一种油气井连续循环系统及其使用方法 技术领域：
本发明涉及一种用于油气井的钻井、完井、修井的连续循环系统及其使用方法。它也适用于地热、水文和矿产等领域的钻井、完井、修井作业。
背景技术：
在油气井的钻井过程中，循环系统由三部分组成：地面注入部分，包含罐(池)和泵；井内循环部分，包含钻柱、钻头和井眼；地面返出部分，包含井口、除气器、固相分离器等。目前使用的钻井液循环方法是：泥浆泵由罐(或池)中吸入具有预测密度的钻井液，加压后通过空心钻柱的内径流道输送到钻头，通过钻头的喷嘴到达井底，然后进入钻柱与井眼间的环空，通过环空上返至地面，在地面经除气器除气、经固液分离器排除岩屑，返回至罐(或池)重复使用。
这种循环方法的最大缺陷是：一旦钻柱被断开(如人为断开，包含起下钻、接单根；如故障断开，包含钻杆的卡、断、掉、刺、堵等事故)，循环就随之中断；当钻柱不在井内时(如起出钻柱、无法下入钻柱等情况)，井内就无法实现循环。在高压、深井、大气量的条件下，循环的中断常导致油气不断侵入井内、逐渐聚集，最终发展为气体上移和膨胀，出现后效、溢流，甚至有可能发展为井喷。这对天然气井，尤其是高压、大气量、深井、高含H2S的天然气井，是非常危险的。
在高压气井、漏喷共存、井壁不稳定等复杂条件下钻井，施加适当的钻井液密度和维持井下平稳的压力状态，对钻井的安全十分重要。实际钻井中经常由于地层压力预测不准(尤其在探井中)，造成钻井液密度过高(井漏和伤害产层)或过低(井涌或井喷)。目前采用的方法是：通过钻井中地观察发现钻井液密度过高(或过低)，则在地面进行钻井液密度调整，然后将新钻井液注入井内，再通过钻井中的观察判断钻井液密度是否合适。由于所需时间较长，而经常诱发事故。
在欠平衡钻井(Underbalanced Drilling)中，始终维持井内稳定的欠平衡状态，对于保护储层和钻井安全是至关重要的。无论在钻井、起下钻、完井过程中，均可以保持井下欠平衡状态的作业称为全过程欠平衡钻井；而在这些过程中均可以保持井下在任一给定的欠平衡压差的状态称为全过程可控欠平衡钻井。目前世界上实现全过程欠平衡钻井的方法有两个：一是不压井强行起下钻装置(国外有多种商业化产品，Snubbing Unit)，二是美国Weatherford公司的井下套管阀(Down-Hole DeploymentValve)。不压井起下钻装置是在循环中断而持续放喷的条件下的欠平衡状态，井下欠平衡压差自然发展、越来越大、甚至发展为井喷。井下套管阀是在循环中断而井内完全关死(封闭)的条件下的欠平衡状态，也是一种不可控的、自然发展的欠平衡状态，严重时有可能发展为过平衡井下状态或引起井漏。因此，目前钻井界尚无可以实现“全过程可控欠平衡钻井”的技术。
油气井完成后投入生产，生产一定时间后一般都会面临油气生产层的压力降低(能量衰减)，并且油气井需要修理(修井——清垢、除砂、重复增产改造、老井侧钻、老井加深等)。修井过程中会面临低压储层，压力低、容易伤害、甚至井漏。因此，不但要考虑钻井、完井、投产过程中的“全过程可控欠平衡”，还应该考虑整个油气井生产寿命期间所有作业的“全井寿命全过程可控欠平衡作业”。
发明内容：
