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用于在地层中钻出井眼的系统(100)，其包括：钻杆柱(112)，其伸入到井眼中，且在钻杆柱与井眼内壁之间具有一钻井流体回流通道；钻井流体排流管道(124)，其与所述回流通道(115)流体连通；泵装置(138)，其用于对钻井流体进行泵送，使其流经钻杆柱并经所述回流通道流向所述排流管道；背压装置(123、128、130)，其用于控制钻井流体的背压；流体注入系统(141、143)，其包括供应通道(141)，其使注入流体供应源(143)与所述回流通道在流路上连接起来，并还包括注入流体压力传感器(156)，其被用于测量所述供应通道中注入流体的压力；背压控制装置(238)，其用于对背压装置(123、128、130)进行控制，由此，所述控制装置用于对背压进行调节。

1.  一种用于在地层中钻出井眼的钻井系统，所述井眼具有内壁，该系统包括：
-钻杆柱，其伸入到井眼中，且在钻杆柱与井眼内壁之间具有钻井流体回流通道；
-钻井流体排流管道，其与钻井流体回流通道流体连通；
-泵装置，其用于对钻井流体进行泵送，使其经钻杆柱进入到井眼中，并通过钻井流体回流通道流入到钻井流体排流管道中；
-背压装置，其用于控制钻井流体的背压；
-流体注入系统，其包括注入流体供应通道，其使注入流体供应源与钻井流体回流通道在流路上连接起来，并还包括注入流体压力传感器，其用于根据注入流体供应通道中注入流体的压力而输出压力信号；
-背压控制装置，其用于对背压装置进行控制，由此背压控制装置用于接收所述压力信号，并至少依据所述压力信号对背压装置进行调节。

2.  根据权利要求1所述的系统，其特征在于：钻杆柱从地表面伸入到井眼中，且注入流体压力传感器被设置在地表面上或接近于地表面。

3.  根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：背压装置用于控制钻井流体从钻井流体回流通道中排出。

4.  根据权利要求1到3之一所述的系统，其特征在于：背压装置包括可变阻流装置，其被设置在钻井流体的流路中，该流路位于注入流体供应通道与钻井流体回流通道连接点的下游。

5.  根据上述任一权利要求所述的系统，其特征在于：流体注入装置用于注入一种质量密度不同于钻井流体的注入流体，且注入流体的质量密度优选地是低于钻井流体的质量密度。

6.  根据上述任一权利要求所述的系统，其特征在于：背压控制装置包括可编程的压力监控系统，其用于利用模型并从而至少利用所述压力信号来计算预测井下压力，将预测的井下压力与所需的井下压力进行比较，并利用计算压力与所需压力之间的差值来控制所述流体背压装置。

7.  根据权利要求6所述的系统，其特征在于：在钻杆柱的下端上设置井底钻具组件，井底钻具组件包括井下传感器和用于发送数据的井下遥测系统，其中的数据包括井下传感器的数据，该井下传感器的数据至少代表了井下压力数据，该系统还包括地面遥测系统，其用于接收井下传感器的数据，且所述可编程压力监控系统被用来将预测的井下压力与井下传感器的数据进行比较。

8.  一种用于在地岩层中钻出井眼的钻井方法，所述井眼具有一内壁，该钻井方法包括步骤：
-将钻杆柱布置到井眼中，并在钻杆柱与井眼内壁之间形成钻井流体回流通道；
-泵送钻井流体，使其经钻杆柱流入到井眼中，并经钻井流体回流通道流入到钻井流体排流管道中，其中的排流管道被设置成与钻井流体回流通道流体连通；
-通过对背压装置进行控制来控制钻井流体的背压；
-将注入流体从注入流体供应源经注入流体供应通道注入到钻井流体回流通道内的钻井流体中；
-根据注入流体供应通道中的注入流体的压力而产生压力信号；
-对背压装置进行控制，该控制工作包括至少依据所述压力信号对背压装置进行调节。

9.  基本上如上文参照附图所描述的钻井系统。

10.  基本上如上文参照附图所描述的钻井方法。

钻井系统及方法
技术领域
本发明涉及一种用于在地岩层中钻出井眼的钻井系统和方法。
