鉆井中的自動立管壓力控制的制作方法
【專利摘要】一種控制鉆井操作中的立管壓力的方法可包括：將測量的立管壓力與期望的立管壓力進(jìn)行比較；以及響應(yīng)于所述比較而自動調(diào)節(jié)節(jié)流器，從而減少所測量的立管壓力和所期望的立管壓力之間的差值。用在鉆井操作中的立管壓力控制系統(tǒng)可包括：控制器，基于測量的立管壓力與期望的立管壓力的比較來輸出環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)；以及節(jié)流器，響應(yīng)于所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)而自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。井系統(tǒng)可包括立管線路，連接到井眼中的鉆柱；傳感器，測量所述立管線路中的壓力；以及第一控制器，至少部分地基于所測量的壓力與期望的立管壓力之間的差值來輸出環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)。
【專利說明】鉆井中的自動立管壓力控制
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開文本一般涉及與地下井結(jié)合使用的設(shè)備和執(zhí)行的操作，并且在此處描述的實(shí)施例中，更具體地提供用于鉆井中的自動立管壓力控制。
【背景技術(shù)】
[0002]在可控制壓力(managed pressure)鉆井和欠平衡鉆井中，通過例如在地球表面處或靠近地球表面處控制環(huán)空(annulus)中的壓力來精確地控制井眼中的壓力。然而，在一些情況下(例如，在井控制情況下等)，期望的是通過控制連接到鉆柱的立管中的壓力來控制井眼壓力。
[0003]因此，將認(rèn)識到需要在井眼壓力控制【技術(shù)領(lǐng)域】改進(jìn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]圖1是能夠體現(xiàn)本公開文本的原理的井系統(tǒng)和相關(guān)方法的代表性局部剖視圖。
[0005]圖2是可借助圖1的井系統(tǒng)和方法使用的過程控制系統(tǒng)的代表性視圖。
[0006]圖3是可借助井系統(tǒng)、方法和過程控制系統(tǒng)使用的立管壓力控制系統(tǒng)的代表性視圖。
[0007]圖4是立管壓力控制系統(tǒng)的一部分的代表性視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0008]在圖1中代表性和示意性示出能夠體現(xiàn)本公開文本的原理的井系統(tǒng)10和相關(guān)方法。在系統(tǒng)10中，井眼12是通過使位于管狀鉆柱16的末端上的鉆頭14旋轉(zhuǎn)而被鉆出的。
[0009]鉆井液18 (通常已知為泥漿)經(jīng)由鉆柱16向下流出鉆頭14并且經(jīng)由在鉆柱和井眼12之間形成的環(huán)空20向上而循環(huán)，從而冷卻鉆頭、潤滑鉆柱、去除鉆屑并且提供井底壓力控制的測量。單向閥21 (典型地為旋啟式止回閥)(例如當(dāng)鉆柱中進(jìn)行連接時(shí))防止鉆井液18通過鉆柱16向上流動。
[0010]井底壓力的控制在可控制壓力和欠平衡鉆井中以及在其他類型的井操作中是非常重要的。優(yōu)選地，井底壓力被精確地控制，以防止流體過多地流失進(jìn)入到井眼12周圍的地球地層64內(nèi)、不期望的地層的斷裂、不期望的地層流體大量涌入到井眼內(nèi)等。
[0011]在典型的可控制壓力鉆井中，期望的是將井底壓力保持成恰好大于地層64的孔隙壓力，而不超過該地層的斷裂壓力。在典型的欠平衡鉆井中，期望的是將井底壓力保持成稍微小于孔隙壓力，由此實(shí)現(xiàn)流體從地層64的受控制的流入。
[0012]氮或另一種氣體，或者另一種重量較輕的流體，可以被添加到鉆井液18用于壓力控制。這種技術(shù)例如在欠平衡鉆井操作中尤其有用。
[0013]在系統(tǒng)10中，通過使用旋轉(zhuǎn)控制裝置(RCD) 22封閉環(huán)空20 (例如將環(huán)空隔離而不與大氣連通，并使該環(huán)空在地面處或靠近地面處被加壓)來獲得對井底壓力的額外的控制。RCD22密封在位于井口 24上方的鉆柱16的四周。雖然圖1中未示出，但鉆柱16可通過RCD22向上延伸，以連接到例如轉(zhuǎn)盤(未示出)、立管線路26、方鉆桿(kelley)(未示出)、頂驅(qū)(top drive)和/或其他傳統(tǒng)的鉆井設(shè)備。
[0014]鉆井液18經(jīng)由與位于RCD22下方的環(huán)空20連通的導(dǎo)翼閥(wing valve) 28離開井口 24。之后流體18通過流體回流管路30流到節(jié)流管匯32，節(jié)流管匯32包括多余的節(jié)流器(chock) 34。通過可變地限制流體18通過可操作的節(jié)流器34的流量，將回壓施加到環(huán)空20。
