井筒壓力控制系統及控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種井筒壓力控制系統，屬于油氣開發鉆井【技術領域】。其包括安裝在鉆桿上的至少一個測量傳感器和至少一個壓力控制元件，以及用于控制壓力控制元件的控制器，測量傳感器將所檢測的井筒參數發送給控制器，控制器根據接收到的井筒參數控制壓力控制元件停機、沿第一方向轉動或沿與其相反的第二方向轉動。通過根據本發明的井筒壓力控制系統，能夠對全井筒的壓力實施控制，并獨立于泥漿循環系統。
【專利說明】井筒壓力控制系統及控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及油氣開發鉆井【技術領域】，特別涉及一種井筒壓力控制系統。
[0002]本發明還涉及一種井筒壓力控制方法。
【背景技術】
[0003]為了達到提高機械鉆速、減少儲層污染、避免泥漿漏失、增加井眼穩定、控制溢流井涌等目的，近年來控制壓力鉆井和井控技術成為國內外鉆井研究中的熱點領域。
[0004]現有技術中的HydroPulse?脈沖工具利用流動循環閥閥門的開啟和關閉來間歇式地阻斷來流，對鉆頭施加沖擊力，從而形成吸入壓力脈沖，產生吸入脈沖鉆井效果。
[0005]在現有技術中，已經基于附壁射流原理開發出了負壓脈沖工具，其基本原理是:當高速液流經過噴嘴時卷吸旁道內的液體，使其向上流動，此時在閥的受力面上，閥體受到推動向下移動，直至關閉，由于液流的瞬間中斷，在井底鉆頭附近就產生了相對負壓區。
[0006]現有技術中還存在Anderhammer工具,其工作原理則是:鉆井液通過上接頭進入流道盤的噴嘴后進行分流，一部分進入襯套和筒體的環空，一部分進入定子襯套來驅動螺桿旋轉，并繼續下行，在套筒中和另一部分鉆井液匯合，然后經由回轉中心軸上端的徑向流道口進入中心軸，流向上盤閥，上盤閥的旋轉使上盤閥與下盤閥的流道時開時閉，液流在這種情況下將會出現閉則升壓，開則泄壓，由此產生脈沖射流和脈沖壓力。
[0007]上述3種工具僅能對井底壓力形成影響。
[0008]針對欠平衡鉆井技術在海上鉆井中難以解決的一些問題，近幾年還開發出了更為復雜同時功能更為強大的控制壓力鉆井(MPD)技術和控制鉆井液帽(CMC)鉆井技術。控制壓力鉆井(MPD)技術是由欠平衡鉆井(UBD)技術和動力鉆井技術綜合發展起來的一項新技術，它利用封閉的鉆井液循環系統，通過液力井的模擬程序來反饋數據，預測環空壓力剖面，從而使自動控制壓力系統自動調節節流閥，產生微小調節量來精確控制整個井眼的環空壓力剖面。控制鉆井液帽(CMC)鉆井技術是控制壓力鉆井(MPD)技術在深水鉆井應用中的新發展，它既能當作開放式循環系統操作，又能當作封閉式循環系統操作，同時使用較重的鉆井液，通過水下鉆井液舉升泵系統調節鉆井液帽在隔水管內的位置，從而快速、準確地調節井底壓力。
[0009]上述這些工具與系統，除了控制鉆井液帽(CMC)鉆井技術外，其它的工具與系統都是由流動的鉆井液直接驅動，這種方式存在三個方面的問題:一是部分工具僅能對井底壓力形成影響；二是需要占用鉆井系統有限的可資利用的循環壓力，即在產生壓力控制效果的同時，必然會引起鉆頭壓降的降低，從而影響鉆頭水馬力和水力沖擊力，對破巖產生不利影響；三是一旦鉆井泵出現故障，或者循環系統發生泄漏(包括海洋套管)，井眼壓力剖面將立即發生改變，這有可能導致發生井漏、溢流、井塌等復雜的情況。
[0010]而控制鉆井液帽(CMC)鉆井技術只適用于深水，并且只具備一套鉆井液提升泵，通過控制其在隔水管中的位置來控制壓力，由于控制窗口狹窄，不能實現全井控制壓力。
