用于下套管过程中的井底压力控制系统及下套管方法与流程

1.本申请涉及石油钻探完井领域，特别涉及一种用于下套管过程中的井底压力控制系统及下套管方法。


背景技术：

2.钻井过程中，井眼经常有坍塌或剥落发生，或有某些其他事故会导致井眼报废。因此，在钻达目标深度后，为保护井眼、封隔地层，以及方便后续操作，必须恰当地下套管并固井。
3.下套管前，井筒钻井液处于静止状态，此时井筒压力为静液柱压力维持在地层压力与地层破裂压力之间。而下套管过程中会产生波动压力，此时井筒压力为静液柱压力与波动压力之和，因此需要保证下套管时的井筒压力当量密度控制在地层压力当量密度与地层破裂压力当量密度之间，避免发生溢流、井漏事故。
4.在现阶段下套管作业，为保持井筒压力满足上面所述要求，主要的措施有： 1.控制下套管速度，减少波动压力的产生，从而降低下套管过程井筒压力当量密度；2.降低钻井液密度，一定程度降低静液柱压力和波动压力，从而降低下套管过程井筒压力当量密度。但以上两种方式都存在一定问题，降低套管下放速度的幅度有限，难以有效控制井筒压力，而降低钻井液密度可能不能满足井筒压力平衡条件，还需要通过控压方式弥补压力。因此，以上措施不仅控制井筒压力效果有限，还会增加时间和经济成本。


技术实现要素：

5.本申请实施例提供了一种用于下套管过程中的井底压力控制系统及下套管方法，能够提升控制井筒压力的效果。所述技术方案如下：
6.第一方面，提供了一种用于下套管过程中的井底压力控制系统，包括下入井筒内的管线、质量流量计、泥浆泵、泥浆池以及控制中心；
7.所述管线处于套管与井壁环空之间，且进液口位于液面以下，所述管线的出液口连接至所述泥浆池，在所述管线上分别设有所述质量流量计和所述泥浆泵；
8.所述质量流量计和所述泥浆泵均连接至所述控制中心；
9.所述控制中心用于接收所述质量流量计的数据以及控制所述泥浆泵的开关；
10.所述控制中心包括pc端、数据收集系统以及控制系统；
11.所述pc端包括数据输入系统、数据存储系统、显示系统、以及数据计算比较模块；
12.所述数据收集系统用于采集所述数据传输给所述pc端的所述数据存储系统，所述数据包括所述质量流量计记录的流量、所述套管下入液面后的下放时间；
13.所述控制系统为plc，所述控制系统用于接收所述pc端发出的指令并由 plc逻辑控制系统控制所述泥浆泵的开关；
14.所述数据收集系统与所述pc端的所述数据存储系统相连，所述数据存储系统分别与所述pc端内的所述数据输入系统、所述显示系统以及所述数据计算比较模块相连；
15.所述数据计算比较模块与所述控制系统相连；
16.所述质量流量计与所述控制中心的所述数据收集系统相连；
17.所述管线上的所述泥浆泵与所述控制中心的所述控制系统相连。
18.第二方面，提供了一种基于井底压力控制系统的下套管方法，所述方法应用于如第一方面所述的井底压力控制系统，所述方法包括：
19.根据数据输入系统输入的数据以及数据收集系统收集的数据，实时计算套管下入不同深度的井筒压力；
20.将计算出的所述井筒压力与地层压力、地层破裂压力进行比较，并将比较结果实时地显示在显示系统上；
21.当所述井筒压力超过所述地层破裂压力时，所述数据计算比较模块向控制系统发出指令；
22.所述控制系统响应于所述数据计算比较模块的指令，发出开泵信号，开启泥浆泵将部分钻井液泵出，此时质量流量计将所述质量流量计记录的流量通过所述数据收集系统传递给所述数据存储系统，随后所述控制系统计算调整后的液位高度及调整后的井筒压力，直到所述调整后的井筒压力能够维持在所述地层压力与所述地层破裂压力之间，则所述控制系统执行关泵信号，关闭所述泥浆泵。
23.在一些实施例中，所述数据输入系统输入的数据包括钻井液参数、地层压力、地层破裂压力、井身结构及尺寸、套管尺寸、套管下放速度和井筒钻井液液位高度。
24.在一些实施例中，所述数据收集系统收集的数据包括调整液位管线泵出泥浆流量和套管下入井筒液面以后记录的时间。
25.在一些实施例中，所述计算套管下入不同深度的井筒压力，包括：
