在钻探流体循环系统中进行分流来调节钻探流体压力

摘要

本文公开在钻探流体循环系统中进行分流来调节钻探流体压力。用于井筒的钻探流体压力调节系统的泵可以将钻探流体通过排出管道以一定流率排出。压力控制装置具有连接至所述排出管道的入口并且具有连接至旁路管道的出口。连接至所述泵和所述压力控制装置的处理器可以调节所述压力控制装置以便通过至少部分地打开所述压力控制装置并且将钻探流体以所选择的流率释放到所述旁路管道中来修改所述钻探流体的压力。所述处理器可以基于通过所述压力测量信号表示的所述压力和所述旁路管道中的所述所选择的流率来修改所述排出管道中的所述钻探流体流率，以使得所述排出管道中的所述钻探流体的所述目标压力参数得到满足。

说明书

技术领域

本公开涉及使钻探流体循环通过地面泵和井筒中的管道。

技术背景

在使用钻机进行井筒钻探的情况下，钻探流体循环系统利用一个或多个泥浆泵循环(或泵送)钻探流体(例如，钻探泥浆)。例如，钻探流体循环系统可以使钻探泥浆通过特殊的管(本领域中称为钻管)和连接至钻柱的钻环向下移动到井筒中。流体通过钻头中的端口(喷口)离开，获得钻屑并且将所述钻屑沿着井筒的环隙向上载运。泥浆泵可以从泥浆罐进行抽吸并且可以将泥浆泵送到排出管道外，沿着立管向上，穿过水龙带，穿过Kelly或顶部驱动单元，并且进入到钻管、钻环和钻头的中心孔中。泥浆和钻屑沿着环隙向上返回到地面。在地面上，泥浆和钻屑通过出口离开井筒，并且可以通过泥浆返回线路发送到钻屑去除系统。在返回线路的终点，可以使泥浆和钻屑流到本领域中称为ShaleShaker的振动筛上。可以通过分沙器去除较细的固体。可以利用储存在化学罐中的化学制品对泥浆进行处理并且随后可以将泥浆提供到泥浆罐中，在泥浆罐中可以重复该方法。

钻探流体循环系统在压力下输送大量泥浆流以用于进行钻机操作。例如，该循环系统可以使泥浆输送到钻杆以沿着钻管的钻柱向下流动并且通过附加于钻杆下端的钻头流出。除了冷却钻头外，泥浆还通过钻头中的一组开口液压地冲洗井筒的面。另外，泥浆还冲洗掉钻头前进时所产生的碎屑、石屑和钻屑。该循环系统可以使泥浆在钻杆外部的和通过钻探方法形成的裸眼内部的环隙中流动。以此方式，该循环系统可以使泥浆流过钻头并且流出井筒。

泥浆以充分的速度流过钻杆和环隙以使比泥浆更重的碎屑、石屑和钻屑移动到地面上。泥浆的速度也应当是充分的以冷却钻头。泵处的井口压力是充分高的以使泥浆以所需速度流动并且还用于克服沿流动路径的实质性的流动压力阻力。在一些情况下，该循环系统可以使泥浆以高的体积流率(例如，500至1,000加仑每分钟)和高达5,000PSI的压力流过钻头和井筒。如果钻探流体由于钻探泥浆压力的不平衡流入井筒中并且沿着环隙向上流动或流动到钻管的内部，那么可以引起称为井涌的现象。如果井没有关闭，那么当地层流体到达地面时，井涌可以逐步升级为井喷。

附图描述

图1是包括压力控制装置的示例性钻探流体循环系统的示意图。

图2是用于调节钻探流体循环系统中的钻探流体压力的计算机系统的示例的示意图。

图3是调节钻探流体循环系统中的钻探流体压力的示例性方法的流程图。

图4是图1的计算机系统的示例性架构的框图。

各个附图中的相同的参考标号和标识指示相同的元件。

具体实施方式

本公开描述了用于在钻探流体循环系统中进行分流来调节钻探流体压力的系统和方法。本公开中所描述的系统和方法可以实施为压井的一部分，即用于防止例如在井底压力恒定的情况下，正在钻探的井出现井喷前兆。司钻法是用于压井的示例性方法，在该方法中使钻探流体在井中循环两次。在第一循环中，利用原始泥浆重量使流入液循环出井。通过使循环钻管压力通过第一循环保持恒定来维持恒定的井底压力。如果原始泥浆重量不足以平衡地层压力，那么通过在第二循环中使更重的泥浆(压井泥浆)循环来进行压井。

为了在第二循环期间保持恒定的井底压力，可以实施两种方法之一。在一种方法中，在将压井泥浆从地面泵送到钻头时，使套管压力保持恒定，并且此后使钻管压力保持恒定直到观察到压井泥浆返回到地面。或者，在第二循环期间，可以在将压井泥浆从地面泵送到钻头时循环并且遵循钻管压力安排，并且此后可以使钻管压力保持恒定。

