专利名称：动态环隙压力控制装置和方法
技术领域：
本发明的方法和装置涉及一种用于动态井孔环隙压力控制的方法，尤其是涉及一种用于在钻井和其它成井操作过程中控制井孔压力的选择闭环增压方法。
背景技术：
烃从地下岩层中的勘探和生产都最终需要一种到达并从岩层中抽出烃的方法。这通常通过钻塔来实现。在最简单的形式中，它构成陆基钻塔，该陆基钻塔用于支承安装在钻杆柱端部的钻头，并包括一系列钻井管。包括基液(通常为水或油)和各种添加剂的流体沿钻杆柱向下泵送，并通过旋转钻头排出。然后，流体沿形成于井孔壁和钻头之间的环形通道向上流回，同时带走由钻头产生的切屑，并清洁井孔。该流体还选择为这样，即由流体施加的静液压大于周围岩层压力，从而防止岩层流体进入井孔。而且，还使得流体进入岩层孔中，或者“侵入”岩层。而且，增压流体中的某些添加剂粘附在岩层壁上，从而形成在岩层壁上的“泥饼”。该泥饼帮助在钻井处理中设置套筒之前维持和保护岩层，如后面所述。流体压力选择为超过岩层压力通常称为超平衡钻。然后，流体返回地面，在地面，该流体排入泥浆系统，该泥浆系统通常包括用于除去固体的振动台、泥浆池以及用于将各种化学药品或添加剂加入返回流体内的人工或自动装置。清洁的返回流体流被进行测量，以便确定由于流体侵入而引起的、流向岩层的流体损失。返回的固体和流体(在处理之前)可以进行研究，以便确定用于钻井操作中的各种岩层特征。当流体在泥浆池中进行了处理后，它将从泥浆池中泵出，并再次重新注入钻杆柱的顶部。
该超平衡技术是最常使用的流体压力控制方法。它主要根据流体密度以及由环形通道中的流体柱产生的静液压而产生压力。通过超过岩层孔压力，该流体用于防止岩层流体突然释放到井孔中(例如轻微井喷)。当发生该轻微井喷时，流体密度可以增加，以便防止岩层流体进一步释放到井孔中。不过，添加增重添加剂以增加流体密度(a)不可能足够快地处理岩层流体释放，且(b)可能超过岩层断裂压力，从而导致岩层中产生裂缝或断裂，导致流体损失到岩层中，从而对附近的井孔渗透性产生不利影响。这时，操作人员可以选择关闭在钻井底板下面的吹出防护装置(BOP)，以便控制气体沿环形通道的向上运动。在重新进行钻井操作之前使气体流出，并使流体密度增加。
在钻井操作过程中使用超平衡钻也影响套筒的选择。钻井处理通过将导管钉入地面内而开始，BOP组套(stack)安装在钻井导管上，同时钻塔位于BOP组套上面。具有钻头的钻杆柱可以选择通过利用钻塔方钻杆或顶部驱动器使整个钻杆柱旋转而旋转，或者可以利用安装在钻头上面的钻杆柱中的钻井液动力机械马达来使钻杆柱独立旋转。如上所述，操作人员可以在一段时间内钻裸井，直到在计算深度处的积累流体压力接近岩层断裂压力。这时，通常从地面向下将套筒柱插入井孔内至计算深度，并进行悬挂。注水泥鞋(shoe)布置在钻杆柱上，且特殊水泥注入钻杆柱内，以便沿环形通道向上运行，并取代在环形通道中的任何流体。在岩层壁和套筒外部之间的水泥有效支承岩层，并使岩层与井孔的环形通道隔开，并在套筒柱下面进一步钻裸井，同时流体再次提供压力控制和岩层保护。
图1是在中间井孔部分进行钻井处理的过程中使用流体的示例曲线图。顶部的横条表示由钻井液施加的静液压，而竖条表示井孔的总垂直深度。岩层孔压力曲线由线10表示。如上所述，在超平衡状态下，由于压力控制和孔可靠性，流体压力超过岩层孔压力。线12表示岩层断裂压力。超过岩层断裂压力的压力将导致流体使岩层壁增压至这样的程度，即小的裂纹或裂口将开口于井孔壁中，且流体压力将克服岩层压力，同时有明显的流体侵入。流体侵入可能导致渗透性降低，从而对岩层生产产生不利影响。由流体和它的添加剂产生的环隙压力由线14表示，并与总垂直深度为线性函数关系。纯静液压(该纯静液压将由没有添加剂的流体即水产生)由线16表示。
