优化压力钻井的井筒压力控制

摘要

一种井系统可包括与井筒连通的蓄能器，由此，蓄能器将压力施加到井筒。一种在井筒内维持要求的压力的方法可包括：所述蓄能器响应于井筒中比要求的压力低的压力，将压力施加到井筒。另一种井系统可包括与井筒连通的阻尼器，该井筒与大气隔绝，由此，阻尼器减缓井筒内的压力峰值。

说明书

技术领域

本发明中在所述的实施例中总的涉及地下井中所用设备和执行的操作，具体来说，用优化的压力钻井方法提供对井筒压力的控制。

背景技术

在钻井操作中控制井筒压力是很重要的。过度的井筒压力会造成所钻进的井筒贯穿的地层不希望发生的断裂、套管靴（套管鞋）崩溃以及有价值的钻井流体的损失。井筒压力的不足可造成地层流体流入井筒内，并可造成井筒不稳定。

因此，人们认识到在井筒压力控制技术中不断地需要作改进。

附图说明

图1是可实施本发明原理的井系统和相关方法的局部剖视图。

图2是过程控制系统的示意方框图，该控制系统可用于图1的井系统和的方法，且其可实施本发明的原理。

图3是可用于井系统方法的示意流程图，该方法可实施本发明的原理。

具体实施方式

图1中示意地示出的是可实施本发明原理的井系统10和相关方法。在系统10中，通过旋转管形钻具组16端部上的钻头14来钻出井筒12。钻头14可通过转动钻具组16和/或通过运行互联到钻具组的泥浆马达（未示出）而转动。

钻井18（通常称作泥浆）向下通过钻具组16循环流出钻头14外，并向上通过钻具组和井筒12之间形成的环腔20，以冷却钻头、润滑钻具组、除去钻屑以及提供底部孔压力控制的措施（测量）。单向阀21（通常是翻板型止回阀）阻止钻井流体18向上通过钻具组16流动。

在压力控制和欠平衡的钻井以及其他类型的优化压力钻井操作中，控制底部孔的压力是非常重要的。较佳地，优化底部孔压力可防止流体过度流失到包围井筒12的地层64内、地层不期望的断裂、地层流体不理想地流入井筒内等。

在典型的压力控制的钻井中，要求将底部孔压力维持在刚好大于地层64的孔隙压力，不超过地层的断裂压力。在典型的欠平衡钻井中，要求将底部孔压力维持在略微低于地层的孔隙压力，由此，获得流体从地层流体64有控制的流入。

氮气或其他气体，或其他重量较轻的流体，可添加到钻井流体18中，以达到压力控制。该技术例如在欠平衡钻井操作或在隔离密度（诸如双梯度）的压力控制钻井中特别有用。

在系统10中，通过使用旋转的控制装置22（RCD）来切断环腔20（例如，隔断环腔与大气的连通，在地面或地面附近对环腔加压），便可获得对底部孔压力附加的控制。RCD22在井口24上方围绕钻具组16密封。尽管图1中未予示出，但钻具组16向上延伸通过RCD，以便连接到例如立管管路26和/或其他传统的钻井设备。

钻井流体18通过翼形阀28流出井口24，该翼形阀28与RCD22下方的环腔20连通。流体18然后流过流体返回管线30流到节流管汇32，节流管汇包括冗余的节流器34。通过可变地限制流体18通过可操作的节流器的流动，将背压施加到环腔20。

对流过节流器34的限制越大，则施加到环腔20的背压就越大。因此，通过改变施加到环腔20的背压便可方便地调节底部孔压力。如下面将要更完整描述的，可使用水力学模型来确定施加到地面或地面附近的环腔20的压力，该压力将导致所要求的底部孔压力。这样，操作者（或自动控制系统）可容易地确定如何调节施加到地面或地面附近的环腔的压力（其可方便地进行测量），以获得要求的底部孔压力。

