[发明专利]闭环控压钻井系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种闭环控压钻井系统，用于井筒压力精细控制，确保井筒环空压力剖面在设定值，属于油气田钻井压力控制领域。

背景技术

近年来随着对石油天然气勘探开发力度的加大，各种复杂地区钻井日益增多，应用常规过平衡压力控制技术已经不能很好满足目山前复杂地区、窄密度窗口安全钻井、含H₂S气层钻进、高密度泥浆漏失引起的缩径卡钻和井控风险等生产要求，因为其井底压力控制主要依赖于传统方式，即控制钻井液性能、泵冲等钻井参数的调节，井底压力控制精度极低，并且井底压力波动比大，完全不能避免由于地层对压力敏感造成的井漏、喷漏同存等工程难题，从而延长钻井周期，能加钻井成本，不利于油气田的经济开发。

为了解决类似问题，近年来提出的控压钻井技术是钻井过程中进行压力控制的一种较新的方法，可以精细控制井筒环空压力剖面，其主要是通过相应装备系统实时精确调节井口回压以达到控制井底压力的目的，国外经过多年的发展，已经发展了相应的精细压力控制系统。

目前精细压力控制钻井系统主要包括井下随钻环空压力监测系统(PWD)、地面自动压力控制系统（回压泵、自动节流管汇、流量计、压力传感器、PLC电液控制机构、数控房等）组成。但目前的精细压力控制系统存在如下问题：

一、现有控压钻井系统所需要的工程数据（如，泵入流量、立压、井深等其他工艺参数）获取有两种方式，一是来自井场设备上重新安装的传感器，这会导致井场传感器重复安装，而井场有综合录井系统，或者钻机本身有数据采集系统，因此，根本没有必要重复浪费安装；二是手动输入所需要的关键工程参数，如井深等，这不能达到实时性的目的，因此通过水力学计算的井口控制压力不精确，且要求人员不定时的输入数据，劳动强度大，且可能人为误操作输入错误数据导致控制套压的指令错误而导致钻井事故，即使某些公司的控压钻井系统能兼容综合录井系统，但也只能兼容特定数据格式的综合录井系统，缺乏兼容性，对钻井现场的录井系统选择性太强，而不能大范围应用。

二、目前控压钻井系统的上位机、传输数据线或通信出问题，地面压力执行设备（回压补偿、自动节流管汇）将失去自动控制信号，不能进行自动控制，可能造成控制失效，增加井控和设备风险；

三、地面压力自动控制系统不能拆分为独立单元进行现场应用，必须整套设备上井场，包括回压补偿、自动节流管汇、数控房等等，这对井场大小有选择性，限制了其应用范围；且设备制造后的现场调试也需要整套上现场，增加成本，不方便设备调试；且目前控压钻井系统成本高昂，限制了其推广应用。

四、目前国内外控压钻井系统的自动节流管汇的控制均采用液动控制方式，主要存在的问题是：1、液动节流控制可实现自动控制，虽然一定程度上减轻了人员劳动强度，但是液动控制不能在原有的节流管汇上进行改进，必须重新设计制造节流管汇，造成现有手动节流管汇的大量浪费；2、若采用国外液动控制节流系统，成本高，每个阀件高达在100多万人民币，不利于国内推广应用；3、目前国内液动控制节流系统，响应速度慢，压力控制波动大，不能满足精细控压钻井技术要求；4、现有的自动控制节流管汇只具备了近地手动控制和通过数控房远端控制，或者只有远端控制功能，不能在近地实现自动控制，这样一旦自动节流管汇与数控房的通信出现故障后（如现场通信电缆被损坏，通信网络被干扰），不能进行数据交换，就不能实现自动控制，导致井口压力控制不能满足钻井和井控要求。

五、在精细压力控制钻井过程中，在停止循环时候套压补偿主要靠回压泵系统，该系统在目前现场应用来看，主要存在以下问题：1、为了满足一定出口排量和压力情况下，回压泵系统的电机额定功率大，需要井队提供一台400KW的发电机专用供电，这使得现场应用时候对井队的设备选择性和依赖程度很高，有些井队不能提供相应的发电机，需要另外配备，且能耗高。2、该系统现场安装位置特性决定了井队泥浆罐和回压泵单元入口之间距离长，回压泵上水效率不好，使得出口流量不稳定，难以精确控制井口套压，很难达到稳定精细控制井筒压力的目标。3、目前国内制造的回压泵单元，为了解决上水问题，特意加装了一个泥浆储备罐，但是该罐体钻井液量的供给问题上，由于需要专门用砂泵抽井队钻井液罐内泥浆到泥浆储备罐，常常因为供给的钻井液量不足造成不能及时灌入钻井液到井内，或者供给的钻井液量过多，造成泥浆储备罐装不了，造成环境污染；还需几个人配合倒换阀门，劳动强度大。

发明内容