[发明专利]控制压力钻井设备

说明书

发明描述

本发明涉及用于利用被称为控制压力钻井的技术来钻探地下钻孔的设备，所述地下钻孔具体但不排他地为油井、气井或者地热井。

通常利用被称为钻柱的在最下端具有钻头的钢管来进行钻孔或钻井。可以利用地上钻井马达使整个钻柱旋转，或者可以利用安装在钻柱中钻头正上方的流体动力马达与钻柱无关地使钻头旋转。当进行钻孔时，泥浆流用来将由钻孔过程产生的岩屑携带到钻孔外。泥浆通过入口管线被沿钻柱向下泵送以穿过钻头，并且泥浆经由钻柱的外径和钻孔之间的环形空间(通常称为环空)返回到地面。泥浆是一个非常宽泛的钻探术语，并且在本文中它被用来描述在钻孔期间所用的任何流体或流体混合物，并且涵盖从空气、氮气、空气或氮气中的雾化流体、具有空气或氮气的泡沫流体、充气流体或氮化流体到具有固体颗粒的油或水的很重的混合物的宽泛范围。需要相当大的压力以沿着该流径驱动泥浆，并且为了实现该泥浆驱动，通常利用一个或更多个容积泵将泥浆泵入钻柱中，所述一个或更多个容积泵经由管和歧管(被称为立管管汇)连接至钻柱。

供这样的钻孔通常钻进的地质层组常常包括加压流体(油、气和/或水)的存储池，以及泥流，其除了冲出岩屑和冷却钻头外，对钻孔加压，因此基本上防止了非可控流体流从地层流入钻孔中。地层流体流入钻孔中被称为井涌，并且，如果不控制，可以导致井喷。虽然需要对井眼加压以避免井涌或井喷，但是如果钻孔中的流体压力太高，那么流体压力可导致地层断裂和/或泥浆可穿透并流失到地层。因此，虽然由钻孔中泥浆的重量提供的压力，以及通过将泥浆泵入钻孔所形成的动压可以足够容纳地层中流体，但是对于很多地层来说需要对流体压力的更大且更快的控制，并且适于钻进这样的地层中的一个钻井方法为控制压力钻井(MPD)。

控制压力钻井(MPD)包括通过对从钻孔的环空退出的泥浆施加背压而控制井底压力。图1中示意性地示出了传统现有技术控制压力钻井系统的大部分相关元件。这个图示出了延伸到包含了流体(诸如油、气或水)的存储池的地质层组11’中的钻孔10’。钻柱12’向下延伸到钻孔10’中。在钻柱12’的最下端处具有井底钻具组合(BHA)14’，其包括钻头、泥浆马达、各种传感器、以及用于将读数从传感器传送到地面监视和控制设备的电信设备。钻柱12’的最上端延伸到钻机(为清楚起见未示出)。

钻孔10’由井口18’、和封闭装置20’(诸如旋转防喷器(BOP)或旋转控制装置(RCD)来覆盖。钻柱12’延伸穿过井口18和封闭装置20’，封闭装置20’具有包围钻柱12’外部的密封件，以提供围绕钻柱12’的大体上的不透流体密封，同时使得钻柱绕着其纵轴旋转，并且往复进出钻孔10’。井口18’和封闭装置20’一起隔离环空16’中的流体。

在该示例中，钻柱12’从封闭装置20’延伸到驱动设备22’(诸如顶驱)，钻柱12’的最上端连接到立管管汇24’的出口，该管汇具有由入口管线连接到泥浆泵26’的入口。井口18’包括侧口18a’，该侧口连接到环空回流管线28’，并且其为来自环空16’的流体提供出口。环空回流管线28’经由可调节流器或阀30’以及位于该节流器或阀30’下游的科里奥利流量计32’延伸到泥浆存储池34’。过滤器和/或振动器(未示出)通常被提供来移除颗粒物质(诸如在返回泥浆存储池34’之前来自泥浆的钻屑。

钻井期间，顶驱22’使钻柱12’绕其纵轴旋转，从而使得钻头切入地层中，并且泵26’被操作为将泥浆从存储池34’泵送到立管管汇24’，并泵入钻柱12’，在钻柱中BHA14’进入到环空16’中。泥浆和钻屑沿环空16’向上流到井口18’，并且流入到环空回流管线28’，且可调节流器或阀32’被操作以限制该流体沿着环空回流管线28’的流动，并且，因此，施加被施加到环空16’的背压。该背压增大，直到井眼10’的底部的流体压力(井底压力)被认为足以承载地层11’中的地层流体，同时最小化使地层断裂或者使得泥浆穿透地层的危险。流体流出环空16’的流量使用流量计32’监控，并且将其与进入钻柱12’的流体的流量相比，并且这个数据可以用来检测井涌或至地层的泥浆损失。

在US6575244和US7044237中公开了这样的系统。

控制压力钻井系统也是已知的并且例如在US7185719、US7395878，US2007/0151762、WO2007/081711和WO2008/051978中被公开，在控制压力钻井系统中，提供泵以通过将泥浆经由环空回流管线泵送回到环空16中而帮助所需井底压力的发展。