背景技术
从地下岩层中勘探和开采烃类物质最终都需要一种能探及到烃类物并将其从地层中抽提出的方法。这一方法一般是通过利用钻机钻井而实现。在最为简单的形式中，这将构成基于陆地的钻机，其被用来支撑并转动钻杆柱，其中的钻杆柱是由一系列端部装有钻头的钻杆管构成的。另外，使用泵送系统来使流体循环流动，该流体是由基本流体(通常是水或油)和各种添加流体组成的，泵送系统将流体沿钻杆柱送下，然后，流体经旋转着的钻头排出，并从形成于井眼壁与钻杆柱之间的环形空间回流到地面上。该钻井流体具有如下几方面的作用：(a)对井眼壁提供支撑；(b)防止或在负压钻井(UBD)的情况下控制地层流体或气体进入到井眼中；(c)将钻头产生的钻屑带到地面上；(d)向固定在钻杆柱上的工具提供液压动力；以及(e)冷却钻头。钻井流体在循环流经井眼之后，流回到泥浆处理系统中，泥浆处理系统通常是由如下装置组成的：用于去除固体物质的振动台；泥浆池；以及用于添加各种化学物质或添加剂的人工或自动装置，为了使返回的流体保持钻井操作所需的各种特性。流体一旦被处理之后，其就会被泵送系统重新注入到钻杆柱的顶部中，由此循环回井中。
在钻井操作过程中，钻井流体对井筒的内壁施加一个压力，该压力主要是由流体静压力部分和动压力部分组合而成的，静压力部分与泥浆柱的重量有关，动压力则与摩擦压力损失有关，其中的摩擦压力损失例如是由流体的循环率或钻杆柱的运动造成的。
井眼中的流体压力被选择成这样：在钻井过程中，当流体处于静止态或循环流动时，该压力不能超过岩层的破裂压力或岩层强度。如果超过了岩层的强度，岩层将会发生破裂，这将会给钻井工作带来问题：例如流体损失、井眼不稳定等。在另一方面，在正压钻井(overbalanced drilling)的情况下，要对流体的密度进行选择，以使得井眼中的压力始终保持在孔隙压力之上，以防止岩层流体进入到井眼中，而在UBD的情况下，井眼中的压力要被维持成刚好低于孔隙压力，以可控地允许岩层流体进入到井眼中(一次井控)。
考虑了孔隙压力和岩层强度两方面因素的压力容限裕度被称为“操作窗口”。
出于安全和压力控制的原因，可在井口上安装防喷器(BOP)，其位于钻台的下方，在地层流体或气体以不希望或不受控的方式进入到井眼中的情况下，该BOP能将井眼关断(二次井控)。这种不希望的流入现象通常被称为“井涌”。BOP一般只在紧急情况下，即井控状况下使用。
在授予Bradfield等人、并转让给Baker Hughes Incroporated的第6035952号美国专利中，使用了一种用于负压钻井(即环空压力被保持在地层孔隙压力以下)的封闭井眼系统。
第6352129号美国专利(属于壳牌石油公司)介绍了一种在钻井过程中控制井眼内流体压力的方法和系统，除了用于使钻井流体经过钻杆柱循环流经环形空间的主泵之外，还使用了背压泵，其与环形空间排流管道保持流路连通。
通过精确地获得井下压力，有利于对井眼中的流体压力执行精确的控制。但是，在具有转动可变钻杆柱、并带有所有可能的井下辅助设备的井眼中，实时地监测井下压力是一个问题，其中，井下辅助设备是由钻井流体循环流进行驱动的。在接近地平面处对钻杆柱或井眼中钻井流体测得的压力通常远不同于井眼下端的压力，以至于不能为计算或估计实际井下压力提供一个精确的基础。在另一方面，当利用钻井传感器作为提供实时反馈控制信号的信号源时，目前可实现的数据传输率又太低，无法直接利用测量所得的井下压力数据。
发明内容
因而，本发明的一个目的是提供一种用于在地岩层中钻出井眼的系统和方法，本发明能改善对井眼中流体压力的控制。
根据本发明，本文提供了一种用于在地岩层中钻出井眼的钻井系统，所述井眼具有一内壁，所述系统包括：
-钻杆柱，其伸入到井眼中，且在钻杆柱与井眼内壁之间留有钻井流体回流通道；
-钻井流体排流管道，其与钻井流体回流通道流体连通；
-泵装置，其用于对钻井流体进行泵送，使其经钻杆柱进入到井眼中，并通过钻井流体回流通道流入到钻井流体排流管道中；
-背压装置，其用于控制钻井流体的背压；
