[发明专利]控压钻井系统及其控制方法

说明书

本发明涉及一种控压钻井系统，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，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。第四阀门和第六阀门为互锁状态。本发明的控压钻井系统只采用一台泥浆泵，两路支路连接泥浆泵输出端，通过对泥浆流量切换和控制调整，代替常规管汇的回压泵，整体架构更简洁，操作简易。此外，本发明的控压钻井控制方法采用了非线性控制算法，能够适应泥浆压力、流量和密度变化。

技术领域

本发明涉及石油勘探开发的钻机技术领域，具体涉及一种控压钻井系统及其控制方法。

背景技术

近几年来，石油行业飞速发展，但是油气资源也面临着枯竭的危机，所以对复杂地形的油气田开采是必不可少的，但是诸如地层漏失、压差卡钻、地层孔隙压力与地层破裂梯度间压力窗口狭窄造成涌漏等问题也越来越多，这些问题使得钻井过程时间加长，费用也提高了，为了解决复杂地形对钻井带来的诸多问题，控压钻井（Managed PressureDrilling）技术应运而生。

控压钻井技术的核心是控制井底的压力，保证井筒的压力一直处在破裂压力和地层孔隙压力之间。控压钻井技术能有效地防止井漏或溢流，使钻井过程安全可靠，并大大地减少了成本。其中，美国在上世纪60年代后期开始应用控制压力钻井技术，在美国所有的陆地钻井作业中，约1/4的井未使用闭合、承压的钻井液循环系统；有1/4的井使用该系统来实现真正的欠平衡钻井；1/4的井在应用该系统钻井时，需要使用可压缩流体(空气、天然气、泡沫、雾)；1/4的井正在使用闭合、承压的循环系统以MPD的某种形式进行作业。巴西国家石油公司应用以微流控制系统为基础的新型控压钻井技术，在4口井中进行试验，有效地控制了溢流和漏失，提高了钻井速度和安全性；MPD技术在墨西哥湾Mars张力腿平台的应用中，有效控制了井漏、溢流和井眼不稳定等事故，减少了59%的非生产时间；壳牌公司在墨西哥湾的AugerTLP油田实施MPD作业，应用动态环空压力控制技术，实现无漏失、无安全事故的良好效果。自2004年至今，控压钻井技术已经成功应用于所有类型的海上平台上，全世界总共已有超过50个的海上控压钻井项目，控压钻井技术越来越成熟，也发挥着越来越重要的作用。在国内，杨雄文，周英操等在控压钻井自动控制系统中引入分级递阶智能控制的概念，将MPD相关操作集成起来，自动化工具执行低阶的自动连锁操作，大大降低了控压钻井操作的难度和复杂性，优化了钻井作业，降低了钻井成本。陈尚周在其论文中对DAPC 系统的回压节流系统进行了研究，建立了整个节流系统的数学模型，对系统稳定性和快速性进行分析。

然而，现有控压钻井系统需要使用到回压泵，从而至少需要三路自动调节泥浆通道，需要占用较多场地，回压泵的泄露也会造成污染。专利申请号为201210337203.0、申请日为2012年9月13日的中国发明专利申请公开的《用于施加井口回压的双节流控制泥浆泵分流管汇及其方法》也未使用回压泵，但其结构较为复杂，回压控制不理想。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无需回压泵、回压控制更理想的控压钻井系统。

一种控压钻井系统，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。