还可要求控制沿着井筒12的其他部位处的压力。例如，可使用本发明原理来控制以下部位的压力：套管靴处、侧向井筒的跟部处、井筒12大致垂直或水平部分，或任何其他部位。

可通过多种压力传感器36、38、40在地面或其附近处测量施加到环腔20的压力，各个传感器与环腔连通。压力传感器36可检测RCD22下方但在防喷器（BOP）组42上方的压力。压力传感器38检测BOP组42下方的井口内的压力。压力传感器40检测节流管汇32上游处的流体返回管线30中压力。

另一压力传感器44检测立管26内的压力。还有另一压力传感器46检测节流管汇32下游但在分离器48、振动器（振动筛）50和泥浆池52上游处的压力。附加的传感器包括温度传感器54、56、科利奥利（Coriolis）流量计58以及流量计62、66。

并非所有传感器都是必要的。例如，系统10可包括流量计62、66中的仅一个流量计。然而，对于水力学模型而言从传感器的输入是有用的，可以确定在钻井操作过程中应将如何的压力施加到环腔20。

此外，钻具组16可包括其自身的传感器60，例如，用来直接测量底部孔压力。如此的传感器60可以是本技术领域内技术人员熟知的类型，是随钻测压（PWD）的传感器系统、随钻测结构图（MWD）的传感器系统，和/或随钻测井（LWD）的传感器系统。这些钻具组传感器系统一般提供至少压力测量，并还可提供温度测量，探测钻具组16的特征（诸如振动、钻头上重量、粘滑移等）、地层特征（诸如电阻、密度等），和/或其他测量值。可使用各种形式的遥测技术（声的、压力脉冲的、电磁的、光的、有线的遥测技术等）将向下钻进传感器的测量值传送到地面上。钻具组16可设置有导体、光波导管等，用以在传感器60和下述的过程控制系统74之间传递数据和/或指令（见图2）。

如果需要的话，可在系统10内包括附加的传感器。例如，可使用另一流量计67来测量流出井口24的流体18流量，另一科利奥利流量计（未示出）可直接互连在台架泥浆泵68的上游或下游，等等。

如果需要的话，可在系统10内纳入几个传感器。例如，可通过计数泵的行程次数，而不是使用流量计62或任何其他形式的流量计，可确定台架泥浆泵68的输出量。

注意，分离器48可以是3或4相的分离器，或是泥浆气体分离器（有时称作“泥气分离器（poor boy degasser）”）。然而，分离器48在系统10中不一定要使用。

钻井流体通过台架泥浆泵68泵送，通过立管管线26泵送入钻具组16内部。泵68从泥浆池52接收流体18，并使流体流入立管管线26。流体18然后向下循环通过钻具组16，向上通过环腔20，通过泥浆返回管线30，通过节流管汇32，再然后通过分离器48和振动器50流到泥浆钻头52，用以调节和再循环。

注意，在迄今所述的系统10中，节流器34不能用来控制用以控制底部孔压力的施加到环腔20的背压，除非流体18流过该节流器。在传统的欠平衡钻井操作中，每当钻具组16中进行连接时（例如，随着井筒12越钻越深，就会将另一段长度钻井管子添加到钻具组），就会发生循环中断，该中断的循环会要求仅通过流体18的密度来调节底部孔压力。

然而，在系统10中，即使流体18不循环通过钻具组16和环腔20，也可保持施加环腔20的要求的压力。因此，压力仍可施加到环腔20，流体18不一定要流过节流器34。

在图1所示的系统10中，可用蓄能器70来对节流管汇32上游处的返回管线30馈送流体流动。在其他的实例中，蓄能器70可通过BOP组42连接到环腔20，在另外的实例中，蓄能器可连接到节流管汇32。

