在鉆井流體回流管中使用氣舉的井眼環(huán)空壓力控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】一種系統(tǒng)和方法包括泵送鉆井流體穿過被伸入在水體底部下方延伸的井眼內(nèi)的鉆柱，流出所述鉆柱底部并且進(jìn)入井眼環(huán)空中。流體被從所述環(huán)空排放至立管及排放管內(nèi)。所述立管被配置于所述井眼頂部的上方并延伸至水面。所述排放管耦接于所述立管，并包括一個(gè)可控流體節(jié)流器?；亓鞴荞罱佑谒龉?jié)流器的出口，并延伸至所述水面。壓力氣體在水面下方選定深度處被泵送入所述回流管內(nèi)。所述可控流體節(jié)流器可以被操作以保持所述立管內(nèi)選定的鉆井流體液位，所述選定的鉆井流體液位是在所述水面下方的選定距離。
【專利說明】在鉆井流體回流管中使用氣舉的井眼環(huán)空壓力控制系統(tǒng)及方法

【背景技術(shù)】
[0001]從地下地層開采及生產(chǎn)碳?xì)浠衔锇◤牡貙映槌鏊鎏細(xì)浠衔锏南到y(tǒng)和方法。鉆機(jī)可以被放置于陸地或水體上以支撐向下伸入井眼內(nèi)的鉆柱。所述鉆柱可以包括由鉆頭、傳感器以及能夠接收及發(fā)射傳感器數(shù)據(jù)的遙測系統(tǒng)構(gòu)成的底部鉆具組合。配置于底部鉆具組合中的傳感器可以包括壓力及溫度傳感器。地面遙測系統(tǒng)被包含以便從所述底部鉆具組合傳感器接收遙測數(shù)據(jù)，以及向所述底部鉆具組合發(fā)射指令及數(shù)據(jù)。
[0002]流體“鉆井泥漿”被從鉆井平臺(tái)泵送穿過鉆柱，到達(dá)被支撐于鉆柱底端或末端的鉆頭。所述鉆井泥漿潤滑該鉆頭，并將由所述鉆頭在向深挖掘時(shí)產(chǎn)生的井屑運(yùn)走。所述井屑由鉆井泥漿的回流運(yùn)送穿過井眼環(huán)空并返回至位于地面的鉆井平臺(tái)。當(dāng)鉆井泥漿到達(dá)所述平臺(tái)時(shí)，其受本行業(yè)中稱之為井屑或鉆屑的小塊頁巖及巖石的污染。一旦所述鉆屑、鉆井泥漿以及其他廢物到達(dá)所述平臺(tái)，使用分離設(shè)備來從鉆井泥漿中除去所述鉆屑，以便可以再利用所述鉆井泥漿。
[0003]流體背壓系統(tǒng)可以被連接至流體排放管以選擇性地控制流體排放，以便在井眼底部保持選定的壓力。當(dāng)泥漿泵被關(guān)閉期間，可以沿鉆井流體回流系統(tǒng)向下泵送流體來保持環(huán)空壓力。還可以使用壓力監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測檢測到的鉆孔壓力、模擬期望的鉆孔壓力以用于進(jìn)一步的鉆井，以及控制所述流體背壓系統(tǒng)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]圖1示出了包括示例性控壓鉆井系統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)。
[0005]圖2示出了根據(jù)本文公開的實(shí)施例的與運(yùn)載氣舉鉆井流體的鉆井流體回流管一同使用的圖1中的示例性控壓鉆井系統(tǒng)。
[0006]圖3-5示出了根據(jù)本文公開的實(shí)施例使用的控壓鉆井系統(tǒng)的示例。

【具體實(shí)施方式】
[0007]本文公開的實(shí)施例涉及一種系統(tǒng)，根據(jù)一方面，所述系統(tǒng)包括被伸入位于水體底部之下的井眼內(nèi)的鉆柱，用于選擇性地將鉆井流體泵送穿過所述鉆柱并進(jìn)入形成于所述鉆柱與井眼之間的環(huán)形空間內(nèi)的主泵，從井眼的頂部延伸至位于水體的表面上的平臺(tái)的立管，與所述立管流體連通的流體排放管，與所述排放管耦接的可控孔口節(jié)流器，從所述節(jié)流器延伸至所述平臺(tái)的流體回流管，以及在所述水體的表面以下選定深度處耦接至所述流體回流管的壓縮氣體源。
[0008]在一些實(shí)施例中，可以在鄰近所述節(jié)流器和丨或在井眼或立管內(nèi)選定深度處將壓力傳感器耦接至排放管。所述系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括控制器，其從壓力傳感器接收輸入信號(hào)并產(chǎn)生輸出信號(hào)來操作所述節(jié)流器。所述節(jié)流器被操作以在水面以下選定的距離處保持立管中的選定的靜液壓力。
[0009]根據(jù)本文公開的某些實(shí)施例，所描述的系統(tǒng)可用于在鉆海洋地下地層(即位于水體下方的地層)期間控制井眼環(huán)空壓力。本文公開的實(shí)施例還可以涉及一種用于在鉆海洋地下地層期間控制井眼環(huán)空壓力的方法。
