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CN112031684B - 控压钻井回压补偿系统 - Google Patents

控压钻井回压补偿系统 Download PDF

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CN112031684B CN201910476375.8A CN201910476375A CN112031684B CN 112031684 B CN112031684 B CN 112031684B CN 201910476375 A CN201910476375 A CN 201910476375A CN 112031684 B CN112031684 B CN 112031684B
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Abstract

本发明提供了一种控压钻井回压补偿系统，所述系统包括：回压泵及空气包组，所述空气包组连接于所述回压泵出口直流管线的分支处；所述空气包组包括三个空气包，所述空气包并联连接于出口直流管线的分支处；所述空气包包括手动截止阀、压力检测与充气口、压力胶囊及钢瓶；所述压力胶囊设置于所述钢瓶内，所述压力检测与充气口设置于所述钢瓶一端，所述手动截止阀设置于所述钢瓶另一端与出口直流管线的分支处之间；其中，所述空气包的压力胶囊中填充了不同压力的氮气。本发明在应对空气包适应回压泵压力范围窄的问题上进行了改进，具有很好的效果，结构简单，操作方便，可以任意选择搭配，快速调整缓冲能力，满足现场作业要求。

Description

控压钻井回压补偿系统
技术领域
本发明涉及石油钻井工程技术领域，尤指一种控压钻井回压补偿系统。
背景技术
随着石油勘探向深部复杂地层发展，窄密度窗口、喷漏同层、喷漏同存等井下复杂已成为影响和制约石油钻井施工的技术瓶颈。窄密度窗口地层孔隙压力和破裂压力、漏失压力之间的安全窗口较小，常规钻井方式环空压力波动范围较大，很容易超过此安全钻井窗口，特别是在起下钻过程，很容易造成井漏、井涌、井壁失稳、卡钻等复杂事故，使生产时效降低，钻井周期增长，成本增加。因此，对石油、天然气钻井井筒压力的精确控制提出了更高要求。
控压钻井能够很好的控制井筒压力，减少事故的发生，特别是在起下钻、接单根等井队泥浆泵停止工作的时候可以通过启动回压泵配合自动节流管汇控制井底压力不变，保持井底压力始终处在安全窗口之内。然而，在工作过程中，工作人员发现，回压泵工作压力超过4MPa时，控压值和流量波动比较大，且管线震动严重，经过对空气包压力进行调整后效果显著。但是，当节流压力再次变化后，同样的问题再次出现。工作人员判断控压钻井回压补偿泵出口只有一个空气包，预充压力为1MPa，适合节流压力在3至4MPa，压力稍高空气包便很难适应，缓冲效果降低。
发明内容
为了解决目前控压钻井作业中存在的适应性低、缓冲效果差等问题，本发明实施例提供一种控压钻井回压补偿系统，所述系统包括：回压泵及空气包组，所述空气包组连接于所述回压泵出口直流管线的分支处；
所述空气包组包括三个空气包，所述空气包并联连接于出口直流管线的分支处；
所述空气包包括手动截止阀、压力检测与充气口、压力胶囊及钢瓶；所述压力胶囊设置于所述钢瓶内，所述压力检测与充气口设置于所述钢瓶一端，所述手动截止阀设置于所述钢瓶另一端与出口直流管线的分支处之间；其中，所述空气包的压力胶囊中填充了不同压力的氮气。
可选的，在本发明一实施例中，所述系统还包括气动平板阀，设置于所述回压泵与所述空气包组之间。
可选的，在本发明一实施例中，所述系统还包括泄压阀，设置于所述回压泵与所述空气包组之间，与所述气动平板阀并联连接。
可选的，在本发明一实施例中，所述系统还包括电动机，与所述回压泵连接，用于向所述回压泵提供动力。
可选的，在本发明一实施例中，所述系统还包括灌注泵，设置于所述回压泵的入口处。
可选的，在本发明一实施例中，所述系统还包括低压压力表，设置于所述灌注泵与所述回压泵之间。
可选的，在本发明一实施例中，所述系统还包括流量计，设置于所述低压压力表与所述回压泵之间。
可选的，在本发明一实施例中，所述系统还包括高压压力表，设置于所述回压泵与所述空气包组之间。
可选的，在本发明一实施例中，所述系统还包括单向阀及手动平板阀。
可选的，在本发明一实施例中，所述空气包的压力胶囊中分别填充的氮气压力为1MPa、2MPa及3MPa。
