用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法 技术领域 本发明涉及石油、 天然气钻井领域， 一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模 拟方法和装置， 适用于控制压力钻井技术与装备的实验、 测试， 实现了控压钻井技术室内研 究、 装置工作性能检测的目的。
背景技术
控压钻井技术是一项精确的井底压力控制钻井技术， 保证在整个钻井作业过程中 无论是正常钻进、 接单根、 起下钻等过程中精确的井底压力控制， 减少井涌、 井漏等多种钻 井复杂情况， 相对常规钻井技术， 可以减低 80％的井下复杂问题， 减少非生产时间 20％～ 40％， 降低钻井成本。但是， 该项钻井技术对软硬件水平要求都很高， 表现在 ： ①软件方面， 集自动控制技术和实时水力学计算于一体， 需要应对各种工况， 如开泵、 停泵、 井漏、 井涌、 起下钻、 活动钻具等不同工况实时分析、 预测， 然后发出控制指令， 通过对钻井液进行自动 节流达到控制井底压力的目的 ； ②硬件方面， 由中央控制系统、 节流管汇系统和回压泵系统 3 大系统组成控压钻井装备， 在中央控制系统的组织下协同工作， 节流管汇进行正常钻井条 件下钻井液节流控制， 在井队泥浆泵停止工作或者提供的地面返回的钻井液流量不够时， 则启动回压泵系统为节流管汇系统提供钻井液进行节流控制， 从而达到不间断、 精确的压 力控制， 使井底压力控制在允许范围内。
由此可以看出开发控压钻井技术的困难程度， 一方面需要深入分析实际控压钻井 的多种工况条件， 考虑众多控制变量， 如钻井液流量的变化、 密度的变化、 循环压力的波动、 环空压力损耗的变化等等， 建立复杂控压钻井工艺技术 ； 另一方面需要研制设备， 并完成设 备联动调试， 使之在复杂的控压钻井井下工况条件下可以做出稳定、 可靠、 准确和快速的动 作。 在没有完善以上两方面详细的室内实验、 测试的基础上， 控压钻井技术是不能钻井现场 进行测试， 更不可能进入钻井现场服务。
目前， 国内外均没有可以进行成套控压钻井技术与装备实验和测试的井下工况模 拟方法和装置， 因此研究一种用于控压钻井技术与装备测试的井下工况模拟方法和装备势 在必行。通过建立该井下工况模拟方法和装置可以完成以下功能 ： ①进行控压钻井工艺技 术实验， 寻找最佳控制方法和手段， 包括井口回压， 流量补偿方式 ； ②模拟控压钻井多种井 下工况， 测试控压钻井装备多个系统连接后运行信号采集的准确性， 设备调节的快速性以 及控制的稳定性， 测试内容包括软件和硬件两个方面 ； ③研究流量、 出入口压力差和节流阀 开度三者之间关系， 建立准确的控制模型。 发明内容 本发明的目的是 ： 提供一种用于控压钻井技术与装备实验、 测试的井下工况的模 拟方法和装置， 达到精确掌握控压钻井技术参数， 精准调试控压钻井装备， 实现控压钻井技 术与装备的室内实验和测试的目的。
本发明采用的技术方案是 ： 用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法是通过
井下工况模拟装置与控压钻井装备连接进行实验或测试， 井下工况模拟装置模拟井下工况 的变化。控压钻井装备根据工况的变化进行自动判断、 识别工况， 并进行压力控制。具体方 法是 ： 首先由输入钻井液流量和钻井液密度两个参数 ( 输入参数框 1) ； 其次控制地层压力 值和井漏或井涌量两个参数的变化 ( 控制参数框 2) ； 最后经过井下工况模拟装置输出井口 回压、 钻井液流出量和钻井液密度三个参数 ( 输出参数框 3)。将控压钻井装备串联在井下 工况模拟装置之后进行如控压方法实验、 控压精度以及灵敏度、 可靠性测试等相关的功能 实验、 测试。