在上述开环流体系统中，在井孔中的环隙压力是井孔流体的线性函数。只有当流体处于静密度时才是这样。当在钻井操作过程中液体密度变化时所产生的环隙压力通常为线性。在图1中，在直到大约7000英尺的深度的中间部分中，静液压16和孔压力10通常相互跟踪(track)。然后，孔压力在从7000英尺至大约9300英尺深度的区间内增大。这可能在井孔穿过具有与先前岩层明显不同特征的岩层区间时发生。在7000英尺之前，通过流体14保持的环隙压力14安全地高于孔压力。在7000-9300英尺的区间，在孔压力10和环隙压力14之间的差明显减小，因此，在工作过程中安全余量减小。在该区间发生的轻微井喷可能导致孔压力超过环隙压力，并将流体和气体释放到井孔中，从而可能需要起动地面BOP组套。如上所述，尽管附加增重材料可以添加到流体中，但是它通常对于处理轻微井喷无效，因为增加井孔中的流体密度需要时间。
在开环系统中，流体循环自身也产生问题。应当知道，需要关闭泥浆泵，以便形成连续的钻管接头。当泵关闭时，环隙压力将经历负尖峰，当环隙压力稳定时，该负尖峰将消散。同样，当泵打开时，环隙压力将经历正尖峰。这在每次将管接头添加在钻杆柱上或从该钻杆柱上拆下时都将发生。应当知道，这些尖峰可能引起井孔泥饼发生疲劳，并将导致岩层流体进入井孔，再引起井控事件。
与开环流体循环系统相反，还发展了多个闭环流体处理系统。它们的实例包括美国专利5857522和6035952(两者都授予Bradfield等，并转让给Baker Hughes公司)。在这些专利中，闭环系统用于欠平衡钻，即环隙压力小于岩层孔压力。欠平衡钻通常用于当岩层为白垩或其它破裂石灰石，且希望防止泥饼堵塞岩层裂口时的情况。而且，应当知道，当使用欠平衡系统时，较大井事件将需要关闭BOP，以便处理井喷或其它突然压力增加。
还设计了其它系统来在添加或拆卸附加钻杆柱管(形成/断开)的过程中保持流体连通。在美国专利6352129(授予Shell Oil Company，本发明的受让者)中，表示了连续的循环系统，因此，组成/断开操作和分开的管部分在流体腔室20中彼此隔离，且第二导管28用于将泵送的流体供给钻杆柱12的、仍然与岩层流体连通的部分。在第二实施例(implementation)中，文献公开了用于在泵关闭后将流体或气体注入流体流中的装置和方法，以保持和控制环隙压力。
发明内容
本发明涉及一种闭环、超平衡钻系统，它具有可变超平衡压力功能。本发明还利用井孔、钻井和钻井液的信息作为输入而输入给模型，以便预测井下压力。然后，预测的井下压力与所希望的井下压力进行比较，并利用差值来控制背压系统。本发明还利用实际井下压力来校准模型和改变输入参数，以便使预测的井下压力与测量的井下压力更接近。
在一个方面，本发明能够通过增加背压而在循环过程中改变环隙压力，从而在不向流体添加增重添加剂的情况下增加环隙压力。应当知道，使用背压来增加环隙压力能更好地响应岩层孔压力的突然变化。
在又一方面，在钻管添加在钻杆柱上或从该钻杆柱拆下时，本发明能够在泵关闭过程中保持环隙压力。通过保持环隙中的压力，保持形成于岩层壁上的泥饼，且环隙压力不会有突然的尖峰或降低。
在又一方面，本发明利用精确质量平衡流量计，它能够精确确定系统中的流体增量或损失，从而使操作人员能够更好地控制在操作中涉及的流体。
在又一方面，本发明包括用于确定环隙压力、流量和深度信息的自动传感器，并可以用于预测井孔压力，从而使本发明能够在钻探所考虑部分之前增加环隙压力。
