專利名稱：用于保持鉆井壓力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及通過地面 下巖石地層鉆進(jìn)鉆井的領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于在多種長(zhǎng)度的鉆桿組裝或拆卸的過程中控制鉆井壓力的方法。
背景技術(shù)：
通過地面下巖石地層鉆進(jìn)鉆井包括使布置在布置于鉆井中的鉆桿末端的鉆頭旋轉(zhuǎn)。各種裝置用于在通過管泵送鉆液的同時(shí)使管和/或鉆頭旋轉(zhuǎn)。鉆液具有多種功能，即，使鉆頭冷卻并潤(rùn)滑，將鉆屑清出鉆井，并且通過液壓以保持鉆井機(jī)械穩(wěn)定性并且抑制各種可滲透地面下地層中處于壓力下的流體進(jìn)入鉆井。本領(lǐng)域公知的是，使用具有比施加充分液壓的鉆液比重低的比重的鉆液來保持這些地層中的流體。在授予van Riet且與本發(fā)明為共同擁有人的美國(guó)專利6，904，981中描述了一種這樣的技術(shù)。通常，在’981專利中描述的系統(tǒng)使用旋轉(zhuǎn)分流器或旋轉(zhuǎn)控制頭來關(guān)閉鉆柱和鉆井壁之間的環(huán)形空間。自動(dòng)地控制出自鉆井的流以使鉆井底部的流體壓力保持為選定量。鉆桿是由以螺紋方式首尾耦合的多個(gè)單獨(dú)的管段(“接頭”)組裝而成的。為了加長(zhǎng)鉆井，需要一次又一次地向鉆桿增加接頭。為了從鉆井中移除鉆桿，例如更換鉆頭，需要以螺紋方式將鉆桿的分部(“支架”)與鉆桿的剩余在鉆井中的部分分離。例如，當(dāng)使用van Riet的’ 981專利中所述的系統(tǒng)時(shí)，期望在鉆桿中包含單向(“止回”)閥，以使得當(dāng)鉆桿的上部打開即與方鉆桿或頂部驅(qū)動(dòng)器分離時(shí)，防止鉆液沿鉆柱向上回流。利用反壓泵或者通過將來自鉆井單元流體泵的流中的一些分流到環(huán)形空間中來保持環(huán)形壓力。授予von Eberstein, Jr等人的美國(guó)專利6，823，950描述了一種用于海底鉆井系統(tǒng)的在連接期間保持鉆井壓力的技術(shù)，其中井口位于海底，并且豎管將鉆井與水面上的鉆井單元流體連接?！?50專利中所公開的方法要求用較高密度的流體來填充與豎管系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的輔助流體管線和/或?qū)毫κ┘拥竭@種管線以保持鉆井中的選定流體壓力。使用’950專利中所描述的方法的一個(gè)特別的缺陷是，在連接期間從鉆進(jìn)切換到保持鉆井壓力要求鉆井單元的操作員在從使用鉆井單元泵進(jìn)行鉆進(jìn)轉(zhuǎn)變到實(shí)現(xiàn)連接所需的條件的過程中作業(yè)高度小心。因?yàn)檩^高密度的流體被導(dǎo)入輔助管線中，可能存在例如u管道的風(fēng)險(xiǎn)。這會(huì)造成在鉆井中的某點(diǎn)處超過地層破裂壓力的危險(xiǎn)。所需要的是一種在從鉆進(jìn)轉(zhuǎn)變到實(shí)現(xiàn)連接的期間以及不要求在輔助管線中使用較高密度流體的連接期間保持鉆井壓力的技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
用于保持鉆井壓力的方法包括降低與鉆井中的鉆桿流體連接的鉆液泵的流量。使出自鉆井的流能夠進(jìn)入與鉆井用豎管相關(guān)聯(lián)的第一輔助管線中。關(guān)閉圍繞鉆桿的密封件。以選擇為保持鉆井中的特定壓力的速率將流體沿第二輔助管線向下泵送。停止鉆液流經(jīng)鉆桿。
本發(fā)明的其它方案以及優(yōu)勢(shì)將從下面的詳述以及所附的權(quán)利要求中變得明顯。


