钻进过程中井下压力自动化控制系统

由于钻井环境日益复杂,故在钻进过程中对井下压力的准确控制非常必要。为提高其准确程度,壳牌E&P公司开发出一种精确控制压力的全自动系统。

在常规钻井中,井下压力指的是泥浆柱的静水压力,它受环空内泥浆流动或钻杆运动的影响。在钻井期间,为了获取准确的井下压力,常通过改变泥浆密度来调整井下压力。水压的改变常导致井底压力的变化而且难以控制。而这种全自动井下压力控制系统在井口增设了环空回压设备,回压设备产生的回压可控制井底压力。

在环空出口施加回压有很多优点。首先,可保持井下压力与孔隙压力接近,减轻地层损害,防止钻井液漏失,防止地层流体侵入井筒和提高钻速；第二,调整回压可以优化钻井作业,增加套管柱下入深度；第三,控制回压可控制瞬时井底压力,增加或降低钻井液密度,减少钻井液循环周期。另外,在不中断钻井的情况下,可以防止地层流体侵入井筒或发生漏失。

1．回压系统的选择和设计

在开发回压系统的初期,认为回压系统须满足以下技术要求:

(1)对水压的变化能做出快速响应；

(2)压力范围足够大；

(3)在不考虑钻井液的环空返速的情况下,能提供回压；

(4)能够携带钻屑；

(5)具有可操作性。

为满足上述要求,考虑了多种回压生成方案,并对有关的方法进行了评价,其中包括安装一个与环空流方向相反的射流泵、安装一个主轴上带有刹车且由环空返出液驱动的液压马达以及节流器和泵。

2．节流管汇

设计和制造了一种液压控制的节流管汇,该节流管汇具有以下优点:

(1)节流管汇内设了冗余回路,无需中断作业即可维持节流器正常工作。管汇有两条独立的支路,在常规作业时可以仅使用一条支路,需要时可使用另一条支路,也可以由一条支路自动转换到另一条支路。

(2)阀门要设计成可自动启动和关闭的；

(3)管汇要全线贯通以便把大颗粒的岩屑循环出去；

(4)可选择性使用固定节流器或可变化的节流器。

3．计算机系统

计算机系统可计算维持一定井底压力、控制节流管汇和运行用户界面所需要的回压。计算机网络包括以下控制程序:

(1)一台运行水力模拟器的计算机,其作用是根据从钻机数据系统获取的数据,实时计算特定点的回压。如果系统配备随钻测量工具,可对水力模型进行实时自动校正。

(2)一台计算机用来运行绘图用户界面,与钻机数据系统形成数据衔接,且与程序化逻辑控制器连接。

(3)逻辑控制器,用于控制节流管汇和泵,以及从系统的传感器获取数据。

4．泵

为了使穿过节流管汇的液流足够大,需用一台螺杆泵加压,以便当环空返回液流不足时能控制回压。当泥浆泵停机时需要加大液流,泵的开或关是由计算机自动控制的。试验时使用的是由柴油机驱动的常规三缸式柱塞泵。

为验证全自动井下压力控制系统的可行
性和可靠性,在荷兰的NAMSimWell探井上进行了为期4周的试验。试验结果表明,通过改进和微调,全自动井下压力控制系统可以在现场应用。

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