[0010]一方面，根據(jù)本文公開的實(shí)施例的方法包括泵送鉆井流體穿過被伸入在水體底部下方延伸的井眼內(nèi)的鉆柱，流出鉆柱底部，并進(jìn)入井眼環(huán)空中，從所述井眼環(huán)空排放流體至配置于所述井眼頂部的上方的立管內(nèi)，所述立管延伸至所述水體的表面，從所述立管排放流體至配置于所述水體表面下方的排放管內(nèi)，所述排放管中包括一個(gè)可控流體節(jié)流器，流體回流管耦接于所述節(jié)流器的出口并延伸至所述水體的表面，在所述水體表面以下選定深度處泵送壓力氣體至所述回流管內(nèi)，并且操作所述可控流體節(jié)流器以在所述立管內(nèi)水體表面以下選定的距離處保持選定的靜液壓力。
[0011]另一方面，根據(jù)本文公開的實(shí)施例的方法包括泵送鉆井流體穿過被伸入在水體底部下方延伸的井眼內(nèi)的鉆柱，流出所述鉆柱底部，并進(jìn)入井眼環(huán)空內(nèi)，從所述井眼環(huán)空排放流體至配置于所述井眼的頂部的上方的立管內(nèi)以及排放管內(nèi)，所述排放管包括流體節(jié)流器及耦接于所述流體節(jié)流器的出口的流體回流管，并且回流管延伸至水面，在所述水面以下選定深度處泵送壓力氣體至所述回流管內(nèi)，并且控制氣體被泵送至所述回流管的速度，以保持所述立管內(nèi)的流體表面在水體表面下方的選定距離處。
[0012]圖1中不意性地不出了一種包括不例性控壓鉆井系統(tǒng)的鉆井系統(tǒng)?？貕恒@井系統(tǒng)的一個(gè)例子是動(dòng)態(tài)環(huán)空壓力控制系統(tǒng)，如授予％11虹6七的美國專利第6，904，981號(hào)所述的，其全文通過參考的方式被包含于本文中。鉆井單元(“鉆機(jī)114或類似的提升裝置將鉆柱10懸置于正被鉆入地下巖石地層13的井眼11內(nèi)。鉆頭12耦接于鉆柱10的底端，并且通過鉆柱10旋轉(zhuǎn)。鉆柱的旋轉(zhuǎn)可由耦接于鉆柱10內(nèi)的液壓馬達(dá)或者渦輪機(jī)(未示出)實(shí)現(xiàn)，或者由諸如懸置于鉆機(jī)14內(nèi)的頂驅(qū)16的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。施加到鉆頭12上的一些鉆柱10的重量，以及給予所述鉆頭12的旋轉(zhuǎn)使鉆頭12鉆穿地層13，從而延伸井眼11的長度。所述鉆井單元14被示為支撐于地面13八上；然而，包括圖1中所描述的一些或全部構(gòu)件的鉆井單元14可以被用于海上鉆井，并且可以被配置于水面上的平臺(tái)上。其將在以下參考圖2進(jìn)行解釋。
[0013]在圖1中示出的實(shí)施例中，位于地球表面的主泵(“泥漿泵”)26將鉆井流體(“泥漿”)34從槽或坑24中提升并將所述泥漿34在壓力下排放穿過豎管及軟管31到達(dá)頂驅(qū)16。所述頂驅(qū)16包括內(nèi)部旋轉(zhuǎn)密封件，以使所述泥漿34能夠穿過所述頂驅(qū)16到達(dá)所述鉆柱10的內(nèi)部的內(nèi)部管道(未被示出所述鉆柱10可以包括單向閥22或類似的裝置，以在所述泥漿泵26不啟動(dòng)和/或頂驅(qū)16從所述鉆柱10的頂端分離(例如在“連接”期間(從所述鉆柱10增加或移除管段))的期間防止泥漿34的反向運(yùn)動(dòng)。
[0014]隨著所述泥漿34經(jīng)過所述鉆柱10，其最終從所述鉆頭12中的噴嘴或流道(未單獨(dú)示出)排放。離開所述鉆頭12后，泥漿34進(jìn)入所述鉆柱10的外部與所述井眼11的壁之間的環(huán)形空間。當(dāng)其重回至地面13八時(shí)，泥漿34將從所述井眼11提升鉆屑。
[0015]可以通過背壓系統(tǒng)控制泥漿34從所述環(huán)形空間的排放。所述背壓系統(tǒng)可以包括耦接至地面管或套管19的上端的旋轉(zhuǎn)控制頭(或旋轉(zhuǎn)防噴器)18。所述旋轉(zhuǎn)控制頭18密封在所述鉆柱10上，從而除了通過排放管20外，防止井眼內(nèi)的流體排放。所述套管19通常被固定至所述井眼11的上部內(nèi)。泥漿34通過所述排放管20離開所述環(huán)形空間。所述排放管20可以在其一端被耦接至所述旋轉(zhuǎn)控制頭18，而其另一端被耦接至選擇性地控制泥漿34離開所述排放管20的壓力的排放管節(jié)流器，即可控孔口節(jié)流器30。在離開所述排放管節(jié)流器30后，泥漿34可以被排放到以附圖標(biāo)記32共同示出的清洗裝置中，例如脫氣器來從泥漿34中除去夾帶氣，和/或“泥漿振動(dòng)篩”來從泥漿34中除去固體顆粒。離開所述清洗裝置42后，泥漿34回到儲(chǔ)液槽24。所述節(jié)流器30的操作可以涉及由與所述排放管20液壓連通的壓力傳感器28進(jìn)行的測量。
