调节钻井液循环系统中的钻井液压力

摘要

本发明公开一种用于调节钻井液循环系统中的钻井液压力的系统和方法。在一个实施方案中，一种钻井液循环系统包括连接到释压装置(104)的处理器(110)，所述释压装置(104)连接到钻井液泵(30)的排出口与钻柱(31)的入口之间的管道。所述处理器接收表示所述管道中的所述钻井液的压力的压力测量信号，以及表示经过所述管道的所述钻井液的流量的流量参数信号。从所述压力测量信号和所述流量参数信号，所述处理器确定所述管道中的所述钻井液的目标压力参数未得到满足。作为响应，所述处理器通过至少部分地打开所述释压装置来降低所述管道中的所述钻井液的所述压力，直到满足所述目标压力参数为止。

说明书

技术领域

本公开涉及使钻井液循环通过井眼。

背景

在使用钻机的井眼钻井情形中，钻井液循环系统用一个或多个泥 浆泵来循环(或泵送)钻井液(例如钻井泥浆)。如现有技术图1和图2 中所示出，钻井液循环系统10使钻井泥浆(流体，F)经过本领域中称 为钻井管12的特殊管以及连接到钻柱的钻铤，向下移动到井眼50。 流体经过钻头中的口(喷口)离开，采收钻屑C，并将钻屑沿井眼50 的环体40(图2)向上运送。再次参看图1，泥浆泵30从泥浆罐22吸 取泥浆F，并将泥浆F泵送到排送管道24之外，沿立管26向上、穿 过水龙带28、穿过方钻杆或顶部传动单元31，并进入到钻井管12的 中心孔、钻铤和钻头中。泥浆F和钻屑C沿环体40向上返回到地面 (图2)。在地面处，泥浆和钻屑穿过出口(未图示)离开井眼，并经由泥 浆返回路线60被运送到钻屑移除系统。在返回路线的结尾，泥浆F 和钻屑C流到本领域中称为振动筛62的振动网筛上。较细的固体可 通过沉砂井64来移除。可用储存在化学槽罐66中的化学药品来处理 泥浆，且接着将泥浆提供到泥浆罐22中，在那重复所述过程。

钻井液循环系统在压力下递送大量泥浆流，用于钻机操作。循环 系统将泥浆递送到钻杆，以沿钻井管的钻柱向下流动，并穿过附加到 钻杆下端的钻头流出。除冷却钻头之外，泥浆还通过钻头中的一组开 口，以液压方式冲走井眼的面。泥浆另外冲走在钻头前进时产生的碎 片、石屑和钻屑。循环系统使泥浆在钻杆外侧的环状空间中以及钻井 过程所形成的开孔的内部上流动。以此方式，循环系统使泥浆流过钻 头，并流到井眼之外。

泥浆以足够的速度流过钻杆和环状空间，以将比泥浆重的碎片、 碎屑和钻屑移到地面。泥浆的速度也应足以冷却钻头。泵处的井口压 力充分高，以使泥浆在所要速度下流动，且还克服沿流动路径的大量 流动压阻。在一些情形中，循环系统可使泥浆以较高的体积流率(例 如，500到1000加仑每分钟)且以高达5000PSI的压力流过钻头和井 眼。可使用钻机的环境可导致钻柱经历封隔，例如当钻屑或碎片(或 两者)阻塞钻井泥浆在钻孔与钻柱、钻铤或钻头，或其组合之间的环 体中的流动路径时。因此，井下压力可快速增加，从而导致一个或多 个井下构造的断裂，且甚至可能导致井眼的损失。

