[發明專利]井筒壓力和流量管理系統及方法

有效

• 申請號: 201210273968.2
• 申請日: 2012-08-03
• 公開（公告）號: CN103573198A
• 公開（公告）日: 2014-02-12
• 發明（設計）人: 李宗清;陳永明;王樹江;朱煥剛;曹強;萬秀琦;康波;張林偉
• 申請（專利權）人: 中國石油化工股份有限公司;中國石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院
• 主分類號: E21B21/08
• 分類號: E21B21/08
• 代理公司: 東營雙橋專利代理有限責任公司 37107
• 代理人: 侯華頌

技術領域

本發明涉及鉆井作業技術領域，尤其涉及一種鉆井和完井的全過程期間進行井筒壓力和流量控制的系統和方法。

背景技術

常規鉆井過程中，鉆柱內孔通過鉆頭水眼與環形空間形成了一個連通的體系，即U形管。根據U形管原理，常規鉆井過程中的井底壓力表達式為：

Pb=Pmd+Pla?????????????????????????????????????????????（1）

式1中，Pb-井底壓力，Pmd-鉆井液靜液柱壓力，Pla-循環時環空摩擦壓力。

從此式中可以看出，對于窄壓力窗口地層或者老油田的壓力衰竭地層，常規泥漿密度設計可以保證靜止時井底壓力等于所需壓力（設計壓力）。但是當鉆井液開始循環時，井底壓力增加了一個環空摩擦壓力，此時就很可能就引發井漏。按照常規井控此時需要降低泥漿密度以低于地層破裂壓力，如果遇到異常壓力地層，井涌就有可能隨之發生。這將會導致額外的鉆井非生產時間、超額的泥漿成本以及頻繁的井控問題，甚至不能鉆達設計井深，無法迅速可靠的實現對井筒壓力的管理。

在常規鉆井技術過程中配備鉆柱單向閥、旋轉防噴器以及節流管匯，這樣整個鉆井系統可以承受一定的套管回壓，成為一種封閉鉆井循環系統,?此時的井底壓力表達式為：

Pb=Pmd+Pla+Pa??????????????????????????????????????????（2）

式2中，?Pa-井口回壓?(套壓)。從此式中可以看出，可以通過施加井口回壓來完成對井筒壓力的控制，由此產生了控制壓力鉆井技術。目前的控制壓力鉆井技術可以完成大多數情況下對井筒壓力的控制。但是在柴油機驅動的鉆機上，鉆井泵的啟停速度變化太快，導致井筒內流量急劇變化，造成井口回壓控制偏離加大，甚至發散，最終導致井下復雜事故；在非變頻鉆機上，鉆井過程中進入井筒的鉆井液流量的調節范圍有限，而且在排氣體溢流過程中，氣體到達節流閥時，由于氣體和液體的密度發生很大的變化，導致套壓變化很大，造成井底壓力的波動。因此常規的控制壓力鉆井不能完成鉆井全過程的井底壓力恒定。

發明內容

本發明的目的就是針對上述技術缺陷，提供一種井筒壓力和流量管理系統及方法，實現在鉆井或者完井的全過程中對井筒壓力和流量的控制。

本發明原理是一方面對進入井筒內的鉆井液流量進行控制，再配合井口節流系統和輔助泵系統的壓力控制，從而加大對井筒壓力控制的范圍，擴大鉆井系統的適應性。

本發明具體通過以下設計方案實現：

首先給出一種井筒壓力和流量管理系統，其除了包括常規鉆井循環系統、節流回壓系統及配合使用的監測與控制系統，還包括鉆井液注入轉換系統和輔助泵系統；其中鉆井液注入轉換系統為在鉆井泵出口管線上設有返回泥漿罐的旁路管線；輔助泵系統與節流回壓系統并聯，且其中的輔助泵進口與泥漿罐聯接、出口與鉆井液環空出口聯接；監測與控制系統用于監測常規鉆井循環系統、鉆井液注入轉換系統、輔助泵系統以及節流回壓系統的數據參數。

為了達到更好的技術效果，上述方案還包括以下改進方案：

（1）提供一種具體的旁路管線設置方式：鉆井泵出口管線經過三通管線分為兩路，一路經過截斷閥和節流裝置返回泥漿罐；另一路經過截斷閥后又分為兩支路，一支路與鉆柱聯接，另一支路經過截斷閥返回泥漿罐。

（2）所述的鉆井液注入轉換系統的節流裝置是兩個節流閥串聯組成；所述的常規鉆井循環系統中的防噴器組的頂部安裝旋轉防噴器(2)，井下鉆具組合包括單向閥(4)和和隨鉆測量工具(3)；所述的監測與控制系統(1005)的控制對象是鉆井立壓、套壓、井底壓力和流量中的一個或者任意個的組合。

接著給出上述管理系統的管理方法，即鉆井過程中，通過鉆井液注入轉換系統中的旁路管線調節鉆井液的流量，同時輔助節流回壓系統和輔助泵系統實現對井筒套壓的壓力和流量的控制；監測與控制系統始終監測常規鉆井循環系統、鉆井液注入轉換系統、輔助泵系統以及節流回壓系統的相關信息，對控制對象的監測值與設定值進行比較，然后控制所述各個系統對鉆井井筒進行壓力和流量控制。

在常規鉆井循環系統的防噴器組的頂部安裝旋轉防噴器，在井下鉆具組合中安裝單向閥和隨鉆測量工具，使得鉆井井筒成為一密閉承壓系統；

當旋轉防噴器密封元件失效時，利用防噴器組的密封元件實現井筒的密閉承壓；所述鉆井液注入轉換系統的旁路管線調節是通過管線中的閥門倒換以及節流裝置的不斷調節來改變進入井筒內的鉆井液流量。