背景技术
近年来，世界范围内的欠平衡钻井(Underbalanced Drilling)技术有了迅速的发展，但是就目前的欠平衡钻井工艺来说，对油气层的保护仍存在不完善的地方，主要体现在起下钻过程中，由于受当前工艺方法与技术的限制，为避免起下钻过程中发生溢流、井喷等事故，在起钻前需要向井内注入加重钻井液以平衡地层压力。起钻前加重钻井液的注入，往往会导致井筒液柱压力小于地层压力的欠平衡状态丧失，最终失去欠平衡钻井在钻进阶段对储层保护的成果。
在欠平衡钻井中(循环钻进、起下钻作业)，始终保持井内相对稳定的欠平衡状态，对于保护储层和钻井安全至关重要。在钻井、起下钻过程中，均保持井底压力小于或等于地层压力的钻井作业方式被称为全过程欠平衡钻井。目前，世界上实现全过程欠平衡钻井的方法有两种：一种是使用不压井起下钻装置(Snubbing Unit，见专利号02133948.1)的方法，二是使用井下套管阀(Down-Hole Deployment Valve，见专利号200610005543.8)的方法，后一种方法目前比较常用，而井下套管阀实现全过程欠平衡钻井的方法简述如下：起钻过程中井口带压，起钻至井下套管阀之前，通过井口旋转防喷器实现对井筒压力的动态控制；起钻至套管阀位置以上，通过地面控制装置关闭井下套管阀，实现井筒压力封隔，此时井口不带压，可打开井口，实施常规提钻作业。
上述全过程欠平衡钻井工艺过程中由于起钻过程没有压力补偿系统，所以起钻过程仍然按照常规起钻作业方式实施，即每起钻柱10-15柱开泵灌注一定量钻井液。因起钻过程中钻井液当量密度小于地层压力当量密度，地层流体(油、气、水)保持有进入井筒的趋势。随着井筒内钻柱的起出，在压差作用下，地层流体会持续进入井筒并挤占起出的井筒内钻柱体积(欠平衡钻井井下钻具组合自带钻具内防喷工具，井筒钻柱排开体积以钻柱外径计算)。在欠平衡钻井循环钻进状态下，进入井筒的地层流体能随着钻井液循环至地面，通过旋转防喷器配合地面节流管汇实现节流控制，再经过液气分离器与撇油罐分离出侵入钻井液中的地层流体。但起钻过程中，井筒钻井液停止循环，地层流体在压差作用下随着起出钻柱体积的增加不断进入井筒，增加井筒压力控制的难度。尤其在天然气储层钻进，天然气进入井筒后在环空中滑脱上升，在限制天然气膨胀的状态下，上升的天然气会将地层圈闭压力带至地面，导致井口超压，从而增加全过程欠平衡钻井起钻过程中压力控制的难度。
发明内容
本发明目的在于：提供一种全过程欠平衡钻井压力补偿系统及方法，能够实现全过程欠平衡钻井作业，在起钻过程中通过地面压力补偿系统给井筒连续灌注钻井液的同时并实现动态控制井底压力，从而有效控制起钻过程中地层流体侵入井筒，保持井筒稳定的欠平衡状态。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：主要由井口旋转防喷器、欠平衡节流管汇、钻井液连续灌注系统以及常规钻井液循环系统组成，井口旋转防喷器安放在井口防喷器组上端，井口旋转防喷器与欠平衡节流管汇之间以高压软管连接，压力补偿由独立的钻井液灌注系统组成，其通过常规井口控制装置四通接出的压井管汇与钻井液连续灌注系统通过双通并联，钻井液连续灌注系统自压井管汇出口端接双通，依次安装压力流量监测系统与闸板阀、单流阀和钻井液灌注泵，钻井液灌注泵通过管线分别与重泥浆罐与钻井液循环罐相连，压井管汇通过管线与钻井泵连接；欠平衡节流管汇通过管线与液气分离器连接，再连接锥形沉淀罐，最后与常规钻井液循环系统连接形成有效循环。
