[发明专利]控压钻井系统及其控制方法

权利要求书

1.一种控压钻井系统，其特征在于，包括一台泥浆泵、控制器、通过一第一三通阀与所述泥浆泵连通的第一支路和第二支路、连通在第二支路末端的储能罐、分别与储能罐相连的低压气罐和高压气罐、与储能罐底部连通的回压支路、包括第三支路和第四支路的控压管汇、以及回流支路；其中，第一支路末端进入钻井；第二支路上设有第一阀门；回压支路上设有第二阀门，回压支路末端通过一第二三通阀与第三支路相连；第三支路连接在第二三通阀和一四通阀之间，设有第三阀门；第四支路连接在一第三三通阀和所述四通阀之间，设有第四阀门和第五阀门；回流支路设置在所述四通阀和泥浆池之间；所述第三三通阀和一第六三通阀通过管路相连，所述第二三通阀和第六三通阀通过管路相连且管路上设有第六阀门，第六三通阀还用于与钻井相通；储能罐和低压气罐之间的管路上设有第七阀门，储能罐和高压气罐之间的管路上设有第八阀门；所述第一至第八阀门受所述控制器控制，第四阀门和第六阀门为互锁状态。

2.根据权利要求1所述的控压钻井系统，其特征在于，还包括第一辅助支路、第二辅助支路、第四三通阀和第五三通阀；第一辅助支路与第四支路并联连接在第三三通阀和所述四通阀之间，设有第三手动阀；第二辅助支路连接在第四三通阀和第五三通阀之间，设有第六手动阀；所述四通阀和第四三通阀通过管路相连，所述第五三通阀连通泥浆池；所述回流支路上设有第四手动阀、第五手动阀以及连接在第四和第五手动阀之间的第三流量变送器。

3.根据权利要求2所述的控压钻井系统，其特征在于，第一阀门、第二阀门、第四阀门、第六阀门为液动或气动控制的平板阀，第三阀门、第五阀门为节流阀。

4.根据权利要求3所述的控压钻井系统，其特征在于，所述第一支路还设有有第一流量变送器和第一压力变送器，回压支路还设有第二流量变送器和第二压力变送器，所述第三支路上还设有第一手动阀，所述第四支路上还设有第二手动阀。

5.一种如权利要求1至4项中任一项所述的控压钻井系统的控制方法，所述的控压钻井系统的钻进流程模式包括正常钻进流程模式、接单根流程模式和起钻或下钻流程模式，其特征在于：

在所述正常钻进流程模式中，打开所述第四阀门，关闭所述第六阀门，通过调节第五阀门的开度来调节井口压力；

在所述接单根流程模式和起钻或下钻流程模式中，当储能罐压力大于目标压力值时，通过调节第八阀门使高压空气从储能罐流入低压气罐，使储能罐压力达到目标压力值；当储能罐压力小于目标压力值时，通过调节第八阀门使高压空气从高压气罐流入储能罐，使储能罐压力达到目标压力值；待储能罐压力值稳定后，关闭第四阀门，打开第二阀门、第六阀门，利用储能罐对井口压力进行调节。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，在所述接单根流程模式和起钻或下钻流程模式中，如果当前不是井口压力控制模式，则储能罐的最终的目标压力值等于输入的目标压力值加上因正常钻进通路泥浆停止流动而产生的环空摩阻。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述第三阀门和第五阀门的控制输入上限值Out_Mv_Limit为：

其中k为滤波因子，Flow_In为当前流量值， Out_Limit为所述第三阀门和第五阀门的控制输入的最低上限值，Out_Last为上一个控制周期输入的控制值。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在所述接单根流程模式中，首先判断泥浆泵是否停止，若已经停止，则确定储能罐的最终的目标压力值并相应调整储能罐的压力，待储能罐压力值稳定后，关闭第四阀门打开第六阀门，打开第二阀门，将第五阀门的控制器投手动，使储能罐对井口压力进行调整，当收到接单根的完成指示且泥浆泵开启后，打开第四阀门关闭第六阀门，关闭第二阀门，将第五阀门的控制器投自动，储能罐压力控制器投手动，最终恢复至正常钻进流程模式。