钻井液的循环流程由泥浆罐开始， 通过井下工况模拟装置进入控压钻井装备， 最 终返回泥浆罐。井下工况模拟装置显示井下工况模拟过程是 ： 首先启动泥浆泵 A， 提供输入 钻井液密度和钻井液流量两个参数 ( 输入参数见框 1) ； 其次调节节流阀 B 开度控制控制模 拟井底压力值， 打开平板阀 A， 调节节流阀 A 开度控制井漏量或启动泥浆泵 B， 改变泵排量控 制井涌量 ( 控制参数见框 2) ； 最后经过井下工况模拟装置由压力计 C 输出井口回压、 由泥 浆泵 A 和泥浆泵 B 输出钻井液流出量， 由控制气源输气控制输出钻井液密度 ( 输出参数见 框 3)。 控压钻井装备则是放置实验、 测试的控压钻井装备， 将其串联在井下工况模拟装置之 后进行相关的功能实验、 测试。
一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置主要由泥浆罐， 流量计 A、 流量 计 B， 泥浆泵 A， 泥浆泵 B， 节流阀 A、 节流阀 B， 阻流管汇以及平板阀 A、 平板阀 B、 平板阀 C、 平 3 板阀 D 和压力计 B、 压力计 A， 压力计 C 组成。其中， 泥浆罐可以由两个 60m 标准罐组成， 可 装同一种液体， 也可分装不同液体 ； 泥浆泵 A 的入口管线与泥浆罐出口管线连接， 流量计 A 安装在泥浆泵 A 的入口管线 ； 泥浆泵 B 的入口管线与泥浆罐出口管线连接， 流量计 B 安装在 泥浆泵 B 的入口管线。泥浆泵 A 的出口管线安装了一个单流阀 A， 然后泥浆泵 A 的出口管线 通过三通分成三路 ： 第一路通过三通连接一个放空阀， 放空阀出口连接泥浆罐入口 ； 第二 路通过三通连接平板阀 A， 平板阀 A 串联一个节流阀 A， 节流阀 A 出口管线与泥浆罐的回水 管线连接 ； 第三路通过三通连接平板阀 B， 平板阀 B 与节流阀 B 的入口管线相连， 在节流阀 B 的入口处安装了压力计 A。气源的出口管线通过单流阀 B 与平板阀 D 串联后与泥浆泵 A 的 第三路管线相连， 连结点在平板阀 B 之后管线上。泥浆泵 B 的出口管线上依次连接一个单 流阀 A 和压力计 B， 然后通过三通分成两路 ： 一路是通过一个放空阀与泥浆罐的回水管线连 接； 另一路通过三通连接一个平板阀 C 并与泥浆泵 A 第三路管线的平板阀 B 出口管线相连。 节流阀 B 的出口管线与阻流管汇的入口管线相连， 阻流管汇的出口管线与控压钻井装备相 连， 在阻流管汇的出口管线安装了一个压力计 C。 在阻流管汇的入口管线通过入口法兰与控 压钻井装备连接， 控压钻井装备通过出口法兰与泥浆罐回水管线连接 ； 另外控压钻井装备 的上水管线与泥浆罐连接。
所述的阻流管汇是由总长 40m 的钢管弯曲而成， 钢管内径为 20mm、 30mm 或 40mm。
控压钻井装备是安装被测试的部件， 被测试的部件是与钻井井口压力控制有关的 部件， 如节流管汇、 回压泵、 节流阀等， 简称 ： 控压钻井装备。
模拟井下工况的方法是 ： 通过泥浆泵 A 输入钻井液， 并获得钻井液的流量和密度 值， 调节节流阀 B 开度模拟正常钻进、 起下钻等工况造成的井底压力波动 ； 阻流管汇模拟井 眼环空压力损耗 ； 开启节流阀 A 调节开度， 模拟井漏工况 ； 启动泥浆泵 B 或者气源， 控制输 入流量， 模拟井涌工况。其中， 节流阀 B 调节的方式包括 ： 正弦、 线性和随机变化三种， 即：5101852076 A CN 101852077
说(1)明书3/6 页y ＝ A.sin(ω(t-t0))+x0y ＝ C.rand(t-t0)+x0 (3) 式中 ： x0 ： 初始开度 ； t， t0 ： 时间和初始时间 ； A， B， C： 常量 ； ω： 调节的角速度 ； T： 设定的时间间隔 ； y： 调节开度值。 节流阀 A 关闭的控制方程如下所示 ：式中 ： P： 压力计 A 测量压力 ； P2 ： 启动控制方程前的压力 ； P1 ： 控制压力目标值。 调节泥浆泵 B 或者气源排量控制方程如下所示 ：式中 ：
