用于控制井筒压力的设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及油气开发钻井技术领域，特别涉及用于控制井筒压力的设备及方法。
【背景技术】
[0002]为了达到提高机械钻速、减少储层污染、避免泥浆漏失、增加井眼稳定、控制溢流井涌等目的，近年来控制压力钻井和井控技术成为国内外钻井研究中的热点领域。
[0003]现有技术中的HydroPulse?脉冲工具利用流动循环阀阀门的开启和关闭来间歇式地阻断来流，对钻头施加冲击力，从而形成吸入压力脉冲，产生吸入脉冲钻井效果。
[0004]在现有技术中，已经基于附壁射流原理开发出了负压脉冲工具，其基本原理是:当高速液流经过喷嘴时卷吸旁道内的液体，使其向上流动，此时在阀的受力面上，阀体受到推动向下移动，直至关闭，由于液流的瞬间中断，在井底钻头附近就产生了相对负压区。
[0005]现有技术中还存在Anderhammer工具,其工作原理则是:钻井液通过上接头进入流道盘的喷嘴后进行分流，一部分进入衬套和筒体的环空，一部分进入定子衬套来驱动螺杆旋转，并继续下行，在套筒中和另一部分钻井液汇合，然后经由回转中心轴上端的径向流道口进入中心轴，流向上盘阀，上盘阀的旋转使上盘阀与下盘阀的流道时开时闭，液流在这种情况下将会出现闭则升压，开则泄压，由此产生脉冲射流和脉冲压力。
[0006]上述3种工具仅能对井底压力形成影响。
[0007]针对欠平衡钻井技术在海上钻井中难以解决的一些问题，近几年还开发出了更为复杂同时功能更为强大的控制压力钻井(MPD)技术和控制钻井液帽(CMC)钻井技术。控制压力钻井(MPD)技术是由欠平衡钻井(UBD)技术和动力钻井技术综合发展起来的一项新技术，它利用封闭的钻井液循环设备，通过液力井的模拟程序来反馈数据，预测环空压力剖面，从而使自动控制压力设备自动调节节流阀，产生微小调节量来精确控制整个井眼的环空压力剖面。控制钻井液帽(CMC)钻井技术是控制压力钻井(MPD)技术在深水钻井应用中的新发展，它既能当作开放式循环设备操作，又能当作封闭式循环设备操作，同时使用较重的钻井液，通过水下钻井液举升泵设备调节钻井液帽在隔水管内的位置，从而快速、准确地调节井底压力。
[0008]上述这些工具与设备存在三个方面的问题:一是部分工具和设备是由流动的钻井液直接驱动，这种方式仅能对井底压力形成影响；二是需要占用钻井设备有限的可资利用的循环压力，即在产生压力控制效果的同时，必然会引起钻头压降的降低，从而影响钻头水马力和水力冲击力，对破岩产生不利影响；三是一旦钻井泵出现故障，或者循环设备发生泄漏(包括海洋套管)，井眼压力剖面将立即发生改变，这有可能导致发生井漏、溢流、井塌等复杂的情况。
【发明内容】
[0009]如上所述，现有技术中存在如下问题:首先，现有技术中用于控制井筒压力的工具仅能对井底压力形成影响，无法在井筒的纵向方向上实现统一、整体的控制；其次，现有技术中用于控制井筒压力的工具需要占用钻井设备有限的可资利用的循环压力，必然会引起钻头压降的降低，产生不利影响；再次，一旦钻井泵出现故障，或者循环设备发生泄漏(包括海洋套管)，井眼压力剖面将立即发生改变，这有可能导致发生井漏、溢流、井塌等复杂的情况，而现有技术中的井筒压力控制工具和方法不能够及时、有效地进行应对。
[0010]据此，本发明提出了一种用于控制井筒压力的设备，其不仅能够对全井筒的压力实施控制，而且不依赖泥浆循环设备，可独立发挥作用。
[0011]本发明提出了一种用于控制井筒压力的设备，包括安装在钻杆上的至少一个测量传感器和至少一个压力影响元件，以及用于控制所述压力影响元件的控制器，所述测量传感器将所检测到的井筒参数发送给所述控制器，所述控制器根据接收到的井筒参数控制所述压力影响元件不工作或影响周围流体的压力状态。
[0012]通过根据本发明的用于控制井筒压力的设备，首先根据所检测到的井筒参数，可以实时掌控整个纵向方向上的井筒状态，再通过控制器控制压力影响元件，在井筒的纵向方向上实现统一、整体的控制。同时，根据本发明的设备的运作独立于泥浆循环系统，不需要消耗液力，保证了钻头所需的液力。
[0013]优选地，所述压力影响元件包括能够停机和运动的第一子部分和/或第二子部分，所述第一子部分能够沿第一方向运动，所述第二子部分能够沿第二方向运动。在压力影响元件中设置两个具有不同功能的子部分，可以灵活地影响其周围流体的压力状态。通过两个子部分的协调，可以单向或双向地进行压力的控制。
[0014]优选地，当井筒参数显示为正常钻进时，通过所述控制器控制所述压力影响元件的第一子部分和/或第二子部分停机；当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生井漏时，通过所述控制器控制相邻于所述特定的测量传感器的压力影响元件的第一子部分沿第一方向运动；和/或当特定的测量传感器所检测到的井筒参数显示为发生溢流时，通过所述控制器控制相邻于所述特定的测量传感器的压力影响元件的第二子部分沿第二方向运动。
[0015]由此可见，一旦钻井泵出现故障，或者循环设备发生泄漏，井眼压力剖面将立即发生改变，这有可能导致发生井漏、溢流、井塌等复杂的情况，而通过根据本发明的设备能够及时、有效地进行应对。针对正常钻进、井漏和溢流等不同的情况分别采取不同的应对方案。通过第一子部分、第二子部分的配合来调节流体压力，以抵消井漏和溢流所造成的损害。
[0016]优选地，当所述压力影响元件的第一子部分沿第一方向运动时，井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值减小，当所述压力影响元件的第二子部分沿第二方向运动时，井筒内环空静液柱压力与地层破裂压力之间的差值增大。通过改变所述差值，可以缓解甚至消除由井漏或溢流所造成的影响。
[0017]优选地，根据所述压力影响元件离井漏或溢流的发生位置点的距离和井筒内环空液流的流量的不同，通过所述控制器来调整所述压力影响元件的第一子部分和/或第二子部分的运动速度和运动时间。如此可以实施更精准的控制，目的性明确，应变灵活。
[0018]优选地，随着所述压力影响元件远离井漏或溢流的发生位置点，通过所述控制器控制所述压力影响元件的第一子部分和/或第二子部分的运动速度，使其逐渐降低至零。如此可以实施更精准的控制，目的性明确，应变灵活。
[0019]优选地，所述传感器的类型为靶式压力传感器、超声波传感器或电容传感器。如此，根据本发明的设备可用来探测多种不同的井筒参数，有利于全面地了解井筒状态，以便控制器进行判断和控制。
[0020]优选地，所述压力影响元件的第一子部分和/或第二子部分的类型为涡轮泵、轴流泵、叶片泵或柱塞泵。
[0021]优选地，所述设备还包括用于调整钻头方向的导向装置，所述控制器根据来自所述传感器的参数判断井筒状态后对所述导向装置下达针对方向的指令。如此还可以同时完成对整个钻杆进行导向的功能。
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