一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井装备与方法

摘要

本发明公开了一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井装备与方法。所述钻井装备包括：泥浆泵入口流量测量系统，回压泵入口流量测量系统，钻井液返出流量测量系统，自动节流管汇系统，以及旋转控制头，液气分离器，振动筛，所述泥浆泵入口流量测量系统的进口有管线连接到泥浆罐，泥浆泵入口流量测量系统的出口有管线连接到钻杆，经钻杆底部由钻头从井眼环空至旋转控制头处与自动节流管汇系统的入口管线及回压泵入口流量测量系统的出口管线相通；回压泵入口流量测量系统有管线连接到泥浆罐；自动节流管汇系统的出口有管线与钻井液返出流量测量系统的入口连接；钻井液返出流量测量系统的出口有管线与液气分离器的入口连接；液气分离器有两条分支，分支其一连接到振动筛，再由振动筛连接到泥浆罐，分支其二连接到燃烧口。本发明能够有效控制或者消除井底漏失或者溢流对钻井造成的恶劣影响。

说明书

技术领域

本发明属于石油、天然气钻井压力控制系统领域，涉及一种利用流量监控实现井底压力 控制的钻井装备与方法。

背景技术

漏失和溢流是钻井过程中经常遇见的井下复杂情况，其中，漏失是指在油气钻井工程作 业中钻井液漏入地层的一种井下复杂情况，一方面直接导致损失大量钻井液，影响正常钻井 作业，甚至可能由于液柱压力的过度降低，井壁失稳，导致井塌甚至卡钻，部分井段或全井 段的报废，另一方面若是储层发生漏失，最后即使堵漏成功，也会造成储层的严重伤害；而 溢流则是指在油气钻井工程作业中地层流体流入井筒的一种井下复杂情况，它如果不及时控 制则有可能发展为井喷事故，造成大量的设备损坏、人员伤亡，浪费宝贵的油气资源，污染 环境，给人民及社会带来不可估量的损失。所以，这两种复杂情况均要及时处理，使其恶劣 影响消灭在萌芽状态。

由于漏失和溢流在表象是互为正反关系，且都和钻井液流量相关，因此传统钻井工艺技 术对付漏失和溢流最直接的方法就是观察、测量钻井液罐液面的上升或者下降；或者在停钻 时井口有无钻井液返出，有钻井液返出意味可能是溢流，没有意味可能是正常、漏失；或钻 进时井口钻井液返出量与注入量的差，以及循环系统压力上升或下降，即立管压力的上升或 下降，上升意味可能是溢流，下降意味可能是漏失。但是，井口外溢可能是钻井液加重不匀 所致；如立管压力下降，可能是钻具刺漏；立管压力上升，可能是钻头水眼堵塞；钻井液中 有气泡，可能是钻井液处理剂所致。采用传统钻井方式，若是发现漏失或者溢流，则漏失或 者溢流量已经较大，而且没有迅速的解决方案，例如发生漏失就需要准备堵漏，而发生溢流 则需要关井求压，然后循环排气，效率极低，存在安全生产隐患。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种利用流量监控实现井底压力控制的 钻井装备与方法。所述技术方案如下：

一方面，提供了一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井装备，所述钻井装备包括：

泥浆泵入口流量测量系统，回压泵入口流量测量系统，钻井液返出流量测量系统，自动 节流管汇系统，以及旋转控制头，液气分离器，振动筛，所述泥浆泵入口流量测量系统的进 口有管线连接到泥浆罐，泥浆泵入口流量测量系统的出口有管线连接到钻杆，经钻杆底部由 钻头从井眼环空至旋转控制头处与自动节流管汇系统的入口管线及回压泵入口流量测量系统 的出口管线相通；回压泵入口流量测量系统有管线连接到泥浆罐；自动节流管汇系统的出口 有管线与钻井液返出流量测量系统的入口连接；钻井液返出流量测量系统的出口有管线与液 气分离器的入口连接；液气分离器有两条分支，分支其一连接到振动筛，再由振动筛连接到 泥浆罐，分支其二连接到燃烧口。

具体地，所述泥浆泵入口流量测量系统由两条通道串联泥浆泵组成，通道一由第一手动 平板阀、第二质量流量计和第三手动平板阀串联组成，通道二即直流通道，包括一个第二手 动平板阀。

具体地，所述回压泵入口流量测量系统由回压泵和第一质量流量计串联而成。

具体地，所述钻井液返出流量测量系统由两条通道组成，通道一由第一球阀、第三质量 流量计和第三球阀串联组成，通道二即直流通道，包括一个第二球阀。

具体地，所述自动节流管汇系统有两个进口，其一由第一气控平板阀连接到井口旋转控 制头，其二由第二液动节流阀连接到回压泵入口流量测量系统；自动节流管汇系统由两条节 流通道并联组成，其一由第一气控平板阀和第一液动节流阀串联组成，其二由第二气控平板 阀，第二液动节流阀和单流阀串联组成；第一气控平板阀与第二气控平板阀类型相同，第一 液动节流阀与第二液动节流阀类型相同。