26.计算静液柱压力与下套管过程中的波动压力之和，作为所述井筒压力。
27.在一些实施例中，所述计算调整后的液位高度，包括：
28.根据调整前环空液位高度、调整液位管线泵出泥浆的流量以及开泵后的时间，计算所述调整后的液位高度。
29.在一些实施例中，所述根据调整前环空液位高度、调整液位管线泵出泥浆的流量以及开泵后的时间，计算所述调整后的液位高度，包括：
30.采用以下公式计算所述调整后的液位高度；
[0031][0032]
其中：h
′
—调整后环空液位高度，m；h—调整前环空液位高度，m；q—调整液位管线泵出泥浆的流量，m/s3；t—开泵后的时间，s。
[0033]
在一些实施例中，所述根据数据输入系统输入的数据以及数据收集系统收集的数据，实时计算套管下入不同深度的井筒压力之前，所述方法还包括：
[0034]
在下套管前，用软件模拟计算通过调节环空液位高度控制井筒压力的下套管过程。
[0035]
在一些实施例中，所述用软件模拟计算通过调节环空液位高度控制井筒压力的下套管过程包括：
[0036]
首先，p
a
＝p
h
+p
s
；
[0037]
其中：p
a
—下套管过程动态井筒压力，mpa；p
h
—静液柱压力，mpa；p
s
—下套管过程中的波动压力，mpa；
[0038]
p
h
＝0.00981
×
ρ
mud
×
h
[0039]
其中：ρ
mud
—井筒内钻井液密度，g/cm3；h—井筒液位高度，m；
[0040][0041]
层流：f＝24/re；紊流：f＝a/re
b
；
[0042]
a＝(lgn+2.50)/12.5；b＝(1.75-lgn)/7；
[0043][0044]
re≥3470-1370n为紊流；
[0045]
其中：f—摩阻系数；—套管运动引起的环空流速，m/s；l—运动套管长度，m；d—井眼直径，m；d—套管外径，m；re—雷诺数；k—稠度系数，pa
·
s
n
； n—流性指数；
[0046]
堵口：开口：
[0047]
其中：k
c
—流体粘附系数；v
p
—套管柱运动速度，m/s；q
p
—连续灌浆的钻井液体积流量，l/s；
[0048]
在下套管过程中，各压力之间的正常关系如以下关系式(a)所示：
[0049]
p
p
<p
a
<p
f
ꢀꢀꢀ
(a)
[0050]
其中，p
p
—井筒地层压力，mpa；p
f
—井筒地层破裂压力，mpa；
[0051]
如果井筒压力超过了所述的正常关系(a)，则计算出一个满足所述关系式 (a)的h值，进而将井筒中的液位高度相应地调节h值，以保持各压力的平衡。
[0052]
在一些实施例中，所述根据数据输入系统输入的数据以及数据收集系统收集的数据，实时计算套管下入不同深度的井筒压力之前，所述方法还包括：
[0053]
在井筒环空下入连续管线，所述管线与泥浆泵连接用以抽出部分钻井液。
[0054]
本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
[0055]
本申请实施例提供的井底压力控制系统及下套管方法，通过在井口设置接入井筒泥浆中的控制液位管线，在下放套管的过程中，通过此管线降低井筒泥浆液面高度，从而通过降低井筒液位高度降低井筒液柱压力，用以抵消下套管产生的摩阻和激动压力，维持井筒动态压力在安全窗口内，最终达到安全快速下套管的目的。本申请结构设计合理、方法操作简便，从而节约成本。本申请在保证套管安全下放到指定位置的同时，能够尽可能地加快下套管作业，提升控制井筒压力的效果，并且避免井眼处于长时间的裸露状态，发生一些不可控事故，从而提升安全性。
附图说明
[0056]
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于
本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0057]
图1是本申请实施例提供的一种通过调整环空液位控制下套管过程井筒压力的工作示意图；
