專利名稱：一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種控制壓力鉆井的方法及裝置，特別是關(guān)于一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法及裝置。
背景技術(shù)：
在常規(guī)深水鉆井中，鉆井船和海底井口用隔水管連接，鉆井液通過鉆桿向下流動(dòng)，通過鉆頭，再向上流經(jīng)鉆桿和井眼之間的環(huán)空、已下入的套管段(導(dǎo)管段)、海底以上的隔水管，循環(huán)返回鉆井船。在整個(gè)鉆井回路中只有泥漿一種壓力梯度。在超過500m的深水中鉆井，采用隔水管系統(tǒng)的常規(guī)鉆井將容易出現(xiàn)常規(guī)鉆井裝備和方法難以克服的技術(shù)難題，這包括1、錨泊鉆機(jī)本身必須承受錨泊系統(tǒng)的重量，給鉆機(jī)穩(wěn)定性增加了難度；2、隔水管除了承受自身重量，還承受嚴(yán)重的機(jī)械載荷，如海流惡劣的海況等，在這種情況下，防止隔水管脫扣是一個(gè)關(guān)鍵問題。為了避免船舶起伏時(shí)造成的任何松弛或者動(dòng)態(tài)屈曲，起伏不定的軸向拉力應(yīng)當(dāng)保持為正值；3、海底泥線處高壓和低溫環(huán)境對鉆井液性能影響而產(chǎn)生特殊的難題；4、海底的不穩(wěn)定性、淺層水流動(dòng)、天然氣水合物對鉆井可能引起的風(fēng)險(xiǎn)等；5、特別難于控制鉆井液當(dāng)量密度在泥漿密度窗口(地層孔隙壓力和破裂壓力間隙)，在淺水中，泥漿密度窗口(如圖12所示，傾斜的陰影線)“開”得非?？窟M(jìn)水面，從而使得泥漿壓力線(傾斜的虛線)保持在兩個(gè)邊界線之間，在很長的井段內(nèi)可以使用單一泥漿比重鉆井。而在深水中，泥漿窗口(如圖13所示)向下平移，其“較小開口”使得將泥漿比重調(diào)整非常困難，特別是在泥線附近(圖中“+”字陰影區(qū)和水平點(diǎn)劃線之間的分界線)，這主要是由于隔水管中的泥漿柱造成的。狹窄的泥漿密度窗口對井身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和鉆井作業(yè)造成了很大的影響一方面復(fù)雜的套管程序(通常采用36″、20″、17″、13-5/8″、9-5/8″和7″套管)，對經(jīng)濟(jì)性造成了巨大的影響；另一方面和傳統(tǒng)的淺水相比，由于在巨大的隔水管中流體流速非常緩慢，使得在深水鉆井出現(xiàn)氣泡比淺水中要遲的多；另外通過很長的壓井管線壓力損失很大，限制了壓井循環(huán)的流速，使得井涌頻繁而且控制非常困難。
為了解決以上問題，提出控制壓力鉆井技術(shù)(Managed Pressure Drilling，MPD)，MPD是一種適用的鉆井程序，用于精確地控制整個(gè)井眼環(huán)空的壓力剖面，目的在于確定井底壓力范圍，從而控制環(huán)空液面剖面。當(dāng)前實(shí)現(xiàn)MPD的方法主要有(1)連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)在常規(guī)鉆井操作中，在接單根的時(shí)候必須停泵，隨著泵的不斷停止和開啟會(huì)產(chǎn)生很多問題。由謝非爾公司與BP公司、英國天然氣公司、殼牌商業(yè)公司和道達(dá)爾公司合資開發(fā)的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(Continuous CirculationSystem，CCS)，在接單根時(shí)保持連續(xù)循環(huán)，不需要停泵，可保持恒定的當(dāng)量循環(huán)密度，這就使我們很容易地在孔隙壓力與破裂壓力窗口很窄的條件下鉆進(jìn)，而在此之前在這些地區(qū)鉆進(jìn)是困難的或用常規(guī)鉆井技術(shù)是無法鉆進(jìn)的。連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)還減少了卡鉆事故。連續(xù)循環(huán)減輕了井眼的鼓脹效應(yīng)并可避免油氣意外侵入井眼的可能性。另外，攜巖能力和鉆屑清除能力也得到改善。