本发明的目的在于：为提高油气井的钻井、完井、修井的安全性；实现全过程可控欠平衡钻井和全井寿命全过程可控欠平衡作业，特提供一种油气井连续循环系统及其使用方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种油气井连续循环系统及其使用方法。整个循环系统是由地面注入部分、井内循环部分、地面返出部分组成。其使用方法由三大类八种用途组成。其技术特征是：(1)地面注入部分—迅速.灵活调节井内液柱压力的多用途注入系统(图1所示)。它有三种密度的钻井液：预测密度钻井液、加重钻井液、减轻钻井液；有两台或三台泥浆泵，每台泥浆泵都与三种钻井液罐(或池)相联，都可以通过不同管路抽取三种密度钻井液中的任意一种；需要调节钻井液密度时，两台泥浆泵以不同泵速、通过不同注入通道、注入两种不同密度的钻井液在井下迅速混合，形成新密度的钻井液，达到迅速、灵活调整井内液柱压力的目的。注入系统还包括有高压注气装置：在注入管线上安装的混气器用管线连接气体增压机及N2/惰性尾气，注气后立即降低液柱压力，停止注气后立即恢复原有液柱压力，注气量的大小决定了降低液柱压力的程度。注入两种密度钻井液在井内混合的方法、注人高压气体的方法，与钻井参数监测和循环系统的自动调节、控制相结合，实现更准确、更可靠、更迅速的井下液柱压力调控；(2)井内循环部分—多通道、多用途的井内循环系统(图2所示)。在钻井过程中，采用“永久性双层井身结构”的双层管结构与井内钻柱组合，提供了三个流动通道，通过地面阀组的不同控制，这三个通道均可作为返出通道或注入通道；组合起来可以实现：双注单返、单注双返、单注单返、正循环、反循环、井内无管柱时的循环等多种方式，这些不同方式的循环回路，通过人工控制或自动控制来实现；(3)地面返出部分—井口控制与地面返出系统(图3所示)。该系统配有欠平衡钻井用的井口控制组合，包含旋转控制头(RCHs)或旋转防喷器(RBOP)、套管头和多相分离器，如气、液、固三相分离器或气、液、固、油四相分离器。以上三部分构成本发明的整体循环系统(图4所示)。
使用方法方面由三大类八种用途构成，其具体内容是：一、用于“高压、深井、大气量、漏喷同存、高含H2S的油气井”提高安全性。(1)钻进时，及时、灵活地调节井内液柱压力：增加或减少钻井液密度、增加或减少注气量，这对钻遇意外高压层、漏失层、窄安全窗口的漏喷同存等情况下寻找平衡点和安全密度尤为必要。(2)钻进时意外钻具事故条件下的安全：在突然发生钻具断、刺、堵、卡等事故时，可以保持正常循环，保证井控安全；在钻具打捞、解卡等特殊作业中保持正常循环。(3)在起下钻、接单根等作业中，保持连续的正常循环，有利于稳定井内压力、防漏、防塌、防喷。(4)在井内无钻具的停工等待或其他作业时，实现连续可控的循环，维持井内压力，及时排除侵入油气，防止气体聚集发展；紧急情况下双层管循环回路可以作为“救援井”用于制服井喷、恢复压力平衡状态。二、实现全过程可控欠平衡钻井、完井：(5)水基钻井液的欠平衡钻井，通过以下应用实现全过程可控欠平衡状态：钻进过程中及时调节欠平衡压差(钻杆内注人原有工作液，通过双层管环空注入重浆或轻浆，在井下混合，减少或增大欠平衡压差)；起下钻、接单根时维持连续循环和稳定的欠平衡状态；井内无钻具、无管柱条件下，维持连续循环和稳定的欠平衡状态；在欠平衡完井、欠平衡测井等过程中，实现连续循环，维持稳定的欠平衡状态，同时可以根据需要调节井下欠平衡压差，如：为了消除起下钻时的管柱上顶力，或为了抑制储层段气流对测井的影响，可以减少欠平衡压差至近平衡状态。