调节钻井液循环系统中的钻井液压力的制作方法
【技术领域】
[0001] 本公开涉及使钻井液循环通过井眼。
[0002] 背景
[0003] 在使用钻机的井眼钻井情形中，钻井液循环系统用一个或多个泥浆泵来循环（或 泵送）钻井液（例如钻井泥浆）。如现有技术图1和图2中所示出，钻井液循环系统10使 钻井泥浆（流体，F)经过本领域中称为钻井管12的特殊管以及连接到钻柱的钻铤，向下移 动到井眼50。流体经过钻头中的口（喷口）离开，采收钻肩C，并将钻肩沿井眼50的环体 40 (图2)向上运送。再次参看图1，泥浆泵30从泥浆罐22吸取泥浆F，并将泥浆F泵送到 排送管道24之外，沿立管26向上、穿过水龙带28、穿过方钻杆或顶部传动单元31，并进入 到钻井管12的中心孔、钻铤和钻头中。泥浆F和钻肩C沿环体40向上返回到地面（图2)。 在地面处，泥浆和钻肩穿过出口（未图示）离开井眼，并经由泥浆返回路线60被运送到钻 肩移除系统。在返回路线的结尾，泥浆F和钻肩C流到本领域中称为振动筛62的振动网筛 上。较细的固体可通过沉砂井64来移除。可用储存在化学槽罐66中的化学药品来处理泥 浆，且接着将泥浆提供到泥浆罐22中，在那重复所述过程。
[0004] 钻井液循环系统在压力下递送大量泥浆流，用于钻机操作。循环系统将泥浆递送 到钻杆，以沿钻井管的钻柱向下流动，并穿过附加到钻杆下端的钻头流出。除冷却钻头之 外，泥浆还通过钻头中的一组开口，以液压方式冲走井眼的面。泥浆另外冲走在钻头前进时 产生的碎片、石肩和钻肩。循环系统使泥浆在钻杆外侧的环状空间中以及钻井过程所形成 的开孔的内部上流动。以此方式，循环系统使泥浆流过钻头，并流到井眼之外。
[0005] 泥浆以足够的速度流过钻杆和环状空间，以将比泥浆重的碎片、碎肩和钻肩移到 地面。泥浆的速度也应足以冷却钻头。泵处的井口压力充分高，以使泥浆在所要速度下流 动，且还克服沿流动路径的大量流动压阻。在一些情形中，循环系统可使泥浆以较高的体积 流率（例如，500到1000加仑每分钟）且以高达5000PSI的压力流过钻头和井眼。可使用 钻机的环境可导致钻柱经历封隔，例如当钻肩或碎片（或两者）阻塞钻井泥浆在钻孔与钻 柱、钻铤或钻头，或其组合之间的环体中的流动路径时。因此，井下压力可快速增加，从而导 致一个或多个井下构造的断裂，且甚至可能导致井眼的损失。
【附图说明】
[0006] 图1是现有技术钻井液循环系统的实例。
[0007] 图2是流过钻柱以及钻柱与井眼之间的环体的钻井泥浆的实例。
[0008] 图3是包括释压装置的钻井液循环系统的实例。
[0009] 图4是用以调节钻井液循环系统中的钻井液压力的计算机系统的实例。
[0010] 图5是调节钻井液循环系统中的钻井液压力的第一实例过程的流程图。
[0011] 图6是调节钻井液循环系统中的钻井液压力的第二实例过程的流程图。
[0012] 图7是图1的计算机系统的架构的实例。
[0013] 各图中的相同参考编号和名称指示相同元件。
[0014]详述
[0015] 本公开描述一种用于调节钻井液循环系统中的钻井液压力的系统和方法。所述循 环系统可包括钻机立管，其可为例如金属导管（作为管道系统泥浆泵释压路径的部分），供 钻井液（例如，钻井泥浆）行进到附接于钻柱的井下端的钻头。如果发生井下封隔，那么钻 机立管中的钻井液的压力可快速增加，从而导致一个或多个井下构造的断裂。当井下构造 断裂时，钻井液可能流失到构造中，从而减少钻井液柱，这降低了井眼中若干点处的流体静 压。钻井液的突然损失可导致丧失对井的控制，且导致井眼的喷出以及可能的损失。可实 施本公开中所描述的计算机系统和计算机实施的方法，以在感测到立管中的流体的压力参 数增加时，自动降低钻机立管中的钻井液的压力。在一些实施方式中，所述钻井液循环系统 可连接到计算机控制的释压装置，其可响应于接收到来自连接到循环系统的计算机系统的 指令，自动降低钻机立管中的钻井液的压力。
[0016] 实施本公开所描述的技术可提供以下潜在优点中的一个或多个。一般来说，可实 施本文所述的技术来自动降低钻机立管中的压力，尤其是在发生封隔时。这样做可使井下 构造免于在压力下有害，从而导致不合意的断裂。此外，在发生封隔时降低压力可防止泥浆 泵上的破裂盘破裂。降低压力还可防止泥浆电机失速，或顶部传动器失速，或两者。避免地 面泥浆系统和底部钻具总成上的压力峰值可减少所有地面设备（如泥浆泵、冲洗管等）以 及井下总成（如旋转导向、钻井时进行检视（MWD)工具）和压力激活的设备（如液压激活 造斜器和液压激活钻孔器）上的磨损。相对于在封隔期间关闭包括在循环系统中的泥浆泵 的手动方法，此处所描述的技术可更快且更高效。另外，提供计算机指令来控制释压装置可 减少手动关闭泥浆泵所需的劳力。此处所述的技术相对于控制连接到钻机立管的释压装置 的手动方法也更快且更高效。