压力流量监测系统为压力计和流量计。
可在上级套管管柱适当位置连接井下套管阀。
为实现全过程欠平衡钻井压力补偿方法，采用如下工艺步骤：
a.在钻进前将井口旋转防喷器、欠平衡节流管汇、钻井液连续灌注系统按如下方式连接：
在实施欠平衡钻井之前，将井口旋转防喷器、欠平衡节流管汇、钻井液连续灌注系统按如下方式连接：
①将井口旋转防喷器安放于井口防喷器组最上方；②欠平衡节流管汇与节流管汇并联，其一端通过高压软管与井口旋转防喷器旁通法兰相连，另一端与液气分离器相连；③钻井液连续灌注系统与压井管汇通过双通并联，依次在管线上安装压力流量监测系统、闸板阀与单流阀，连接钻井液灌注泵，再与重泥浆罐、钻井液循环罐的管线连接。
b.在钻进过程中闸板阀处于关位，起钻作业前先循环钻井液，直至井筒内状态适宜起钻时，开启闸板阀。
c.开始起钻作业，通过钻井液连续灌注系统向井内连续灌注钻井液，以维持稳定的环空液面高度；而欠平衡节流管汇控制节流阀开度大小，控制进入环空中的钻井液量以维持恒定的套压值，节流循环出的钻井液进入液气分离器进行常规欠平衡钻井作业钻井液循环程序，同时井口旋转防喷器的胶芯抱紧钻柱起钻，实现起钻过程中同时进行连续灌浆与动态控制井筒压力，有效地控制起钻过程中地层流体侵入，确保井筒保持稳定的欠平衡状态。
本发明的有益效果如下：
(1)起钻过程中能及时、连续地向环空中灌注钻井液，及时补偿由于钻柱起出而引起环空液面下降导致井筒压力亏空，从而维持井底压力平衡，保证起钻过程的安全实施。
(2)起钻过程中，通过控制欠平衡节流管汇的节流阀开度大小，保持恒定的井口套压值，确保井筒压力平衡，控制地层流体侵入井筒。
(3)在有天然气侵入井筒的情况下，随着气体滑脱上升，可通过欠平衡节流管汇的控制，有效实现压力释放，防止天然气将地层圈闭压力带至地面，避免井口超压问题，增强全过程欠平衡钻井起钻过程中压力控制的能力。
(4)地面设备结构简单，操作简便。
具体实施方式
本发明不受下述实施例的限制，可依据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明主要由井口旋转防喷器11、欠平衡节流管汇8、钻井液连续灌注系统以及常规钻井液循环系统组成，井口旋转防喷器11安放在井口防喷器组上端，井口旋转防喷器11与欠平衡节流管汇8之间以高压软管9连接，通过常规井口控制装置四通接出的压井管汇14与钻井液连续灌注系统通过双通并联，钻井液连续灌注系统自压井管汇14出口端接双通，依次安装压力流量监测系统12与闸板阀13、单流阀15和钻井液灌注泵16，钻井液灌注泵16通过管线分别与重泥浆罐1与钻井液循环罐3相连，压井管汇14通过管线与钻井泵2连接；欠平衡节流管汇8通过管线与液气分离器5连接，再连接锥形沉淀罐4，最后与常规钻井液循环系统连接形成有效循环。
备用重浆罐1和钻井液循环罐3之间有管线连接，可根据实际需要以及井场部署要求配置数量，锥形沉淀罐4与钻井液循环罐3之间也有管线连接，备用重浆罐1和钻井液循环罐3均与钻井泵2连接。
钻井泵2出口管线连接井口立管以及压井管汇13。
