一種鑽井液密度井下實時控制系統的製作方法

2023-10-04 23:38:59

一種鑽井液密度井下實時控制系統的製作方法
【專利摘要】本發明涉及的是一種鑽井液密度井下實時控制系統，這種鑽井液密度井下實時控制系統包括鑽機、空氣壓縮機、泥漿泵、中間傳輸裝置、電磁閥、封隔器、無線接收器、地面控制系統，中間傳輸裝置由同軸設置的內筒和外筒構成，空氣壓縮機連接到內筒的進氣口，泥漿泵連接外筒的進液口，內筒末端連接內鑽杆，外筒末端連接外鑽杆；外鑽杆的末端連接鑽鋌，內鑽杆的末端固定在鑽鋌底部；內鑽杆末端連接電磁閥，封隔器安裝在外鑽杆上，無線密度傳感器和無線壓力傳感器均安裝在鑽鋌底部；無線接收器連接地面控制系統。本發明充分利用了過平衡鑽井、欠平衡鑽井和控壓鑽井這三種鑽井技術的優勢，使井底壓差在過平衡、欠平衡和近平衡狀態之間轉換，可安全高效地鑽達目的層，減少非生產時間，降低鑽井成本。
【專利說明】一種鑽井液密度井下實時控制系統

【技術領域】
[0001]本發明涉及井下鑽井液密度控制系統，具體涉及一種鑽井液密度井下實時控制系統。

【背景技術】
[0002]由於地層本身存在壓力，並且隨著井深的增加而增加，為了保持井壁穩定最初都是過平衡鑽井即使用密度較大的鑽井液，始終保持井底壓力大於地層壓力，使井眼環空中的鑽井液柱對井壁起著支撐作用。但由於過大的鑽井液靜液柱壓力加持在鑽頭上，不利於鑽頭破巖，因此過平衡鑽井最大的缺點就是鑽速慢和鑽井液漏失汙染地層。到了六七十年代，欠平衡鑽井技術開始出現，欠平衡鑽井技術即使用密度較小的鑽井液，允許井底壓力小於地層壓力，並在地面加以控制的技術。欠平衡鑽井由於採用負壓鑽進，減小了壓持作用，有利於鑽頭對巖石的破碎，因此欠平衡鑽井最大的優勢是提高了鑽速和有效控制漏失，但欠平衡鑽井井壁穩定性差，一般適用於地層條件較好的情況，複雜地層如異常高壓地層等限制了欠平衡鑽井的應用。控壓鑽井技術，通過對井底壓力的實時監測，控制井口回壓，始終保持井底壓差處於微過平衡或近平衡狀態，有效控制地層流體侵入井眼，非常適宜窄密度窗口的地層作業。可以看到不管過平衡鑽井、欠平衡鑽井還是控壓鑽井，都有各自的優勢和適用範圍，但過平衡鑽井、欠平衡鑽井、控壓鑽井的優勢沒有很好地結合起來，影響了鑽井效率。
[0003]另外，目前普通氣液混合一般都是在地面進行，空氣通過壓縮機，鑽井液通過泥漿泵，在進入鑽杆之前在地面進行混合，這樣流過鑽杆的流體將是氣液兩相流，由於氣液兩相流存在滑脫現象，這往往引起比單相的液流更高的壓力損耗，因此能耗較高；由於流入鑽杆的鑽井液中混入空氣，鑽杆的腐蝕速度更快；若調整氣液比，新的氣液混合流體從地面到達目標地層需要一定的時間，存在滯後。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種鑽井液密度井下實時控制系統，這種鑽井液密度井下實時控制系統用於解決目前普通氣液混合在地面進行不能很好地使井底壓差在過平衡、欠平衡和近平衡狀態之間轉換的問題。
[0005]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:這種鑽井液密度井下實時控制系統包括鑽機、防噴裝置、雙鑽杆鑽具、空氣壓縮機、泥漿泵、中間傳輸裝置、鑽鋌、電磁閥、封隔器、無線接收器、地面控制系統，防噴裝置安裝在鑽機下，雙鑽杆鑽具有內鑽杆和外鑽杆，內鑽杆和外鑽杆同軸設置，中間傳輸裝置由同軸設置的內筒和外筒構成，內筒和外筒之間的環形空間為鑽井液通道，內筒的上端面設置進氣口，外筒的側壁設置進液口，空氣壓縮機通過輸氣管線連接到內筒的進氣口，泥漿泵連接外筒的進液口，內筒末端連接內鑽杆，外筒末端連接外鑽杆；外鑽杆的末端連接鑽鋌，內鑽杆的末端通過三腳架固定在鑽鋌底部；內鑽杆末端連接電磁閥，封隔器安裝在外鑽杆上，無線密度傳感器和無線壓力傳感器均安裝在鑽鋌底部；無線接收器接收來自無線密度傳感器和無線壓力傳感器的信號，無線接收器連接地面控制系統。