-流体注入装置，其包括注入流体供应通道，其使注入流体供应源与钻井流体回流通道在流路上连接起来；并还包括注入流体压力传感器，其被设置成根据注入流体供应通道中注入流体的压力而输出压力信号；
-背压控制装置，其用于对背压装置进行控制，由此将背压控制装置设置成接收所述压力信号，并至少依据该压力信号对背压装置进行调节。
本发明还提供了一种用于在地岩层中钻出井眼的钻井方法，所述井眼具有内壁，钻井方法包括步骤：
-将钻杆柱布置到井眼中，并在钻杆柱与井眼内壁之间形成一钻井流体回流通道；
-泵送钻井流体，使其经钻杆柱流入到井眼中，并经钻井流体回流通道流入到钻井流体排流管道中，其中的排流管道被设置成与钻井流体回流通道流体连通；
-通过对背压装置进行控制来控制钻井流体的背压；
-将注入流体从注入流体供应源经注入流体供应通道注入到钻井流体回流通道中的钻井流体中；
-根据注入流体供应通道中注入流体的压力而产生压力信号；
-对背压装置进行控制，该控制工作包括至少依据所述压力信号对背压装置进行调节。
注入流体供应通道中注入流体的压力代表了相对精确的指标，其反映了在注入流体注入到钻井流体空隙中处的深度上、钻井流体空隙中钻井流体的压力。因而，由位于注入流体供应通道中任何位置处的注入流体压力传感器所产生的压力信号适于用作，例如对背压装置进行控制、对钻井流体回流通道中钻井流体压力进行监测的输入信号。
可选地是，如果需要地话，该压力信号可被进行补偿，例如补偿两位置之间注入流体柱的重量和/或注入流体中可能产生的动压损失，以便于获得一定深度处钻井流体回流通道中钻井流体压力的精确值，其中的两个位置分别是注入流体压力传感器在注入流体供应通道中的位置、以及注入流体注入到钻井流体回流通道中的位置，而所述深度是指注入流体被注入到钻井流体空隙中处的深度。
与钻杆柱内部的钻井流体通道不同，注入流体供应通道优选地是专用于一种任务，该任务就是输送注入流体，以将其注入到钻井流体空隙中。这样，能精确地确定钻井流体与注入流体的流体静力学和流体动力学相互作用，并使该相互作用在操作过程中保持恒定，从而，可精确地确定注入流体的重量及其在供应通道内的动压损失。
本发明至少适用于在负压钻井操作、等压钻井操作、以及正压钻井操作或全部操作中对压力进行控制。
不难理解：在本发明中，可以仅设置一个注入流体压力传感器，但如果需要的话也可采用多个注入流体压力传感器，这些传感器例如可被布置在相互不同的位置处。
要提到的是：专利文件WO 02/084067描述了一种钻井的构造，在该构造中，钻井流体的空隙是由井眼内部的环空构成的，注入流体供应通道被设置为第二外环空的形式，用于将注入流体从地表面输送到所需的注入深度处。流体被注入到内部环空内，用于动态地控制井眼中的井下循环压力，其中，轻质流体的较高注入率将会导致较低的井下压力。
与此相反，本专利申请采用了用于控制井下压力的背压装置，由此，利用注入流体的注入压力来控制背压装置。已经发现：通过根据注入流体的压力对背压装置进行控制，能比通过直接调节注入流体注入率来控制井下压力的方案更为精确、更为稳定地控制井下压力。
但是，也可在对背压装置进行控制的同时，协同地对注入流体注入率进行控制。当启动流体的循环或停止循环以防止注入流体的注入率被保持在不现实数值上时，这样的设计将特别有利。
在一优选实施方式中，可利用一种特别考虑了井筒几何参数的水力模型来计算钻井流体回流通道中钻井流体与井眼下部部分中钻井流体之间的压力差，其中，井眼的该下部部分是指注入流体注入点与井眼底部之间的延伸部分。由于该水力模型随同其方法只被用来计算井眼较小区段内的压力差，所以，可以预计：其精度将远高于必须计算整个井筒长度范围内压力差时的精度。
为了提高确定井下压力的精度，优选地是，在尽可能靠近井眼底部的位置处将注入流体注入。
优选地是，注入流体供应通道从钻杆柱进入井眼的位置处被引导到地表面上、或接近于地表面，由此具备了在地表或地表附近产生压力信号的机会。相比于在地表面下方很大深度处产生压力信号的情况，这将更为方便，尤其是便于更快速地监测压力信号。