附图的简要说明通过参考附图并结合对优选实施例的详细说明，可以更好地理解本发明，附图中图1是表示环隙压力以及岩层孔和裂口压力的曲线图；图2A和2B是本发明装置的两个不同实施例的平面图；
图3是用于优选实施例中的压力监测和控制系统的方框图；图4是压力监测和控制系统的操作的功能图；图5是表示预测环隙压力与测量环隙压力的关系的曲线图；图6是表示当改变特定模型参数时预测环隙压力与测量环隙压力的关系的曲线图；图7是表示本发明的方法怎样用于在超平衡状态下控制岩层孔压力变化的曲线图；图8是表示本发明的方法在用于平衡钻时的曲线图；以及图9A和9B是表示本发明的方法怎样用于平衡环隙压力降低和尖峰的曲线图，该环隙压力降低和尖峰伴随着泵关闭/泵打开的状态。
优选实施例的详细说明本发明将在钻井和插入操作过程中实现井孔的动态环隙压力控制(DAPC)。
优选实施例的结构图2A是表示采用本发明的地面钻井系统的平面图。应当知道，近海钻井系统同样可以采用本发明。钻井系统100表示为包括钻塔102，该钻塔102用于支持钻井操作。为了容易表示，用于钻塔102上的很多部件例如方钻杆、动力钳、卡瓦、绞车和其它设备都未示出。钻塔102用于支持在岩层104中的钻井和勘探操作。如图2所示，井孔106以及部分钻出，套筒108以及设置和粘接109就位。在优选实施例中，套筒关闭机构或井下调配阀110安装在套筒108上，以便选择地关闭环形通路，并有效作为阀，以便当钻头位于阀上面时关闭裸井部分。
钻杆柱112支承底部孔组件(BHA)113，该底部孔组件113包括钻头120、泥浆马达118、MWD/LWD传感器组119(包括用于确定环隙压力的压力传感器116)、以及止回阀(用于防止流体从环形通道回流)。它还包括遥测组件122，该遥测组件122用于传输压力、MWD/LWD以及钻井信息，以便在地面进行接收。尽管图2A表示了BHA利用泥浆遥测系统，但是应当知道，其它遥测系统例如射频(RF)、电磁(EM)或钻杆柱传输系统也可以用于本发明中。
如上所述，钻井处理需要使用钻井液150，该钻井液150储存在储存器136中。储存器136与一个或多个泥浆泵138流体连通，该泥浆泵138通过导管140泵送钻井液150。导管140与钻杆柱112的最后接头(该接头穿过旋转或球形BOP 142)连接。旋转BOP 142在起动时推压球形弹性体元件，以便使它旋转向上，关闭钻杆柱112周围、隔开压力，但是仍然允许钻杆柱旋转。市场上可购得的球形BOP(例如由Varco International制造的球形BOP)能够隔开10000psi(68947.6kPa)的环隙压力。钻井液150通过钻杆柱112和BHA 113而向下泵送，并离开钻头120，其中，它使切屑离开钻头120流动，并使它们向上返回裸井环形通道115，然后返回至形成于套筒108和钻杆柱112之间的环形通道。流体150返回地面，并经过分流器117，通过导管124和各个缓冲罐和遥测系统(未示出)。
然后，流体150前进至通常称为背压系统131的系统。流体150进入背压系统131，并流过流量计126。该流量计126可以是流量平衡类型或其它高分辨率流量计。利用流量计126，操作人员将能够确定多少流体通过钻杆柱112泵送到井内，并能确定从井中返回的流体150量。根据泵送流体150量与返回流体150量的差值，操作人员能够确定流体150是否损失到岩层104中，该损失可能表示已经发生岩层断裂，即有明显负压差。同样，明显正压差将表示岩层流体进入井孔。
