一种半潜式钻井平台的控压钻井装置及方法与流程

1.本发明涉及深海石油天然气勘探开发技术领域，尤其是一种半潜式钻井平台的控压钻井装置及方法。


背景技术：

2.目前，随着我国不断加大深海石油天然气资源的勘探开发力度，相应的安全高效钻井技术及工艺的不断需求，特别是深水海域的勘探重点井，温度更高，压力窗口更窄，作业环境更为苛刻，溢流、漏失等复杂情况频发，急需开展超高温高压窄压力窗口的控压钻井技术及工艺研究。
3.专利cn2022211223450公开了一种环形液压锁紧式的旋转控制头装置。其结构包括壳体、旋转总成和环形液压锁紧系统。该装置改变了传统的旋转总成与壳体，防溢管总成与壳体安装固定的方式，旋转总成是通过采用若干个同平面等圆周距并受远程液压站控制的液压油缸及锁紧爪，实现锁紧爪伸出或收回，以实现旋转总成的安装与取出，改变了以前抱箍式的安装连接方式。壳体可以同时连接旋转总成和防溢管总成，互不干扰，由此现场施工时，减少更换旋转控制头总成程序、大大节约非生产时间、降低高空作业的安全风险和经常拆卸防溢管所形成的泥浆泄露而带来的环保安全风险。所述旋转控制头装置为建立一套海上钻井平台安全、高效的欠平衡及控压钻井工艺技术提供技术支撑。
4.但是，现有的用于深水的钻井平台半潜式钻井平台，无法满足控压钻井技术及工艺的要求，其主要原因是：第一、现有隔水管伸缩短节和球形接头抗压能力不够，所以无法在其上部安装现有密闭井口环空的旋转控制头对井口施加压力进行控压钻井；第二、现有两段式隔水管伸缩短节的结构造成无法实现在张紧环上安装旋转控制头，进行控压钻井。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对现有的半潜式钻井平台的井口装置存在的上述问题和缺少相应控压钻井的装备，提供一种半潜式钻井平台的控压钻井装置及方法。
6.本发明提供的半潜式钻井平台的控压钻井装置，主要结构包括钻杆，钻杆顶端与泥浆泵连接。从钻杆顶部向下，依次设置的导流装置、球形接头、三段式伸缩短节、旋转控制头、转换接头、隔水管、防喷器组、套管、pwd随钻测压工具、钻头。
7.所述旋转控制头为环形液压锁紧式旋转控制头，其结构包括壳体、位于壳体内的旋转总成和位于壳体上的环形液压锁紧系统三部分。详细结构见专利cn2022211223450中的记载。
8.所述三段式伸缩短接是将常规(或“原”)两段式伸缩短节的上部短节改造成的三段式伸缩短节。其伸缩长度满足海浪起伏高度，最小内径要大于下入工具或旋转控制头的旋转总成的最大外径，三段式伸缩短节顶端通过球形接头连接导流装置，底端与旋转控制头的壳体的顶部栽丝法兰连接；旋转控制头底端与隔水管连接；通过旋转控制头形成井口环空密闭可加压的钻井液循环系统。所述隔水管上设置张紧环。
9.所述旋转控制头的两个返出口分别连接液动平板阀，一个液动平板阀与主返出管线连接，主返出管线连接控压分流装置，控压分流装置连接控压节流管汇系统进行节流控压，控压节流管汇系统的出口分两条管线，一条管线到井队液气分离器，液气分离后气体通过防喷管线防喷或燃烧，液体流到振动筛后回到泥浆罐；另一条管线直接到井队振动筛后回到泥浆罐。所述返出管线上设置液体流量计实时监测返出口流量。另一个液动平板阀连接灌浆管线与井队的灌浆泵连接，用于常规起钻时给井筒灌浆用；通过节流管汇的节流阀的阀位开度大小的调节，形成节流阀阀前压力，简称井口压力，从而实现井底压力的调整与控制。所述旋转控制头的其他出口，可作为备用返出口或备用出口。
10.优选的是，所述旋转控制头的壳体底端通过转换接头与隔水管顶端连接。旋转控制头的壳体顶端的栽丝法兰与三段式伸缩短节的底部接头通过螺栓连接。
