用于钻天然气井的控压方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本公开属于石油钻井工程领域，特别涉及一种用于钻天然气井的控压方法、装置、设备及存储设备。

背景技术

钻井过程中钻遇天然气层时，如果井筒压力(也就是井底压力)控制不当容易使得地层气体进入井眼。而当大量地层气体进入井眼后，就有可能产生井涌、井喷，甚至着火等以致酿成重大事故。因此，在钻井过程中，一般都需要采取有效措施使得井筒压力保持在一个稳定状态。

相关技术中，由于井筒压力受井口回压、环空压耗和钻井液静液柱的压力影响，所以在钻井期间，常通过调整以上因素中的中的一个来改变井筒压力，使得井筒压力保持在一个稳定状态。

然而，当遇到窄窗口等复杂地层时，由于井底溢流量的改变，极易引起劲内发生漏失或者溢流等井下事故，此时以上方法中仅仅考虑井筒压力就会导致钻井过程出现意外。

发明内容

本公开实施例提供了一种用于钻天然气井的控压方法、装置、设备及存储设备，可以提高对储层地质认识水平和整个钻井过程的安全性。所述技术方案如下：

本公开实施例提供了一种用于钻天然气井的控压方法，所述控压方法包括：获得钻井液在钻天然气井时的出口流量和入口流量；根据所述出口流量和所述入口流量，确定井下条件；在所述井下条件为欠平衡状态时，控制井底压力在钻井过程中保持稳定状态。

在本公开的又一种实现方式中，所述根据所述出口流量和所述入口流量，确定井下条件，包括：

当所述出口流量大于所述入口流量，且所述出口流量与所述入口流量的差值的绝对值处于第一预定范围内，确定所述井下条件为所述欠平衡状态。

在本公开的又一种实现方式中，所述获得所述出口流量和所述入口流量，包括：

通过质量流量计分别监测钻井液的瞬时入口流量和瞬时出口流量；通过以下公式确定所述出口流量；

其中Q

通过以下公式确定所述出口流量；

其中Q

在本公开的又一种实现方式中，所述第一预定范围可以根据以下公式进行确定：

ΔQ＝Q

其中，ΔQ的最大值和最小值为所述第一预定范围的边界值；Q

在本公开的又一种实现方式中，所述控制井底压力保持稳定状态，包括：通过控制井口回压、钻井液的密度和环空压耗中的至少一种，使得所述井底压力保持稳定状态。

在本公开的又一种实现方式中，所述通过控制井口回压，使得所述井底压力保持稳定状态，包括：确定所述井底压力目标值；比对所述井底压力实际值与所述井底压力目标值，得到比对结果；根据比对结果，控制井口回压，使得实际的井底压力保持稳定状态。

在本公开的又一种实现方式中，所述根据比对结果，控制井口回压，使得实际的井底压力保持稳定状态，包括：根据以下公式计算理论井口回压：

P

其中，P

将所述井口回压调节到所述理论井口回压，使得所述实际井底压力保持稳定状态。

在本公开的又一种实现方式中，还提供一种用于钻天然气井的控压装置，所述控压装置基于以上所述的控压方法，所述控压装置包括：获取模块，用于获得钻井液的出口流量和入口流量；井下条件确定模块，用于根据所述出口流量和所述入口流量，确定井下条件；控压模块，用于在所述井下条件为欠平衡状态时，控制井底压力保持稳定状态。

在本公开的又一种实现方式中，还提供一种计算机设备，所述计算机设备包括处理器和被配置为存储所述处理器可执行指令的存储器；所述处理器被配置为执行权利要求以上所述的用于钻天然气井的控压方法。

在本公开的又一种实现方式中，还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现以上所述的用于钻天然气井的控压方法。

本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过本公开实施例提供的控压方法，由于该方法首先是在钻天然气井时，获取钻井液的出口流量和入口流量，并确定井下条件，之后根据确定的井下条件为欠平衡状态时，对井底压力进行控压，这样，便可通过控制出口流量和入口流量，使得井底条件一直处于欠平衡状态，进而使得钻井过程能够避免出现大量的溢流等，大幅度提高整个钻井过程的安全性，同时减少对储层的伤害、提高水平井段的延伸能力等。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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是本公开实施例提供的一种用于钻天然气井的控压方法的流程图；