[0016]所述背壓系統(tǒng)還可以包括可以從槽24中提升泥漿的背壓泵42。所述背壓泵42在泵送容量上可以比所述主泵26小。所述背壓泵42的排放側(cè)可以被液壓耦接至蓄積器36。前述連接中可以包括單向閥39，以便例如當(dāng)所述背壓泵42不開啟時(shí)，防止所述蓄積器36中的壓力泥漿回流通過所述背壓泵42。前述連接中還可以包括壓力傳感器40，以便當(dāng)所述蓄積器36被裝載到預(yù)定壓力時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉所述背壓泵42。所述蓄積器36同樣通過可控孔口節(jié)流器、例如蓄積器節(jié)流器38(其可以被替換為或包括閥)被液壓連接至所述排放管20。
[0017]在這種背壓系統(tǒng)操作期間，所述背壓泵42操作以裝載蓄積器36。由于需要流體體積來保持所述排放管20中的背壓，因此所述蓄積器節(jié)流器38可以被操作以使流體能從所述蓄積器36流至所述排放管20。同時(shí)，所述排放管節(jié)流器30可以被操作以大體上或全部停止泥漿34的流動(dòng)。
[0018]在其他示例中，所述背壓泵42可以被省略，并且可以使用來自所述泥漿泵26的一些排放來裝載所述蓄積器。在圖1中通過虛線43示出了一個(gè)例子，其示出了從泥漿泵26至蓄積器36的一些流體輸出的流體耦接。
[0019]蓄積器36可以是本領(lǐng)域中已知的任意類型，例如具有活動(dòng)密封件、隔膜或活塞的類型，以將所述蓄積器36分隔成兩個(gè)壓力腔。一些蓄積器可以將隔膜或活塞的與流體裝載側(cè)相反的一側(cè)例如通過壓縮氣體、和/或彈簧或其他偏壓裝置預(yù)加壓到選定壓力，以便向所述隔膜或活塞提供選定力。在其他的蓄積器中，可以使用單獨(dú)的流體泵(未被示出)通過壓力流體裝載所述蓄積器36的相反側(cè)。在這些蓄積器中，可以通過使用所述單獨(dú)的流體泵而不是使用選定壓力(例如，通過使用壓縮氣體和/或彈簧)來改變由所述蓄積器36施加的背壓，從而提供選定力。在當(dāng)需要排放鉆井流體至所述環(huán)空以增加壓力的情況下，可以增加所述蓄積器裝載壓力。所述蓄積器36中的裝載壓力可以被解除，例如當(dāng)所述主泵26重啟動(dòng)，或當(dāng)所述背壓泵42啟動(dòng)時(shí)。
[0020]在圖1的示例中，所述背壓控制系統(tǒng)可以由控壓鉆井(“即!)”)系統(tǒng)50自動(dòng)地操作。所述1？0系統(tǒng)50可以包括諸如？或觸摸屏52的操作人員控制器及可編程邏輯控制器所述？IX 54可以從各種壓力傳感器接收作為輸入的信號(hào)，包括但不限于圖1中的壓力傳感器28及40。所述？IX 54還可以操作可變、可控孔口節(jié)流器38、40以及背壓泵42。如在上文提及的％11虹6七的’981號(hào)專利中解釋的，所述即0系統(tǒng)50可以操作多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)件來保持所述排放管20中的選定流體壓力，并且從而保持井眼11的側(cè)壁與鉆柱10之間的環(huán)形空間內(nèi)的壓力，并且更具體地說，保持所述井眼11的底部的選定壓力。
[0021]包括參看圖1解釋的即0系統(tǒng)50的示例性鉆井系統(tǒng)旨在解釋即0系統(tǒng)的原理，并不旨在限制這些系統(tǒng)的范圍或在任何特定的海上鉆井示例中實(shí)際使用的構(gòu)件，這將要參看圖2解釋。
[0022]圖2示出了可以用于海上鉆井中的另一個(gè)示例性即0系統(tǒng)，其中，一組井眼流量控制閥(防噴器組或“80？”〉102可以鄰近水體底部或“泥漿線” 1配置于井眼11的頂部處。鉆井眼11及鉆井泥漿(圖1中的34)的循環(huán)可以由類似于那些根據(jù)上文的圖1及下文的圖3-5所示及所解釋的構(gòu)件進(jìn)行，但在此示例中，這些構(gòu)件可以被配置于設(shè)于水面2上的平臺(tái)(未被示出)上。為了能說明清楚，一些前述構(gòu)件被從圖2中省略。立管100可以從80？102延伸至位于水面2的平臺(tái)(為了說明清楚，未被示出套管109可以在泥漿線1以下在井眼11中延伸至選定深度。所述80？ 102可以耦接至所述套管的上端部。如圖所示，諸如可控孔口節(jié)流器的節(jié)流器30在水面2以下選定深度處耦接至鉆井立管100。井眼鉆探的其余操作可以大體上如根據(jù)圖1解釋的進(jìn)行。
[0023]根據(jù)圖1的解釋進(jìn)行配置的即0系統(tǒng)50可以被配置于平臺(tái)(未被示出)上。所述1？0系統(tǒng)可以從各種壓力傳感器和/或流量計(jì)、例如流體連接于立管100的壓力傳感器28和丨或流體連接至回流管138的流量計(jì)139、140接收輸入信號(hào)。來自所述1？0系統(tǒng)50的輸出信號(hào)可以控制可控、可調(diào)孔口節(jié)流器30的開啟。在本示例中，輸入到所述節(jié)流器30的流體可以從在所述80？ 102之上選定高度處液壓連接到立管100的管道(例如排放管)獲得。雖然所示是連接至立管100，但在一個(gè)或多個(gè)其他實(shí)施例中，所述排放管可以連接至井口或直接連接至諸如立管100下方的環(huán)形空間。從所述節(jié)流器30輸出的流體可以通過單向閥130耦接至流體回流管138。旁通閥129可以通過旁通管131液壓連接至立管100，并連接至所述節(jié)流器30下游的一點(diǎn)。在本示例中，井眼11可以對所述立管102是開放的，并且可以如圖1中所示在不使用旋轉(zhuǎn)控制頭或旋轉(zhuǎn)分流器的情況下進(jìn)行鉆井。