[0058]
图2是本申请实施例提供的一种调整井筒环空液位高度管线控制中心结构示意图。
具体实施方式
[0059]
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
[0060]
本申请实施例的目的是为了克服现有下套管方法中，作业耗时长、工序多、成本高的不足，提出了一种安全高效、施工周期短、成本低的通过调整环空液位控制下套管过程井筒压力的方法。
[0061]
下面介绍本申请为解决上述技术问题提供的技术方案。
[0062]
请参考附图1，图1是本申请通过调整环空液位控制下套管过程井筒压力的工作示意图。如图1所示，用于下套管过程中的井底压力控制系统包括下入井筒内的管线。该管线处于套管与井壁环空之间，管线包括进液口和出液口。管线的进液口位于液面以下。管线的出液口连接至泥浆池。在该管线上分别设有质量流量计和泥浆泵。
[0063]
所述质量流量计和泥浆泵均连接至控制中心。控制中心用于接收质量流量计采集的数据，控制中心还用于控制泥浆泵的开关。
[0064]
请参考附图2，图2是调整井筒环空液位高度管线控制中心结构示意图。所述控制中心包括个人计算机(personal computer，pc)端、数据收集系统以及控制系统。
[0065]
所述pc端包括数据输入系统、数据存储系统、显示系统、以及数据计算比较模块。
[0066]
pc端用于接收数据收集系统以及内部数据输入系统的数据信息存入数据库。并且，pc端将所有数据信息传输给内部的数据计算比较模块，由数据计算比较模块根据数据进行计算，从而计算出下套管过程的井筒压力。然后，将井筒压力与地层压力、地层破裂压力进行比较，得到比较结果。其中，比较结果用于指示井筒压力与地层压力之间的大小关系，以及井筒压力与地层破裂压力之间的大小关系。最终比较结果对应的信息指令由数据计算比较模块反馈给控制系统，同时将计算后的井筒压力传回给数据库再显示在显示系统上。
[0067]
所述数据收集系统用于采集数据，并将采集的数据传输给pc端的数据存储系统。数据收集系统采集的数据包括质量流量计记录的流量、套管下入液面后的下放时间。
[0068]
所述控制系统为可编程逻辑控制器(programmable logic controller，plc)。所述控制系统用于接收pc端发出的指令，并由plc逻辑控制系统控制泥浆泵开关。
[0069]
所述数据收集系统与pc端数据存储系统相连，所述数据存储系统又分别与 pc端内部数据输入系统、显示系统、数据计算比较模块相连，所述数据计算比较模块与控制系统相连，外部调整环空液位管线上的流量计与控制中心的数据收集系统相连，管线上的泥浆泵又与控制中心的控制系统相连。
[0070]
泥浆泵用于泵出井筒泥浆，调节环空液位高度，控制下套管过程井筒压力。
[0071]
质量流量计记录泵出泥浆的流量。
[0072]
通过调整环空液位控制下套管过程井筒压力当量密度原理：
[0073]
静止条件：p
h
＝0.00981
×
ρ
mud
×
h。
[0074]
其中：p
h
—井筒静液柱压力，mpa；ρ
mud
—钻井液密度，g/cm3；h—液位高度，m。
[0075]
下面介绍基于图1和图2的下套管方法。该下套管方法包括以下步骤。
[0076]
步骤(1)在井筒环空下入连续管线，管线与泥浆泵连接用以抽出部分钻井液，达到控制环空液位的目的。
[0077]
步骤(2)在下套管前，用软件模拟计算通过调节环空液位高度控制井筒压力的下套管过程，先提高套管下放速度，然后进行软件试算，以通过调整环空液位高度，使下套管过程中井筒压力始终控制在地层压力和地层破裂压力之间，进而最大程度地提高套管下放速度。
[0078]
