钻井液循环系统、减小钻井起钻抽吸压力的方法及设备与流程

本发明实施例涉及钻井工程技术领域，尤其涉及一种钻井液循环系统、减小钻井起钻抽吸压力的方法及设备。

背景技术：

随着油气开采向深部地层及深水方向发展，钻遇窄安全密度窗口的情况越来越多，在窄安全密度窗口环境中，由于地层孔隙压力接近破裂压力，钻井起下钻作业引起井底压力波动，使得井底压力易超出窗口范围，从而导致溢流、井漏等井下复杂事故的产生。

井底压力波动受起下钻速度、井深、钻井液密度、钻井液粘度、钻井液流变性、起下钻深度等影响的主要因素。起钻速度、钻井液粘度、钻井液密度越大，井深越深，起钻深度越深，起钻作业引起的井底抽吸压力越剧烈，所造成的后果也越严重。

现有降低抽吸压力的方法为在起钻作业时，尤其在起钻的早期，尽量降低起钻速。井深度较大，起钻时的速度就要越小。这对深井、超深井、大位移水平井作业造成很长的起钻时间，即增加了钻井的时间成本，又延长了裸眼段的裸露时间，增加了井壁失稳的风险。

基于上述情况，找到一种降低起钻时抽吸压力，即使在深井起钻过程中也可以使用较大的起钻速度，从而增加起钻的安全性，降低起钻过程中的事故风险，又减少起钻时间，降低钻井成本的方法，就成为业内亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明实施例提供了一种钻井液循环系统、减小钻井起钻抽吸压力的方法及设备。

第一方面，本发明的实施例提供了一种钻井液循环系统，包括：钻具组合、泥浆回流管、第一旋流阀、起下钻泵组件、第二旋流阀、起下钻泵流管和固相控制系统；

所述钻具组合，与所述泥浆回流管连接，用于执行正常钻进；所述泥浆回流管，与所述第一旋流阀连接，用于输送回流泥浆；所述第一旋流阀，与所述泥浆回流管连接，用于控制泥浆回流管的通断；所述起下钻泵组件，与所述起下钻泵流管连接，用于向起下钻泵流管泵入回流泥浆；所述第二旋流阀，与所述起下钻泵流管连接，用于控制起下钻泵流管的通断；所述起下钻泵流管，与所述钻具组合连接，用于输送回流泥浆；所述固相控制系统，与所述第三旋流阀和泥浆罐连接，用于对钻井液中的固相颗粒实施控制分离。。

进一步地，所述钻具组合，包括：顶驱、钻杆、钻铤和钻头；

所述顶驱，与所述起下钻泵流管和钻杆连接，用于带动所述钻杆旋转；所述钻杆，与所述顶驱连接，用于带动所述钻铤旋转；所述钻铤，与所述钻杆连接，用于带动所述钻头旋转；所述钻头，与所述钻铤连接，用于执行钻进打井。

进一步地，所述起下钻泵组件，包括：起下钻泥浆罐和起下钻泵；所述起下钻泥浆罐，与所述第一旋流阀连接，用于盛装回流泥浆；所述起下钻泵，与所述起下钻泥浆罐和起下钻泵流管连接，用于向起下钻泵流管泵入回流泥浆。

进一步地，本发明的实施例提供了一种钻井液循环系统，还包括：

第三旋流阀、泥浆罐、泥浆混合池和泥浆泵；

所述第三旋流阀，与所述固相控制系统连接，用于控制泥浆回流管的通断；所述泥浆罐，与所述固相控制系统连接，用于盛装回流泥浆；所述泥浆混合池，与所述泥浆罐连接，用于向泥浆罐中加入混合料；所述泥浆泵，与所述泥浆罐和钻具组合连接，用于将回流泥浆泵入所述钻具组合中。

第二方面，本发明的实施例提供了一种减小钻井起钻抽吸压力的方法，包括：关闭所述第三旋流阀，打开所述第一旋流阀和第二旋流阀，根据起下钻泵参数，确定起钻速度，起下钻泵将回流泥浆泵入起下钻泵流管，回流泥浆通过起下钻泵流管进入所述钻具组合；回流泥浆通过所述钻具组合进入井底，消除提钻抽吸压力。

进一步地，所述起下钻泵参数，包括：钻具组合内部摩擦压力损失、环空摩擦压力损失、紊流、惯性压力波动分量和泥浆凝胶状态下启动泥浆回流所需压力。

进一步地，本发明实施例提供的一种减小钻井起钻抽吸压力的方法，还包括：在起钻前，先开启起下钻泵，起钻完成后，再关闭起下钻泵。

第三方面，本发明的实施例提供了一种减小钻井起钻抽吸压力的装置，包括：

泥浆回流模块，用于实现关闭所述第三旋流阀，打开所述第一旋流阀和第二旋流阀，根据起下钻泵参数，确定起钻速度，起下钻泵将回流泥浆泵入起下钻泵流管，回流泥浆通过起下钻泵流管进入所述钻具组合；