[0024]在本示例中，相對于流體回流管138經(jīng)過的垂直距離中的一柱鉆井流體(圖1中的泥漿34)施加的壓力，所述流體回流管138可以被保持在較低的靜液壓力(及其梯度)。如圖所示，所述流體回流管138從所述節(jié)流器30延伸至所述鉆井平臺(tái)(未被示出)，從而所述流體回流管138的至少一個(gè)垂直部分被配置在水面2以下。所述流體回流管138的較低的靜液壓力(及其梯度)是通過將氣體壓縮機(jī)142的輸出在水面2以下選定深度處耦接至所述回流管138來保持的。如圖所示，所述氣體壓縮機(jī)142的輸出可以在水面2以下選定深度處耦接至所述流體回流管138的垂直部分。所述氣體壓縮機(jī)132可以通過這種耦接向所述流體回流管138提供壓力氣體、空氣、氮?dú)饣蚱渌旧隙栊缘臍怏w(“氣體”)。
[0025]可以通過以基本上恒定的速率或與所述鉆井單元泥漿泵(圖1中的26)操作速率一致的速率操作所述氣體壓縮機(jī)132，來獲得粗調(diào)控制。所述流體回流管138可以耦接至配置于所述鉆井平臺(tái)(未被示出)上的氣/液分離器。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，根據(jù)本文公開的實(shí)施例可以使用任意氣/液分離器136，例如機(jī)械脫氣器或離心機(jī)。在將液體泥漿返回到槽24之前，耦接于所述氣/液分離器136的液體排放端的流量計(jì)139可以測量液體泥漿離開所述分離器136時(shí)的流率。可以通過耦接于所述氣/液分離器136的氣體排放端的流量計(jì)140來測量氣體流出所述分離器136的流率，以便幫助驗(yàn)證進(jìn)入所述回流管138的氣體量與離開所述氣/液分離器136的氣體量基本是相同的。這種對比可以有助于例如確定是否有來自地下地層的氣體進(jìn)入所述井眼11中，或者系統(tǒng)中是否存在泄漏。
[0026]在本示例中，流體回流管138內(nèi)流體柱的較低的靜液壓力可以使所述節(jié)流器30在比當(dāng)所述流體回流管僅填充有鉆井泥漿柱的情況下的壓力(例如具有僅有泥漿被泵入所述井眼11中時(shí)的靜液壓力)更低的下游壓力下操作。這樣，節(jié)流器30可以被操作為使立管100內(nèi)的泥漿面34八可以被保持在水面2以下的選定的距離，從而相比于所述立管100中的鉆井泥漿柱延伸至水面2時(shí)所施加的壓力，可以在井眼11中施加較低的靜液壓力。在本示例中，來自所述壓力傳感器28及流量計(jì)140、139的壓力信號(hào)可以被1？0系統(tǒng)50使用(或行程計(jì)可以與鉆機(jī)泵一同被使用(圖1中的26))，來操作所述節(jié)流器30使立管100內(nèi)的選定靜液壓力保持于對應(yīng)于立管100內(nèi)表面34八的測量點(diǎn)以上。例如，？IX 54(圖1)可以從壓力傳感器28、流量計(jì)140、139和/或其他傳感器接收信號(hào)，并產(chǎn)生輸出信號(hào)來操作所述可變、可控孔口節(jié)流器38、30、以及所述背壓泵42，以使所述井眼內(nèi)的流體壓力保持在選定值下。即0系統(tǒng)的此操作可以大體上如授予1？16^的美國專利第6，904，981號(hào)中提出的一樣，將在下面詳細(xì)討論。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，其他傳感器可以被配置于所述系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)位置，例如，壓力傳感器可以被配置于所述回流管138的垂直部分、注氣管(示于134)上，或所述系統(tǒng)內(nèi)的其他所需位置。
[0027]雖然上面參考圖2解釋的示例可以使用即0系統(tǒng)50來控制所述節(jié)流器30，以保持諸如立管內(nèi)選定的靜液壓力，然而在一些示例中，所述節(jié)流器30可以在沒有即0系統(tǒng)50的情況下被操作。所述節(jié)流器30可以被手動(dòng)或自動(dòng)地操作來保持如被傳感器28感測或測量的選定的靜液壓力。相應(yīng)地，本發(fā)明的范圍并不限于使用1？0系統(tǒng)50。在一些示例中，所述節(jié)流器30可以是固定孔口節(jié)流器，并且可以通過控制氣體被泵進(jìn)所述流體回流管138內(nèi)的速率來保持立管100內(nèi)的靜液壓力。
