专利名称：一种钻井环空压力精细控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及油气田钻井工程技术领域，是一种钻井环空压力精细控制系统， 进一步地说，是一种能够精确控制井眼环空压力剖面、在静态和动态条件下实现钻井过程 中井底压力相对稳定的压力控制系统。
背景技术：
目前，随着海洋勘探开发规模的不断扩大以及陆地上对更深、更复杂地层勘探开 发活动的日益增多，深水环境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，尤其是在复杂地层情况下，由于孔隙压力和破裂压力之间的窗口通常比较小，常会遇 到喷、漏、卡和塌等井下复杂情况，不但会延长钻井周期，而且还会带来HSE (健康、安全、环 境)方面的问题。为了解决上述问题，最近几年提出的控压钻井技术是钻井过程中进行压力控制的 一个较新方法，控压钻井技术通过对井口回压、流体密度、流体流变性、环空液面高度、钻井 液循环摩阻和井眼几何尺寸的综合控制，使整个井眼的压力维持在地层孔隙压力和破裂压 力之间，有效控制地层流体侵入井筒，减少井涌、井漏、卡钻等多种钻井复杂情况，非常适宜 孔隙压力和破裂压力窗口较窄的地层作业。与传统过平衡钻井技术相比，控压钻井技术有 更多、更有效、更迅速的手段和方法实现对井筒环空压力的控制。与欠平衡钻井技术相比， 控压钻井技术是以解决钻井复杂事故为其基本出发点，采用近平衡或略过平衡方式钻井， 钻井过程中不诱导地层流体涌出，如果有微量地层流体涌入井筒，可以通过控压钻井设备 及工艺方法安全、有效地处理。控压钻井技术能够解决一系列与钻井压力控制相关的问题， 增强了钻井作业的安全性和可靠性、降低了经济成本。国外控压钻井技术经过多年的发展，已形成较为成熟的控压钻井方法及配套装 备，目前实现控压钻井的主要方法有井底恒压系统、微流量控制系统、双梯度钻井技术、力口 压泥浆帽钻井技术、当量循环密度降低工具和连续循环系统等。这些技术方案都有其各自 的特征和适用范围，微流量控制系统能较精确的进行早期溢流检测，但对井眼压力的控制 水平较弱；加压泥浆帽钻井技术会浪费大量钻井液并且对地层条件有限制；双梯度钻井技 术主要应用于海上，能比较好的解决问题；当量循环密度降低工具使用效果并不明显。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种能精确自动控制井眼环空压力剖面的压力控制系 统，能够满足控压钻井的不同工况，实现在静态和动态条件下均保持井底压力的相对稳定， 能有效控制地层流体侵入井筒，减少井涌、井漏、卡钻等多种钻井复杂情况的发生，并具有 控压精度高、安全可靠、性能良好、自动化程度高的特点。本实用新型采用的技术方案是钻井环空压力精细控制系统，主要由旋转控制头 自动控制节流管汇、回压泵、质量流量计、井底压力随钻测量仪、压力传感器、四相分离器、 上位计算机、控制器、数据采集系统组成；其特征在于四通连接三条管线并分成三路管线，第一路管线连接第一气控平板阀和第一压力传感器后与旋转控制头出口端连接；第二路管线依次连接有第二气控平板阀、四通、井控节流管汇和四相分离器，四相分离器通过排 液管线与泥浆池连接。在第二路管线的四通上接有管线，该管线与井口钻井四通相连；第三 路管线又分为两个支路，第一支路依次连接有第二压力传感器、自动控制节流管汇、第四压力 传感器、第二质量流量计、振动筛，振动筛通过筛后排液管与泥浆池连接；第二支路依次连接 有压力传感器、气控平板阀、第三压力传感器、回压泵、第一质量流量计和灌注泵，灌注泵的进 液端通过回压泵进液管线与泥浆池相连；在第一支路中的第二质量流量计与振动筛之间的 四通上有管线与四相分离器相连；钻井泵进液端通过钻井泵进液管线与泥浆池连接，钻井泵 排液端通过管线与水龙带相连；井底压力随钻测量仪连接在钻头的上方；全部压力传感器通 过信号传输电缆与数据采集系统相连，数据采集系统通过总线与控制器连接，控制器通过数 据总线与上位计算机连接。上位计算机采用标准工业用控制计算机，计算机中有完善的控制 软件，可显示控压钻井所有参数，操作人员可通过软件实现对压力控制系统的操作。所述的自动控制节流管汇主要由气控平板阀、液控节流阀和手动平板阀组成。