步骤(3)当进行下套管作业时，在pc端数据输入系统输入相应数据，同时数据收集系统收集的数据存入pc端数据存储系统，然后实时计算出套管下入不同深度的井筒压力。其中，井筒压力为静液柱压力与波动压力之和。再将计算出的井筒压力与地层压力、地层破裂压力进行比较，从而得到比较结果。并且，pc端将比较结果实时地显示在显示系统上。当动态井筒压力超过地层破裂压力时，pc端的数据处理模块生成指令，并向控制系统发出指令。控制系统接收到指令后，执行发出开泵信号，开启泥浆泵将部分钻井液泵出，此时调整液位管线上的质量流量计记录的流量将会通过数据收集系统传递给数据存储系统，随后将计算出调整后的液位高度及调整后的动态井筒压力，直到井筒压力能够维持在地层压力与地层破裂压力之间，则控制系统执行关泵信号，将关闭泥浆泵。
[0079]
步骤(4)通过以上方法，将整个下套管过程中井筒压力都维持在地层压力与地层破裂压力之间，直到将套管下到指定位置，然后对泥浆池中的泥浆进行回收，即完成下套管作业。
[0080]
进一步地，步骤(2)中调节液位高度控制下套管过程井筒压力的过程为：
[0081]
首先，p
a
＝p
h
+p
s
。
[0082]
其中：p
a
—下套管过程动态井筒压力，mpa；p
h
—静液柱压力，mpa；p
s
—下套管过程中的波动压力，mpa。
[0083]
p
h
＝0.00981
×
ρ
mud
×
h。
[0084]
其中：ρ
mud
—井筒内钻井液密度，g/cm3；h—井筒液位高度，m；
[0085][0086]
(幂律流体)层流：f＝24/re；紊流：f＝a/re
b
；
[0087]
a＝(lgn+2.50)/12.5；b＝(1.75-lgn)/7。
[0088][0089]
re≥3470-1370n为紊流。
[0090]
其中：f—摩阻系数；—套管运动引起的环空流速，m/s；l—运动套管长度，m；d—井眼直径，m；d—套管外径，m；re—雷诺数；k—稠度系数，pa
·
s
n
； n—流性指数。
[0091]
堵口：开口：
[0092]
其中：k
c
—流体粘附系数；v
p
—套管柱运动速度，m/s；q
p
—连续灌浆的钻井液体积流量，l/s。
[0093]
在下套管过程中，各压力之间的正常关系为以下关系式(a)。
[0094]
p
p
<p
a
<p
f
ꢀꢀꢀ
(a)
[0095]
其中：p
p
—井筒地层压力，mpa；p
f
—井筒地层破裂压力，mpa。
[0096]
如果井筒压力超过了所述的正常关系(a)，则会计算出一个满足该关系式 (a)的h值，进而将井筒中的液位高度相应地调节h值，以保持各压力的平衡。
[0097]
在模拟试算过程中，尽量提高套管下放速度v
p
，通过上述计算过程，能够确定出一个调整液位高度h值，使下套管过程井筒压力满足平衡关系(a)，那么就可以以该套管下放速度进行下套管作业。
[0098]
进一步地，步骤(3)中所述pc端数据输入系统输入的数据有钻井液参数、地层压力、地层破裂压力、井身结构及尺寸、套管尺寸、套管下放速度和井筒钻井液液位高度，所述数据收集系统收集的数据有调整液位管线泵出泥浆流量、套管下入井筒液面以后记录的时间，通过这些数据结合上述计算下套管过程井筒压力方法可计算出套管下入不同深度的井筒压力p
a
。
[0099]
进一步地，步骤(3)中通过调整液位管线流量计算调整后的液位高度和调整后的井筒压力公式为：
[0100][0101]
其中：h
′
—调整后环空液位高度，m；h—调整前环空液位高度，m；q—调整液位管线泵出泥浆的流量，m/s3；t—开泵后的时间，s。
[0102]
计算得到调整后环空液位高度h
′
后，则可计算出调整后的井筒压力p
a
′
，计算公式同上述下套管过程动态井筒压力计算公式相同。
[0103]
以上提供的下套管技术方法，结构设计合理、方法简单，通过控制井筒液位高度调节井筒压力，具有有力的理论支撑，能够尽可能地加快下套管作业，避免井眼处于长时间的裸露状态，发生一些不可控事故。此外，该下套管技术方法操作简便，节约成本。
[0104]
并且，区别于常规下套管通过控制下套管速度以及降低井筒泥浆密度来控制下套管过程井筒压力维持在安全范围内的一种全新安全下套管方式。
[0105]