[0028]圖3-5示出了可以與本文公開的系統(tǒng)和/或方法一起使用的1？0系統(tǒng)的另一個(gè)示例。盡管圖3-5示出了使用即0系統(tǒng)的陸上鉆井系統(tǒng)，應(yīng)該理解，離岸鉆井系統(tǒng)可以同樣地使用即0系統(tǒng)。圖3-5旨在進(jìn)一步解釋并提供即0系統(tǒng)的示例，而不旨在限制上文根據(jù)圖2解釋的這些系統(tǒng)的范圍或在海上鉆井的任何特定示例中實(shí)際使用的構(gòu)件。圖3是描繪出使用示例性1？0系統(tǒng)的地面鉆井系統(tǒng)的平面圖。所述鉆井系統(tǒng)300被示為由用于支持鉆井操作的鉆機(jī)302組成。為了方便描述，鉆機(jī)302上使用的很多構(gòu)件未被示出，例如方鉆桿、動(dòng)力大鉗、卡瓦、鉸車及其他設(shè)備。所述鉆機(jī)302用于支持在地層304內(nèi)的鉆井及開采操作。如圖4中所描繪的，鉆孔306已經(jīng)被部分鉆出，套管308被設(shè)置及固定309到位。在優(yōu)選實(shí)施例中，套管關(guān)閉機(jī)構(gòu)或井下部署閥310被安裝于所述套管308中，以便可選擇地關(guān)閉所述環(huán)空并當(dāng)鉆頭位于所述閥之上時(shí)有效地用作關(guān)閉無套管鉆孔區(qū)段的閥。
[0029]鉆柱312支撐包括鉆頭320、泥漿馬達(dá)318、包括壓力探頭316來探測環(huán)空壓力的麗0/110傳感器組件319、防止流體從所述環(huán)空回流的單向閥的底部鉆具組合(8^)313^8撤還包括用于發(fā)射要在地面接收的壓力、麗0/110及鉆井信息的遙測套件322。盡管圖3示出了利用泥漿遙測系統(tǒng)的8撤，應(yīng)該理解，可以使用其他遙測系統(tǒng)，例如射頻、電磁(￡1)或鉆柱傳輸系統(tǒng)。
[0030]如上面注意到的，鉆井工藝需要使用存儲(chǔ)于儲(chǔ)液槽336中的鉆井流體350。所述儲(chǔ)液槽336與一個(gè)或多個(gè)泥漿泵338流體連通，所述泵泵送所述鉆井流體350穿過管道240。所述管道340連接至穿過旋轉(zhuǎn)或球形80？ 342的鉆柱312的最后一節(jié)。當(dāng)激活時(shí)，旋轉(zhuǎn)80？ 342強(qiáng)迫球形彈性元件向上旋轉(zhuǎn)，圍住鉆柱312，隔離壓力，但仍然允許鉆柱旋轉(zhuǎn)。市場上可買到的球形80？，例如由^1X0 1111:6111211:10的1制造的，能夠隔離達(dá)10, 0001)81 (68947.6^)的環(huán)空壓力。所述流體350被沿所述鉆柱312及8撤313向下泵送，離開所述鉆頭320，在此其將巖屑循環(huán)離開所述鉆頭320，并向上回到裸眼井環(huán)空315，然后到達(dá)形成于套管308與鉆柱312間的環(huán)空。所述流體350回到地面并穿過分流器317，穿過管324以及多個(gè)緩沖槽和遙測系統(tǒng)(未被示出)。
[0031]此后，所述流體350繼續(xù)前進(jìn)到通常被稱為背壓系統(tǒng)311的系統(tǒng)。所述流體350進(jìn)入所述背壓系統(tǒng)331并流過流量計(jì)326。所述流量計(jì)326可以是質(zhì)量平衡型或其他高分辨率的流量計(jì)。使用所述流量計(jì)326，操作者能確定有多少流體350已通過鉆柱312被泵送入所述井中，以及從井中返回的流體350的量?；诒槐盟偷牧黧w350與返回的流體350的量之差，操作者能夠確定是否有流體350漏入地層304中，這可以指示已經(jīng)產(chǎn)生了地層壓裂，也即顯著的負(fù)流體差。同樣地，顯著的正差會(huì)表明地層流體進(jìn)入所述井眼中。
[0032]流體350繼續(xù)前進(jìn)到達(dá)耐磨節(jié)流器330。應(yīng)該理解，存在被設(shè)計(jì)為在鉆井流體350含有大量鉆屑及其他固體的環(huán)境中操作的節(jié)流器。節(jié)流器330是這樣一種類型的，并且進(jìn)一步能夠在可變壓力下及通過多個(gè)工作循環(huán)操作。所述流體350離開節(jié)流器330并流經(jīng)閥321。所述流體350然后被可選的脫氣器及被一系列過濾器和振動(dòng)臺(tái)329處理，其被設(shè)計(jì)為從所述流體350除去污染物，包括巖屑。所述流體350然后回到儲(chǔ)液槽336。在閥325之前提供流動(dòng)回路319八，以便直接向背壓泵328供給流體350?？商鎿Q地，可以通過與儲(chǔ)液槽336(泥漿補(bǔ)給罐)流體連通的管道3198從所述儲(chǔ)液槽向所述背壓泵328提供所述流體。所述泥漿補(bǔ)給罐一般被用于鉆機(jī)上，用于在起鉆操作過期間監(jiān)視流體增加及損失。三通閥325可以被用于選擇回路319八、管道3198或隔離所述背壓系統(tǒng)。雖然背壓泵328能夠通過選擇流動(dòng)回流319八使用回流流體產(chǎn)生背壓，然而應(yīng)該理解，所述回流流體可能具有未被過濾器/振動(dòng)臺(tái)329除去的污染物。像這樣的，會(huì)增加背壓泵328的磨損。像這樣的，可以使用管道319八產(chǎn)生背壓，以便為背壓泵328提供修復(fù)后的流體。
