[发明专利]自反馈三相体系钻井液混合系统及混合钻井液的方法

权利要求书

1.一种自反馈三相体系钻井液混合系统，包括：混合器，海水池通过第一管路与混合器相连，基浆池通过第二管路与混合器相连，添加剂池通过第三管路与混合器相连，海水池给第一管路提供海水原料；基浆池给第二管路提供基浆原料，并破坏高粘流体的网状结构；添加剂池给第三管路提供添加剂原料；海水、基浆、添加剂进入混合器混合后经密度自反馈模块进入泥浆池或者泥浆泵管汇；其特征在于：

第一管路上由海水池至混合器方向依次安装砂浆泵、第一流量计和第一控制阀；其中，砂浆泵和第一流量计间设有溢流回流旁路，溢流回流旁路连接至海水池，溢流回流旁路上设有第一溢流阀；砂浆泵抽取海水进入第一管路，第一流量计测量第一管路中海水流量，第一溢流阀工作时打开，海水溢流回海水池中；

第二管路上由基浆池至混合器方向依次安装剪切泵、第二流量计和第二控制阀；其中，剪切泵和第二流量计间装有溢流回流旁路，溢流回流旁路上设有第二溢流阀，溢流回流旁路连接至基浆池；剪切泵抽取基浆进入第二管路，第二流量计测量第二管路中基浆流量，第二溢流阀工作时打开，基浆溢流回基浆池中；

第三管路上由添加剂池至混合器方向依次安装离心泵、第三流量计和第三控制阀；其中，离心泵和第三流量计间设有溢流回流旁路，溢流回流旁路连接至添加剂池，溢流回流旁路上设有第三溢流阀；离心泵抽取添加剂进入第三管路，第三流量计测量第三管路中添加剂流量，第三溢流阀工作时打开，添加剂溢流回添加剂池中；

第一管路中的第一流量计、第二管路中的第二流量计、第三管路中的第三流量计通过有线或者无线的方式与现场控制箱连接；第一管路中的第一控制阀、第二管路中的第二控制阀、第三管路中的第三控制阀通过有线或者无线的方式与现场控制箱；密度自反馈模块通过有线或者无线的方式与现场控制箱连接；现场控制箱与远程水力参数设计计算控制模块通过有线或无线的方式连接；第一管路中的第一流量计向现场控制箱传输海水流量信号，现场控制箱将海水流量信号传输给远程水力参数设计计算控制模块；远程水力参数设计计算控制模块传输控制信号到现场控制箱，现场控制箱将控制信号传输至第一控制阀控制调节海水流量；第二管路中的第二流量计向现场控制箱传输基浆流量信号，现场控制箱将基浆流量信号传输给远程水力参数设计计算控制模块，远程水力参数设计计算控制模块传输控制信号到现场控制箱，现场控制箱将控制信号传输至第二控制阀控制调节基浆流量；第三管路中的第三流量计向现场控制箱传输添加剂流量信号，现场控制箱将添加剂流量信号传输给远程水力参数设计计算控制模块；远程水力参数设计计算控制模块传输控制信号到现场控制箱，现场控制箱将控制信号传输至第三控制阀控制调节添加剂流量；密度自反馈模块将混合器出口密度信号传输给现场控制箱，现场控制箱将密度信号传输给远程水力参数设计计算控制模块；

现场控制箱可以读取海水、基浆和添加剂流量以及混合器出口混合液密度，并能手动调节控制阀开度；远程水力参数设计与计算模块可手动输入所需钻井液密度指令，也可以根据地层压力计算所需钻井液密度，并根据钻井液密度计算出所需海水、基浆及添加剂排量；远程水力参数设计与计算模块可手动输入所需钻井液密度指令，或根据地层压力，利用远程水力参数设计与计算模块进行设计计算钻井液密度，设计出基浆、海水和添加剂的比例及所需排量，通过第一管汇将海水、第二管汇将基浆和第三管汇将添加剂汇入混合器，根据计算数据调整第一控制阀开度调节海水流量，调整第二控制阀开度调节基浆流量，调整第三控制阀开度调节添加剂流量；第一流量计将海水流量、第二流量计将基浆流量、第三流量计将添加剂流量数据传输给远程水力参数设计计算控制模块与设计参数对比，进一步调整控制阀开度，直至海水、基浆、添加剂达到计算排量；当海水混配比小时，第一控制阀开度小，泵压升高，第一溢流阀打开，海水回流至海水池中；当基浆混配比小时，第二控制阀开度小，泵压升高，第二溢流阀打开，基浆回流至基浆池中；当添加剂混配比小时，第三控制阀开度小，泵压升高，第三溢流阀打开，添加剂回流至添加剂池中，实现海水、基浆和添加剂各种配比和排量的混合；密度自反馈模块将混合器出口密度信号传输给现场控制箱，现场控制箱将密度信号传输给远程水力参数设计计算控制模块与指令或设计密度对比，达不到预期值重新计算海水、基浆和添加剂排量，形成闭环，直至密度达到要求，满足现场钻井需求，并可根据密度反馈值，及时发现流量计误差加以修正；