圖I示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的具有動(dòng)態(tài)環(huán)形壓力控制系統(tǒng)和流體循環(huán)系統(tǒng)的浮式鉆井平臺(tái)。圖2示出了在相對(duì)于鉆井深度和鉆液的實(shí)際密度循環(huán)的同時(shí)井底部的等效鉆液密度的曲線圖。圖3是示出在以選定流量通過鉆桿鉆進(jìn)和循環(huán)時(shí)保持井中的等效流體密度所需的流經(jīng)阻流管線和壓井管線的量的表。圖4是示出在管連接期間的壓力變化的曲線圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的開始連接工序的流程圖。 圖6是根據(jù)本發(fā)明的開始鉆進(jìn)的流程圖。圖7是示例性的“起下鉆”工序。圖8示出了為了使用本發(fā)明的方法而對(duì)DAPC系統(tǒng)進(jìn)行的示例性改進(jìn)。
具體實(shí)施例方式圖I示出了可與根據(jù)本發(fā)明的方法一起使用的浮式鉆井平臺(tái)10的實(shí)施例。浮式鉆井平臺(tái)I通常包括海底豎管12，海底豎管12從浮式鉆井平臺(tái)10延伸到布置在水底(泥線)的井口 14。井口 14包括關(guān)閉鉆井的各種裝置(未單獨(dú)顯示)。這種井口裝置可以包括密封鉆桿(布置在海底豎管12內(nèi))的管子閘板，以及當(dāng)鉆桿從井中移除時(shí)用于關(guān)閉鉆井的環(huán)形密封件和全封閉防噴器閘板。在本實(shí)施例中，套管28用水泥固定到鉆井25中的適當(dāng)位置處到達(dá)水底以下的選定深度并且在其上端處與井口 14耦合。為了圖示清晰起見，從圖I中省去了用于鉆探鉆井25的設(shè)備(例如，鉆桿、鉆頭等)。圖I中所示的是動(dòng)態(tài)環(huán)形壓力控制(“DAPC”)系統(tǒng)及其部件，例如授予van Riet且與本發(fā)明為共同所有人的美國(guó)專利6，904，981中所描述的系統(tǒng)。DAPC系統(tǒng)可以但不一定包括位于鉆液回流管線中的可控節(jié)流口或阻流器22、反壓泵20和DAPC控制器21。在設(shè)有或不設(shè)有DAPC系統(tǒng)的情況下，均可使用本發(fā)明。鉆井平臺(tái)10上的單獨(dú)的泵24或鉆井單元的鉆液泵(未示出)可用于以選定速率將流體流提供到鉆桿中以及因此提供到鉆井25中。壓力傳感器26可緊鄰井口 14定位并且用于指示鉆井25中的壓力。在將管段與鉆桿(未示出)組裝或拆卸的過程中，可以沿著與豎管和井口系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)輔助管線16(例如，阻流管線、壓井管線、升壓管線)將流體向下泵送。流體可沿一個(gè)或多個(gè)輔助管線18向上回流至水面。下面將參照?qǐng)D5、圖6和圖7進(jìn)一步解釋該工序。圖2示出了對(duì)于構(gòu)造靜態(tài)流體密度等效計(jì)算各個(gè)鉆井深度處的流體密度的曲線圖，由曲線44至曲線60表示。密度由“泥漿重量”來表示，本領(lǐng)域公知的是泥漿重量通常以每加侖體積的鉆液的重量的磅數(shù)來表示。從圖2的曲線44至曲線60可以觀察到，對(duì)于流入鉆井中的流體的任意特定流量，等效計(jì)算濃度相對(duì)于深度增加(“ECD”)。當(dāng)流入鉆井的流體流停止時(shí)，諸如進(jìn)行連接(即，向鉆柱增加或移除分段)，流體密度將降至其靜態(tài)值。鉆井內(nèi)任意深度處的流體壓力的限值由曲線40和曲線42指示，曲線40和42分別表示以泥漿重量等效(梯度)項(xiàng)表示的地層破裂壓力以及為了與曲線44至曲線60中所示的鉆液壓力相一致也是由泥漿重量等效項(xiàng)表示的所鉆進(jìn)的地層中的流體壓力(地層孔隙壓力)。利用圖I中示意性示出的系統(tǒng)并且參照?qǐng)D3的表，可以觀察到，通過輔助管線(例如，圖I的16和18)需要何種流量的流體流來提供以選定鉆液流量循環(huán)通過鉆桿的鉆液的等效井底壓力(“BHP”)。圖4以圖形示出了相對(duì)于鉆井深度的流體壓力(以壓力單位表示)。