或擦动。压力控制系统27随后可以用于引入一反向的压力波到井筒，以抵消钻杆组合在钻台沉浮时移动出入井筒的活塞效应，从而减小井筒底部的压力波动。例如，如果海面21下降，钻台向下移动，随着钻杆13向下挤压井筒，井筒底部的压力会增加。但是，ECU 38通过来自位移计48的信号探测到钻台的沉浮，该位移计示出发射器48a和接收器48b随着内管部20b滑动到滑动接头20的外管部20a而出现下降的分离。E⑶38编程为通过操作压力控制阀36打开到需要的程度来响应，以降低对流体沿环空回路28流动的限制，从而降低立管环空12a的反压。反压的降低平衡了因BHA在井筒的活塞效应产生的压力的增加，减小了底孔压力的变化。类似地，如果钻台因海面21的瞬间升高而向上浮动，进行相反的操作，压力控制阀36关紧以增加作用在立管环空12a上的反向压力。在操作压力控制阀36的同时，可以通过操作气压调节器46以改变进入阻尼仓40的流体的量来进一步提高这种响应。如果完成这一操作，操作气压调节器46，以在钻台向下沉降时释放来自阻尼仓40的第二腔室40b的气体，并操作使得在钻台向上浮动时增压气体进入阻尼仓40的第二腔室40b。压力控制阀36需要打开或关闭的程度分别抵消井筒底部颠簸或擦动作用，其使用来自位移计48的输出来自动计算。要计算滑动接头20的位移改变引起的压力变化，需要液压模拟软件考虑系统的温度和出现在立管内的液体和气体的可压缩性。温度和压力可以取自在系统不同位置的温度和压力传感器，系统中流体/气体的类型由控制和数据采集系统使用质量流体注入的和返回的流速计确定。出现的各种流体的压缩因子可以预编程到控制系统软件(在本例中在ECU 36中)，并用于计算压力和体积的变化关系。
要这样实现对底孔压力的准确控制，需要经过压力控制阀36的流动恒定。因此，在钻柱连接或上下时，通常没有任何流体沿环空回路28流动，需要操作立管增压泵将钻探泥浆泵入立管12的底部，和/或使用连续的循环系统诸如GB2427217中所描述，以将泥浆栗入钻柱13。在本说明书和权利要求书中，属于“包括”和“包含”及其变化意为包括特定的特征、步骤或整数。该术语不应理解为排除其他特征、步骤或部件。前面说明书或后续的权利要求书或者附图所公开的特征表达为特定的形式或者 用于执行用于要实现的结果公开的功能、方法或工序，可以适当地分开或者是这些特征的组合，以变化的形式用于实现本发明。
权利要求
1.一种钻探系统，该系统包括一钻柱和一管状立管，该钻柱从浮动钻台延伸到一井筒，该管状立管在所述井筒和所述钻台之间绕所述钻柱的至少一部分，所述立管有一位于所述立管的一第一管状部分和一第二管状部分之间的伸缩接头，所述第一管状部分向下延伸至所述井筒顶部的井口，所述第二管状部分向上延伸至所述钻台，所述伸缩接头包括一内管部分，所述内管部分安装在一外管部分内，所述钻探系统还包括一立管封闭装置，该装置安装在所述立管的第二管状部分并可以操作以在所述立管和所述钻柱之间提供对流体的基本上的密封同时允许所述钻柱相对所述立管转动。
2.如权利要求I所述的钻探系统，其特征在于，所述立管封闭装置为转动控制装置。
3.如权利要求I或2所述的钻探系统，其特征在于，所述立管具有一主腔和一副腔，所述钻柱沿所述主腔延伸，所述副腔在所述伸缩接头和所述立管封闭装置之间从所述立管的所述第二部分的主腔延伸至所述立管的周围。
4.如权利要求3所述的钻探系统，其特征在于，所述副腔连接至一流体流动管线，所述 管线从所述副腔延伸至一流体储存槽，所述流体流动管线为流动控制系统的一部分。
5.如权利要求4所述的钻探系统，其特征在于，所述流动控制系统还包括一流动控制装置，其设置在所述流体流动管线内并可以操作以将沿所述流体流动管线的流体流动限制在不同程度。
6.如权利要求5所述的钻探系统，其特征在于，所述流动控制装置利用一电子控制单元控制。
7.如权利要求6所述的钻探系统，其特征在于，所述钻探系统还包括一压力传感器，该传感器传输表征在所述流体流动管线内的流体压力的电信号给所述电子控制单元控制。
8.如权利要求4所述的钻探系统，其特征在于，所述钻探系统还包括一阻尼系统，其包括一容器，该容器通过可移动的分隔器分成基本上流体密封的第一和第二腔室，所述第一腔室连接至所述流体流动管线，所述第二腔室连接至一增压流体储存池。
9.如权利要求8所述的钻探系统，其特征在于，所述阻尼系统还包括一压力调节装置，该装置可以操作以控制在所述第二腔室的流体压力。
10.如权利要求6和9所述的钻探系统，其特征在于，利用所述电子控制单元控制所述压力调节装置。
11.如前述权利要求之一所述的钻探系统，其特征在于，所述钻探系统包括一位移计，其提供表征所述立管的所述第一部分相对所述立管的所述第二部分的移动的移位信号。
12.如权利要求6和11所述的钻探系统，其特征在于，所述位移计可以与所述电子控制单元通信，使得其可以传输所述移位信号给所述电子控制单元。
13.如权利要求4所述的钻探系统，其特征在于，所述钻探系统还包括一流量计，其位于所述流体流动管线内，所述流量计提供表征流体沿所述流体流动管线流动的速率的流动信号。
14.如权利要求6和13所述的钻探系统，其特征在于，所述流量计可以与所述电子控制单元通信，使得其可以传输所述流动信号给所述电子控制单元。