进一步地，所述回压泵入口流量测量系统出口管线至第二液动节流阀入口之间安装有第 一压力表；在泥浆泵入口流量测量系统的出口管线至井口安装有第二压力表；在自动节流管 汇系统入口管线至旋转控制头间安装有第三压力表；在自动节流管汇系统出口管线至钻井液 返出流量测量系统间安装有第四压力表。

进一步地，所述泥浆泵入口流量测量系统的出口有管线连接到钻杆，经钻杆底部由钻头 从井眼环空至旋转控制头处安装有井下环空压力测量工具。

另一方面，提供了一种利用所述钻井装备实现流量监控井底压力控制的方法，所述方法 包括：

获取钻井装备的入口流量和出口流量之差ΔQ；

根据所述流量之差判断所述钻进装备的状态，其中，所述状态包括：漏失状态、溢流状 态、不漏不溢状态；

根据所述状态调节井口回压，实现井底压力控制。

具体地，所述获取钻井装备的入口流量和出口流量之差，具体包括：

当工况为正常钻井工况下，根据泥浆泵入口流量测量系统（1001）中的第二质量流量计 （7）获取入口流量Q_in，根据钻井液返出流量测量系统（1003）中的第三质量流量计（22） 获取出口流量Q_out；

当工况为起下钻工况下，根据回压泵入口流量测量系统（1002）中的第一质量流量计（2） 获取入口流量Q_in，根据钻井液返出流量测量系统（1003）中的第三质量流量计（22）获取出 口流量Q_out；

当工况为接单根工况下，根据泥浆泵入口流量测量系统（1001）中的第二质量流量计（7） 和回压泵入口流量测量系统（1002）中的第一质量流量计（2）获取入口流量Q_in，根据钻井 液返出流量测量系统（1003）中的第三质量流量计（22）获取出口流量Q_out；

根据所述工况下的入口流量和出口流量，获取所述钻井装备的工况下的入口流量和出口 流量之差ΔQ。

具体地，所述根据所述流量之差判断所述钻进装备的状态，其中，所述状态包括：漏失 状态、溢流状态、不漏不溢状态，具体包括：

如果所述工况下的入口流量和出口流量之差ΔQ≥Q_l，自动节流管汇系统（2001）判断所 述状态为漏失状态，其中Q_l≥0；

如果所述工况下的入口流量和出口流量之差ΔQ≤-Q_k，自动节流管汇系统（2001）判断所 述状态为溢流状态，其中Q_k≥0；

如果所述工况下的入口流量和出口流量之差ΔQ：-Q_k＜ΔQ＜Q_l，自动节流管汇系统（2001） 判断所述状态为不漏不溢状态。

具体地，所述根据所述状态调节井口回压，实现井底压力控制，具体包括：

如果所述工况为正常钻井工况下，所述状态为漏失状态时，通过调整自动节流管汇系统 （2001）中的第一液动节流阀（16）的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与 P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，所述状态为溢流状态时，通过调整自动节流管汇系 统（2001）中的第一液动节流阀（16）的开度，提高井口回压,P_实测值，使井口回压P_计算值与 P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，如果所述状态为不漏不溢状态时，则不改变井口回 压,实现井底压力控制；

如果所述工况为起下钻工况下，所述状态为漏失状态时，通过调整自动节流管汇系统 （2001）中的第二液动节流阀（17）的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与 P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，所述状态为溢流状态时，通过调整自动节流管汇系 统（2001）中的第二液动节流阀（17）的开度，提高井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与 P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，如果所述状态为不漏不溢状态时，则不改变井口回 压,实现井底压力控制；

如果所述工况为接单根工况下，所述状态为漏失状态时，通过调整自动节流管汇系统 （2001）中的第二液动节流阀（17）的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与 P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，所述状态为溢流状态时，通过调整自动节流管汇系 统（2001）中的第二液动节流阀（17）的开度，提高井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与 P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，如果所述状态为不漏不溢状态时，则不改变井口回 压,实现井底压力控制；

其中，P₀为钻井装备控压精度，P_实测值为实际测量的井口回压，也就是在自动节流管汇系 统（2001）入口管线至旋转控制头（10）间安装的第三压力表（13）的读数，P_计算值为由根据 水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，ΔP_调整值可以采用两种方式得到：1）线性 调整法：ΔP_调整值=±K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1，2）逐步测试法：ΔP_调整值=±N（MPa），0.5≤N≤1， MPa为单位，所述状态为漏失状态时ΔP_调整值取负值，所述状态为溢流状态时ΔP_调整值取正值。

具体地，作为优选，根据所述状态调节井口回压，实现井底压力控制，具体包括：

在工况为正常钻井工况下，所述状态为漏失状态时，通过改变回压泵入口流量测量系统 （1002）的流量，使第一液动节流阀（16）的开度工作在最优控制区间[a b]内时，调节第一 液动节流阀（16）的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实 现井底压力控制，所述状态为溢流状态时，通过改变回压泵入口流量测量系统（1002）的流 量，使第一液动节流阀（16）的开度工作在最优控制区间[a b]内时，调节第一液动节流阀（16） 的开度，提高井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制， 如果所述状态为不漏不溢状态时，则不改变井口回压,实现井底压力控制；

