[發明專利]自反饋三相體系鉆井液混合系統及混合鉆井液的方法

有效

• 申請號: 201810007757.1
• 申請日: 2018-01-04
• 公開（公告）號: CN108222865B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 孫寶江;何偉;張賀恩;魏士鵬;梅天林;劉華清;蔡德軍;李相鵬;高永海
• 申請（專利權）人: 中國石油大學（華東）;中國石油集團海洋工程有限公司
• 主分類號: E21B21/00
• 分類號: E21B21/00;E21B21/08;E21B21/10
• 代理公司: 北京思格頌知識產權代理有限公司 11635
• 代理人: 李中奎

1.一種自反饋三相體系鉆井液混合系統，包括：混合器，海水池通過第一管路與混合器相連，基漿池通過第二管路與混合器相連，添加劑池通過第三管路與混合器相連，海水池給第一管路提供海水原料；基漿池給第二管路提供基漿原料，并破壞高粘流體的網狀結構；添加劑池給第三管路提供添加劑原料；海水、基漿、添加劑進入混合器混合后經密度自反饋模塊進入泥漿池或者泥漿泵管匯；其特征在于：

第一管路上由海水池至混合器方向依次安裝砂漿泵、第一流量計和第一控制閥；其中，砂漿泵和第一流量計間設有溢流回流旁路，溢流回流旁路連接至海水池，溢流回流旁路上設有第一溢流閥；砂漿泵抽取海水進入第一管路，第一流量計測量第一管路中海水流量，第一溢流閥工作時打開，海水溢流回海水池中；

第二管路上由基漿池至混合器方向依次安裝剪切泵、第二流量計和第二控制閥；其中，剪切泵和第二流量計間裝有溢流回流旁路，溢流回流旁路上設有第二溢流閥，溢流回流旁路連接至基漿池；剪切泵抽取基漿進入第二管路，第二流量計測量第二管路中基漿流量，第二溢流閥工作時打開，基漿溢流回基漿池中；

第三管路上由添加劑池至混合器方向依次安裝離心泵、第三流量計和第三控制閥；其中，離心泵和第三流量計間設有溢流回流旁路，溢流回流旁路連接至添加劑池，溢流回流旁路上設有第三溢流閥；離心泵抽取添加劑進入第三管路，第三流量計測量第三管路中添加劑流量，第三溢流閥工作時打開，添加劑溢流回添加劑池中；

第一管路中的第一流量計、第二管路中的第二流量計、第三管路中的第三流量計通過有線或者無線的方式與現場控制箱連接；第一管路中的第一控制閥、第二管路中的第二控制閥、第三管路中的第三控制閥通過有線或者無線的方式與現場控制箱；密度自反饋模塊通過有線或者無線的方式與現場控制箱連接；現場控制箱與遠程水力參數設計計算控制模塊通過有線或無線的方式連接；第一管路中的第一流量計向現場控制箱傳輸海水流量信號，現場控制箱將海水流量信號傳輸給遠程水力參數設計計算控制模塊；遠程水力參數設計計算控制模塊傳輸控制信號到現場控制箱，現場控制箱將控制信號傳輸至第一控制閥控制調節海水流量；第二管路中的第二流量計向現場控制箱傳輸基漿流量信號，現場控制箱將基漿流量信號傳輸給遠程水力參數設計計算控制模塊，遠程水力參數設計計算控制模塊傳輸控制信號到現場控制箱，現場控制箱將控制信號傳輸至第二控制閥控制調節基漿流量；第三管路中的第三流量計向現場控制箱傳輸添加劑流量信號，現場控制箱將添加劑流量信號傳輸給遠程水力參數設計計算控制模塊；遠程水力參數設計計算控制模塊傳輸控制信號到現場控制箱，現場控制箱將控制信號傳輸至第三控制閥控制調節添加劑流量；密度自反饋模塊將混合器出口密度信號傳輸給現場控制箱，現場控制箱將密度信號傳輸給遠程水力參數設計計算控制模塊；