(2)當(dāng)量循環(huán)密度降低工具井眼壓力控制是鉆井過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在常規(guī)鉆井過程中，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流體壓力是用來抑制地層壓力并保持井眼穩(wěn)定的。循環(huán)時(shí)過高的流體壓力能導(dǎo)致破裂壓力和孔隙壓力之間的操作安全系數(shù)降低，嚴(yán)重的會(huì)喪失循環(huán)。為解決上述問題，研制出降低當(dāng)量循環(huán)密度的工具。當(dāng)工具工作時(shí)，能減輕下部裸眼段的當(dāng)量鉆井液循環(huán)密度，同時(shí)加重上部套管段的當(dāng)量鉆井液密度，保持井筒上部較高壓力。
(3)壓力泥漿帽鉆井當(dāng)遇到嚴(yán)重的循環(huán)損失儲(chǔ)層，或由于其它井的生產(chǎn)形成低的地層壓力的衰竭地層，經(jīng)常發(fā)生循環(huán)漏失，采用壓力泥漿帽鉆井技術(shù)。如果地層壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常鉆井的井眼壓力，循環(huán)損失將十分嚴(yán)重，泥漿將會(huì)漏入衰竭地層。井眼中的靜壓力將會(huì)減少平衡衰竭地層的儲(chǔ)層壓力。此時(shí)，在未達(dá)到鉆井液漏失層的地層井眼壓力低于儲(chǔ)層壓力，將會(huì)導(dǎo)致氣體進(jìn)入井眼。井控的方法之一是以高于氣體滲透速率的速率灌漿。壓力泥漿帽鉆井方法使用重的泥漿從環(huán)空泵送以防止氣侵到達(dá)鉆臺(tái)。
(4)可控泥漿帽系統(tǒng)可控泥漿帽系統(tǒng)與壓力泥漿帽鉆井類似，不過該系統(tǒng)是通過一個(gè)泥漿泵調(diào)節(jié)泥漿帽的水平面更好的控制井底壓力?，F(xiàn)在還在進(jìn)行測試的一種新的鉆井概念是可控泥漿帽系統(tǒng)。可控泥漿帽系統(tǒng)與壓力泥漿帽鉆井的區(qū)別是鉆井環(huán)空泥漿帽的液面可通過泥漿泵調(diào)節(jié)，可更好的控制井底壓力。
(5)雙梯度鉆井技術(shù)雙梯度鉆井(也稱雙密度鉆井、無隔水管鉆井)是一種控制壓力鉆井技術(shù)。該技術(shù)的主要思想是隔水管內(nèi)充滿海水(或去除隔水管的使用)，采用海底泵和小直徑回流管線旁路回輸鉆井液?；蛟诟羲苤凶⑷氲兔芏冉橘|(zhì)(空心微球、低密度流體、氣體)，來降低隔水管環(huán)空內(nèi)返回流體的密度，使之與海水相當(dāng)，在整個(gè)鉆井液返回回路中保持雙密度鉆井液體系，有效控制井眼環(huán)空壓力、井底壓力，克服深水鉆井中遇到的問題，實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)的鉆井。
上述各種技術(shù)方案中，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)并不能解決井眼地層孔隙壓力和破裂壓力間隙狹小的問題；當(dāng)量循環(huán)密度降低工具使用效果并不明顯；壓力泥漿帽鉆井和可控泥漿帽系統(tǒng)將浪費(fèi)大量的鉆井液，而且對地層條件有限制，雙梯度比較好的解決問題，但成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種設(shè)備簡單、費(fèi)用低廉、性能良好，一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法及裝置。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法，其包括以下步驟(1)通過井下隨鉆測量裝置中的壓力傳感器測定井下壓力數(shù)據(jù)，并通過管線傳送到海面的中心控制系統(tǒng)；(2)海面的中心控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算、分析和處理，將控制信號(hào)傳送到海面低密度流體流量控制裝置和井下隨鉆注入接頭；(3)海面低密度流體流量控制裝置控制低密度流體的流量和流速，通過雙壁鉆桿泵送到井下；(4)根據(jù)中心控制系統(tǒng)的流量指令，調(diào)節(jié)隨鉆注入接頭注入口的大小，將隨鉆注入接頭內(nèi)、外管之間的低密度流體注入鉆桿和井眼之間環(huán)空；(5)注入井眼環(huán)空的低密度流體將稀釋從井底返回的鉆井液，在井筒環(huán)空中形成至少兩個(gè)不同的壓力梯度，實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井；(6)從環(huán)空返回含低密度流體鉆井液在海面通過鉆井液處理裝置，除去鉆井液中的鉆屑和廢棄物，進(jìn)行分離處理，重新循環(huán)利用。