当第一液动节流阀（16）的开度＜a时，启动回压泵入口流量测量系统(1002)的回压泵 （3），补充流量，使第一液动节流阀（16）的开度在最优控制区间工作；

在回压泵（3）启动且第一液动节流阀（16）的开度＞b时，关闭回压泵入口流量测量系 统（1002）的回压泵（3），减少流量，使第一液动节流阀（16）的开度在最优控制区间工作；

其中，30%≤a＜b≤70%，P₀为钻井装备控压精度，P_实测值为实际测量的井口回压，也就 是在自动节流管汇系统（2001）入口管线至旋转控制头（10）间安装的第三压力表（13）的 读数，P_计算值为由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，ΔP_调整值可以采用两种 方式得到：1）线性调整法：ΔP_调整值=±K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1，2）逐步测试法：ΔP_调整值=±N （MPa），0.5≤N≤1，MPa为单位，所述状态为漏失状态时ΔP_调整值取负值，所述状态为溢流状 态时ΔP_调整值取正值。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

1、通过流量监控实现井底压力控制的装备，由泥浆泵入口流量测量系统，回压泵入口流 量测量系统、钻井液返出流量测量系统以及自动节流管汇系统组成，通过精确测量泥浆泵入 口、回压泵入口及井口返回的钻井液流量，分析、判断循环系统是处在不漏不溢，还是漏失， 或者溢流状态，再按照线性降低或提高井口回压值或逐步测试方法通过自动节流管汇系统降 低或提高井口回压有效控制或者消除井底漏失或者溢流现象，利于维持稳定的钻井液流量入 口及出口流量，实现良好井底压力控制要求。

2、井下环空压力测量工具是可选工具，辅助优化井口回压调节方案，一方面若是不配置 实时井底压力测量工具也可以进行控压钻井，同时减少钻井成本，另一方面若是配置实时井 底压力测量工具可更好的摸清地层压力；

3、自动节流管汇系统仅使用两个节流阀，即可实现正常钻进、起下钻、接单根等不同钻 井工况的需求，结构简单，设备成本大大减低；

4、本装备控制对象减少，仅包括一台回压泵，两个气控平板阀，两个液动节流阀，装备 操作简单；

5、利用第二压力表测量泥浆泵出口压力，准确判断泥浆泵启动和停止的时间，更方便进 行自动控制；

6、可更好地了解泥浆泵的上水效率，更快地发现泥浆泵存在的问题；

7、本发明与常规钻井、欠平衡以及恒定井底压力控压钻井技术均不一样，其差异如下表 所示：

通过泥浆泵入口流量测量系统回压泵入口流量测量系统中实现入口流体质量测量，传统 钻井方式及恒定井底压力控压钻井方式都是使用计量泵冲速度计算入口流量，忽略了泥浆泵 上水或者泵压变化影响，在深井、超深井钻井中，泥浆中气泡含量较高，泵压也较困难维持 稳定，造成入口流量计量误差很大，另外，通过钻井液返出流量测量系统中的高精度第三质 量流量计进行出口流体质量测量，由此可以实时漏失/溢流监测，具有其它钻井所没有的技术 优势，可更好的减低漏失和溢流的危害，更有利的保护油气层。

8、本发明具有高精度、高可靠性和低成本的特点，可广泛应用于石油、天然气钻井压力 控制领域，包括窄密度窗口钻井、枯竭压力油气藏钻井、小井眼钻井和海洋钻井等油气井控 制压力领域，极大地促进油气田的勘探开发以及降低钻井成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。

图1是本发明实施例一提供的一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井装备结构示意 图；

图2是本发明实施例二提供的一种利用所述钻井装备实现流量监控井底压力控制的方法 流程框图；

图3是本发明实施例三提供的一种利用所述钻井装备在正常工况下实现流量监控井底压 力控制的方法流程框图；

图4是本发明实施例四提供的一种利用所述钻井装备在起下钻工况下实现流量监控井底 压力控制的方法流程框图；

图5是本发明实施例五提供的一种利用所述钻井装备在接单根工况下实现流量监控井底 压力控制的方法流程框图。

图中，1001.泥浆泵入口流量测量系统，1002.回压泵入口流量测量系统，1003.钻井 液返出流量测量系统，2001.自动节流管汇系统；

1.泥浆罐，2.第一质量流量计，3.回压泵，4.第一压力表，5.第一手动平板阀，6. 第二手动平板阀，7.第二质量流量计，8.第三手动平板阀，9.泥浆泵，10.第二压力表， 11.旋转控制头，12.环空压力测量工具，13.第三压力表，14.第一气控平板阀，15.第 二气控平板阀，16.第一液动节流阀，17.第二液动节流阀，18.单流阀，19.第四压力表， 20.第一球阀，21.第二球阀，22.第三质量流量计，23.第三球阀，24.液气分离器，25. 振动筛，26.燃烧口。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进 一步地详细描述。