消除起钻抽吸压力模块，用于实现回流泥浆通过所述钻具组合进入井底，消除提钻抽吸压力。

第四方面，本发明的实施例提供了一种电子设备，包括：

至少一个处理器；以及

与处理器通信连接的至少一个存储器，其中：

存储器存储有可被处理器执行的程序指令，处理器调用程序指令能够执行第二方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的钻井液循环系统、减小钻井提钻抽吸压力的方法。

第五方面，本发明的实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令使计算机执行第二方面的各种可能的实现方式中任一种可能的实现方式所提供的钻井液循环系统、减小钻井起钻抽吸压力的方法。

本发明实施例提供的钻井液循环系统、减小钻井提钻抽吸压力的方法及设备，通过在钻井液循环系统加入一支回流泥浆循环回路，并确定钻头的相应参数，并将起钻和正常钻进的回路分开使用，可以有效减小钻井起钻抽吸压力。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明实施例提供的钻井液循环系统结构示意图；

图2为本发明实施例提供的减小钻井起钻抽吸压力的方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的钻柱内速度剖面示意图；

图4为本发明实施例提供的起钻时环空速度分布示意图；

图5为本发明实施例提供的减小钻井起钻抽吸压力的装置结构示意图；

图6为本发明实施例提供的电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

现有的钻井液循环系统，由于大多依赖工程设计，配合现有钻井设备对井底压力实现控制，此工程设计基于井底压力明确，钻井工况单一，而实际的钻井过程本身工况复杂，地层信息并不能准确掌握，无法安全、高效的完成钻井作业。基于这种情况，本发明实施例提供了一种钻井液循环系统，参见图1，该系统包括：

顶驱101、钻杆103、环空104、钻铤105、钻头106、泥浆回流管、起下钻泥浆罐112、起下钻泵108、第一旋流阀109、起下钻泵组件、第二旋流阀107、第三旋流阀110、泥浆罐114、泥浆混合池115、泥浆泵113、起下钻泵流管和固相控制系统111；其中，顶驱101、钻杆103、环空104、钻铤105和钻头106组成钻具组合；起下钻泥浆罐112和起下钻泵108组成起下钻泵组件。