當(dāng)有低密度流體注入鉆井液中，則混合鉆井液的密度為ρr=(100-v)×ρm+v×ρs100]]>式中，ρr-鉆井液密度，g/cm3；ρm-注入前鉆井液的密度，g/cm3；ρs-低密度流體的密度，g/cm3；v-低密度流體的濃度(％)。該式為計(jì)算井眼環(huán)空壓力所需鉆井液密度計(jì)算提供依據(jù)。
在深水井，水深為H。海底到井底的尺寸為h(t)，則鉆井的總深度D為D＝H+h(t)根據(jù)的需要設(shè)置一個(gè)或多個(gè)注入點(diǎn)，這些注入點(diǎn)位置固定或隨鉆井的不斷移動(dòng)，井底壓力P為(1)單注入點(diǎn)P＝(D-l)ρ0g+ρ1gl(2)雙注入點(diǎn)P＝(D-l1-l2)ρ0g+ρ1gl1+ρ2gl2由此可知，對多級多梯度鉆井，井底壓力P為P=(D-Σi=1nli)ρ0g+Σi=1nliρig]]>
通過鉆井基液低密度流體流量控制和井下隨鉆注入接頭注入口調(diào)節(jié)兩種方式控制井眼泥漿密度，進(jìn)而控制井底壓力。
一種基于雙梯度的控制壓力鉆井裝置，其特征在于它包括由鉆桿、隨鉆注入接頭、井下安全閥、鉆頭組成的鉆井裝置；泥漿處理裝置；中心控制系統(tǒng)，海面低密度流體流量控制裝置；所述鉆桿為雙壁鉆桿，與其對應(yīng)，所述隨鉆注入接頭為具有內(nèi)、外管雙壁鉆桿段，所述內(nèi)外管之間連接有定心肋骨，所述內(nèi)外管兩端分別通過螺紋與上下所述鉆桿雙層壁面連接成一體；在外管的周向壁面設(shè)置有3～4處直通的注入口，所述每個(gè)注入口上方的管壁內(nèi)設(shè)置一壓力調(diào)節(jié)控制裝置，所述壓力調(diào)節(jié)控制裝置底面連接閘板驅(qū)動(dòng)裝置，所述閘板驅(qū)動(dòng)裝置末端連接一弧形閘板；所述注入口底部設(shè)置一向下延伸的通壓孔，所述通壓孔的末端徑向穿通所述外管外壁。
每一所述閘板底部設(shè)置一承壓板。
所述隨鉆注入接頭為間隔設(shè)置在所述鉆桿上的一個(gè)以上。
所述井下安全閥包括環(huán)形的閥體，設(shè)置在所述閥體內(nèi)的閥芯，所述閥體上設(shè)置有若干泄壓孔，所述閥芯上設(shè)置有若干鉆井液流通孔，所述閥體與所述閥芯之間設(shè)置有一彈簧，所述彈簧被壓縮時(shí)，所述閥芯上的鉆井液流通孔連通所述上、下鉆桿。
所述井下安全閥的閥體由閥頭、閥座和連接所述閥頭、閥座的閥桿組成，所述閥頭頂部和閥座底部分別設(shè)置有連接所述鉆桿的螺紋；所述閥頭內(nèi)設(shè)置有一圈凸環(huán)，所述閥芯的頂部位于所述凸環(huán)的底部，所述彈簧設(shè)置在所述閥芯頂部凸緣與所述閥座之間；所述鉆井液流通孔設(shè)置在所述閥芯的末端。
所述井下安全閥的閥體由閥桿和連接在閥桿底部的閥座組成，所述閥桿頂端和閥座底端封閉設(shè)置由連接所述鉆桿的螺紋；所述鉆井液流通孔設(shè)置在所述閥芯的上部，所述閥桿內(nèi)設(shè)置有一圈凸環(huán)，在所述凸環(huán)的上方設(shè)置一封閉所述閥芯上部鉆井液流通孔的壓環(huán)，所述壓環(huán)的底部頂在一設(shè)置在所述凸環(huán)底部的彈簧固定塊，所述彈簧點(diǎn)在所述彈簧固定座與所述閥座之間。