[0006]上述方案中空氣壓縮機與內筒之間的輸氣管線上安裝閥門，為了防止井下自動控制失效，鑽井技術人員根據返回的鑽井參數信息，可以手動關閉該閥門，以切斷氣體供應，保證安全生產。
[0007]本發明具有以下有益效果:
1、本發明為了利用好過平衡鑽井、欠平衡鑽井和控壓鑽井這三種鑽井技術的優勢，避免這三種鑽井技術的劣勢，提出一種鑽井液密度井下實時控制系統，根據鑽遇地層的實際情況，按鑽井需要通過向鑽井液混入氣體調節鑽井液密度，使井底壓差在過平衡、欠平衡和近平衡狀態之間轉換，井壁穩定性較好的地層保持欠平衡狀態提高機械鑽速，異常高壓地層保持過平衡狀態防止井噴失控，確保鑽井安全，從而安全高效地鑽達目的層，減少非生產時間，降低鑽井成本。
[0008]2、本發明採用井下氣液混合的方式，與地面氣液混合具有以下主要優勢:1)能耗較低，外鑽杆和內鑽杆都是單相流動，摩擦壓力損耗較兩相流時要小，比如用鑽井水力參數計算軟體(HUBS)模擬不同氣液混合方式的鑽井壓力損失，已知參數:井深5000m，套管尺寸244.5mm,鑽杆/外鑽杆尺寸127mm,內鑽杆尺寸51mm,鑽井液排量1.2m3/min,氣體排量80m3/min，井口回壓0.1MPa，結果表明地面氣液混合方式壓力損耗為18.5MPa，井下氣液混合方式壓力損耗為12.6MPa，井下混合比地面混合壓力損耗低1/3 ;2)由於鑽杆內氣液分開向下流動，鑽杆腐蝕速度比兩相流要慢；3)內鑽杆的末端抵達到鑽鋌的底部，這樣氣體的出口位於鑽鋌的底部，氣體與鑽井液在鑽頭上方進行氣液混合，由於氣液在鑽頭上方附近混合，並且利用內鑽杆底端的電磁閥調節氣液比，因此採用井下氣液混合方式縮短了控制時間，避免了控制滯後。
[0009]3、本發明與過平衡鑽井主要有兩點不同:1)井底壓差不同，過平衡鑽井必須維持正壓差即井底壓力大於地層壓力，本發明允許出現正壓差、負壓差甚至零壓差的情況；2)鑽井液密度，過平衡鑽井液密度一般是設計好的，是以固定值，本發明鑽井液密度可以實時調難
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[0010]4、本發明與欠平衡鑽井主要有三點不同:1)使用的鑽杆不同，欠平衡鑽井使用常規鑽杆，本發明使用雙鑽杆；2)氣液混合方式不同，欠平衡鑽井在地面進行氣液混合，然後一同在鑽杆內向下流到井底不同，本發明採用雙鑽杆這一鑽具，鑽井液在外鑽杆與內鑽杆之間的環形空間向下流動，氣體在內鑽杆中向下流動，氣體通過內鑽杆底端的電磁閥與鑽井液進行混合。
[0011]5、本發明與控壓鑽井主要有兩點不同:1)控制目的不同，控壓鑽井的控制目的是始終保持井底壓差處於微過平衡或近平衡狀態，本發明的控制目的是根據地層實際情況，維持或調整井底壓差，井底壓差可以在過平衡、欠平衡和近平衡狀態轉換；2)控制方式不同，控壓鑽井通過控制井口回壓調節井底壓力，本發明通過控制氣體注入流量即控制氣液t匕，改變鑽井液密度，調節井底壓力。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的結構示意圖； 圖2是本發明的控制原理圖；
圖3是本發明中中間傳輸裝置的結構示意圖。
[0013]圖中:1鑽機；2鑽頭；3無線壓力傳感器；4無線密度傳感器；5電磁閥；6鑽鋌；7封隔器；8內鑽杆；9外鑽杆；10傳動系統；11鑽井液循環系統；12三腳架；13防噴管線；14防噴裝置；15中間傳輸裝置；16泥漿泵；17壓縮機；18閥門；19內筒；20外筒；21無線接收器；22地面控制系統。

【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖對本發明作進一步的說明。