不管是否还使用附加的压力源（例如，独立的背压泵和/或台架泵（钻井泥浆泵）68等），蓄能器70总可用来在环腔20内维持要求的压力。在国际专利申请系列No.PCT/US08/87686和美国专利申请系列No.13/022,964中，描述了流体18从立管管汇（或其它方式从台阶泵68）到泥浆返回管线30的分流。在2011年4月8日提交的国际专利申请系列No.PCT/US11/31767中描述了独立的背压泵的使用。

井系统10还可（或替代地）包括连接到返回管线30的压力阻尼器72，如图1中所示。该阻尼器72可替代地通过BOP组42连接到环腔20，或阻尼器可连接到节流管汇32。

阻尼器72的功能是降低压力峰值（正向的或负向的），否则，压力峰值会连通到环腔20。某些操作（诸如，在钻具组16内作好连接之后，重新开始钻井，钻头14穿透不同的储库压力区域，台架泵68输出的振动等）可在井筒12内诱发出如此的压力峰值。阻尼器72减缓压力峰值，于是，可保持相对连续的要求的井筒压力。

较佳地，阻尼器72包括加压气体腔78，该气体腔78通过柔性隔膜80或浮动活塞等与流体18隔离。气体腔78内的压缩气体提供可降低任何压力峰值的“气垫（缓冲垫）”。然而，根据本发明的原理，也可采用其他类型的阻尼器。

如果需要的话，阻尼器72可设置有足够的体积，使其也可起作蓄能器操作，如以上对蓄能器70所描述的那样，适于提供压力以维持井筒中要求的压力。在该情形中，可不使用独立的蓄能器70。

在这一点上，应该指出的是，此处井系统10的描述仅是可实施本发明原理的井系统的一个实例而已。因此，这些原理根本不局限于如图1所示或本文所述的井系统10的所有细节。

现另外参照图2，图中示意地示出过程控制系统74的一个实例的方框图。过程控制系统74在这里描述为用于图1中的井系统10，但应该理解到，过程控制系统也可在保持本发明原理的前提下用于其他的井系统。在其他的实例中，在保持本发明范围的前提下，过程控制系统74可包括其他数量、类型、组合等的元件，任何的元件可定位在不同部位处，或与其他元件形成一体。

如图2所示，过程控制系统74包括数据获取和控制接口118、水力学模型120、预测装置122、数据验证器124以及控制器126。这些元件可类似于2010年11月12日提交的国际专利申请系列No.PCT/US10/56433中所述的元件。

水力学模型120用来确定环腔20中所要求的压力，由此，在井筒12中的某个部位处达到要求的压力。水力学模型120利用诸如井筒深度、钻具组每分钟转速、运行速度/泥浆类型等的数据，模拟井筒12、钻具组16、通过钻具组和环腔20的流体流量（包括由于如此流动引起的等价的循环密度）等。

数据获取和控制接口118从各个传感器36、38、40、44、46、54、56、58、60、62、66、67中接收数据，并连同台架和向下钻进数据一起，将这些数据转送到水力学模型120和数据验证器124。此外，接口118将要求的环腔压力从水力学模型120转送到数据验证器124。

预测装置122可被包括在本实例中，以根据以前的数据，确定当前应接收哪些传感器数据，以及要求的环腔压力应是哪样。预测装置122可包括神经网络、遗传算法、模糊逻辑等，或预测元件的任何组合，以形成对传感器数据和要求环腔压力的预测。

数据验证器124使用这些预测来确定任何特定传感器数据是否有效，水力学模型120输出的要求环腔压力是否合适等。如果合适的话，则数据验证器124将要求的环腔压力传送到控制器126（诸如可编程的逻辑控制器，其可包括比例积分微分（PID）控制器），该控制器控制节流器34、蓄能器70和各种流动控制装置（诸如立管管汇的阀82等）的操作。

这样，节流器60、蓄能器70和各种流动控制装置（诸如立管阀82等）可自动地得到控制，以达到或保持环腔20内要求的压力。环腔20内实际压力通常在井口或井口24附近测得（例如通过使用传感器36、38、40），井口可以在陆地处或海下位置处。