实施例一

参见图1，一种利用流量监控实现井底压力控制的钻井装备，所述装备包括：泥浆泵入 口流量测量系统1001，回压泵入口流量测量系统1002，钻井液返出流量测量系统1003，自 动节流管汇系统2001，以及旋转控制头11，液气分离器24，振动筛25等；旋转控制头11 的动密封压力14MPa，静密封压力35MPa；回压泵3可选用160泵，额定工作压力：35MPa， 排量：12L/s；液气分离器24液体处理量:200m³／h，气体处理量:20000m³／h，工作压 力:1.5MPa。

具体地，作为优选，所述泥浆泵入口流量测量系统1001的进口有管线连接到泥浆罐1， 泥浆泵入口流量测量系统1001的出口有管线连接到钻杆，经钻杆底部由钻头从井眼环空至旋 转控制头11处与自动节流管汇系统2001的入口管线及回压泵入口流量测量系统1002的出 口管线相通；回压泵入口流量测量系统1002有管线连接到泥浆罐1；自动节流管汇系统2001 的出口有管线与钻井液返出流量测量系统1003的入口连接；钻井液返出流量测量系统1003 的出口有管线与液气分离器24的入口连接；液气分离器24有两条分支，分支其一连接到振 动筛25，再由振动筛25连接到泥浆罐1，分支其二连接到燃烧口26。

具体地，所述泥浆泵入口流量测量系统1001由两条通道串联泥浆泵9组成，通道一由第 一手动平板阀5、第二质量流量计7和第三手动平板阀8串联组成，通道二即直流通道，包 括一个第二手动平板阀6；回压泵入口流量测量系统1002由回压泵3和第一质量流量计2串 联而成。

具体地，所述钻井液返出流量测量系统1003由两条通道组成，通道一由第一球阀20、 第三质量流量计22和第三球阀23串联组成，通道二即直流通道，包括一个第二球阀21。

进一步地，所述第一质量流量计2可选用通径3寸的流量计，测量精度为不含气体时， 要求精度＞99.8%，含气体量＜5%，要求精度＞98.0%，5%＜含气体量＜15%，要求精度＞95.0%。 所述第二质量流量计7和第三质量流量计22可选用通径4寸的流量计，测量精度为不含气体 时，要求精度＞99.8%，含气体量＜5%，要求精度＞98.0%，5%＜含气体量＜15%，要求精度＞ 95.0%。

具体地，所述自动节流管汇系统2001有两个进口，其一由第一气控平板阀14连接到井 口旋转控制头11，其二由第二液动节流阀17连接到回压泵入口流量测量系统1002；自动节 流管汇系统2001由两条节流通道并联组成，其一由第一气控平板阀14和第一液动节流阀16 串联组成，其二由第二气控平板阀15，第二液动节流阀17和单流阀18串联组成；第一气控 平板阀14与第二气控平板阀15类型相同，第一液动节流阀16与第二液动节流阀17类型相 同。

具体地，所述回压泵入口流量测量系统1002出口管线至第二液动节流阀17入口之间安 装有第一压力表4；在泥浆泵入口流量测量系统1001的出口管线至井口安装有第二压力表10； 在自动节流管汇系统2001入口管线至旋转控制头11间安装有第三压力表13；在自动节流管 汇系统2001出口管线至钻井液返出流量测量系统1003间安装有第四压力表19。

实施例二

本发明还提供了一种利用实施例一所述钻井装备流量监控实现井底压力控制的方法，钻 井中，将钻井的工况分成正常钻进、起下钻、接单根三个基本工况，起下钻一般是指更换钻 具，把钻具从井下起出地面叫“起钻”，起钻之后，如果还需要继续钻进，或者需要通井， 就要把钻具再下到井底，叫“下钻”，接单根一般是指在钻井过程当中当方钻杆最上部快到 达补心而不能再继续钻进，需要把方钻杆提出，然后在下部钻杆以上接一根钻杆以便继续向 下钻进，也就是只接一根钻杆的过程叫接单根。

通过在不同工况下，进行分析，判断装备处于漏失或者溢流或者不漏不溢状态，根据不 同状态，选择不同的系统，实现井底压力控制。在实际应用中，当井底压力大于地层破裂压 力会产生漏失现象，当井底压力小于地层压力时会产生溢流现象，由于井底压力P_BHP为： P_BHP=P_实测值+P_H+P_L，P_H、P_L在既定井眼情况、钻井液性能及一定流量条件下是不变的，只有 井口回压P_实测值易于改变，因此可通过控制井口回压，使井底压力在适合的区间，实现不漏不 溢或者有控制的除漏失或者溢流，其中，P_实测值为实际测量的井口回压，单位为MPa，P_H为静 液柱压力，单位为MPa，P_L为环空压耗，单位为MPa。