[0011]另外，專利文獻CN102402184A公開了一種井筒壓力模型預測系統控制方法。然而此文獻并未涉及具體檢測井筒狀況以及彌補溢流，漏失等問題的裝置。

【發明內容】

[0012]針對現有技術中所存在的問題，本發明提出了一種井筒壓力控制系統及控制方法，其不僅能夠對全井筒的壓力實施控制，而且不依賴泥漿循環系統，可獨立發揮作用。
[0013]根據本發明的一方面，提出了一種井筒壓力控制系統，包括安裝在鉆桿上的至少一個測量傳感器和至少一個壓力控制元件，以及用于控制該壓力控制元件的控制器，測量傳感器將所檢測的井筒參數發送給控制器，控制器根據接收到的井筒參數控制壓力控制元件停機、沿第一方向轉動或沿與其相反的第二方向轉動。
[0014]在一個實施例中，當井筒參數顯示為正常鉆進時，控制器使壓力控制元件停機；當特定的測量傳感器所檢測到的井筒參數顯示為發生井漏時，控制器使相鄰于該特定的測量傳感器的壓力控制元件沿第一方向轉動；當特定的測量傳感器所檢測到的井筒參數顯示為發生溢流時，控制器使相鄰于該特定的測量傳感器的壓力控制元件沿第二方向轉動。
[0015]在一個實施例中，壓力控制元件沿第一方向的轉動導致井筒內環空靜液柱壓力與地層破裂壓力之間的差值減小，而沿第二方向的轉動導致井筒內環空靜液柱壓力與地層破裂壓力之間的差值增大。
[0016]在一個實施例中，控制器根據壓力控制元件離井漏或溢流的發生位置點的距離和井筒內環空液流的流量來調整該壓力控制元件的轉速和轉動時間。
[0017]在一個實施例中，控制器設置成隨著壓力控制元件離開井漏或溢流的發生位置點，該控制器使該壓力控制元件的轉動速度逐漸降低至零。
[0018]在一個實施例中，根據本發明的井筒壓力控制系統包括多個排量彼此不同的壓力控制兀件。
[0019]在一個實施例中，測量傳感器安裝在中繼短節中。
[0020]在一個實施例中，壓力控制元件是渦輪泵。
[0021]在一個實施例中，控制器設置在地面。
[0022]在一個實施例中，控制器設置在中繼短節內。
[0023]在一個實施例中，根據本發明的井筒壓力控制系統還包括用于調整鉆頭方向的導向裝置。
[0024]在一個實施例中，控制器通過導向裝置來調整鉆頭的方向。
[0025]在一個實施例中，根據本發明的井筒壓力控制系統還包括將所述測量傳感器測得的數據傳送到互聯網的地面信息傳輸設備。
[0026]在Iv實施例中，根據本發明的井筒壓力控制系統還包括引入外部電力的井口動力及信息傳輸裝置。
[0027]根據本發明的第二方面，提出了一種使用本發明的井筒壓力控制系統的方法，包括:
[0028]第一步驟，通過測量傳感器檢測井筒內的狀況；
[0029]第二步驟，根據所檢測到的井筒內的狀況，由控制器控制壓力控制元件停機、沿第一方向轉動或沿與其相反的第二方向轉動。
[0030]在一個實施例中:[0031]當井筒參數顯示為正常鉆進時，通過控制器控制壓力控制元件停機；
[0032]當特定的測量傳感器所檢測到的井筒參數顯示為發生井漏時，通過控制器控制相鄰于該特定的測量傳感器的壓力控制元件沿第一方向轉動；
[0033]當特定的測量傳感器所檢測到的井筒參數顯示為發生溢流時，通過控制器控制相鄰于該特定的測量傳感器的壓力控制元件沿第二方向轉動。
[0034]在一個實施例中，壓力控制元件沿第一方向轉動時，井筒內環空靜液柱壓力與地層破裂壓力之間的差值減小，壓力控制元件沿第二方向轉動時，井筒內環空靜液柱壓力與地層破裂壓力之間的差值增大。
[0035]在一個實施例中，在根據本發明的方法的第二步驟中，根據壓力控制元件離井漏或溢流的發生位置點的距離和井筒內環空液流的流量的不同，通過控制器來調整壓力控制元件的轉速和轉動時間。
