阅读说明：本技术 一种气举反循环钻井系统及自动控制方法 (Gas-lift reverse circulation drilling system and automatic control method ) 是由 李黔 张小林 尹虎 尹文锋 杨帆 于 2019-10-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种气举反循环钻井系统及自动控制方法,它包括井口装置、井内钻具、返出管线、注气管线、钻井液注入管线和自动控制系统。井内钻具包括钻头、井下电磁PWD、钻铤、下单壁钻杆、气水混合器、双壁钻杆、注气阀和上单壁钻杆。注气、注钻井液管线上装有自动节流阀、压力表、流量计、自动泄压阀。自动控制系统包括信号接收器、计算机、显示器、PLC控制器、参数输入模块,气举反循环钻井过程中,通过自动控制系统实时监测井底压力,调整注气量参数、注钻井液参数,实现井底压力自动、精确控制。本发明的有益效果是：匹配常规井口井控装备,减小井控风险；精确控制井底压力,防止发生井漏和溢流。(The invention discloses a gas lift reverse circulation well drilling system and an automatic control method. The downhole drilling tool comprises a drill bit, a downhole electromagnetic PWD, a drill collar, a lower single-wall drill pipe, a gas-water mixer, a double-wall drill pipe, an air injection valve and an upper single-wall drill pipe. The gas injection and drilling fluid injection pipeline is provided with an automatic throttle valve, a pressure gauge, a flowmeter and an automatic pressure relief valve. The automatic control system comprises a signal receiver, a computer, a display, a PLC (programmable logic controller) and a parameter input module, and during the gas lift reverse circulation drilling process, the automatic control system monitors the bottom pressure of the well in real time, adjusts the gas injection quantity parameter and the drilling fluid injection parameter and realizes the automatic and accurate control of the bottom pressure. The invention has the beneficial effects that: the well control risk is reduced by matching with conventional well control equipment at a well mouth; the bottom hole pressure is accurately controlled, and the well leakage and overflow are prevented.)

一种气举反循环钻井系统及自动控制方法

技术领域

本发明涉及油气钻探技术领域，特别是一种气举反循环钻井系统及自动控制方法。

背景技术

在钻井过程中，由于地下压力系统不明、地质条件复杂等原因，井漏时有发生，严重的甚至发生井漏失返，由此引发溢流、卡钻、井壁垮塌等井下复杂情况，造成大量经济损失的同时还可能会污染环境。防漏治漏钻井技术较多，包括气体钻井技术、泡沫钻井技术、清水强钻、泥浆帽钻井技术等，这些技术都存在一定的局限性：气体钻井技术由于其本身的特点，在出水量大、易垮塌地层应用受限；泡沫钻井技术泡沫钻井液回收难，易造成环境污染；清水强钻、泥浆帽钻井技术难以保证钻进产生的岩屑全部漏入地层，卡钻风险高。

气举反循环钻井技术是防漏治漏钻井技术的一种，在处理裂缝、溶洞发育的低压地层严重井漏问题方面具有独特优势，主要优点有：能在失返的条件下建立循环；消除环空压耗；携砂效率高。目前，该技术已应用于水井、地热井、矿井、瓦斯排放井等钻井领域，但常规气举反循环钻井技术钻井过程中井口敞开，存在一定的井控风险，且该技术涉及的关键施工参数确定尚停留在工程总结阶段，井底压力控制不精确，施工过程存在井漏、溢流风险，且在压力过大或流道堵塞时缺乏风险控制措施。

发明内容

本发明的目的在于解决漏失性地层钻井难的问题，提供一种减少井漏和溢流、减小井控风险、特别适用于裂缝及溶洞发育的漏失性地层的气举反循环钻井系统及自动控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种气举反循环钻井系统，它包括井口装置、返出管线、井内钻具、注气管线、钻井液注入管线和自动控制系统；