現場控制箱可以讀取海水、基漿和添加劑流量以及混合器出口混合液密度，并能手動調節控制閥開度；遠程水力參數設計與計算模塊可手動輸入所需鉆井液密度指令，也可以根據地層壓力計算所需鉆井液密度，并根據鉆井液密度計算出所需海水、基漿及添加劑排量；遠程水力參數設計與計算模塊可手動輸入所需鉆井液密度指令，或根據地層壓力，利用遠程水力參數設計與計算模塊進行設計計算鉆井液密度，設計出基漿、海水和添加劑的比例及所需排量，通過第一管匯將海水、第二管匯將基漿和第三管匯將添加劑匯入混合器，根據計算數據調整第一控制閥開度調節海水流量，調整第二控制閥開度調節基漿流量，調整第三控制閥開度調節添加劑流量；第一流量計將海水流量、第二流量計將基漿流量、第三流量計將添加劑流量數據傳輸給遠程水力參數設計計算控制模塊與設計參數對比，進一步調整控制閥開度，直至海水、基漿、添加劑達到計算排量；當海水混配比小時，第一控制閥開度小，泵壓升高，第一溢流閥打開，海水回流至海水池中；當基漿混配比小時，第二控制閥開度小，泵壓升高，第二溢流閥打開，基漿回流至基漿池中；當添加劑混配比小時，第三控制閥開度小，泵壓升高，第三溢流閥打開，添加劑回流至添加劑池中，實現海水、基漿和添加劑各種配比和排量的混合；密度自反饋模塊將混合器出口密度信號傳輸給現場控制箱，現場控制箱將密度信號傳輸給遠程水力參數設計計算控制模塊與指令或設計密度對比，達不到預期值重新計算海水、基漿和添加劑排量，形成閉環，直至密度達到要求，滿足現場鉆井需求，并可根據密度反饋值，及時發現流量計誤差加以修正；

混合器，包括：艙體、海水入口、基漿入口、添加劑入口、混合液出口；添加劑入口、混合液出口分別與艙體兩端相連，海水入口、基漿入口位于艙體靠近添加劑入口一端且分居艙體兩側；艙體與海水入口間設有海水噴嘴，艙體與基漿入口間設有基漿噴嘴，艙體與添加劑入口間設有分流結構；海水噴嘴、基漿噴嘴均與艙體正對偏心設置，偏心距為海水噴嘴和基漿噴嘴在垂直混合艙的投影上無相交部分時的距離；海水入口、基漿入口和添加劑入口將海水、基漿和添加劑通過噴嘴匯入艙體進行混合；其中不需要添加劑時可關閉添加劑入口，完成基漿和海水的混合；混合后的混合液通過出口排出；

海水噴嘴、基漿噴嘴結構相同，均為啞鈴形狀；海水噴嘴、基漿噴嘴入口采用啞鈴型狀扭轉縮徑結構，扭轉角度為15-25度；

添加劑入口采用分流結構，分流結構內部為圓臺形，靠近添加劑入口位置為半球形，外部為空圓臺形，外部小頭與添加劑入口連接，大頭與混合器的艙體連接，分流結構內部與外部用四個矩形塊連接在一起，分流結構可以將添加劑分流至混合器壁面處，使添加劑匯入高速流出的海水和基漿，在艙內漩渦內混合，避免添加劑直接從混合器中心流過減少混合時間，使三相混合更加均勻。

2.采用權利要求1所述的自反饋三相體系鉆井液混合系統進行混合鉆井液的方法，其特征在于，步驟如下：

(1)、遠程水力參數設計計算控制模塊得到所需鉆井液密度指令，或根據地層壓力，利用遠程水力參數設計與計算模塊進行設計計算鉆井液密度，并設計出海水、基漿及添加劑的比例及所需排量；

鉆井液混合系統的遠程水力參數設計計算控制模塊，根據地層壓力計算壓井所需泥漿密度及排量的原則是：在該密度與排量下，井內的流動循環摩阻加液柱壓力等于地層孔隙壓力而小于地層破裂壓力；根據海上鉆井的條件，壓井液密度滿足：