等候加重法是压井的另一种示例性方法，其中使钻探流体循环一次。使流入液循环出井，并且在一个循环中泵送压井泥浆。虽然将压井泥浆从地面泵送到钻头，但循环并且遵循钻管压力安排。此后使钻管压力保持恒定直到观察到压井泥浆返回到地面。

可以实施本公开中所描述的技术以维持钻探流体根据钻管压力安排流过其中的管道中的钻探流体压力。例如，在司钻法的第一循环和第二循环中，可以实施计算机实施的方法以便通过操作压力控制装置来根据钻管压力安排维持连接至井筒入口的排出管道中的钻探流体压力，以使来自排出管道的钻探流体通过旁路管道自动分流到例如泥浆钻头。另外，例如，在等候加重法的循环中，可以实施计算机实施的方法以使来自排出管道的钻探流体自动分流远离排出管道以便根据钻管压力安排维持钻探流体压力。另外，可以测量钻探流体分流的速率并且将其提供为曲线拟合函数(如下所述)的输入以计算钻探流体分流远离排出管道的流率。例如，作为使用涡轮流量计的替代方案或除了使用涡轮流量计外，还可以使用分流的流率来校准流。以此方式，本文所述的技术可以被实施用于针对井涌/井侵进行井控，其中获得并且记录缓慢的泵速，并且随后使用该泵速计算分流的流率。这些技术还可以用于使司钻法或等候加重法(或两者)自动化。

根据本文所述技术的实现方式，可以使钻探流体自动分流到泥浆钻头，而不是通过修改注入流率来使司钻这么做。也可以使井控的司钻法自动化。类似地，也可以使井控的等候加重法自动化。可以使用于实现和记录泵速的方法自动化。可以改善分流的流率的计算。

图1是包括压力控制装置104的示例性钻探流体循环系统100的示意图。可以在地面上使用附接至钻柱115的井底端的钻头114钻出井筒102。钻柱115可以从至少一个地面钻探流体泵30的排出口到Kelly或顶部驱动系统33连接至排出管道24。排出管道24(其使得钻探流体泵30与井筒102的入口相连接)可以例如是金属导管，该金属导管是管道系统泥浆泵排出压力通路的一部分，用于使钻探流体(例如，钻探泥浆)行进到附接至钻柱115井底端的钻头114。排出管道24可以包括钻机立管26。在一些实现方式中，压力控制装置104(例如，钻机泵分流器(RPD)歧管阀)可以具有连接至排出管道24的入口并且具有例如通过旁路管道105连接至泥浆返回管线60的出口。泵30可操作用于将钻探流体通过排出管道24以一定钻探流体流率排出。

可以使钻探流体循环系统100和压力控制装置104连接至设置在地面上的计算机系统106以调节钻探流体循环系统100中的钻探流体压力。计算机系统106(例如，台式计算机、膝上型电脑、平板计算机、计算机服务器系统等)可以包括计算机可读介质108，所述计算机可读介质存储可由处理器110执行以在钻探流体循环系统100中进行分流从而调节钻探流体压力的计算机指令。

在一些实现方式中，计算机系统106可以接收压力测量信号，该压力测量信号表示排出管道24中的钻探流体的压力。计算机系统106可以确定，排出管道24中的钻探流体的目标压力参数没有得到满足。作为响应，计算机系统106可以调节压力控制装置104以将排出管道中的钻探流体的压力修改成接近目标压力参数。为此，计算机系统106可以至少部分地打开压力控制装置104并且将钻探流体以所选择的流率释放到旁路管道105中。计算机系统106可以基于通过压力测量信号表示的压力和旁路管道105中的所选择的流率来修改排出管道24中的钻探流体流率，以使得排出管道24中的钻探流体的目标压力参数得到满足。

如本公开中所使用，钻机立管26意图包含排出管道24的从泥浆泵30的排出口到附接至钻柱115的Kelly或顶部驱动系统33的任何部分，并且可以包括该管道的介于该排出口与Kelly或顶部驱动系统33之间的任何部分。因此，应当理解，可以沿排出管道24在泥浆泵30的排出口与Kelly/顶部驱动器33之间的任何地方测量术语立管压力和立管流率。或者或另外，可以基于已知的流率方法来确定排出管道24中的流率，以用于基于正排量泥浆泵的速度和气缸排量来计算泥浆泵30的输出流。

排放管道24中的目标压力参数可以对应于钻管压力安排，钻探流体泵30根据该钻管压力安排将钻探流体通过排出管道30排出。例如，钻管压力安排可以是针对司钻法或等候加重法所确定以进行压井的安排。计算机系统106可以基于通过压力测量信号表示的压力和所选择的流率来修改排出管道24中的钻探流体流率以满足钻管压力安排。

在一些实现方式中，计算机系统106可以确定压力控制装置104至少部分地打开以释放钻探流体的所选择流率。为此，计算机系统106可以识别存储在计算机可读存储介质(例如，数据库120)上的多个数据对中的一个或多个。每个数据对均包括钻探流体穿过旁路管道105的流率和在该流率下旁路管道105中的压力。计算机系统106可以通过测量钻探流体流过旁路管道105的多个流率并且测量旁路管道105中的多个相应压力来获得存储在数据库120上的多个数据对，每个压力均针对对应的流率进行测量。计算机系统106随后可以将所测量的多个流率和压力在数据库120上存储为多个数据对。