曲線74示出了當(dāng)未發(fā)生循環(huán)時(shí)相對(duì)于深度的流體壓力。曲線70表示相對(duì)于深度的地層流體(孔隙)壓力，并且曲線72表示相對(duì)于深度的地層破裂壓力。從圖3中可以觀察到，鉆液具有位于地層流體壓力梯度以下的靜態(tài)梯度。因此，使用具有圖3所示的靜態(tài)梯度的鉆液將需要在為了防止流體從地層流入鉆井中而中斷鉆井操作時(shí)向鉆井增加流體壓力。曲線68示出了在鉆井的同時(shí)相對(duì)于深度的鉆井流體壓力，其中鉆井平臺(tái)(或者其它)泵以每分鐘350加侖的速率運(yùn)轉(zhuǎn)。曲線62示出了當(dāng)以每分鐘150加侖將流體泵送到豎管(圖I中的12)的底部時(shí)相對(duì)于深度的流體壓力。曲線64和66分別示出了以每分鐘50加侖以及每分鐘150 加侖的速率使用圖I所示的系統(tǒng)泵送流體的同時(shí)相對(duì)于深度的流體壓力。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的開始循環(huán)工序的流程圖。首先，降低鉆機(jī)泵速率，如80所示?？梢詳嚅_壓井管線(例如，圖I中的16)以進(jìn)行壓力監(jiān)控。如果海水用于確保連續(xù)流體，泵(圖I中的24)可以較低速率運(yùn)轉(zhuǎn)以使流體沿壓井管線(圖I中的16)向下移動(dòng)。然后，例如，可以通過操作緊鄰防噴器的閥(圖I中為16A)來斷開阻流管線(圖I中的18)，如圖所示為86。當(dāng)泵(圖I中的24)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可能需要不同密度的流體來抵消阻流管線摩擦。優(yōu)選的是，為了減少循環(huán)系統(tǒng)中的摩擦損耗，如果所使用的豎管系統(tǒng)使得這點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)，則使用多個(gè)豎管輔助管線以使流體回流到平臺(tái)。接下來，在88處，海底防噴器(圖I中的14)關(guān)閉以使通過輔助管線中的至少一個(gè)例如阻流管線(圖I中的18)的回流分流。該關(guān)閉可以包括關(guān)閉防噴器上的環(huán)形密封件(未單獨(dú)示出)和/或管子閘板(未單獨(dú)示出)?？赏ㄟ^例如操作緊鄰防噴器的閥(圖I中的18A)將阻流管線與鉆井液壓連接。在90處，鉆井平臺(tái)的主鉆泵停止以停止通過鉆柱泵送流體。然后，通過以選定流量沿壓井管線(圖I中的16)向下泵送流體來保持鉆井(圖I中的25)中的控制點(diǎn)壓力。在此期間，鉆桿的上端可與鉆井單元的主泵分離，可進(jìn)行連接或斷開連接(即，可向鉆柱增加鉆柱段或者從鉆柱移除鉆柱段)。在鉆井中保持在此期間的流體壓力以使ECD保持在地層孔隙壓力以上，從而減小地層流體進(jìn)入鉆井中的可能性。圖6示出了在參照?qǐng)D5說明的保持壓力之后用于恢復(fù)鉆進(jìn)的實(shí)施例工序的流程圖。在92處，利用參照?qǐng)D5說明的泵送技術(shù)來保持控制點(diǎn)壓力。在94處，鉆井單元的主流體泵可重新啟動(dòng)以通過鉆桿來恢復(fù)鉆進(jìn)流。在96處，通過控制進(jìn)入鉆柱以及進(jìn)入壓井管線(圖I中的16)的流體流量，在套管靴(圖I中的28的頂部)或者鉆井(圖I中的25)的跟部保持動(dòng)態(tài)鉆井流體壓力。然后，可以打開防噴器，在98處，將來自阻流管線(圖I中的18)和鉆桿的回流液體流分流回到豎管(圖I中的12)中。在100處，例如通過關(guān)閉閥(圖I中的18A)，將阻流管線與鉆井液壓隔離。而且在100處，如果泵正在使用中，則可以停止泵(圖I中的24)，或者，如果泵正用于使流體移動(dòng)而通過壓井管線(圖I中的16)，則泵停止來自鉆機(jī)泵的流。然后，在102處，例如通過操作閥(圖I中的16A)，將壓井管線(圖I中的16)與鉆井隔離。最后，在104處，如果在連接工序期間使用不同密度的流體，則阻流管線和壓井管線可與鉆井泥漿平齊。