P_r≤P_wf＝ρ_mgh+P_fr+ρ_swgh_sw

式中：

P_r——地層壓力，Pa；

P_wf——井底壓力，Pa；

ρ_m——混合后鉆井液密度，kg/m³；

h——泥線距井底深度，m；

P_fr——環空摩阻，Pa；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

環空摩阻的計算用以下公式：

式中：

D_wi——第i段井筒直徑，m；

D_p——鉆桿外徑，cm；

Dc——鉆鋌外徑，cm；

ρ_m——混合后鉆井液密度，kg/m³；

μ——泥漿塑性粘度，Pa·s；

Q——排量，L/s；

H_i——第i段井筒長度；

B——常數，內平鉆桿B＝0.51655，貫眼鉆桿B＝0.57503；

最大終了泥漿密度根據地層破裂壓力求得：

式中：

h——泥線距井底深度，m；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

ρ′_m——終了泥漿密度，kg/m³；

P_f——地層破裂壓力，MPa；

在調節鉆井泥漿密度的同時，需要對動態壓井排量進行控制；實現壓井所需鉆井液排量為：

式中：

P_r——地層壓力，Pa；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

ρ_m——混合后鉆井液密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

h——泥線距井底深度，m；

μ——泥漿塑性粘度，Pa·s；

D_wi——第i段井筒直徑，m；

D_p——鉆桿外徑，cm；

D_c——鉆鋌外徑，cm；

h_i——第i段井筒長度；

B——常數，內平鉆桿B＝0.51655，貫眼鉆桿B＝0.57503；

保證井筒安全的最大鉆井排量為：

鉆井液排量還應滿足攜巖要求，達到攜巖要求所需最小排量為：

式中：

Q_a——滿足攜巖要求的最小排量，L/s；

D_w——井筒直徑，cm；

D_p——鉆桿外徑，cm；

ρ_m——混合后鉆井液密度，kg/m³；

加重鉆井液與海水的排量可用如下公式進行計算：

ρ_m(Q₁+Q₂+Q₃)＝ρ₀Q₁+ρ_swQ₂+ρ_tjQ₃

Q＝Q₁+Q₂+Q₃

Q₂＝aQ₃

式中：

a為所需預設海水與添加劑比例，無因次；

ρ₀為加重鉆井液基漿密度，kg/m³；

ρ_tj為添加劑密度，kg/m³；

Q₁為加重鉆井液基漿排量，L/s；

Q₂為海水排量，L/s；

Q₃為添加劑排量，L/s；

(2)、根據遠程水力參數設計計算控制模塊計算出的排量、比例數據調整第一控制閥控制海水流量、第二控制閥控制基漿流量、第三控制閥控制添加劑流量；

(3)、當海水需求流量小時，第一控制閥開度變小，砂漿泵泵壓升高，第一溢流閥打開泄壓，回流海水至海水池中；當基漿需求流量小時，第二控制閥開度變小，剪切泵泵壓升高，第二溢流閥打開泄壓，回流基漿至基漿池中；當添加劑需求流量小時，第三控制閥開度變小，離心泵泵壓升高，第三溢流閥打開泄壓，回流添加劑至添加劑池中；

(4)、第一流量計將海水流量、第二流量計將基漿流量、第三流量計將添加劑流量數據傳輸給遠程水力參數設計計算控制模塊與設計參數對比，進一步調整控制閥開度，直至海水、基漿、添加劑的流量達到計算排量；

(5)、海水通過第一控制閥、基漿通過第二控制閥及添加劑通過第三控制閥后在混合器混合；

(6)、混合器出口密度自反饋模塊將所測密度反饋給遠程水力參數設計計算控制模塊與指令或設計密度對比，不能達到預期值時再次調整控制閥開度，形成閉環，直至密度達到要求，滿足現場鉆井需求，并可根據密度反饋值，及時發現流量計誤差加以修正。