一种基于非线性节流阀的压力调控方法及系统

技术领域

本发明涉及控压钻井技术领域，尤其是涉及一种基于非线性节流阀的压力调控方法及系统。

背景技术

随着石油天然气勘探与开发的不断推进，钻井地质条件愈发复杂。在我国西北、东北、西南以及中东沿线等地区，在钻井过程中存在安全钻井密度窗口窄、溢漏频发等钻井复杂问题，制约了油气勘探开发进程。

控压钻井技术是解决上述复杂钻井的利器，节流阀是压力控制的关键部件，其主要通过调节节流管汇上节流阀的开度大小，改变节流阀两端的压力差，实现对井口回压以及环空压力剖面的快速调控。

现有控压钻井压力调控技术主要通过两种方式来实现：一是基于常规非线性节流阀，另外一种是使用特制的线性节流阀。上述两种方式在压力调控过程中存在以下不足：

(1)以研制线性节流阀为主，线性节流阀阀芯轮廓设计困难，全面替代现场广泛使用的各类非线性节流阀难度大，成本高；

(2)目前，绝大多数节流阀采用楔形、针形和筒形节流阀芯，其阀芯轮廓是简单的直线式，节流阀压力调节以非线性过程为主。非线性节流阀开度较小时，压力调节变化剧烈；开度较大时，压力调节不明显，存在迟滞现象；

(3)节流阀前后的压差不仅与节流阀的开度有关，还与流量、密度有关，在控压钻井压力调控过程中，均以调节节流阀开度作为唯一手段，尚未实现节流阀开度、流量等方面的联调联控。

发明内容

本发明的目的在于，需要提供一种基于常规非线性节流的压力线性调控方案，以解决现有控压钻井压力调控过程中，常规非线性节流阀在开度较小和较大时压力调控波动剧烈或迟滞，以及线性节流阀研发难度大、成本高等技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于非线性节流阀的压力调控方法，包括：在节流管汇上配置具有非线性节流阀的节流通路；在以井口回压线性变化为目标开展控压钻井作业时，控制所述节流阀的不同开度并计算相应开度下所需的实时排量，所述实时排量由在相应开度下的目标压降最大值、流体密度和流体流动系数计算而成；根据所述实时排量计算当前节流阀排量呈线性变化所需的排量变化量，从而按照所述排量变化量通过调节所述节流阀的开度和/或实时排量，促使在当前节流阀的作用下使得井口回压呈线性变化。

优选地，在计算计不同开度下所需的所述节流阀的实时排量的过程中，包括：根据井口回压变化目标，计算所述节流阀的目标压降；根据所述目标压降、钻井液流体的密度和流体流动系数，利用节流阀实时排量计算式，实时计算满足井口回压线性变化条件所需的所述节流阀的实时排量，其中，所述节流阀实时排量计算式利用如下方法来获得：建立由节流阀流量、所述流体密度和所述流体流动系数所表示的节流阀压降通用表达式；建立由井口回压变化目标和节流阀开度所表示的节流阀压降线控表达式；根据所述通用表达式和所述线控表达式，构建所述节流阀实时排量计算式。

优选地，所述节流阀压降通用表达式利用如下表达式表示：

其中，C

优选地，所述节流阀压降线控表达式利用如下表达式表示：

Δp＝-Δp

其中，Δp表示节流阀的目标压降，Δp

优选地，所述第一节流阀实时排量计算式利用如下表达式表示：

其中，C

优选地，所述不同开度下的所述流体流动系数按照如下方法来计算：根据所述节流阀的实时开度，利用开度与流动系数关系式，计算相应的所述流体流动系数，其中，所述开度与流动系数关系式利用如下方法来构建：开展非线性节流阀的开度实验，测量每个开度下的节流阀流量、流体密度和节流阀前后端压降，进一步测量相应开度下的流体流动系数；根据不同开度下的流体流动系数，采用多项式拟合方式来对节流阀开度与所述流体流动系数之间的关系进行拟合，从而形成开度与流动系数关系式。

优选地，在调节所述节流阀的实时排量的过程中，包括：实时调节所述钻井泵的冲数；和/或实时调节设置在所述节流阀入口端的第一泵和第二泵，在所述节流阀的入口端安装四通件，所述四通件的第一端与井口连接，所述四通件的第二端与节流管汇的入口连接，所述四通件的第三端与用于增加所述节流阀入口流量的第一泵连接，所述四通件的第四端与用于降低所述节流阀入口流量的第二泵连接。

