井筒压力和流量管理系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种井筒压力和流量管理系统及方法，包括常规钻井循环系统、钻井液注入转换系统、辅助泵系统、节流回压系统和监测与控制系统。监测与控制系统可以监测常规钻井循环系统、钻井液注入转换系统、辅助泵系统以及节流回压系统的相关信息，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制所述各个系统对钻井井筒进行压力和流量控制。本发明可以提高钻井的控制能力、更快、更经济的达到最终的钻井深度；可以实现对井筒压力和流量的双重控制，从而扩宽井筒压力控制系统的使用范围；消除由于钻井泵启停带来的井筒压力的剧烈波动；减少处理气体溢流的时间，提高处理气体溢流时井筒压力控制的精度。
【专利说明】井筒压力和流量管理系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻井作业【技术领域】，尤其涉及一种钻井和完井的全过程期间进行井筒压力和流量控制的系统和方法。
【背景技术】
[0002]常规钻井过程中，钻柱内孔通过钻头水眼与环形空间形成了一个连通的体系，即U形管。根据U形管原理，常规钻井过程中的井底压力表达式为:
Pb=Pmd+Pla(I)
式I中，Pb-井底压力，Pmd-钻井液静液柱压力，Pla-循环时环空摩擦压力。
[0003]从此式中可以看出，对于窄压力窗口地层或者老油田的压力衰竭地层，常规泥浆密度设计可以保证静止时井底压力等于所需压力(设计压力)。但是当钻井液开始循环时，井底压力增加了一个环空摩擦压力，此时就很可能就引发井漏。按照常规井控此时需要降低泥浆密度以低于地层破裂压力，如果遇到异常压力地层，井涌就有可能随之发生。这将会导致额外的钻井非生产时间、超额的泥浆成本以及频繁的井控问题，甚至不能钻达设计井深，无法迅速可靠的实现对井筒压力的管理。
[0004]在常规钻井技术过程中配备钻柱单向阀、旋转防喷器以及节流管汇，这样整个钻井系统可以承受一定的套管回压，成为一种封闭钻井循环系统，此时的井底压力表达式为:
Pb=Pmd+PIa+Pa(2)
式2中，Pa-井口回压(套压)。从此式中可以看出，可以通过施加井口回压来完成对井筒压力的控制，由此产生了控制压力钻井技术。目前的控制压力钻井技术可以完成大多数情况下对井筒压力的控制。但是在柴油机驱动的钻机上，钻井泵的启停速度变化太快，导致井筒内流量急剧变化，造成井口回压控制偏离加大，甚至发散，最终导致井下复杂事故；在非变频钻机上，钻井过程中进入井筒的钻井液流量的调节范围有限，而且在排气体溢流过程中，气体到达节流阀时，由于气体和液体的密度发生很大的变化，导致套压变化很大，造成井底压力的波动。因此常规的控制压力钻井不能完成钻井全过程的井底压力恒定。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种井筒压力和流量管理系统及方法，实现在钻井或者完井的全过程中对井筒压力和流量的控制。
[0006]本发明原理是一方面对进入井筒内的钻井液流量进行控制，再配合井口节流系统和辅助泵系统的压力控制，从而加大对井筒压力控制的范围，扩大钻井系统的适应性。
[0007]本发明具体通过以下设计方案实现:
首先给出一种井筒压力和流量管理系统，其除了包括常规钻井循环系统、节流回压系统及配合使用的监测与控制系统，还包括钻井液注入转换系统和辅助泵系统；其中钻井液注入转换系统为在钻井泵出口管线上设有返回泥浆罐的旁路管线；辅助泵系统与节流回压系统并联，且其中的辅助泵进口与泥浆罐联接、出口与钻井液环空出口联接；监测与控制系统用于监测常规钻井循环系统、钻井液注入转换系统、辅助泵系统以及节流回压系统的数据参数。
[0008]为了达到更好的技术效果，上述方案还包括以下改进方案:
(I)提供一种具体的旁路管线设置方式:钻井泵出口管线经过三通管线分为两路，一路经过截断阀和节流装置返回泥浆罐；另一路经过截断阀后又分为两支路，一支路与钻柱联接，另一支路经过截断阀返回泥浆罐。
[0009](2)所述的钻井液注入转换系统的节流装置是两个节流阀串联组成；所述的常规钻井循环系统中的防喷器组的顶部安装旋转防喷器(2)，井下钻具组合包括单向阀(4)和和随钻测量工具(3);所述的监测与控制系统(1005)的控制对象是钻井立压、套压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
