控壓氣體鉆井裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及氣體鉆井技術領域中的一種控壓氣體鉆井裝置及方法。
【背景技術】
[0002] 由于氣體鉆井技術提高鉆井速度明顯，儲層保護效果好，而且綜合鉆井成本低，因 此在石油鉆井工程中W得到了廣泛應用。當遇到地層出水時，地層水進入井筒后，在產(chǎn)出水 的氣舉過程中，易造成泥頁巖等水敏性地層的水化膨脹而失穩(wěn)。井壁失穩(wěn)后，如果跨塌的巖 屑（塊）不能及時地被氣體舉升到井口，將可能造成卡鉆事故甚至填井，從而給石油天然氣 鉆井帶來巨額的經(jīng)濟損失，氣體鉆井技術就難W發(fā)揮其技術優(yōu)勢，氣體鉆井技術應用受到 極大的制約。
【發(fā)明內容】
[0003] 本發(fā)明的目的是針對氣體鉆井過程中地層出水的問題，提供了一種通過控制井口 壓力和環(huán)空壓力，徹底解決氣體鉆井地層出水問題的控壓氣體鉆井裝置及方法。
[0004] 本發(fā)明的技術方案：
[0005] -種控壓氣體鉆井裝置，包括空氣增壓系統(tǒng)、井口系統(tǒng)、空壓鉆機和鉆機節(jié)流管 匯，其中空氣增壓系統(tǒng)包括增壓機和/或空壓機、氣體流量及壓力記錄儀、泄壓管和/或旁 通管、排空管、控制閥，其裝置中還包括回壓系統(tǒng)和精細節(jié)流管匯，井口系統(tǒng)上設有旋轉控 制頭，回壓系統(tǒng)和精細節(jié)流管匯與旋轉控制頭連接。
[0006] 上述方案進一步包括；所述回壓系統(tǒng)包括增壓機和/或空壓機、氣體流量及壓力 記錄儀、泄壓管和/或旁通管、排空管、控制閥；所述的精細節(jié)流管匯包括由節(jié)流閥、控制 閥、氣體流量計連接構成的節(jié)流匯管，W及井底隨鉆測壓儀、井口壓力接收器、計算機控制 系統(tǒng)；其中，精細節(jié)流管匯通過其節(jié)流匯管與旋轉控制頭連接，井底隨鉆測壓儀設在井下鉆 機底部，井口壓力接收器連接在鉆機節(jié)流管匯和井口系統(tǒng)中的環(huán)空出口之間，計算機控制 系統(tǒng)連接在精細節(jié)流管匯的節(jié)流閥和井口壓力接收器之間。
[0007] 裝置中還包括回收池；回壓系統(tǒng)、空氣增壓系統(tǒng)W及精細節(jié)流管匯均連接至回收 池中。
[0008] 依據(jù)上述控壓氣體鉆井裝置的控壓氣體鉆井方法，包括W下步驟：
[0009] 第一步，通過測井資料計算地層孔隙壓力；
[0010] 第二步，正常鉆進情況下，通過精細節(jié)流管匯維持地層環(huán)空壓力等于地層孔隙壓 力；
[0011] 第H步，當接單根或起下鉆時，用回壓系統(tǒng)來調節(jié)和補償井筒循環(huán)壓力的損失。
[0012] 上述控壓氣體鉆井方法的地層孔隙壓力通過Terza曲i模型計算：
[001引 Pn = Pp+。 (1)
[0014] 式中；P。為上覆巖層壓力；Pp為地層孔隙壓力；0為垂直有效應力；
[0015] 由于相同聲波時差的不同深度處的地層應力相同，即地層壓實程度相同；地層壓 實程度相同，巖石的骨架應力相同，即同樣的孔隙度對應相同的有效應力；
[001引設1和2兩點的聲波時差相同，具有相同的有效應力，則；
[0017] 0 1 = 0 2 (2)
[001引 由公式（1)得：
[001 引 p0i = Ppi+0i (3)
[0020] P〇2 = Pp2+ 0 2 (4)
[0021] 聯(lián)立求解得：
[002引 Pp2 = P02- (P0rPpi) (5)
[0023] 可得：
[0024] G巧=G02 - (G" - C6)
[00幼式（6)可改寫為：
[002引 Gp =G。-（G0e - Gpn)i (7) n
[0027] 式中；H。為等效深度；Gp、G。、G。。、Gpn分別為計算點處的地層孔隙壓力梯度、上覆巖 層壓力梯度、等效深度處的上覆巖層壓力梯度和正常地層孔隙壓力梯度；
[0028] 根據(jù)聲波時差隨深度變化的正常趨勢線方程：
[0029] Ati = At。? e_證。 (8)
[0030] 因為：At2= Ati [00引]則可得：
[0032] At。= At。? e-"。 C9)
[0033] 兩邊取對數(shù)可得等效深度的表達式：
[0034] He=-ln 舍 (10)
[00巧]則地層孔隙壓力梯度計算式為：