11.优选的是，所述控压分流装置的出口分为三条管线，一条连接控压节流管汇，一条作为回压管线连接回压泵，用于控压泵接单根和控压起下钻；一条作为平衡管线进一步连接节流管线；所述回压泵、回压管线和平衡管线协同作用，用于带压更换旋转控制头。
12.优选的是，所述控压节流管汇系统包括节流管汇、流量计管汇、液控系统、plc数据采集及控制系统，用于接收控压控制中心指令，自动开关节流阀开度，实时调整和控制井口压力。所述控压控制中心由正压防爆房和控压工控机组成。
13.采用上述半潜式钻井平台的控压钻井装置进行控压钻井的方法：在钻井过程中，泥浆罐内的泥浆通过泥浆泵经过钻杆泵送至井底，通过井下钻头水眼流出，泥浆将携带钻屑通过钻杆与井眼之间的环空返至井口旋转控制头，然后通过旋转控制头的返出口及液动平板阀经返出管线至控压分流装置到控压节流管汇系统，通过节流管汇的节流阀的阀位开度大小的调节，形成节流阀阀前压力(井口压力)，从而实现井底压力的调整与控制。
14.井底压力的公式如下：
15.井底压力＝泥浆液柱压力+环空摩阻+井口压力
16.其中：
17.泥浆液柱压力：泥浆液柱压力＝泥浆密度x重力加速度x井眼垂直深度，一般在泥浆密度和井眼垂直深度一定时，泥浆液柱压力是一个相对稳定的一个值。
18.环空摩阻：环空摩阻与泵排量、泥浆密度、泥浆性能、井身结构、钻杆组合等因素有关，一般在钻井参数和泥浆性能确定的情况下，环空摩阻是一个相对稳定的一个值。
19.井口压力：它是唯一个可根据现场实际钻井工况实时进行调整和控制的压力。它的基本控制原理一般是设置一个目标井底压力值，然后通过井下随钻测压pwd工具的测量值或水力模型计算的井底压力值与设定的目标井底压力值实时比对，系统将自动计算出一个井口压力设置值，并通过自动节流控制系统，调节节流阀的开度大小，直至实际井口压力与井口压力设置值基本一致时，从而达到调整和控制井底压力与设定的目标井底压力值一致，保持节流阀开度大小，维持井口压力稳定，实现半潜式海洋钻井平台的控压钻井施工。
20.与现有技术相比，本发明的有益之处在于：
21.(1)改变了传统井口非密闭不能加压的状态，本发明的控压钻井装置是通过改造传统的两段式伸缩短节的内筒为三段式伸缩短节，在原两段式伸缩短节外筒与三段式伸缩短节之间安装环形液压锁紧式旋转控制头，形成井口环空密闭可加压的钻井液循环系统。
22.(2)改变了传统返出管线无节流装置的状态，本发明的控压钻井装置是在返出管
线上连接控压自动节流管汇系统，可实时根据井下实际情况对井口压力进行调整和控制，从而实现控压钻井技术及工艺。
23.(3)改变了传统返出管线无流量监测装置的状态，本发明的控压钻井装置在返出管线上连接流量计，可实时监测出口流量，工控机溢流漏失软件系统对plc实时采集的钻井参数及出、入口流量进行比对、判断，及早发现溢流或漏失并报警，改变了传统监测泥浆罐液面变化来发现溢流或漏失，提高井控安全，降低生产风险。
24.(4)本发明的半潜式钻井平台的控压钻井装置为建立一套半潜式深水钻井平台安全、高效的欠平衡及控压钻井技术及工艺，填补国内半潜式钻井平台(或深水钻井平台)控压钻井技术及工艺的空白。
25.本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
26.图1、本发明的半潜式钻井平台的控压钻井装置结构示意图。
27.图2、控压节流管汇系统的结构示意图。
28.图3、控压钻进或循环流程图。
29.图4、控压起下、接单根钻流程图。
30.图5、常规起钻流程图。
31.图6、常规下钻流程图。
32.图7、控压带压更换旋转总成流程图。
33.图8、控压节流循环排污流程图。
34.图中标号：