图2是本公开实施例提供的另一种用于钻天然气井的控压方法的流程图；

图3是本公开实施例提供的用于钻天然气井的控压装置的结构示意图；

图4是本公开实施例提供的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。

为了便于理解本公开实施例，下面先对相关名词进行解释。

入口流量：在相同的时间间隔内，钻井系统的入口处所流过的钻井液的质量。即入口流量＝入口瞬时流量乘以时间间隔。

入口瞬时流量为单位时间内流过入口处的钻井液的质量。

出口流量：在相同的时间间隔内，钻井系统的出口处所流过的钻井液的质量。出口流量＝出口瞬时流量乘以时间间隔。

出口瞬时流量为单位时间内流过出口处的钻井液的质量。

井底压力：井底压力是指地面和井内各种压力作用在井底的总压力。

井口回压：天然气井的井口压力，是油气从井底流到井口时的剩余压力。

本公开实施例提供了一种用于钻天然气井的控压方法，该方法可以由计算机设备执行。如图1所示，控压方法包括：

S101：获得钻井液在钻天然气井时的出口流量和入口流量。

S102：根据出口流量和入口流量，确定井下条件。

S103：在井下条件为欠平衡状态时，控制井底压力在钻井过程中保持稳定状态。

以上所说的井底压力在钻井过程中保持稳定状态，是指井底压力保持在一个稳定值的波动范围之内。比如，井底压力为目标值±误差值，其中误差值不大于1MPa。

通过本公开实施例提供的控压方法，由于该方法首先是在钻天然气井时，获取钻井液的出口流量和入口流量，并确定井下条件，之后根据确定的井下条件为欠平衡状态时，对井底压力进行控压，这样，便可通过控制出口流量和入口流量，使得井底条件一直处于欠平衡状态，进而使得钻井过程能够避免出现大量的溢流等，大幅度提高整个钻井过程的安全性，同时减少对储层的伤害、提高水平井段的延伸能力等。

图2是本公开实施例提供的另一种用于钻天然气井的控压方法的流程图，该方法可以由计算机设备执行。结合图2，控压方法包括：

S201：获得钻井液在钻天然气井时的出口流量和入口流量。

本实施例中，通过安装在钻井系统的入口和出口处的质量流量计来实时采集钻井液的瞬时出口流量和瞬时入口流量。然后基于瞬时出口流量和瞬时入口流量得到出口流量和入口流量。

通过质量流量计将采集到的采样值(瞬时出口流量和瞬时入口流量)通过模数转换器后送入到中央数据采集与控制系统中，中央数据采集与控制系统根据入口和出口处所采集的采样值，计算出在一定的时间间隔后所对应的出口流量或者入口流量。

也就是说，通过质量流量计可以监测得到瞬时出口流量和瞬时入口流量(二者的单位为千克每秒)。然后中央数据采集与控制系统计算得到出口流量或者入口流量(千克)。

以上所说的，时间间隔一般根据实际情况设定，比如可以取自1min-10min内的任一数值。

本实施例中，可以按照以下公式计算出口流量和入口流量。

其中Q

其中Q

可选地，为了使得出口流量和入口流量能够保持在合理的范围内，以确保井下条件为欠平衡状态。该控压方法还包括：

S202：根据入口流量所对应的入口瞬时流量，计算得到出口流量目标值。

根据井深、井径、入口流量(进入井内的钻井液的流量)，按照返出排量的计算公式，便可对应计算一个循环周返出的出口流量目标值。

比如，安装在钻井系统的入口和出口的质量流量计实时采集钻井液的实际的瞬时出口流量和实际的瞬时入口流量以及传感器所检测的压力、温度等参数，并将采集到的数值传输至模数转换器，经过模数转换器进行模数转换后发送给钻井系统的中央数据采集与控制系统。此时，控制系统便可根据钻井系统的实际的瞬时入口流量，计算经过一个时间间隔(至少一个循环周)后从钻井系统的出口处返出的出口流量目标值。