[003引 Gp =G。-(G。，-Gpn)-^ln 令 （11) cH At
[0037] 式中；A t。為深度為0時的聲波時差；c為常數(shù)，需要根據(jù)與實測地層壓力的對比 確定。
[0038] 上述方法進一步包括，在第二步中，井口壓力接收器接收到井底隨鉆測壓儀從井 內傳輸?shù)木畠戎?，通過計算機控制系統(tǒng)根據(jù)計算結果自動調節(jié)精細節(jié)流管匯，實現(xiàn)井內環(huán) 空壓力始終等于地層孔隙壓力；
[0039] 在第H步中，回壓系統(tǒng)提前運轉待命，回壓系統(tǒng)正常運轉后，通知司鉆停常規(guī)氣體 鉆井設備的空壓機和增壓機，通過計算機控制系統(tǒng)及時調節(jié)精細節(jié)流管匯，保持設定點壓 力恒定，起下鉆或接單根完畢后，開啟常規(guī)氣體鉆井設備的空壓機和增壓機，通過計算機控 制系統(tǒng)及時調節(jié)精細節(jié)流管匯，保持設定點壓力恒定，同時關閉回壓系統(tǒng)，起下鉆或接單根 程序完畢。
[0040] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的問題，為了控制地層出水，對現(xiàn)有裝置進行改造的基 礎上，同時提出了新方法，主要體現(xiàn)于；（1)通過節(jié)流管匯精細控制環(huán)空壓力，進而控制地 層出水量；（2)回壓系統(tǒng)可W彌補接單根和起下鉆過程中損失的氣體供應。
[0041] 本發(fā)明的裝置具有結構簡單、改造成本低，其方法配合計算機自動控制后操作更 加簡單，控制精度更加高，實施效果更好，具有很好經(jīng)濟推廣價值。
【附圖說明】
[0042] 圖1、一種控壓氣體鉆井裝置實施例的現(xiàn)場布置示意圖
[0043] 圖2、控壓氣體鉆井方法的流程示意圖
【附圖說明】 [0044] ：
[0045] 1常規(guī)氣體鉆井井場設備 2回壓系統(tǒng)
[0046] 3井底隨鉆測壓儀 4井口壓力接收器
[0047] 5精細節(jié)流管匯 6計算機控制系統(tǒng)
[0048] 7氣體流量計 8回收池
[0049] 9空壓裝置 10增壓裝置
[0050] 11氣體流量及壓力記錄儀 12泄壓管
[005。 13旁通管 14放空管
【具體實施方式】
[0052] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。
[0053] 實施例1
[0054] 下面結合附圖1對本發(fā)明裝置做進一步描述。
[00巧]一種控壓氣體鉆井裝置，是在現(xiàn)有氣體鉆井裝置基礎上進行改造?，F(xiàn)有裝置主要 包括空氣增壓系統(tǒng)、井口系統(tǒng)、空壓鉆機和鉆機節(jié)流管匯，其中空氣增壓系統(tǒng)包括增壓機和 /或空壓機、氣體流量及壓力記錄儀、泄壓管和/或旁通管、排空管、控制閥。改造后的裝置 中還包括回壓系統(tǒng)和精細節(jié)流管匯，井口系統(tǒng)上設有旋轉控制頭，回壓系統(tǒng)和精細節(jié)流管 匯與旋轉控制頭連接。
[0056] 其中；所述回壓系統(tǒng)包括增壓機和/或空壓機、氣體流量及壓力記錄儀、泄壓管和 /或旁通管、排空管、控制閥；所述的精細節(jié)流管匯包括由節(jié)流閥、控制閥、氣體流量計連接 構成的節(jié)流匯管，W及井底隨鉆測壓儀、井口壓力接收器、計算機控制系統(tǒng)；其中，精細節(jié)流 管匯通過其節(jié)流匯管與旋轉控制頭連接，井底隨鉆測壓儀設在井下鉆機底部，井口壓力接 收器連接在鉆機節(jié)流管匯和井口系統(tǒng)中的環(huán)空出口之間，計算機控制系統(tǒng)連接在精細節(jié)流 管匯的節(jié)流閥和井口壓力接收器之間。
[0057] 裝置中還包括回收池；回壓系統(tǒng)、空氣增壓系統(tǒng)W及精細節(jié)流管匯均連接至回收 池中。
[0058] 在正常鉆進過程中，通過井口壓力接收器接收到井底隨鉆測壓儀從井內傳輸?shù)木?內值，通過計算機控制系統(tǒng)根據(jù)計算結果自動調節(jié)精細節(jié)流管匯，實現(xiàn)井內環(huán)空壓力始終 等于地層孔隙壓力；在起下鉆或接單根過程中，回壓系統(tǒng)提前運轉待命，回壓系統(tǒng)正常運轉