用于固井阶段的井筒压力控制系统及方法与流程

本发明涉及海洋油气开发领域，具体地，涉及一种用于固井阶段的井筒压力控制系统及井筒压力控制方法。
背景技术：
：世界深水海域蕴藏着丰富的油气资源，进一步开发利用深水油气资源是大势所趋。深水固井技术是深水油气开发过程中必不可少的环节，但深水所带来的诸多难题又给深水固井技术提出了严峻的挑战。由于深水区域上覆岩层相当一部分是由海水所替代，其上覆岩层压力与陆地上相比要偏低，在这种低的上覆岩层压力下地层趋向于较低的破裂压力，同时深水环境沉积速率快、异常孔隙压力普遍发育，会使得孔隙压力和破裂压力梯度窗口会更加狭窄。对于深水窄安全密度窗口地层，采用传统的固井方式会使高密度的水泥浆压漏地层，进而引发井涌井喷等安全事故。对此，目前已诞生诸多新技术比如双级固井、泡沫水泥浆体系等，上述技术能顺利解决小井段易漏地层的固井问题。但是，深水钻井中经常面临着长井段易漏地层、多层易漏地层等难题，上述固井技术无法顺利解决此类问题，通常需要用到三级、四级甚至是更多级固井，大大提高了钻井难度降低了钻井效率。技术实现要素：本发明实施例的目的是提供一种用于固井阶段的井筒压力控制系统及井筒压力控制方法，其可有效避免高密度的水泥浆压漏地层，引发井涌井喷等安全事故。为了实现上述目的，本发明实施例提供一种用于固井阶段的井筒压力控制系统，该系统包括：注入泵；以及控制装置，用于控制所述注入泵经由注入管线向连通至所述井筒的环形空间的回流管线注入流体或气体，降低该回流管线内的压力，进而减小所述环形空间内的压力，所述流体或气体的密度低于所述环形空间内的钻井液的密度。可选的，所述控制装置还用于执行以下操作：a)获取所述环形空间内的循环流量及所述环形空间内水泥浆上液面的深度；b)根据所述循环流量及所述水泥浆上液面的深度，计算所述环形空间的压力剖面；c)确定所述注入泵的排量，以使得环形空间压力剖面内任意深度的压力均处于地层破裂压力与地层孔隙压力之间；以及d)控制所述注入泵以所确定的排量注入所述流体或气体。可选的，所述控制装置循环执行上述步骤a)-d)，直至所述水泥浆上液面到达套管外封隔器处，该套管外封隔器位于所述环形空间内且位于易漏地层上部。可选的，所述控制装置还用于在所述水泥浆上液面到达套管外封隔器处之后，打开所述套管外封隔器，以封隔所述易漏地层。可选的，该系统还包含分级箍，该分级箍用于在所述套管外封隔器封隔所述易漏地层之后，连通所述套管与所述套管外封隔器上方的环形空间，从而在所述套管外封隔器上方的环形空间内注入水泥浆。可选的，所述分级箍包含：本体，该本体两侧分别具有外分级孔；分级机构；以及关闭套，该关闭套两侧分别具有内分级孔，当所述分级箍处于第一状态时，受到所述分级机构的遮蔽，所述本体两侧的外分级孔及所述关闭套两侧的内分级孔这四者不能相互连通；当所述分级箍处于第二状态时，所述分级机构被移位，所述本体两侧的外分级孔及所述关闭套两侧的内分级孔这四者相互连通；当所述分级箍处于第三状态时，所述关闭套被移位，所述外分级孔与所述内分级孔相错开，且所述本体两侧的外分级孔被所述关闭套的遮蔽。可选的，所述分级箍还包含：剪切销钉，在所述分级箍处于第一状态时，所述分级机构经由该剪切销钉而与所述本体固定连接；以及定位键，位于所述本体下端，在所述剪切销钉被剪断之后，所述分级机构向下运动，直至该分级机构的下端坐落到所述定位键上。可选的，所述分级箍还包含：解锁机构，在所述分级箍处于所述第一状态或所述第二状态时，所述本体与所述关闭套经由该解锁机构固定连接，在该解锁机构被解锁之后，所述关闭套向下运动，直至该关闭套坐落到所述分级机构上，此时所述分级箍处于所述第三状态。