圖7說明了可用于包括鉆桿的軸向運(yùn)動(dòng)的一些操作(例如，“起下鉆”)的工序。在106處，“短”起下鉆將需要泵送，同時(shí)使鉆桿移入移出鉆井中，從而如果防噴器打開則將壓力保持在地層孔隙壓力以上。在108處，“拆卸”防噴器中的環(huán)形密封元件是一種可能的選擇。如果使用環(huán)形密封件，則不建議使鉆柱旋轉(zhuǎn)。在110處，當(dāng)防噴器包括多個(gè)管子閘板時(shí)，從防噴器的一個(gè)管子閘板托脫跳到另一管子閘板是另一可能的選擇。如果使用多個(gè)管子閘板，則不建議使鉆柱旋轉(zhuǎn)。在112處，可利用參照?qǐng)D5說明的工序來執(zhí)行完全脫離鉆井或者完全進(jìn)入鉆井。另外且參照?qǐng)D8，可以在114處推斷液柱的表面壓力和高度，以便在BOP處的壓力傳感器不可用時(shí)獲得防噴器(“Β0Ρ”)以下的壓力。在116處，可基于管子閘板位置來執(zhí)行泵(圖I中的24)啟動(dòng)/停止序列。在118處，當(dāng)管子閘板關(guān)閉時(shí)，可以停止泵。在120處，當(dāng)管子閘板打開時(shí)，可以啟動(dòng)泵。根據(jù)本發(fā)明的方法提供了在實(shí)現(xiàn)管連接的同時(shí)保持鉆井中的選定壓力的技術(shù)。盡管已經(jīng)參照有限數(shù)量的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人·員將理解到，可以構(gòu)思出不偏離如本文公開的本發(fā)明范圍的其它實(shí)施方案。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅由隨附的權(quán)利要求書限定。
權(quán)利要求
1.一種用于保持鉆井壓力的方法，包括降低與所述鉆井中的鉆桿流體連接的鉆液泵的流量；使出自鉆井的流能夠進(jìn)入與鉆井用豎管相關(guān)聯(lián)的第一輔助管線；圍繞所述鉆桿關(guān)閉密封件；以選擇為保持所述鉆井中的特定壓力的速率將流體沿第二輔助管線向下泵送；以及停止鉆液流經(jīng)所述鉆桿。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括將所述鉆液泵與所述鉆桿分離，以及將管段與所述鉆桿連接和分離中的至少一項(xiàng)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，進(jìn)一步包括保持所述特定壓力；將所述鉆液泵重新連接至所述鉆桿的上端；使鉆液重新開始流經(jīng)所述鉆桿；打開所述密封件；將所述第二管線與用于將流體沿所述第二管線向下泵送的泵隔離并且將所述第一管線與所述鉆井隔離。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括保持所述特定壓力；使鉆液重新開始流經(jīng)所述鉆桿；打開所述密封件；將所述第二管線與用于將流體沿所述第二管線向下泵送的泵隔離并且將所述第一管線與所述鉆井隔離。
全文摘要
一種用于保持鉆井壓力的方法包括降低與鉆井中的鉆桿流體連接的鉆液泵的流量。使出自鉆井的流能夠進(jìn)入與鉆井用豎管相關(guān)聯(lián)的第一輔助管線。關(guān)閉圍繞鉆桿的密封件。以選擇為保持鉆井中的特定壓力的速率使流體沿第二輔助管線向下泵送。停止鉆液流經(jīng)所述鉆桿。
文檔編號(hào)E21B21/08GK102933791SQ201180021001
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2011年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月29日
發(fā)明者D·G·賴特斯瑪, O·R·舍赫 申請(qǐng)人:普拉德研究及開發(fā)股份有限公司