注入流体可以是液体或气体。优选地是，注入流体的注入系统被设计成注入一种质量密度低于钻井流体的注入流体。通过注入密度较低的注入流体，能减小井下压力中的静液压力组分。这就使得对背压装置的控制具有更大的动态范围。
但是，优选地是，注入流体为气体的形式，尤其是诸如氮气(N₂)等的惰性气体。可选地，可以将气体在注入流体供应通道内的动压损失考虑进去，但预计其对压力信号的影响要小于气体柱重量的影响。因而，为利于实际应用，补偿气体柱重量的气压假定为几乎等于注入深度处钻井流体空隙中钻井流体的压力。
附图说明
下文将通过示例、参照着附图对本发明进行描述，在附图中：
图1中的示意图表示了根据本发明一实施方式的钻井设备；
图2示意性地表示了在根据本发明的钻井系统中井筒的示意性构造；
图3中的结构框图表示了用在本发明一实施方式中的压力监控系统；
图4中的功能图表示了压力监控系统的工作过程；
图5是根据本发明另一实施方式的钻井设备的示意图；以及
图6中的示意图表示了根据本发明又一实施方式的钻井设备。
在这些附图中，相同的部件具有同样的数字标号。
具体实施方式
图1中的示意图表示了一种应用本发明的地面钻井系统100。可以理解：海上钻井系统同样也能应用本发明。
在附图中，所示钻井系统100包括钻机102，该钻机被用来对钻井作业提供支撑。为易于描述，用在钻机102上的许多构件，例如方钻杆、动力大钳、卡瓦、绞车等其它设备未在图中表示出。钻机102被用来支撑着在地层104中的钻井和勘探作业。在图示的情况下，井眼106已被部分地钻出。
钻杆柱112伸入到井眼106中，由此在井眼壁与钻杆柱112之间和/或在可选的套管101与钻杆柱112之间形成了井眼的环形空间。钻杆柱112的一个功能就是将钻井流体150输送到井眼的底部，并输送到井眼环空中，在钻井作业中需要使用该钻井流体150。
钻杆柱112支撑着一个井底钻具组件(BHA)113，该组件包括钻头120、泥浆马达118、传感器组件119、逆止阀(图中未示出)，其中的逆止阀用于防止钻井流体从井眼环空回流到钻杆柱中。
传感器组件119例如可被设置成MWD/LWD传感器套件的形式。具体来讲，其可包括压力变送器116，该压力变送器用来确定井眼底部或底部附近钻井流体的环空压力。
在图示的实施方式中，BHA113还包括遥测组件122，其被用来将压力信息、MWD/LWD信息、以及钻井信息发送出去，以便于在地面上进行接收。可设置包括压力数据存储器的数据存储器，用于在发送信息之前，临时性地存储收集到的压力数据。
钻井流体150可被储放在储器136中，在图1中，该储器被表示为泥浆池的形式。储器136与泵装置(特别是主泵装置)保持流路连通，泵装置包括一个和多个泥浆泵138，这些泵在工作中将钻井流体150经管道140进行泵送。可设置可选的流量计152，其与一个和多个泥浆泵串连，或者位于泥浆泵的上游、或者位于其下游。管道140被连接到钻杆柱112的最后一个接头上。
在工作过程中，钻井流体150被泵送着向下流经钻杆柱112和BHA113，并从钻头120处排出，在钻头处，钻井流体将钻屑从钻头120处循环带走，并沿钻井流体回流通道115将钻屑向上回送，其中的回流通道通常是由井眼的环空形成的。钻井流体150返回到地面上，并流经侧向出口、钻井流体排流管道124、以及可选的各个平衡箱(surgetank)和遥测系统(图中未示出)。
下面再参见图2，图中示意性地表示了井筒构造的下列细节，该井筒构造与注入流体的注入系统有关，该注入系统用于将一种注入流体注入到钻井流体回流通道内的钻井流体中。设置了外环空141形式的注入的流体供应通道。外环空141将注入流体供应源143与钻井流体回流通道115在流路上连接起来，在空隙中，注入流体可通过注入点144注入。注入流体供应源143可被合适地布置在地面上。
可选地是，设置了可变的限流装置，例如注流节流门或注流阀，该装置用于将注入流体供应通道141与钻井流体回流通道115分隔开。利用该装置实现了这样的效果：当要维持对注入流体供应通道的增压时，可中断注入流体向钻井流体的注入。