本发明在应对空气包适应回压泵压力范围窄的问题上进行了改进，具有很好的效果，结构简单，操作方便，可以任意选择搭配，快速调整缓冲能力，满足现场作业要求，减少了现场人员的工作量，氮气使用的成本，以及能源的浪费。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种控压钻井回压补偿系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种控压钻井回压补偿系统。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示为本发明实施例一种控压钻井回压补偿系统的结构示意图，图中所示系统包括：回压泵及空气包组100，所述空气包组100连接于所述回压泵出口直流管线的分支处；
所述空气包组包括三个空气包A、B及C，所述空气包并联连接于出口直流管线的分支处；
所述空气包包括手动截止阀1、2及3、压力检测与充气口4、5及6、压力胶囊7、8及9，以及钢瓶10、11及12；所述压力胶囊设置于所述钢瓶内，所述压力检测与充气口设置于所述钢瓶一端，所述手动截止阀设置于所述钢瓶另一端与出口直流管线的分支处之间；其中，所述空气包的压力胶囊中填充了不同压力的氮气。
在钻井作业停止循环期间，具有空气包组的回压补偿系统配合自动节流管汇建立地面循环，可适应更加广泛的节流压力从而提供更加稳定的压力与流量补偿。应用于石油、天然气控压钻井领域。目前，控压钻井回压补偿泵出口有一个空气包，预充压力一般为1MPa，适合节流压力在3至4MPa，压力稍高便造成压力、流量的波动，且管线震动严重，给回压补偿期间稳定的压力控制造成了很大困难，对设备有很强的疲劳破坏。控压钻井技术回压补偿值是经常变化的，不同井之间压力值不同，同一口井不同工况下压力值也不相同，控压值基本在3至12MPa之间。一个空气包预充压力是一定的，充氮气方式又比较繁琐，很难适应这么广的节流压力范围。为了解决该问题，本发明在回压泵出口处设计了一个空气包组，每个空气包预充压力不同，且每个钢瓶入口都有截止阀控制，可以根据使用的节流压力的不同自由选择一个或多个组合使用，使空气包缓冲效果快速调整至最佳状态，减少回压补偿期间压力、流量的波动以及管线的震动。
作为本发明的一个实施例，系统还包括气动平板阀200，设置于所述回压泵与所述空气包组之间。
在本实施例中，系统还包括泄压阀300，设置于所述回压泵与所述空气包组之间，与所述气动平板阀并联连接。
作为本发明的一个实施例，系统还包括电动机，与所述回压泵连接，用于向所述回压泵提供动力。
作为本发明的一个实施例，系统还包括灌注泵400，设置于所述回压泵的入口处。
在本实施例中，系统还包括低压压力表500，设置于所述灌注泵与所述回压泵之间。
在本实施例中，系统还包括流量计600，设置于所述低压压力表与所述回压泵之间。
作为本发明的一个实施例，系统还包括高压压力表700，设置于所述回压泵与所述空气包组之间。
作为本发明的一个实施例，系统还包括单向阀800及手动平板阀900。
作为本发明的一个实施例，空气包的压力胶囊中分别填充的氮气压力为1MPa、2MPa及3MPa。
在本发明一具体实施例中，回压泵出口处设置三个不同压力的空气包，停止循环期间，回压补偿系统配合节流管汇控制井口回压时，可以根据节流压力选择一个或多个自由组合，使空气包缓冲效果快速调整至最佳状态，减少回压补偿期间压力、流量的波动以及管线的震动。空气包组安装在回压泵出口直流管线的分支处，尽量减少干路钻井液流动阻力。空气包组的三个空气包并联摆放，且每个空气包有单独控制开关，可以选择一个空气包进行工作，也可以任意组合使用。三个空气包胶囊内充气压力不同，可以在节流压力不同的情况下选择不同的空气包进行组合。空气包组安装在手动平板阀前端，在后端的回压泵出口管线和自动节流管汇试压过程中关闭手动平板阀，可以避免空气包承受过高压力。每个空气包都未安装压力表，充气口为单向阀，在安装压力表或者充气时单向阀打开。降低成本并减少检测工作量。
在本发明一具体实施例中，本发明系统中的空气包组主要分为四部分，三个相同尺寸不同压力的气囊、三个手动截止阀、三个具有单向阀的压力检测和充气口、三个相同尺寸的钢瓶。
手动截止阀1、2、3分别可以控制A、B、C空气包与回压泵出口的连通状态，当关闭截止阀后对应的空气包处于隔离状态，不参与工作。压力检测与充气口4、5、6可以对相应气囊进行压力检测与充气的工作。气囊7、8、9充入不同压力的氮气，可以适应不同的节流压力，是空气包缓冲能力的主要原件。钢瓶11、12、13主要作用是限定气囊膨胀，保护气囊，作为钻井液的储存和释放容器。
具体的，压力胶囊中需预充压力，具体如下：
基本公式：
PA0.VA0＝PA1.VA1
PA0：A空气包初始压力(充气)；
PA1：仅A空气包工作时的节流压力；
VA0：A空气包初始气囊体积(充气)；
VA1：A空气包工作时的对应的气囊体积。
设计A、B、C三个空气包体积一样大；
