一种气体钻井井筒排液系统及气举优化方法与流程

本发明涉及石油天然气钻探技术领域的气体钻井，特别是涉及一种气体钻井井筒排液系统及气举优化方法。

背景技术：

气体钻井具有机械钻速高的优点，可以完全解决地层漏失问题，是一项针对井壁稳定且不含水地层的高效钻井技术。随着我国油气勘探向深层复杂地层的推进，气体钻井也逐步应用于深井钻井。气体钻井之前需要将液相钻井液从钻杆和井筒环空内排出，完成排液后气体循环干燥井眼，待井眼干燥后才能进行正式气体钻进施工。

当前气体钻井排液施工做成中主要依赖人工判断施工进程，依赖操作人员经验调节钻井泵排量、注气设备输出气量。因为作业人员个人施工经验、心理生理状态等因素，不同作业人员的判断会不同，影响气体钻井排液作业的效率，难以达到最佳施工效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种提高气体钻井井筒排液效率，降低设备油耗，减少作业成本的气体钻井井筒排液系统。

本发明所采用的技术方案是，一种气体钻井井筒排液系统，包括，压力传感器、气体流量计、第一液体流量计、第二液体流量计、气体设备和数据处理与控制系统；所述第一液体流量计安装在钻井泵的下游方向，所述压力传感器安装在第一液体流量计下游方向的管路上，所述气体设备的气体注入管线与压力传感器与第一液体流量计之间的管路连通，气体流量计安装在气体设备的出口，所述第二液体流量计安装在液气分离器与泥浆罐之间的管路上。

旋转控制头的旁通口与液气分离器通过管路连接。

所述压力传感器、气体流量计、第一液体流量计、第二液体流量计、气体设备和钻井泵分别和数据处理与控制系统通过信号线连接；将测出的压力传感器、气体流量计、第一液体流量计和第二液体流量计数据传入数据处理与控制系统；计算井筒内剩余钻井液量，追踪气液界面，优化调节气体设备的注气量；确定是否需要钻井泵注液，并调节注液量。

所述井筒内剩余钻井液量vt，

　　　　（1）

其中，vt为此时井筒内剩余钻井液的体积，单位为m³；

qlo为流出井筒钻井液的流量，单位为m³/s；

qli为注入井筒内的钻井液的流量，单位为m³/s；

δt为流量计测量的时间间隔，单位为s；

一种气体钻井井筒排液系统的气举优化方法，气体气举排液方法包括，纯气体气举和脉冲注气气举。

所述纯气体气举包括以下步骤，

（a）计算增压机90%最大额定工作压力（pm）条件下纯气体气举的最大井深；

（b）判定井深小于等于纯气体气举的最大井深，采用一次纯气举；

（c）计算总井筒体积v，计算最佳注入气体流量；

（d）开启气体设备，逐步增大气量注气量至（c）步骤计算值；

（e）当立压小于90％pm时，保持稳定的注气量；当立压大于90％pm时，逐步减小气量注气量，直至立压小于90％pm；

（f）判断井口返出钻井液总体积是否等于v；当小于v时，返回（e）步骤继续注气，直至井口返出钻井液总体积等于v，一次纯气举排液结束。

所述纯气体气举包括以下步骤，

（a）计算增压机90%最大额定工作压力条件下纯气体气举的最大井深；

（b）判定井深大于纯气体气举的最大井深，采用分段纯气举；

（c）计算排液井段井筒体积vi，计算最佳注入气体流量；

（d）开启气体设备，逐步增大气量注气量；

（e）当立压小于90％pm时，保持稳定的注气量；当立压大于90％pm时，逐步减小气量注气量，直至立压小于90％pm；

（f）判断井口返出钻井液总体积是否等于vi，当小于vi时，返回（e）步骤继续注气，直至井口返出钻井液总体积等于vi，

（g）判断是否为最后排液井段，当否定时，下钻至下一排液井段返回步骤（c）；当为“是”时，分段纯气举排液结束。

所述脉冲注气气举包括以下步骤，

（a）计算增压机90%最大额定工作压力下，纯气体气举驱动井筒内的液体量vm；

（b）立压值为增压机40％最大额定工作压力的钻井液排量；

（c）计算总井筒体积v，下钻至气举井深处；

（d）开启气体设备，注气；实时计算气液界面最前端位置ht；

（e）判断ht是否进入井筒环空，判断结果为“否”时，进而判断立压是否大于90％pm，判断为“否”时，逐渐增大气量至设定值；再次检测立压，直到立压大于90％pm，停止注气，开始注液；

（f）注液后，立压下降，判定立压是否大于50％pm，判断为“是”时，继续停止注气，注液；判断为“否”时，返回（d）步骤注气阶段；

（h）当（e）判断ht是否进入井筒环空，判断结果为“是”时，进行判断井口返出钻井液总体积是否等于v－vm，判断结果为“否”时，返至（e）步骤的后半部分流程，继续液气混注过程；判断结果为“是”时，停止注液，只注气，进入纯气体气举流程，直至完成气举。

本发明的有益效果是，由于液体流量计、气体流量计和数据处理与控制系统，因此能够精确计量气体钻井井筒排液过程中注入井筒的气量和液量，以及排出井筒的液量，数据处理与控制系统以实时预测井筒内的流动状态，进行预测和逻辑判断，在气举排液过程中实时预测、校正气体排量和钻井液的排量，优化气体设备和钻井泵的控制，控制气举过程自动完成，或指导作业人员手动操作完成，最大限度减少气举过程不利人为因素影响，提高气举效率。

