一种用于控压钻井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，尤其是涉及一种用于控压钻井的压力调控方法及系统。

背景技术

为保障油气安全战略有效实施，石油天然气勘探与开发技术从国内走向海外、从陆地走向海洋、从常规走向非常规，井越钻越深，钻井地质条件愈发复杂，钻井施工中存在钻井液密度窗口窄、喷漏同存、复杂情况多、钻井周期长等难题，对安全高效钻井带来极大挑战。

控压钻井技术是解决上述复杂钻井的利器之一，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，需要提供一种基于双通道联控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用于控压钻井的压力调控方法，包括：在节流管汇上配置两路并联的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，控制第一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；根据所述第一节流阀的实时排量，利用预设的节流阀开度与流量之间的目标压降关系，实时计算第二节流阀的开度，从而对随第一节流阀的开度变化而变化的所述第二节流阀的开度进行动态配合控制。

优选地，在计算计不同开度下所需的第一节流阀的实时排量的过程中，包括：根据井口回压变化目标，计算第一节流阀的目标压降；根据所述目标压降、钻井液流体的密度和流体流动系数，利用第一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，其中，所述第一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，构建第一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，在根据所述第一节流阀的实时排量，利用预设的节流阀开度与流量之间的目标压降关系，实时计算第二节流阀的开度的步骤中，包括：根据所述第一节流阀的实时排量和所述节流管汇的实时排量，计算所述第二节流阀的实时排量；根据所述第二节流阀的实时排量，利用所述目标压降关系，计算所述第二节流阀的配合开度，其中，所述目标压降关系通过节流阀开度实验拟合而成。

优选地，所述第一关系式通过如下方式来构建：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；将开度与流动系数拟合关系式转换为所述目标压降关系。

优选地，通过计算所述节流管汇的实时排量与所述第一节流阀的实时排量的差值来获得所述第二节流阀的实时排量。

另一方面，本发明实施例提供了一种用于控压钻井的压力调控系统，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：设置在节流管汇上的第一节流通路和第二节流通路，所述第一节流通路与第二节流通路并联，其中，所述第一节流通路上设置有第一节流阀，所述第二节流通路上设置有第二节流阀；第一节流阀控制单元，其用于在在以井口回压线性变化为目标开展控压钻井作业时，控制第一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；第一节流阀控制单元，其用于根据所述第一节流阀的实时排量，利用预设的节流阀开度与流量之间的目标压降关系，实时计算第二节流阀的开度，从而对随第一节流阀的开度变化而变化的所述第二节流阀的开度进行动态配合控制。

优选地，在所述第一节流阀控制单元中，包括：根据井口回压变化目标，计算第一节流阀的目标压降；根据所述目标压降、钻井液流体的密度和流体流动系数，利用第一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，其中，所述第一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，构建第一节流阀实时排量计算式。

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：

本发明提出了一种用于控压钻井的压力调控方法及系统。该方法及系统针对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，线性节流阀研发难度大、成本高等问题，提出了一种基于双通道联控的压力线性调控方案。本发明通过两个节流通路的联控，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为本申请实施例的用于控压钻井的压力调控方法的步骤图。

图2为本申请实施例的用于控压钻井的压力调控方法中的节流阀流动系数特性曲线拟合结果示意图。

图3为本申请实施例的用于控压钻井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4为本申请实施例的用于控压钻井的压力调控方法中的双通道联控的原理示例图。

图5为本申请实施例的用于控压钻井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。

为保障油气安全战略有效实施，石油天然气勘探与开发技术从国内走向海外、从陆地走向海洋、从常规走向非常规，井越钻越深，钻井地质条件愈发复杂，钻井施工中存在钻井液密度窗口窄、喷漏同存、复杂情况多、钻井周期长等难题，对安全高效钻井带来极大挑战。

控压钻井技术是解决上述复杂钻井的利器之一，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用于控压钻井的压力调控方法及系统。该方法及系统通过联控节流管汇中的两个节流阀，可实现控压钻井过程中压力的线性变化。具体地，首先，测试节流阀Cv值，建立目标压降方程；然后，计算1#节流阀压降沿目标线性变化所需的排量，再计算2#节流阀的排量和所需开度；最后，联调1#和2#节流阀的开度，便可实现节流压力呈目标压降方程变化的目标。

图1为本申请实施例的用于控压钻井的压力调控方法的步骤图。如图1所示，首先，步骤S110在节流管汇上配置两路并联的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，控制第一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，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；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，利用预设的节流阀开度与流量之间的目标压降关系，实时计算第二节流阀的开度，从而对随第一节流阀的开度变化而变化的第二节流阀的开度进行动态配合控制。