[0033]在操作中，閥325可以要么選擇管道319八，要么選擇管道3198，且即使沒有流量來自所述環(huán)空315，所述背壓泵328致力于保證足夠的流量通過所述節(jié)流器系統(tǒng)，以能夠保持背壓。所述背壓泵328可以能夠提供多達(dá)約2200？81 (15168.5--)的背壓；然而可以選擇更高壓力容量的泵。
[0034]由所述流體提供的環(huán)空內(nèi)的壓力是其密度與實(shí)際垂直深度的函數(shù)，并且一般是近似線性函數(shù)。如上面所看到的，添加到所述儲(chǔ)液槽336內(nèi)的流體的添加劑被泵入井下，以最終改變由所述流體350施加的壓力梯度。
[0035]流量計(jì)352可配置于管道300中，以測量正被泵入井下的流體量。應(yīng)該理解，通過監(jiān)測流量計(jì)326、352及由所述背壓泵328泵送的體積，所述系統(tǒng)很容易能夠確定漏入地層中的流體350的量，或者相反地，泄露到所述鉆孔306內(nèi)的地層流體的量。
[0036]根據(jù)圖3-5描述的即0系統(tǒng)還可以被用于監(jiān)測井壓條件以及預(yù)測鉆孔306和環(huán)空315的壓力特性。
[0037]圖5描繪了另一個(gè)示例性1？0系統(tǒng)，其中，當(dāng)穿過所述井的流動(dòng)因任意原因需要被關(guān)閉時(shí)，不需要背壓泵來保持流過所述節(jié)流器系統(tǒng)的充足流量。在此示例中，附加的三通閥6被置于所述鉆機(jī)泵338下游的管道340中。此閥允許來自所述鉆機(jī)泵的流體被從管道340完全分流到管道7，而不允許來自鉆機(jī)泵338的流動(dòng)進(jìn)入鉆柱312。通過保持泵338的泵運(yùn)轉(zhuǎn)，可以保證充足流量穿過管匯來控制背壓。
[0038]為了控制井事件，如果發(fā)生大的地層流體流入(如氣侵)，則可以關(guān)閉80？，以便有效地關(guān)閉油井、解除通過所述節(jié)流器和壓井管匯的壓力、增加鉆井流體來提供額外環(huán)空壓力。一個(gè)替換性的方法是有時(shí)被稱為司鉆法(041161'’8 1116^110(1)的方法，其使用連續(xù)循環(huán)而不關(guān)閉油井。在任何固定套管下方的鉆井操作期間，可以連續(xù)獲得加重流體(例如18磅每加侖(卯8) (3.157^/1))的供應(yīng)。當(dāng)檢測到氣侵或地層流體流入時(shí)，所述加重流體被加入并被循環(huán)入井下，使所述流入流體溶解于所述循環(huán)流體中。當(dāng)?shù)竭_(dá)套管鞋時(shí)，所述流入流體開始從所述溶液析出，并通過節(jié)流器管匯釋放。應(yīng)該理解，盡管司鉆法提供了流體的連續(xù)循環(huán)，然而在不向前鉆進(jìn)時(shí)可能仍然需要額外循環(huán)時(shí)間，以便防止額外的地層流體流入，并允許所述地層流體與現(xiàn)在更大密度的鉆井流體一起進(jìn)入循環(huán)。
[0039]壓力控制的即0系統(tǒng)及方法還可以被用于控制主要井事件，例如流體流入。檢測到地層流體流入時(shí)使用1？0系統(tǒng)及方法，所述背壓被增加，這與添加加重流體不同。如同司鉆法，繼續(xù)所述循環(huán)。隨著壓力的增加，地層流體流入溶解于所述循環(huán)流體中，并通過節(jié)流器管匯釋放。因?yàn)橐呀?jīng)增加了壓力，因而不再需要立即循環(huán)加重流體。而且，由于背壓被直接施加到環(huán)空，因此其迅速迫使所述地層流體溶解，而不是等到所述加重流體被循環(huán)到所述環(huán)空中再溶解。
[0040]即0系統(tǒng)及方法還可以被用于非連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)中。如上面已經(jīng)看到的，連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)被用于幫助穩(wěn)固地層，避免當(dāng)泥漿泵被關(guān)閉時(shí)發(fā)生的壓力突降而建立/破壞新的管道連接。當(dāng)所述泵被重新啟動(dòng)以進(jìn)行鉆井操作時(shí)，此壓力下降后跟有壓力尖峰。在環(huán)空壓力中的這些變化能夠?qū)︺@孔泥餅產(chǎn)生不利影響，并能夠?qū)е铝黧w侵入所述地層中。在關(guān)閉所述泥漿泵時(shí)，使用系統(tǒng)可以向所述環(huán)空施加背壓，從而改善因泵關(guān)閉狀態(tài)的環(huán)空壓力突降為更加溫和的壓力下降。在開啟泵之前，可以減小所述背壓，以便使所述泵的額外尖峰同樣被減小。