自 动控制节流管汇有四条主要通路，第一条通路是由入口端相连的第一手动平板阀和管线组 成；在第一手动平板阀进口端管线上，通过四通又分出第二条通路和第三条通路，其中第二 条通路依次连接有第四气控平板阀、第一液控节流阀和第二手动平板阀，第二手动平板阀 与第一条通路出口管线连接；第三条通路依次连接有第五气控平板阀、第二液控节流阀和 第三手动平板阀，第三手动平板阀与第一条通路出口管线连接；第四条通路连接有第三气 控平板阀和第三液控节流阀，第三液控节流阀与第一条通路出口管线连接。系统数据采集单元采集并转换现场传感器的实时测量数据，将实时采集的数据输 送至实时水力计算单元和实时分析控制单元。钻井基本参数通过界面录入至水力学计算单 元，实时水力计算单元根据输入的参数进行计算，将计算出的模拟结果传输至实时分析控 制单元，分析控制单元对水力学计算结果和实时采集数据进行对比分析，针对不同的工况 需要对现场装置进行控制时，实时分析控制单元向DeltaV控制器发出执行控制信号，实现 对相关现场装置的控制。本实用新型的有益效果1、自动节流管汇系统具有三条独立节流通道和一条直流通道，各节流通道切换方 便，并具有安全报警、出口流量监测、阀位保持和在线维护的功能；2、具备回压泵装置，具有回压补偿功能，回压泵采用交流电机驱动、采用软起动 器，由控制系统进行自动控制，系统检测到井内的流量不能维持回压时，它会自动开启；3、自动节流管汇系统的出口处设计有流量计，能够精确计量钻井出口流量，与录 井测量流量以及回压泵入口流量计监测的流量相比较，可方便的测量排量变化、判断井下 是否存在微量的溢流和漏失；4、将FF现场总线技术和DeltaV控制技术结合形成控压钻井装置的控制系统，并 采用现场装置_控制器_上位计算机控制的三层递阶控制结构实现自动控制，自动化程度 高，提高了钻井作业的安全性、可靠性和控制精度。
图1是本实用新型钻井环空压力精细控制系统结构示意图。[0015]图中，1.旋转控制头，2.环形防喷器，3.钻井四通，4.井底压力随钻测量仪，5.第 一压力传感器，6.第一气控平板阀，7.四通，8.第二气控平板阀，9.第二压力传感器，10.第 三压力传感器，11.第三气控平板阀，12.第一液控节流阀，13.第四气控平板阀，14.第五 气控平板阀，15.第二液控节流阀，16.回压泵，17.第三液控节流阀，18.第一手动平板阀， 19.第二手动平板阀，20.第三手动平板阀，21.井控节流管汇，22.第一质量流量计，23.第 四压力传感器，24.钻井泵，25.灌注泵，26.第二质量流量计，27.四相分离器，28.排液管 线，29.振动筛，30.筛后排液管，31.回压泵进液管线，32.钻井泵进液管线，33.泥浆池。
具体实施方式
实施例1 :以一个钻井环空压力精细控制系统为例，对本实用新型作进一步详细 说明。参阅图1。在钻井井口上固定有钻井四通3，钻井四通3的上部固定有环形防喷器 2，在环形防喷器2的上部固定有旋转控制头1。旋转控制头1有钻杆和钻井水龙头等。在 井下钻头的上方连接有井底压力随钻测量仪4。钻井环空压力精细控制系统，主要由旋转控制头1、自动控制节流管汇、回压泵 16、质量流量计、井底压力随钻测量仪4、压力传感器、四相分离器27、上位计算机、DeltaV 控制器、数据采集系统组成。四通7连接三条管线并分成三路管线，第一路管线连接第一气控平板阀6和第一 压力传感器5后与旋转控制头1出口端连接；第二路管线依次连接有第二气控平板阀8、四 通、井控节流管汇21和四相分离器27，四相分离器27通过排液管线28与泥浆池33连接。 在第二路管线的四通上接有管线，该管线与井口钻井四通3相连；第三路管线又分为两个 支路，第一支路依次连接有第二压力传感器9、自动控制节流管汇、第四压力传感器23、第 二质量流量计26、振动筛29，振动筛29通过筛后排液管30与泥浆池33连接；第二支路依 次连接有压力传感器、气控平板阀11、第三压力传感器10、回压泵16、第一质量流量计22和 灌注泵25，灌注泵25的进液端通过回压泵进液管线31与泥浆池33相连；在第一支路中的 第二质量流量计26与振动筛29之间的四通上有管线与四相分离器27相连；钻井泵24进 液端通过钻井泵进液管线32与泥浆池33连接，钻井泵24排液端通过管线与水龙带相连； 井底压力随钻测量仪4连接在钻头的上方。自动控制节流管汇主要由气控平板阀、液控节流阀和手动平板阀组成。