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连接有第一节流通路和第二节流通路，其中，第一节流通路与第二节流通路形成并联关系，二者并联的管路再与节流管汇相串联。在第一节流通路上设置有第一节流阀，并在第二节流通路上设置有第二节流阀。需要说明的是，首先，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。其次，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的旁路来设置，作为现有自动节流管汇设备的新增设备来配置。

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两个双通道节流通路上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双通道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，控制第一节流阀的不同开度，并利用用于计算第一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，计算第一节流阀的目标压降，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，利用第一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第一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，构建第一节流阀实时排量计算式。其中，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，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第一节流阀的目标压降，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)，便可得到第一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(第一节流阀的)排量。

在实时计算出第一节流阀的实时排量的同时，在步骤S130中实时计算第二节流阀相对应的动态开度。

在步骤S130中，首先，根据步骤S120获得的第一节流阀的实时排量和节流管汇内的实时排量，计算第二节流阀的实时排量。具体地，通过计算节流管汇的实时排量(即节流管汇内的实时总流量)与第一节流阀的实时排量的差值来获得第二节流阀的实时排量。接下来，根据上述获得的第二节流阀的实时排量，利用预设的目标压降关系，计算第二节流阀的配合开度。其中，目标压降关系表示非线性节流阀的开度与流动系数Cv之间的关联关系的表达式。目标压降关系通过节流阀开度实验拟合而成。

在开展控压钻井作业之前，本发明实施例还需要利用如下方法来构建目标压降关系。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，将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。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。

图2为本申请实施例的用于控压钻井的压力调控方法中的节流阀流动系数特性曲线拟合结果示意图。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。最后，利用上述节流阀压降通用表达式，将开度与流动系数拟合关系式转换为用于表征节流阀开度与流动系数关联关系的目标压降关系式。

由此，步骤S130在获得第一节流阀的实时排量时，在计算出第二节流阀的实时排量后，能够利用目标压降关系式直接计算出在与第一节流阀联合配合下的第二节流阀的开度，从而使得由第一节流阀所在的第一节流通路和第二节流阀所在的第二节流通路所共同形成的并联管路的总输出端满足压力线性变化的目标。

将上述压力调控方法应用于某现场节流系统的双通路节流线路。在实际控压钻井过程中，钻井液密度为1.2×10

(1)通过测试，获得现场节流阀Cv特性曲线，如图3(图3为本申请实施例的用于控压钻井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)建立第一节流阀的压降与开度的目标方程：

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)计算第一节流阀在不同开度下，压降沿目标方程变化的流量：

由上述第一节流阀实时排量计算式和压降与开度关系式，可得第一节流阀压降沿目标方程变化的流量，进一步得到第二节流阀的排量，两个节流阀压降线性变化所需的流量如表1所示。

表1 1#和2#节流阀压降沿目标方程线性变化的排量

(4)计算2#节流阀压降沿目标方程变化的开度：

由节流阀压降通用表达式，可得2#节流阀沿目标方程线性变化对应的Cv值，结合表1中2#节流阀的流量和C

表2 2#节流阀压降沿目标方程线性变化的流量、Cv值和开度

(5)通过步骤(1)～(4)，联调1#和2#节流阀，即可实现节流压力呈目标压降方程变化，参见图4。图4为本申请实施例的用于控压钻井的压力调控方法中的双通道联控的原理示例图。在图4中，在实现节流压力呈目标压降方程变化时，随着1#节流阀的开度逐渐增大，2#节流阀2的匹配开度也不断变化。

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5为本申请实施例的用于控压钻井的压力调控系统的结构示意图。如图5所示，本发明实施例所述的压力调控系统包括：节流管路系统、第一节流阀控制单元和第二节流阀控制单元。

节流管路系统包括设置在的节流管汇上的第一节流通路和第二节流通路。所述第一节流通路与第二节流通路并联。其中，第一节流通路上设置有第一节流阀，第二节流通路上设置有第二节流阀。第一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，控制第一节流阀的不同开度并计算相应开度下所需的实时排量。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。第一节流阀控制单元用于根据第一节流阀的实时排量，利用预设的节流阀开度与流量之间的目标压降关系，实时计算第二节流阀的开度，从而对随第一节流阀的开度变化而变化的第二节流阀的开度进行动态配合控制。

在第一节流阀控制单元中，先根据井口回压变化目标，计算第一节流阀的目标压降，再根据当前目标压降、钻井液流体的密度和流体流动系数，利用第一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。其中，本发明实施例利用如下方式来构建用于计算第一节流阀实时排量的表达式：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；而后，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；最后，根据节流阀压降通用表达式和节流阀压降线控表达式，构建第一节流阀实时排量计算式。

本发明公开了一种用于控压钻井的压力调控方法及系统。该方法及系统针对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，线性节流阀研发难度大、成本高等问题，提出了一种基于双通道联控的压力线性调控方案。本发明通过两个节流通路的联控，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。