35.泥浆泵1、立管2、钻杆3、pwd随钻测压工具4、钻头5、导流装置6、球形接头7、三段式伸缩短节8、旋转控制头9、转换接头10、隔水管伸缩短节外筒顶部接头11、张紧环12、隔水管13、井下防喷器组14、套管15、液动平板阀16、返出管线17、控压分流装置18、控压节流管汇系统19、控压控制中心20、录井房工控机21、到泥浆罐出口管线22、到液器分离器出口管线23、液气分离器24、液气分离器液体出口管线25、液气分离器气体出口管线26、回压泵27、回压管线28、灌浆泵29、灌浆管线30、液动平板阀31、压井管线32、节流管线33、平衡管线34、井队节流管汇35、节流管汇19.1、流量测量系统19.2、液控系统19.3、plc数据采集及控制系统19.4、数据线20.1、数据线20.2。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，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。
37.如图1-7所示，本发明提供的半潜式钻井平台的控压钻井装置，其组成结构包括泥浆泵1、立管2、钻杆3、pwd随钻测压工具4、钻头5、导流装置6、球形接头7、三段式伸缩短节8、旋转控制头9、转换接头10、隔水管顶部接头11、张紧环12、隔水管13、井下防喷器组14、套管15、返出口液动平板阀16、返出管线17、控压分流装置18、控压节流管汇系统19、控压控制中心20、录井房工控机21、到泥浆罐出口管线22、到液气分离器出口管线23、液气分离器24、液
气分离器液体出口管线25、液气分离器气体出口管线26、回压泵27、回压管线28、灌浆泵29、灌浆管线30、灌浆管液动平板阀31、压井管线32、节流管线33、平衡管线34、井队节流管汇35。旋转控制头9特指专利cn2022211223450的环形液压锁紧式旋转控制头。
38.所述泥浆泵1可以有多个，多个泥浆泵之间通过设置阀门开关实现单个泥浆泵工作或多个泥浆泵同时工作。泥浆泵1通过立管2与钻杆3连接，在连接管路上设置阀门和压力表和压力传感器。泥浆泵1还连接压井管线32。
39.所述三段式伸缩短节8是常规钻井或欠平衡钻井及控压钻井在取掉旋转总成时用于泥浆返出井口的必备设备及流体通道。所述三段式伸缩短节8最小内径大于旋转总成或下入工具的最大外径，以确保拆装旋转总成时不需要拆装三段式伸缩短节8，可以使用下入(或取出)工具通过三段式伸缩短节8内筒安装或取出旋转总成，且其伸缩长度满足海浪起伏高度。三段式伸缩短节8顶端通过球形接头7连接井队导流装置6，导流装置6上设有导流装置出口到泥浆罐。三段式伸缩短节8底端通过法兰与旋转控制头9的壳体顶部的栽丝法兰连接。
40.所述旋转控制头9的壳体底部法兰通过转换接头10与隔水管顶部接头11连接。旋转控制头9的旋转总成坐落在壳体内并由环形液压锁紧系统固定。钻杆3、壳体、旋转总成形成密闭可加压的井口。旋转控制头9的壳体上的两个出口装有液动平板阀。其中液动平板阀16连接主返出管线17，液动平板阀31连接灌浆管线30。另外两个出口分别作为备用返出口或备用出口。
41.所述返出管线17连接控压分流装置18。然后连接进入控压节流管汇系统19。控压分流装置18由一个四通接头和四个阀门组成。四通接头的四个接口分别连接返出管线17、控压节流管汇系统19、回压管线28、平衡管线34，并且在靠近接口处均设置阀门。