[0015]經(jīng)由節(jié)流器34對流量的限制越大，則施加到環(huán)空20的回壓越大。因此，通過改變施加到環(huán)空20的回壓，可以方便地控制井底壓力?？梢允褂萌缫韵赂娴孛枋龅囊簤耗Ｐ筒?，來確定在地面處或靠近地面處施加到環(huán)空20的壓力(此壓力將引起期望的井底壓力)，以使得操作者(或自動控制系統(tǒng))可以容易地確定為獲得期望的井底壓力而如何調(diào)節(jié)在地面處或靠近地面處(這樣可以方便地進(jìn)行測量)施加到環(huán)空的壓力。
[0016]同樣可以期望的是，控制沿井眼12的其他位置處的壓力。例如，利用本公開文本的原理，可以控制在套管鞋處、在側(cè)向井眼的跟部處、在井眼12的大體豎直或水平的部分中、或者在任何其他位置處的壓力。
[0017]經(jīng)由多種壓力傳感器36、38、40 (這些壓力傳感器36、38、40中的每一個(gè)與環(huán)空連通)，施加到環(huán)空20的壓力可以在地面處或靠近地面處被測量到。壓力傳感器36檢測在RCD22下方但是在防噴器(BOP)組件42上方的壓力。壓力傳感器38檢測在BOP組件42下方的井口中的壓力。壓力傳感器40檢測位于節(jié)流管匯32的上游的流體回流管路30中的壓力。
[0018]另一壓力傳感器44檢測立管線路26中的壓力。而又一壓力傳感器46檢測在節(jié)流管匯32的下游但是在分離器48、振動器50和泥漿池52的上游的壓力。額外的傳感器包括溫度傳感器54、56、科氏流量計(jì)58和流量計(jì)62、66。
[0019]并非所有這些傳感器都是必要的。例如，系統(tǒng)10可以僅包括流量計(jì)62、66中的一個(gè)。然而，來自這些傳感器的輸入對于液壓模型部確定在鉆井操作期間應(yīng)對環(huán)空20施加什么樣的壓力而言是有用的。
[0020]此外，鉆柱16例如可包括其本身的傳感器60，用以直接地測量井底壓力。這些傳感器60可以是對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言公知的隨鉆壓力(PWD)、隨鉆測量(MWD)和/或隨鉆測井(LWD)傳感器系統(tǒng)的類型。這些鉆柱傳感器系統(tǒng)通常至少提供壓力測量，并且還可以提供溫度測量、鉆柱特性(例如，振動、鉆壓(weight on bit)、粘滑等)的檢測、地層特性(例如，電阻率、密度等)的檢測和/或其他測量。多種形式(聲學(xué)的、壓力脈沖的、電磁的、光學(xué)的、有線的等)的遙測技術(shù)可以用于將井底的傳感器測量傳送到地面。鉆柱16可以設(shè)置有導(dǎo)體、光學(xué)波導(dǎo)等，用于傳送傳感器60與以下描述的(以及圖2中所示的)過程控制系統(tǒng)74之間的數(shù)據(jù)和/或命令。
[0021]如果需要，系統(tǒng)10中可以包括有額外的傳感器。例如，另一流量計(jì)67可以用于測量流體18離開井口 24的流速，另一科氏流量計(jì)(未示出)可以在鉆井泥漿泵68的上游或下游被直接互連等。
[0022]如果需要，系統(tǒng)10中可以包括較少的傳感器。例如，鉆井泥漿泵68的輸出可以通過計(jì)算泵的沖程來確定，而不是通過使用流量計(jì)62或任何其他流量計(jì)來確定。
[0023]請注意，分離器48可以是3或4相分離器，或者是泥漿氣體分離器(有時(shí)稱為“泥氣分離器”)。然而，分離器48在系統(tǒng)10中并不是必須使用的。
[0024]鉆井液18通過鉆井泥漿泵68被抽取，經(jīng)過立管線路26并且進(jìn)入鉆柱16的內(nèi)部。泵68從泥漿池52中接收流體18，并且使流體18經(jīng)由立管管匯(未示出)流到立管線路26。之后流體18通過鉆柱16向下、通過環(huán)空20向上、通過泥漿回流管路30、再通過節(jié)流管匯32、并且之后經(jīng)由分離器48和振動器50到達(dá)泥漿池52來循環(huán)，以便進(jìn)行調(diào)節(jié)和再循環(huán)。
[0025]請注意，在上面所描述的到目前為止的系統(tǒng)10中，節(jié)流器34不能被用來控制施加到環(huán)空20的回壓以用于控制井底壓力，除非流體18流經(jīng)該節(jié)流器。在傳統(tǒng)的過平衡鉆井操作中，每當(dāng)在鉆柱16中進(jìn)行連接時(shí)(例如，隨著井眼12被鉆得更深而將另一長度的鉆桿添加到鉆柱上時(shí))就會發(fā)生循環(huán)缺乏的現(xiàn)象，并且循環(huán)缺乏將要求唯一地通過流體18的密度來調(diào)節(jié)井底壓力。
[0026]然而，在系統(tǒng)10中，即使流體不通過鉆柱16和環(huán)空20來循環(huán)，也可以通過節(jié)流器34保持流體18的流量。因此，通過限制流體18通過節(jié)流器34的流量，壓力仍然可以被施加到環(huán)空20。
[0027]在如圖1所示的系統(tǒng)10中，回壓泵70可以被用于當(dāng)需要時(shí)(例如，當(dāng)在鉆柱16中進(jìn)行連接時(shí))，通過將流體泵送到環(huán)空20內(nèi)而將流體的流量供應(yīng)到節(jié)流管匯32上游的回流管路30。如圖1所示，泵70經(jīng)由BOP組件42連接到環(huán)空20，但是在另一個(gè)實(shí)例中，泵70可以被連接到回流管路30，或者連接到節(jié)流管匯32。
