专利名称：一种控压钻井系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种油气田钻井工程技术领域，是精确控制井底压力、提高钻井
安全性、降低非生产时效的控压钻井系统。
技术背景 井底压力控制是钻井过程中的关键环节。常规钻井过程中，钻井液压力是用来控 制地层压力并保持井眼稳定。静止状态下，井底压力PBH仅与钻井液静液柱压力P一有关； 循环状态下，井底压力PBH是钻井液静液压力PHyd和环空压耗PAF两者之和。然而随着油气勘 探开发向深水、深层发展，深水和深部复杂地层给传统钻井过程中井底压力的控制带来诸 多难题。特别是在钻遇窄密度窗口地层，地层压力窗口甚至小于0.02g/cm3，这就导致了传
统工艺钻井过程中，开泵、下钻时钻井液漏失严重，停泵、起钻时发生气侵、井涌等问题。这 些问题严重制约了窄密度窗口地层油气的勘探和开发。 控压钻井是最近几年在国外快速发展的一项新技术，该技术使用欠平衡钻井的设 备，使钻井液处于闭环回路的循环方式，精确控制井筒环空压力剖面，使井筒压力剖面处于 地层孔隙压力和破裂压力间，避免或减少井漏和井涌等复杂事故的发生。控压钻井技术是 以解决钻井复杂事故为其基本出发点，采用欠平衡或微过平衡方式钻进，钻井过程中能够 通过适当的工艺、技术和设备，安全、有效地处理涌入井筒的流体。与欠平衡钻井技术相比， 控压钻井技术解决了欠平衡钻井技术所无法克服的地层出水、井壁失稳、储层含H2S等问 题。控压钻井技术的优势可总结为以下几点解决窄密度窗口地层安全钻井的问题，减轻对 地层的伤害，减少井下复杂事故，提高钻井的安全性和机械钻速。因此，控压钻井技术可用 于完成高难度井、低经济效益井和以前"不可钻"井的钻井作业。 目前控压钻井技术有多种方式，如不间断循环系统、井底恒压系统、微流量控制系 统、深水双梯度系统、加压泥浆帽系统和当量泥浆循环密度降低工具等。这些技术都具有自 身的技术特征和应用范围，其技术的发展程度也不尽相同。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一套能精确自动控制井底压力处于平衡或微过平衡状 态的控压钻井系统，控制井底压力一直小于地层漏失压力、大于地层孔隙压力，避免井底出 现钻井液漏失或地层流体涌出的复杂事故，在不改变现场技师操作习惯的原则下，通过对 设备的干预控制，消除人工操作井底压力波动过大的问题，提高控压钻井作业效率。 本实用新型所述的控压钻井系统是由压力传感器、数据采集器、计算机或服务器、 工控机、PLC控制器、电机、旋转控制头、控压钻井节流管汇、回压泵、质量流量计构成； 压力传感器包括泥浆泵冲传感器、回压泵冲传感器、绞车钻速传感器、回压压力 传感器、井下测量传感器和溢流阀压力传感器；压力传感器通过信号传输电缆与数据采集 器连接，数据采集器分别与工控机和计算机连接，计算机与工控机连接，工控机连接PLC控 制器，PLC控制器分别与泥浆泵电机、回压泵电机、绞车电机、溢流阀和液动控制箱连接；泥浆泵冲传感器安装在泥浆泵上，泥浆泵的进液端通过泥浆泵进液管线与泥浆池相连，泥浆 泵出口端通过水龙带与顶驱的水龙头相连，井下测量传感器一端与钻杆连接，另一端与钻 头相连，钻杆穿过井口安装的防喷器组合和旋转控制头，通过保护接头与顶驱相连；旋转控 制头出口端通过管线分成两路，一路连接溢流阀，溢流阀通过泄压管与泥浆池相连，溢流阀 压力传感器安装在溢流阀上；另一路又被分成两路，一路通过板阀与回压泵的排液端连接， 一路连接控压钻井节流管汇的进液端，回压泵通过回压泵进液管与泥浆池相连；控压钻井 节流管汇出口端与质量流量计的进口端相连，质量流量计出口端与除气器的进口相连，除 气器出口接振动筛，振动筛通过排液管与泥浆池相连；回压泵冲传感器安装在回压泵上； 回压压力传感器安装在控压钻井节流管汇；顶驱通过钓钩与游车相连，游车通过钢缆和天 车与绞车相连，绞车通过螺纹固定在钻台上，绞车钻速传感器安装在绞车上。 数据采集转换模块采集并转换传感器实时测量的数据，将采集的数据分别输送到 水力计算和设备工艺参数优化模块和综合分析控制模块。钻井固定参数通过手工输入或固 定格式导入的方式输入到水力计算和设备工艺参数优化模块。水力计算和设备工艺参数优 化模块将根据输入的参数计算出模拟结果，实时水力模拟结果同时还被输送到综合分析控 制模块，综合分析控制模块对比分析实时采集数据和水力模拟结果，需要对设备控制时，综 合分析控制模块向PLC控制器发出控制信号，完成对相关设备的控制。 水力计算和设备工艺优化模块主要由下面两个功能(1)控压钻井作业前的水力