[0010]接着给出上述管理系统的管理方法，即钻井过程中，通过钻井液注入转换系统中的旁路管线调节钻井液的流量，同时辅助节流回压系统和辅助泵系统实现对井筒套压的压力和流量的控制；监测与控制系统始终监测常规钻井循环系统、钻井液注入转换系统、辅助泵系统以及节流回压系统的相关信息，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制所述各个系统对钻井井筒进行压力和流量控制。
[0011]在常规钻井循环系统的防喷器组的顶部安装旋转防喷器，在井下钻具组合中安装单向阀和随钻测量工具，使得钻井井筒成为一密闭承压系统；
当旋转防喷器密封元件失效时，利用防喷器组的密封元件实现井筒的密闭承压；所述钻井液注入转换系统的旁路管线调节是通过管线中的阀门倒换以及节流装置的不断调节来改变进入井筒内的钻井液流量。
[0012]所述监测与控制系统的控制对象是钻井立压、套管回压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
[0013]当监测与控制系统发现井筒内有气体溢流后，首先利用节流回压系统对井筒增加回压，当流量回到溢流发生前的水平，在这个回压值上增加一个合适的值，控制此时的立压值恒定进行排溢流工作，在气体到达井口之前，打开辅助泵系统的辅助泵，泵送钻井液到钻井液环空出口与节流回压系统之间，直到井筒内的气体排完为止。
[0014]本发明的优点是:(I)可以提高钻井的控制能力、更快、更经济的达到最终的钻井深度；(2)可以实现对井筒压力和流量的双重控制，从而扩宽井筒压力管理系统的使用范围；(3)消除由于钻井泵启停带来的井筒压力的剧烈波动；(4)减少处理气体溢流的时间，提高处理气体溢流时井筒压力控制的精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是本发明一种井筒压力和流量管理系统的示意图。
[0016]图中1001.常规钻井循环系统，1002.钻井液注入转换系统，1003.辅助泵系统，1004.节流回压系统，1005.监测与控制系统
1.钻柱，2.旋转防喷器，3.随钻测量工具，4.单向阀，5.钻井液环空出口，6.7.9.12.13.15.截断阀，8.钻井泵，10.节流装置，11.辅助泵，14.节流阀，16.流量计量装置，17.钻井液处理装置，18.泥浆罐。【具体实施方式】
[0017]下面结合附图1对本发明作进一步描述:
一种井筒压力和流量管理系统，包括常规钻井循环系统1001、钻井液注入转换系统1002、辅助泵系统1003和节流回压系统1004。
[0018]常规钻井循环系统1001的防喷器组的顶部安装旋转防喷器2，井下钻具组合包括单向阀4 ;井下钻具组合中联接有随钻测量工具3。
[0019]钻井液注入转换系统1002的入口管线与钻井泵8联接，入口管线经过三通管线分为两路，一路经过截断阀9和节流装置10返回泥浆罐18 ;另一路经过截断阀7后又分为两路，一路与钻柱I联接，另一路经过截断阀6返回泥浆罐18 ;节流装置10为一个节流阀，当然也可以是两个节流阀串联组成。
[0020]监测与控制系统1005可以监测常规钻井循环系统1001、钻井液注入转换系统1002、辅助泵系统1003以及节流回压系统1004的相关信息，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制所述各个系统对钻井井筒进行压力和流量控制；所述的控制对象可以是钻井立压、套压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
[0021]一种井筒压力和流量管理方法，包括以下步骤:
在常规钻井循环系统1001的防喷器组的顶部安装旋转防喷器2，在井下钻具组合中安装单向阀4和随钻测量工具3，使得钻井井筒成为一密闭承压系统；
当旋转防喷器2密封元件失效时，利用防喷器组的密封元件实现井筒的密闭承压；
在钻井栗8和钻柱I之间联接钻井液注入转换系统1002 ;通过钻井栗8提供井筒内的钻井液，通过属于钻井液注入转换系统1002的阀门倒换以及节流装置10的不断调节来改变进入井筒内的钻井液流量；
节流回压系统1004的入口与钻井液环空出口 5联接，出口返回泥浆罐18 ;节流回压系统1004包括节流阀14和流量计量装置16。利用节流回压系统1004实现对井筒套压的压力和流量的控制；
辅助泵系统1003包括辅助泵11，辅助泵11的出口管线联接到所述的钻井液环空出口5与节流回压系统1004之间；