合适地是，注入流体的密度小于钻井流体的密度，从而，由于存在于钻井流体回流通道115中的流体的重量较轻，能减小钻头120附近井底区域的静液压力。
合适地是，注入流体是以气体的形式注入的，该气体例如可以是氮气。设置了一个注入流体压力传感器156，其与注入流体供应通道流体连通，用于监测注入流体供应通道144中注入流体的压力。注入流体供应通道141被引向钻机上的地平面，从而可将注入流体压力传感器156设置在地平面处。从而能在地面上容易地获得由注入流体压力传感器156产生的压力数据。
在钻井流体150经钻杆柱112和井眼106循环流动的过程中，一种由钻井流体150(可能还带有钻屑)和注入流体组成的混合物将在注入点144的下游位置流经环空115的上部149。而后，该混合物继续前进到通常被称为背压系统131的位置处。
设置了压力隔绝密封件，以密封地箍接着钻杆柱，并在井眼环空内封闭一定压力。在图1所示的实施方式中，压力隔绝密封件被设置成位于BOP142顶部的旋转式控制头的形式，钻杆柱穿过该旋转式控制头。位于BOP顶部的旋转式控制头在启用时将形成环绕着钻杆柱112的密封件，其隔绝了压力，但仍然允许钻杆柱进行转动和往复运动。或者，可使用转动式的BOP。压力隔绝密封件可被看作是背压系统中的一部分。
参见图1，当混合物返回到地面时，其将流经压力隔绝密封件下方的侧向出口而到达背压装置中，该背压装置被设计成向容纳在井眼环空115中的钻井流体混合物提供可调的背压。背压装置包括可变的限流装置，该装置适为耐磨节流门130的形式。可以理解：目前存在用钻井流体150中含有大量的钻屑和其它固体物质的环境中的节流门。节流门130就属于这种类型，并还能在可变的压力、流量下工作，且能经过多个工作循环。
钻井流体150流过节流门130后，流经一个可选的流量计126，以被引导着流经可选的脱气装置1和固体分离设备129。可选的脱气装置1和固体分离设备129被用来从钻井流体150中去掉过量的气体和其它污染物(包括钻屑)。钻井流体150在流经固体分离设备129之后，返回到储器136中。
流量计126可以是质量平衡型流量计或其它的高精度流量计。可选地是，可在可变限流装置的上游位置，在钻井流体排流通道124中设置背压传感器147。除了背压传感器147之外，可以在背压装置131的上游布置与流量计126类似的流量计。
设置了包括压力监测系统146的背压控制装置，该装置用于对与环空压力有关的数据进行监测，并至少向背压系统131发送控制信号，可选地是，该装置还向注入流体注入系统和/或主泵装置发送控制信号。
相比于普通的钻井系统，本发明所实现的、可在整个钻井和完井过程中提供可调背压的能力是一个显著的进步，尤其是在涉及UBD的情况下，在UBD作业中，钻井流体的压力被保持为在操作窗口中尽可能低。
总体而言，获得所需井下压力而要求的背压是通过如下的方式确定的：获得有关BHA113附近钻井流体目前井下压力(被称为井底压力)的信息；将该信息与所需的井下压力进行比较，并利用两个量之间的差值确定背压的设定值，且对背压装置进行控制，以获得接近于背压设定值的背压值。
优选是利用注入流体供应通道141中注入流体的压力来获得与确定当前井底压力相关的信息。只要注入流体正在被注入到钻井流体回流通道中，就可假定注入深度处注入流体的压力等于注入点144处钻井流体的压力。因而，由注入流体压力传感器156确定出的压力可被有利地用来形成一个压力信号，该信号被用作对背压系统进行调节或控制的反馈信号。
要提到的是：利用上文介绍的、对背压装置的受控重新调节，能非常近似地补偿静液压力对井下压力影响量的改变，其中，注入流体注入率可能发生的变化就会导致这种改变。因而，利用根据本发明的对背压装置的控制，能使井眼中流体的压力几乎不受注入流体注入率的影响。
使用与注入流体压力相对应的压力信号的一种可行方式是：在钻井作业及完井作业的全部操作过程中，对背压装置进行控制，以将注入流体压力保持在一个合适的恒定值上。当注入点144非常接近于井眼的底部时，则能提高精度。