自动控制 节流管汇有四条主要通路，第一条通路是由入口端相连的第一手动平板阀18和管线组成； 在第一手动平板阀18进口端管线上，通过四通又分出第二条通路和第三条通路，其中第二 条通路依次连接有第四气控平板阀13、第一液控节流阀12和第二手动平板阀19，第二手动 平板阀19与第一条通路出口管线连接；第三条通路依次连接有第五气控平板阀14、第二液 控节流阀15和第三手动平板阀20，第三手动平板阀20与第一条通路出口管线连接；第四 条通路连接有第三气控平板阀11和第三液控节流阀17，第三液控节流阀17与第一条通路 出口管线连接。采用的所有部件能通过市场采购到。全部压力传感器通过信号传输电缆与数据采集系统相连，数据采集系统通过总线与DeltaV控制器连接，DeltaV控制器通过数据总线与上位计算机连接。上位计算机采用 标准工业用控制计算机，计算机中有完善的控制软件，可显示控压钻井参数，操作人员可通过软件实现对压力控制系统 的操作。
权利要求一种钻井环空压力精细控制系统，主要由旋转控制头(1)、自动控制节流管汇、回压泵(16)、质量流量计、井底压力随钻测量仪(4)、压力传感器、四相分离器(27)、上位计算机、控制器、数据采集系统组成；其特征在于四通(7)连接三条管线并分成三路管线，第一路管线连接第一气控平板阀(6)和第一压力传感器(5)后与旋转控制头(1)出口端连接；第二路管线依次连接有第二气控平板阀(8)、四通、井控节流管汇(21)和四相分离器(27)，四相分离器(27)通过排液管线(28)与泥浆池(33)连接，在第二路管线的四通上接有管线，该管线与井口钻井四通(3)相连；第三路管线又分为两个支路，第一支路依次连接有第二压力传感器(9)、自动控制节流管汇、第四压力传感器(23)、第二质量流量计(26)、振动筛(29)，振动筛(29)通过筛后排液管(30)与泥浆池(33)连接；第二支路依次连接有压力传感器、气控平板阀(11)、第三压力传感器(10)、回压泵(16)、第一质量流量计(22)和灌注泵(25)，灌注泵(25)的进液端通过回压泵进液管线(31)与泥浆池(33)相连；在第一支路中的第二质量流量计(26)与振动筛(29)之间的四通上有管线与四相分离器(27)相连；钻井泵(24)进液端通过钻井泵进液管线(32)与泥浆池(33)连接，钻井泵(24)排液端通过管线与水龙带相连；井底压力随钻测量仪(4)连接在钻头的上方；全部压力传感器通过信号传输电缆与数据采集系统相连，数据采集系统通过总线与控制器连接，控制器通过数据总线与上位计算机连接。
2.根据权利要求1所述的一种钻井环空压力精细控制系统，其特征是所述的自动控 制节流管汇主要由气控平板阀、液控节流阀和手动平板阀组成；自动控制节流管汇有四条 主要通路，第一条通路是由入口端相连的第一手动平板阀(18)和管线组成；在第一手动平 板阀(18)进口端管线上，通过四通又分出第二条通路和第三条通路，其中第二条通路依次 连接有第四气控平板阀(13)、第一液控节流阀(12)和第二手动平板阀(19)，第二手动平板 阀(19)与第一条通路出口管线连接；第三条通路依次连接有第五气控平板阀(14)、第二液 控节流阀(15)和第三手动平板阀(20)，第三手动平板阀(20)与第一条通路出口管线连接； 第四条通路连接有第三气控平板阀(11)和第三液控节流阀(17)，第三液控节流阀(17)与 第一条通路出口管线连接。
专利摘要钻井环空压力精细控制系统，用于油气田钻井技术领域。包括自动控制节流管汇装置、回压补偿装置、流量监测装置、井底压力随钻测量装置、数据采集和控制系统。将水力计算模块实时计算出的维持井底压力为设定值，所需的井口回压数据传输到控制系统，自动控制系统根据此回压值调节节流阀开度。通过压力的监测，能够对变化的条件进行响应并不断调整节流阀以保持回压，或启动回压补偿装置，向自动节流管汇提供钻井液以保持井口回压。能够实现在动态和静态条件下保持井底压力相对稳定，自动化程度高，控制精确、能及时调整，提高了控压钻井作业的安全性和可靠性，适用于海洋和陆地的控压钻井作业。
文档编号E21B21/08GK201593387SQ20102010898
公开日2010年9月29日 申请日期2010年2月3日 优先权日2010年2月3日
发明者周英操, 杨雄文, 王凯, 王金茹, 罗良波, 蒋宏伟, 郭庆丰 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