流体150前进至抗磨损阻塞门130。应当知道，已经有设计成在钻井液150包含钻屑和其它固体的情况下工作的阻塞门。阻塞门130是这样一种类型，并还能够在可变压力下工作和通过多个工作循环。流体150离开阻塞门130并流过阀121。然后，流体150通过可选的脱气装置1和一系列过滤器和振动台129来进行处理，这些过滤器和振动台129设计成从流体150中除去污染物(包括切屑)。然后，流体150返回储存器136。流动回路119A布置在阀125之前，用于将流体150直接供给背压泵128。也可选择，背压泵128可以通过导管119B而从储存器提供流体，该导管119B与储存器1(泥浆补给罐)流体连通。泥浆补给罐通常用于钻塔上，以便在释放操作过程中监测流量增量和损失。在本发明中，保持该功能。三通阀125可以用于选择回路119A、导管119B或隔开背压系统。尽管背压泵128能够通过选择流动回路119A而利用返回的流体来产生背压，但是应当知道，返回的流体可能有通过过滤器/振动台129未除去的污染物。因此，背压泵128的磨损可能增加。因此，用于产生背压的优选供给流体将使用回路119A，以便向背压泵128提供还原的流体。
在工作中，阀125将选择导管119A或导管119B，背压泵128用于保证足够流量通过阻塞门系统，以便即使当没有流体从环形通道115流回时也能够保持背压。在优选实施例中，背压泵128能够提供直到大约2200psi(15168.5kPa)的背压；不过也可以选择更高压力性能的泵。
与普通流体控制系统相比，提供背压的能力明显提高。由流体提供的、在环形通道中的压力是它的密度和真正垂直深度的函数，且通常为近似线性函数。如上所述，添加给储存器136内的流体中的添加剂必须泵送到井下，以便最终改变由流体150施加的压力梯度。
本发明的优选实施例还包括在导管100中的流量计152，以便测量泵送到井下的流体量。应当知道，通过监测流量计126、152和由背压泵128泵送的容积，系统可以很容易确定损失到岩层中的流体150的量，或者相反，确定泄漏到井孔106中的岩层流体量。在本发明中还包括用于监测井压状态以及预测井孔106和环形通道115的压力特征的系统。
图2B表示了本发明的可选实施例，在该实施例中，当由于任何原因而需要断开流过井中的流体流时，并不需要背压泵来保持充分流过阻塞门系统。在本实施例中，附加的三通阀6布置在导管140中的钻塔泵138的下游。该阀允许流体通过钻塔泵而完全从导管140转向导管7，但是不允许流体从钻塔泵138进入钻杆柱112。通过保持泵138的泵作用，保证流体充分流过歧管，以控制背压。
DAPC监测系统图3表示了本发明优选实施例的压力监测系统146的方框图。输入监测系统146的系统输入包括井下压力202，该井下压力202由传感器组119进行测量，由MWD脉冲器组122进行传递，并由地面上的传感器设备(未示出)进行接收。其它的系统输入包括泵压力200、由流量计152输入的流量204、渗透率和杆转速、以及钻头上的重量(WOB)和钻头上的力矩(TOB)，该钻头上的重量和钻头上的力矩可以作为压力脉冲而从BHA 113沿环形通道向上传输。返回流量利用流量计126来测量。表示输入数据的信号传输给控制单元230，该控制单元230自身包括钻塔控制单元232、钻井操作人员工作站234、DAPC处理器236和可编程背压逻辑控制器(PLC)238，它们都通过公共数据网络240而连接。DAPC处理器236起到三个功能在钻井操作过程中监测井孔压力状态；预测井孔对继续钻探的响应；以及向背压PLC发出指令，以便控制可变阻塞门130和背压泵128。与DAPC处理器236相关的特定逻辑线路将在下面进一步介绍。
