[发明专利]一种钻井液密度井下实时控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及井下钻井液密度控制系统，具体涉及一种钻井液密度井下实时控制系统。

背景技术

由于地层本身存在压力，并且随着井深的增加而增加，为了保持井壁稳定最初都是过平衡钻井即使用密度较大的钻井液，始终保持井底压力大于地层压力，使井眼环空中的钻井液柱对井壁起着支撑作用。但由于过大的钻井液静液柱压力加持在钻头上，不利于钻头破岩，因此过平衡钻井最大的缺点就是钻速慢和钻井液漏失污染地层。到了六七十年代，欠平衡钻井技术开始出现，欠平衡钻井技术即使用密度较小的钻井液，允许井底压力小于地层压力，并在地面加以控制的技术。欠平衡钻井由于采用负压钻进，减小了压持作用，有利于钻头对岩石的破碎，因此欠平衡钻井最大的优势是提高了钻速和有效控制漏失，但欠平衡钻井井壁稳定性差，一般适用于地层条件较好的情况，复杂地层如异常高压地层等限制了欠平衡钻井的应用。控压钻井技术，通过对井底压力的实时监测，控制井口回压，始终保持井底压差处于微过平衡或近平衡状态，有效控制地层流体侵入井眼，非常适宜窄密度窗口的地层作业。可以看到不管过平衡钻井、欠平衡钻井还是控压钻井，都有各自的优势和适用范围，但过平衡钻井、欠平衡钻井、控压钻井的优势没有很好地结合起来，影响了钻井效率。

另外，目前普通气液混合一般都是在地面进行，空气通过压缩机，钻井液通过泥浆泵，在进入钻杆之前在地面进行混合，这样流过钻杆的流体将是气液两相流，由于气液两相流存在滑脱现象，这往往引起比单相的液流更高的压力损耗，因此能耗较高；由于流入钻杆的钻井液中混入空气，钻杆的腐蚀速度更快；若调整气液比，新的气液混合流体从地面到达目标地层需要一定的时间，存在滞后。 

发明内容

本发明的目的是提供一种钻井液密度井下实时控制系统，这种钻井液密度井下实时控制系统用于解决目前普通气液混合在地面进行不能很好地使井底压差在过平衡、欠平衡和近平衡状态之间转换的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种钻井液密度井下实时控制系统包括钻机、防喷装置、双钻杆钻具、空气压缩机、泥浆泵、中间传输装置、钻铤、电磁阀、封隔器、无线接收器、地面控制系统，防喷装置安装在钻机下，双钻杆钻具有内钻杆和外钻杆，内钻杆和外钻杆同轴设置，中间传输装置由同轴设置的内筒和外筒构成，内筒和外筒之间的环形空间为钻井液通道，内筒的上端面设置进气口，外筒的侧壁设置进液口，空气压缩机通过输气管线连接到内筒的进气口，泥浆泵连接外筒的进液口，内筒末端连接内钻杆，外筒末端连接外钻杆；外钻杆的末端连接钻铤，内钻杆的末端通过三脚架固定在钻铤底部；内钻杆末端连接电磁阀，封隔器安装在外钻杆上，无线密度传感器和无线压力传感器均安装在钻铤底部；无线接收器接收来自无线密度传感器和无线压力传感器的信号，无线接收器连接地面控制系统。

上述方案中空气压缩机与内筒之间的输气管线上安装阀门，为了防止井下自动控制失效，钻井技术人员根据返回的钻井参数信息，可以手动关闭该阀门，以切断气体供应，保证安全生产。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明为了利用好过平衡钻井、欠平衡钻井和控压钻井这三种钻井技术的优势，避免这三种钻井技术的劣势，提出一种钻井液密度井下实时控制系统，根据钻遇地层的实际情况，按钻井需要通过向钻井液混入气体调节钻井液密度，使井底压差在过平衡、欠平衡和近平衡状态之间转换，井壁稳定性较好的地层保持欠平衡状态提高机械钻速，异常高压地层保持过平衡状态防止井喷失控，确保钻井安全，从而安全高效地钻达目的层，减少非生产时间，降低钻井成本。

2、本发明采用井下气液混合的方式，与地面气液混合具有以下主要优势：1）能耗较低，外钻杆和内钻杆都是单相流动，摩擦压力损耗较两相流时要小，比如用钻井水力参数计算软件（HUBS）模拟不同气液混合方式的钻井压力损失，已知参数：井深5000m，套管尺寸244.5mm，钻杆/外钻杆尺寸127mm，内钻杆尺寸51mm，钻井液排量1.2m3/min，气体排量80 m3/min，井口回压0.1MPa，结果表明地面气液混合方式压力损耗为18.5MPa，井下气液混合方式压力损耗为12.6MPa，井下混合比地面混合压力损耗低1/3；2）由于钻杆内气液分开向下流动，钻杆腐蚀速度比两相流要慢；3）内钻杆的末端抵达到钻铤的底部，这样气体的出口位于钻铤的底部，气体与钻井液在钻头上方进行气液混合，由于气液在钻头上方附近混合，并且利用内钻杆底端的电磁阀调节气液比，因此采用井下气液混合方式缩短了控制时间，避免了控制滞后。