一种复杂油藏地层双梯度钻完井一体化作业系统及方法

摘要

本发明涉及一种复杂油藏地层双梯度钻完井一体化作业系统，该系统由地面系统以及井下工具组合构成，其中地面系统主要由高压泥浆泵组、井架、顶驱、双层管适配器、控压系统、泥浆循环系统、低密度介质计量罐组成；井下工具组合主要由双层钻杆、水力举升泵、井斜探管、随钻堵漏短接、涡轮钻具、旋转导向工具、钻头组成。本发明的有益效果是在钻进过程中可实现井底压力的准确监测与精细调控，随钻随堵可解决易漏地层中钻井液的恶性漏失；钻进过程中钻井液采用密闭式处理，在高含硫地层钻进中具有更高的安全性；堵漏完成后可对井筒实现控压固井，提高固井成功率及固井质量；利用较为简单的系统与装置组成即可完成钻完井一体化作业。

说明书

技术领域

本发明涉及到陆地复杂油藏开采领域，具体涉及一种复杂油藏地层双梯度钻完井一体化作业系统及方法。

背景技术

我国陆地拥有大面积的低孔、低渗、低丰度等复杂油气藏，同时随着油气勘探开发的不断深入，钻井过程中遇到易漏失、高压地层、含硫化氢地层等情况越来越多，极大的增加了钻井成本以及钻井过程中风险，而常规钻井方式无法有效解决上述问题，而双层管双梯度钻井技术因其特殊的井底压力的监测与调节方式，是解决上述油气勘探过程钻井难题、提高井眼钻井速度、缩短建井周期、保护油气层的有效手段，具有其他钻井技术无法比拟的巨大优势。

目前常规钻井工艺无法实现在易漏地层解决钻井液恶性漏失、堵漏后高效固井功能，主要体现在以下几个方面：

(1)常规钻井工艺不具备控制井底压力的能力，导致钻遇易漏地层、高压地层时，无法调节井底压力，最终导致钻井液恶性漏失或井底溢流、井涌的发生。

(2)常规钻井工艺在实施过程中，钻井液通过井壁与钻杆之间的环空上返，经过振动筛返回泥浆池，此类钻井液循环方式会导致在钻遇高含硫地层时，钻井液携带的硫化氢会极大增加钻井的危险性。

(3)常规钻井工艺中井底岩屑通过钻杆与井壁之间的环空由液体举升的方式返回井口，岩屑运移效率较低，井底清洁速度较慢、同更易造成井壁的垮塌，进而导致钻进速度减缓，增大建井成本。

(4)在页岩气开采钻完井过程中，常规钻进工艺钻进完成后，采用常规工艺固井无法控制注入水泥浆的压力，导致易漏地层的二次压裂，固井成功率极大降低。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种复杂油藏地层双梯度钻完井一体化作业系统及方法，本发明设有双层钻杆、低密度介质泵入系统，水力举升泵，利用隔离液在井筒内形成两段密度不同、高度不同的低密度介质静液柱以及钻井液静液柱，通过改变高压泥浆泵流量的方式改变水力举升泵的功率，实现钻井液静液柱高度的改变，进而实现对井底压力的调控，同时通过低密度介质计量罐可以得到低密度介质注入量，进而准确计算得到井底压力，同时钻进产生的岩屑循环过程可达到全封闭状态，解决常规钻井工艺中井底压力无法调节以及监测，高含硫地层钻进安全性低的问题；本发明采用双层钻杆钻进的方式，井底岩屑通过双层管内管向上运移，岩屑运移速度更快，井眼清洁效率更高，能够极大缩短建井周期，解决了常规钻井工艺钻井岩屑运移效率低的问题，本发明设有控压系统，通过设置水力计算及优化控制系统、固井泥浆池，在注入固井水泥浆过程中对注入压力、流量进行准确控制，同时调节井筒背压，进而控制井底固井水泥浆压力，使得水泥浆压力处于地层压力与破裂压力之间，解决了常规固井工艺无法控制注入水泥浆的压力，固井成功率低、固井质量差的问题。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：一种复杂油藏地层双梯度钻完井一体化作业系统，该系统由地面系统以及井下工具组合构成，其中地面系统由井架、顶驱、双层管适配器、防喷器、固井泥浆池、堵漏剂罐、控压系统、泥浆循环系统、低密度介质循环系统组成；其中井控系统由井口防喷器、旋转控制头组成；控压系统由阀门Ⅰ、阀门Ⅱ、可调式线性节流阀、压力计、流量计、水力参数计算及优化控制系统组成；其中水力参数计算及优化控制系统能够采集可调式线性节流阀、压力计、流量计的反馈信号，同时可调式线性节流阀能够接收水力参数计算及优化控制系统反馈的信号，进而实现可调式线性节流阀开度的调节；泥浆循环系统由通过管道依次连接的密闭式振动筛、泥浆池、阀门Ⅳ、高压泥浆泵组构成；低密度介质循环系统由隔离液、阀门Ⅲ、辅助泵组、低密度介质计量罐组成；井下钻具组合由双层钻杆、桥式通道、水力举升泵、电池短接、井斜探管、扶正器、脉冲发生器总成、随钻堵漏短接、双层管钻柱内防喷阀、吸入短接、涡轮钻具、工作液控制单元、偏执机构执行单元、钻头组成，其中水力举升泵由涡轮马达、桥式通道Ⅱ、涡轮泵组成；桥式通道Ⅱ安装在双层适配器下部，桥式通道Ⅱ下端连接双层钻杆，双层钻杆下部通过螺纹连接依次安装涡轮马达、桥式通道Ⅱ、涡轮泵，其中桥式通道Ⅱ通过螺纹连接安装在涡轮马达与涡轮泵之间，电池短接、井斜探管、扶正器、脉冲发生器总成依次连接安装在涡轮泵下端组成随钻测量系统，随钻堵漏短接、吸入短接依次安装在脉冲发生器总成下部，涡轮钻具、工作液控制单元、偏执机构执行单元、钻头依次连接安装于吸入短接下部组成旋转导向系统。

