一种深海钻井水眼堵塞监测和钻井泵损坏识别方法与流程

本发明涉及一种深海钻井水眼堵塞监测和钻井泵损坏识别方法，属于海洋石油开发领域。

背景技术

在深海钻井作业中钻头水眼堵塞和钻井泵损坏情况常有发生，若不能及时发现就会引起造成灾难性的后果，因此深海钻井的钻头水眼堵塞和钻井泵损坏监测技术越来越受关注。随着钻井工业的快速发展，已经有许多水眼堵塞和钻井泵损坏监测的方法法,但是这些监测方法法的精度不够高，可能会导致误判，并且这些监测方法法不够及时，不能及时有效得采取补救措施。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种准确度更高的深海钻井水眼堵塞监测和钻井泵损坏识别方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方法案：一种深海钻井水眼堵塞监测和钻井泵损坏识别方法，包括以下步骤：

1)在钻井循环系统的入口处设置第一质量流量计，在钻井循环系统的出口处设置第二质量流量计，第一质量流量计和第二质量流量计分别对钻井循环系统入口和出口处的质量流量数据进行实时采集，并将采集到的数据传输至数据处理分析端；

2)据处理分析端通过下述数据处理过程对钻井的钻头水眼堵塞情况进行监测：

①当泵压升高时，如果入口质量流量不随时间发生变化，出口质量流量不随时间发生变化，并且出口和入口流量始终相等，则确定泵压升高的原因为钻头水眼堵塞；

②在确定发生钻头水眼堵塞的情况下，进一步判断钻头水眼堵塞的个数，具体地：

由钻头水眼不堵塞时的泵压δps0，结合公式δps0＝p+δpb0计算出钻头压降δpb0；

再根据下述公式计算出k：

由数据处理分析端读取发生钻头水眼堵塞后的泵压δpsm，并结合公式δpsm＝p+δpbm计算出发生钻头水眼堵塞时的压降δpbm；

再根据下述公式计算出钻头水眼堵塞的个数m：

上述公式中，p为常量；n表示钻头水眼的个数；k表示常量，其表达式如下：

式中的ρd表示钻井液的密度，q表示喷嘴的钻井液流量，c表示喷嘴流量系数，d表示水眼的直径；

3)数据处理分析端通过下述数据处理过程对钻井泵损坏情况进行监测：

设一系列时间节点ti,(i＝0,1,2,...,n)，在ti时刻对应的钻井入口处的质量流量为qpi，泵效损失百分比为η，钻井入口处的初始质量流量为qp0，并且：

η＝1-qpi/qp0

泵失效百分比η，用于定量表示泵失效的程度。

所述步骤2)的②中，p＝δpg+δpst+δpa，式中的δpg表示地面管汇压耗，δpst表示钻柱内压耗，δpa表示环空压耗。

所述步骤3)中，当η的值超过10％时，表明钻井泵已经严重失效。

第一质量流量计和第二质量流量计均采用科里奥利质量流量计。

第一质量流量计的进口通过第一阀门与钻进入口总管连接，第一质量流量计的出口通过第二阀门与钻进入口总管连接，在位于第一质量流量计进口与出口之间的钻进入口总管上设置第三阀门；第二质量流量计的进口通过第四阀门与钻进出口总管连接，第二质量流量计的出口通过第五阀门与钻进出口总管连接，在位于第二质量流量计进口与出口之间的钻进出口总管上设置第六阀门。

本发明由于采取以上技术方法案，其具有以下优点：本发明通过在钻进入口、钻进出口处设置第一质量流量计、第二质量流量计来监测出入口的流量变化，并进一步通过流量变化来监测钻头水眼堵塞情况和钻井泵损坏情况。本发明具有精度高，量程大，性价比高的优点。

附图说明

图1是钻井过程中发生钻头水眼堵塞时的流动状态示意图；

图2是钻井过程中发生钻井泵损坏时的流动状态示意图；

图3是科里奥利质量流量计的结构简图。

图中的附图标记含义如下：

1、泥浆池；2、钻井液；3、泥浆泵管线；4、泥浆泵；5、第一质量流量计；51、测量管；52、传感器；53、激振器；54、法兰盘；6、第三阀门；7、第二阀门；8、第一阀门；9、第一质量流量计支架；10、立管；11、旋转控制头；12、转向器；13、防喷器组；14、钻杆；15、钻头；16、钻头水眼；17、井筒；18、地层；19、第二质量流量计；20、第六阀门；21、第四阀门；22、第五阀门；23、第二质量流量计支架；24、节流管线；25、钻井液出口；26、传感器数据线；27、数据处理分析端；28、钻井平台；29、张力绳；30、伸缩节；31、隔水管；32、海水,33、水眼堵塞位置；34、钻井泵损坏位置。

具体实施方法式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明提出了一种深海钻井水眼堵塞监测和钻井泵损坏识别方法，包括以下步骤：

1)如图1、图2所示，在钻井循环系统的入口处设置第一质量流量计，在钻井循环系统的出口处设置第二质量流量计，第一质量流量计和第二质量流量计分别对钻井循环系统入口和出口处的质量流量数据进行实时采集，并将采集到的数据传输至数据处理分析端。