本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明的系統(tǒng)具有雙梯度鉆井和控制壓力鉆井的優(yōu)點(diǎn)，能更好的匹配地層孔隙壓力和破裂壓力窗口，簡化井身結(jié)構(gòu)，減少套管下入層數(shù)，節(jié)省時(shí)間和建井成本。2、本發(fā)明設(shè)備所占空間少，特別是隨鉆注入接頭，結(jié)構(gòu)簡單，通過設(shè)置在隨鉆注入接頭外管內(nèi)的閘板開啟、提降的動(dòng)作自動(dòng)調(diào)節(jié)低密度流通的混合流量，不但效果好，操作和控制也相對簡單。3、本發(fā)明方法可以有效的控制由于地層孔隙壓力較大使油氣進(jìn)入泥漿引起的井噴等事故，使不同壓力調(diào)節(jié)下，可以根據(jù)不同的海水層面保持相應(yīng)的海水的壓力梯度。4、本發(fā)明方法通過控制注入點(diǎn)以及注入量，使整個(gè)環(huán)空剖面的壓力梯度呈線形變化，實(shí)現(xiàn)了井底的壓力控制。5、本發(fā)明設(shè)置的井下安全閥可以阻止鉆井液在鉆桿內(nèi)自由下落，有效地控制流經(jīng)井下安全閥的鉆井液壓力，使發(fā)明裝置使用更安全可靠。本發(fā)明方法可以用于陸上鉆井也可以用于海洋鉆井，尤其用于深水鉆井將更有更好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)示意圖(用于海洋鉆井)圖2是本發(fā)明系統(tǒng)示意圖(用于陸上鉆井)圖3是本發(fā)明井下隨鉆注入接頭結(jié)構(gòu)示意4是圖4的A-A向截面5是圖4的B-B向截面6是本發(fā)明控制壓力鉆井模型圖7是本發(fā)明井下安全閥結(jié)構(gòu)示意8是本發(fā)明井下安全閥的另一結(jié)構(gòu)示意9是本發(fā)明井下安全閥關(guān)閉狀態(tài)示意10是本發(fā)明井下安全閥開啟狀態(tài)示意11是本發(fā)明海面鉆井液處理裝置示意12是淺水井泥漿密度窗口圖13是深水井泥漿密度窗口具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明既可以用于海上鉆井，也可以用于陸上鉆井。深水鉆井平臺(tái)通常采用動(dòng)態(tài)定位，并使用小直徑隔水管1(例如13英寸)來連接鉆井平臺(tái)2上的鉆井設(shè)備和海底井口的防噴器組，引導(dǎo)鉆桿和其它鉆井工具從鉆井平臺(tái)2到海底井口，并傳導(dǎo)泥漿和鉆屑從海底井口到鉆井平臺(tái)2。隔水管1由多個(gè)管段組成，各管段是帶有聯(lián)接器設(shè)備的特殊套管。隔水管1的底端連接在海底防噴器組上，連接處通常包括一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的柔性接頭，以隨著鉆井平臺(tái)2直接在海底井口上面移動(dòng)。隔水管1的上端有個(gè)伸縮接頭來補(bǔ)償鉆井平臺(tái)2的升沉。伸縮接頭通過靠近平臺(tái)月池的隔水管張緊器滑輪上的管線來保護(hù)鉆井平臺(tái)2。鉆井平臺(tái)2上安裝有鉆井裝置、泥漿處理裝置和控制裝置。鉆井裝置包括鉆桿3、隨鉆注入接頭4、井下安全閥5和鉆頭6等；泥漿處理裝置7包括振動(dòng)篩71、泥漿池72、輸送泵73、水力旋流器74、離心分離機(jī)75和鉆井液池8；控制裝置包括低密度流體流量控制裝置9，中心控制系統(tǒng)10，雙通道水龍頭11，設(shè)置在隨鉆注入接頭4處的傳感器12和設(shè)置在井下安全閥5的傳感器13，以及連接傳感器12、13的纜線14、15等。
如圖3～5所示，本發(fā)明的鉆桿3是雙壁鉆桿，本發(fā)明的隨鉆注入接頭4也是一具有內(nèi)、外管41、42的雙壁鉆桿段，內(nèi)、外管41、42之間連接有定心肋骨43，內(nèi)、外管41、42兩端分別通過常用的雙壁鉆桿標(biāo)準(zhǔn)的六方結(jié)構(gòu)的公母接頭插接(圖中未示出)，與上下鉆桿3的雙層壁面連接成一體。在外管42的周向壁面設(shè)置有3～4處直通的注入口44，在每個(gè)注入口44上方的管壁內(nèi)設(shè)置一固定塊45，固定塊45所受壓力由海面設(shè)置的低密度流體流量控制裝置9控制，固定塊45的底面連接一彈簧46，在彈簧46的末端連接一弧形閘板47；在注入口44的底部設(shè)置一向下延伸的通壓孔48，通壓孔48的末端徑向穿通外管42外壁。為了使閘板47底部承壓效果好，可以在閘板47底部設(shè)置一承壓板49。