[0036]在一個實施例中，在根據本發明的方法的第二步驟中，隨著壓力控制元件離開井漏或溢流的發生位置點，通過控制器控制壓力控制元件的轉動速度，使其逐漸降低至零。
[0037]根據本發明的井筒壓力控制系統及其使用方法，不僅能夠對全井筒的壓力實施控制，而且由于測量傳感器和壓力控制元件的動力可由外部引入，因此根據本發明的系統的運轉不依賴泥漿循環系統，彌補了【背景技術】中所指出的不足。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]在下文中將基于僅為非限定性的實施例并參考附圖來對本發明進行更詳細的描述。其中:
[0039]圖1是根據本發明的井筒壓力控制系統的示意圖；
[0040]圖2是正常鉆進時井筒壓力控制元件不工作時根據本發明的井筒壓力控制系統的井下部分的剖面示意圖；
[0041]圖3是井漏時井筒壓力控制元件沿第一方向轉動時根據本發明的井筒壓力控制系統的井下部分的剖面示意圖；
[0042]圖4是溢流時井筒壓力控制元件沿第二方向轉動時根據本發明的井筒壓力控制系統的井下部分的剖面示意圖。
[0043]在圖中，相同的構件由相同的附圖標記標示。附圖并未按照實際的比例繪制。【具體實施方式】
[0044]下面將結合附圖對本發明做進一步說明。
[0045]圖1顯示了根據本發明的井筒壓力控制系統20的一個實施例。如圖所示，該井筒壓力控制系統20包括安裝在打入到地殼4中的鉆桿5上的用于測量井下參數的測量傳感器6和能夠調節井筒壓力狀況的壓力控制元件7。其中鉆桿5具有動力及信號傳輸功能。測量傳感器6和壓力控制元件7的安裝位置及數量由信息傳輸需要中繼放大的最遠距離及特殊層位需要加密的距離決定。測量傳感器6的類型可根據測量需要選擇，可以是例如用于測量環空局部壓力的壓力傳感器，以及用于測量地應力的聲發射傳感器等等。在本實施例中，測量傳感器6為多參數測量傳感器。在一個實施例中，壓力控制元件7可以是例如渦輪泵或其它類型的泵。不同位置的壓力控制元件7的排量可由地殼4的壓力分布的具體情況來確定。
[0046]根據本發明的井筒壓力控制系統20還包括用于控制鉆頭9的方向的導向裝置8以及用于控制所述壓力控制元件7并且通過動力及信息傳輸線3與井下部分連接的地面信息處理設備10 (即控制器)。在圖1所顯示的實施例中，在井口還安裝了用于引入外部電力的井口動力及信息傳輸裝置2。所述壓力控制系統20安裝到常規鉆井設備I中以供使用。
[0047]在另一個可供選擇實施例中，測量傳感器6處于中繼短節中并盡量靠近壓力控制元件7。在此實施例中取消地面信息處理設備10，改為由與測量傳感器6處于同一中繼短節中的控制器來控制井筒壓力控制元件7。
[0048]當操作根據本發明的井筒壓力控制系統20時，在圖1所示的實施例中，利用測量傳感器6實時監測整個井筒，所獲得的地層和鉆井參數信息經過具有信號傳輸功能的鉆桿
5、井口動力及信息傳輸裝置2和動力及信號傳輸線3傳遞給地面信息處理設備10。根據不同位置的測量傳感器6 (如流量傳感器和位移傳感器等)所測得的液流的流量及方向，可以確定井下的狀況，例如井壁所發生的溢流或井漏的位置及大小。位于地面的地面信息處理設備10 (即控制器)可以根據實時掌握的整個井筒的情況，及時下達調整指令，控制不同位置的壓力控制元件7以調整井筒壓力。具體而言，通過所述壓力控制元件7沿不同方向的轉動，能夠調整鉆桿5與地層4之間的環形空間的壓力分布，形成一個井筒壓力剖面控制系統，實現欠平衡、近平衡或過平衡鉆井作業。
[0049]來自控制器的指令還可以同時反饋給井下導向裝置8，以便調整鉆頭9的方向，保證鉆井作業安全、順利。