优选地，通过计算所述节流管汇的实时排量与所述节流阀的实时排量的差值来获得所述排量变化量。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于非线性节流阀的压力调控系统，所述压力调控系统用于实现如上述所述的压力调控方法，其中，所述压力调控系统包括：设置在井口节流管汇上的节流通路，所述节流通路上设置有非线性节流阀；节流阀控制单元，其用于在以井口回压线性变化为目标开展控压钻井作业时，控制所述节流阀的不同开度并计算相应开度下所需的实时排量，从而根据所述实时排量计算当前节流阀排量呈线性变化所需的排量变化量，所述实时排量由在相应开度下的目标压降最大值、流体密度和流体流动系数计算而成；调节控制单元，其用于按照所述排量变化量通过调节所述节流阀的开度和/或实时排量，促使在当前节流阀的作用下使得井口回压呈线性变化。

优选地，所述调节控制单元，其用于按照如下方式来对节流阀排量进行实时调节：实时调节所述钻井泵的冲数；和/或实时调节设置在所述节流阀入口端的第一泵和第二泵，在所述节流阀的前端安装四通件，所述四通件的第一端与井口连接，所述四通件的第二端节流管汇的入口连接，所述四通件的第三端与用于增加所述节流阀入口流量的第一泵连接，所述四通件的第四端与用于降低所述节流阀入口流量的第二泵连接。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明提出了一种该方法及系统首先根据节流阀的流量方程，得到节流阀的压降方程；然后测试节流阀在不同开度条件下的压降，并拟合测试结果，获得节流阀开度与压降之间的关系；根据设计的开度与压降线性关系，获得流量与开度的目标方程；计算在不同开度下，压降线性调节所需增加或降低的排量值，通过调节泵冲或通过其他泵调节排量。本发明在调节节流阀的同时，还能够动态调整节流阀入口排量，解决控压钻井非线性节流阀压力调控过程中，开度较小压力调节变化剧烈；开度较大，压力调节不明显，存在迟滞现象，从而通过节流阀开度与流量的联调联控，实现节流阀前后压力的线性变化，提高控压钻井控制精度与效率。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的基于非线性节流阀的压力调控方法的步骤图。

图2为本申请实施例的基于非线性节流阀的压力调控方法中的节流阀流动系数特性曲线拟合结果的一个示例图。

图3为本申请实施例的基于非线性节流阀的压力调控方法中的调节节流阀实时排量的原理示意图。

图4为本申请实施例的基于非线性节流阀的压力调控系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

另外，附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

随着石油天然气勘探与开发的不断推进，钻井地质条件愈发复杂。在我国西北、东北、西南以及中东沿线等地区，在钻井过程中存在安全钻井密度窗口窄、溢漏频发等钻井复杂问题，制约了油气勘探开发进程。

控压钻井技术是解决上述复杂钻井的利器，节流阀是压力控制的关键部件，其主要通过调节节流管汇上节流阀的开度大小，改变节流阀两端的压力差，实现对井口回压以及环空压力剖面的快速调控。

现有控压钻井压力调控技术主要通过两种方式来实现：一是基于常规非线性节流阀，另外一种是使用特制的线性节流阀。上述两种方式在压力调控过程中存在以下不足：

(1)以研制线性节流阀为主，线性节流阀阀芯轮廓设计困难，全面替代现场广泛使用的各类非线性节流阀难度大，成本高；

(2)目前，绝大多数节流阀采用楔形、针形和筒形节流阀芯，其阀芯轮廓是简单的直线式，节流阀压力调节以非线性过程为主。非线性节流阀开度较小时，压力调节变化剧烈；开度较大时，压力调节不明显，存在迟滞现象；

(3)节流阀前后的压差不仅与节流阀的开度有关，还与流量、密度有关，在控压钻井压力调控过程中，均以调节节流阀开度作为唯一手段，尚未实现节流阀开度、流量等方面的联调联控。

为了解决上述技术问题，本申请实施例提出了一种基于非线性节流阀的压力调控方法及系统。该方法及系统通过调整节流阀排量大小，可实现控压钻井过程中压力的线性变化。具体地，首先根据节流阀的流量方程，得到节流阀的压降方程；然后，测试节流阀在不同开度条件下的压降，并拟合测试结果，获得节流阀开度与压降之间的关系；根据开度与压降线性关系，获得流量与开度的目标方程；根据流量与开度的目标方程，计算在不同开度下节流阀的实时排量，进一步计算压降线性调节所需增加或降低的排量值，从而通过调节泵冲或通过其他泵来调节节流阀实时排量。