附图说明

图1是现有技术钻井液循环系统的实例。

图2是流过钻柱以及钻柱与井眼之间的环体的钻井泥浆的实例。

图3是包括释压装置的钻井液循环系统的实例。

图4是用以调节钻井液循环系统中的钻井液压力的计算机系统 的实例。

图5是调节钻井液循环系统中的钻井液压力的第一实例过程的 流程图。

图6是调节钻井液循环系统中的钻井液压力的第二实例过程的 流程图。

图7是图1的计算机系统的架构的实例。

各图中的相同参考编号和名称指示相同元件。

详述

本公开描述一种用于调节钻井液循环系统中的钻井液压力的系 统和方法。所述循环系统可包括钻机立管，其可为例如金属导管(作 为管道系统泥浆泵释压路径的部分)，供钻井液(例如，钻井泥浆)行进 到附接于钻柱的井下端的钻头。如果发生井下封隔，那么钻机立管中 的钻井液的压力可快速增加，从而导致一个或多个井下构造的断裂。 当井下构造断裂时，钻井液可能流失到构造中，从而减少钻井液柱， 这降低了井眼中若干点处的流体静压。钻井液的突然损失可导致丧失 对井的控制，且导致井眼的喷出以及可能的损失。可实施本公开中所 描述的计算机系统和计算机实施的方法，以在感测到立管中的流体的 压力参数增加时，自动降低钻机立管中的钻井液的压力。在一些实施 方式中，所述钻井液循环系统可连接到计算机控制的释压装置，其可 响应于接收到来自连接到循环系统的计算机系统的指令，自动降低钻 机立管中的钻井液的压力。

实施本公开所描述的技术可提供以下潜在优点中的一个或多个。 一般来说，可实施本文所述的技术来自动降低钻机立管中的压力，尤 其是在发生封隔时。这样做可使井下构造免于在压力下有害，从而导 致不合意的断裂。此外，在发生封隔时降低压力可防止泥浆泵上的破 裂盘破裂。降低压力还可防止泥浆电机失速，或顶部传动器失速，或 两者。避免地面泥浆系统和底部钻具总成上的压力峰值可减少所有地 面设备(如泥浆泵、冲洗管等)以及井下总成(如旋转导向、钻井时进行 检视(MWD)工具)和压力激活的设备(如液压激活造斜器和液压激活 钻孔器)上的磨损。相对于在封隔期间关闭包括在循环系统中的泥浆 泵的手动方法，此处所描述的技术可更快且更高效。另外，提供计算 机指令来控制释压装置可减少手动关闭泥浆泵所需的劳力。此处所述 的技术相对于控制连接到钻机立管的释压装置的手动方法也更快且 更高效。

图3是本公开的包括释压装置104的钻井液循环系统100的实 例。在一些实施方式中，释压装置104可连接到钻井液泵30的排出 口与钻柱115的入口之间的管道24。举例来说，释压装置104的入 口可连接到管道24。释压装置104的出口可例如经由管道105连接 到泥浆返回路线60。钻井液循环系统100和释压装置104可连接到 安置在地面的计算机系统106，以通过自动操作释压装置104来调节 钻井液循环系统100中的钻井液压力。可使用附接到钻柱115的井下 端的钻头114在地上钻井眼102，钻柱115连接到从泥浆泵的排出口 到方钻杆或顶部驱动系统30的管道24。管道24可包括钻机立管26。 钻井液循环系统100可包括一个或多个泵30、罐22和固体分离装置 (图1)。泥浆泵驱动(即，泵送)钻井液F(例如，钻井泥浆)穿过包括钻 机立管26在内的管道24，接着向井下穿过钻柱115，进入钻头114 中并从钻头114出来，且向井上穿过钻柱115与井眼102的内壁之间 的环体103。

计算机系统106(例如，桌上型计算机、膝上型计算机、平板计算 机、计算机服务器系统等)可包括计算机可读介质108，其存储可由处 理器110执行来调节钻井液循环系统100中的钻井液压力的计算机指 令。在一些实施方式中，计算机系统106可接收表示管道24中的钻 井液的压力的压力测量信号。计算机系统106可接收表示穿过管道 24的钻井液的流量的流量参数信号。计算机系统106可从压力测量 信号和流量参数信号确定管道24中的钻井液的目标压力参数未得到 满足。响应于确定目标压力参数未得到满足，计算机系统106可降低 管道24中的钻井液的压力，直到通过至少部分地打开释压装置104 来满足目标压力参数为止。