[0017] 图3是本公开的包括释压装置104的钻井液循环系统100的实例。在一些实施方 式中，释压装置104可连接到钻井液泵30的排出口与钻柱115的入口之间的管道24。举例 来说，释压装置104的入口可连接到管道24。释压装置104的出口可例如经由管道105连 接到泥浆返回路线60。钻井液循环系统100和释压装置104可连接到安置在地面的计算机 系统106,以通过自动操作释压装置104来调节钻井液循环系统100中的钻井液压力。可使 用附接到钻柱115的井下端的钻头114在地上钻井眼102,钻柱115连接到从泥浆泵的排 出口到方钻杆或顶部驱动系统30的管道24。管道24可包括钻机立管26。钻井液循环系 统100可包括一个或多个泵30、罐22和固体分离装置（图1)。泥浆泵驱动（即，泵送）钻 井液F(例如，钻井泥浆）穿过包括钻机立管26在内的管道24,接着向井下穿过钻柱115， 进入钻头114中并从钻头114出来，且向井上穿过钻柱115与井眼102的内壁之间的环体 103〇
[0018] 计算机系统106 (例如，桌上型计算机、膝上型计算机、平板计算机、计算机服务器 系统等）可包括计算机可读介质108,其存储可由处理器110执行来调节钻井液循环系统 100中的钻井液压力的计算机指令。在一些实施方式中，计算机系统106可接收表示管道24 中的钻井液的压力的压力测量信号。计算机系统106可接收表示穿过管道24的钻井液的 流量的流量参数信号。计算机系统106可从压力测量信号和流量参数信号确定管道24中 的钻井液的目标压力参数未得到满足。响应于确定目标压力参数未得到满足，计算机系统 106可降低管道24中的钻井液的压力，直到通过至少部分地打开释压装置104来满足目标 压力参数为止。
[0019] 如本文所使用，钻机立管26既定包含从泥浆泵的排出口到附接到钻柱115的方钻 杆或顶部传动系统30的管道24的任何部分，且可包括所述排出口与方钻杆或顶部传动系 统30之间的管道的任何部分。因此，将理解，可在沿泥浆泵30的排出口与方钻杆/顶部传 动器31之间的管道的任何地方测量以下项：立管压力和立管流率。管道24中的流率可替 代或另外地基于已知的流率方法来确定，所述流率方法用于基于容积式泥浆泵的速度和汽 缸位移来计算泥浆泵36的输出流量。
[0020] 如下文所述，计算机系统106可从钻机的操作者接收表示封隔的开始的目标压力 参数。举例来说，计算机系统106可在连接到计算机系统106的显示装置122中显示用户 界面。钻机的操作者可提供目标压力参数。目标压力参数可为钻机立管26中测得的固定 压力。或者或另外，目标压力参数可为钻机立管26中的压力基于钻井液压力随时间的趋势 的变化（例如，增加或减小）率。在一些实施方式中，计算机系统106可接收钻井操作过程 中经更新的目标压力参数。举例来说，用于不同钻井条件（例如，不同钻井深度、不同钻头 构造、不同井以及其它条件）的目标压力参数可不同。在一些实施方式中，钻机的操作者可 在不同时刻，根据钻井条件，手动更新目标压力参数。或者或另外，可自动更新目标压力参 数。举例来说，计算机系统106可实施计算机可执行算法，来以指定时间间隔（例如每天） 使目标压力参数增加固定（或可变）因子，例如10%。在另一实例中，计算机系统106可实 施计算机可执行算法，其可基于现有的目标压力参数以及钻井条件的变化来确定经修改的 目标压力参数。
[0021] 在钻井操作期间，计算机系统106可周期性地记录管道24中的压力，并将所记录 的压力例如存储在包含于计算机系统106中或连接到计算机系统106的数据库120中。从 所记录的压力，计算机系统106可周期性地确定压力参数。当计算机系统106确定所述所 确定的压力参数超过从操作者接收到的目标压力参数时，接着计算机系统106可部分地打 开释压装置104,从而导致钻井液流返回到储液室（例如，泥浆罐22/井坑）。当所述流被 分流时，管道24中的压力将减小，从而防止或减少井下构造归因于封隔而断裂的机会。操 作者可关闭包括在钻井液循环系统100中的泥浆泵，直到压力参数减小到目标压力参数