设计和控压钻井过程中的实时水力模拟计算；(2)根据水力学计算结果优化地表设备参
数；数据输入由两部分组成固定参数和实时测量参数。固定参数包括井深、井径、套管程
序、钻杆直径等。实时测量参数经过格式转换直接输入到实时水力模型中。根据输入的实
时参数模拟出正钻井段的井筒钻井液的水力学特征、预测出该井段未钻井段的井眼水力学
特征，优化此刻的设备工艺参数、预测打完此单根或立柱时的最优的设备工艺参数。采用实
时井下测量设备，将井下测量设备的数据用于校正实时在线模式下水力计算和设备工艺参
数优化模块，水力计算和设备工艺参数优化模块的模拟结果可通过显示器以图形文件显示
在显示器上，同时还以一定格式将模拟结果数据文件输入到综合控制模块。 综合分析控制模块接收来自现场实时采集数据和水力计算和设备工艺参数优化
模块的模拟计算数据，并对比两种对应的数据，判断两者间的差别。若两者间无偏差或偏差
在允许的设定范围内，那么设备将保持现有的运行参数；若差别大于允许的设定范围，那么
综合分析控制模块就发送信号给PLC控制器以便控制相应的设备，如钻井泵、回压泵、和绞
车等。如接单根时，水力计算和设备工艺参数优化模块首先将接单根时所需的地表回压、井
底压力、优化的起下钻速度、泥浆泵起停模式和回压泵的起停模式模式等数据传送到综合
分析控制模块，综合控制模块将该计算结果暂存，并与传感器获得的实时信号数据进行对
比，判断计算值与实时测量值间的差别，若差别处于允许范围内，那么则继续保持设备目前
的运行参数不变。若计算值与实时测量间的差别超出允许的偏差范围，那么综合分析控制
模块将向PLC控制器发出控制信号，PLC控制器根据控制模块的信号向相应的设备传送命
令，调整设备的运行参数。综合分析控制模块对控压钻井设备的控制都按照优化后设备工
艺参数进行控制。 执行模块接受综合分析控制模块的指令，并根据指令对相应的设备进行调整。 发明效果[0013] 本发明可自动精确地控制井底压力，使井底压力一直处于微过平衡状态，在不改 变现场钻井技师操作习惯的原则上，干预控制能从根本上消除人工操作无法克服的井底 压力波动过大的缺点，确保整个钻井过程中环空压力剖面处于地层的孔隙压力和破裂压力 间，避免或降低钻井液漏失和地层流体涌出事故的发生，提高窄密度窗口地层钻井的作业 效率、降低复杂事故。本发明可用于窄密度窗口地层、海洋深水、大位移井等复杂地层的钻 井作业。
图l控压钻井示意图。
其中 l泥浆泵进液管线，2泄压管线，3泥浆池，4排液管线，5振动筛，6回压泵进液管 线，7除气器，8泥浆泵冲传感器，9泥浆泵，10安全溢流阀，11回压泵，12回压泵冲传感器， 13质量流量计，14控压钻井节流管汇，15回压压力传感器，16板阀，17管线，18水龙带，19 调钩，20顶驱，21保护接头，22天车，23钢缆，24游车，25绞车，26绞车钻速传感器，27钻台， 28旋转控制头，29环形防喷器，30钻杆，31井下测量传感器，32钻头； 图2控制系统示意图。 2001溢流阀压力传感器，2002泥桨泵驱动电机或柴油机，2003回压泵驱动电机或 柴油机，2004绞车电机，2005液动控制箱，2006PLC控制器，2007工控机，2008数据采集器， 2009计算机，2010信号传输电缆； 图3控制系统功能模块示意图。 3001钻井固定参数，3002传感器实时测量数据，3003数据采集转换模块，3004水 力计算和设备工艺参数优化模块，3005模拟结果，3006综合分析控制模块；
具体实施方式本实用新型所述的控压钻井系统是由压力传感器、数据采集器、计算机或服务器、 工控机、PLC控制器、电机、旋转控制头、控压钻井节流管汇、回压泵、质量流量计构成； 压力传感器包括泥浆泵冲传感器8、回压泵冲传感器12、绞车钻速传感器26、回 压压力传感器15、井下测量传感器31和溢流阀压力传感器2001 ;压力传感器通过信号传输 电缆2010与数据采集器2008连接，数据采集器分别与工控机2007和计算机2009连接，计 算机与工控机连接，工控机连接PLC控制器2006，PLC控制器分别与泥浆泵电机2002、回压 泵电机2003、绞车电机2004、溢流阀10和液动控制箱2005连接；泥浆泵冲传感器8安装在 