专利名称：通过滋扰含油气地层钻井的方法
技术领域：
本发明一般涉及通过地下岩层钻入井筒的领域。更明确而言，本发明涉及使用动态环形压力控制系统通过体积受限的含油气岩层安全钻入井筒的技术。
背景技术：
本发明可使用的一种钻井系统和方法描述在7，395，878中，该案颁予Reitsma等人并且以引用的方式并入本文。在钻井期间，尤其在某些离岸地层中会遭遇小范围的含油气地层(“滋扰油气地层”)。最初，这些含油气地层在孔隙空间中可能具有超过井筒中液体的静水压力的油气压力。然而，随着油气进入井筒，这些地层因其区域范围受限而相对较快地损失压力。通过这种滋扰油气的钻井需要一种最佳方法以使油气体积和压力消耗在可接受水平以继续安全钻井，因为这种滋扰油气区通常由于油气释放至井筒中而很快消耗。因此，不建议增加钻井液的密度，或使用所谓的井筒压力控制的“钻井机方法”，其需要将竖管压力(即，随着钻井液被泵送至钻柱的钻井液压力)保持恒定。前文的陈述也可应用于“负压”钻入油气井，其中井筒静水(以及水力)液体压力被维持在低于含油气岩层的孔隙空间中的油气液体压力。需要一种通过滋扰油气钻井和/或负压钻井的更有效技术。
发明内容
一种根据本发明的一个方面的用于控制油气从地下地层进入井筒的方法包括确定油气是否正在进入井筒。接着确定油气进入井筒的速率是否正在减慢。如果油气进入速率正在减慢，那么接着从井筒的排放控制从维持选定井筒压力转变成将从井筒排放液体的速率控制为基本恒定。当油气停止进入井筒时，从井筒的排放控制返回至维持选定井筒压力。本发明的其它方面和优点将从下文的描述和随附权利要求而显而易见。
图1是使用动态环形压力控制的实施例钻井系统。图2是使用动态环形压力控制的替代实施方案的实施例钻井系统。图3是根据本发明的实施例方法的流程图。
具体实施例方式图1是井筒钻井系统的示意图，其具有可与本发明的一些实施搭配使用的动态环形压力控制(DAPC)系统的一个实施方案。一个这种系统描述在美国专利7，395，878中，该案颁予Reitsma等人并且以引用的方式并入本文。可使用各种控制器(诸如可编程逻辑控制器)以响应来自本文中所述的各种传感器的测量而自动操作下文所述的各种组件，且这些控制器也描述在Reitsma等人的‘878专利中。为图示的清晰起见，这些组件没有在本文中示出。应了解，基于陆地或离岸钻井系统可具有如图1中所示使用根据本发明的方法的DAPC系统。所示出的钻井系统100包括用于支持钻井操作的钻机102。为图示的清晰起见，钻机102上使用的许多组件，诸如方钻杆、动力钳、卡瓦、绞车和其它设备没有单独在图中示出。钻机102用于支撑用于将井筒106钻入通过地下地层(诸如所示的地层104)的钻柱112。如图1中所示，井筒106已被部分钻入，且在井筒106的钻入部分的一部分中已设置保护管或套管108，并胶合109到位。在本实施方案中，套管阻断机构或井下部署阀110视需要安装在套管108中，以当钻柱112下端处的钻头120位于阀110上方时阻断环面，并有效地用作阀以阻断井筒106的裸眼井段(在套管108底部下方的井眼106部分)。钻柱112支撑底部钻具组合(BHA) 113，其可包括钻头120、选用泥浆发动机118、选用的随钻测量和随钻测井(MWD/LWD)传感器套件119，所述传感器套件119优选地包括压力变换器116以确定井筒106中的环形压力，即，钻柱112与井筒106壁之间的环形空间 115中的液体压力。钻柱112可包括止回阀(未示出)，以防止如果井筒表面处具有压力，导致井筒压力超过钻柱112内部的液体压力时液体从环形空间115回流至钻柱112的内部。MWD/LWD套件119优选地包括遥测包122，其用于传输将在表面处接收的压力数据、MWD/LWD传感器数据以及钻井信息。虽然图1图示了利用泥浆压力调制遥测系统的BHA 113，但是应了解，本发明可搭配使用其它遥测系统，诸如无线电频率(RF)、电磁(EM)或钻柱传输系统。钻井过程需要使用通常存储在储器136中的钻井液150。储器136与一个或多个钻机泥浆泵138液体连通，其将钻井液150通过管道140泵送。管道140连接至穿过旋转控制头或“旋转B0P”142的钻柱112的最上段或“接头”。旋转BOP 142当激活时迫使球形弹性密封元件向上旋转，包围钻柱112，并隔离环面中的液体压力，但仍然使钻柱旋转。