图1为本申请实施例的基于非线性节流阀的压力调控方法的步骤图。如图1所示，首先，步骤S110在节流管汇上配置至少一路具有非线性节流阀的节流通路；而后，步骤S120在以井口回压线性变化为目标开展控压钻井作业时，控制节流阀的不同开度并计算相应开度下所需的实时排量，其中，节流阀的实时排量由在相应开度下的节流阀目标压降最大值、流体密度和流体流动系数计算而成；步骤S130根据步骤S120所实时计算得到的第一节流阀的实时排量，进一步当前节流阀排量呈线性变化所需的排量变化量，从而按照当前排量变化量，通过调节节流阀的开度和/或实时排量，促使在当前节流阀的作用下使得井口回压呈线性变化。

在步骤S110中，需要为本发明实施例所述的压力调控方法配置相应的节流管路系统。具体地，在井口处的节流管汇的后端上设置至少一路节流通路。在该节流通路上设置节流阀。需要说明的是，考虑到现场使用的常规节流阀均是非线性节流阀，为了提高压力调控方法的适用性，本发明实施例所述的节流阀采用非线性节流阀来实现。

需要说明的是，本发明实施例所述的节流管路系统是一种与压力调控方法相适应的装置，该节流管路系统能够与井口处的节流管汇相连接，可以对现有节流设备中的非线性节流阀按照本发明实施例所述的压力调控方法来控制。

在实际的压力调控过程中，本发明实施例通过调节节流管汇输出端上的节流通路的节流阀的开度大小，来改变两处节流阀两端的压力差，从而实现井口压力(井口回压)呈线性变化的目标。由此，本发明实施例提供了一种利用非线性节流阀来形成控压钻井过程中井口压力(控压钻井的目标压力)呈线性变化的目标状态。

在完成管路设计后，进入到步骤S120中，以开展控压钻井作业。在步骤S120中，在以井口回压线性变化为目标开展控压钻井作业时，控制节流阀的不同开度，并利用用于计算节流阀实时排量的表达式来计算相应开度下所需的实时排量。

具体地，根据井口回压变化目标，利用下述节流阀压降线控表达式，计算节流阀的目标压降，而后，根据当前目标压降、钻井液流体的密度和流体流动系数，利用节流阀实时排量计算式，实时计算满足井口回压线性变化条件所需的第一节流阀的实时排量。

在开展控压钻井作业之前，本发明实施例需要利用如下方法来构建节流阀实时排量计算式。具体地，首先，建立由节流阀流量、流体密度和流体流动系数所表示的节流阀压降通用表达式。其中，节流阀压降通用表达式利用如下表达式表示：

其中，C

而后，建立由井口回压变化目标(范围)和节流阀开度所表示的节流阀压降线控表达式。在本发明实施例中，井口回压变化目标范围由节流管路系统的压降线性变化能力来确定。也就是说，井口回压变化目标范围是指节流管路系统内的节流阀在不同开度状态下所能达到的压降范围对井口回压线性变化的作用能力。若某个节流阀能够达到的最大压降为Δp

进一步，节流阀压降线控表达式利用如下表达式表示：

Δp＝-Δp

其中，Δp表示单个节流阀的压降，Δp

最后，根据上述获得的节流阀压降通用表达式和节流阀压降线控表达式，构建节流阀实时排量计算式。其中，所述节流阀实时排量计算式利用如下表达式表示：

其中，Q

由此，在实际控制过程中，先利用上述节流阀压降线控表达式计算出节流阀的目标压降，再根据当前目标压降、钻井液流体的密度和流体流动系数，利用上述表达式(3)，便可得到节流阀在不同开度条件下，实时控制井口回压线性变化所需的节流阀排量。

在对节流阀的实时流量进行计算的过程中，本发明实施例还需要根据节流阀的实时开度，利用开度与流动系数关系式，计算相应实时开度下对应的钻井液流体的流动系数。

在开展控压钻井作业之前，本发明实施例需要利用如下方法来构建节流阀实时排量计算式。具体地，首先，开展针对非线性节流阀的开度实验，测量每个开度下的节流阀流量(节流阀排量)、流体密度和节流阀前后端的压降，进一步测量相应开度下的流体流动系数。而后，根据不同开度下的流体流动系数，来对节流阀开度与流体流动系数之间的关系进行拟合，参考图2。图2示出了不同节流阀开度条件下节流阀流动系数Cv的具体数值变化。在一个实施例中，可以采用多项式拟合方式来实现开度与流体流动系数关系式的拟合。