相应地，本发明实施例还提供一种用于固井阶段的井筒压力控制方法，该方法包括：控制注入泵经由注入管线向连通至所述井筒的环形空间的回流管线注入流体或气体，降低该回流管线内的压力，进而减小所述环形空间内的压力，所述流体或气体的密度低于所述环形空间内的钻井液的密度。可选的，所述控制所述注入泵经由注入管线向连通至所述井筒的环形空间的回流管线注入流体或气体：a)获取所述环形空间内的循环流量及所述环形空间内水泥浆上液面的深度；b)根据所述循环流量及所述水泥浆上液面的深度，计算所述环形空间的压力剖面；c)确定所述注入泵的排量，以使得环形空间压力剖面内任意深度的压力均处于地层破裂压力与地层孔隙压力之间；以及d)控制所述注入泵以所确定的排量注入所述流体或气体。可选的，执行上述步骤a)-d)，直至所述水泥浆上液面到达套管外封隔器处，该套管外封隔器位于所述环形空间内且位于易漏地层上部。可选的，在所述水泥浆上液面到达套管外封隔器处之后，打开所述套管外封隔器，以封隔所述易漏地层。可选的，在所述套管外封隔器封隔所述易漏地层之后，利用分级箍连通所述套管与所述套管外封隔器上方的环形空间，从而在所述套管外封隔器上方的环形空间内注入水泥浆。通过上述技术方案，利用回流管线将环形空间内流体举升回平台，同时通过向回流管线内注入低密度流体或气体来降低回流管线内液柱压力，从而降低施加在井筒易漏地层上的压力。封固完长井段易漏地层、多层易漏地层后，套管外封隔器将长井段易漏地层、多层易漏地层与上部常规地层分隔开，上部地层转为常规固井方式继续固井，直到固井完成。该方案其可有效避免高密度的水泥浆压漏地层，引发井涌井喷等安全事故。本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。附图说明附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：图1为采用根据本发明一实施例的井筒压力控制系统进行第一阶段固井操作的示意图；图2为环形空间压力剖面内示意图；图3为确定注入泵的排量以使得环形空间压力剖面维持图2所示曲线的方法流程图；图4a为分级箍处于第一状态时的剖面示意图；图4b为分级箍处于第二状态时的剖面示意图；图4c为分级箍处于第三状态时的剖面示意图；图5为采用根据本发明一实施例的井筒压力控制系统进行第二阶段固井操作的示意图；图6为采用根据本发明一实施例的井筒压力控制系统固井完成时的示意图。附图标记说明1a钻架1b钻台1c平台生活区1d上层甲板1e下层甲板1f平台主体2海平面3海床4隔水管5钻杆6防喷器组7送入接头8套管9钻井液10分级箍10a本体10b关闭套10c分级机构10d定位键10e外分级孔10f内分级孔10g剪切销钉10h解锁机构11套管外封隔器12水泥浆13环形空间14易漏失地层15承托环16阀门17质量流量计18单向阀19注入管线20注入泵21回流管线22下胶塞23重力塞24上胶塞具体实施方式以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。针对深水钻井中长井段易漏地层、多层易漏地层的难题，本发明提出了井筒压力控制系统，其利用回流管线将井筒的环形空间内的流体举升回平台，同时通过向回流管线内注入低密度流体或气体来降低回流管线内液柱压力，从而降低施加在井筒的环形空间内的易漏地层上的压力。在封固完长井段易漏地层、多层易漏地层后，打开套管外封隔器将长井段易漏地层、多层易漏地层与上部常规地层分隔开，上部地层转为常规固井方式继续固井，直到固井完成。图1为采用根据本发明一实施例的用于固井阶段的井筒压力控制系统进行第一阶段固井操作的示意图。首先结合图1对本发明的实施环境及本发明的具体实施过程进行介绍。为了进行海洋油气开采工作，首先需搭建一海上平台，该海上平台包含：钻架1a、钻台1b、平台生活区1c、上层甲板1d、下层甲板1e、平台主体1f。