一种钻井液循环系统及其控制方法与流程

本发明涉及油气钻探技术领域，具体地说，涉及一种钻井液循环系统及其控制方法。

背景技术：

在石油天然气钻井过程中，需要利用钻井液(亦称泥浆)实现钻屑携带、钻头降温、地层流体防喷等功能。钻井液需要在地面设施和井筒之间循环使用。目前所采用的钻井液循环工艺中地面的储存与净化设施是常压设施，对井涌和井漏的防范措施主要是使井筒内液柱压力与井底地层流体压力相平衡，由此来防止井涌和井漏。其中，主要是调节钻井液密度来维持这种平衡。

这种调节方法在钻遇压力异常的地层时存在以下缺点。

1)当钻遇异常高压地层时，由于难以在短时间内加大钻井液密度，造成井底的液柱压力小于地层流体压力，容易发生井涌、井喷，导致安全事故。

2)当钻遇异常低压地层时，由于难以在短时间内降低钻井液密度，造成井底的液柱压力大于地层流体压力，容易发生井漏，导致钻井液损失和地层伤害。

3)当地层流体压力和地层破裂压力所决定的钻井液安全密度窗口较小时，需要频繁调整钻井液密度，或者将钻井过程分成更多的开次以便在更多的位置封闭地层，因而会大幅度增加钻井液材料消耗，增加非工作时间，大幅度增加钻井成本。

4)当地层流体压力和地层破裂压力所决定的钻井液安全密度窗口较小时，由于钻井过程中不可避免的发生井底压力波动，难以被及时抵消，因此比较容易造成井涌或井漏事故。

因此，亟需一种无需调整钻井液的密度，利用地面的压力调节来维持井筒内液柱压力与井底地层流体压力相平衡的钻井液循环系统。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于解决现有技术中的不能及时调整钻井液的密度来适应地层流体压力变化的技术缺陷。

本发明的实施例首先提供一种钻井液循环系统，包括：

井筒套管，其从井口延伸至地层，用于将钻井液返排至井口；

承压罐，其底部通过地面管汇与井口连接，且其下部空间存储钻井液，上部空间存储调压气体；

高压气罐，其连接承压罐上部的用于存储调压气体的空间；

常压循环系统，其对从承压罐排出的钻井液进行密度调整，将调整密度之后的钻井液注入地层；

其中，根据承压罐中钻井液的液面高度变化调整高压气罐输送至承压罐的调压气体的压力，进而调整承压罐排出的钻井液的压力，使得井底压力与地层压力保持平衡。

在一个实施例中，所述井筒套管的耐压等级高于钻井液最大动液柱压力与地面管汇的最大可承受压力之和。

在一个实施例中，所述常压循环系统包括依次连接的除气器、固相控制设备、泥浆池、密度调整设备和泥浆泵。

在一个实施例中，井底压力为钻井液静液柱、井筒环空压耗和井口回压之和，其中，井口回压与承压罐的压力相同。

在一个实施例中，在井底压力小于地层压力的情况下，承压罐中钻井液的液面高度增加，控制高压气罐的压力增加，使得承压罐内部的钻井液压力增加，以增大井口回压，从而增大井底压力；