如本文所使用，钻机立管26既定包含从泥浆泵的排出口到附接 到钻柱115的方钻杆或顶部传动系统30的管道24的任何部分，且可 包括所述排出口与方钻杆或顶部传动系统30之间的管道的任何部 分。因此，将理解，可在沿泥浆泵30的排出口与方钻杆/顶部传动器 31之间的管道的任何地方测量以下项：立管压力和立管流率。管道 24中的流率可替代或另外地基于已知的流率方法来确定，所述流率 方法用于基于容积式泥浆泵的速度和汽缸位移来计算泥浆泵36的输 出流量。

如下文所述，计算机系统106可从钻机的操作者接收表示封隔的 开始的目标压力参数。举例来说，计算机系统106可在连接到计算机 系统106的显示装置122中显示用户界面。钻机的操作者可提供目标 压力参数。目标压力参数可为钻机立管26中测得的固定压力。或者 或另外，目标压力参数可为钻机立管26中的压力基于钻井液压力随 时间的趋势的变化(例如，增加或减小)率。在一些实施方式中，计算 机系统106可接收钻井操作过程中经更新的目标压力参数。举例来 说，用于不同钻井条件(例如，不同钻井深度、不同钻头构造、不同 井以及其它条件)的目标压力参数可不同。在一些实施方式中，钻机 的操作者可在不同时刻，根据钻井条件，手动更新目标压力参数。或 者或另外，可自动更新目标压力参数。举例来说，计算机系统106可 实施计算机可执行算法，来以指定时间间隔(例如每天)使目标压力参 数增加固定(或可变)因子，例如10％。在另一实例中，计算机系统106 可实施计算机可执行算法，其可基于现有的目标压力参数以及钻井条 件的变化来确定经修改的目标压力参数。

在钻井操作期间，计算机系统106可周期性地记录管道24中的 压力，并将所记录的压力例如存储在包含于计算机系统106中或连接 到计算机系统106的数据库120中。从所记录的压力，计算机系统 106可周期性地确定压力参数。当计算机系统106确定所述所确定的 压力参数超过从操作者接收到的目标压力参数时，接着计算机系统 106可部分地打开释压装置104，从而导致钻井液流返回到储液室(例 如，泥浆罐22/井坑)。当所述流被分流时，管道24中的压力将减小， 从而防止或减少井下构造归因于封隔而断裂的机会。操作者可关闭包 括在钻井液循环系统100中的泥浆泵，直到压力参数减小到目标压力 参数以下为止。

图4是用以调节钻井液循环系统100中的钻井液压力的计算机系 统106的实例。计算机系统106可包括接收器202，其连接到钻井液 循环系统100和井眼102(具体地说，例如，管道24)，以接收压力测 量信号和流量测量信号，所述信号分别表示管道24中的钻井液的压 力以及经过管道24的流量。计算机系统106可存储(例如，在计算机 可读介质108上)指令，所述指令可由处理器110执行，来从压力测 量信号和流量参数信号确定管道24中的钻井液的目标压力参数未得 到满足。

在一些实施方式中，从安置在钻井液循环系统100中或井眼102 中(或两者)的一个或多个仪器接收压力测量信号和流量测量信号。在 一些实施方式中，多个仪器可沿钻井液循环系统100安置在相应的多 个位置处。举例来说，可在钻头处或附近，将仪器附接到钻柱。或者 或另外，可将仪器附接到钻井循环系统的高压力侧，例如从泵30的 排出口到管道24的钻井液进入钻柱115所处的部分的任何地方。在 一些实施方式中，所述仪器中的一个或多个可附接在钻机立管26附 近，以测量最可代表钻柱115中的压力的压力。除其它数据之外，所 述仪器可测量(例如，在仪器所附接到的相应位置处)钻井液循环系统 100中(例如，钻机立管26中)的钻井液的压力。举例来说，多个仪器 可沿管道24、钻头114、钻柱115、钻机立管26、井眼102或其组合 附接到多个位置，以周期性地测量钻井液循环系统100所循环的钻井 液F的压力。可周期性地(例如实时)将测得压力发射到接收器202。 实时发射测得压力意味着测量压力的仪器在测得压力之后尽可能快 地产生并发射表示压力的信号。换句话说，压力的测量与表示所述压 力的信号的发射之间所逝去的时间可忽略。