使用時(shí)，如圖1所示，鉆桿3中心和隨鉆注入接頭4的內(nèi)管41內(nèi)流動(dòng)的是密度較大的鉆井液16，鉆桿3雙壁之間和隨鉆注入接頭4的內(nèi)、外管41、42之間的環(huán)空中流動(dòng)的是低密度流體(鉆井基液)17，從鉆桿3最底部的返回的鉆井液14是經(jīng)過鉆桿3與井眼或鉆桿3與隔水管1之間的環(huán)空，返回鉆井平臺(tái)2。由于隨鉆注入接頭4上的通壓孔48是連通環(huán)空中的返回鉆井液16，因此只要調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)閘板47的壓力，就可以通過從通壓孔48進(jìn)入的鉆井液16的壓力頂開閘板47，使隨鉆注入接頭4內(nèi)、外管41、42之間的低密度流體17自動(dòng)流入返回的鉆井液16，從而形成隨鉆注入接頭4底部的返回的鉆井液16與隨鉆注入接頭4上部的混合鉆井液18兩種不同的密度梯度。兩種密度梯度的密度差可以通過低密度流體調(diào)節(jié)控制裝置9對壓力控制模塊45施加作用力的大小進(jìn)行調(diào)整，一經(jīng)調(diào)定，閘板47就可以在彈簧的作用下自動(dòng)上提、開啟等。
本發(fā)明可以根據(jù)需要設(shè)置一個(gè)隨鉆注入接頭4(如圖6a所示)，或設(shè)置多個(gè)隨鉆注入接頭4(如圖6b、圖6c所示)，形成多梯度壓力鉆井。
如圖1、圖7所示，本發(fā)明的井下安全閥5安裝在鉆頭6上方，其作用是在海面停泵情況下阻止鉆井液16在鉆桿3內(nèi)自由下落，控制流經(jīng)井下安全閥5的鉆井液16壓力。井下安全閥5由閥頭51、閥座52和閥桿53組成的一閥體，閥頭51的上部和閥座52的下部分別設(shè)置有與鉆桿3連接的螺紋。在閥頭51內(nèi)設(shè)置有一圈凸環(huán)54，在凸環(huán)54底部的閥桿53內(nèi)插設(shè)一閥芯55，在閥芯55頂部的凸緣56底部和閥座52之間設(shè)置一彈簧57，在閥桿53的下部沿周向設(shè)置有幾個(gè)泄壓孔58，以調(diào)節(jié)彈簧57壓縮或復(fù)位體積變化時(shí)，閥桿53與閥芯55之間的壓力始終處于與閥桿53外部的壓力相同，在閥芯55的末端沿周向設(shè)置了幾個(gè)鉆井液流通孔59。
當(dāng)鉆井平臺(tái)上的泥漿泵14處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，作用在閥芯55上的鉆井液16不足以克服彈簧57的預(yù)壓力，井下安全閥5處于關(guān)閉狀態(tài)，鉆井液16不能自由下落。當(dāng)泥漿泵工作，鉆井液16的壓力達(dá)到足夠大時(shí)，便會(huì)壓縮彈簧57推動(dòng)閥芯55向下運(yùn)動(dòng)，使閥芯55上的鉆井液流通孔59探出與閥座52之間的封閉區(qū)段，使井下安全閥5處于打開狀態(tài)，鉆井液16可以通過井下安全閥5進(jìn)入下部鉆桿。當(dāng)井下安全閥5下部的壓力大于上部壓力時(shí)，被壓縮的彈簧57便會(huì)帶動(dòng)閥芯55逐漸復(fù)位，直至使井下安全閥5完全關(guān)閉。當(dāng)需要調(diào)節(jié)井下安全閥5上、下部壓力時(shí)，可以通過更換彈簧57改變預(yù)緊力，進(jìn)而改變井下安全閥5的打開壓力。
上述井下安全閥5的結(jié)構(gòu)還可以采取其它結(jié)構(gòu)形式，如圖8所示，閥桿53’連接在閥座52’上，閥桿53’的頂部和閥座52’的底部分別設(shè)置有與鉆桿3連接的螺紋，閥桿53’內(nèi)設(shè)置有一圈凸環(huán)54，在閥桿53’內(nèi)設(shè)置有一閥芯55’，閥芯55’底部固定在閥座52上，在凸環(huán)54和閥芯55之間插設(shè)一壓環(huán)56’，壓環(huán)56’的底部頂在一彈簧固定塊51’上，凸環(huán)54’上設(shè)置有若干通氣孔，以使壓環(huán)壓縮彈簧固定塊51’時(shí)，沒有阻力。彈簧固定塊51’底部與閥座52’之間設(shè)置有一彈簧57’，在閥桿53’的下部沿周向設(shè)置有幾個(gè)泄壓孔58’，在閥芯55’頂部沿周向設(shè)置有幾個(gè)鉆井液流通孔59’。