15.如前述权利要求之一所述的钻探系统，其特征在于，所述伸缩接头包括一密封，该密封在所述伸缩接头的内管部分和外管部分之间延伸，以在所述内管部分和所述外管部分提供之间提供基本上的流体密封同时允许所述内管部分和所述外管部分彼此滑动。
16.一种操作权利要求I所述的钻探系统的方法，其特征在于，其中所述立管具有一主腔和一副腔，所述钻柱沿所述主腔延伸，所述副腔在所述伸缩接头和所述立管封闭装置之间从所述立管的所述第二部分的主腔延伸至所述立管的周围，所述副腔连接至一流体流动管线，所述管线从所述副腔延伸至一流体储存槽，所述流体流动管线为流动控制系统的一部分，所述流动控制系统包括一流动控制器，所述流动控制器设置在所述流体流动管线内并可以操作以将沿所述流体流动管线的流体流动限制在不同程度，所述流动控制系统还包括一阻尼系统和一压力调节装置，该阻尼系统包括一容器，该容器通过可移动的分隔器诸如隔板或活塞分成基本上流体密封的第一和第二腔室，所述第一腔室连接至所述流体流动管线，所述第二腔室连接至一增压流体池，所述压力调节装置可以操作，以控制所述第二腔室的流体压力，所述方法包括控制操作所述流动控制器和所述压力调节装置的步骤，以维持所述流体流动管线内的流体压力基本上恒定。
17.一种操作权利要求I所述的钻探系统的方法，其特征在于，所述立管具有一主腔和一副腔，所述钻柱沿所述主腔延伸，所述副腔在所述伸缩接头和所述立管封闭装置之间从所述立管的所述第二部分的主腔延伸至所述立管的周围，所述副腔连接至一流体流动管线，所述管线从所述副腔延伸至一流体储存槽，所述流体流动管线为流动控制系统的一部分，所述流动控制系统包括一流量计，所述流量计位于所述流体流动管线内，优选位于所述副腔和所述流动控制装置之间，所述流量计提供表征流体沿所述流体流动管线流动的速率(Qwt)的流动信号，所述井控制系统还包括一位移计，所述位移计提供表征所述立管的所述第一部分相对所述立管的所述第二部分的移动的移位信号，其中所述方法包括以下步骤利用所述位移信号计算所述立管内流体体积在一特定时间段的变化(8 V)，利用所述流动信号和所计算的所述立管内流体体积的变化来获得调整的流出速率，比较所述调整的流出流速和钻探流体流入钻柱的速率(流入速率)，如果调整的流出流速与流入速率差别超过一第一预定值，发送警报给操作员，如果调整的流出流速超过流入速率一第二预定值，操作井控制系统执行井涌控制程序，如果调整的流出流速小于流入速率一第三预定值，操作井控制系统执行流入控制程序。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，使用以下公式计算SV: δ V= δ D (Asj-Ads), 其中S D为所述立管的所述第一部分相对所述第二部分在一段时间的位置改变， Asi为所述伸缩接头的内管部分的内截面的面积， Ads为所述钻柱的外截面的面积。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述调整的流出速率(Qt^atu)使用下述公式计算
20.一种操作权利要求I所述的钻探系统的方法，其特征在于，所述立管具有一主腔和一副腔，所述钻柱沿所述主腔延伸，所述副腔在所述伸缩接头和所述立管封闭装置之间从所述立管的所述第二部分的主腔延伸至所述立管的周围，所述副腔连接至一流体流动管线，所述管线从所述副腔延伸至一流体储存槽，所述流体流动管线为流动控制系统的一部分，所述流动控制系统包括一流动控制器，所述流动控制器设置在流体流动管线内并可以操作以将沿所述流体流动管线的流体流动限制在不同程度，所述井控制系统还包括一位移计，所述位移计提供表征所述立管的所述第一部分相对所述立管的所述第二部分的移动的移位信号，其中所述方法包括利用位移信号计算所述立管内流体体积在一特定时间段的变化(SV)的步骤和操作所述流动控制器的步骤，以在立管内流体体积下降时降低在流体流动管线的流体压力或者以在立管内流体体积增加时增加流体流动管线的流体压力。
21.—种基本上如在此参考附图描述的和如附图所示的钻探系统。
22.—种基本上如在此参考附图描述的和如附图所示的操作钻探系统的方法。
23.一种在此描述的和/或如附图所示的任何新的特征或特征的新的组合。
全文摘要
钻探系统(10)包括一钻柱(13)和一管状立管(12)，该钻柱从浮动钻台延伸到一井筒，该管状立管在所述井筒和所述钻台之间绕所述钻柱(13)的至少一部分，所述立管(12)有一位于所述立管的一第一管状部分和一第二管状部分之间的伸缩接头(20)，所述第一管状部分延伸至所述井筒顶部的井口，所述第二管状部分向上延伸至所述钻台，所述伸缩接头包括一内管部分(20b)，所述内管部分安装在一外管部分(20a)，所述钻探系统(10)还包括一立管封闭装置(26)，该装置安装在所述立管(12)的第二管状部分并可以操作以在所述立管(12)和所述钻柱(13)之间提供对流体的密封同时允许所述钻柱(13)相对所述立管(12)转动。
文档编号E21B19/00GK102803645SQ201180011077
公开日2012年11月28日 申请日期2011年2月23日 优先权日2010年2月24日
发明者C·莱藤伯格 申请人:控制压力营运私人有限公司