[0015]如圖1所示，這種鑽井液密度井下實時控制系統包括鑽機1、防噴裝置14、雙鑽杆鑽具、空氣壓縮機17、泥漿泵16、中間傳輸裝置15、鑽鋌6、電磁閥5、封隔器7、無線接收器21、地面控制系統22，地面上鑽機I通過傳動系統10帶動鑽杆旋轉給鑽頭2提供破巖能量，防噴裝置14安裝在鑽機I下，防噴管線13從井口處伸出，防噴管線13上設置閥門，雙鑽杆鑽具有內鑽杆8和外鑽杆9,內鑽杆8和外鑽杆9同軸設置，夕卜鑽杆9和內鑽杆8 —起轉動，兩者沒有相對運動。為了不影響鑽井液在外鑽杆9與內鑽杆8之間環空的流動，在滿足需要的條件下，要儘量選擇尺寸較小的內鑽杆8。如圖3所示，中間傳輸裝置15由同軸設置的內筒19和外筒20構成，內筒19是空氣通道，內筒19和外筒20之間的環形空間為鑽井液通道，內筒19的上端面設置進氣口，外筒20的側壁設置進液口，空氣壓縮機17連接到內筒19的進氣口，泥漿泵16連接外筒20的進液口，內筒19末端連接內鑽杆8，外筒20末端連接外鑽杆9，鑽井液循環系統11用於完成鑽井液在地面和井下的循環；外鑽杆9的末端連接鑽鋌6，內鑽8桿的末端通過兩到三個三腳架12固定在鑽鋌6底部，鑽鋌6連接鑽頭2 ；內鑽杆8末端連接電磁閥5，封隔器7安裝在外鑽杆9上，無線密度傳感器4和無線壓力傳感器3均安裝在鑽鋌6底部；無線接收器21接收來自無線密度傳感器4和無線壓力傳感器3的信號，無線接收器21連接地面控制系統22。地面控制系統22包括控制迴路和計算機，無線接收器21連接控制迴路，控制迴路分別連接電磁閥5和封隔器7。
[0016]氣體由空氣壓縮機17經中間傳輸裝置15進入內鑽杆8內向下流動，鑽井液由泥漿泵16經中間傳輸裝置15泵入，在外鑽杆9與內鑽杆8之間的環形空間向下流動；內鑽杆8末端有一電磁閥5,電磁閥5的位於接近鑽頭2的位置；內鑽杆8內的氣體流經電磁閥5與鑽井液在鑽頭2上方附近混合，通過注入氣體稀釋鑽井液，形成密度較低的充氣鑽井液，充氣鑽井液經鑽頭2進入井眼環空(井壁與鑽具之間環空)，向上返回地面。無線壓力傳感器3和無線密度傳感器4安裝的鑽鋌6底部接近鑽頭2的位置，用來實時監測井眼環空的井底壓力和鑽井液密度，無線壓力傳感器3和無線密度傳感器4將監測到的信息按一定規律變換成為電信號形式傳輸給控制迴路，控制迴路按照一定的規則和算法來決定一個輸出信號，電磁閥5的開度取決於輸出信號的強度,輸出信號越強，電磁閥5開度越大，同一時間氣體注入流量越大，反之氣體注入流量越小，從而實時自動調節氣體注入流量的大小。
[0017]發生溢流時:溢流就是由於地層壓力高於井底壓力，少量的地層液和/或氣從地層侵入井眼環空。如果是地層液溢流到環空中，一般情況下地層液的密度高於充氣鑽井液的密度，地層水侵入會使充氣鑽井液密度升高，井底壓力增大，無線壓力傳感器3和無線密度傳感器4通過控制迴路發出指令，增大電磁閥5的開度即增加氣體注入流量，使環空充氣鑽井液密度減小至目標值；如果是地層氣溢流到環空中，由於地層氣的密度低於充氣鑽井液的密度，地層氣侵入會使鑽井液密度降低，井底壓力減小，無線壓力傳感器3和無線密度傳感器4通過控制迴路發出指令，減小電磁閥5的開度即減小氣體注入流量，使環空充氣鑽井液密度增大至目標值。
[0018]發生井湧，可能出現井噴危險時:當鑽遇異常高壓地層時，由於地層壓力遠高於井底壓力，大量的地層液(或氣)從地層湧向井眼環空，可能造成井噴事故。環空充氣鑽井液密度迅速增大(或減小)，並且超出預設的安全值，無線壓力傳感器3和無線密度傳感器4通過控制迴路發出指令，一方面關閉電磁閥，阻止氣體注入稀釋密度較大的鑽井液，一方面控制封隔器7膨脹，封住環空阻止環空中的流體上返至地面，環空鑽井液密度持續升高，井底壓力持續增大，直至消除井噴危險。