S203：将出口流量目标值和出口流量实际值进行比对，并根据比对结果，调节出口流量实际值。

若出口流量目标值与出口流量实际值的差值小于允许误差，则继续监测比对。

若出口流量目标值与出口流量实际值之间的差值超出允许误差以外，则优先查找引起误差增大的原因(比如排除由于钻井泵上水效率不稳等原因造成的流量波动影响)，并采取措施重新调控出口流量实际值。这里，措施包括但不限于调节钻井系统中的节流阀的开度的大小。其中节流阀连接在钻井系统的出口管线中，通过调大节流阀的开度，便可调大出口流量，通过调小节流阀的开度，便可调小出口流量。

也就是说，通过调节出口流量实际值，可以使得在钻井过程，出口流量与入口流量维持在需要的范围内。

S204：根据出口流量和入口流量，确定井下条件。

井下条件包括漏失状态、溢流状态、不漏不溢及欠平衡状态等。

本实施例中，欠平衡状态是指保持钻井液的出口流量略大于入口流量且差值在一个稳定可控的范围内，使得井底维持微小溢流的状态。其他状态都为非欠平衡状态。

可选地，S204包括：

当出口流量大于入口流量，且出口流量与入口流量的差值的绝对值处于第一预定范围内，则确定井下条件为欠平衡状态。

可选地，S204还包括以下至少一种：

当入口流量大于出口流量，且入口流量与出口流量的差值不小于井下漏失的临界值，则井下条件为漏失状态；

当出口流量大于入口流量，且出口流量与入口流量的差值不小于井下溢流的临界值，则井下条件为溢流状态；

当入口流量与出口流量的差值的绝对值位于井下溢流的临界值和井下漏失的临界值之间，则井下条件为不漏不溢。

临界值为当井下发生漏失或者溢流时，所对应的入口流量与出口流量之间的差值的绝对值的最小值。其中临界值可以根据经验进行预先设定。比如，若在钻取的天然气井为井深大于6000米的超深井，此时，可以将井下漏失的临界值Q

也就是说，在具体判断井下条件为漏失状态、溢流状态、不漏不溢时，可以参见以下方式：

当Q

当Q

当-Q

需要说明的是，在本公开实施例中，井下条件也可以仅包括欠平衡状态和非欠平衡状态两种。

本实施例中，第一预定范围可以根据以下公式进行确定：

ΔQ＝Q

其中，ΔQ的最大值和最小值分别为第一预定范围的上限值和下限值；Q

第一预定范围的上限值不超过上所说的发生漏失时的触发值，下限值大于0，这样可以避免井下发生严重漏失。当然具体可以根据实际情况设定。

S205：在井下条件为欠平衡状态时，通过控制井口回压、钻井液的密度和环空压耗中的至少一种，使得井底压力保持稳定状态。

由于井底压力是地面和井内各种压力作用在井底的总压力，所以可以通过井口回压、钻井液的密度和环空压耗中的至少一种来控制井底压力。

示例性地，以上所说的井底压力在钻井过程中保持稳定状态可以参见步骤S103中的描述。

井底压力目标值参见下文介绍。

可选地，当至少通过控制井口回压使得井底压力保持稳定状态时，控制井口回压的方式可以包括：

2051：确定井底压力目标值。

井底压力目标值可以根据水力模型模拟计算得到。水力模型用于反映井底压力、井口回压、流量、温度等之间的关系。水力模型在模拟计算时，可以将井口回压、流量、温度等参数输入水力模型，水力模型对应输出井底压力。其中，向水力模型中输入的井口回压、流量、温度与实际控压钻井时所对应的井口回压、流量、温度一致，则水力模型对应输出的井底压力便可为实际控压钻井时所对应的井底压力目标值。

以上所说的水力模型是指在钻井时通过计算软件建立的水力学数学计算模型，用以指导钻井以及水力参数的分析计算。当然，具体的水力模型根据钻井的实际情况进行选择，比如可以为欠平衡钻井水力参数计算模型中的空气/雾化/泡沫水力计算模型。