附图说明

图1是本发明气体钻井井筒排液系统的示意图；

图2是纯气体气举井筒排液流程示意图；

图3时脉冲注气气举井筒排液流程示意图。

图中：

1.压力传感器2.气体流量计3.第一液体流量计

4.第二液体流量计5.气体设备6.数据处理与控制系统

7.钻井泵8.泥浆罐9.旋转控制头10.液气分离器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，本发明气体钻井井筒排液系统，用于气体钻井气举井筒排液，包括，压力传感器1、气体流量计2、第一液体流量计3、第二液体流量计4、气体设备5和数据处理与控制系统6；所述第一液体流量计3安装在钻井泵7的下游方向，所述压力传感器1安装在第一液体流量计3下游方向的管路上，所述气体设备5的气体注入管线与压力传感器1与第一液体流量计3之间的管路连通，气体流量计2安装在气体设备5的出口，所述第二液体流量计4安装在液气分离器10与泥浆罐8之间的管路上；旋转控制头9的旁路与液气分离器10通过管路连接。所述压力传感器1、气体流量计2、第一液体流量计3、第二液体流量计4、气体设备5和钻井泵7分别和数据处理与控制系统6通过信号线连接。

所述数据处理与控制系统6根据压力传感器1、气体流量计2、第一液体流量计3、第二液体流量计4所输入的数据，实时预测井筒内的流动状态，计算井内剩余钻井液量，追踪气液界面，优化调节气体设备5的注气量，确定是否需要钻井泵7注液，并调节注液量。

根据公式（1）实时计算当前井筒内的钻井液量vt；

公式（1）

其中，vt为此时井筒内剩余钻井液的体积，单位为m³；qlo为流出井筒钻井液的流量，单位为m³/s；qli为注入井筒内的钻井液的流量，单位为m³/s；δt为流量计测量的时间间隔，单位为s；

数据处理与控制系统6计算井筒体积，计算增压机90%最大额定工作压力条件下可以纯气体气举的最大井深，计算增压机90%最大额定工作压力条件下纯气体气举可以驱动井筒内的液体量。

该系统的工作原理为，气体设备5将气体从钻柱注入井筒，高压气体驱动钻柱和井筒环空内的钻井液，钻井液从井口返出地面。在此过程中，气体流量计2实时计量注入的流量，压力传感器1实时监测立压，当气体设备5的增压能力无法满足纯气体驱动井筒内的钻井液时，需要启动钻井泵7以低排量驱动已经注入井筒的气体继续沿钻柱向井筒环空运动，以降低立压。此过程中第一液体流量计3实时监测注入井筒内的钻井液量，结合液流量计4与该井的基础数据，可以实时预测井筒内的剩余钻井液量。在气举排液的过程中，数据处理与控制系统6实时判断工况，预测井筒内的流动状态，控制钻井泵7和气体设备5是否注入以及注入量。

如图2所示，纯气体气举优化方法如下：

（a）数据处理与控制系统6计算增压机90%最大额定工作压力条件下可以纯气体气举的最大井深，如果井深小于等于纯气体气举的最大井深，则采用一次纯气举，如果井深大于纯气体气举的最大井深，则采用分段纯气举；

（b）数据处理与控制系统6计算所排液井段井筒体积，计算最佳注入气体流量；

（c）下钻至气举井深；

（d）开启气体设备，气体流量计2监测气体设备5注入流量；

（e）随着气体的不断注入，数据处理与控制系统6实时计算最佳注入气量，通过气体流量计2的监测数据控制气体设备5的注入流量处于最佳注入流量；如果压力传感器1采集数据显示立压超过增压机90%最大额定工作压力，数据处理与控制系统6控制气体设备5逐渐减小注气量直至立压小于增压机90%最大额定工作压力；如果压力传感器1采集数据显示立压小于增压机90%最大额定工作压力，则数据处理与控制系统6控制保持注气量不变；

（f）第二液体流量计4监测井口返出钻井液的流出总体积，返出钻井液总体积等于计算所排液井段井筒体积，则完成纯气举排液，如果不是最后排液井段，则继续下钻进行下一段井段纯气举排液，如果为最后排液井段，结束纯气举排液作业。

如图3所示，脉冲注气气举优化方法如下：

（a）数据处理与控制系统6计算增压机90%最大额定工作压力条件下纯气体气举可以驱动井筒内的液体量，计算总井筒的体积，计算立压值为增压机40%最大额定工作压力的钻井液排量；

（b）钻机下钻至气举井深处；

（c）数据处理与控制系统6控制气体设备5逐步增大注气量，同时数据处理与控制系统6开始实时预测气液界面最前端的位置；

（d）如果压力传感器1采集数据显示立压超过增压机90%最大额定工作压力，数据处理与控制系统6控制气体设备5停止注气，控制钻井泵7启动，并保持在钻井液排量处于前期计算所得值；如果压力传感器1采集数据显示立压小于等于增压机90%最大额定工作压力，则数据处理与控制系统6控制气体设备5保持注气，控制钻井泵7不注入钻井液；

（e）当开始注液，停止注气后，如果压力传感器1采集数据显示立压小于增压机50%最大额定工作压力，则数据处理与控制系统6控制气体设备5开始注气，控制钻井泵7停止注入钻井液，如果压力传感器1采集数据显示立压大于增压机50%最大额定工作压力，则保持钻井泵7原注入量不变；

（f）数据处理与控制系统6在不断控制注气量和注液量的同时，实时预测气液界面最前端的位置，如果气液界面最前端位置仍在钻柱内，则重复上述过程，如果气液界面最前段位置在井筒环空内，则数据处理与控制系统6根据第二液体流量计4监测井口返出钻井液的流出总体积，判断是否可以转入纯气体气举流程，反之则重复上述流程。

值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，根据本发明的基本技术构思，也可用基本相同的结构，可以实现本发明的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。