背压计算在图4中表示了DAPC压力监测系统146的功能的示意模型。DAPC处理器236包括用于执行控制功能和实时模型校准功能的程序。DAPC接收来自各个源的数据，并根据输入参数而连续地实时地计算正确的背压设定点。然后，该设定点传送给可编程逻辑控制器238，该逻辑控制器238产生背压泵128的控制信号。输入参数分成三个主组。第一主组是相对固定参数250，包括参数例如井和套筒柱的几何形状、钻头喷嘴直径以及井轨迹。应当知道，尽管实际井轨迹可以与计划轨迹不同，但是可以通过校正计划轨迹来考虑该变化。还有，在环形通道中的流体温度型面以及流体组分也在该组参数内。对于轨迹参数，它们通常已知，且在钻井操作过程中并不改变。特别是，通过DAPC系统，一个目的是保持流体150的密度和组分相对恒定，从而使用背压来提供附加压力，以控制环形通道压力。
第二组参数252在性质上为变量，并进行实时检测和逻辑运算。公共数据网络240将该信息提供给DAPC处理器236。该信息包括分别由井下和返回流量计152和126提供的流量数据、钻杆柱的穿透速度(ROP)或速度、钻杆柱转速、钻头深度以及井深，后两个数据由钻塔传感器数据得出。最后的参数是井下压力数据254，该井下压力数据254由井下MWD/LWD传感器组119提供，并通过泥浆脉冲预测组件122而沿环形通道向上送回。另一个输入参数是设定点的井下压力256，即所希望的环形通道压力。
控制模块258的功能是试图利用设计成用于各种形状和流体参数的各种模型来计算在整个井孔长度上在环形通道中的压力。在井孔中的压力不仅是井中的流体柱的压力或重量的函数，而且包括由钻井操作引起的压力，其中包括由钻杆柱代替流体、沿环形通道返回的摩擦损失、以及其它因素。为了计算井内的压力，控制模块258认为井是有限数目的段，每段具有一段井孔的长度。在各段中，计算动态压力和流体重量，并用于确定段的压力差262。多个段进行总计，并确定整个井型面的压力差。
已知泵送至井下的流体150的流率与流体150的流速成正比，并可以用于确定当流体泵送至井下时的动态压力损失。考虑到流体的可压缩性，在各段中计算流体150的密度，估计切削负载和特定部分的流体的热膨胀，该热膨胀自身与井段的温度型面相关。在段的温度型面下的流体粘性也是确定该段的动态压力损失的手段。在确定可压缩性和热膨胀系数时，还考虑流体的组分。钻杆柱ROP涉及在钻井操作过程中在钻杆柱运动至井孔内或从井孔出来时遇到的冲击和抽吸压力。钻杆柱旋转也用于确定动态压力，因为它在环形通道内的流体和钻杆柱之间产生摩擦力。钻头深度、井深和井/柱的几何形状也用于帮助产生要建模的井孔段。为了计算流体的重量，优选实施例不仅考虑由流体150施加的静液压，而且还考虑在工作过程中的流体压缩、流体热膨胀和流体的剪切负载。应当知道，剪切负载可以在流体返回地面并还原以便再次使用时来确定。所有这些因素都参加“静压”的计算。
动态压力考虑很多与确定静压方面相同的因素。不过，还考虑多个其它因素。其中有层流相对湍流的概念。流动特性是估计粗糙度、孔尺寸和流体流速的函数。计算还考虑了所述段的特定几何形状，这将包括井孔偏心率和特定钻管的几何形状(盒/销颠倒)，它们将影响井孔环形通道中的流速。动态压力计算还包括井下的切屑积累以及流体流变和钻杆柱运动(穿透和旋转)对流体的动态压力的影响。
计算整个环形通道的压力差262，并与控制模块264中的设定点压力251比较。然后确定合适的背压266，并传递给可编程的逻辑控制器238，该逻辑控制器238用于产生背压泵128的控制信号。