所述井口装置包括设置于井口顶部的钻井四通，钻井四通的顶部顺次设置有升高短节、闸板防喷器和旋转防喷器，所述旋转防喷器右侧旁通阀上设置有环空液面监测回声仪，所述升高短节内设置有气水隔离管，气水隔离管的上端部向外翻边且固设于升高短节的内壁上，气水隔离管的下端部贯穿钻井四通且延伸于井内；

所述返出管线包括顶驱、水龙带、立管、排砂管线和振动筛，顶驱的出液口与振动筛的入口端之间依次连接有水龙带、立管和排砂管线；

所述井内钻具包括设置于井内且由下往上依次连接的钻头、井下电磁PWD、钻铤、下单壁钻杆、气水混合器、双壁钻杆、注气阀和上单壁钻杆，上单壁钻杆延伸于钻台上且与顶驱连接；

所述双壁钻杆包括外管和内管，内管沿轴向设置于外管内；

所述注气阀包括注气阀内管、注气阀外管和隔板A，所述隔板A焊接于注气阀外管内，隔板A中心开设有通孔A，通孔A内焊接有注气阀内管，注气阀内管的上端部向上延伸且与上单壁钻杆的下端部螺纹连接，注气阀内管的下端部与内管的上端部螺纹连接，注气阀外管上开设有多个位于隔板A下方的侧孔A，注气阀外管与外管的上端部螺纹连接，注气阀工作时在气水隔离管范围内活动；

所述气水混合器包括气水混合器内管、气水混合器外管和隔板B，所述隔板B焊接于气水混合器外管内，隔板B中心开设有通孔B，通孔B内焊接有气水混合器内管，气水混合器内管上开设有多个位于隔板B上方的侧孔B，气水混合器内管的上端部向上延伸且与内管的下端部螺纹连接，气水混合器内管下端部向下延伸且与下单壁钻杆的上端部螺纹连接，所述气水混合器外管螺纹连接于外管的下端部，气水混合器工作时沉没在环空液面之下；

所述注气管线包括空压机、增压机、旋转防喷器，增压机的出气口与旋转防喷器左侧旁通阀之间顺次连接有自动节流阀I、压力表I、流量计I和自动泄压阀I；

所述钻井液注入管线包括泥浆罐、泥浆泵、压井管汇、钻井四通，所述泥浆泵与压井管汇入口端之间顺次连接有自动泄压阀II、自动节流阀II、压力表II和流量计II，所述泥浆泵与泥浆罐经管道连通；

所述自动控制系统包括信号接收器、显示器、参数输入模块、PLC控制器和计算机，所述信号接收器、显示器、参数输入模块、PLC控制器分别与计算机有线连接；

所述信号接收器与井下电磁PWD、环空液面监测回声仪之间通过无线电信号连接，信号接收器与压力表I、流量计I、压力表II、流量计II之间通过有线电信号连接；

所述PLC控制器与自动节流阀I、自动泄压阀I、自动节流阀II、自动泄压阀II之间通过有线电信号连接。

所述注气阀上端和气水混合器下端与单壁钻杆等径，注气阀下端和气水混合器上端与双壁钻杆等径。

所述旋转防喷器的左右侧均设置有旁通阀。

所述压井管汇与钻井四通左侧的平板阀连接。

所述井下电磁PWD、环空液面监测回声仪具有无线电信号发射功能。

所述信号接收器具有无线、有线信号接收功能。

所述气举反循环钻井系统的自动控制方法，它包括以下步骤：

S1、根据井口装备、注气管线、注钻井液管线的承压能力在自动控制系统的参数输入模块上设定自动泄压阀I、自动泄压阀II的泄压阈值，根据邻井数据、预测数据在参数输入模块上输入地层孔隙压力、地层坍塌压力、地层漏失压力、地层破裂压力；