由此，步骤S130在获得节流阀的实时排量后，能够通过计算节流管汇的实时排量(实时流量)与节流阀的实时排量的差值来获得排量变化量，从而根据当前所计算出的排量变化量来对节流阀的开度和/或实时排量进行调节，使得节流阀出口端也能满足压力线性变化的目标。

在步骤S130的排量调节过程中，可以调节节流阀的开度至相应排量，和/或调整开度的同时调整节流阀的实时排量。在本发明实施例中，节流阀实时排量调节过程所采用的调节方法包括但不限于如下两种，可以采用其中一种方式也可以采用联调的方式来完成。

第一种方式：实时调节所述钻井泵的冲数。根据钻井现场的钻井泵，实时调控钻井泵的冲数，其中，钻井泵的冲数变化范围需满足正常钻井所需的排量要求。

第二种方式：实时调节设置在节流阀入口端的第一泵和第二泵，参见图3。图3为本申请实施例的基于非线性节流阀的压力调控方法中的调节节流阀实时排量的原理示意图。如图3所示，在节流阀的入口端安装四通件5。四通件5的第一端与井口1连接，四通件5的第二端与节流管汇的入口连接，四通件5的第三端与第一泵2连接，四通件5的第四端与第二泵3连接。其中，第一泵2用于增加节流阀入口流量，第二泵3用于降低节流阀入口流量。

将上述压力调控方法应用于某井现场控压钻井过程中，钻井液密度1.2×10

(1)通过测试，获得现场节流阀Cv特性曲线，如图2(图2为本申请实施例的基于非线性节流阀的压力调控方法中的节流阀流动系数特性曲线拟合结果的一个示例图)所示，采用多项式拟合的方式，获得C

(2)建立节流阀的压降与开度线性变化的目标方程：

设计井口压力在0～4.5MPa之间线性变化，则压降与开度的关系式为：

Δp＝-4.5x+4.5

(3)计算节流阀压降与开度线性变化所需的排量：

由上述节流阀实时排量计算式和开度与流动系数关系式，可得节流阀压降与开度线性变化所需的实时排量和排量变化值，如表1所示。在表1中，若排量变化值为正值，则说明需要降低排量；若为负值，则说明需要增加排量。

表1节流阀压降沿目标方程线性变化的排量值

(4)选择调整泵冲，通过其他泵增加或降低排量的方式，调整排量至目标值，即可实现节流阀两端压力的线性调控。

基于上述压力调控方法，本发明实施例还提供了一种用于控压钻井的压力调控系统。该压力调控系统用于实现如上述所述的压力调控方法。图4为本申请实施例的基于非线性节流阀的压力调控系统的结构示意图。如图4所示，本发明实施例所述的压力调控系统包括：节流通路、节流阀控制单元和调节控制单元。

节流通路设置在节流管汇的后端上。其中，节流通路上设置有非线性节流阀。节流阀控制单元用于在以井口回压线性变化为目标开展控压钻井作业时，控制节流阀的不同开度并计算相应开度下所需的实时排量，从而根据实时排量计算当前节流阀排量呈线性变化所需的排量变化量。第一节流阀的实时排量由在相应开度下的节流阀压降、流体密度和流体流动系数计算而成。其中，所述实时排量由在相应开度下的目标压降最大值、流体密度和流体流动系数计算而成。调节控制单元用于按照所计算的排量变化量通过调节节流阀的开度和/或实时排量，促使在当前节流阀的作用下使得井口回压呈线性变化。

进一步，调节控制单元会按照如下方式来对节流阀排量进行实时调节：实时调节钻井泵的冲数；和/或，实时调节设置在节流阀入口端的第一泵和第二泵。其中，在节流阀的前端安装四通件，四通件的第一端与井口连接，四通件的第二端与节流管汇的入口连接，四通件的第三端与用于增加节流阀入口流量的第一泵连接，四通件的第四端与用于降低节流阀入口流量的第二泵连接。

本发明公开了一种基于非线性节流阀的压力调控方法及系统。该方法及系统首先根据节流阀的流量方程，得到节流阀的压降方程；然后测试节流阀在不同开度条件下的压降，并拟合测试结果，获得节流阀开度与压降之间的关系；根据设计的开度与压降线性关系，获得流量与开度的目标方程；计算在不同开度下，压降线性调节所需增加或降低的排量值，通过调节泵冲或通过其他泵调节排量。本发明在调节节流阀的同时，还能够动态调整节流阀入口排量，解决控压钻井非线性节流阀压力调控过程中，开度较小压力调节变化剧烈；开度较大，压力调节不明显，存在迟滞现象，从而通过节流阀开度与流量的联调联控，实现节流阀前后压力的线性变化，提高控压钻井控制精度与效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。