参见图2，本实施例提供的方法流程具体如下：

201：获取钻井装备的入口流量和出口流量之差ΔQ；

202：根据所述流量之差判断所述钻进装备的状态，其中，所述状态包括：漏失状态、溢 流状态、不漏不溢状态；

203：根据所述状态调节井口回压，实现井底压力控制。

本实施例提供了一种利用上述实施例一中的钻井装备流量监控实现井底压力控制的方 法，通过获取钻井装备的入口流量和出口流量之差ΔQ，根据获取到的流量之差判断钻进装备 的状态，其中，该状态包括：漏失状态、溢流状态、不漏不溢状态，根据获取到的状态调节 井口回压，进而实现井底压力控制，从而能够有效控制或者消除井底漏失或者溢流对钻井造 成的恶劣影响。

实施例三

本实施例提供了一种利用实施例一所述钻井装备流量监控实现井底压力控制的方法，结 合上述实施例一的内容，本实施例以工况为正常钻井工况时为例进行说明，正常钻井工况下， 钻井液由泥浆罐1吸入，经第一手动平板阀5、第二质量流量计7和第三手动平板阀8，通过 泥浆泵9泵入钻柱，钻井液由钻杆水眼至井底从井眼环空上返至地面，受旋转控制头11阻隔， 换向进入自动节流管汇系统2001，通过第一气控平板阀14后经第一液动节流阀节流16，进 入钻井液返出流量测量系统1003，通过第一球阀20和第三质量流量计22后，由第三球阀21 至液气分离器24，分离出的气体由燃烧口26排出燃烧，分离出的液体由振动筛25返回泥浆 灌1，由第二压力表10测量泥浆泵9出口压力，判断泥浆泵9启动和停止的时间。

参见图3，所述方法流程包括：

301：获取泥浆泵入口流量测量系统1001的入口流量和钻井液返出流量测量系统1003的 出口流量之差ΔQ；

在本实施例中，工况为正常钻井工况。具体地，获取钻井装备的入口流量和出口流量之 差ΔQ包括：

根据泥浆泵入口流量测量系统1001中的第二质量流量计7获取入口流量Q_in，根据钻井 液返出流量测量系统1003中的第三质量流量计22获取出口流量Q_out，根据所述入口流量和出 口流量，获取所述钻井装备的工况下的入口流量和出口流量之差ΔQ。

实际应用中，泥浆泵入口流量测量系统1001中的入口流量钻井液返出流量 测量系统1003中的出口流量ΔQ=Q_in-Q_out，其中q_in为第二质量流量计7在t时间 内测得的流量，q_out为第三质量流量计22在t时间内测得的流量，t满足t₁＜t＜t₂，时间间 隔Δt=t₂-t₁，可以为1min-10min之间内任一值，还可以为其他值，本实施例不对Δt的具体数 值进行限定。

或者，入口流量Q_in可由泥浆泵9每分钟冲数、每冲容积及上水效率乘积得到，其中，上 水效率可通过稳定工作状态下，第二质量流量计7或第三质量流量计22校核得到。

302：根据所述流量之差判断所述钻进装备的状态，其中，所述状态包括：漏失状态、溢 流状态、不漏不溢状态；

具体的，如果入口流量和出口流量之差ΔQ≥Q_l，自动节流管汇系统2001判断所述状态为 漏失状态，其中Q_l≥0；

如果入口流量和出口流量之差ΔQ≤-Q_k，自动节流管汇系统2001判断所述状态为溢流状 态，其中Q_k≥0；

如果入口流量和出口流量之差ΔQ：-Q_k＜ΔQ＜Q_l，自动节流管汇系统2001判断所述状态 为不漏不溢状态。

例如，设定值Q_l=80L，Q_k=70L，当ΔQ≥80L时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为 漏失状态，当ΔQ≤-70L时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为溢流状态，当-70＜ΔQ ＜80,时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为不漏不溢状态。

303、根据所述状态调节井口回压，实现井底压力控制。

具体的，当状态为漏失状态时，通过减小自动节流管汇系统2001中的第一液动节流阀 16的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制， 当状态为溢流状态时，通过增加自动节流管汇系统2001中的第一液动节流阀16的开度，提 高井口回压,P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，当状态为 不漏不溢状态时，则不改变井口回压,实现井底压力控制，其中，P₀为钻井装备控压精度，P _实测值为实际测量的井口回压，也就是在自动节流管汇系统2001入口管线至旋转控制头10间安 装的第三压力表13的读数，P_计算值为由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到， ΔP_调整值可以采用两种方式得到：1）线性调整法：ΔP_调整值=±K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1，2）逐步 测试法：ΔP_调整值=±N（MPa），0.5≤N≤1，MPa为单位，所述状态为漏失状态时ΔP_调整值取负值， 所述状态为溢流状态时ΔP_调整值取正值。

例如，当状态为漏失状态时，井口回压P_实测值大于P_计算值，此时ΔQ≥Q_l，调整井口回压 P_计算值，井口回压P_计算值为通过由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，井口 回压调整值ΔP_调整值=-K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1或者ΔP_调整值取-0.5MPa～-1MPa之间任意一个值， 减小自动节流管汇系统2001中的第一液动节流阀16的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回 压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，其中P₀可以为0.3MPa，还可以为其它 值，本实施例不对钻井装备控压精度P₀进行具体限定。