S2、气举反循环钻井的具体步骤为：

S21、启动空压机和泥浆泵，并通过顶驱带动上单壁钻杆转动，上单壁钻杆带动双壁钻杆转动，双壁钻杆带动下单壁钻杆、钻铤、钻头转动，钻头钻进地层；

S22、空压机产出压缩气体，压缩气体顺次经增压机、自动节流阀I、压力表I、流量计I、旁通阀进入到旋转防喷器内，高压气体在气压下顺次经侧孔A、注气阀内管与注气阀外管的环空、双壁钻杆环空、气水混合器内管与气水混合器外管的环空、侧孔B进入到内管中，高压气体将内管中的钻井液往井口方向举升；

S23、泥浆泵将泥浆罐内的钻井液抽出，钻井液在泵压作用下顺次经自动节流阀II、压力表II、流量计II、压井管汇、平板阀进入到钻井四通内，钻井液被气水隔离管阻隔，沿着井壁与气水隔离管的环空、井壁与外管的环空落到井底，随后钻井液在压力下依次经钻头、钻铤、下单壁钻杆、通孔B进入到双壁钻杆内管中；

S24、被举升的钻井液顺次经双壁钻杆内管、通孔A、上单壁钻杆、水龙带、立管、排砂管线，最后进入到振动筛，分离后进入泥浆罐内，最终完成了气举反循环钻井；

S3、在步骤S1的钻井过程中，通过流量计I、压力表I、流量计II、压力表II实时监测注气参数与注钻井液参数，通过环空液面监测回声仪实时监测环空液面高度，通过井底电磁MWD实时监测井底压力、钻井液流量钻井参数；

S4、在步骤S1的钻井过程中，通过计算机计算井底安全压力窗口，并判断PWD实时监测的井底压力是否在安全压力窗口内，若否，则计算出新的注气参数、注钻井液参数，并将信号传递给PLC控制器，控制自动节流阀I、自动节流阀II进行调节，改变注气量和钻井液排量，使井底压力保持在安全压力窗口范围内，防止发生溢流、井漏；

S5、在步骤S1的钻井过程中，通过自动控制系统实时监测注气压力、注钻井液压力，在压力超过泄压阈值时由PLC控制器控制自动泄压阀I、自动泄压阀II进行泄压，防止因流道堵塞原因造成高压憋压危害；

S6、在步骤S1的钻井过程中，通过显式器同步显示井底安全压力窗口、环空液面高度、井底压力、注气参数、注钻井液参数、自动节流阀开度、自动泄压阀开关状态等钻井参数，实时掌控气举反循环钻井动态。

本发明具有以下优点：

1、所需设备均可在现有设备的基础上进行改造，现场操作简单，工艺转换方便，采用气举反循环原理进行钻井，适用于裂缝、溶洞发育的漏失性地层。

2、通过旋转防喷器和注气阀向双壁钻杆外管注气，井口使用单壁钻杆，完全匹配常规井口井控装备，减小井控风险。

3、钻井过程中，由井下电磁PWD实时监测井底压力，通过自动控制系统调节注气参数和注钻井液参数，可以实现井底压力自动、精确控制，防止发生井漏和溢流。

附图说明

图1 为本发明的气举反循环钻井自动控制方法一实施例流程图；

图2 为注气阀、双壁钻杆和气水混合器的连接示意图；

图3 为流体在井内钻具内的流动示意图；

图4 为隔板的结构示意图；

图5 为气水隔离管的结构示意图；

图中，1-钻井四通，2-升高短节，3-闸板防喷器，4-旋转防喷器，5-顶驱，6-水龙带，7-立管，8-振动筛，9-钻头，10-井下电磁PWD，11-钻铤，12-下单壁钻杆，13-气水混合器，14-双壁钻杆，15-注气阀，16-上单壁钻杆，17-注气阀内管，18-注气阀外管，19-侧孔A，20-隔板A，21-内管，22-外管，23-气水混合器内管，24-侧孔B，25-气水混合器外管，26隔板B，27-空压机，28-增压机，29-自动节流阀I，30-压力表I，31-流量计I，32-自动泄压阀Ⅰ，33-泥浆罐，34-自动泄压阀II，35-自动节流阀II，36-压力表II，37-流量计II，38-压井管汇，39-自动控制系统，40-显式器，41-计算机，42-PLC控制器，43-信号接收器，44-参数输入模块，45-气水隔离管，46-泥浆泵，47-旁通阀，48-回声仪，49-排砂管线，50-平板阀，51-井。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：