42.所述控压节流管汇系统19包括节流管汇19.1，流量测量系统19.2、液控系统19.3和plc数据采集及控制系统19.4。返出管线内的返出液体经过控压分流装置后进入控压节流管汇系统19，首先进入节流管汇19.1中。如图2所示，节流管汇19.1包括一个入口由阀门m1及一个四通接头d组成，在四通接头d上安装压力传感器c，四通接头d出口分三条通道，两条节流通道(一备一用)和一条直通通道，一条节流通道由阀门m2、节流阀a、阀门m3、角通e、三通f、三通g组成；另一条节流通道由阀门m5、节流阀b、阀门m6、三通g组成；一条直通通道，由阀门m4、三通f、三通g组成。流量测量系统19.2包括一个入口三通接头h、一条流量测量通道、旁通通道和一个出口接头k组成；测量通道由三通接头h、阀门m7、流量计l、角通i、角通j、阀门m8、三通k组成；旁通通道由三通接头h、阀门m9和三通接头k组成。在三通接头h和三通接头k安装流量计前和后压力传感器c；三通接头k的剩余出口作为出口。四通接头d、三通接头h、三通接头k上设置的压力传感器c、质量流量计l、节流阀a阀位传感器、节流阀b阀位传感器均通过分线盒与plc数据采集及控制系统19.4连接。
43.控压节流管汇系统19的出口分两路，一路22到泥浆罐，一路23到液气分离器24，液气分离器24液体出口25到泥浆罐，气体出口26到防喷或火炬。控压节流管汇系统19是自动节流控制系统的执行机构，其功能主要是监测采集控压钻井参数，同时接受工控机指令，调整节流阀a或节流阀b的开度大小，实时调节和控制井口压力，最终达到对井底压力的控制。
44.所述控压控制中心20内设控压工控机组(含控压软件系统)，通过数据线20.1与控压节流管汇系统19的plc数据采集及控制系统19.4连接，通过数据线20.2与录井房工控机
21连接，将采集的控压钻井参数储存在控压工控机组的数据库，控压软件系统自动计算井口控压压力参数设置值，并发出指令到plc数据采集及控制系统19.4，通过控制液控系统19.3去开关节流管汇19.1的节流阀a或b，调节和控制井口压力，直到实际井口压力与设置井口压力值一致时，系统将保持该井口压力稳定，实现控压钻井技术及工艺，如图1所示。控压工控机组包括数据采集、显示、计算、分析、判断、报警和下达指令，是控压钻井技术得以实施的根基和保障。控压控制中心还包括正压防爆房，正压防爆房提供安全防爆的工作环境和设备环境。
45.所述控压回压泵27通过回压管线28与控压分流装置18连接，然后通过返出管线17与旋转控制头出口相连，另一路也通过控压分流装置18连接到控压节流管汇系统19，其主要功能是在泥浆泵1停泵给井口旋转控制头9和控压节流管汇系统19提供流体，由控压节流管汇系统19实施节流，形成井口压力，达到补偿环空压耗的损失，保持井底压力的恒定，比如停泵接单跟、控压起下钻工况。控压接单根及控压起下钻流程图，见图4。
46.所述平衡管线34与回压泵27、回压管线28、控压分流装置18、控压节流管汇系统19、出口管线22、23、和节流管线33等组成平衡井口补压系统。在井口带压更换旋转总成时，需要关闭防喷器组14，然后由平衡井口补压系统对防喷器组14下面的井口进行压力调节与控制。控压带压更换旋转总成流程见图7。
47.所述灌浆泵29、灌浆管线30和灌浆管线阀门等组成灌浆系统。所述灌浆管线30是连接灌浆泵29到旋转控制头出口阀门31连接，主要是在旋转总成19.2取出后常规起钻时给井筒灌泥浆时使用。常规起钻流程见图5。与之相对，图6是常规下钻流程图。
48.所述控压节流管汇系统19通过与泥浆泵1、立管2、钻杆3、关闭的防喷器组14、节流管线33、井队节流管汇35前三通、平衡管线34、控压分流装置18、控压节流管汇系统19出口管线21或22等形成节流循环排污系统，可作为紧急排险的备用手段，提高井控安全，降低生产风险。控压节流循环排污流程见图8。
49.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。