当注入点141并不接近井眼的底部时，则优选地是：获得钻井流体回流通道在注入点144与井眼底部之间延伸的部分区段内的压差幅值。为此，可采用一个水力模型(下文将进行描述)。
图3中的结构框图表示了一种可行的压力监测系统146。钻井系统向该监测系统146输入的量包括：注入流体的压力203，该量值是由注入流体压力传感器156测得的；井下压力，该压力是由传感器组件119测得的，其被MWD脉冲发生器组件122(或其它遥测系统)发送出去，并由地面上的变送器设备(图中未示出)接收。其它的系统输入量包括：泵压力200；从流量计152或根据泥浆泵的冲程而获得的输入流量204，其中，从泥浆泵行程获得的输入流量要对效率因素进行补偿；钻进率和钻杆柱的旋转速度；以及钻压(WOB)和钻矩(TOB)，该参数可以以压力脉冲的形式从BHA113沿环空向上发送。可选地是，利用流量计126(如果设置了的话)对回流进行测量。
表征各个数据输入量的信号被传送给控制单元(CCS)230，该控制单元自身是由钻机控制单元232、一个或多个钻井操作员工作台234、环空动压力控制(DAPC)处理器236、以及背压可编程逻辑控制器(PLC)238构成的，所有这些组成部件都由公用数据网络或工业型总线240连接起来。具体来讲，CCS230被设置成接收并收集数据，且利用公用数据网络或工业型总线240使得DAPC处理器236可访问这些数据。
合适地是，DAPC处理器236可以是基于个人计算机的SCADA系统，其运行一水力模型，并与PLC238连接。DAPC处理器236具有三方面的功能：在钻井过程中监测井眼压力的状态；预测井眼对连续钻井操作的响应；以及向背压PLC发布指令，以控制背压装置131。此外，还可向一个或多个主泵装置138以及注入流体注入系统发送指令。下文将进一步介绍与DAPC处理器236相关的具体逻辑程序。
图4中表示了DAPC压力监测系统146功能的示意性模型。DAPC处理器236具有进行编程以执行控制的功能、以及对实时模型进行校正的功能。DAPC处理器从各个数据源输入数据，并连续地实时计算正确的背压设定值，以得到所需的井下压力。然后，该设定值被传送给可编程逻辑控制器238，该控制器产生出控制信号，以对背压装置131进行控制。
仍然参见图4，借助于控制模块259确定出注入流体注入深度上的环空内的压力263，由此而利用了一些固定的井筒参数250(包括注入点144的深度)、一些有关注入流体的固定数据255(例如注入流体的比重)、以及某些有关注入流体的变量数据257，其中的变量数据至少包括由注入流体压力传感器156产生的压力信号203以及其它的可选数据(例如注入流体注入率)。合适地是，注入流体供应通道141被引向钻机上的地平面，从而，可方便地获得由注入流体压力传感器156产生的数据，以其作为背压控制系统的输入信号。
在N₂或其它合适的气体被用作注入流体的情况下，可将注入深度上环空115内部的压力假定为等于地表面处的注入流体压力由注入流体柱的重量补偿后的获得的值。当使用了以任意明显注入率注入的液体作为注入流体时，则不必须要将动压损失考虑进去。
将环空下部部分的压力差与注入点144处的压力263相加，其中的环空下部部分是指环空在注入点144与井底附近之间的延伸的部分。
用于确定该压力差的输入参数可被划分为三个主要的组。第一组是一些较为固定的参数250，包括诸如井筒、钻杆柱、井眼和套管的几何参数、钻头喷嘴的直径、以及井筒的轨迹等。尽管应当认识到井筒的实际轨迹可能会不同于计划的轨迹，但可通过对计划轨迹修正来考虑进这一不同。另外，环空中流体的温度分布以及流体的组分也在这组参数中。至于那些几何参数，这些参数一般是已知的，且在钻井作业的整个过程中不会很快改变。尤其是，对于DAPC系统，其一个目的就是利用背压来提供额外的压力，以对环空的压力进行控制，由此使钻井流体150的密度和组成保持相对恒定。