在搭建海上平台之后，可根据现场钻井及测井资料，获取当前井的井身结构、固井层段地层破裂压力、孔隙压力等数据，如图1所示，海床下固井层段存在三个易漏失地层，该易漏失地层具有地层破裂压力较小的特点，如若使其承受较大的压力，很容易引发井涌井喷等安全事故。在获取当前井的井身结构、固井层段地层破裂压力、孔隙压力等数据之后，可利用送入接头连接钻杆与套管(该套管可由多个套管单元串接而成)，并将分级箍以及套管外封隔器安装在套管上，套管下入井筒后恰好使分级箍以及套管外封隔器位于易漏地层上部例如20m处。之后，将连接好的套管下入到井筒内，然后开始循环输入钻井液清洗井筒内岩屑。之后，利用防喷器组6关闭套管8与井筒之间的环形空间13，打开阀门16，环形空间内返回流体不再由隔水管4返回平台，而是经由回流管线21返回平台。在回流管线21上设置有一质量流量计17，实时监控环形空间返回流体的流量。向井筒内依次下入隔离液、水泥浆以及下胶塞，隔离液用来隔离钻井液与水泥浆同时具有清洗井壁的作用。所下入的隔离液、水泥浆以及下胶塞会从上向下沉淀，并在井筒压力的作用下，水泥浆会将套管底部进入环形空间，并在该环形空间内从下自上沉积。水泥浆注入量用以下公式来确定：Q1=π4(H-h1)(dw2-dc2)]]>其中：Q1-第一次注入水泥浆用量，m3；H-总井深，m；h1-分级箍深度，m；dw-井筒直径，m；dc-套管外径，m。图6对这里提及的相关参数进行了标注。在水泥浆在所述环形空间内从下自上沉积的过程中，对于其所经过的易漏地层，很可能会压力过大而压裂该易漏地层，因为水泥浆本身密度很大，如果环形空间内该易漏地层上部的水泥浆高度达到一定高度时，会导致该遗漏地层承受很大的压力。为了解决该问题，本发明增设一回流管线21，该回流管线21可将井筒的环形空间内的流体(例如，钻井液、隔离液等等)举升回平台，同时通过控制注入泵20通过注入管线19向回流管线21内注入低密度流体或气体来降低回流管线21内液柱压力，从而降低施加在井筒的环形空间内的易漏地层上的压力。所述注入管线19上安装有单向阀18，从而使得注入流体只能流入到回流管线21内，而回流管线21内流体不能返回到注入管线19内。向回流管线21内注入低密度流体或气体目的是降低回流管线21的液柱压力，从而防止高密度的水泥浆压漏地层，但注入过多的低密度流体或气体会使井筒压力低于地层孔隙压力，因此需要确定一个合理的注入量，以使得环形空间压力剖面内任意深度的压力均处于地层破裂压力与地层孔隙压力之间，具体可如图2所示。如图2所示，其示出了3条曲线，分别代表环形空间内压力、底层破裂压力、及地层孔隙压力，环形空间内压力位于所述底层破裂压力与地层孔隙压力之间，也就代表着环形空间压力剖面内任意深度的压力均处于地层破裂压力与地层孔隙压力之间。本发明的目的即为使得环形空间压力剖面达到图2所述的状态。图3为确定注入泵的排量以使得环形空间压力剖面维持图2所示曲线的方法流程图。如图3所示，本发明一实施例提供的井筒压力控制系统内的控制装置可执行以下操作：步骤S310，获取所述环形空间内的循环流量及所述环形空间内水泥浆上液面的深度。该循环流量通可从质量流量计17读取，环形空间内水泥浆上液面深度可根据水泥浆注入量以及套管及井筒尺寸来计算得出。步骤S320，选取注入泵的初始排量。该初始排量主要用于后续进行调整以确定最终排量之用，该初始排量可选取任意排量，例如与质量流量计读数相等的排量。步骤S330，根据所述循环流量及所述水泥浆上液面的深度，计算所述环形空间的压力剖面。