[0028]可替代地，或者附加性地，如國際申請第PCT/US08/87686號、以及美國申請第13/022, 964號所描述的，或者使用其他技術(shù)，流體可以在需要時(shí)從立管管匯(或者以其他方式從)被改道到回流管路30。
[0029]通過節(jié)流器34對于這種來自鉆井泵68和/或回壓泵70的流體流量的限制，將因此造成待施加到環(huán)空20的壓力。如果實(shí)施了回壓泵70，則流量計(jì)72可以被用于測量該泵的輸出。
[0030]節(jié)流器34和回壓泵70是能夠被用于控制靠近地面處的環(huán)空20中的壓力的壓力控制裝置的示例。必要時(shí)，可以使用其他類型的壓力控制裝置(例如，國際申請第PCT/US08/87686號、以及美國申請第13/022，964號等所描述的那些壓力控制裝置)。
[0031]現(xiàn)在另參見圖2，其代表性示出過程控制系統(tǒng)74的一個(gè)示例的方框圖。在其他示例中，在根據(jù)本公開文本的范圍的情況下，過程控制系統(tǒng)74可包括這些元件的其他數(shù)量、類型、組合等，并且任何元件可以位于不同的位置或者與另一個(gè)元件集成。
[0032]如圖2所示，過程控制系統(tǒng)74包括:數(shù)據(jù)獲取和控制接口 118、液壓模型120、預(yù)測裝置122、數(shù)據(jù)驗(yàn)證器124和控制器126。這些元件可以與2010年11月12日遞交的國際申請第PCT/US10/56433號所描述的那些元件類似。
[0033]液壓模型120被用于確定環(huán)空20中的期望的壓力，從而實(shí)現(xiàn)井眼12中的期望的壓力。液壓模型120利用諸如井眼深度、鉆柱轉(zhuǎn)數(shù)(rpm)、運(yùn)行速度、泥漿類型等數(shù)據(jù)來模擬井眼12、鉆柱16、流體通過鉆柱以及環(huán)空20的流動(包括由于這種流動造成的等效的循環(huán)
山/又)寸O
[0034]數(shù)據(jù)獲取和控制接口 118接收來自多種壓力傳感器36、38、40、44、46、54、56、58、60、62、66、67、72的數(shù)據(jù)并一起還接收鉆探設(shè)備和向下鉆井的數(shù)據(jù)，并將這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到液壓模型120和數(shù)據(jù)驗(yàn)證器124。此外，接口 118將來自液壓模型120的期望的環(huán)空壓力轉(zhuǎn)送到數(shù)據(jù)驗(yàn)證器124。
[0035]預(yù)測裝置122可以被包括在該示例中，以基于過去的數(shù)據(jù)來確定當(dāng)前應(yīng)該接收什么樣的傳感器數(shù)據(jù)以及期望的環(huán)空壓力應(yīng)該是什么樣的。預(yù)測裝置122可包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊邏輯等，或者可包括用于產(chǎn)生傳感器數(shù)據(jù)和期望的環(huán)空壓力的預(yù)測的預(yù)測元件的任意組合。
[0036]數(shù)據(jù)驗(yàn)證器124利用這些預(yù)測來確定任何特定的傳感器數(shù)據(jù)是否是有效的、液壓模型120輸出的期望的環(huán)空壓力是否是合適的，等等。如果環(huán)空壓力是合適的，則數(shù)據(jù)驗(yàn)證器124將期望的環(huán)空壓力傳送到控制器126 (例如可編程邏輯控制器，該可編程邏輯控制器可包括比例積分微分(PID)控制器)，該控制器126控制節(jié)流器34、泵70和多種流量控制裝置128 (例如，閥等)的操作。
[0037]用這種方式，可以自動地控制節(jié)流器60、泵70和流量控制裝置128，以在環(huán)空20中實(shí)現(xiàn)和保持期望的壓力。環(huán)空20中的實(shí)際壓力通常在可位于陸地或海底位置的井口 24處或靠近井口 24處(例如，使用傳感器36、38、40 )被測量處。
[0038]現(xiàn)在另參見3，其以示意圖形式代表性示出可以與井系統(tǒng)10和/或過程控制系統(tǒng)74 一起使用的立管壓力控制系統(tǒng)80。當(dāng)然，根據(jù)本公開文本的原理，立管壓力控制系統(tǒng)80可以與其他井系統(tǒng)和其他過程控制系統(tǒng)一起使用。
[0039]在圖3所示的示例中，控制器126可以被用于基于所選的三個(gè)可能的環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)源中的一個(gè)來控制節(jié)流器34的操作。操作者通過使用人機(jī)接口(HMI) 82 (例如，適當(dāng)配置的計(jì)算機(jī)、監(jiān)視器等)和/或事件檢測軟件來選擇環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)源。環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)源可以經(jīng)由HMI82被選擇，或者可以通過控制邏輯被自動地選擇。
