自反馈两相体系钻井液混合系统及混合钻井液的方法与流程

本发明属于钻井技术领域，具体地，涉及一种自反馈两相相体系钻井液混合系统及混合钻井液的方法。

背景技术：

钻井液平衡钻井已经是目前国际上成熟的钻井技术，在深水钻井中平衡钻井技术利用海水和钻井液的静压力来平衡底层压力，保证钻井的正常进行。但深水浅层层钻井面临着浅层流、浅层气等浅层地质灾害风险，以及地层薄弱带来的压力窗口窄等钻井难题：

1、安全密度窗口窄，井身结构设计困难，套管无法下到预定的深度。在深水钻井中，由于海水的密度比岩石的密度低，海水施加的上覆岩层压力相比于陆地上岩石施加的要小很多。因此，由于深海地层的破裂压力梯度小于相同井深的陆地地层，地层压力梯度和破裂压力梯度之间的安全余量非常小，随着水深的增加安全密度窗口也会越窄，井身结构的设计难度更大，套管无法下到预定井深。

2、钻遇高压浅层流，难以有效实施井控。深水海底常常潜伏着大量的高压浅层流，包括浅层水流和浅层气流。浅层水流的井涌表现为钻井、下套管固井出现困难，严重时会导致井眼坍塌甚至引起海底沉降，还可能导致油井报废；在钻遇浅层气流时，由于地层比较浅，通常还没有下表层套管，未能安装井口装置，一旦发生浅层气流的井涌，气体会大量的进入到井筒环空，降低环空有效压力。此时，在没有井口装置的情况下，无法及时地对环空压力进行控制。

因此需要一种特殊的压井方法来解决这一难题。在钻进作业期间，只要随钻测量装置监测到井下有地层异常高压，就可通过人为输入工作指令或自动运行工作指令，泵送出所需要的高密度钻井液，不需要循环和等待配制高密度钻井液，实现边作业边加重的动态钻井作业。

现有技术中没有自反馈装置，无法对混合达不到要求的混合液进行再次检测和调整，系统长时间的使用会导致流量计读数偏差进而使基浆、海水的比例与预设参数或设计参数出现偏差，最终导致混合液密度达不到要求而使压井失败，这在这项技术的实施中是非常致命的；现有技术中没有泵压保护装置，无法实现各种混合比的混合，或无法保证泵的安全可靠性；高粘的基浆相采用剪切泵泵送，可以破坏高粘流体的网状结构更有利于基浆和海水两种流体的相互混合，使混合更加高效。

技术实现要素：

为解决上述工程问题，实时对钻井液进行调整，本发明提供一种自反馈两相体系钻井液混合系统。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

自反馈两相体系钻井液混合系统，包括：混合器，海水池通过第一管路与混合器相连，基浆池通过第二管路与混合器相连；其中，海水池给第一管路提供海水原料，基浆池给第二管路提供基浆原料；海水、基浆进入混合器混合后经密度自反馈模块进入泥浆池或者泥浆泵管汇。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

1、添加到自反馈两相体系钻井液混合系统的密度自反馈模块不仅可以使混合液密度更加精确，还可以通过检测密度与设置或设计密度对比校准流量计。

2、泵与流量计之间加装的溢流阀可以使系统在不控制泵功率的情况下实现各种比例原料的混合。控制阀开度过小时，泵压升高，溢流阀打开使流体回流至池中，实现海水、基浆各比例混合，保护泵的工作安全，增加整个系统的可靠性。

3、输送基浆泵采用剪切泵，破坏高粘流体的网状结构更有利于两相流体相互混合，使混合更加高效。

附图说明

图1为自反馈两相体系钻井液混合系统结构示意图；

图2为自反馈两相体系钻井液混合系统工作流程示意图；

图3为混合器剖视示意图；

图4为混合器右视示意图；

图5为混合器喷嘴示意图；

图6为混合器喷嘴剖视示意图；

图7为混合器轴线方向密度变化示意图；

图8为混合器出口不同混配比平均密度及均方差；

图中：1a、海水池，1b、基浆池，2a、砂浆泵，2b、剪切泵，2c、离心泵，3a、第一溢流阀，3b、第二溢流阀，4a、第一流量计，4b、第二流量计，5a、第一控制阀，5b、第二控制阀，6、混合器，7、密度自反馈模块，8、现场控制箱，9、远程水力参数设计计算控制模块，海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b、舱体602、海水入口603、基浆入口604、混合液出口605。

具体实施方式

如图1所示，自反馈两相体系钻井液混合系统，包括：混合器6、海水池1a、基浆池1b；海水池1a通过第一管路与混合器6相连，基浆池1b通过第二管路与混合器6相连；其中，海水池1a容纳海水，用于给第一管路提供海水原料；基浆池1b容纳基浆，用于给第二管路提供基浆原料；海水、基浆进入混合器6混合后经密度自反馈模块7进入泥浆池或者泥浆泵管汇。