[0041]圖2中示出的氣舉系統(tǒng)可以需要相對較少數(shù)量的設(shè)備配置于水面2以下(例如，到所述回流管138及壓力傳感器28的連接)。這些設(shè)備被證明可在多達(dá)幾千英尺的水深中長期操作。由于多數(shù)設(shè)備可以在水面以上操作，例如壓縮機(jī)，因此這些設(shè)備的失效可以以顯著減少的成本來更換，因?yàn)榇嗽O(shè)備是易于接近的。在不需要太多精力的情況下，還可以向所述系統(tǒng)增加額外的壓縮機(jī)。
[0042]根據(jù)本文公開的實(shí)施例的系統(tǒng)，例如圖2中示出的系統(tǒng)，不需要任何密封件來將所述海上立管流體從所述井眼內(nèi)的流體隔離開。具體地說，因?yàn)楸蛔⑷氲剿龌亓鞴軆?nèi)的氣體可以很容易地被從所述立管流體和/或井眼流體中除去(例如，通過排放到大氣中)，從而不需要將所述立管流體及井眼流體分離。進(jìn)一步地，圖2中示出的系統(tǒng)可以與由普通海上鉆井設(shè)備提供的標(biāo)準(zhǔn)切割加工系統(tǒng)一起使用。
[0043]本文公開的系統(tǒng)及方法可以允許精確地及立即控制井眼壓力。在一個(gè)或多個(gè)鉆機(jī)泵被關(guān)閉期間，可減少回流管內(nèi)的流體的壓力及體積，因?yàn)橥ㄟ^向所述回流管(圖2中的138)內(nèi)持續(xù)泵送空氣或氣體，所述回流管可以被排空。因此，當(dāng)所述一個(gè)或多個(gè)鉆機(jī)泵被重新啟動(dòng)時(shí)，可以打開節(jié)流器(圖2中的30)且所述立管流體迅速被排空至所述流體回流管內(nèi)，這可以在幾分鐘內(nèi)發(fā)生。本文所述的氣舉系統(tǒng)可以具有很小的場地需求，從而允許以合理量的甲板空間安裝于任何鉆機(jī)上，或可能從另一艘船部署。最后，在此公開的系統(tǒng)和方法趨向于降低返回的鉆井流體中的地層氣體比例。通過將惰性氣體或空氣泵送入所述流體回流管內(nèi)，地層氣體比例可以被保持于甲烷的爆炸下限(121)(為大約5%)以下。因此，本文公開的系統(tǒng)和方法可以提供更高級(jí)別的安全性。
[0044]本文所述的實(shí)施例應(yīng)該被解釋為示意性的且無論如何并不限制本發(fā)明的其余部分。盡管已經(jīng)顯示及描述了實(shí)施例，在不脫離本文公開的范圍及教導(dǎo)的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對其進(jìn)行多個(gè)變化及改型。相應(yīng)地，保護(hù)范圍并不由上文的描述限制，而僅由包括所述權(quán)利要求主題的等價(jià)物的權(quán)利要求所限制。本文所引用的所有專利、專利申請書及出版物的公開內(nèi)容特此通過參弓I方式被包含于本文，達(dá)到其提供與本文提出的內(nèi)容一致及為其提供補(bǔ)充的程序上的或其他的細(xì)節(jié)的程度。
【權(quán)利要求】
1.一種系統(tǒng)，包括: 伸入位于水休的底部下方的井眼內(nèi)的鉆柱； 主泵，其用于選擇性地泵送鉆井流體穿過所述鉆柱并進(jìn)入形成于所述鉆柱與所述井眼之間的環(huán)形空間； 立管，其從所述井眼的頂部延伸至位于所述水體的表面上的平臺(tái)； 與所述立管流體連通的流體排放管； 與所述排放管耦接的可控孔口節(jié)流器； 從所述節(jié)流器延伸至所述平臺(tái)的流體回流管；以及 在所述水體的表面下方選定深度處耦接至所述流體回流管的壓縮氣體源。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括鄰近所述節(jié)流器耦接至排放管的壓力傳感器和配置在所述井眼或所述立管內(nèi)的選定深度處的壓力傳感器中的至少一個(gè)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括從所述壓力傳感器接收輸入信號(hào)并產(chǎn)生輸出信號(hào)來操作所述節(jié)流器的控制器，其中，所述節(jié)流器被操作以在所述立管內(nèi)的所述水體的表面下方選定距離處保持選定的靜液壓力。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括用于測量流入所述井眼或流出所述井眼的流體流量的至少一個(gè)流量計(jì)，其中，所述控制器從所述至少一個(gè)流量計(jì)接收輸入信號(hào)，所述控制器產(chǎn)生輸出信號(hào)來操作所述節(jié)流器以將所述井眼內(nèi)的流體壓力保持在選定值下。