[0040]由于環(huán)空壓力通常在井口 24處或靠近井口 24處被測量，因此，該環(huán)空壓力有時(shí)被稱為井口壓力。然而，在某些情況下(例如，海底鉆井操作等)，環(huán)空20內(nèi)的壓力可能不會在井口 24處被測量，或者至少在井口處測量到的環(huán)空20內(nèi)的壓力可能不會被用于控制井眼12內(nèi)的壓力。例如，在地面(surface)位置、浮動式或半潛式鉆井平臺等處測量到的環(huán)空20內(nèi)的壓力有可能被用于控制井眼12內(nèi)的壓力。在本說明書中，井口壓力被假定為環(huán)空壓力的同義詞，但應(yīng)清楚地理解，在其他示例中，環(huán)空壓力可能不會在井口處被測量，或者這種井口壓力測量可能不會被用于控制井眼壓力。
[0041]使用人機(jī)接口 82，操作者可使用手動輸入到人機(jī)接口的井口壓力(WHP)設(shè)定點(diǎn)84、由如上所述的過程控制系統(tǒng)74導(dǎo)致產(chǎn)生的井口壓力設(shè)定點(diǎn)86，或者從控制器90中輸出的井口壓力設(shè)定點(diǎn)88來選擇控制井眼壓力。
[0042]控制器126可包括比例積分微分控制器(PID)，且該控制器126可以對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言公知的那種類型的可編程邏輯控制器(PLC)實(shí)施。比例積分微分控制器基于所選的井口壓力設(shè)定點(diǎn)84、86或88和所測量的井口壓力(例如，使用傳感器36、38或40)之間的差值e來操作。
[0043]比例積分微分控制器確定是否或者如何調(diào)節(jié)節(jié)流器34、泵70、其他流量控制裝置128等以最小化差值e。可編程邏輯控制器基于比例積分微分控制器的輸出來調(diào)節(jié)節(jié)流器34等。當(dāng)然，必要時(shí)，可以使用除比例積分微分控制器和/或可編程邏輯控制器之外的過程控制裝置。
[0044]如果操作者期望基于在立管線路26中測量的(例如，使用傳感器44測量的)壓力來控制井眼壓力，則通過操作者來選擇井口壓力設(shè)定點(diǎn)88。例如，可期望實(shí)現(xiàn)上述的一種情況是在流體從地層64涌入到井眼12之后的井控制步驟。
[0045]控制器90 (其可包括比例積分微分控制器)接收期望的立管壓力(SPP) 92 (該立管壓力92可以經(jīng)由人機(jī)接口 82被手動輸入)與測量的立管壓力94 (例如，使用壓力傳感器44測量的)之間的差值e?？刂破?0確定是否或者如何調(diào)節(jié)井口壓力以最小化差值e，并輸出合適的期望的井口壓力設(shè)定點(diǎn)88用于使用人機(jī)接口 82選擇。
[0046]優(yōu)選地，控制器90、126經(jīng)由級聯(lián)控制，通過用于控制立管壓力的外環(huán)路(包括控制器90和傳感器44)，以及用于控制井口壓力的內(nèi)環(huán)路(包括控制器126、傳感器40、節(jié)流器34、泵70和其他流量控制裝置128)來操作。更優(yōu)選地，內(nèi)環(huán)路的動態(tài)(dynamics)(例如，測量的井口壓力96與選擇的井口壓力設(shè)定點(diǎn)88之間的比較的頻率)是外環(huán)路的動態(tài)(例如，測量的立管壓力94與期望的立管壓力92之間的比較的頻率)的至少四倍。
[0047]控制器90的比例積分微分控制器可基于下面的公式I來進(jìn)行其計(jì)算:
,
[0048]
【權(quán)利要求】
1.一種控制鉆井操作中的立管壓力的方法，所述方法包括: 將測量的立管壓力與期望的立管壓力進(jìn)行比較；以及 響應(yīng)于所述比較而自動調(diào)節(jié)節(jié)流器，從而降低所述測量的立管壓力和所述期望的立管壓力之間的差值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中當(dāng)鉆井泵抽取通過鉆柱的流體時(shí)，所述節(jié)流器接收所述流體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中自動調(diào)節(jié)所述節(jié)流器還包括控制器輸出環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中自動調(diào)節(jié)所述節(jié)流器還包括將測量的環(huán)空壓力與所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較，并自動調(diào)節(jié)所述節(jié)流器使得所述測量的環(huán)空壓力與所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)之間的差值被降低。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述測量的環(huán)空壓力與所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較的頻率是所述測量的立管壓力與所述期望的立管壓力進(jìn)行比較的頻率的至少四倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所 述的方法，其中所述控制器包括比例積分微分控制器。