[0019]參閱圖2，本發明控制原理:通過對井底壓力和鑽井液密度的實時監測，自動控制氣體混入鑽井液的流量，改變鑽井液的密度，實現合理的井底壓力，使井底壓差在過平衡、欠平衡和近平衡狀態轉換，提聞機械鑽速，有效控制井壁失穩、井漏、卡鑽、井噴等多種鑽井複雜情況。通過安裝在鑽鋌6靠近鑽頭2位置的無線壓力傳感器3和無線密度傳感器4對井底情況進行實時監測，由控制迴路向電磁閥5發出指令，控制電磁閥5的開度，從而自動控制流過電磁閥5的氣體流量。當鑽井液注入流量保持不變時，隨著氣體注入流量逐漸增力口，環空中鑽井液密度逐漸減小。通過實時監測環空井底鑽井液的密度和壓力情況，自動控制氣體的注入流量，調節鑽井液的密度，實現安全高效鑽井的目的。
[0020]無線密度傳感器4測量井底附近的環空鑽井液的密度信息，無線壓力傳感器3測量井底壓力信息，控制迴路根據無線密度傳感器4和無線壓力傳感器3的輸入信號與預設值作比較，按照一定的規則和算法來決定一個輸出信號，控制電磁閥5的打開/閉合和封隔器7的膨脹/收縮，同時通過無線接收器把井底鑽井參數在地面上接收，供鑽井技術人員參考是否進行人工控制。例如鑽遇異常高壓氣層時，地層壓力遠大於井底壓力，在壓差的作用下地層氣大量侵入到井眼環空中，地層氣的密度遠低於欠平衡鑽井液的密度，地層氣的大量侵入使環空中鑽井液密度顯著降低，井底壓力也隨之明顯減小。這種變化被無線密度傳感器4和無線壓力傳感器3測量並傳輸給控制迴路，由於密度和壓力信息輸入值遠低於預設值，控制迴路一方面控制電磁閥5，關閉氣體注入通道，此時只有密度較大的鑽井液可以通過鑽頭，另一方面控制封隔器7膨脹，封住環空阻止環空中的流體上返至地面，環空鑽井液密度持續升高，井底壓力持續增大，直至消除井噴危險。同時為了防止井下自動控制失效，鑽井技術人員根據返回的鑽井參數信息，可以手動關閉地面輸氣管線閥門18切斷氣體供應，並且通過地面控制系統22發出命令控制電磁閥5關閉和封隔器7膨脹，使環空鑽井液密度增大。安全起見，控制優先級上，人工控制優先於自動控制。
[0021]本發明採用井下氣液混合方式縮短了控制時間，避免了控制滯後。由於鑽井液從地面流動至井底需要一定的時間，井深越大則需要的時間越長，因此在地面調整氣液混合比例，到達目標地層存在一定的延遲，採用井下進行氣液混合避免了延遲，縮短了控制時間。
[0022]本發明根據地層實時監測情況，調節鑽井液密度，控制井底壓力，允許井底壓差在過平衡、欠平衡和近平衡狀態之間轉換。
【權利要求】
1.一種鑽井液密度井下實時控制系統，其特徵在於:這種鑽井液密度井下實時控制系統包括鑽機(I)、防噴裝置(14)、雙鑽杆鑽具、空氣壓縮機(17)、泥漿泵(16)、中間傳輸裝置(15)、鑽鋌(6)、電磁閥(5)、封隔器(7)、無線接收器(21)、地面控制系統(22)，防噴裝置(14)安裝在鑽機(I)下，雙鑽杆鑽具有內鑽杆(8)和外鑽杆(9)，內鑽杆(8)和外鑽杆(9)同軸設置，中間傳輸裝置(15)由同軸設置的內筒(19)和外筒(20)構成，內筒(19)和外筒(20)之間的環形空間為鑽井液通道，內筒(19)的上端面設置進氣口，外筒(20)的側壁設置進液口，空氣壓縮機(17)通過輸氣管線連接到內筒(19)的進氣口，泥漿泵(16)連接外筒(20)的進液口，內筒(19)末端連接內鑽杆(8)，外筒(20)末端連接外鑽杆(9);外鑽杆(9)的末端連接鑽鋌(6)，內鑽杆(8)的末端通過三腳架(12)固定在鑽鋌(6)底部；內鑽杆(8)末端連接電磁閥(5)，封隔器(7)安裝在外鑽杆(9)上，無線密度傳感器(4)和無線壓力傳感器(3)均安裝在鑽鋌(6)底部；無線接收器(21)接收來自無線密度傳感器(4)和無線壓力傳感器(3 )的信號，無線接收器(21)連接地面控制系統(22 )。
2.根據權利要求1所述的鑽井液密度井下實時控制系統，其特徵在於:所述的空氣壓縮機(17)與內筒(19)之間的輸氣管線上安裝閥門(18)。
【文檔編號】E21B21/14GK104234648SQ201410343129
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】閆鐵, 陳勳, 畢雪亮, 孫士慧, 張楠, 李井輝 申請人:東北石油大學