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述可控孔口節(jié)流器配置于所述水體的表面下方選定深度處。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括耦接至所述流體回流管的壓力傳感器。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，從所述節(jié)流器延伸至平臺(tái)的所述流體回流管包括配置于所述水體的表面以下的垂直部分。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括在所述可控孔口節(jié)流器與所述流體回流管中的入口之間耦接至所述流體回流管的單向閥，所述入口耦接至所述壓縮氣體源。
9.一種方法，包括: 泵送鉆井流體穿過伸入在水體的底部下方延伸的井眼內(nèi)的鉆柱,流出鉆柱的底部,并進(jìn)入井眼環(huán)空； 將流體從井眼環(huán)空排放到配置于所述井眼的頂部上方的立管內(nèi)，所述立管延伸至所述水體的表面； 將流體從所述立管排放到配置于所述水體的表面下方的排放管內(nèi)，所述排放管中包括可控流體節(jié)流器，流體回流管耦接至所述可控流體節(jié)流器的出口，并且流體回流管延伸至所述水體的表面； 在水體的表面下方選定深度處將壓力氣體泵送至所述回流管內(nèi)；并且操作所述可控流體節(jié)流器，以在所述立管內(nèi)的所述水體的表面下方選定距離處保持選定的靜液壓力。
10.如權(quán)利求9所述的方法，進(jìn)一步包括測量所述立管內(nèi)的選定深度處的流體壓力，并基于所述測量來操作所述可控流體節(jié)流器，以在所述立管內(nèi)的所述水體的表面下方選定距離處保持選定的靜液壓力。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括在鄰近水體的表面處，從由所述回流管返回的流體中分離所述氣體。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，進(jìn)一步包括測量從由所述回流管返回的流體中分離的氣體的流率。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，進(jìn)一步包括比較從由所述回流管返回的流體中分離的氣體的流率與被泵入所述回流管內(nèi)的氣體的流率。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，進(jìn)一步包括通過調(diào)節(jié)被泵入所述回流管內(nèi)的氣體的流率，來調(diào)節(jié)所述立管內(nèi)的靜液壓力。
15.—種方法,包括: 泵送鉆井流體穿過伸入在水體的底部下方延伸的井眼內(nèi)的鉆柱,流出鉆柱的底部,并進(jìn)入井眼環(huán)空； 將流體從井眼環(huán)空排放到配置于所述井眼的頂部上方的立管內(nèi)并排放到排放管內(nèi)，所述排放管包括流體節(jié)流器，流體回流管耦接至所述流體節(jié)流器的出口，并且所述流體回流管延伸至水面； 在水面下方選定深度處將壓力氣體泵送至所述回流管內(nèi)；并且 控制氣體被泵送至所述回流管內(nèi)的速率，以將立管內(nèi)的流體液位保持在所述水體的表面下方選定距離處。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括響應(yīng)于在鄰近所述流體節(jié)流器的位置測量的所述排放管內(nèi)的流率，來操作所述流體節(jié)流器。
17.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括限制從所述回流管至所述流體節(jié)流器的流體流動(dòng)。
18.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括操作背壓泵來向所述排放管施加背壓。
19.如權(quán)利要求15所述的方法，進(jìn)一步包括從所述回流管排放氣體到大氣中。
20.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，控制所述氣體被泵送至所述回流管內(nèi)的速率包括比較所述氣體被泵送至所述回流管內(nèi)的速率與鉆井流體被泵送穿過所述鉆柱的速率。
【文檔編號(hào)】E21B21/07GK104428485SQ201380032851
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月27日
【發(fā)明者】D·G·賴特施瑪, O·R·細(xì)沙赫, Y·庫蒂里耶 申請人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司