上述結(jié)構(gòu)的井下安全閥5，如圖9所示，當(dāng)作用在閥芯55’上的鉆井液不足以克服彈簧57的預(yù)壓力，壓環(huán)56’便從周向堵住閥芯55’上的鉆井液流通孔59’，使井下安全閥5處于關(guān)閉狀態(tài)；如圖10所示，當(dāng)泥漿泵工作，鉆井液的壓力達(dá)到足夠大時(shí)，鉆井液便會(huì)驅(qū)動(dòng)壓環(huán)56’向下運(yùn)動(dòng)，使閥芯55’上的鉆井液流通孔59’開啟，鉆井液可以從井下安全閥5通過，并經(jīng)井下安全閥5下方的鉆桿3通過鉆頭6，并如相應(yīng)技術(shù)那樣從鉆頭6返回到鉆桿3與井眼14之間的環(huán)空。當(dāng)井下安全閥5下部的壓力大于上部壓力時(shí)，被壓縮的彈簧57’便會(huì)帶動(dòng)彈簧座51’向上運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)壓環(huán)56’逐漸復(fù)位，直至使井下安全閥5完全關(guān)閉(如圖9所示)。當(dāng)需要調(diào)節(jié)井下安全閥5上、下部壓力時(shí)，可以通過更換彈簧57改變預(yù)緊力，進(jìn)而改變井下安全閥5的打開壓力。
如圖1、圖11所示，從井眼環(huán)空返回含有低密度流體的鉆井液18鉆井平臺(tái)2，需要經(jīng)過泥漿處理裝置7處理。含有低密度流體的鉆井液18首先經(jīng)過振動(dòng)篩71進(jìn)行固相處理，大直徑的鉆屑被分離出來，鉆井液進(jìn)入泥漿池72，重的小直徑鉆屑沉入池底；從泥漿池72流出的鉆井液流通過輸送泵73驅(qū)動(dòng)高速進(jìn)入水力旋流器74進(jìn)行分離，低密度流體17和鉆井液16由于密度和性能的差異，鉆井液16通過底流口進(jìn)入鉆井液池8，低密度流體17和少量鉆井液混合液體通過溢流口進(jìn)入離心機(jī)75，進(jìn)行二次分離，分離出的低密度流體17和鉆井液16分別進(jìn)入低密度流體流量控制裝置9和泥漿池8，繼續(xù)循環(huán)。
本發(fā)明的海面中心控制系統(tǒng)10為一計(jì)算機(jī)支持系統(tǒng)，海面中心控制系統(tǒng)10的輸入為海底的壓力傳感器12、13返回的數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)10根據(jù)鉆井地質(zhì)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析計(jì)算，優(yōu)選調(diào)節(jié)模式和調(diào)節(jié)量。海面中心控制系統(tǒng)10為低密度流體流量控制裝置9和井下隨鉆注入接頭4提供控制信號(hào)，控制低密度流體向井下的注入總量和在某一接頭處的注入量。
通過以上對本發(fā)明裝置的描述，可以看到本發(fā)明一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法，包括以下步驟(1)通過現(xiàn)有技術(shù)中的井下隨鉆測量裝置中的壓力傳感器12，測定井下壓力數(shù)據(jù)，并通過管線14傳送到海面的中心控制系統(tǒng)10；(2)海面中心控制系統(tǒng)10經(jīng)過計(jì)算、分析和處理，將控制信號(hào)傳送到低密度流體(可以是鉆井基液或其它)流量控制裝置9和井下隨鉆注入接頭4，控制低密度流體向井下的注入總量和在某一接頭處的注入量；(3)海面低密度流體流量控制裝置9控制低密度流體17的流量和流速，并通過雙壁鉆桿泵送到井下；鉆井液16從鉆井液池8進(jìn)入雙通道水龍頭11，通過鉆桿3進(jìn)入井下，通過井下隨鉆注入接頭4、井下安全閥5、鉆頭6到井底，并經(jīng)過鉆桿3與井眼和隔水管1之間的環(huán)空返回鉆井平臺(tái)2；(4)返回的鉆井液16流經(jīng)連接在上、下鉆桿3之間的隨鉆注入接頭4時(shí)，隨鉆注入接頭4根據(jù)中心控制系統(tǒng)10的流量指令，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)閘板47的壓力，調(diào)節(jié)注入口44的大小，將與雙壁鉆桿3連通的設(shè)置在隨鉆注入接頭4內(nèi)、外管41、42之間的低密度流體17注入鉆桿3和井眼之間環(huán)空；(5)注入井眼環(huán)空的低密度流體17將稀釋從井底返回的鉆井液16，形成混合鉆井液18，混合鉆井液18與返回鉆井液16在環(huán)空中形成兩個(gè)不同的壓力梯度，實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井；(6)從環(huán)空返回的含低密度流體17的混合鉆井液18在海面通過鉆井液處理處理裝置7，除去其中的鉆屑和廢棄物，進(jìn)行分離處理，重新循環(huán)利用。