当状态为溢流状态时，井口回压P_实测值小于P_计算值，此时ΔQ≤-Q_k，调整井口回压P_计算值， 井口回压P_计算值为通过由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，井口回压调 整值ΔP_调整值=K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1或者ΔP_调整值取0.5MPa～1MPa之间任意一个值，增加自动节 流管汇系统2001中的第一液动节流阀16的开度，提高井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与 P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，其中P₀可以为0.3MPa，还可以为其它值，本实施 例不对钻井装备控压精度P₀进行具体限定。

进一步地，针对该步骤为了使第一液动节流阀16的开度工作在最优控制区间内，根据所 述状态调节井口回压，实现井底压力控制还包括：

在工况为正常钻井工况下，所述状态为漏失状态时，通过改变回压泵入口流量测量系统 （1002）的流量，使第一液动节流阀（16）的开度工作在最优控制区间[a b]内时，调节第一 液动节流阀（16）的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实 现井底压力控制，所述状态为溢流状态时，通过改变回压泵入口流量测量系统（1002）的流 量，使第一液动节流阀（16）的开度工作在最优控制区间[a b]内时，调节第一液动节流阀（16） 的开度，提高井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制， 如果所述状态为不漏不溢状态时，则不改变井口回压P_实测值,实现井底压力控制；

当第一液动节流阀（16）的开度＜a时，启动回压泵入口流量测量系统(1002)的回压泵 （3），补充流量，使第一液动节流阀（16）的开度在最优控制区间工作；

在回压泵（3）启动且第一液动节流阀（16）的开度＞b时，关闭回压泵入口流量测量系 统（1002）的回压泵（3），减少流量，使第一液动节流阀（16）的开度在最优控制区间工作；

其中，30%≤a＜b≤70%，P₀为钻井装备控压精度，P_实测值为实际测量的井口回压，也就 是在自动节流管汇系统（2001）入口管线至旋转控制头（10）间安装的第三压力表（13）的 读数，P_计算值为由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，ΔP_调整值可以采用两种 方式得到：1）线性调整法：ΔP_调整值=±K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1，2）逐步测试法：ΔP_调整值=±N （MPa），0.5≤N≤1，MPa为单位，所述状态为漏失状态时ΔP_调整值取负值，所述状态为溢流状 态时ΔP_调整值取正值。

例如，当状态为漏失状态或溢流状态时，需调节第一液动节流阀16的开度，若此时的第 一液动节流阀16的开度工作在＜30%时，启动回压泵入口流量测量系统(1002)的回压泵3， 补充流量，以增加总入口流量，使第一液动节流阀16的开度工作在最优控制区间[a b],当调 节后的第一液动节流阀16的开度工作在＞70%时，关闭回压泵入口流量测量系统1002的回压 泵3，减少流量，以减少总入口流量，使第一液动节流阀16的开度在最优控制区间[a b]工 作，其中，a可以为30%，b可以为70%，还可以为其他值，本实施例不对a和b的具体值进 行限定。

本实施例提供的方法，通过获取钻井装备的入口流量和出口流量之差ΔQ，根据获取到的 流量之差判断钻进装备的状态，其中，该状态包括：漏失状态、溢流状态、不漏不溢状态， 根据获取到的状态调节井口回压，进而实现井底压力控制，从而能够有效控制或者消除井底 漏失或者溢流对钻井造成的恶劣影响。

实施例四

本实施例提供了一种利用实施例一所述钻井装备流量监控实现井底压力控制的方法，结 合上述实施例一的内容，本实施例以工况为起下钻工况时为例进行说明，起下钻工况时，泥 浆泵停止工作，回压泵被启动，钻井液由泥浆罐1吸入，经第一质量流量计2，回压泵3，进 入到自动节流管汇系统2001，经第二液动节流阀17，单流阀16进入钻井液返出流量测量系 统1003，通过第一球阀20和第三质量流量计22后，由第三球阀21至液气分离器24，分离 出的气体由燃烧口26排出燃烧，分离出的液体由振动筛25返回泥浆灌1，打开第二气控平 板阀15，关闭第一气控平板阀14，使节流压力传递至井口。

参见图4，所述方法流程包括：

401：获取回压泵入口流量测量系统1002的入口流量和钻井液返出流量测量系统1003的 出口流量之差ΔQ；

在本实施例中，工况为起下钻工况。具体地，获取钻井装备的入口流量和出口流量之差 ΔQ包括：

根据回压泵入口流量测量系统1002中的第一质量流量计2获取入口流量Q_in，根据钻井 液返出流量测量系统1003中的第三质量流量计22获取出口流量Q_out，根据所述入口流量和出 口流量，获取所述钻井装备的工况下的入口流量和出口流量之差ΔQ。