所述钻具组合，与所述泥浆回流管连接，用于执行正常钻进；

所述泥浆回流管，与所述第一旋流阀109连接，用于输送回流泥浆；

所述第一旋流阀109，与所述泥浆回流管连接，用于控制泥浆回流管的通断；

所述起下钻泵组件，与所述起下钻泵流管连接，用于向起下钻泵流管泵入回流泥浆；

所述第二旋流阀107，与所述起下钻泵流管连接，用于控制起下钻泵流管的通断；

所述起下钻泵流管，与所述钻具组合连接，用于输送回流泥浆；

所述固相控制系统111，与所述第三旋流阀110和泥浆罐114连接，用于对钻井液中的固相颗粒实施控制分离；

所述顶驱101，与所述起下钻泵流管和钻杆103连接，用于带动所述钻杆102旋转；

所述钻杆103，与所述顶驱101连接，用于带动所述钻铤105旋转；

所述钻铤105，与所述钻杆103连接，用于带动所述钻头106旋转；

所述钻头106，与所述钻铤105连接，用于执行钻进；

所述起下钻泥浆罐112，与所述第一旋流阀109连接，用于盛装回流泥浆；

所述起下钻泵108，与所述起下钻泥浆罐112和起下钻泵流管连接，用于向起下钻泵流管泵入回流泥浆。

所述第三旋流阀110，与所述固相控制系统111连接，用于控制泥浆回流管的通断；

所述泥浆罐114，与所述固相控制系统111连接，用于盛装回流泥浆；

所述泥浆混合池115，与所述泥浆罐114连接，用于向泥浆罐114中加入混合料；

所述泥浆泵113，与所述泥浆罐114和钻具组合连接，用于将回流泥浆泵入所述钻具组合中。

继续参见图1，图1中包括正常钻进通道和起钻循环通道，其中两条通道并联。所述的正常钻进通道装备设置与现有循环系统相同，不再赘述，仅在固相控制系统上游设置有第一旋流阀109，所述起钻循环通道依次设置有第二旋流阀107、起下钻泵108和第三旋流阀110。在本发明提供的实施方式中，上述第一、第二和第三旋流阀具体可以用于控制通道的通或断。具体地，在正常钻进的过程中需要打开第三旋流阀110，同时关闭第一旋流阀109、第二旋流阀107，打开正常钻进通道上的泥浆泵113，关闭起下钻泵108，具体的钻进操作程序本行业领域已实施多年，在此不再赘述。在起钻过程中，为了控制井筒内抽吸压力，需要开泵向井筒内循环钻井液。具体的，需要关闭第三旋流阀110，同时打开第一旋流阀109、第二旋流阀107，关闭正常钻进通道上的泥浆泵113，打开起下钻泵108，确定好最大起钻速度，根据计算所得的循环流量设置起下钻泵参数，由起下钻泵108将起下钻泥浆罐112中的钻井液通过起下钻泵流管从顶驱101上的立根，经过钻杆103、钻铤105和钻头106泵入到井底，以消除抽吸压力，井底钻井液又通过环空104和泥浆回流管，回到起下钻泥浆罐112，当起完一个立根，停止起钻，关闭起下钻泵108，卸扣，进入下一个起钻过程，形成循环，直至起钻结束。泥浆罐114将待处置废泥浆排出。

本发明实施例提供了一种减小钻井起钻抽吸压力的方法，参见图2，该方法包括：

2001、关闭所述第三旋流阀，打开所述第一旋流阀和第二旋流阀，根据起下钻泵参数，确定起钻速度，起下钻泵将回流泥浆泵入起下钻泵流管，回流泥浆通过起下钻泵流管进入所述钻具组合；

2002、回流泥浆通过所述钻具组合进入井底，消除起钻抽吸压力。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的减小钻井起钻抽吸压力的方法，所述起下钻泵参数，包括：钻具组合内部摩擦压力损失、环空摩擦压力损失、紊流、惯性压力波动分量和泥浆凝胶状态下启动泥浆回流所需压力。其中，钻具组合内部摩擦压力损失的计算可以参见图3，(i)和(ii)区域的流体流速分布可以表示如下：

其中，c1和c2为积分常数，通过应用边界条件计算得到；μapp为表观粘度；τy为屈服值；γ为剪切速率；k为流体稠度系数；m为流性指数；为压力梯度。

流核区半径为：

速度剖面的边界条件为：

r＝rp,v＝vp

其中，a为流核区半径；rp为钻柱内半径；vp为钻柱移动速度。

管内净流量可以表示为：

式中，vii为核流区流速，vii＝vi(a)。

i区速度剖面采用数值积分法求出。通过应用辛普森法则，qp等式中的积分可以转化为：

式中，h为数值积分步骤，而且

其中，r1为介于r0和r2之间的任意值。

利用这种方法逐步计算压力梯度的步骤如下所示：

1.假设压强梯度δp/δl；

2.计算a1；

3.根据公式计算流核区域半径；

4.利用边界条件r＝a,计算c1；

5.假设流核区域的速度vii；

6.利用公式对从r＝a到r＝rp的速度剖面进行积分，得到管壁vp_guess处的速度；

7.将vp与vp_guess进行比较，如果相差过大，则回到步骤5，改变所假设的流区速度，重复步骤6和步骤7。否则，继续步骤8；

8.进行数值积分，计算管内净流量qguess；

9.将qguess与实际流量qreal进行比较，如果qguess>qreal，则返回步骤1并减小δp/δl；如果qguess<qreal，返回到步骤1并增加，直到收敛。

环空摩擦压力损失

环空流体流动比钻柱内部流体流动复杂。可能出现三种情况，取决于起下钻速度和泵送流量：(a)qpumping>qdisplaced(qpumping为泵送流量，qdisplaced为钻柱位移的等效流量)，平均流速方向与起下钻方向相同；(b)qpumping＝qdisplaced，平均流速为零；(c)qpumping<qdisplaced，平均流速方向与起下钻方向相反。不同区域的流速分布如图4所示。各区域的速度分布可以表示为：

区域i：

区域ii：

其中：

其中，y1和y2为速度变换区分点的距离值；h为钻柱到井壁的距离。

对于图4中的情形(c)，每个区域的速度剖面可以表示为：

区域i：

区域ii：

流核区域的厚度可以表示为：

y＝y1和y＝y2处的流体速度应该相等。结合公式进行组合可得：

同理，对于图4所示(a)、(b)情况，将公式进行组合，得到：

总流量为各区域流量之和：

qpumping为总的泵送流量，qdisplaced为单位时间内由钻柱替换的流体体积，qdisplaced对于下钻是正的，对于起钻是负的，w为系统参数，该方法的算法如下：