并且，用以上方法还能一定程度上提高下套管速度，其增加的摩阻及波动动压力会使井筒动态压力上升，则可调整井筒环空液位高度，控制井筒动态压力维持在安全压力窗口范围内。
[0106]
下面通过实例对本申请的方法进行详细说明。
[0107]
某口井相关数据为：井深4000m，钻头尺寸是311.2mm，套管的外径是 244.5mm，套管下入井段深度为3568m，“危险”井段(即易破裂地层或发生溢流地层)在2500m附近，地层破裂压力梯度为13.5kpa/m，钻井液密度为1.3g/cm3，钻井液测试流变数据为φ600＝47、φ300＝34、φ200＝28、φ100＝21、φ6＝9、φ3＝8。
[0108]
(1)在井筒环空下入连续管线，用于后续下套管过程中泵出部分钻井液，调整井筒液位高度，以达到控制下套管作业中井筒压力的目的。
[0109]
(2)所设计套管下放速度为3m/s，根据软件模拟计算，计算出套管下放到 3568m所产生的激动压力为5.584mpa，此时动态井筒压力为51.0877mpa，介于地层压力和地层破裂压力之间。
[0110]
(3)在pc端输入所有计算数据，开始下套管作业，结合以前的钻井数据“危险”层位在2500m附近，套管下放到该位置的井筒动态压力为35.796mpa，此时，井筒动态压力p
a
＝35.80mpa>p
f
＝33.75mpa，因此在2500m附近，控制系统收到 pc端的开泵指令信号并发出执行开泵信号给泥浆泵，开始调整环空液位高度，降低动态井筒压力。
[0111]
(4)为使通过计算调整后的环空液位高度为165m，开泵后，流量计开始记录调整管线的流量并传输给数据收集系统，再由数据收集系统传递给pc端的数据库，然后开始计算调整后的动态井筒压力，直到调整后动态井筒动态压力满足p
p
<p
a
<p
f
，此时泵出泥浆量达到4.82m3(即到达调整环空液位高度165m) 后，则控制系统发出执行关泵信号给泥浆泵。
[0112]
(5)通过以上方法，能保持动态井筒压力维持在地层压力与地层破裂压力之间将套管下放到指定位置，套管下放完成后，对泥浆池中的泥浆进行回收，则完成整个下套管作业。
[0113]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，该程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0114]
本申请实施例中的pc端可因配置或性能不同而产生比较大的差异，可以包括一个或一个以上处理器(central processing units，cpu)和一个或一个以上的存储器，其中，所述存储器中存储有至少一条计算机程序，所述至少一条计算机程序由所述处理器加载并执行以实现上述各个方法实施例提供的方法。当然，该pc端还可以具有有线或无线网络接口以及输入输出接口等部件，以便进行输入输出，该pc端还可以包括其他用于实现设备功能的部件，在此不做赘述。
[0115]
在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，例如包括至少一条计算机程序的存储器，上述至少一条计算机程序由可由处理器执行以完成上述实施例中的方法。例如，计算机可读存储介质可以是只读存储器(read-onlymemory，简称：rom)、随机存取存储器(random access memory，简称： ram)、只读光盘(compact disc read-only memory，简称：cd-rom)、磁带、软盘和光数据存储设备等。
[0116]
在示例性实施例中，还提供一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括程序代码，该程序代码存储在计算机可读存储介质中。电子设备的处理器从计算机可读存储介质读取该程序代码，处理器执行该程序代码，使得该电子设备执行上述方法。
[0117]
以上描述仅为本申请的可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。