2)数据处理分析端通过下述数据处理过程对钻井的钻头水眼堵塞情况进行监测：

①当泵压升高时，对是否发生钻头水眼堵塞进行判断

钻井液从钻井泵排出时，具有一定的泵压。钻头水眼堵塞会导致泵压升高，但是泵压升高也有可能是气侵等工况造成的，因此需要通过钻井出口和入口处的质量流量数据来进一步判断是否发生水眼堵塞，具体的，当入口质量流量不随时间发生变化，出口质量流量不随时间发生变化，并且出口和入口流量始终相等时，可确定泵压升高的原因为钻头水眼堵塞。

②钻井液在流过地面管汇、钻主内、钻头喷嘴和环形空间时都要消耗泵压。泵压传递的基本关系式为：

ps＝δpg+δpst+δpa+δpb

式中，ps表示钻井泵压力；δpg表示地面管汇压耗；δpst表示钻柱内压耗；δpa表示环空压耗；δpb表示钻头压降。

当地面管汇压耗、钻柱内压耗、环空压耗均保持不变时，钻头压降的变化将直接导致泵压的变化。将地面管汇压耗、钻柱内圧耗以及环空圧耗的和用常量p表示，则ps＝p+δpb。其中，钻头压降的计算公式为：

式中，dne表示喷嘴当量直径；ρd表示钻井液的密度；c表示喷嘴流量系数；q表示喷嘴的钻井液流量。

其中，喷嘴当量直径dne的计算公式如下：

式中，di表示喷嘴直径；z表示喷嘴个数；

因此，在喷嘴的钻井液流量、喷嘴流量系数、钻井液密度不变的情况下，喷嘴当量直径的变化直接决定泵压的变化，而当量直径随着钻头水眼堵塞的个数增加而减小，泵压随着当量直径的减少而上升。在数据处理分析端上能直接看到泵压的变化情况，通过泵压的变化从而判断钻头水眼堵塞的个数。

这里详细分析一下如何判断钻头堵塞的水眼个数：假设有n个钻头水眼，每个水眼的直径均为d，则喷嘴当量直径dne可表示为：

当没有发生钻头水眼堵塞时，当量直径即为此时钻头压降δpb0可表示为：

式中的为不变的常量，用k来表示。

随着钻头水眼堵塞个数的增加，泵压会不断升高，假设钻头水眼堵塞个数为m，则钻头水眼堵塞m个时的钻头压降δpbm可表示为：

因此当没有钻头水眼堵塞时的泵压δps0为：

δps0＝p+δpb0

当钻头水眼堵塞个数为m个时，泵压δpsm为：

δpsm＝p+δpbm

因此，可根据泵压的变化判断钻头水眼堵塞个数，在数据处理分析端上可以读出钻头水眼不堵塞时的泵压δps0数据，从而可以计算出δpb0，进而算出常量k的值。观察数据处理分析系统上的泵压变化，由数据处理分析端所显示的新的泵压δpsm，计算出δpbm，从而计算出钻头水眼堵塞的个数m。

3)数据处理分析端通过下述数据处理过程对钻井泵损坏情况进行监测：

根据数据处理分析端的出入口流量数据可以监测出不同时间点的泵效损失情况。设一系列时间节点ti,(i＝0,1,2,...,n)，在ti时刻对应的钻井入口处的质量流量为qpi，泵效损失百分比为η，钻井入口处的初始质量流量为qp0，在泵损坏的情况下，出口流量不变，入口流量减少，根据入口质量流量的减少量可以判断泵效的损失程度。

其中：qpi＝泵冲×缸套容积×泵效；

η＝1-qpi/qp0

当η的值超过10％的时候说明钻井泵已经严重失效。

上述实施例中，第一质量流量计5和第二质量流量计19均采用科里奥利质量流量计。其中，第一质量流量计5的进口通过第一阀门8与钻进入口总管连接(如图3所示)，第一质量流量计5的出口通过第二阀门7与钻进入口总管连接，在位于第一质量流量计5进口与出口之间的钻进入口总管上设置第三阀门6；第二质量流量计19的进口通过第四阀门21与钻进出口总管连接，第二质量流量计19的出口通过第五阀门22与钻进出口总管连接，在位于第二质量流量计19进口与出口之间的钻进出口总管上设置第六阀门20。第一阀门8、第二阀门7和第三阀门6用于控制钻井液是否流经第一质量流量计5，当第三阀门6打开、第一阀门8和第二阀门7关闭时，钻井液不流经第一质量流量计5，第一质量流量计5不工作；当第三阀门6关闭、第一阀门8和第二阀门7打开时，钻井液流经第一质量流量计5，第一质量流量计5开始工作。第四阀门21、第五阀门22和第六阀门20用于控制钻井液是否流经第二质量流量计19，当第六阀门20打开、第四阀门21和第五阀门22关闭时，钻井液不流经第二质量流量计19，第二质量流量计19不工作；当第六阀门20关闭、第四阀门21和第五阀门22打开时，钻井液流经第二质量流量计19，第二质量流量计19开始工作。

本发明的工作原理如下：钻井液存储在泥浆池1中，钻井液2经过泥浆泵管线3由泥浆泵4注入到立管10中(期间流经第一质量流量计5，通过传感器数据线26将流量信息传输到数据处理分析端27)，然后经过钻柱14和钻头水眼16进入井筒17，随后沿井筒17向上循环到井口，流经防喷器13和转向器12后，经第二质量流量计19(通过传感器数据线26将流量信息传输到数据采集及数据处理分析端27)以及节流管线24流回泥浆池1。通过出入口质量流量的变化规律从而监测井筒漏失量的变化情况。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中方法的实施步骤等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方法案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。