在井底压力大于地层压力的情况下，承压罐中钻井液的液面高度降低，控制高压气罐的压力减小，使得承压罐内部的钻井液压力减小，以减小井口回压，从而减小井底压力。

本发明的实施例还提供一种钻井液循环控制方法，包括：

利用井筒套管将钻井液返排至井口；

将钻井液存储在与井口连接的承压罐的底部，在承压罐上部存储调压气体；

根据承压罐中钻井液的液面高度变化调整高压气罐输送至承压罐的调压气体的压力，以调整承压罐排出的钻井液的压力；

利用常压循环系统对从承压罐排出的钻井液进行密度调整，将调整密度之后的钻井液注入地层，使得井底压力与地层压力保持平衡。

在一个实施例中，在利用常压循环系统对从承压罐排出的钻井液进行密度调整的步骤中，

使从承压罐排出的钻井液依次流经除气器、固相控制设备、泥浆池、密度调整设备，从而先对钻井液进行清洁处理，再进行密度调整。

在一个实施例中，井底压力为钻井液静液柱、井筒环空压耗和井口回压之和，其中，井口回压与承压罐的压力相同。

在一个实施例中，在根据承压罐中钻井液的液面高度变化调整高压气罐输送至承压罐的调压气体的压力的步骤中包括：

在井底压力小于地层压力的情况下，承压罐中钻井液的液面高度增加，控制高压气罐的压力增加，使得承压罐内部的钻井液压力增加，以增大井底压力；

在井底压力大于地层压力的情况下，承压罐中钻井液的液面高度降低，控制高压气罐的压力减小，使得承压罐内部的钻井液压力减小，以减小井底压力。

本发明的实施例提供一种油气钻井过程中使用的钻井液地面带压循环系统，能够降低钻井过程中的井涌、井漏风险，并提高对地层压力异常偏高或偏低的适应能力。本发明的实施例使用耐压地面管汇将耐压井筒套管中返排出的钻井液导入承压泥浆罐中，根据当前工况的环空压耗估算值和承压泥浆罐内液位的测量值来控制承压泥浆罐的内部压力，抵消环空压耗的变化和井底压力的异常波动。从而保持井筒内液柱压力与井底地层流体压力相平衡，防范井涌井漏风险。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例的钻井液循环系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的钻井液循环控制方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

以下结合说明书附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不相冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

本发明的实施例提供一种钻井液地面带压循环系统及其控制方法，目的是降低钻井过程中的井涌、井漏风险，并提高对地层压力异常偏高或偏低的适应能力。在本发明实施例的系统中，使用耐压地面管汇将耐压井筒套管中返出的钻井液导入承压泥浆罐中，根据井底压力扣减承压泥浆罐压力后的压力值，配置钻井液密度。

在钻井过程中，根据当前工况的环空压耗估算值和承压泥浆罐内液位的测量值来控制承压泥浆罐的内部压力，以抵消环空压耗的变化和井底压力的异常波动。从而在无需调整钻井液密度的前提下，通过调整承压泥浆罐的内部压力来调整井底压力，能够节省调整钻井液密度这一操作过程，简化操作流程。

图1是本发明实施例中钻井液循环系统的结构示意图。在图1中，实线箭头表示钻井液流程走向，虚线箭头表示控制关系。该系统主要包括井筒套管1、承压罐4、高压气罐5和常压循环系统7。井筒套管1从井口延伸至地层，用于将钻井液返排至井口。承压罐4设置在井口附近，承压罐4的底部通过地面管汇2与井口连接，下部空间存储钻井液，上部空间存储调压气体。在井筒套管1和承压罐4之间还设置有地面阀门3，用于控制导入承压罐4的钻井液的流量。

需要说明的是，地面管汇2和地面阀门3的耐压等级一般应大于PN0.5MPa，而井筒套管1的耐压等级应高于其使用位置处的钻井液最大动液柱压力与地面管汇的最大可耐受压力之和。这样能够保证在钻井液在带压循环的过程中的，系统能够保证高压液体的安全循环。

高压气罐5连接承压罐4上部的用于存储调压气体的空间，用于调节承压罐4的内部压力。承压罐4还设置有安全泄压阀(图1中未示出)，当罐内压力超过预设的压力阈值时，可以打开安全泄压阀释放部分压力。高压气罐5与气压控制机构6连接，可以调节高压气罐5内部的调压气体的压力。

常压循环系统7用于对从承压罐4底部排出的钻井液进行密度调整，将调整密度之后的钻井液注入地层。常压循环系统7中的流程压力为常压，可以使用常规的钻井液循环设备。在一个优选的实施例中，常压循环系统7包括依次连接的除气器73、固相控制设备74、泥浆池75、密度调整设备76和泥浆泵77。由泥浆泵77将经过清洁并进行密度调整之后的钻井液重新回注到井筒，循环使用。