上述方法實(shí)施例中，當(dāng)有低密度流體17注入鉆井液16中，則混合鉆井液的密度變?yōu)?amp;rho;r=(100-v)×ρm+v×ρs100]]>式中，ρr-鉆井液密度，g/cm3；ρm-注入前鉆井液的密度，g/cm3；ρs-低密度流體的密度，g/cm3；v-低密度流體的濃度(％)。
在深水井，水深為H。海底到井底的尺寸為h(t)，則鉆井的總深度D為
D＝H+h(t)根據(jù)需要可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)注入點(diǎn)(如圖6所示)，這些注入點(diǎn)位置固定或隨鉆井的不斷移動(dòng)，井底壓力P為(1)單注入點(diǎn)P＝(D-l)ρ0g+ρ1gl(2)雙注入點(diǎn)P＝(D-l1-l2)ρ0g+ρ1gl1+ρ2gl2由此可知，對多級多梯度鉆井，井底壓力P為P=(D-Σi=1nli)ρ0g+Σi=1nliρig]]>本發(fā)明的壓力公式為海面控制系統(tǒng)計(jì)算井底壓力提供一個(gè)簡單模型，為系統(tǒng)在整個(gè)回路注入點(diǎn)的注入量的控制提供計(jì)算依據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法，其包括以下步驟(1)通過井下隨鉆測量裝置中的壓力傳感器測定井下壓力數(shù)據(jù)，并通過管線傳送到海面的中心控制系統(tǒng)；(2)海面的中心控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算、分析和處理，將控制信號(hào)傳送到海面低密度流體流量控制裝置和井下隨鉆注入接頭；(3)海面低密度流體流量控制裝置控制低密度流體的流量和流速，通過雙壁鉆桿泵送到井下；(4)根據(jù)中心控制系統(tǒng)的流量指令，調(diào)節(jié)隨鉆注入接頭注入口的大小，將隨鉆注入接頭內(nèi)、外管之間的低密度流體注入鉆桿和井眼之間環(huán)空；(5)注入井眼環(huán)空的低密度流體將稀釋從井底返回的鉆井液，在井筒環(huán)空中形成至少兩個(gè)不同的壓力梯度，實(shí)現(xiàn)雙梯度鉆井；(6)從環(huán)空返回含低密度流體鉆井液在海面通過鉆井液處理裝置，除去鉆井液中的鉆屑和廢棄物，進(jìn)行分離處理，重新循環(huán)利用。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法，其特征在于當(dāng)有低密度流體注入鉆井液中，則混合鉆井液的密度為ρr=(100-ν)×ρm+ν×ρs100]]>式中，ρr-鉆井液密度，g/cm3；ρm-注入前鉆井液的密度，g/cm3；ρs-低密度流體的密度，g/cm3；v-低密度流體的濃度(％)。該式為計(jì)算井眼環(huán)空壓力所需鉆井液密度計(jì)算提供依據(jù)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于雙梯度技術(shù)的控制壓力鉆井方法，其特征在于在深水井，水深為H。海底到井底的尺寸為h(t)，則鉆井的總深度D為D＝H+h(t)根據(jù)的需要設(shè)置一個(gè)或多個(gè)注入點(diǎn)，這些注入點(diǎn)位置固定或隨鉆井的不斷移動(dòng)，井底壓力P為(1)單注入點(diǎn)P＝(D-l)ρ0g+ρ1gl(2)雙注入點(diǎn)P＝(D-l1-l2)ρ0g+ρ1gl1+ρ2gl2由此可知，對多級多梯度鉆井，井底壓力P為P=(D-Σi=1nli)ρ0g+Σi=1nliρig]]>
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法，其特征在于通過鉆井基液低密度流體流量控制和井下隨鉆注入接頭注入口調(diào)節(jié)兩種方式控制井眼泥漿密度，進(jìn)而控制井底壓力。