第二组参数252在本质上具有高度的变化性，需要实时地进行测量和记录。钻机数据采集系统的通过公用数据网络240向DAPC处理器236输送该信息。该信息包括由注入流体压力传感器156产生的注入流体压力数据203、分别由井下流量计152和回流流量计126提供的和/或通过测量泵的冲程而测得的流量数据、钻杆柱的钻进率(ROP)或钻进速度、钻杆柱转速、钻头深度、以及井筒的深度。所有这些参数都可从钻机传感器的直接测量结果导出。
另外，参见图1和图4，井下压力数据254是由压力感测工具116提供的，可选地是，该数据还经过了位于井底钻具组件113中的压力数据存储器205。利用该工具收集的数据被井下遥测组件122发送到地面。可以理解：目前大多数遥测系统的数据传输能力和/或传输速度都是有限的。因而，地面收到这些测得压力数据会有一定的延迟。其它的系统输入参数即为所需的井下压力设定值256和应当保持该设定值的深度。这一信息通常是由操作人员提供的。
控制模块258利用各种模型计算出环空在井眼下部区段内的的压力，该区段是指注入点144与井底之间的长度延伸的区段。井眼中的压力差不仅是静压力或井筒中相关流体柱的重量的函数，而且包含由钻进操作引起的压力损失和其它因素，其中的压力损失包括钻杆柱引起的流体运动、由流体在环空中运动而产生的摩擦压力损失。为了计算出井筒中的压力，控制模块258考虑了井筒的相关部分以及有限数目的组元，每个组元都被分配给井眼长度的一个相关节段。在每个组元中，计算出动压力和流体重量，并用这些指标确定该节段的压力差262。将这些节段的数值加起来，就能至少确定出井筒剖面结构下端的压力差。
公知的是：井眼中流体的速度与一个流量成比例，该流量是指被泵送到井下的流体150加上从注入点144下方地层104中开采出的流体的总流量，其中，后一种流体的作用是与负压钻井的状况相关的。对泵送流的测量值以及对从地层104开采出流体的估计值被用来计算流经井眼的总流量、以及对应的动压损失。对井筒的各个节段都执行该计算，且该计算都考虑到如下的因素：流体的可压缩性、预计的钻切负载、以及针对于具体节段的流体热膨胀性，其中，其中的热膨胀性自身与该井筒节段的温度分布有关。在确定某一节段的动压损失时，该节段温度分布规律上的流体粘度特性也是有作用的。在确定流体可压缩性和热膨胀系数时还要考虑流体的组成成分。钻杆柱的运动—尤其是其钻进速率(ROP)与钻井工作过程中当钻杆柱移入到井眼或从井眼中移出的过程中遇到的冲击压力和拖擦压力有关。钻杆柱的转动也被用来确定动压损失，原因在于：钻杆柱的转动会使在环空与钻杆柱之间的流体产生摩擦力。钻头深度、井深、以及井筒/钻杆柱的几何参数都被使用了，这些参数有助于将井眼的各个节段模型化。
为了计算井筒中所容纳的钻井流体的重量，优选的实施方式不仅考虑了由流体150施加的静压力，而且考虑了作业过程中出现的流体压缩、流体热膨胀、以及流体对钻切的负载。所有这些因素都被用在“静压力”的计算中。
确定动压力所要考虑的很多因素都与确定静压力时考虑的因素相同。但是，所考虑的因素还包括一些其它因素。层流对湍流的概念就属于这些因素。流动特性是所估计的粗糙度、井眼及钻杆柱几何参数、流体流速、流体密度和粘度的函数。上述的各个指标包括井眼的偏心度和会影响井眼环空中流速的特殊钻管(箱体/销体的镦锻(upset)结构)的几何特征。动压力计算所考虑的因素还包括井下的钻屑积累量、钻杆柱运动(轴向运动和转动)对流体动压力的影响。
根据上述算法确定出整个环空的压力差，并将其与控制模块264中的压力设定值256进行比较。然后就可确定出所需的背压266，该数值被传送给可编程逻辑控制器238，该控制器将产生出背压控制信号。
上文讨论的、如何计算背压的一般过程采用了几个井下参数，这些参数包括井下压力和对流体粘度及密度的估计值。例如可使用传感器组件119在井下确定出这些参数，再利用压力脉冲将这些参数接近音速沿泥浆柱上传到地面—例如利用遥测系统122进行上传。这种传送系统的传送速度和有限的带宽一般会造成井下测量数据与地面接收数据之间存在一定的延迟。该延迟的范围在几秒到几分钟之间。因而，井下压力测量值通常未被实时地输入到DAPC模型中。因此，可以理解：在被上传到地面的井下压力测量值与地面接收到数据时预计的该深度井下压力之间存在一定的差值。