Q0 ： 初始的泥浆泵 B 或气源排量 ；
Q： 调节的泥浆泵 B 或气源排量。
本发明的有益效果 ： 本发明用于控压钻井技术与装备测试的井下工况模拟方法和 装备具有以下优点 ：
1、 综合考虑控压钻井的多种工况， 在实验室模拟了正常钻进、 开泵、 停泵、 起下钻、 井漏、 井涌等不同井下工况情况， 对完善、 提高、 开发控压钻井技术与装备的水平起到极大 的推动作用， 并保证了控压钻井装备的安全、 可靠运行 ；
2、 控压钻井装备的测试是将井下工况模拟装置模拟的井下工况作为黑匣子处理， 不管具体作用机理， 仅是控制模拟的井底压力以及井漏量或井涌量， 实验、 测试过程与现场 工程实际很符合， 为控压钻井装备调试提供了可靠的平台 ；
3、 井下工况模拟装置模拟多种井下工况为深入理解、 分析控压钻井工艺理论， 特 别是压力传播特性， 以及建立微溢流条件的压力控制模型提供很好的帮助。
附图说明 图 1 是本发明用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法井下工况模拟功能 示意图。
1001. 井下工况模拟装置， 1002. 控压钻井装备， 其中在井下工况模拟装置 1001
中模拟的参数框包括 ： 1. 输入参数框， 包括钻井液密度和钻井液流入量 ； 2. 控制参数框， 包 括地层压力值和井漏或井涌量 ； 3. 控制参数框， 包括 ： 井口回压、 钻井液流出量和钻井液密 度。
图 2 是本发明用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置 1001 组成示意图。
图中， 4. 泥浆罐， 5. 流量计 A、 6. 流量计 B， 7. 泥浆泵 A， 8. 泥浆泵 B， 9. 单流阀 A， 10. 压力计 B， 11. 放空阀， 12. 节流阀 A， 13. 平板阀 A、 14. 平板阀 B、 15. 平板阀 C、 16. 平板 阀 D， 17. 单流阀 B， 18. 压力计 A， 19. 节流阀 B， 20. 阻流管汇， 21. 压力计 C， 22. 入口法兰， 23. 出口法兰。 具体实施方式
实施例 1 ： 以一种用于控压钻井技术与装备的井下工况模拟方法和装置， 对本发 明作进一步详细说明。
参阅图 1。一种用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟方法是通过井下工况模 拟装置与控压钻井装备串联进行实验和测试， 井下工况模拟装置模拟井下工况的变化， 控 压钻井装备根据工况的变化进行自动判断、 识别工况， 并进行压力控制。 具体方法是由井下 工况模拟装置输入钻井液流量和密度， 模拟地层压力值和井漏或井涌量的变化， 引起井口 回压、 钻井液流出量和钻井液密度等模拟输出参数的变化， 然后通过控压钻井装备进行识 别和控制。 由井下工况模拟装置 1001 可以看出井下工况模拟过程是 ： 首先启动泥浆泵 A7， 提 供输入钻井液密度和钻井液流量两个参数 ( 输入参数见框 1) ； 其次调节节流阀 B19 开度 控制控制模拟井底压力值， 打开平板阀 A13， 调节节流阀 A12 开度控制井漏量或启动泥浆泵 B8， 改变泵排量控制井涌量 ( 控制参数见框 2) ； 最后经过井下工况模拟装置由压力计 C21 输出井口回压、 由泥浆泵 A7、 泥浆泵 B8 输出钻井液流出量， 由控制气源输气控制输出钻井 液密度 ( 输出参数见框 3)。控压钻井装备 1002 则是放置实验、 测试的控压钻井装备， 将其 串联在井下工况模拟装置 1001 之后进行相关的功能实验、 测试， 如包括节流特性、 PID 控制 器整定、 控制响应速度、 系统稳定性等实验、 测试。钻井液的循环流程由泥浆罐 4 开始， 通过 井下工况模拟装置， 进入控压钻井装备， 最后返回泥浆罐 4。 井下工况模拟装置 1001 是通过 模拟地层压力值和井漏或井涌量的变化， 模拟正常钻进、 开泵、 停泵、 起下钻、 井漏、 井涌等 不同钻井作业情况下的井下工况变化， 为摸清控压钻井的控制规律， 测试、 调节控压钻井装 备性能提供技术支持。