(6)充气钻井液的欠平衡钻井，通过以下应用实现全过程可控欠平衡作业：钻进时通过调节注气量控制液柱压力；钻进水平井时，通过双层管之间流道注气，钻杆内注钻井液，从而可以将适用于泥浆钻井的井下螺杆钻具和泥浆脉冲测量(MWD)也应用于充气欠平衡的水平井钻井；接单根、起下钻时，通过双层管之间流道注入充气钻井液，通过钻杆与内管间的环空返出，实现连续循环，维持恒定的井下欠平衡状态；井内无任何钻具时，通过双层管间流道和内管流道实现连续循环，维持恒定的欠平衡状态。三、油气井全井生产寿命中实现全过程可控欠平衡作业：(7)对于复杂油气藏、压力衰竭开采等情况，油气井生产后期的各种修井作业和重入作业，必须保持全过程可控欠平衡；此时，永久性的双层管井身结构、再配套本发明的地面注入部分和地面返出部分，就可以实现全过程可控欠平衡作业。(8)在油气井的后期生产中的任何时刻，都可以实现可控欠平衡状态的连续循环，为处理突发事件、软压井、更换井口及管柱等作业提供了实现欠平衡作业的基础。综上所述即为本发明提出的连续循环系统和基于该系统的三大类八种使用方法。
本发明与现有技术比较，具有以下优点：(1)钻进时能及时、灵活地调节井内液柱压力。这有利于提高过平衡钻进的安全性，有利于提高欠平衡钻井的可控性。(2)在钻柱断开或井内无钻柱条件下实现连续循环。这有利于提高过平衡钻进的安全性和提高处理突发井下事故的能力。可以实现欠平衡钻井的“全过程可控欠平衡”状态。(3)钻柱在井内时可以实现多种方式的循环。这有利于提高过平衡钻进的安全性和提高处理突发井下事故的能力。可以实现欠平衡钻井的不压井起下管柱和利用常规井下动力钻具、泥浆脉冲测量钻充气欠平衡水平井。(4)在全井寿命期间可以实现连续循环。这对压力衰竭性油气藏开采后期的修井等作业实现“全过程可控欠平衡”是必要基础，防止油气井的后期作业伤害。
附图说明：
图1为本发明的地面注入部分：多用途注入系统。图中：1、预测密度钻井液；2、加重钻井液；3、减轻钻井液；4、泥浆泵1；5、泥浆泵2；6、N2/惰性尾气；7、气体增压机；8、9、混气器；10、注入管线1；11、注入管线2。
图2为本发明的井内循环部分：多通道、多用途井内循环系统。图中：10、注入管线1；11、注入管线2；12、立管注入管；13、钻杆/内管环空上部注入管；14、钻杆/内管环空下部注入管；15、内管/套管环空注入管；16.立管排出管；17、钻杆/内管环空上部排出管；18、至节流管汇；19、钻杆/内管环空下部排出管；20、内管/套管环空排出管；21、内管/套管环空；22、钻杆/内管环空；23、钻杆内流道。
图3为本发明的地面返出部分：井口控制与地面返出系统。图中：24、运输罐；25.原油出口管；26.储油罐；27.钻井液回收；28.至四相分离器；29.至三相分离器；30.直接放喷；31.RCHs；32.防喷器组合；33.套管头；34.节流管汇；35.燃烧火炬；36、37.气体；38.四相分离器；39、41.岩屑；40.三相分离器。
图4为本发明的多用途油气井连续循环系统总图。图中编号所示与前附图编号所示相同。
【具体实施方式】
本发明提出的三大类八种用途，主要利用了本系统可以实现的四项功能：调节井内液柱压力的功能；连续循环的功能；多通道注返功能；全井寿命期的上述三种功能。上述四项功能的具体实施方式如下：
1.调节井内液柱压力的功能
有两种方法实现此功能：一是不同密度钻井液的注入混合，二是增大、减少注气量。
不同密度钻井液的注入混合：