第一管路上由海水池1a至混合器6方向依次安装砂浆泵2a、第一流量计4a和第一控制阀5a；其中，砂浆泵2a和第一流量计4a间设有溢流回流旁路，溢流回流旁路连接至海水池1a，溢流回流旁路上设有第一溢流阀3a；砂浆泵2a抽取海水进入第一管路，第一流量计4a测量第一管路中海水流量，第一溢流阀3a工作时打开，海水溢流回海水池1a中。

第二管路上由基浆池1b至混合器6方向依次安装剪切泵2b、第二流量计4b和第二控制阀5b；其中，剪切泵2b和第二流量计4b间装有溢流回流旁路，溢流回流旁路上设有第二溢流阀3b，溢流回流旁路连接至基浆池1b；剪切泵2b抽取基浆进入第二管路，第二流量计4b测量第二管路中基浆流量，第二溢流阀3b工作时打开，基浆溢流回基浆池1b中。

第一管路中的第一流量计4a、第二管路中的第二流量计4b通过有线或者无线的方式与现场控制箱8连接；第一管路中的第一控制阀计5a、第二管路中的第二流量计5b通过有线或者无线的方式与现场控制箱8；密度自反馈模块7通过有线或者无线的方式与现场控制箱8连接；现场控制箱8与远程水力参数设计计算控制模块9通过有线或无线的方式连接。第一管路中的第一流量计4a向现场控制箱8传输海水流量信号，现场控制箱8将海水流量信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9；远程水力参数设计计算控制模块9传输控制信号到现场控制箱8，现场控制箱8将控制信号传输至第一控制阀控制5a调节海水流量。第二管路中的第二流量计4b向现场控制箱8传输基浆流量信号，现场控制箱8将基浆流量信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9，远程水力参数设计计算控制模块9传输控制信号到现场控制箱8，现场控制箱8将控制信号传输至第二控制阀控制5b调节基浆流量。密度自反馈模块7将混合器出口密度信号传输给现场控制箱8，现场控制箱8将密度信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9。

现场控制箱8可以读取海水、基浆流量以及混合器出口混合液密度，并能手动调节控制阀开度。远程水力参数设计与计算模块9可手动输入所需钻井液密度指令，也可以根据地层压力计算所需钻井液密度，并根据钻井液密度计算出所需海水、基浆排量。

如图1、图2所示，远程水力参数设计与计算模块9可手动输入所需钻井液密度指令，或根据地层压力，利用远程水力参数设计与计算模块9进行设计计算钻井液密度，设计出基浆、海水的比例及所需排量，通过第一管汇将海水和第二管汇将基浆汇入混合器6，根据计算数据调整第一控制阀5a开度调节海水流量，调整第二控制阀5b开度调节基浆流量。第一流量计4a将海水流量和第二流量计4b将基浆流量数据传输给控制模块9与设计参数对比，进一步调整控制阀开度，直至海水、基浆达到计算排量。当海水混配比小时，第一控制阀5a开度小，泵压升高，第一溢流阀3a打开，海水回流至海水池1a中；当基浆混配比小时，第二控制阀5b开度小，泵压升高，第二溢流阀3b打开，基浆回流至基浆池1b中，实现海水和基浆各种配比和排量的混合；密度自反馈模块7将混合器出口密度信号传输给现场控制箱8，现场控制箱8将密度信号传输给远程水力参数设计计算控制模块9与指令或设计密度对比，达不到预期值重新计算海水、基浆排量，形成闭环，直至密度达到要求，满足现场钻井需求，并可根据密度反馈值，及时发现流量计误差加以修正。

如图3所示，混合器6，包括：舱体602、海水入口603、基浆入口604、混合液出口605；舱体602一端封闭、另一端为混合液出口605，海水入口603、基浆入口604位于舱体602远离混合液出口605一端(即海水入口603、基浆入口604位于舱体602位于封闭端)且分居舱体602两侧；舱体602与海水入口603间设有海水喷嘴601a，舱体602与基浆入口603间设有基浆喷嘴601b；如图4所示，海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b均与舱体正对偏心设置，最优偏心距为垂直混合舱投影上无相交部分时的距离；海水入口603、基浆入口604将海水、基浆通过喷嘴汇入舱体进行混合；混合后的混合液通过出口606排出。