7.—種用在鉆井操作中的立管壓力控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 第一控制器，基于測量的立管壓力與期望的立管壓力的比較來輸出環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)；以及 節(jié)流器，響應(yīng)于所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)而自動進(jìn)行調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中自動調(diào)節(jié)所述節(jié)流器降低所述測量的立管壓力與所述期望的立管壓力之間的差值。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)鉆井泵抽取通過鉆柱的流體時(shí)，所述節(jié)流器接收所述流體。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中第二控制器將測量的環(huán)空壓力與所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中自動調(diào)節(jié)所述節(jié)流器降低所述測量的環(huán)空壓力和所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)之間的差值。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述測量的環(huán)空壓力與所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較的頻率是所述測量的立管壓力與所述期望的立管壓力進(jìn)行比較的頻率的至少四倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述第一控制器包括比例積分微分控制器。
14.一種井系統(tǒng),包括: 立管線路，連接到井眼中的鉆柱； 傳感器，測量所述立管線路中的壓力；以及 第一控制器，至少部分地基于所測量的壓力和期望的立管壓力之間的差值來輸出環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的井系統(tǒng)，還包括響應(yīng)于所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)而自動調(diào)節(jié)節(jié)流器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的井系統(tǒng)，其中自動調(diào)節(jié)所述節(jié)流器降低所測量的立管壓力和所述期望的立管壓力之間的差值。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的井系統(tǒng)，其中第二控制器將測量的環(huán)空壓力與所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的井系統(tǒng)，其中自動調(diào)節(jié)所述節(jié)流器降低所述測量的環(huán)空壓力與所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)之間的差值。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的井系統(tǒng)，其中所述測量的環(huán)空壓力與所述環(huán)空壓力設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較的頻率是所測量的立管壓力與所述期望的立管壓力進(jìn)行比較的頻率的至少四倍。
20.根據(jù)權(quán)利 要求14所述的井系統(tǒng)，其中所述第一控制器包括比例積分微分控制器。
【文檔編號】E21B21/08GK103459755SQ201180069937
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2011年4月8日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月8日
【發(fā)明者】謝蒂爾·阿恩·克努森, 伏萊德瑞克·瓦爾佩 申請人:哈利伯頓能源服務(wù)公司