所述一种复杂油藏地层双梯度钻完井一体化作业系统，其特征在于：所述随钻堵漏短接上设置有穿过双层管内外管环空的喷射通道，随钻堵漏短接开启与关闭受到脉冲发生器总成发出的脉冲信号控制。

所述的一种复杂油藏地层双梯度钻完井一体化作业系统，其特征在于：它包括以下步骤：

SⅠ、钻进过程，具体包括以下步骤：

S101、采用常规钻井方式进行第一次开钻，钻至预定深度，下入表层套管，之后按常规工艺进行第一次固井；

S102、安装井口防喷器，其中低密度介质罐通过软管与井口防喷器连接，低密度介质、隔离液可通过井口防喷器入井下；

S103、控压钻进：顶驱下部接入双层管适配器、双层管适配器下端连接组合完毕的井下工具组合，井下工具组合穿过常规防喷器组下入井筒内部，关闭阀门Ⅱ，阀门Ⅲ、开启阀门Ⅰ；开启高压泥浆泵组，钻井液从泥浆池中经顶驱进入双层管适配器内层管，带压钻井液通过桥式通道Ⅰ后由双层适配器内层管转入双层管环空、环空中钻井液向下流动至涡轮马达，在钻井液驱动下涡轮马达开始旋转工作，钻井液经过桥式通道Ⅱ后由双层管环空进入涡轮泵内层通道，此后钻井液依次穿过电池短接、井斜探管、扶正器内层通道、脉冲发生器总成、随钻堵漏短接内层通道、在带压钻井液作用下涡轮钻井开始旋转输出扭矩，工作液控制单元、偏执机构执行单元开始工作，钻井液经过钻头端到达井底；

S104、当井筒内钻井液达到预设高度，辅助泵组通过井口防喷器组通道向井筒内注入定量隔离液，隔离液位于钻井液上部与钻井液不相融，同时通过井口防喷器组通道向井筒内注入低密度介质，并记录泵入流量，低密度介质位于隔离液上端与隔离液不相融，保证井筒内每处压力位于相应地层深度的地层压力与破裂压力之间，建立钻井液循环，开始钻进过程；

S105、易漏地层钻进：当地面监测到井筒内液面异常下降时，表明已经钻至易漏地层，此时通过地面控制系统控制脉冲发生器总成发出脉冲信号，随钻堵漏短接接收信号后关闭轴向通道、流体无法向钻头端流出；

S106、关闭阀门Ⅳ、打开阀门Ⅴ、降低高压泥浆泵组泵入流量至水力举升泵启动流量之下，向井下泵入堵漏剂、堵漏剂经上部井下钻具组合流动至随钻堵漏短接，从随钻堵漏短接喷射通道喷出进入地层裂缝中进行堵漏；堵漏剂注入结束；