参阅图 2。用于控压钻井实验与测试的井下工况模拟装置 1001 主要由泥浆罐 4， 流量计 A5、 流量计 B6， 泥浆泵 A7， 泥浆泵 B8， 节流阀 A12、 节流阀 B19， 阻流管汇 20 以及平板 阀 A13、 平板阀 B14、 平板阀 C15、 平板阀 D16 和压力计 B10、 压力计 A18， 压力计 C21 组成。
其中， 泥浆泵 A7 额定功率 315KW， 排量 20L， 额定压力 35MPa。泥浆泵 B8 额定功率 160KW， 排量 8L， 额定压力 35MPa。泥浆罐 4 由两个 60m3 标准罐组成。流量计 A5 和流量计 B6 采用科氏流量计。压力计 B10、 压力计 A18 和压力计 C21 采用现场总线仪表。阻流管汇 20 则是由内径 3mm， 总长 40m 的钢管弯曲而成。节流阀 A12、 节流阀 B19 采用电磁比例阀控 制。平板阀 A13、 平板阀 B14、 平板阀 C15 和平板阀 D16 则是采用液动平板阀。
泥浆泵 A7 的入口管线与泥浆罐 4 出口管线连接， 流量计 A5 安装在泥浆泵 A7 的入
口管线 ； 泥浆泵 B8 的入口管线与泥浆罐 4 出口管线连接， 流量计 B6 安装在泥浆泵 B8 的入 口管线。泥浆泵 A7 的出口管线安装了一个单流阀 A9， 然后泥浆泵 A7 的出口管线通过三通 分成三路 ： 第一路通过三通连接一个放空阀 11， 放空阀 11 出口连接泥浆罐 4 入口 ； 第二路 通过三通连接平板阀 A13， 平板阀 A13 串联一个节流阀 A12， 节流阀 A12 出口管线与泥浆罐 4 的回水管线连接 ； 第三路通过三通连接平板阀 B14， 平板阀 B14 与节流阀 B19 的入口管线 相连， 在节流阀 B19 的入口处安装了压力计 A18。 气源的出口管线通过单流阀 B17 与平板阀 D16 串联后与泥浆泵 A7 的第三路管线相连， 连结点在平板阀 B14 之后管线上。泥浆泵 B8 的 出口管线上依次连接一个单流阀 A9 和压力计 B10， 然后通过三通分成两路 ： 一路是通过一 个放空阀 11 与泥浆罐 4 的回水管线连接 ； 另一路通过三通连接一个平板阀 C15 并与泥浆泵 A7 第三路管线的平板阀 B14 出口管线相连。节流阀 B19 的出口管线与阻流管汇 20 的入口 管线相连， 阻流管汇 20 的出口管线与控压钻井装备 1002 相连， 在阻流管汇 20 的出口管线 安装了一个压力计 C21。在阻流管汇 20 的入口管线通过入口法兰 22 与控压钻井装备 1002 连接， 控压钻井装备 1002 通过出口法兰 23 与泥浆罐 4 回水管线连接 ； 另外控压钻井装备 1002 的上水管线与泥浆罐 4 连接。
控压钻井技术与装备实验和测试需要针对不同井下工况分别进行， 设计的模拟工 况包括 ： 正常钻进、 开泥浆泵、 关泥浆泵、 起下钻、 井漏和井涌等工况。实现方法为 ： 通过泥 浆泵 A7 输入钻井液流量和密度， 调节节流阀 B19 开度模拟正常钻进、 起下钻等工况造成的 井底压力波动 ； 阻流管汇 20 模拟井眼环空压力损耗 ； 开启节流阀 A12 调节开度， 模拟井漏 工况 ； 启动泥浆泵 B8 或者气源， 控制输入流量， 模拟井涌工况。对于各个不同的井下工况， 具体的操作流程如下 ： 1) 对于正常钻井工况， 首先控压钻井装备 1002 连接在入口法兰 22 与出口法兰 23， 打开平板阀 B14， 其他平板阀保持关闭， 设定节流阀 B19 至某一开度正常工作， 启动泥浆 泵 A7。记录压力计 A18 显示数据， 加上一个调节量， 范围在 0.1 ～ 14MPa 之间， 即得设定的 模拟井底压力， 将值发送给控压钻井设备 1002， 作为井底压力目标值进行调节， 记录压力计 A18 显示数据的变化。