此时井场备有三种不同密度的钻井液1、2、3。一是预先设计的正常钻井液1，例如1.5克/厘米3；二是尽可能重的重钻井液2，例如2.2克/厘米3；三是尽可能轻的减轻钻井液3，例如1.05克/厘米3。使用预先设计的钻井液正常钻井时；①如果发现密度过低(过平衡钻进时造成井涌，或欠平衡钻进时造成欠压差太大)，则立即基于钻井参数监测计算修正后密度(例如1.56克/厘米3)，计算重钻井液2注入总量(注入流量和注入时间)，在保证正常密度钻井液1循环的同时，注入并混合重钻井液，使原为1.5克/厘米3的正常钻井液1调整为1.56克/厘米3。②如果发现密度太高(过平衡钻进时井漏，或欠平衡钻进时欠压差太小)，则注入一定量减轻钻井液3与原正常钻井液1混合，方法类似以上所述。
增大、减少注气量：
此时注气的目的不是为了使钻井液密度降至1克/厘米3以下以适应于低压储层，注气的主要目的是为了实现灵活、快速地控制液柱压力。例如：正常钻进时正常钻井液密度1.5克/厘米3，注气量为10标方/分。如果发现液柱压力太大，则将注气量提高(例如15标方/分)；如果发现液柱压力太小，则将注气量降低(例如5标方/分)。如果返出流体内含有地层油气，则注人气体必须是惰性气体或天然气；否则可以注入空气。
如果钻井方式本身就是适应低压储层的充气钻井液欠平衡方式，则通过增大、减小注气量调节液柱压力的原理和方法与上述相同。
2.连续循环的功能
配合“永久性双层井身结构”、地面注入系统和地面返出系统，可以实现任何条件下(钻柱的人为断开，如；接单根、起下钻；钻柱的意外断开，如；断、掉、卡、堵等；井内无钻柱的状态)的连续循环。例如：通过双层管间的流道注入钻井液(或充气钻井液)，注入液与地层流体的混合通过内管流道返至地面，经多相分离后钻井液循环使用，油被收集后储运，混合气体则放空点燃。
连续循环功能是实现全过程可控欠平衡作业的基础，是增加高风险油气井安全性的保障。该系统还提供了在任意时刻恢复循环、紧急时刻做为“救援井”的功能：任意时刻通过双层管道注入重钻井液2或压井液，使注入重钻井液2与地层流体混合由内管道返出，逐渐建立液柱压力，平衡地层压力最终达到压井目的。
3.多通道注返的功能
当井内有钻柱时，双层管间流道、钻柱与内管间环空流道、钻柱内流道组成的三通道循环系统，可以实现单注双返、双注单返、单注单返、正反循环等多种循环方式，这些循环方式的实施根据现场情况的需求，通过不同管路、阀件的组合实现。
在充气液欠平衡钻水平井中，为了使成本低廉、性能可靠的液体钻井用井下动力钻具和泥浆脉冲测量仪器也能用于充气液欠平衡钻井，将高压气直接通过双层管间注入，将钻井液直接通过钻杆注入，气液分别注入井内，在井内与地层返出油气混合后，通过钻杆与内管的环空返出。这样就保证了井下动力钻具和泥浆脉冲测量的正常使用。
当欠平衡钻井中井口压力过高、以至于威胁到井口旋转头的最大承压能力时，保持钻柱内仍连续注入正常钻井液1、返出流道采用双层管之间流道(其承压能力取决于套管头承压能力，一般比井口旋转头的承压能力大得多)，而在钻杆与内管间的环空流道由地面注人重钻井液2段塞，以降低井口旋转头的压力。该方法也可以用于欠平衡状态下起下钻柱(或其它管柱)时消除钻柱(或其它管柱)的上顶力。
4.全井寿命期的连续循系统
永久性双层井身结构，使油气井在整个寿命期间都具有实现连续循环的条件。在任何需要进行连续循环作业的时候(如修井过程中、开采过程中)，只要在配上本专利所述的地面注入系统和地面返出系统，就可以实现连续循环系统的三项功能：迅速灵活调节井内液柱压力的功能、连续循环的功能、多通道注返的功能。这些功能的具体实施方法与钻井过程中类似。