VA0＝VB0＝VC0
充气压力分别为：
PAO＝1MPa
PB0＝2MPa
PC0＝3MPa
空气包最优充气压力为节流压力1/4～1/3，根据节流压力的需要开启1个或者多个空气包。
即：
(1)节流压力3～4MPa及以内选择充气1MPa的空气包单独工作；
(2)节流压力6～8MPa选择充气2MPa的空气包单独工作；
(3)节流压力9～12MPa选择充气3MPa的空气包单独工作；
(4)节流压力4～6MPa可考虑选择充气1MPa和2MPa的空气包并联工作；
(5)节流压力8～9MPa可考虑选择充气2MPa和3MPa的空气包并联工作。
具体如表1所示：
表1
Figure BDA0002082390310000051
Figure BDA0002082390310000061
本发明通过三个不同压力空气包并联安装，每个空气包有单独控制开关，可以任意选择，任意搭配，当发现空气包缓冲能力与节流压力值不适应时可以快速切换，改变空气包的缓冲能力，使空气包适应的节流压力更加广泛；同时增加了控压起下钻和接单根过程中井口压力的控制精度，使窄密度窗口钻井施工更加安全，且减少了由于震动造成的设备疲劳破坏；并且避免了现场人员为了使空气包缓冲能力与节流压力相适应对空气包频繁充气、放气的工作。减少了现场人员的工作量，氮气使用的成本，以及能源的浪费。
本发明在应对空气包适应回压泵压力范围窄的问题上进行了改进，具有很好的效果，结构简单，操作方便，可以任意选择搭配，快速调整缓冲能力，满足现场作业要求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种控压钻井回压补偿系统，其特征在于，所述系统包括：回压泵及空气包组，所述空气包组连接于所述回压泵出口直流管线的分支处；
所述空气包组包括三个空气包，所述空气包并联连接于出口直流管线的分支处；
所述空气包包括手动截止阀、压力检测与充气口、压力胶囊及钢瓶；所述压力胶囊设置于所述钢瓶内，所述压力检测与充气口设置于所述钢瓶一端，所述手动截止阀设置于所述钢瓶另一端与出口直流管线的分支处之间；所述空气包组利用手动截止阀的开关，进行单个空气包工作、两个空气包并联与三个空气包并联这三种工作模式中的任意一种；
其中，压力胶囊中预充压力利用如下公式确定：
PA0·VA0＝PA1·VA1
VA0＝VB0＝VC0
其中，PA0为空气包A初始充气压力；PA1为仅空气包A工作时的节流压力；VA0为空气包A初始气囊充气体积；VA1为空气包A工作时的对应的气囊体积；VB0为空气包B初始气囊充气体积；VC0为空气包C初始气囊充气体积；
其中，充气压力分别为：
PA0＝1MPa
PB0＝2MPa
PC0＝3MPa
空气包最优充气压力为节流压力1/4～1/3，根据节流压力的需要开启1个或者多个空气包，包括：节流压力3～4MPa及以内选择充气1MPa的空气包单独工作；节流压力6～8MPa选择充气2MPa的空气包单独工作；节流压力9～12MPa选择充气3MPa的空气包单独工作；节流压力4～6MPa选择充气1MPa和2MPa的空气包并联工作；节流压力8～9MPa选择充气2MPa和3MPa的空气包并联工作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括气动平板阀，设置于所述回压泵与所述空气包组之间。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括泄压阀，设置于所述回压泵与所述空气包组之间，与所述气动平板阀并联连接。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电动机，与所述回压泵连接，用于向所述回压泵提供动力。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括灌注泵，设置于所述回压泵的入口处。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述系统还包括低压压力表，设置于所述灌注泵与所述回压泵之间。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括流量计，设置于所述低压压力表与所述回压泵之间。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括高压压力表，设置于所述回压泵与所述空气包组之间。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括单向阀及手动平板阀。
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