市售的旋转 Β0Ρ,诸如由 National Oilwell Varco, IOOOORichmond Avenue, Houston, Texas77042制造的旋转BOP能够隔离至多10，OOOpsi (68947. 6kPa)的环形压力。液体150向下泵送通过钻柱112中的内部通道和BHA 113，并通过钻头120中的喷嘴或喷流而出去，由此液体150使钻屑循环离开钻头120，并使钻屑向上通过钻柱112与井眼106之间的环形空间115并通过套管108与钻柱112之间形成的环形空间而返回。液体150最终返回至地表面，并由旋转BOP 142通过转向器117，通过管道124和各种缓冲罐和遥测接收器系统(未单独示出)而转向。其后，液体150进入在本文中一般称为背压系统的系统中，所述背压系统可由扼流圈130、阀123和泵管以及选用的泵(如以128示出)组成。液体150通过管道124、扼流圈130 (在下文解释)且通过选用的流量计126而进入背压系统。返回的液体150流动通过耐磨损、可控制的孔口扼流圈130。应了解，存在被设计用来操作于钻井液150含有大量钻屑和其它固体的环境中的扼流圈。扼流圈130优选地是这样一种类型，并且还能够操作于可变压力、可变开口或开孔，并通过多个工作周期。液体150从扼流圈130出去，并流动通过流量计126 (如果使用)和阀5。液体150可接着由被设计用来从液体150移除包括钻屑的污染物的选用脱气器I和一系列过滤器和振动台129而处理。液体150接着返回至储器136。流动环11%可提供在三通阀125之前用于直接将液体150引导至背压泵128入口中。或者，背压泵128入口可具有通过管道119a来自储器的液体，其与补给罐(未示出)液体连通。补给罐通常使用在钻机上，以监视管起下钻作业期间(从井眼抽出并插入整个钻柱或其主要子部分)钻井液的增加和损失。在本发明中，优选地维持补给罐的功能。三通阀125可用于选择环119b、管道119a或隔离背压系统。虽然背压泵128能够通过选择流动环11%而利用返回的液体以产生背压，但是应了解，返回的液体可能具有原本不会被过滤器/振动台129移除的污染物。在这种情况中，背压泵128上的磨损可能增加。因此，背压泵128的优选液体供应是管道119a以将再处理的液体提供至背压泵128的入口。在操作中，三通阀125将选择管道119a或管道环119b，且背压泵128可被接合以确保足够的流穿过扼流圈130的上游侧，以即使当没有钻井液的流正在进入环面115时也能够维持环面115中的背压。在本实施方案中，虽然可任凭系统设计者选择更高承压能力的泵，但是背压泵128能够提供至多约2200psi (15168. 5kPa)的压力。提供背压的能力是胜过普通液体控制系统的显著改进。由液体提供的环面115中的任何轴向位置处的压力是其密度和所述轴向位置处的真实垂直深度的函数，且一般是近似的线性函数。添加至储器136中的液体的添加剂可被泵送至井下以最终改变由液体150施加的压力梯度。系统可包括管道100中的流量计152以测量正在被泵送至环面115的液体的量。应了解，通过监视流量计126、152和因此由背压泵128泵送的体积，可确定损失至地层的液体150的量，或相反，确定进入井眼106的地层液体的量。所述系统中还包括用于监视井眼压力条件并且预测井眼106和环面115压力特性的装备。图2示出DAPC系统的替代实施方案。在这个实施方案中，当出于任何理由需要阻断通过井眼的流时，背压泵不需要维持通过扼流圈的足够流。在这个实施方案中，附加三通阀6置于管道140中的钻机泥浆泵138的下游。这个附加三通阀6允许来自钻机泥浆泵138的液体从管道140完全转向至管道7，因此将来自钻机泵138的原本会另外进入钻柱112的内部通道的流转向至排放线124 (且因此对环面115施加压力)。通过维持钻机泵138的动作并将泵138的输出最终转向至环面115，得以确保足够的流通过扼流圈130以控制环面背压。应了解，根据本发明的系统和方法的任何实施方案通常将包括压力表或传感器(图1和图2两者中的146)，其测量凹槽或罐136中的液体水平。凹槽或罐中液体的测量水平是根据本发明的方法的一个输入。一般而言，根据本发明的方法将凹槽136体积增加和/或凹槽136绝对体积用作反馈以操作扼流圈130，以基于其它考虑因素，诸如表面压力和/或套管底环强度而允许选定体积的油气进入井中。