[0050]根據本發明，測量傳感器6和壓力控制元件7的能量可由設于地面的外部電源經過井口動力及信息傳輸裝置2和具有動力傳輸功能的鉆桿5來提供。
[0051]在一個實施例中，測量傳感器6所測得的數據信息還可以通過地面信息傳輸設備11通過互聯網提供給相應的數據庫，以供鉆井工程技術專家和管理人員參考。這樣，就可以為工藝的選擇提供更可靠的依據，進而降低工程風險，提高鉆井的智能化程度，極大地優化井身結構，并且為后續的完井、試采等作業提供空間條件。
[0052]圖2、3和4分別顯示了正常鉆進、發生井漏和發生溢流時井筒壓力控制系統20的井下部分的剖面示意圖。
[0053]如圖2所示，在正常鉆進時，壓力控制元件7不工作。由于測量傳感器6和壓力控制元件7由地面經過井口動力及信息傳輸裝置2和鉆桿5提供電力，因此它們獨立于泥漿循環系統，即使壓力控制元件7不工作也不影響正常鉆進。
[0054]如圖3所示，根據傳感器的測量信息，當確定某個位置發生井漏時，由地面信息處理設備10 (控制器)根據井下信息指揮壓力控制元件7沿第一方向(圖3中示意為俯視角度觀測為逆時針方向)轉動，或者由傳感器所在中繼短節中的控制器控制附近的壓力控制元件7自動工作(沿第一方向轉動，圖3中示意為俯視角度觀測為逆時針方向)，使環空靜液柱壓力與地層破裂壓力差值減小，從而降低井漏危害。
[0055]如圖4所示，根據傳感器的測量信息，當確定某個位置發生溢流時，由地面信息處理設備10 (控制器)根據井下信息指揮壓力控制元件7沿第二方向(圖4中示意為俯視角度觀測為順時針方向)轉動，或者由傳感器所在中繼短節中的控制器控制附近的壓力控制元件7自動工作(沿第二方向轉動，圖4中示意為俯視角度觀測為順時針方向)，使環空靜液柱壓力與地層破裂壓力差值增大，從而降低溢流危害。
[0056]在一個優選的實施例中，壓力控制元件7會根據發生井漏或溢流的位置點與自己相隔的距離以及環空液流的流量，自動調整其轉動的速度和時間來控制局部井段的壓力，使環空壓力盡量與地層壓力平衡，達到減小事故危害的目的。這種局部調整是根據壓力控制元件7在井筒中位置的改變而自動進行的，如果某個壓力控制元件7隨井深的增加已經越過井漏或溢流位置，則它會逐漸降低轉動速度以減小其控制范圍，當離開由井漏或溢流確定的平衡控制壓力區后，它會自動停止轉動，直到下一次進入某個平衡控制壓力區再重新開始轉動。進入井漏或溢流平衡控制壓力區時壓力控制元件7的運作過程和離開正好相反。
[0057]雖然已經參考優選實施例對本發明進行了描述，但在不脫離本發明的范圍的情況下，可以對其進行各種改進并且可以用等效物替換其中的部件。本發明并不局限于文中公開的特定實施例，而是包括落入權利要求的范圍內的所有技術方案。
【權利要求】
1.一種井筒壓力控制系統，包括安裝在鉆桿上的至少一個測量傳感器和至少一個壓力控制元件，以及用于控制所述壓力控制元件的控制器，所述測量傳感器將所檢測的井筒參數發送給所述控制器，所述控制器根據接收到的井筒參數控制所述壓力控制元件停機、沿第一方向轉動或沿與其相反的第二方向轉動。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，當井筒參數顯示為正常鉆進時，所述控制器使所述壓力控制元件停機； 當特定的測量傳感器所檢測到的井筒參數顯示為發生井漏時，所述控制器使相鄰于所述特定的測量傳感器的壓力控制元件沿第一方向轉動； 當特定的測量傳感器所檢測到的井筒參數顯示為發生溢流時，所述控制器使相鄰于所述特定的測量傳感器的壓力控制元件沿第二方向轉動。
3.根據權利要求1或2所述的系統，其特征在于，所述壓力控制元件沿第一方向的轉動導致井筒內環空靜液柱壓力與地層破裂壓力之間的差值減小，而沿第二方向的轉動導致井筒內環空靜液柱壓力與地層破裂壓力之間的差值增大。