例如，如果没有通过钻具组16和环腔20的流体18的循环，则井筒12内的压力下降到要求的压力点之下，控制器126可打开蓄能器70的阀84，以向环腔馈送需要的压力，于是，在环腔和井筒12的余下部分中维持要求的压力。例如，当钻具组16中进行连接作业时，将钻具组移入或移出井筒时，如果台架泵68有故障的话等，都可能发生这样的情形。

现另外参照图3，图中以流程图形式示例性地示出维持井筒12中要求的压力的方法90。该方法90可用于图1的井系统10中，或者可用于其他的井系统，而不会脱离本发明的原理。

如图3所示的方法90可在钻具组16中进行连接作业时使用，但应该认识到，该方法作合适的修改后可使用在钻具组移入或移出井筒时、没有其他的压力源可用来向井筒提供压力时等。

图3实例的方法90起始于开始步骤92，结束于步骤94处的向前钻井。尽管未在图3中示出，但在全部的方法90中，水力学模型120继续输出要求的压力设定点，如果流体18流过节流器34，那么，节流器根据需要运作以维持井筒中要求的压力。然而，在方法90的一部分内，没有流动流过节流器34，于是，控制器126将在方法的该部分内使节流器维持关闭，这将在下文中更完整地描述。

在步骤96，蓄能器70充能量（例如，加压）。蓄能器70可在方法90开始之前或之后充能量。较佳地，在整个优化的压力钻井操作中，蓄能器70保持在充能量的状态中，在开始该方法90之前就充能量，但步骤96被包括在方法内，以指示此时蓄能器应在充能量状态中。

在准备钻具组16进行连接作业时，台架泵68的输出逐渐减小（步骤98），水力学模型120输出的要求的压力设定点改变（步骤100），以及节流器34相应地进行调整（步骤102）。这些步骤98、100、102在图3中图示为平行地进行，因为每个步骤依赖于其他步骤，诸步骤可同时地执行。

例如，当台架泵68的输出减小时，等价的循环密度也减小，这是因为通过井筒12的流体18的流量减小。该情形可由各种传感器探测，并输入到水力学模型120，水力学模型120相应地更新要求的井筒压力设定点。按照需要调整节流器34以维持井筒内更新的要求的压力。

最终，来自台架泵68的流动停止，节流器34完全关闭。立管阀82也关闭，由此限制住井筒12内要求的压力（步骤104）。

在步骤106，蓄能器阀84打开，于是，如果需要的话，蓄能器70可将压力提供给环腔20。替代地，蓄能器阀84仅在井筒12内压力下降到要求的压力设定点以下时，以及倘若井筒12内压力下降到要求的压力设定点以下，蓄能器阀84才可打开。

在步骤108，在准备断开方钻杆滚子补心（kelly drive）或顶部驱动器等时，立管26内的压力被放掉。在传统的钻井作业中，立管26释放阀（未示出）用于该目的。

在步骤110，钻具组16内进行连接作业。该步骤110可包括：在断开方钻杆滚子补心或顶部驱动器等之后，将钻井管的立架旋入到钻具组16。在连接好之后，方钻杆滚子补心或顶部驱动器等重新连接到钻具组16，立管26释放阀关闭。

在步骤112，立管阀82打开，节流器34打开，由此，重新建立起通过钻具组16和环腔20的循环。该步骤最好逐步地进行，例如，通过从台架泵68将流体18缓慢地填充到添加的钻井管立架和立管26，便可将压力峰值减到最小。可用阻尼器72减缓任何生成的压力峰值。

在步骤114、130、132，台架泵68的输出逐渐增加，更新由水力学模型120输出的设定点压力，根据需要调整节流器34，以维持井筒12内更新的要求的压力。这些步骤类似于上述的步骤98、100、102，不同之处在于被逆向进行（例如，在步骤114，泵68的输出增加，不是如步骤98那样减小）。