背压的校准和校正上述背压通常利用几个井下参数来计算，这些参数包括井下压力以及流体粘性和流体密度的估计值。这些参数在井下确定，并利用压力脉冲而沿泥浆柱向上传输。因为泥浆脉冲遥测的数据带宽非常低，且该带宽由其它MWD/LWD函数以及钻杆柱控制函数来使用，因此，井下压力、流体密度和粘性不能实时输入DAPC模型中。因此，应当知道，在测量的井下压力(当传输至地面时)和该深度的预测井下压力之间可能有差异。当出现这种情况时，DAPC系统计算参数的调节值，并将它们用于模型中，以便形成新的井下压力最佳估计值。模型的校正可以通过改变任何可变参数来进行。在优选实施例中，改变流体密度和流体粘性，以便校正预测井下压力。而且，在本实施例中，实际井下压力测量值通常只用于校准计算的井下压力。它并不用于预测进行环隙压力响应。当井下遥测带宽增加时，实际上可以包括实时井下压力和温度信息，以便校正模型。
因为在井下压力的测量和其它实时输入之间有延迟，因此DAPC控制系统236还用于指引输入值，这样，实时输入与延迟的井下传输输入合适相关。钻塔传感器输入、计算压力差和背压以及井下测量值都可以“印上时间”或“印上深度”，这样，输入和结果可以与后来接收的井下数据合适地相关。利用基于一组最近的、印上深度的实际压力测量值的回归分析，模型可以调节成更准确地预测实际压力和所需背压。
图5表示了显示未校准DAPC模型的DAPC控制系统的操作。应当知道，由于信号选择和沿井孔向上传输的时间延迟，在钻井(PWD)400时的井下压力的时间变化。因此，在DAPC预测压力404和没有印上时间的PWD 400之间有明显偏差。当PWD印上时间并变回时间402时，与没有印上时间的PWD 400相比，在PWD 402和DAPC预测压力404之间的差值减小。不过，DAPC预测压力明显不同。如上所述，该差别通过改变流体150的密度和粘性的模型输入来解决。根据新的估计值，在图6中，DAPC预测压力404更紧密地跟踪印上时间的PWD 402。因此，DAPC模型使用PWD来标定预测压力，并改变模型输入，以便更精确地预测在整个井孔型面上的井下压力。
根据DAPC预测压力，DAPC控制系统236将计算所需的背压水平266，并将它传输给可编程逻辑控制器240。该可编程逻辑控制器240再产生用于阻塞门130、阀121和123以及背压泵128所需的控制信号。
DAPC系统的应用在图7的曲线中可以很容易知道利用DAPC背压系统的优点。流体的静液压表示为线302。如图所示，压力作为井孔深度的线性函数而根据简单公式增加P＝ρTVD+C (1)其中，P是压力，ρ是流体密度，TVD是井的总垂直深度，而C是背压。在静液压302的实例中，密度是水的密度。而且，在开环系统中，背压C为零。不过，为了保证环隙压力303超过岩层孔压力300，流体进行增重，从而增大在深度增加时施加的压力。孔压力型面300如图7所示为线性，直到它离开套筒301，在本例中，它受到实际岩层压力，导致压力突然增加。在正常操作中，流体密度必须选择为使得环隙压力303在套筒301下面超过岩层孔压力。
相反，使用DAPC使得操作人员能够在环隙压力中形成基本阶梯变化。在图7中表示了多个DAPC压力线304、306、308和310。随着孔压力在300b处的压力增加，背压C可以增加，以便响应增加的孔压力300b而使环隙压力从304至306至308至310进行阶梯变化，与线303表示的普通环隙压力技术相反。DAPC概念还提供了能够响应孔压力在300c处的减小而减小背压的优点。应当知道，在保持环隙压力310的DAPC和孔压力300c之间的差值(称为超平衡压力)明显小于使用普通环隙压力控制方法303的超平衡压力。较高的超平衡状态可能对岩层的渗透性有不利影响，其将迫使更大量的井内流体进入岩层。