4.根據權利要求1到3中任一項所述的系統，其特征在于，所述控制器根據所述壓力控制元件離井漏或溢流的發生位置點的距離和井筒內環空液流的流量來調整所述壓力控制元件的轉速和轉動時間。
5.根據權利要求1到4中任一項所述的系統，其特征在于，所述控制器設置成隨著所述壓力控制元件離開井 漏或溢流的發生位置點，所述控制器使所述壓力控制元件的轉動速度逐漸降低至零。
6.根據權利要求1到5中任一項所述的系統，其特征在于，包括多個排量彼此不同的壓力控制兀件。
7.根據權利要求1到6中任一項所述的系統，其特征在于，所述測量傳感器安裝在中繼短節中。
8.根據權利要求1到7中任一項所述的系統，其特征在于，所述壓力控制元件是渦輪栗。
9.根據權利要求1到8中任一項所述的系統，其特征在于，所述控制器設置在地面。
10.根據權利要求7所述的系統，其特征在于，所述控制器設置在中繼短節內。
11.根據權利要求1到10中任一項所述的系統，其特征在于，還包括用于調整鉆頭方向的導向裝置。
12.根據權利要求11所述的系統，其特征在于，所述控制器通過所述導向裝置來調整鉆頭的方向。
13.根據權利要求1到12中任一項所述的系統，其特征在于，還包括將所述測量傳感器測得的數據傳送到互聯網的地面信息傳輸設備。
14.根據權利要求1到13中任一項所述的系統，其特征在于，還包括引入外部電力的井口動力及信息傳輸裝置。
15.一種使用根據上述權利要求中任一項所述的系統來控制井筒壓力的方法，包括以下步驟: 第一步驟，通過所述測量傳感器檢測井筒內的狀況； 第二步驟，根據所檢測到的井筒內的狀況，由控制器控制所述壓力控制元件停機、沿第一方向轉動或沿與其相反的第二方向轉動。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，在第二步驟中: 當井筒參數顯示為正常鉆進時，通過所述控制器控制所述壓力控制元件停機； 當特定的測量傳感器所檢測到的井筒參數顯示為發生井漏時，通過所述控制器控制相鄰于所述特定的測量傳感器的壓力控制元件沿第一方向轉動； 當特定的測量傳感器所檢測到的井筒參數顯示為發生溢流時，通過所述控制器控制相鄰于所述特定的測量傳感器的壓力控制元件沿第二方向轉動。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，在第二步驟中，當所述壓力控制元件沿第一方向轉動時，井筒內環空靜液柱壓力與地層破裂壓力之間的差值減小，當所述壓力控制元件沿第二方向轉動時，井筒內環空靜液柱壓力與地層破裂壓力之間的差值增大。
18.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，在第二步驟中，根據所述壓力控制元件離井漏或溢流的發生位置點的距離和井筒內環空液流的流量的不同，通過所述控制器來調整所述壓力控制元件的轉速和轉動時間。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，在第二步驟中，隨著所述壓力控制元件離開井漏或溢流的發生位置點，通過所述控制器控制所述壓力控制元件的轉動速度，使其逐漸降低至零。
【文檔編號】E21B21/08GK103775011SQ201210403002
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年10月22日 優先權日:2012年10月22日
【發明者】許衛平, 任紅, 吳仲華, 韓來聚, 馬清明, 溫林榮 申請人:中國石油化工股份有限公司, 中國石化集團勝利石油管理局鉆井工藝研究院