S107、打开阀门Ⅳ、关闭阀门Ⅴ，同时随钻堵漏短接接受脉冲信号后轴向通道打开、喷射通道关闭，钻井液可流向钻头端，钻头端继续保持继续钻进，逐渐增加高压泥浆泵泵入流量水力举升泵功率增大，由井底返出的钻井液大于泵入井底的钻井液，井筒内钻井液静液柱高度下降，由于较高密度的钻井液被排出，井筒内压力逐渐降低至地层压力，钻井液不在漏失，可恢复正常钻进；

S108、高压地层钻进：当地面监测到井筒内液面异常上升时，表明已经发生井侵或溢流，此时减小高压泥浆泵组流量，水力举升泵功率降低，泵入钻井液流量大于返出的钻井液流量，井筒内钻井液静液柱高度增加，同时通过水力参数计算及优化控制系统减小线性节流阀开度增加井筒背压，井筒内压力逐渐升高至地层压力，地层流体不在浸入井筒，可恢复正常钻进；

SⅡ、控压固井过程、具体包括以下步骤：

S201、钻进阶段完成，取出双层钻杆以及进行井下钻具组合，下入固井套管，同时关闭阀门Ⅳ、阀门Ⅴ、阀门Ⅲ，开启阀门Ⅱ、阀门Ⅵ；

S202、开启高压泥浆泵组将水泥浆从固井泥浆池中由顶驱注入套管，井底钻井液开始从套管及井筒环空上返，经井口防喷器组、阀门Ⅱ、可调式线性节流阀流入密闭式振动筛进行后处理，在水泥浆注入过程中，压力计信号、流量计信号、可调式节流阀开度被反馈至水力参数计算及优化控制系统；

S203、由水力参数计算及优化控制系统调控可调式节流阀开度控制井筒内背压，同时改变高压泵组功率改变水泥浆注入速率、注入量控制井筒内水泥浆压力，保证井筒内每处水泥浆压力位于相应地层深度的地层压力与破裂压力之间；替桨过程替换的低密度介质、隔离液以及钻井液经过井口防喷器、阀门Ⅱ、可调式线性节流阀、流量计、振动筛，进入泥浆池进行后处理；

S204、控压固井后，重复S103、S104、SⅡ开始下一阶段钻井过程。

有益效果：

本发明的有益效果是：

1、在钻杆与井壁之间形成低密度介质静液柱与钻井液静液柱两段高度不同的静液柱，在钻遇易漏地层或者高压地层，可通过调整高压泥浆泵的钻井液注入流量改变水下举升泵的功率进而实现调节钻井液柱的静液柱高度，通过降低钻井液静液柱高度，同时开启随钻随堵短接注入堵漏剂，可降低井底压力解决钻井液的恶性漏失，通过增加钻井静液柱高度可增大井底压力解决因高压地层压力引起的井涌与溢流问题。

2、井底岩屑通过双层钻杆内管运输，不经过钻杆与井壁之间的环空，同时在水力举升泵作用下，双层管中岩屑运移更快，井底清洗效率提高，钻井周期缩短，极大节约了钻井成本。

3、在钻杆与井壁之间形成低密度介质静液柱与钻井液静液柱两段高度不同的静液柱，通过低密度介质计量罐可直接得到低密度介质静液柱高度，进而得到井底压力的准确值，实现对井底压力的精确监测，保证钻井的安全进行。

4、堵漏工作或钻进完成后，可注入水泥浆进行控压固井，通过水力参数计算及优化控制系统、以及可调式线性节流阀，调节井底压力以及井口背压实现高效安全固井。

5、设置有随钻测量工具以及旋转导向工具，可实现复杂油气藏勘探过程中水平井的钻进。

6、控压钻进与控压固井所需的装备与系统高度集成，运用较为简单的装置、系统组成即可完成高效安全钻进与固井的一体化作业，建井效率得到有效提高。附图：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明视图Ⅰ整体结构放大图；