泥浆泵9上，泥浆泵9的进液端通过泥浆泵进液管线1与泥浆池3相连，泥浆泵9出口端通 过水龙带18与顶驱20的水龙头相连，井下测量传感器31 —端与钻杆30连接，另一端与钻 头32相连，钻杆30穿过井口安装的防喷器组合29和旋转控制头28通过保护接头21与顶 驱20相连；旋转控制头28出口端通过管线17分成两路， 一路连接溢流阀10，溢流阀10通 过泄压管与泥桨池3相连，溢流阀压力传感器2001安装在溢流阀IO上；另一路又被分成两 路，一路通过板阀16与回压泵11的排液端连接，一路连接控压钻井节流管汇14的进液端， 回压泵11通过回压泵进液管6与泥浆池3相连；控压钻井节流管汇14出口端与质量流量 计13的进口端相连，质量流量计出口端与除气器7的进口相连，除气器7出口接振动筛5， 5接振动筛5通过排液管4与泥浆池3相连；回压泵冲传感器12安装在回压泵上；回压压力
传感器15安装在控压钻井节流管汇14 ;顶驱20通过钓钩19与游车24相连，游车24通过 钢缆23和天车22与绞车25相连。绞车25通过螺纹固定在钻台27上，绞车钻速传感器26 安装在绞车25上。 数据采集转换模块3003采集并转换传感器实时测量的数据3002，将采集的数据 分别输送到水力计算和设备工艺参数优化模块3004和综合分析控制模块3006。钻井固定 参数3001通过手工输入或固定格式导入的方式输入到水力计算和设备工艺参数优化模块 3004。水力计算和设备工艺参数优化模块3004将根据输入的参数计算出模拟结果3005， 实时水力模拟结果3005同时还被输送到综合分析控制模块3006，综合分析控制模块3006 对比分析实时采集数据3002和水力模拟结果3005，需要对设备控制时，综合分析控制模块 3006向PLC控制器发出控制信号，完成对相关设备的控制。
权利要求一种控压钻井系统，是由压力传感器、数据采集器、计算机或服务器、工控机、PLC控制器、电机、旋转控制头、控压钻井节流管汇、回压泵、质量流量计构成；其特征在于压力传感器包括泥浆泵冲传感器、回压泵冲传感器、绞车钻速传感器、回压压力传感器、井下测量传感器和溢流阀压力传感器；压力传感器通过信号传输电缆与数据采集器连接，数据采集器分别与工控机和计算机连接，计算机与工控机连接，工控机连接PLC控制器，PLC控制器分别与泥浆泵电机、回压泵电机、绞车电机、溢流阀和液动控制箱连接；泥浆泵冲传感器安装在泥浆泵上，泥浆泵的进液端通过泥浆泵进液管线与泥浆池相连，泥浆泵出口端通过水龙带与顶驱的水龙头相连，井下测量传感器一端与钻杆连接，另一端与钻头相连，钻杆穿过井口安装的防喷器组合和旋转控制头通过保护接头与顶驱相连；旋转控制头出口端通过管线分成两路，一路连接溢流阀，溢流阀通过泄压管与泥浆池相连，溢流阀压力传感器安装在溢流阀上；另一路又被分成两路，一路通过板阀与回压泵的排液端连接，一路连接控压钻井节流管汇的进液端，回压泵通过回压泵进液管与泥浆池相连；控压钻井节流管汇出口端与质量流量计的进口端相连，质量流量计出口端与除气器的进口相连，除气器出口接振动筛，振动筛通过排液管与泥浆池相连；回压泵冲传感器安装在回压泵上；回压压力传感器安装在控压钻井节流管汇；顶驱通过钓钩与游车相连，游车通过钢缆和天车与绞车相连，绞车通过螺纹固定在钻台上，绞车钻速传感器安装在绞车上。
专利摘要本实用新型涉及一种控压钻井系统，压力传感器与数据采集器连接，数据采集器分别与工控机和计算机连接，工控机连接PLC控制器，PLC控制器分别与泥浆泵电机、回压泵电机、绞车电机、溢流阀和液动控制箱连接；泥浆泵冲传感器安装在泥浆泵上，井下测量传感器一端与钻杆连接，另一端与钻头相连；旋转控制头出口端通过管线分成两路，一路连接溢流阀，溢流阀压力传感器安装在溢流阀上；另一路又被分成两路，一路与回压泵连接，一路连接控压钻井节流管汇；回压泵冲传感器安装在回压泵上；回压压力传感器安装在控压钻井节流管汇；绞车钻速传感器安装在绞车上；本系统可使井底压力处于微过平衡状态，避免或降低钻井液漏失和地层流体涌出事故的发生。
文档编号E21B44/00GK201460863SQ20092011029
公开日2010年5月12日 申请日期2009年7月30日 优先权日2009年7月30日
发明者卓鲁斌, 崔龙连, 汪海阁, 葛云华 申请人:中国石油天然气集团公司;中国石油集团钻井工程技术研究院