混合器，包括：舱体、海水入口、基浆入口、添加剂入口、混合液出口；添加剂入口、混合液出口分别与舱体两端相连，海水入口、基浆入口位于舱体靠近添加剂入口一端且分居舱体两侧；舱体与海水入口间设有海水喷嘴，舱体与基浆入口间设有基浆喷嘴，舱体与添加剂入口间设有分流结构；海水喷嘴、基浆喷嘴均与舱体正对偏心设置，偏心距为海水喷嘴和基浆喷嘴在垂直混合舱的投影上无相交部分时的距离；海水入口、基浆入口和添加剂入口将海水、基浆和添加剂通过喷嘴汇入舱体进行混合；其中不需要添加剂时可关闭添加剂入口，完成基浆和海水的混合；混合后的混合液通过出口排出；

海水喷嘴、基浆喷嘴结构相同，均为哑铃形状；海水喷嘴、基浆喷嘴入口采用哑铃型状扭转缩径结构，扭转角度为15-25度；

添加剂入口采用分流结构，分流结构内部为圆台形，靠近添加剂入口位置为半球形，外部为空圆台形，外部小头与添加剂入口连接，大头与混合器的舱体连接，分流结构内部与外部用四个矩形块连接在一起，分流结构可以将添加剂分流至混合器壁面处，使添加剂汇入高速流出的海水和基浆，在舱内漩涡内混合，避免添加剂直接从混合器中心流过减少混合时间，使三相混合更加均匀。

2.采用权利要求1所述的自反馈三相体系钻井液混合系统进行混合钻井液的方法，其特征在于，步骤如下：

(1)、远程水力参数设计计算控制模块得到所需钻井液密度指令，或根据地层压力，利用远程水力参数设计与计算模块进行设计计算钻井液密度，并设计出海水、基浆及添加剂的比例及所需排量；

钻井液混合系统的远程水力参数设计计算控制模块，根据地层压力计算压井所需泥浆密度及排量的原则是：在该密度与排量下，井内的流动循环摩阻加液柱压力等于地层孔隙压力而小于地层破裂压力；根据海上钻井的条件，压井液密度满足：

P_r≤P_wf＝ρ_mgh+P_fr+ρ_swgh_sw

式中：

P_r——地层压力，Pa；

P_wf——井底压力，Pa；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

h——泥线距井底深度，m；

P_fr——环空摩阻，Pa；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

环空摩阻的计算用以下公式：

式中：

D_wi——第i段井筒直径，m；

D_p——钻杆外径，cm；

Dc——钻铤外径，cm；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

μ——泥浆塑性粘度，Pa·s；

Q——排量，L/s；

H_i——第i段井筒长度；

B——常数，内平钻杆B＝0.51655，贯眼钻杆B＝0.57503；

最大终了泥浆密度根据地层破裂压力求得：

式中：

h——泥线距井底深度，m；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

ρ′_m——终了泥浆密度，kg/m³；

P_f——地层破裂压力，MPa；

在调节钻井泥浆密度的同时，需要对动态压井排量进行控制；实现压井所需钻井液排量为：

式中：

P_r——地层压力，Pa；

ρ_sw——海水密度，kg/m³；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

h_sw——水深，m；

h——泥线距井底深度，m；

μ——泥浆塑性粘度，Pa·s；

D_wi——第i段井筒直径，m；

D_p——钻杆外径，cm；

D_c——钻铤外径，cm；

h_i——第i段井筒长度；

B——常数，内平钻杆B＝0.51655，贯眼钻杆B＝0.57503；

保证井筒安全的最大钻井排量为：

钻井液排量还应满足携岩要求，达到携岩要求所需最小排量为：

式中：

Q_a——满足携岩要求的最小排量，L/s；

D_w——井筒直径，cm；

D_p——钻杆外径，cm；

ρ_m——混合后钻井液密度，kg/m³；

加重钻井液与海水的排量可用如下公式进行计算：

ρ_m(Q₁+Q₂+Q₃)＝ρ₀Q₁+ρ_swQ₂+ρ_tjQ₃

Q＝Q₁+Q₂+Q₃

Q₂＝aQ₃

式中：

a为所需预设海水与添加剂比例，无因次；

ρ₀为加重钻井液基浆密度，kg/m³；

ρ_tj为添加剂密度，kg/m³；

Q₁为加重钻井液基浆排量，L/s；

Q₂为海水排量，L/s；

Q₃为添加剂排量，L/s；

(2)、根据远程水力参数设计计算控制模块计算出的排量、比例数据调整第一控制阀控制海水流量、第二控制阀控制基浆流量、第三控制阀控制添加剂流量；

(3)、当海水需求流量小时，第一控制阀开度变小，砂浆泵泵压升高，第一溢流阀打开泄压，回流海水至海水池中；当基浆需求流量小时，第二控制阀开度变小，剪切泵泵压升高，第二溢流阀打开泄压，回流基浆至基浆池中；当添加剂需求流量小时，第三控制阀开度变小，离心泵泵压升高，第三溢流阀打开泄压，回流添加剂至添加剂池中；

(4)、第一流量计将海水流量、第二流量计将基浆流量、第三流量计将添加剂流量数据传输给远程水力参数设计计算控制模块与设计参数对比，进一步调整控制阀开度，直至海水、基浆、添加剂的流量达到计算排量；

(5)、海水通过第一控制阀、基浆通过第二控制阀及添加剂通过第三控制阀后在混合器混合；

(6)、混合器出口密度自反馈模块将所测密度反馈给远程水力参数设计计算控制模块与指令或设计密度对比，不能达到预期值时再次调整控制阀开度，形成闭环，直至密度达到要求，满足现场钻井需求，并可根据密度反馈值，及时发现流量计误差加以修正。