在一些实施方式中，计算机系统106可使用钻井优化软件来实施 管道24中的钻井液压力的快速数字记录。计算机系统106可另外实 施直接服务(Direct Service)计算机软件(由德克萨斯 州休斯顿市的哈利伯顿能源服务集团(Halliburton Energy Services)提 供)，来实时记录钻井液压力。在一些实施方式中，计算机系统106 可在显示装置122上将所记录的压力数据显示为例如压力对时间曲 线图。

安置在钻井液循环系统100中或井眼102中(或两者)的一个或多 个仪器可另外测量由钻井液循环系统100循环的钻井液的流量参数。 流量参数可包括体积流率(例如，钻井液到钻柱和钻机立管26中的输 入流率)。当使用井下泥浆电机来钻井时，所述仪器可另外测量例如 钻头上的重量等参数，其可影响钻机立管26和钻柱115中的钻井液 压力。另外，沿管道24附接在相应位置处的每一仪器可将相应位置 发射到接收器202。可测量所有参数，并将其实时发射到接收器202。 在一些实施方式中，可单独或结合所述仪器中的一个或多个，使用其 它装置来测量压力和流量数据。举例来说，可使用容积式泥浆泵的泵 冲程来计算流体的流率。

计算机系统106可周期性地和实时地接收仪器所测得的流量参 数和额外参数。为了确定目标压力参数，计算机系统106可从压力测 量信号所表示的压力以及流量参数信号所表示的流压力确定管道24 中的钻井液的有效压力。在一些实施方式中，计算机系统106可将相 等权重指派给仪器测得的所有参数。或者或另外，当确定管道24中 的钻井液的有效压力时，计算机系统106可将不同权重指派给不同参 数。目标压力参数可为钻井液的固定压力或钻井液的压力的增加率。 计算机系统106可使钻机的操作者能够选择固定压力或压力增加率 (或两者)作为目标压力参数，并将选定的目标压力参数提供到用户界 面中，如上文所述。

在其中目标压力参数为固定压力的实施方式中，计算机系统106 可在钻井操作期间的各个时刻确定管道24中的钻井液的有效压力。 计算机系统106可在所述各个时刻中的任一时刻确定所述有效压力 是否大于固定压力。举例来说，计算机系统106可确定到管道24中 的流压力正随时间过去而增加，因为到管道24中的流率正随时间过 去而增加。计算机系统106可另外确定钻柱的井下端处的钻井液压力 是稳定的。作为响应，计算机系统106可确定钻井液压力的增加不是 归因于封隔，而是归因于到管道24中的钻井液的体积流率的增加。 另一方面，如果计算机系统106确定归因于到管道24中的输入流率 的流压力是稳定的(即，随时间过去大体上恒定)，但管道24中的压 力正随时间过去而增加，那么计算机系统106可确定归因于封隔，有 效压力大于固定压力。

在其中目标压力参数为压力增加率的实施方式中，计算机系统 106可在各个时刻确定管道24中的钻井液的压力的有效增加率。举 例来说，从压力测量信号和流量参数信号，计算机系统106可在各个 时刻确定钻井液的压力的斜率。如果所述斜率超过压力的目标增加 率，那么计算机系统106可确定压力的有效增加率大于压力的增加 率。

计算机系统106还可包括发射器204，用以发射至少部分地打开 或至少部分地关闭(或两者)释压装置的控制信号。在一些实施方式 中，所述释压装置可为下行滑道101(由德克萨斯州休斯顿 市的哈利伯顿能源服务集团、斯佩里钻井服务集团(Sperry Drilling  Services)提供)中的分流阀104。举例来说，处理器110可致使发射器 204将控制信号发射到下行滑道，以响应于确定目标压力参数未得到 满足而至少部分地打开分流阀104。在一些实施方式中，分流阀104 的大小可设计成通过将钻井液从钻机立管26分流出去来减小钻机立 管26中的钻井液的压力。分流阀104的大小可设计成使钻机立管26 中的钻井液的压力减小若干百分比，例如大约30％到50％。