图3为本发明易漏层堵漏过程示意图；

图4为本发明控压固井过程结构示意图；

图5为本发明钻进过程流程示意图；

图6为本发明控压固井过程流程示意图；

图中：1-阀门Ⅱ，2-压力计，3-阀门Ⅲ，4-辅助泵组，5-低密度介质计量罐，6-水力参数计算及优化控制系统，7-阀门Ⅰ，8-可调式线性节流阀，9-流量计，10-密闭式振动筛，11-泥浆池，12-堵漏剂罐，13-阀门Ⅵ，14-固井水泥浆搅拌罐，15-阀门Ⅴ，16-阀门Ⅳ，17-高压泥浆泵组，18-井架，19-顶驱，20-双层管适配器，21-桥式通道Ⅰ，22-双层钻杆，23-井口防喷器，24-隔离液，25-涡轮马达，26-桥式通道Ⅱ，27-涡轮泵，28-电池短接，29-井斜探管，30-扶正器，31-脉冲发生器总成，32-随钻堵漏短接，33-吸入短接，34-涡轮钻具，35-工作液控制单元，36-偏执机构执行单元，37-钻头。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：

如图1-图4所示；一种复杂油藏地层双梯度钻完井一体化作业系统及方法，他包括阀门Ⅱ1、压力计2、阀门Ⅲ3、辅助泵组4、低密度介质计量罐5、水力参数计算及优化控制系统6、阀门Ⅰ7、可调式线性节流阀8、流量计9、密闭式振动筛10、泥浆池11、堵漏剂罐12、阀门Ⅵ13、固井水泥浆搅拌罐14、阀门Ⅴ15、阀门Ⅳ16、高压泥浆泵组17、井架18、顶驱19、双层管适配器20、桥式通道Ⅰ21、双层钻杆22、井口防喷器23、隔离液24、涡轮马达25、桥式通道Ⅱ26、涡轮泵27、电池短接28、井斜探管29、扶正器30、脉冲发生器总成31、随钻堵漏短接32、吸入短接33、涡轮钻具34、工作液控制单元35、偏执机构执行单元36、钻头37；其中地面系统由井架18、顶驱19、双层管适配器20、井口防喷器23、固井水泥浆搅拌罐14、堵漏剂罐12、控压系统、泥浆循环系统、低密度介质循环系统组成；控压系统由阀门Ⅰ7、阀门Ⅱ1、可调式线性节流阀8、压力计2、流量计9、水力参数计算及优化控制系统6组成；其中水力参数计算及优化控制系统6能够采集可调式线性节流阀8、压力计2、流量计9的反馈信号，同时可调式线性节流阀8能够接收水力参数计算及优化控制系统6反馈的信号，进而实现可调式线性节流阀8开度的调节；泥浆循环系统由通过管道依次连接的密闭式振动筛10、泥浆池11、阀门Ⅳ16、高压泥浆泵组17构成；低密度介质循环系统由隔离液24、阀门Ⅲ3、辅助泵组4、低密度介质计量罐5组成；井下钻具组合由双层钻杆22、桥式通道Ⅰ21、水力举升泵、电池短接28、井斜探管29、扶正器30、脉冲发生器总成31、随钻堵漏短接32、吸入短接33、涡轮钻具34、工作液控制单元35、偏执机构执行单元36、钻头37组成，其中水力举升泵由涡轮马达25、桥式通道Ⅱ26、涡轮泵27组成；桥式通道Ⅰ21安装在双层适配器20下部，桥式通道Ⅰ21下端连接双层钻杆22，双层钻杆22下部通过螺纹连接依次安装涡轮马达25、桥式通道Ⅱ26、涡轮泵27，其中桥式通道Ⅱ26通过螺纹连接安装在涡轮马达25与涡轮泵27之间，电池短接28、井斜探管29、扶正器30、脉冲发生器31总成依次连接安装在涡轮泵27下端组成随钻测量系统，随钻堵漏短接32、吸入短接33依次安装在脉冲发生器总成31下部，涡轮钻具34、工作液控制单元35、偏执机构执行单元36、钻头37依次连接安装于吸入短接33下部组成旋转导向系统。