2052：比对井底压力实际值与井底压力目标值，得到比对结果。

示例性地，井底压力实际值可以根据井底压力计实时在线检测得到。

以上比对结果包括：第一种为井底压力实际值与井底压力目标值之间的差值在允许的范围之内。第二种为井底压力实际值与井底压力目标值之间的差值在允许的范围之外。

2053：根据比对结果，控制井口回压，使得实际的井底压力保持稳定状态。

示例性地，当比对结果为第一种情况时，则说明井底压力保持稳定状态，此时无需进行调控。

当比对结果为第二种情况时，则说明井底压力并未保持稳定状态。此时需要重新控制井底压力使得井底压力保持稳定状态。

可选地，2053可以根据以下方式实现：

(1)根据以下公式计算理论井口回压。

P

其中，P

以上钻井液静液柱压力、环空压耗等均可以通过相应地钻井系统的相关测量设备获得，这里不在赘述。

比如，实际控压钻井时，钻井液循环时，井底压力等于钻井液静液柱压力加上环空压耗(此时井口回压一般为0)。当关井、接单根/立柱时，环空压耗消失，井底压力降低，此时需要在井口增加井口回压得井底压力维持稳定，以防止地层天然气侵入，增加的理论井口回压就等于钻井液循环时的环空压耗(此过程钻井液静液柱压力维持不变)。

2054：将井口回压调节到该理论井口回压，以使得实际的井底压力保持稳定状态。

在调整井口回压时，可以通过控制钻井系统的地面设备进行调整，这里不再说明。

示例性地，下面对步骤S205的整体过程进行举例说明。

首先，钻井系统采集相关参数(包括泵压、井底压力、井口回压、钻井液的流量、转速、钻井液的密度等)。

接着，通过实时水力模型模拟井口回压、流量、温度等，得到井底压力目标值，并设定一个允许的波动范围，比如，±0.2MPa。

再接着，比对井底压力实际值与井底压力目标值是否出现偏差。

然后，如果出现偏差，则向钻井系统的PLC发出指令，调节地面设备，改变井口回压，以使得井底压力保持稳定状态。

步骤2051-2054中是针对改变井口回压来使得井底压力维持稳定状态。当然，也可以同时改变钻井液的密度、环空压耗以及井口回压使得井底压力维持稳定状态。

比如，当在钻遇到窄密度窗口(所谓的窄密度窗口是指在钻遇某个地层时，钻井液可以选择的密度范围小)地层时，此时，可以同时调节钻井液的密度、环空压耗、井口回压等来使得井底压力维持稳定状态，从而安全钻过窄安全密度窗口地层。

以上通过步骤S201-S205可以实现在井下条件为欠平衡状态时，控制井底压力在钻井过程中保持稳定状态。

示例性地，在实际控压钻井时，由于井底压力并不是一个恒定值，所以井口回压会根据井底的情况的变化而改变。尤其是地层气体进入井筒后，此时可能对应发生不同的气侵。当发生气侵时，为了避免由于气侵引发严重的事故，此时，可以优先控制气侵。所以，该控压方法还包括：

S206：根据气侵的不同类型，调控井口回压。

可选地，S206包括：

2061：判断气侵的类型。

当地层气体进入井筒后会发生气侵。其中，气侵包括欠平衡气侵和重力置换气侵。

欠平衡气侵，是指钻井时钻遇气层后，井底压力低于地层压力，地层中的天然气大量侵入井筒内的情况。重力置换气侵是指钻井时，钻遇大裂缝或溶洞时，由于钻井液密度比天然气密度大，产生重力置换，天然气被钻井液从裂缝或溶洞中置换出来而进入井筒内。