井深h处压力具体计算方法如下：p=ρ‾ghsea+0.2Lvrl2frlρ‾drl+ρmg(h-hsea)+2fmρm(h-hsea)vm20.8165(dw-dc),(h<hc)]]>p=ρ‾ghsea+0.2Lvrl2frlρ‾drl+ρmg(hc-hsea)+2fmρm(hc-hsea)vm20.8165(dw-dc)+ρcg(h-hc)+2fcρc(h-hc)vc20.8165(dw-dc),(h>hc)]]>其中，vm=4(q+Q)π(dw2-dc2),vc=4(q+Q)π(dw2-dc2)]]>式中，hc为环形空间内水泥浆上液面深度，m；p为压力，Pa；为混合流体密度，由于在注入隔离液和水泥浆之前，井筒内充满了钻井液，该混合流体主要指钻井液、隔离液、以及低密度流体气体的混合物，kg/m3；ρ为注入流体或气体密度，kg/m3；ρm为钻井液密度，kg/m3；q为低密度流体或气体注入量，m3；Q为井筒内实时循环流量，m3；hsea为海水深度，m；g为重力加速度，m/s2；L为回流管线长度，m；frl为回流管线内流体摩阻系数，无量纲；vrl为回流管线内流体流速，m/s；drl为回流管线内径，m；fm为环形空间内钻井液与井壁之间的摩阻系数，无量纲；vm为环形空间内钻井液流速，m/s；ρc为水泥浆密度，kg/m3；fc为环形空间内水泥浆与井壁之间的摩阻系数，无量纲；vc为环形空间内水泥浆流速，m/s。步骤S340，将步骤S330处所计算得到的环形空间压力剖面与地层破裂压力剖面进行比较，判断是否任意深度的压力环形空间压力均小于该深度下的地层破裂压力，如果是，则继续执行步骤S350；如果否，则执行步骤S341。步骤S341，增大所述注入泵的排量。步骤S350，将步骤S330处所计算得到的环形空间压力剖面与地层孔隙压力剖面进行比较，判断是否任意深度的压力环形空间压力均小于该深度下的地层孔隙压力，如果是，则继续执行步骤S360；如果否，则执行步骤S351。步骤S351，减小所述注入泵的排量。步骤S360，控制所述注入泵以所确定的排量注入所述流体或气体，该注入可持续一预定时间，例如1分钟，之后继续执行步骤S370。该预定时间可设定的越小越好，以使得注入泵排量调节更为精准，减小环形空间压力剖面不在地层孔隙压力剖面与地层破裂压力之间的概率。需要说明的是，在该步骤S360之前的所有步骤均只是为了确定注入泵的合适排量所进行的前期计算，并未真正控制注入泵注入所述流体或气体。步骤S370，判断水泥浆是否已上返至套管外封隔器处。如果否，则继续执行上述步骤S310-S360，继续对注入量进行调整，否则不再对注入量进行调整，执行步骤S380。步骤S380，控制注入泵维持当前排量。当水泥浆上返至位于所述环形空间内且位于易漏地层上部的套管外封隔器11处时，在下胶塞22运行至承托环15位置处时，套管底部被封闭，环形空间内的水泥浆不会向套管内返回。此时，控制装置可打开所述套管外封隔器，以封隔所述易漏地层。可通过控制钻井液输入泵向套管内施加压力(例如，1500psi)，利用液压作用打开套管外封隔器，封隔易漏地层。在所述套管外封隔器封隔所述易漏地层之后，可对分级箍进行操作，以使其连通所述套管与所述套管外封隔器上方的环形空间，从而可在所述套管内注入水泥浆，该水泥浆可在落入到所述分级箍位置处之后，经由该分级箍向上循环至所述套管与所述套管外封隔器上方的环形空间，从而完成所述套管外封隔器上方的环形空间的水泥浆注入，且不会对所述套管外封隔器下方的环形空间造成压力，避免了所述套管外封隔器下方易漏地层因压力过大的破裂。图4a、图4b及图4c分别示出了分级箍处于第一状态、第二状态及第三状态时的剖面示意图。