本发明工作过程如下：

SⅠ、钻进堵漏过程，具体包括以下步骤：

S1、采用常规钻井方式进行第一次开钻，钻至预定深度，下入表层套管，之后按常规工艺进行第一次固井；

S2、安装井口防喷器23，其中低密度介质罐5通过软管与井口防喷器连接，低密度介质、隔离液24可通过井口防喷器23泵入井下；

S3、控压钻进：顶驱19下部接入双层管适配器20、双层管适配器20下端连接组合完毕的井下工具组合，井下工具组合穿过井口防喷器下入井筒内部，关闭阀门Ⅱ1，阀门Ⅲ3、开启阀门Ⅰ7；开启高压泥浆泵组17，钻井液从泥浆池11中经顶驱19进入双层管适配器20内层管，带压钻井液通过桥式通道Ⅰ21后由双层适配器20内层管转入双层管环空、环空中钻井液向下流动至涡轮马达25，在钻井液驱动下涡轮马达25开始旋转工作，钻井液经过桥式通道Ⅱ26后由双层管环空进入涡轮泵27内层通道，此后钻井液依次穿过电池短接28、井斜探管29、扶正器30内层通道、脉冲发生器总成31、随钻堵漏短接32内层通道，在带压钻井液作用下涡轮钻具34始旋转输出扭矩，井斜探管29搜集井身结构数据，工作液控制单元35、偏执机构执行单元36在钻井液作用下开始工作，其中偏执机构执行单元36调整钻头37钻进方向，钻井液经过钻头37端到达井底，当井筒内钻井液达到预设高度，辅助泵组4通过井口防喷器23通道向井筒内注入定量隔离液24，隔离液24位于钻井液上部与钻井液不相融，同时通过井口防喷器23通道向井筒内注入低密度介质，并记录泵入流量，低密度介质位于隔离液24上端与隔离液24不相融，保证井筒内每处压力位于相应地层深度的地层压力与破裂压力之间，建立钻井液循环，开始钻进过程；

S4、易漏地层钻进：当地面监测到井筒内液面异常下降时，表明已经钻至易漏地层，此时通过地面控制系统控制脉冲发生器总成31发出脉冲信号，随钻堵漏短接32接收信号后关闭轴向通道、流体无法向钻头端流出，关闭阀门Ⅳ16、打开阀门Ⅴ15、降低高压泥浆泵组17泵入流量至水力举升泵启动流量之下，向井下泵入堵漏剂、堵漏剂经上部井下钻具组合流动至随钻堵漏短接32，从随钻堵漏短接32喷射通道喷出进入地层裂缝中进行堵漏；堵漏剂注入结束，打开阀门Ⅳ16、关闭阀门Ⅴ15，同时随钻堵漏短接32接受脉冲信号后轴向通道打开、喷射通道关闭，钻井液可流向钻头端，钻头端继续保持继续钻进，逐渐增加高压泥浆泵组17泵入流量水力举升泵功率增大，由井底返出的钻井液大于泵入井底的钻井液，井筒内钻井液静液柱高度下降，由于较高密度的钻井液被排出，井筒内压力逐渐降低至地层压力，钻井液不在漏失，可恢复正常钻进；

S5、高压地层钻进：当地面监测到井筒内液面异常上升时，表明已经发生井侵或溢流，此时减小高压泥浆泵组17流量，水力举升泵功率降低，泵入钻井液流量大于返出的钻井液流量，井筒内钻井液静液柱高度增加，同时通过水力参数计算及优化控制系统6减小可调式线性节流阀8开度增加井筒背压，井筒内压力逐渐升高至地层压力，地层流体不在浸入井筒，可恢复正常钻进；

SⅡ、控压固井过程、具体包括以下步骤：

S6、钻进阶段完成，取出双层钻杆22以及进行井下钻具组合，下入固井套管，同时关闭阀门Ⅳ16、阀门Ⅴ15、阀门Ⅲ3，开启阀门Ⅱ1、阀门Ⅵ13；

S7、开启高压泥浆泵组17将水泥浆从固井水泥浆搅拌罐14中由顶驱19注入套管，井底钻井液开始从套管及井筒环空上返，经井口防喷器23、阀门Ⅱ1、可调式线性节流阀8流入密闭式振动筛10进行后处理，在固井水泥浆注入过程中，压力计2信号、流量计9信号、可调式节流阀8开度被反馈至水力参数计算及优化控制系统6，由水力参数计算及优化控制系统6调控可调式节流阀8开度控制井筒内背压，同时改变高压泥浆泵组17功率改变水泥浆注入速率、注入量控制井筒内水泥浆压力，保证井筒内每处水泥浆压力位于相应地层深度的地层压力与破裂压力之间；替桨过程替换的低密度介质、隔离液24以及钻井液经过井口防喷器23、阀门Ⅱ1、可调式线性节流阀8、流量计9、振动筛10，进入泥浆池11进行后处理；

S8、控压固井后，重复S3开始下一阶段钻井过程。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。