监测与控制系统1005始终监测常规钻井循环系统1001、钻井液注入转换系统1002、辅助泵系统1003以及节流回压系统1004的相关信息，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制所述各个系统对钻井井筒进行压力和流量控制；所述的控制对象可以是钻井立压、套管回压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
[0022]监测与控制系统1005发现井筒内有气体溢流后，首先对井筒增加回压，当流量回到溢流发生前的水平，在这个回压值上增加一个合适的值，控制此时的立压值恒定进行排溢流工作，在气体到达井口之前，打开辅助泵系统1003的辅助泵11，泵送钻井液到钻井液环空出口 5与节流回压系统1004之间，直到井筒内的气体排完为止。
【权利要求】
1.井筒压力和流量管理系统，包括常规钻井循环系统(1001)、节流回压系统(1004)及配合使用的监测与控制系统(1005)，其特征在于，还包括钻井液注入转换系统(1002)和辅助泵系统(1003);所述的钻井液注入转换系统(1002)为在钻井泵(8)出口管线上设有返回泥浆罐(18)的旁路管线；所述的辅助泵系统(1003)与节流回压系统(1004)并联，且其中的辅助泵(11)进口与泥浆罐(18)联接、出口与钻井液环空出口(5)联接；监测与控制系统(1005)用于监测常规钻井循环系统(1001)、钻井液注入转换系统(1002)、辅助泵系统(1003)以及节流回压系统(1004)的数据参数。
2.根据权利要求1所述的井筒压力和流量管理系统，其特征在于，所述钻井液注入转换系统(1002)的旁路管线设置方式为:钻井泵(8)出口管线经过三通管线分为两路，一路经过截断阀(9)和节流装置(10)返回泥浆罐(18);另一路经过截断阀(7)后又分为两支路，一路支与钻柱(I)联接，另一路经过截断阀(6)返回泥浆罐(18)。
3.根据权利要求2所述的井筒压力和流量管理系统，其特征在于，所述的钻井液注入转换系统(1002)的节流装置(10)是两个节流阀串联组成。
4.根据权利要求3所述的井筒压力和流量管理系统，其特征在于，所述的常规钻井循环系统(1001)中的防喷器组的顶部安装旋转防喷器(2)，井下钻具组合包括单向阀(4)和随钻测量工具(3)。
5.根据I权利要求所述的井筒压力和流量管理系统，其特征在于，所述的监测与控制系统(1005)的控制对象是钻井立压、套压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
6.权利要求1-5任一权利要求所述的井筒压力和流量管理系统的管理方法，其特征在于，钻井过程中，通过钻井液注入转换系统(1002)中的旁路管线调节钻井液的流量，同时辅助节流回压系统(1004)和辅助泵系统(1003)实现对井筒套压的压力和流量的控制；监测与控制系统(1005)始终监测常规钻井循环系统(1001)、钻井液注入转换系统(1002)、辅助泵系统(1003)以及节流回压系统(1004)的相关信息，对控制对象的监测值与设定值进行比较，然后控制所述各个系统对钻井井筒进行压力和流量控制。
7.根据权利要求6所述的井筒压力和流量管理系统的管理方法，其特征在于，在常规钻井循环系统(1001)的防喷器组的顶部安装旋转防喷器(2)，在井下钻具组合中安装单向阀(4)和随钻测量工具(3)，使得钻井井筒成为一密闭承压系统； 当旋转防喷器(2)密封元件失效时，利用防喷器组的密封元件实现井筒的密闭承压；所述钻井液注入转换系统(1002)的旁路管线调节是通过管线中的阀门倒换以及节流装置(10)的不断调节来改变进入井筒内的钻井液流量。
8.根据权利要求6或7所述的井筒压力和流量管理系统的管理方法，其特征在于，所述监测与控制系统(1005)的控制对象是钻井立压、套管回压、井底压力和流量中的一个或者任意个的组合。
9.根据权利要求8所述的井筒压力和流量管理系统的管理方法，其特征在于，当监测与控制系统(1005)发现井筒内有气体溢流后，首先利用节流回压系统(1004)对井筒增加回压，当流量回到溢流发生前的水平，在这个回压值上增加一个合适的值，控制此时的立压值恒定进行排溢流工作，在气体到达井口之前，打开辅助泵系统(1003)的辅助泵(11)，泵送钻井液到钻井液环空出口(5)与节流回压系统(1004)之间，直到井筒内的气体排完为止。
【文档编号】E21B21/08GK103573198SQ201210273968
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年8月3日 优先权日:2012年8月3日
【发明者】李宗清, 陈永明, 王树江, 朱焕刚, 曹强, 万秀琦, 康波, 张林伟 申请人:中国石油化工股份有限公司, 中国石化集团胜利石油管理局钻井工艺研究院