图8是表示DAPC系统在At平衡钻(ABD)情况下的一种应用的曲线图。在图8中的情况表示了在区间320a中的孔压力为线性，直到大约2km TVD，并象普通环隙压力321a一样保持控制。在2kmTVD处，孔压力在320b处突然增加。利用目前技术，方法将是增加流体密封，以便防止岩层流体流入和井孔泥饼脱落。所形成的密度增加使得由流体施加的压力型面改变成321b。不过，这样做时，不仅在区域320c明显增加了超平衡压力，而且在区域320a中也是这样。
利用DAPC技术，对320b处的压力增加的可选响应将是向流体施加背压，以便使压力型面向右移动，这样，压力型面322更紧密地与孔压力320c匹配，这与压力型面321b相反。
压力控制的DAPC方法还可以用于控制主要的井事件，流入流体流入。通过目前方法，在较大岩层流体流入事件(例如轻微井喷)中，只能选择关闭BOP，以便有效关闭井，并通过阻塞门和压井管汇而释放压力，并增重钻井液，以便提供附加环隙压力。该技术需要时间来使井处于控制中。一种可选方法是有时称为“Driller”的方法，它在不关闭井的情况下采用连续循环。在低于任何设定套筒进行钻井操作的过程中，例如18磅每加仑(ppg)(3.157kg/l)的较重增重流体持续可用。当检测到轻微井喷或岩层流体流入时，向井下添加该较重增重流体并进行循环，从而使得流入流体溶入循环流体。流入流体在到达套筒鞋时开始离开溶液并通过阻塞门歧管而释放。应当知道，当Driller方法用于流体的连续循环时，可能在没有向前钻井的情况下还需要附加循环时间，以便防止附加岩层流体流入，并使得岩层流体能够与目前的更高密度的钻井液一起循环。
利用目前的DAPC方法，当检测到岩层流体流入时，背压增加，与添加较重的增重流体不同。与Driller方法类似，循环继续进行。通过增加压力，流入的岩层流体将溶入循环流体，并通过阻塞门歧管释放。因为压力增加，因此不再需要立即使较重增重流体循环。而且，因为背压直接施加在环形通道上，因此迫使岩层流体快速进入溶液，而不是进行等待直到较重的增重流体循环到环形通道中。
DAPC技术的附加使用涉及它用于非连续循环系统。如上所述，连续循环系统用于帮助稳定岩层，避免在关闭泥浆泵以便形成/断开新的管连接时产生突然的压力502降低。当泵返回钻井操作时，压力尖峰504跟随在该压力降低502后面。这如图9A所示。在环隙压力500中的这些变化可能对井孔泥饼产生不利影响，并可能导致流体侵入岩层。如图9B所示，DAPC系统背压506可以在关闭泥浆泵时施加给环形通道，从而将泵关闭状态时环隙压力的突然降低改善为更柔和的压力降低502。在打开泵之前，背压可以减小，因此同样可以减小泵的状态尖峰504。因此，DAPC背压系统能够在钻井状态下保持相对稳定的井下压力。尽管已经参考特定实施例介绍了本发明，但是应当知道，在不脱离本发明的情况下，可以对所述系统和方法进行变化。
权利要求
1.一种用于在钻探地下岩层的过程中控制岩层压力的系统，包括钻杆柱，该钻杆柱伸入井孔内，该钻杆柱包括底部孔组件，该底部孔组件包括钻头、传感器和遥测系统，该遥测系统能够接收和传输数据，该数据包括传感器数据，所述传感器数据包括至少压力和温度数据；地面遥测系统，用于接收数据和向底部孔组件传输指令；第一泵，用于选择地使钻井液从钻井液源泵送、通过所述钻杆柱、从所述钻头流出，并进入当所述钻杆柱穿透岩层时产生的环形空间内；流体排出导管，该流体排出导管与所述环形空间流体连通，用于使所述钻井液排出至储存器，以便清洁所述钻井液，用于重新使用；流体背压系统，该流体背压系统与所述流体排出导管连接，所述流体背压系统包括流量计、流体阻塞门、背压泵、流体源，因此，所述背压泵可选择驱动，以便增加环形空间的钻井液压力。