计算机系统106可以将每个所识别的数据对中所包含的钻探流体穿过旁路管道的流率和旁路管道中的压力提供为曲线拟合函数的输入。计算机系统106可以执行曲线拟合函数以确定压力控制装置104将至少部分地打开以释放钻探流体的所选择的流率。

可实施来根据排出压力计算分流的流率的曲线拟合函数的示例在下文作为伪代码提供。

在一些实现方式中，可以通过在不同的时刻执行曲线拟合函数来确定所选择的流率。钻探流体压力可以根据不同时刻的钻管压力安排发生变化。在不同时刻中的每个时刻，计算机系统106可以执行曲线拟合函数以确定将满足所述时刻的钻管压力安排的钻探流体压力。例如，计算机系统106可以根据第一时刻的钻管压力安排来确定第一压力。计算机系统106可以识别至少一个数据对，该至少一个数据对包括钻探流体穿过旁路管道105的流率和第一时刻的第一压力。计算机系统106可以为曲线拟合函数提供流率和第一压力并且确定压力控制装置104应当释放钻探流体以维持第一时刻的压力的所选择流率。

随后，计算机系统106可以根据第二时刻的钻管压力安排来确定第二压力。计算机系统106可以识别数据对，该数据对包括钻探流体穿过旁路管道105的流率和第二时刻的第二压力。计算机系统106可以为曲线拟合函数提供流率和第二压力并且确定压力控制装置104应当释放钻探流体以维持第二时刻的压力的修改的流率。以此方式，计算机系统106可以在多个时刻实施本文所述的技术。

图2是用于调节钻探流体循环系统中的钻探流体压力的计算机系统106的示例的示意图。计算机系统106可以包括接收器202和发射器204，其中的每一个均可以与处理器110进行电子通信。计算机系统106可以使得接收器202从钻探流体循环系统100和井筒102接收信号。例如，这些信号可以是表示钻探流体循环穿过钻探流体循环系统100的压力的压力测量信号。计算机系统106可以包括与处理器110进行电子通信的发射器204。计算机系统106可以使得发射器204发射控制信号以至少部分地打开压力控制装置104，以便例如以所选择的流率释放钻探流体，该所选择的流率如上所述进行确定。

在一些实现方式中，钻探流体循环系统100可以包括连接至旁路管道105或排出管道24的流量计(未示出)。该流量计可以连接至压力控制装置104以测量压力控制装置104释放钻探流体的流率。计算机系统106可以连接至流量计以接收由该流量计测量的流率。计算机系统106可以将由流量计测量的流率与如上所述确定的所选择流率进行比较。以此方式，计算机系统106可以针对所选择的流率实施反馈系统。

图3是调节钻探流体循环系统中的钻探流体压力的示例性方法300的流程图。方法300可以实施为存储在计算机可读介质(例如，非瞬变计算机可读介质)上并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。例如，方法300可以由计算机系统106实施。在302处，接收压力测量信号，该压力测量信号表示排出管道中的钻探流体压力。使钻探流体通过至少一个钻探流体泵以一定钻探流体流率排出到排出管道中。钻探流体泵具有连接至排出管道的入口并且具有连接至旁路管道的出口。

在304处，可以确定，排出管道中的钻探流体的目标压力参数没有得到满足。排出管道中的目标压力参数可以对应于钻探流体泵速安排，钻探流体泵根据该钻探流体泵速安排将钻探流体通过排出管道排出。在306处，响应于确定目标压力参数没有得到满足，调节压力控制装置以通过至少部分地打开压力控制装置并且将钻探流体以所选择的流率释放到旁路管道中来将排出管道中的钻探流体的压力修改成接近目标压力参数。在308处，基于通过压力测量信号表示的压力和旁路管道中的所选择的流率来修改排出管道中的钻探流体流率，以使得排出管道中的钻探流体的目标压力参数得到满足。

图4是图1的计算机系统106的示例性架构的框图。该计算机系统包括一个或多个处理器408和计算机可读介质410(例如，非瞬变计算机可读介质)，该计算机可读介质存储可由一个或多个处理器408执行以基于带宽将井数据沿着井眼向上发射的计算机指令。计算机系统可以包括一个或多个网络接口402和一个或多个输入装置404。计算机系统还可以包括一个或多个输出装置406，例如显示器122等。计算机系统的组件可以通过总线420耦合。

已经描述了多个实施方案。然而，应该理解，可以在不背离本公开的精神和范围的前提下进行各种修改。在一些实现方式中，作为钻机立管26中的压力的替代或除了该压力外，使用井底随钻压力(PWD)数据还可以确定压力参数。另外，钻探流体循环系统100和计算机系统106可以实施为单一系统或实施为分离的系统。