2) 对于开泵工况， 首先控压钻井装备 1002 连接入口法兰 22 与出口法兰 23， 打开 平板阀 B14， 其他平板阀保持关闭， 维持节流阀 B19 至某一开度， 连接控压钻井装备 1002 的 上水管线与泥浆罐 4， 启动控压钻井设备中回压泵， 正常工作后， 记录压力计 A18 显示数据， 此值即为设定的模拟井底压力， 将值发送给控压钻井设备， 启动泥浆泵 A7， 调节控压钻井设 备保持压力计 A18 显示数据波动范围在 ±0.5MPa 之间。
3) 对于停泵工况， 首先控压钻井装备 1002 连接入口法兰 22 与出口法兰 23， 打开 平板阀 B14， 其他平板阀保持关闭， 维持节流阀 B19 至某一开度， 连接控压钻井装备 1002 的 上水管线与泥浆罐 4， 启动泥浆泵 A7， 正常工作后， 记录压力计 A18 显示数据， 此值即为设定 的模拟井底压力， 将值发送给控压钻井设备， 启动控压钻井设备中回压泵， 调节控压钻井设 备保持压力计 A18 显示数据波动范围在 ±0.5MPa 之间。
4) 对于起下钻工况， 首先控压钻井装备 1002 连接入口法兰 22 与出口法兰 23， 打 开平板阀 B14， 其他平板阀保持关闭， 设定节流阀 B19 至某一开度， 启动泥浆泵 A7 正常工作。 记录压力计 A18 显示数据， 此值即为设定的模拟井底压力， 将值发送给控压钻井设备， 然后 调节节流阀 B19 开度， 改变模拟的井底压力， 即压力计 A18 显示数据， 节流阀 B19 调节的方
式包括 ： 正弦、 线性和随机变化三种， 采用公式 (1)、 (2) 和 (3) 进行计算。通过以上三种方 式， 模拟在起下钻过程中井底压力的波动。调节控压钻井设备保持压力计 A18 显示数据波 动范围在 ±0.5MPa 之间。
5) 对于井漏工况， 首先控压钻井装备 1002 连接入口法兰 22 与出口法兰 23， 打开 平板阀 B14， 其他平板阀保持关闭， 设定节流阀 B19 至某一开度， 启动泥浆泵 A7 正常工作， 记 录压力计 A18 显示压力 P1， 此值即为设定的模拟井底压力。然后打开平板阀 A13， 调节节流 阀 A12， 控制井漏量， 记录压力计 A18 显示压力 P2， 调节控压钻井装备， 使压力计 A18 显示压 力调整到 P1， 同时逐渐关闭节流阀 A12， 最后关闭平板阀 A13， 节流阀 A12 关闭的控制计算采 用公式 4。
6) 对于井涌工况， 首先控压钻井装备 1002 连接入口法兰 22 与出口法兰 23， 打开 平板阀 B14， 其他平板阀保持关闭， 设定节流阀 B19 至某一开度， 启动泥浆泵 A7 正常工作， 记 录压力计 A18 显示压力 P1， 此值即为设定的模拟井底压力。 如果模拟是液体井涌情况， 则是 打开平板阀 C15， 启动泥浆泵 B8， 控制液体井涌量 ； 如果模拟的是气体井涌情况， 则是打开 平板阀 D16， 使气体进入节流阀 B19， 控制气体井涌量。 记录压力计 A18 显示压力 P2， 调节控 压钻井装备， 使压力计 A18 显示压力调整到 P1， 同时逐渐调节泥浆泵 B8 或气源排量， 最后关 闭平板阀 C15 或者平板阀 D16， 调节泥浆泵 B8 或者气源排量控制计算采用公式 (5)。
采用公式 (1) ～ (5) 的计算有助于评价实验结果， 本领域技术人员能完成 (1) ～ (5) 的计算。