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括压力监测系统，该压力监测系统能够接收钻井操作数据，所述钻井操作数据包括在钻头上的钻杆柱重量、在钻头上的钻杆柱力矩、钻井液重量、钻井液容积、第一泵压力和背压泵压力、钻井液流率、钻杆柱穿透速度、钻杆柱转速、以及由所述底部孔组件传输的传感器数据。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述压力监测系统利用所述钻井操作数据来在钻井操作过程中监测现有的所述环形空间压力；对用于继续钻井的井孔预计压力进行建模；以及根据现有环隙压力和井孔预计压力来控制所述第一泵和流体背压系统。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述压力监测系统还包括连通装置、处理装置和控制装置，该控制装置用于控制所述第一泵和流体背压系统。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体背压系统流体源是所述钻井液源。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述流体背压系统流体源是所述流体排出口。
7.一种用于在钻探地下岩层的过程中控制岩层压力的方法，该方法包括布置钻杆柱，该钻杆柱伸入井孔内，该钻杆柱包括底部孔组件，该底部孔组件包括钻头、传感器和遥测系统，该遥测系统能够接收和传输数据，该数据包括传感器数据，所述传感器数据包括至少压力和温度数据；提供地面遥测系统，用于接收数据和向所述底部孔组件传输指令；利用第一泵选择地使钻井液从钻井液源泵送、通过所述钻杆柱、从所述钻头流出，并进入当所述钻杆柱穿透岩层时产生的环形空间内；提供流体排出导管，该流体排出导管与所述环形空间流体连通，用于使所述钻井液排出至储存器，以便清洁所述钻井液，用于重新使用；利用流体背压系统来选择地增加环形空间的钻井液压力，该流体背压系统与所述流体排出导管连接，所述流体背压系统包括流量计、流体阻塞门、背压泵、流体源。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括提供压力监测系统，该压力监测系统用于接收钻井操作数据，所述钻井操作数据包括在钻头上的钻杆柱重量、在钻头上的钻杆柱力矩、钻井液重量、钻井液容积、第一泵压力和背压泵压力、钻井液流率、钻杆柱穿透速度、钻杆柱转速、以及由所述底部孔组件传输的传感器数据。
9.根据权利要求8所述的方法，其中利用所述钻井操作数据，所述压力监测系统还在钻井操作过程中监测现有的所述环形空间压力；对用于继续钻井的井孔预计压力进行建模；以及根据现有环隙压力和井孔预计压力来控制所述第一泵和流体背压系统。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述压力监测系统还包括连通装置、处理装置和控制装置，该控制装置用于控制所述第一泵和流体背压系统。
11.根据权利要求7所述的方法，其中所述流体背压系统流体源是所述钻井液源。
12.根据权利要求7所述的方法，其中所述流体背压系统流体源是所述流体排出口。
全文摘要
一种用于在钻探地下岩层的过程中利用选择的流体背压系统来控制岩层压力的系统和方法，其中，流体根据检测的井孔压力被泵送到钻井液返回系统。还设置有一压力监测系统用于监测该检测的井孔压力；对预计井孔压力进行建模以便进一步钻探；并控制流体背压系统。
文档编号E21B44/00GK1643233SQ03806814
公开日2005年7月20日 申请日期2003年2月19日 优先权日2002年2月20日
发明者埃格伯特·J·范利特 申请人:国际壳牌研究有限公司