也就是说，在发生气侵时，当井底压力＜地层压力，则判断为欠平衡气侵。当井底压力＞地层压力，则判断为重力置换气侵。

2062：根据气侵的类型，调节井口回压。

(1)当气侵的类型为欠平衡气侵时，增加井口回压。

当气侵类型为欠平衡气侵时，由于井底压力小于地层压力，所以，钻井系统出口端的出口流量与在该一段时间之前相比变小，出口端流量具有减小的趋势，此时，可以通过增加回压的方式对气侵进行控制，即增大井口回压控制气侵。

(2)当气侵的类型为重力置换气侵时，保持井口回压不变。

当气侵方式为重力置换气侵时，由于井底压力大于地层压力，所以，钻井系统的出口流量增加。此时，不能通过改变井口回压来调控气侵，既保证井口回压不变即可。

具体气侵的类型以及与井底压力的对应关系可以参见表1。

表1 气侵的类型以及与井底压力的对应关系

本实施例中，通过以上方法可以使得井下条件为欠平衡状态，同时井底压力又可以保证在一个相对稳定的环境，这样在进行钻井时，便可以实现零安全密度窗口地层钻进的同时大幅度提高钻速、发现储层以及减少对储层的伤害、提高水平井段的延伸能力，进而提高了对储层的地质认识水平和整个钻井过程的安全性。

而且，以上方法中，由于能够实时监测钻井液的出口流量和入口流量的变化，并且能够实时调整井口回压，这样便可做到流量、压力双目标的实时控制，进而实现安全钻井，即在可控条件下进行边溢流、边钻井，最大限度地发现和保护储层。

图3是本公开实施例提供的用于钻天然气井的控压装置的结构示意图，结合图3，控压装置包括获取模块31、井下条件确定模块32和控压模块33。

获取模块31，用于获得钻井液的出口流量和入口流量。

井下条件确定模块32，用于根据出口流量和入口流量，确定井下条件。

控压模块33，用于在井下条件为欠平衡状态时，控制井底压力保持稳定状态。

通过本公开实施例提供的控压装置，由于该装置首先是在钻天然气井时，获取钻井液的出口流量和入口流量，并确定井下条件，之后根据确定的井下条件为欠平衡状态时，对井底压力进行控压，这样，便可通过控制出口流量和入口流量，使得井底条件一直处于欠平衡状态，进而使得钻井过程能够避免出现大量的溢流等，大幅度提高整个钻井过程的安全性，同时减少对储层的伤害、提高水平井段的延伸能力等。

可选地，井下条件确定模块32用于：当出口流量大于入口流量，且出口流量与入口流量的差值处于第一预定范围内，确定井下条件为欠平衡状态。

可选地，获取模块31还用于，通过质量流量计分别监测钻井液的瞬时入口流量和瞬时出口流量，并通过公式(1)和(2)计算出口流量和入口流量。

可选地，井下条件确定模块32还用于根据公式(3)确定第一预定范围的边界值的最大值和最小值。

可选地，控压模块33还用于在井下条件为欠平衡状态时，通过控制井口回压、钻井液的密度和环空压耗中的至少一种，使得井底压力保持稳定状态。

可选地，控压模块33，还用于确定所述井底压力目标值；比对所述井底压力实际值与所述井底压力目标值，得到比对结果；根据比对结果，控制井口回压，使得实际的井底压力保持稳定状态。

可选地，控压模块33，还用于根据公式(4)计算理论井口回压；并将井口回压调节到理论井口回压，使得实际井底压力保持稳定状态。

图4是本公开实施例提供的一种计算机设备的结构示意图，结合图4，计算机设备400可以包括以下一个或多个组件：处理器401、存储器402、通信接口403和总线404。

处理器401包括一个或者一个以上处理核心，处理器401通过运行软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及信息处理。

存储器402和通信接口403通过总线404与处理器401相连。存储器402可用于存储至少一个指令，处理器401用于执行该至少一个指令，以实现上述方法中的各个步骤。

此外，存储器402可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，易失性或非易失性存储设备包括但不限于：磁盘或光盘，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，静态随时存取存储器(SRAM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，可编程只读存储器(PROM)。

本公开实施例还提供一种计算机存储介质，计算机指令被处理器执行时实现以上的用于钻天然气井的控压方法。

以上所述仅为本公开的可选实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。