钻井液连续灌浆系统由钻井液灌注泵16、独立的单流阀15、闸板阀13以及相应地面连接管线组成，并自带压力流量监测系统12。整个钻井液灌注系统与压井管汇14并联，其一端通过钻井液灌注泵16与重泥浆罐1与钻井液循环罐3相连接，另一端通过井场左侧压井管汇14接口与井筒环空相连，且不影响压井管汇14作为井控装置的功能，从而实现在起钻过程中由于钻柱起出导致井筒环空液面下降以后对环空液体的连续补偿功能；钻井液连续灌注系统的钻井液灌注泵16的额定压力、排量补偿能力大于单位时间内从井筒内起出的钻柱体积；出口管线上的单流阀15允许钻井液单向流向井筒，而防止井内流体反向循环至钻井液连续灌浆系统；自带压力流量监测系统12，具有压力过载时自动停泵泄压的能力。
可根据实际需要，对上述一种全过程欠平衡钻井压力补偿系统进一步优化或/和改进：
钻井液灌注泵16与备用重浆罐1、钻井液循环罐3连接管线上装有闸板阀，在常规钻进作业时处于常关状态，起下钻时打开。
压力流量监测系统12为压力计和流量计。
为降低起钻后井口控制的难度，可在上级套管管柱适当位置连接井下套管阀10。
本实施例附图中所示备用重浆罐1、钻井液循环罐3各为三个，其数量不受图示所限，可根据现场实际需要配备。
为实现全过程欠平衡钻井压力补偿方法，采用如下工艺步骤：
a.在实施欠平衡钻井之前，将井口旋转防喷器11、欠平衡节流管汇8、钻井液连续灌注系统按如下方式连接：
①将井口旋转防喷器11安放于井口防喷器组最上方；②欠平衡节流管汇8与节流管汇6并联，其一端通过高压软管与井口旋转防喷器11旁通法兰相连，另一端与液气分离器5相连；③钻井液连续灌注系统与压井管汇14通过双通并联，依次在管线上安装压力流量监测系统12、闸板阀13与单流阀15，连接钻井液灌注泵16，再与重泥浆罐1、钻井液循环罐3的管线连接。
b.在钻进过程中闸板阀13处于关位，起钻作业前先循环钻井液，直至井筒内状态适宜起钻时，开启闸板阀13。
c.开始起钻作业，通过钻井液连续灌注系统向井内连续灌注钻井液，以维持稳定的环空液面高度；而欠平衡节流管汇8控制节流阀开度大小，控制进入环空中的钻井液量以维持恒定的套压值，节流循环出的钻井液进入液气分离器5进行常规欠平衡钻井作业钻井液循环程序，同时井口旋转防喷器11的胶芯抱紧钻柱起钻，实现起钻过程中同时进行连续灌浆与动态控制井筒压力，有效地控制起钻过程中地层流体侵入，确保井筒保持稳定的欠平衡状态。
本发明涉及的井下套管阀10为现有技术，常规液压控制和电控均可采用，考虑到工具能力及现场实际，一般井下套管阀10下入井深在300m～600m之间。
本实施例中在上层套管上连接井下套管阀10，钻柱起至井下套管阀10以上10～20m时，通过地面井下套管阀10的控制系统关闭井下套管阀10，此时可以暂停钻井液自动灌注系统，打开井口旋转防喷器11胶芯，直接提钻，从而降低井口控制系统的井口风险，利于快速提钻。
本发明工作原理如下：按照井控要求安装好井口防喷器组，将井口旋转防喷器11安装在常规井口防喷器组最上端，其旁通口用高压软管9连接欠平衡节流管汇8；欠平衡节流管汇8与节流管汇6采用软管7连接，其出口端通过管线与液气分离器5连接；钻井液连续灌注系统出口端管线依次连接压力流量监测系统12、闸板阀13和单流阀15，再与压井管汇14并联，钻井液连续灌注系统通过管线与重浆罐1、钻井液循环罐3出口管线相连，压井管汇14通过管线与钻井泵2连接，同时按照附图所示安装好地面循环设备(备用重浆罐1、钻井液循环罐3、锥形沉淀罐4、燃烧管线、防喷管线、撇油罐等等)；提钻至井下套管阀10之前，开启钻井液连续灌注系统15，向井眼内连续灌注钻井液，根据井底欠平衡状态要求，调节欠平衡节流管汇8节流阀开度，钻井液自欠平衡节流管汇8流出至液气分离器5，经液气分离后液体进入锥形罐4，进入常规钻井液循环系统，井口旋转防喷器11的胶芯抱紧钻柱起钻。