当通过钻具组16和环腔20的流体循环已经重新建立时（步骤112、114、130、132），蓄能器阀84可关闭（步骤134），因为此时节流器34可用来维持井筒12内要求的压力。然而，在其他实例中，可在执行方法90之前和/或之后，要求提供蓄能器70以向井筒施加压力。

尽管图3示出蓄能器阀84在方法90的特定点处（步骤106）打开，并在方法90的特定点处（步骤134）关闭，但应该清楚地理解到，蓄能器70仅在井筒12内压力下降到要求的压力设定点以下时，以及倘若井筒12内压力下降到要求的压力设定点以下，蓄能器才可将压力提供给环腔20。控制器126可自动地控制蓄能器阀84（或其他类型的流动控制装置，例如，压力调节器等）的操作，于是，仅在需要时，压力才从蓄能器70供应到井筒12。

现在可以完全地明白到，对于优化的压力钻井操作，上述发明对井筒压力控制技术提供了显著的进步。蓄能器70可保证例如当流体18不流过节流器34时将压力施加到环腔20。阻尼器72可在钻井操作过程中用来减缓压力峰值，如果设置有足够的体积，则阻尼器可本身用作为蓄能器。

上述发明为本领域提供了一种井系统10。该井系统10可包括与井筒12连通的蓄能器70，由此，蓄能器70可将压力施加到井筒12。

井筒12通过旋转的控制装置22与大气隔绝。

井系统10还可包括输出要求的井筒压力的水力学模型120。蓄能器70响应于比要求的井筒压力小的实际井筒压力可将压力施加到井筒12。

蓄能器70可与形成在钻具组16和井筒12之间的环腔20连通。蓄能器70可连接到介于防井喷器组42和节流管汇32之间的流体返回管线30。

井系统10可包括可变地限制从井筒12流出的流体18流动的节流器34，在没有流体18流过节流器34流动的情况下，蓄能器70将压力施加到井筒12。

井系统10还可包括与井筒12连通的阻尼器72。

以上发明还描述了维持井筒12内要求的压力的方法90。该方法90可包括：蓄能器70响应于井筒12中比要求的井筒12压力低的压力，将压力施加到井筒12。

在没有流体18流过节流器34情况下，可同时执行压力的施加，所述节流器34可变地限制从井筒12流出的流体18的流动。

方法90还可包括提供井筒12和阻尼器72之间的连通。

方法90可包括用旋转的控制装置22使井筒12与大气隔绝。

方法90可包括从水力学模型120输出要求的压力。

方法90可包括提供蓄能器70和环腔20之间的连通，该环腔20形成在钻具组16和井筒12之间。

方法90可包括执行压力的施加，同时在钻具组16内进行连接或断开作业。

可在没有流体18循环流过钻具组16和环腔20的情况下，执行压力的施加，该环腔20形成在钻具组16和井筒12之间。

以上还描述了井系统10，其可包括与井筒12连通的阻尼器72，井筒12与大气隔绝。阻尼器72减缓井筒12内的压力峰值。

井筒12可通过旋转的控制装置22与大气隔绝。

阻尼器72可与形成在钻具组16和井筒12之间的环腔20连通。

应该理解到，本文所描述的本发明的各种实施例可用于各种定向，诸如是倾斜的、倒置的、水平的、垂直的定向等，且可用于在各种构造中，而不会脱离本发明的原理。各种实施例描述为仅是本发明原理的有用应用的实例，本发明原理不局限于这些实施例的任何具体细节。

当然，本技术领域内的技术人员在仔细考虑以上本发明代表性实施例的描述后，将会容易明白到，对于这些具体的实施例可作出许多修改、添加、替代、删减以及其他的改变，如此的变化都是本发明原理所考虑到的。因此，应该清楚地理解到，以上详细的描述仅是借助于图示和实例给出的，本发明的精神和范围仅由附后权利要求书和其等价物来予以限定。