根据泵送流量和起下钻速度计算环空总流量qt，得到该方向的平均流量；

2.从图3中选择速度剖面，并确定可以表示速度剖面的方程；

3.根据平均流速方向推测压力梯度；

4.利用公式(3)和(4)对所有参数进行无量纲转换；

5.根据公式(7)计算出段塞区域的厚度；

6.通过数值方法求解方程(8)或(9)(这两个方程适用于不同的速度剖面)进行计算(可以选用牛顿法)；

7.计算每个区域的速度分布；

8.对速度剖面进行积分，计算环空总流量qt_guess；

9.比较实际流量qt，和猜测流量qt_guess，如果差异大于余量，回到步骤3改变压力梯度，然后重复步骤8。否则，系统收敛并输出压力梯度。

紊流：

在湍流状态下，考虑钻柱运动压力损失的方法是利用流体流动与钻柱移动之间的相对流速。

计算固定钻柱内摩擦损失的公式为：

式中d为钻杆内径；f为摩擦系数；g为重力加速度；q为流量；a为过流断面截面积；ρ为钻井液密度。

如果钻杆运动速度为v，则可以采用以下公式：

两壁面固定的环空摩擦损失可以表示为：

式中，di为环空内径；d0为外径。

如果钻杆在移动，可以将上述公式改为有移动内壁和固定外壁的环形，摩擦损失可以表示为：

惯性效应：

惯性压力波动分量是由于泥浆柱抵抗运动变化的趋势而产生的。它可以通过以下方式表示：

对于堵口管：

对于开口管：

其中，ρ为钻井液密度；αp为加速度；dp为钻具外径；di为钻具内径；dw为井眼的直径。

凝胶效应：

计算泥浆凝胶和启动流体循环所需压力的计算公式为：

钻柱内部所需压力：

环空所述压力：

其中，ζ为钻井液胶体强度，即静止的钻井液流动前所需要克服的强度(阻力)。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的减小钻井起钻抽吸压力的方法，还包括：在起钻前，先开启起下钻泵，起钻完成后，再关闭起下钻泵。

本发明实施例提供的钻井液循环系统、减小钻井起钻抽吸压力的方法及设备，通过在钻井液循环系统加入一支回流泥浆循环回路，并确定钻头的相应参数，并将起钻和正常钻进的回路分开使用，可以有效减小钻井起钻抽吸压力。

本发明各个实施例的实现基础是通过具有处理器功能的设备进行程序化的处理实现的。因此在工程实际中，可以将本发明各个实施例的技术方案及其功能封装成各种模块。基于这种现实情况，在上述各实施例的基础上，本发明的实施例提供了一种钻井液循环系统、减小钻井起钻抽吸压力的装置，该装置用于执行上述方法实施例中的钻井液循环系统、减小钻井起钻抽吸压力的方法。参见图5，该装置包括：

泥浆回流模块501，用于实现关闭所述第三旋流阀，打开所述第一旋流阀和第二旋流阀，根据起下钻泵参数，确定起钻速度，起下钻泵将回流泥浆泵入起下钻泵流管，回流泥浆通过起下钻泵流管进入所述钻具组合；

消除起钻抽吸压力模块502，用于实现回流泥浆通过所述钻具组合进入井底，消除提钻抽吸压力。

本发明实施例提供的减小钻井提钻抽吸压力的装置，采用泥浆回流模块和消除起钻抽吸压力模块，通过在钻井液循环系统加入一支回流泥浆循环回路，并确定钻头的相应参数，并将起钻和正常钻进的回路分开使用，可以有效减小钻井起钻抽吸压力。

本发明实施例的方法是依托电子设备实现的，因此对相关的电子设备有必要做一下介绍。基于此目的，本发明的实施例提供了一种电子设备，如图6所示，该电子设备包括：至少一个处理器(processor)601、通信接口(communicationsinterface)604、至少一个存储器(memory)602和通信总线603，其中，至少一个处理器601，通信接口604，至少一个存储器602通过通信总线603完成相互间的通信。至少一个处理器601可以调用至少一个存储器602中的逻辑指令，以执行如下方法：固相控制系统关闭所述第三旋流阀，打开所述第一旋流阀和第二旋流阀，根据起下钻泵参数，确定起钻速度，起下钻泵将回流泥浆泵入起下钻泵流管，回流泥浆通过起下钻泵流管进入所述钻具组合；回流泥浆通过所述钻具组合进入井底，消除提钻抽吸压力。

此外，上述的至少一个存储器602中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。例如包括：关闭所述第三旋流阀，打开所述第一旋流阀和第二旋流阀，根据起下钻泵参数，确定起钻速度，起下钻泵将回流泥浆泵入起下钻泵流管，回流泥浆通过起下钻泵流管进入所述钻具组合；回流泥浆通过所述钻具组合进入井底，消除提钻抽吸压力。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。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。