如图4a-4c所示，所述分级箍包含：本体10a，该本体10a两侧分别具有外分级孔10e；分级机构10c；以及关闭套10b，该关闭套10b两侧分别具有内分级孔10f，当所述分级箍处于第一状态时，受到所述分级机构10c的遮蔽，所述本体10a两侧的外分级孔10e及所述关闭套10b两侧的内分级孔10f这四者不能相互连通；当所述分级箍处于第二状态时，所述分级机构10c被移位，所述本体10a两侧的外分级孔10e及所述关闭套10b两侧的内分级孔10f这四者相互连通；当所述分级箍处于第三状态时，所述关闭套10b被移位，所述外分级孔10e与所述内分级孔10f相错开，且所述本体10a两侧的外分级孔10e被所述关闭套10b的遮蔽。其中，所述分级箍还包含：剪切销钉10g，在所述分级箍处于第一状态时，所述分级机构10c经由该剪切销钉10g而与所述本体10a固定连接；以及定位键10d，位于所述本体10a下端，在所述剪切销钉10g被剪断之后，所述分级机构10c向下运动，直至该分级机构10c的下端坐落到所述定位键10d上。另外，所述分级箍还包含：解锁机构10h，在所述分级箍处于所述第一状态或所述第二状态时，所述本体10a与所述关闭套10b经由该解锁机构固定连接，在该解锁机构10h被解锁之后，所述关闭套10b向下运动，直至该关闭套10b坐落到所述分级机构10c上，此时所述分级箍处于所述第三状态。通过对所述该剪切销钉10g及解锁机构10h进行操作，可实现所述分级箍与第一、第二及第三状态之间的切换，当然，本发明所提供的分级箍并不仅限于包含上述剪切销钉及解锁机构，其他可实现类似功能的组件亦可适用于此。以下结合图5及图6介绍对该分级箍的操作。如图5所示，在所述套管外封隔器封隔所述易漏地层之后，可向所述套管内投入重力塞23，该重力塞23自由下落到分级箍的分级机构10c位置处，重力塞23的尺寸正好大于分级机构10c，该重力塞23会卡在分级机构处，就可以通过例如钻井液注入泵向套管内施加液压了，当该液压达到一定程度时，可剪断分级机构10c与本体10a之间的剪切销钉10g，将分级机构10c向下推直到分级机构下端坐落于定位键10d位置处，此时连通在一起的本体10c上的外分级孔10e与关闭套10b上的内分级孔10f露出，将套管与封隔器上方的环空连通起来。在分级箍将套管与封隔器上方的环空连通起来之后，可通过操作开防喷器组打开环形空间，关闭阀门16，环形空间的返回流体不再由回流管线返回平台，而是经由隔水管4返回平台。之后，套管内依次注入隔离液、水泥浆以及上胶塞24。水泥浆注入量用以下公式来确定，该水泥浆注入量正好是分级箍到海床位置之间环形空间的体积：Q2=π4(h1-hsea)(dw2-dc2)]]>其中：Q2为第二次注入水泥浆用量，m3。循环水泥浆使其通过分级箍的内外分级孔进入环形空间向上返(如图5所示)，当上胶塞24运行至关闭套10b位置处时(如图6所示)，水泥浆上返至海床位置处，此时可向套管内施加压力，利用液压作用解锁关闭套10b与本体10a，关闭套10b向下移动，直到关闭套10b下部坐落于分级机构10c上，此时关闭套10上的内分级孔10f与本体10a上的外分级孔10e错开，套管内与环形空间之间连通被关闭。静置一段时间，等待水泥浆侯凝，固井完成。以上已结合整个固井过程对本发明的方案进行了描述，图1及图5示出了固井的2个阶段，图1为对涉及到易漏地层的环形空间注入水泥浆的阶段，即第一阶段，该阶段需要调节好低密度流体或气体的注入量，确保环形空间压力剖面处于地层破裂压力剖面与地层孔隙压力剖面之间，从而避免易漏地层被压裂。图5为在环形空间内的水泥浆上液面到达易漏地层之上的套管外封隔器之后打开套管外封隔器并对该套管外封隔器器之上的环形空间注入水泥浆的阶段，即，第二阶段。图6为第二阶段结束时的示意图，此时水泥浆上液面已到达海床。通过本发明的方案，可确保易漏地层不会在固井过程被压裂，避免了井涌井喷等安全事故的发生。以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。当前第1页1 2 3