当通过所谓的“滋扰”地层钻井时，在首先出现液体进入井筒106中，但随着油气产出至井筒106中，地层压力和油气的流减小，导致凹槽136体积最初增加但接着减小时，所述地层中的液体压力处在最大值。当确认这种条件时，DAPC系统控制操作扼流圈130以通过只允许从井筒环面115排放选定量的液体而控制井中的压力，使得排放流速保持基本上恒定。随着滋扰油气储器中的压力减小，且更少的油气进入井筒中，扼流圈130被开启，将继续开启直到其完全开启的这个时间为止。参考图3，将解释根据本发明的实施例方法的流程图。在200，检测注入至井筒中的油气。可通过检测凹槽(图1中的136)中液体体积或水平上的增加而检测这种注入。在202，使用动态环形压力控制系统(通过操作图1中的扼流圈130)并通过适当控制钻机泵(图1中的138)而维持环形空间中和/或钻柱中的压力，称为“竖管压力”(“SPP”)。在204，确定是否已满足条件以将DAPC系统的操作转变成控制凹槽体积，即，通过控制从井筒环面排放液体的速率。将要满足的条件或多个条件可以是已达到所需凹槽增加、油气注入已到达表面(通常是这种情况)、指示压力消耗的液体注入速率正在减小(凹槽体积或水平上的增加速率正在减小)、油气到达表面后油气体积正在减小(通常是这种情况)或凹槽水平正在减小(油气已到达表面后通常是这种情况)。如果在204尚未满足条件，那么使用DAPC系统维持井筒压力(循环回至202)。一旦在204已满足条件，那么DAPC系统在206转变成凹槽体积维护控制。在206，最大凹槽体积通常维持恒定。随着储器中的压力消耗，更少油气进入井筒中，其被环形空间中的钻井液代替，因此凹槽水平开始下降。这对于在储器中消耗油气是低效的，因为环面中的静水压力将增加。在这种情况中，DAPC系统可开启扼流圈(图1中的130)以减小井环面中的液体压力(图1中的115)，因此允许更多油气流动。这继而导致凹槽体积增加。进行开启扼流圈(图1中的130)以能够增加油气进入，直到扼流圈完全开启或井处在继续钻井的所需压力为止。这可在流程图中查询扼流圈是否完全开启或井筒压力是否处在选定值的208处查看。如果没有满足前述条件，那么过程循环回至206处的凹槽体积控制。一旦扼流圈被完全开启，或已满足选定井筒压力，那么过程结束，且DAPC系统可转变回至维持选定井底(或井筒环面)压力。虽然已相对于有限数量的实施方案描述了本发明，但是受益于本公开内容的所属领域技术人员应了解，还可以设计未脱离如本文中公开的本发明范畴的其它实施方案。因而，本发明的范畴应只受随附权利要求限制。
权利要求
1.一种用于控制油气从地下地层进入井筒的方法，所述方法包括确定油气是否正在进入所述井筒；确定油气进入所述井筒的速率是否正在减慢；如果所述油气进入速率正在减慢，那么从所述井筒的排放控制从维持选定井筒压力转变成将从所述井筒排放液体的速率控制为基本恒定；和当油气以可接受水平进入所述井筒时，从所述井筒的排放控制返回至维持所述选定井筒压力。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述控制井筒压力和控制油气进入的速率包括操作在从所述井筒的排放线上的可变孔口扼流圈。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定油气进入所述井筒包括检测存储在供应/返回槽中的钻井液的体积增加。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述确定减慢包括检测存储在供应/返回槽中的钻井液的恒定体积和减小体积中的至少一者。
5.根据权利要求1所述的方法，其中当可变孔口扼流圈基本上完全开启时进行所述返回控制。
全文摘要
一种用于控制油气从地下地层进入井筒的方法包括确定油气是否正在进入井筒。接着确定油气进入所述井筒的速率是否正在减慢。如果所述油气进入速率正在减慢，那么接着从所述井筒的排放控制从维持选定井筒压力转变成将从所述井筒排放液体的速率控制为基本恒定。当所述油气停止进入井筒时，从所述井筒的排放控制返回至维持所述选定井筒压力。
文档编号E21B7/00GK103003516SQ201180035232
公开日2013年3月27日 申请日期2011年5月18日 优先权日2010年5月19日
发明者唐纳德·G·瑞特斯马, 奥萨玛·瑞姆兹·塞萨, 雅完·库蒂里耶 申请人:普拉德研究及开发股份有限公司