为此，优选地是，为井下压力数据加上时间印记或深度印记，以便于使控制系统能将接收到的压力数据与存储在存储器中的历史压力预测值进行同步。基于同步后的历史数据，DAPC系统采用回归法来计算出对某些输入参数的调整量，以便于在井下压力的预测值与测量值之间获得最好的相关度。可通过改变任何可获得的输入变量参数来完成对输入参数的修正。在优选实施方式中，只对流体密度和粘度进行改变，以修正预计的井下压力。另外，在该实施方式中，实际的井下压力测量值只被用来对计算出的井下压力进行校正。并不使用该数值来直接调节背压设定值。
图5表示了采用本发明的钻井系统的一种可选实施方式。除了上文已参照图1到图4所示实施方式描述和表示的那些部件之外，图5所示的系统包括背压系统131，该背压系统中设置有加压装置，此处，该装置被表示成背压泵128的形式，其与钻井流体回流通道115和节流门130并联流体连通，以便于对钻井流体排流管道124中、位于限流装置130上游的钻井流体进行加压。背压泵128的低压端通过管道119与钻井流体供应源相连，其中的供应源可以与储器136连通。在管道119中可设置截止阀125’，用于将背压泵128与钻井流体供应源隔开。
可选地是，可设置阀123，以选择性地将背压泵128与钻井流体排流系统隔开。
可连接背压泵128，以确保有足量的流体流经节流门系统130，进而以维持背压，甚至在来自环空115的流体不足以维持节流门130处背压的情况下。但是，在UBD作业中，当钻井流体150循环流经钻杆柱112的流量被减小或中断时，通常通过减小注入流体的注入率，就足以增大井眼环空上部149中所容纳流体的重量。
该实施方式中的背压控制装置为背压系统产生出控制信号，合适地是，该信号不仅对可变节流门130进行控制，而且对背压泵128和/或阀123进行控制。
图6表示了钻井系统的再一种实施方式，在该实施方式中，除了图5所示的部件之外，钻井流体的储器除了泥浆池之外还包括一个钻井流体补给罐2。钻井流体补给罐通常被用在钻机上，用于在起下钻工作过程中监控流体的损益。应当指出的是：当钻井工作采用了多相流体系统时，由于井筒常常要保持着运行状态，或者井筒中钻井流体的液位在注入气体的压力被泄放时会下降，所以钻井流体补给罐的应用并不多，其中的多相流体系统例如是上文所述的涉及将气体注入到钻井流体回流中的系统。但是，在当前的实施方式中，钻井流体补给罐的功用得到了保留，例如用于在反而是将高密度钻井流体向下泵送到高压井中的情况下。
在背压系统131的下游设置了歧管阀，以便于能选择从井眼回流的钻井泥浆被引流到那个储器中。在图5所示的实施方式中，歧管阀包括两通阀5，其能将来自于井眼的钻井流体引向泥浆池136或钻井流体补给罐2。
在该实施方式中，可选地增设了背压泵128和阀123。
阀歧管还可包括两通阀125，其被用来或者将钻井流体150从储器136经管道119A输送到背压泵128，或者将钻井流体从储器2经管道119B输送到背压泵128，其中的背压泵128可选地设置成与钻井流体回流通道115和与节流门130并联流体连通。
在工作过程中，阀125或者选择管道119A、或者选择管道119B，且连接背压泵128，以确保有足够的流体流经节流系统，从而可保持着背压，甚至在环空115中不输出流体的情况下。
在上文表示和/或描述的实施方式中，注入流体供应通道被设置成外部环状空间的形式。注入流体供应通道也可被设置成不同的形式，例如可借助于钻杆气体注入系统来进行供应。在没有外环空来注入流体的情况下，这一选项将特别有利。但更重要的是，这一可选方案使得注入流体的注入点144可被布置得非常接近井眼底部，从而，注入流体供应通道内注入流体的压力将成为一个精确的参数，该参数可作为确定井底压力精确值的出发点。但是，也可利用电磁MWD传感器套件来进行压力数据的读出，以按照与上文所述相同的方式来对水力模型进行校正。