5.一種如權(quán)利要求1～4所述的實(shí)現(xiàn)基于雙梯度的控制壓力鉆井方法的鉆井裝置，其特征在于它包括由鉆桿、隨鉆注入接頭、井下安全閥、鉆頭組成的鉆井裝置；泥漿處理裝置；中心控制系統(tǒng)，海面低密度流體流量控制裝置；所述鉆桿為雙壁鉆桿，與其對應(yīng)，所述隨鉆注入接頭為具有內(nèi)、外管雙壁鉆桿段，所述內(nèi)外管之間連接有定心肋骨，所述內(nèi)外管兩端分別通過螺紋與上下所述鉆桿雙層壁面連接成一體；在外管的周向壁面設(shè)置有3～4處直通的注入口，所述每個(gè)注入口上方的管壁內(nèi)設(shè)置一壓力調(diào)節(jié)控制裝置，所述壓力調(diào)節(jié)控制裝置底面連接閘板驅(qū)動(dòng)裝置，所述閘板驅(qū)動(dòng)裝置末端連接一弧形閘板；所述注入口底部設(shè)置一向下延伸的通壓孔，所述通壓孔的末端徑向穿通所述外管外壁。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于雙梯度鉆井的控制壓力鉆井裝置，其特征在于每一所述閘板底部設(shè)置一承壓板。
7.如權(quán)利要求5所述的一種基于雙梯度鉆井的控制壓力鉆井裝置，其特征在于所述隨鉆注入接頭為間隔設(shè)置在所述鉆桿上的一個(gè)以上。
8.如權(quán)利要求5或6或7所述的一種基于雙梯度鉆井的控制壓力鉆井裝置，其特征在于所述井下安全閥包括環(huán)形的閥體，設(shè)置在所述閥體內(nèi)的閥芯，所述閥體上設(shè)置有若干泄壓孔，所述閥芯上設(shè)置有若干鉆井液流通孔，所述閥體與所述閥芯之間設(shè)置有一彈簧，所述彈簧被壓縮時(shí)，所述閥芯上的鉆井液流通孔連通所述上、下鉆桿。
9.如權(quán)利要求8所述的一種基于雙梯度鉆井的控制壓力鉆井裝置，其特征在于所述井下安全閥的閥體由閥頭、閥座和連接所述閥頭、閥座的閥桿組成，所述閥頭頂部和閥座底部分別設(shè)置有連接所述鉆桿的螺紋；所述閥頭內(nèi)設(shè)置有一圈凸環(huán)，所述閥芯的頂部位于所述凸環(huán)的底部，所述彈簧設(shè)置在所述閥芯頂部凸緣與所述閥座之間；所述鉆井液流通孔設(shè)置在所述閥芯的末端。
10.如權(quán)利要求8所述的一種基于雙梯度鉆井的控制壓力鉆井裝置，其特征在于所述井下安全閥的閥體由閥桿和連接在閥桿底部的閥座組成，所述閥桿頂端和閥座底端封閉設(shè)置由連接所述鉆桿的螺紋；所述鉆井液流通孔設(shè)置在所述閥芯的上部，所述閥桿內(nèi)設(shè)置有一圈凸環(huán)，在所述凸環(huán)的上方設(shè)置一封閉所述閥芯上部鉆井液流通孔的壓環(huán)，所述壓環(huán)的底部頂在一設(shè)置在所述凸環(huán)底部的彈簧固定塊，所述彈簧點(diǎn)在所述彈簧固定座與所述閥座之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于雙梯度的控制壓力鉆井方法及裝置，其包括1.測定井下壓力數(shù)據(jù)，傳送到海面的中心控制系統(tǒng)；2.海面的中心控制系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算、分析和處理，將控制信號(hào)傳送到海面低密度流體流量控制裝置和井下隨鉆注入接頭；3.海面低密度流體流量控制裝置控制低密度流體的流量和流速，通過雙壁鉆桿泵送到井下；4.根據(jù)中心控制系統(tǒng)的流量指令，調(diào)節(jié)隨鉆注入接頭注入口的大小，將隨鉆注入接頭內(nèi)、外管之間的低密度流體注入鉆桿和井眼之間環(huán)空；5.注入井眼環(huán)空的低密度流體將稀釋從井底返回的鉆井液，在井筒環(huán)空中形成至少兩個(gè)不同的壓力梯度；6.經(jīng)鉆井液處理裝置處理后的鉆井液重新循環(huán)利用。本發(fā)明方法可以用于海洋鉆井也可以用于陸上鉆井。
文檔編號(hào)E21B44/00GK101070755SQ20071012313
公開日2007年11月14日 申請日期2007年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月24日
發(fā)明者陳國明, 許亮斌, 殷志明, 蔣世全, 姜偉 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 中國石油大學(xué)(華東)