处理器110可另外致使发射器204发射通知信号，以在地面关闭 安置在钻井液循环系统100中的泥浆泵。在一些实施方式中，连接到 计算机系统106的通知系统208可接收来自发射器204的通知信号。 在一些实施方式中，通知系统208可包括警报器，其可位于钻机操作 者附近，且可在接收到来自发射器204的通知信号后，即刻产生声音。 或者或另外，通知系统208可包括可警告钻机操作者关闭钻井液循环 系统100中的泵的装置的任何组合。举例来说，通知系统208可包括 可在接收到通知信号后即刻闪烁的灯。在一些实施方式中，通知系统 208可包括计算机系统，其执行计算机软件应用程序，以将电子通知 (例如，电子邮件警告)发射到由钻机操作者控制的电子装置(例如，智 能手机、平板计算机等)，以通知操作者目标压力参数已被超过。

随着分流阀104将钻井液从管道24分流，管道24和钻柱115中 的钻井液的压力将减小。计算机系统106继续周期性地记录管道24 中的钻井液的压力，并确定压力参数。当计算机系统106从压力测量 信号和流量参数信号确定管道24中的钻井液的压力满足目标压力参 数时，计算机系统106可发射关闭分流阀104的指令。举例来说，计 算机系统106可致使发射器204发射关闭分流阀104的通知信号。另 外，计算机系统106可请求钻机操作者重设目标压力参数。

图5是调节钻井液循环系统中的钻井液压力的第一实例过程300 的流程图。可将过程300实施为存储在计算机可读介质(例如，非暂 时性计算机可读介质)上且由一个或多个数据处理设备(例如，处理器) 执行的计算机可读指令。举例来说，过程300可由计算机系统106实 施。在302处，计算机系统106接收表示钻井液的压力的压力测量信 号。在304处，计算机系统106接收表示钻井液的流量的流量参数信 号。在306处，计算机系统106确定固定压力参数已被超过。举例来 说，计算机系统106确定管道24中的钻井液压力的固定值已被超过。 作为响应，在308处，计算机系统106打开释压装置，以降低钻井液 的压力。在310处，计算机系统106确定钻井液的压力低于固定压力 参数。作为响应，在312处，计算机系统106关闭释压装置。

图6是调节钻井液循环系统中的钻井液压力的第二实例过程400 的流程图。可将过程400实施为存储在计算机可读介质(例如，非暂 时性计算机可读介质)上且由一个或多个数据处理设备(例如，处理器) 执行的计算机可读指令。举例来说，过程400可由计算机系统106实 施。在402处，计算机系统106接收表示包括在钻井液循环系统中的 管道(例如，钻机立管)中的钻井液的压力的压力测量信号。在404处， 计算机系统106接收表示经过所述管道的钻井液的流量的流量参数 信号。在406处，计算机系统106从压力测量信号和流量参数信号确 定目标压力参数(例如，钻井液压力的增加率)未得到满足(例如，已被 超过)。响应于确定目标压力参数未得到满足，在408处，计算机系 统106致使连接到钻井液循环系统的释压装置至少部分地打开，以释 放钻机立管中的钻井液的压力，直到满足目标压力参数为止。举例来 说，计算机系统106打开分流阀，以降低钻井液的压力。

图7是图3的计算机系统106的架构的实例。所述计算机系统包 括一个或多个708和一计算机可读介质710(例如，非暂时性计算机可 读介质)，其存储计算机指令，所述计算机指令可由一个或多个处理 器708执行，以基于带宽向井上发射井数据。所述计算机系统可包括 一个或多个网络接口502和一个或多个输入装置504。所述计算机系 统还可包括一个或多个输出装置506，例如显示器122等。所述计算 机系统的组件可通过总线508来耦合。

已描述了若干实施方案。然而，将理解，可在不脱离本发明的精 神和范围的情况下进行各种修改。在一些实施方式中，作为钻机立管 26中的压力的替代物或除钻机立管26中的压力之外，可使用钻井时 的井下压力(PWD)数据来确定压力参数。另外，可将钻井液循环系统 100和计算机系统106实施为单个系统或实施为单独的系统。