如图5所示，海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b结构相同，均为哑铃形状，哑铃形状可以增大剪切区域，喷嘴形状属于现有技术；如图6所示，海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b入口采用哑铃型状扭转缩径结构，扭转角度为15-25度，缩径使流体加速增加湍流度，扭转可以增大剪切面积，并形成一次漩涡；海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b最短的厚度为8-10cm，既能保证形成高速流体和漩涡，又能使体积较小；海水喷嘴601a、基浆喷嘴601b直接与舱体直接连接省去出口处低效混合区域，确保高速流体的湍流度，并使结构更加紧凑；偏心结构使两种流体在混合器内形成二次漩涡，漩涡有利于增加两种组分在舱内的接触时间和接触面积；这种结构利于两种组分体积扩散的方式在相互占有的空间内发生运动，流体受剪切、挤压、拉伸等作用，达到均匀分布，并避免高速流体在舱内产生非弹性碰撞，高速流体直接与舱体内的低速流体剪切混合，减少动量损失，增加流体在混合器内的混合时间，使两种流体更高效的混合，可以满足各种排量和混配比的需求。本发明结构更加紧凑，安装方式(水平、竖直)不受影响，节省海洋平台空间，可以使安装更加方便，节省安装时间。

如图1、图2所示，采用上述自反馈两相体系钻井液混合系统进行混合钻井液的方法，步骤如下：

1、水力参数设计计算控制模块9得到所需钻井液密度指令，或根据地层压力，利用水力参数设计与计算模块9进行设计计算钻井液密度，并设计出海水、基浆的比例及所需排量；

钻井液混合系统的水力参数设计计算控制模块9，根据地层压力计算压井所需泥浆密度及排量的原则是：在该密度与排量下，井内的流动循环摩阻加液柱压力等于地层孔隙压力而小于地层破裂压力；根据海上钻井的条件，压井液密度满足：

P_r≤P_wf＝ρ_mgh+P_fr+ρ_swgh_sw

式中：

P_r——地层压力，Pa；

P_wf——井底压力，Pa；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

h——泥线距井底深度，m；

P_fr——环空摩阻，Pa；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

环空摩阻的计算用以下公式：

式中：

D_wi——第i段井筒直径，m；

D_p——钻杆外径，cm；

Dc——钻铤外径，cm；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

μ——泥浆塑性粘度，Pa·s；

Q——排量，L/s；

H_i——第i段井筒长度；

B——常数，内平钻杆B＝0.51655，贯眼钻杆B＝0.57503；

最大终了泥浆密度根据地层破裂压力求得：

式中：

h——泥线距井底深度，m；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

ρ′_m——终了泥浆密度，kg/m³；

P_f——地层破裂压力，MPa；

在调节钻井泥浆密度的同时，需要对动态压井排量进行控制。实现压井所需钻井液排量为：

式中：

P_r——地层压力，Pa；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

h——泥线距井底深度，m；

μ——泥浆塑性粘度，Pa·s；

D_wi——第i段井筒直径，m；

D_p——钻杆外径，cm；

D_c——钻铤外径，cm；

h_i——第i段井筒长度；

B——常数，内平钻杆B＝0.51655，贯眼钻杆B＝0.57503；

保证井筒安全的最大钻井排量为：

钻井液排量还应满足携岩要求,达到携岩要求所需最小排量为：

式中：

Q_a——满足携岩要求的最小排量，L/s。

D_w——井筒直径，cm；

D_p——钻杆外径，cm；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

加重钻井液与海水的排量可用如下公式进行计算：

ρ_m(Q₁+Q₂)＝ρ₀Q₁+ρ_swQ₂

Q₁/Q₂＝(ρ_m-ρ_sw)/(ρ₀-ρ_m)

Q＝Q₁+Q₂

式中：

ρ₀加重钻井液基浆密度，kg/m³；

Q₁为加重钻井液基浆排量，L/s；

Q₂为海水排量，L/s；

2、根据远程水力参数设计与计算模块9计算出的排量、比例数据调整第一控制阀控制海水流量、第二控制阀控制基浆流量；

3、当海水需求流量小时，第一控制阀5a开度变小，砂浆泵2a泵泵压升高，第一溢流阀3a打开泄压，回流海水至海水池1a中；当基浆需求流量小时，第二控制阀5b开度变小，剪切泵2b泵压升高，第二溢流阀3b打开泄压，回流基浆至基浆池1b中；

4、第一流量计4a将海水流量、第二流量计4b将基浆流量数据传输给控制模块9与设计参数对比，进一步调整控制阀开度，直至海水、基浆达到计算排量；

5、海水通过第一控制阀5a、基浆通过第二控制阀5b后在混合器混合；

6、混合器出口密度自反馈模块7将所测密度反馈给控制模块与指令或设计密度对比，不能达到预期值时再次调整控制阀开度，形成闭环，直至密度达到要求，满足现场钻井需求，并可根据密度反馈值，及时发现流量计误差加以修正。