其中，典型的固相控制设备包括振动筛、除砂清洁器、除泥清洁器和离心机等等。典型的密度调整设备包括泥浆墙、混合加重漏斗、砂泵、灌注泵、加重泵和剪切泵等等。

在承压罐4的排出口设置节流阀71，起到隔离高压的作用。该节流阀71与控制机构72电连接，以控制节流阀71的流量，使承压罐4的排除量与泥浆泵77的排量相同，以保持系统内部的流量恒定。

以下说明本实施例提供的钻井液循环系统的工作过程。

选定一个低于承压罐4的最大可耐受压力的压力值Ps0作为承压罐4的工作压力。在钻井过程中，承压罐4保持非满灌状态，其上部空间与高压气罐5连通。通过调节高压气罐5的内部压力，实现对承压罐4内部压力Ps的调节。

在循环过程中，估算当前阶段钻遇地层的流体压力Pf，依据水力学原理计算正常钻进工况下的环空压耗Pco0，再按静液柱压力的数值为Pmd＝Pf-Pco0-Ps0来计算所需钻井液密度，按此密度配置钻井液进行钻井。

在钻井过程中，依据水力学原理随时计算各种工况下的环空压力Pco(t)，并利用气压控制机构6调节承压罐4的内部压力Ps(t)，使Ps(t)满足：

Ps(t)＝Ps0-(Pco(t)-Pco0)+f(L,dL) (1)

其中，Pco(t)根据实际工况利用水力学原理进行计算。L为承压罐4的液位，dL为承压罐4的液位变化率。高压气罐5中调压气体的压力f(L,dL)是以L和dL作为变量的函数，f(L,dL)与L呈正变关系，且当dL为正(即液位上升)时，f(L,dL)为正；当dL为负(即液位下降)时，f(L,dL)为负。

根据具体设备情况设定高压气罐5中调压气体的压力f(L,dL)。使得因设备压力波动或地层流体压力异常所造成的罐内液位变化，反馈于罐内压力，进而使压力波动被抵消。(f(L,dL)的设定示例见具体示例。)由此，防止因井底压力变化造成井涌井漏风险，不论井底压力变化是由于钻遇地层流体压力异常导致，还是由于工况变化导致，均可保持井筒内液柱压力与井底地层流体压力相平衡。

本发明所提供的钻井液带压循环方法，解决其问题的原理如下：

钻井过程中，井底压力BHP与地层流体压力Pf是否平衡决定着发生井涌或井漏的风险。当BHP大于Pf时易发生井漏，当BHP小于Pf时易发生井涌，井涌严重时发生井喷。为了避免井漏或井涌风险，需要使这两个压力尽量相等，即满足如下表达式。

BHP＝Pf (2)

井底压力BHP由钻井液静液柱压力Pmd、环空压力Pco(t)和井口回压之和决定。由于井筒套管1的返排钻井液直接与承压罐4的入口相连，井口回压等于承压罐4的压力Ps。因此有：

BHP＝Pmd+Pco+Ps (3)

在某一时刻t，则有：

BHP(t)＝Pmd+Pco(t)+Ps(t) (4)

在一定的钻井阶段中，钻井液密度不发生改变，钻井液静液柱压力Pmd恒定。按本方法配置的钻井液，需满足静液柱压力为：

Pmd＝Pf-Pco0-Ps0 (5)

承压罐4的内部压力Ps(t)按照表达式(1)进行控制。将式(1)、式(4)代入式(5)，得到

BHP(t)＝(Pf-Pco0-Ps0)+Pco(t)+Ps0-(Pco(t)-Pco0)+f(L,dL)＝Pf+f(L,dL) (6)

承压罐4内部的液位波动是由井口回压的变化引起的。正常工况下，液位L变化很小，f(L,dL)基本为零，式(2)可以成立，能够避免井漏或井涌风险。当因设备动作或地层流体压力异常导致井口回压发生异常变化时，如果井口回压升高，罐内液位L上升，导致f(L,dL)为正，则按式(1)来控制的罐内压力升高，直到与升高后的井口回压平衡，f(L,dL)重新为零，式(2)成立，防止钻井液涌出。如果井口回压降低，罐内液位L下降，导致f(L,dL)为负，则按式(1)控制的罐内压力降低，直到与降低后的井口回压平衡，f(L,dL)重新为零，式(2)成立，防止钻井液漏失。

