控压气体钻井装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及气体钻井技术领域中的一种控压气体钻井装置及方法。
【背景技术】
[0002] 由于气体钻井技术提高钻井速度明显，储层保护效果好，而且综合钻井成本低，因 此在石油钻井工程中W得到了广泛应用。当遇到地层出水时，地层水进入井筒后，在产出水 的气举过程中，易造成泥页岩等水敏性地层的水化膨胀而失稳。井壁失稳后，如果跨塌的岩 屑（块）不能及时地被气体举升到井口，将可能造成卡钻事故甚至填井，从而给石油天然气 钻井带来巨额的经济损失，气体钻井技术就难W发挥其技术优势，气体钻井技术应用受到 极大的制约。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对气体钻井过程中地层出水的问题，提供了一种通过控制井口 压力和环空压力，彻底解决气体钻井地层出水问题的控压气体钻井装置及方法。
[0004] 本发明的技术方案：
[0005] -种控压气体钻井装置，包括空气增压系统、井口系统、空压钻机和钻机节流管 汇，其中空气增压系统包括增压机和/或空压机、气体流量及压力记录仪、泄压管和/或旁 通管、排空管、控制阀，其装置中还包括回压系统和精细节流管汇，井口系统上设有旋转控 制头，回压系统和精细节流管汇与旋转控制头连接。
[0006] 上述方案进一步包括；所述回压系统包括增压机和/或空压机、气体流量及压力 记录仪、泄压管和/或旁通管、排空管、控制阀；所述的精细节流管汇包括由节流阀、控制 阀、气体流量计连接构成的节流汇管，W及井底随钻测压仪、井口压力接收器、计算机控制 系统；其中，精细节流管汇通过其节流汇管与旋转控制头连接，井底随钻测压仪设在井下钻 机底部，井口压力接收器连接在钻机节流管汇和井口系统中的环空出口之间，计算机控制 系统连接在精细节流管汇的节流阀和井口压力接收器之间。
[0007] 装置中还包括回收池；回压系统、空气增压系统W及精细节流管汇均连接至回收 池中。
[0008] 依据上述控压气体钻井装置的控压气体钻井方法，包括W下步骤：
[0009] 第一步，通过测井资料计算地层孔隙压力；
[0010] 第二步，正常钻进情况下，通过精细节流管汇维持地层环空压力等于地层孔隙压 力；
[0011] 第H步，当接单根或起下钻时，用回压系统来调节和补偿井筒循环压力的损失。
[0012] 上述控压气体钻井方法的地层孔隙压力通过Terza曲i模型计算：
[001引 Pn = Pp+。 (1)
[0014] 式中；P。为上覆岩层压力；Pp为地层孔隙压力；0为垂直有效应力；
[0015] 由于相同声波时差的不同深度处的地层应力相同，即地层压实程度相同；地层压 实程度相同，岩石的骨架应力相同，即同样的孔隙度对应相同的有效应力；
[001引设1和2两点的声波时差相同，具有相同的有效应力，则；
[0017] 0 1 = 0 2 (2)
[001引 由公式（1)得：
[001 引 p0i = Ppi+0i (3)
[0020] P〇2 = Pp2+ 0 2 (4)
[0021] 联立求解得：
[002引 Pp2 = P02- (P0rPpi) (5)
[0023] 可得：
[0024] G巧=G02 - (G" - C6)
[00幼式（6)可改写为：
[002引 Gp =G。-（G0e - Gpn)i (7) n
[0027] 式中；H。为等效深度；Gp、G。、G。。、Gpn分别为计算点处的地层孔隙压力梯度、上覆岩 层压力梯度、等效深度处的上覆岩层压力梯度和正常地层孔隙压力梯度；
[0028] 根据声波时差随深度变化的正常趋势线方程：
[0029] Ati = At。? e_证。 (8)
[0030] 因为：At2= Ati [00引]则可得：
[0032] At。= At。? e-"。 C9)
[0033] 两边取对数可得等效深度的表达式：
[0034] He=-ln 舍 (10)
[00巧]则地层孔隙压力梯度计算式为：
[003引 Gp =G。-(G。，-Gpn)-^ln 令 （11) cH At
[0037] 式中；A t。为深度为0时的声波时差；c为常数，需要根据与实测地层压力的对比 确定。
[0038] 上述方法进一步包括，在第二步中，井口压力接收器接收到井底随钻测压仪从井 内传输的井内值，通过计算机控制系统根据计算结果自动调节精细节流管汇，实现井内环 空压力始终等于地层孔隙压力；
[0039] 在第H步中，回压系统提前运转待命，回压系统正常运转后，通知司钻停常规气体 钻井设备的空压机和增压机，通过计算机控制系统及时调节精细节流管汇，保持设定点压 力恒定，起下钻或接单根完毕后，开启常规气体钻井设备的空压机和增压机，通过计算机控 制系统及时调节精细节流管汇，保持设定点压力恒定，同时关闭回压系统，起下钻或接单根 程序完毕。
[0040] 本发明针对现有技术存在的问题，为了控制地层出水，对现有装置进行改造的基 础上，同时提出了新方法，主要体现于；（1)通过节流管汇精细控制环空压力，进而控制地 层出水量；（2)回压系统可W弥补接单根和起下钻过程中损失的气体供应。
[0041] 本发明的装置具有结构简单、改造成本低，其方法配合计算机自动控制后操作更 加简单，控制精度更加高，实施效果更好，具有很好经济推广价值。
【附图说明】
[0042] 图1、一种控压气体钻井装置实施例的现场布置示意图
[0043] 图2、控压气体钻井方法的流程示意图
【附图说明】 [0044] ：
[0045] 1常规气体钻井井场设备 2回压系统
[0046] 3井底随钻测压仪 4井口压力接收器
[0047] 5精细节流管汇 6计算机控制系统
[0048] 7气体流量计 8回收池
[0049] 9空压装置 10增压装置
[0050] 11气体流量及压力记录仪 12泄压管
[005。 13旁通管 14放空管
【具体实施方式】
[0052] 下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
[0053] 实施例1
[0054] 下面结合附图1对本发明装置做进一步描述。
[00巧]一种控压气体钻井装置，是在现有气体钻井装置基础上进行改造。现有装置主要 包括空气增压系统、井口系统、空压钻机和钻机节流管汇，其中空气增压系统包括增压机和 /或空压机、气体流量及压力记录仪、泄压管和/或旁通管、排空管、控制阀。改造后的装置 中还包括回压系统和精细节流管汇，井口系统上设有旋转控制头，回压系统和精细节流管 汇与旋转控制头连接。
[0056] 其中；所述回压系统包括增压机和/或空压机、气体流量及压力记录仪、泄压管和 /或旁通管、排空管、控制阀；所述的精细节流管汇包括由节流阀、控制阀、气体流量计连接 构成的节流汇管，W及井底随钻测压仪、井口压力接收器、计算机控制系统；其中，精细节流 管汇通过其节流汇管与旋转控制头连接，井底随钻测压仪设在井下钻机底部，井口压力接 收器连接在钻机节流管汇和井口系统中的环空出口之间，计算机控制系统连接在精细节流 管汇的节流阀和井口压力接收器之间。
[0057] 装置中还包括回收池；回压系统、空气增压系统W及精细节流管汇均连接至回收 池中。
[0058] 在正常钻进过程中，通过井口压力接收器接收到井底随钻测压仪从井内传输的井 内值，通过计算机控制系统根据计算结果自动调节精细节流管汇，实现井内环空压力始终 等于地层孔隙压力；在起下钻或接单根过程中，回压系统提前运转待命，回压系统正常运转