实际应用中，回压泵入口流量测量系统1002中的入口流量钻井液返出流量 测量系统1003中的出口流量ΔQ=Q_in-Q_out，其中q_in为第二质量流量计7在t时间 内测得的流量，q_out为第三质量流量计22在t时间内测得的流量，t满足t₁＜t＜t₂，时间间 隔Δt=t₂-t₁，可以为1min-10min之间内任一值，还可以为其他值，本实施例不对Δt的具体数 值进行限定。

402：根据所述流量之差判断所述钻进装备的状态，其中，所述状态包括：漏失状态、溢 流状态、不漏不溢状态；

具体的，如果入口流量和出口流量之差ΔQ≥Q_l，自动节流管汇系统2001判断所述状态为 漏失状态，其中Q_l≥0；

如果入口流量和出口流量之差ΔQ≤-Q_k，自动节流管汇系统2001判断所述状态为溢流状 态，其中Q_k≥0；

如果入口流量和出口流量之差ΔQ：-Q_k＜ΔQ＜Q_l，自动节流管汇系统2001判断所述状态 为不漏不溢状态。

例如，设定值Q_l=80L，Q_k=70L，当ΔQ≥80L时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为 漏失状态，当ΔQ≤-70L时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为溢流状态，当-70＜ΔQ ＜80,时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为不漏不溢状态。

403：根据所述状态调节井口回压，实现井底压力控制。

具体的，当状态为漏失状态时，通过减小自动节流管汇系统2001中的第二液动节流阀 17的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制， 当状态为溢流状态时，通过增加自动节流管汇系统2001中的第二液动节流阀17的开度，提 高井口回压,P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，当状态为不 漏不溢状态时，则不改变井口回压,实现井底压力控制，其中，P₀为钻井装备控压精度，P_实测值为实际测量的井口回压，也就是在自动节流管汇系统2001入口管线至旋转控制头10间安 装的第三压力表13的读数，P_计算值为由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到， ΔP_调整值可以采用两种方式得到：1）线性调整法：ΔP_调整值=±K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1，2）逐步 测试法：ΔP_调整值=±N（MPa），0.5≤N≤1，MPa为单位，所述状态为漏失状态时ΔP_调整值取负值， 所述状态为溢流状态时ΔP_调整值取正值。

例如，当状态为漏失状态时，井口回压P_实测值大于P_计算值，此时ΔQ≥Q_l，调整井口回压 P_计算值，井口回压P_计算值为通过由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，井口 回压调整值ΔP_调整值=-K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1或者ΔP_调整值取-0.5MPa～-1MPa之间任意一个值， 减小自动节流管汇系统2001中的第二液动节流阀17的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回 压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，其中P₀可以为0.3MPa，还可以为其它 值，本实施例不对钻井装备控压精度P₀进行具体限定。

当状态为溢流状态时，井口回压P_实测值小于P_计算值，此时ΔQ≤-Q_k，调整井口回压P_计算值， 井口回压P_计算值为通过由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，井口回压调 整值ΔP_调整值=K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1或者ΔP_调整值取0.5MPa～1MPa之间任意一个值，增加自动节 流管汇系统2001中的第二液动节流阀17的开度，提高井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与 P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，其中P₀可以为0.3MPa，还可以为其它值，本实施 例不对钻井装备控压精度P₀进行具体限定。

本实施例提供的方法，通过获取钻井装备的入口流量和出口流量之差ΔQ，根据获取到的 流量之差判断钻进装备的状态，其中，该状态包括：漏失状态、溢流状态、不漏不溢状态， 根据获取到的状态调节井口回压，进而实现井底压力控制，从而能够有效控制或者消除井底 漏失或者溢流对钻井造成的恶劣影响。

实施例五

本实施例提供了一种利用实施例一所述钻井装备流量监控实现井底压力控制的方法，结 合上述实施例一的内容，本实施例以工况为接单根工况时为例进行说明，接单根工况时，有 两种情况，一种情况是，当泥浆泵9准备停止工作时，启动回压泵3，钻井液由泥浆罐1吸 入，经第一质量流量计2，回压泵3，第二液动节流阀17，单流阀18进入钻井液返出流量测 量系统1003，通过第一球阀和第三质量流量计22后，由第三球阀21至液气分离器24，分离 出的气体由燃烧口26排出燃烧，分离出的液体由振动筛25返回泥浆灌1，调节第二液动节 流阀的开度17，当第一压力表4读数与第三压力表13一致时，打开第二气控平板阀15，进 一步减小第二液动节流阀的开度17，关闭泥浆泵9，关闭第一气控平板阀14，控制井口压力； 另一种情况是，当泥浆泵9准备启动工作时，启动回压泵3，钻井液由泥浆罐1吸入，经第 一质量流量计2，回压泵3，第二液动节流阀17，单流阀18进入钻井液返出流量测量系统1003， 通过第一球阀和第三质量流量计22后，由第三球阀21至液气分离器24，分离出的气体由燃 烧口26排出燃烧，分离出的液体由振动筛25返回泥浆灌1，调节第二液动节流阀17的开度， 当第一压力表4读数与上一次正常钻进时第三压力表13一致时，启动泥浆泵9，打开第一气 控平板阀14，关闭第二气控平板阀15，关闭回压泵3，控制井口压力。