因此本发明的效果是，当地层流体压力和地层破裂压力所决定的钻井液密度窗口较小时，使用本方法可以在无需调整钻井液密度的前提下，通过调节承压罐4的内部压力Ps(t)来调整井底压力BHP，从而节省钻井液材料消耗，减少非工作时间，节省钻井成本。

如果井底钻遇地层的流体压力突然发生剧烈的变化，由于承压罐4上部的气体和高压气罐5的总体积有限，液位L的上升或下降将会直接引起罐内压力的升高或下降，因此本实施例提供的方法有一定的自适应能力，即使控制机构调节罐内压力的速度较慢，也能够自发地调节井底压力，减小井涌或井漏的风险。

依照上文所述的循环控制原理，本发明的实施例还提供一种钻井液循环控制方法。图2为该方法的步骤流程图。

如图2所示，首先，利用井筒套管将钻井液返排至井口(步骤S210),将钻井液存储在与井口连接的承压罐的底部，在承压罐上部存储调压气体(步骤S220)。随后，根据承压罐中钻井液的液面高度变化调整高压气罐输送至承压罐的调压气体的压力，以调整承压罐排出的钻井液的压力(步骤S230)。具体而言，在井底压力小于地层压力的情况下，承压罐中钻井液的液面高度增加，控制高压气罐的压力增加，使得承压罐内部的钻井液压力增加，以增大井口回压，从而增大井底压力；在井底压力大于地层压力的情况下，承压罐中钻井液的液面高度降低，控制高压气罐的压力减小，使得承压罐内部的钻井液压力减小，以减小井口回压，从而减小井底压力。总之，考虑承压罐内液位的变化情况，使罐内液位升高时罐内压力自动升高，罐内液位降低时罐内压力自动降低。

其中调压气体的压力的原则是通过计算各种工况下的环空压耗和调节承压泥浆罐内部压力，维持各种工况之下，承压泥浆罐内部压力、钻井液静液柱压力、环空压耗三者之和与井底地层流体压力相平衡。

接着，利用常压循环系统对从承压罐排出的钻井液进行密度调整，将调整密度之后的钻井液注入地层(步骤S240)，使得井底压力与地层压力保持平衡。优选的，使从承压罐排出的钻井液依次流经除气器、固相控制设备、泥浆池、密度调整设备，从而先对钻井液进行清洁处理，再进行密度调整。

其中，井底压力为钻井液静液柱、井筒环空压耗和井口回压之和，其中，井口回压与承压罐的压力相同。

优选示例

在本示例中，承压罐采用容积5立方米、横截面积2平方米、耐压等级10MPa的立式耐腐蚀承压泥浆罐。钻进过程中保持一定的罐内液位L，使罐内上部空腔体积保持在1.5立方米左右。

其中，高压气罐采用容积1.5立方米、耐压10MPa的高压空气储罐，并配有安全阀。该储罐与承压泥浆罐的顶部空间相连接，并通过自动控制的减压阀门和空气压缩机调节其内部压力。式(1)中的高压气罐5中调压气体的压力f(L,dL)设定为：

f(L,dL)＝Ps0*(1+dL/L) (7)

其中，节流阀的流量控制在与泥浆泵的10分钟平均排量相等。除气器采用常压离心式除气器，固相控制设备由振动筛、旋流除砂器、旋流除泥器、卧式离心分离机构成。泥浆池采用带搅拌设备的泥浆池，密度调整设备由泥浆枪、混合加重漏斗、剪切泵构成。其中，泥浆泵采用扬程30m的离心式泥浆泵。

井下返出的钻井液，依次流经地面管汇、地面阀门和承压泥浆罐进行压力调整，随后经过节流阀、除气器、固相控制设备、泥浆池和密度调整设备，成为密度符合要求的清洁的钻井液，经由泥浆泵重新加压注入地下。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。