参见图5，所述方法流程包括：

501：获取泥浆泵入口流量测量系统1001的入口流量和回压泵入口流量测量系统1002的 入口流量之和与钻井液返出流量测量系统1003的出口流量之差ΔQ；

在本实施例中，工况为接单根工况。具体地，获取钻井装备的入口流量和出口流量之差 ΔQ包括：

根据泥浆泵入口流量测量系统1001中的第二质量流量计7和回压泵入口流量测量系统 1002中的第一质量流量计2获取入口流量Q_in，根据钻井液返出流量测量系统1003中的第三 质量流量计22获取出口流量Q_out，根据所述入口流量和出口流量，获取所述钻井装备的工况 下的入口流量和出口流量之差ΔQ。

实际应用中，泥浆泵入口流量测量系统1001的入口流量和回压泵入口流量测量系统1002 中的入口流量分别由计算得出，钻井液返出流量测量系统1003中的出口流量 ΔQ=Q_in-Q_out，其中q_in为第一质量流量计2和第二质量流量计7分别在t时间内 测得的流量，q_out为第三质量流量计22在t时间内测得的流量，t满足t₁＜t＜t₂，时间间隔 Δt=t₂-t₁，可以为1min-10min之间内任一值，还可以为其他值，本实施例不对Δt的具体数值 进行限定。

502：根据所述流量之差判断所述钻进装备的状态，其中，所述状态包括：漏失状态、溢 流状态、不漏不溢状态；

具体的，如果入口流量和出口流量之差ΔQ≥Q_l，自动节流管汇系统2001判断所述状态为 漏失状态，其中Q_l≥0；

如果入口流量和出口流量之差ΔQ≤-Q_k，自动节流管汇系统2001判断所述状态为溢流状 态，其中Q_k≥0；

如果入口流量和出口流量之差ΔQ：-Q_k＜ΔQ＜Q_l，自动节流管汇系统2001判断所述状态 为不漏不溢状态。

例如，设定值Q_l=80L，Q_k=70L，当ΔQ≥80L时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为 漏失状态，当ΔQ≤-70L时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为溢流状态，当-70＜ΔQ ＜80,时，自动节流管汇系统2001判断所述状态为不漏不溢状态。

503：根据所述状态调节井口回压，实现井底压力控制。

具体地，当状态为漏失状态时，通过减小自动节流管汇系统2001中的第二液动节流阀 17的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制， 当状态为溢流状态时，通过增加自动节流管汇系统2001中的第二液动节流阀17的开度，提 高井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，当状态为不 漏不溢状态时，则不改变井口回压，实现井底压力控制，其中，P₀为钻井装备控压精度， P_实测值为实际测量的井口回压，也就是在自动节流管汇系统2001入口管线至旋转控制头10间 安装的第三压力表13的读数，P_计算值为由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得 到，ΔP_调整值可以采用两种方式得到：1）线性调整法：ΔP_调整值=±K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1，2） 逐步测试法：ΔP_调整值=±N（MPa），0.5≤N≤1，MPa为单位，所述状态为漏失状态时ΔP_调整值取 负值，所述状态为溢流状态时ΔP_调整值取正值。

例如，当状态为漏失状态时，井口回压P_实测值大于P_计算值，此时ΔQ≥Q_l，调整井口回压 P_计算值，井口回压P_计算值为通过由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，井口 回压调整值ΔP_调整值=-K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1或者ΔP_调整值取-0.5MPa～-1MPa之间任意一个值， 减小自动节流管汇系统2001中的第二液动节流阀17的开度，降低井口回压P_实测值，使井口回 压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，其中P₀可以为0.3MPa，还可以为其它 值，本实施例不对钻井装备控压精度P₀进行具体限定。

当状态为溢流状态时，井口回压P_实测值小于P_计算值，此时ΔQ≤-Q_k，调整井口回压P_计算值， 井口回压P_计算值为通过由根据水力模型计算值P_{水力模型值}和调整值ΔP_调整值相加得到，井口回压调 整值ΔP_调整值=K|ΔQ|，0.01≤K≤0.1或者ΔP_调整值取0.5MPa～1MPa之间任意一个值，增加自 动节流管汇系统2001中的第二液动节流阀17的开度，提高井口回压P_实测值，使井口回压P_计算值与P_实测值之差|ΔP|＜P₀，实现井底压力控制，其中P₀可以为0.3MPa，还可以为其它值，本 实施例不对钻井装备控压精度P₀进行具体限定。

本实施例提供的方法，通过获取钻井装备的入口流量和出口流量之差ΔQ，根据获取到的 流量之差判断钻进装备的状态，其中，该状态包括：漏失状态、溢流状态、不漏不溢状态， 根据获取到的状态调节井口回压，进而实现井底压力控制，从而能够有效控制或者消除井底 漏失或者溢流对钻井造成的恶劣影响。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之 内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。