如图1~5所示，一种气举反循环钻井系统，它包括井口装置、返出管线、井内钻具、注气管线、钻井液注入管线和自动控制系统39；

所述井口装置包括设置于井口顶部的钻井四通1，钻井四通1的顶部顺次设置有升高短节2、闸板防喷器3和旋转防喷器4，所述旋转防喷器4右侧旁通阀上设置有环空液面监测回声仪48，所述升高短节2内设置有气水隔离管45，气水隔离管45的上端部向外翻边且固设于升高短节2的内壁上，气水隔离管45的下端部贯穿钻井四通1且延伸于井内51。

所述返出管线包括顶驱5、水龙带6、立管7、排砂管线49和振动筛8，顶驱5的出液口与振动筛8的入口端之间依次连接有水龙带6、立管7和排砂管线49；所述井内钻具包括设置于井51内且由下往上依次连接的钻头9、井下电磁PWD10、钻铤11、下单壁钻杆12、气水混合器13、双壁钻杆14、注气阀15和上单壁钻杆16，上单壁钻杆16延伸于钻台上且与顶驱5连接。

所述双壁钻杆14包括外管22和内管21，内管21沿轴向设置于外管22内；所述注气阀15包括注气阀内管17、注气阀外管18和隔板A20，所述隔板A20焊接于注气阀外管18内，隔板A20中心开设有通孔A，通孔A内焊接有注气阀内管17，注气阀内管17的上端部向上延伸且与上单壁钻杆16的下端部螺纹连接，注气阀内管17的下端部与内管21的上端部螺纹连接，注气阀外管18上开设有多个位于隔板A20下方的侧孔A19，注气阀外管18与外管22的上端部螺纹连接，注气阀15工作时在气水隔离管45范围内活动；所述气水混合器13包括气水混合器内管23、气水混合器外管25和隔板B26，所述隔板B26焊接于气水混合器外管25内，隔板B26中心开设有通孔B，通孔B内焊接有气水混合器内管23，气水混合器内管23上开设有多个位于隔板B26上方的侧孔B24，气水混合器内管23的上端部向上延伸且与内管21的下端部螺纹连接，气水混合器内管23下端部向下延伸且与下单壁钻杆12的上端部螺纹连接，所述气水混合器外管25螺纹连接于外管22的下端部，气水混合器13工作时沉没在环空液面之下。

所述注气管线包括空压机27、增压机28、旋转防喷器4，增压机28的出气口与旋转防喷器4左侧旁通阀之间顺次连接有自动节流阀I29、压力表I30、流量计I31和自动泄压阀I32；所述钻井液注入管线包括泥浆罐33、泥浆泵46、压井管汇38、钻井四通1，所述泥浆泵46与压井管汇38入口端之间顺次连接有自动泄压阀II34、自动节流阀II35、压力表II36和流量计II37，所述泥浆泵46与泥浆罐33经管道连通。

所述自动控制系统39包括信号接收器43、显示器40、参数输入模块44、PLC控制器42和计算机41，所述信号接收器43、显示器40、参数输入模块44、PLC控制器42分别与计算机41有线连接。

所述信号接收器43与井下电磁PWD10、环空液面监测回声仪48之间通过无线电信号连接，信号接收器43与压力表I30、流量计I31、压力表II36、流量计II37之间通过有线电信号连接；所述PLC控制器42与自动节流阀I29、自动泄压阀I32、自动节流阀II35、自动泄压阀II34之间通过有线电信号连接。所述注气阀15上端和气水混合器13下端与单壁钻杆等径，注气阀15下端和气水混合器13上端与双壁钻杆14等径。所述旋转防喷器4的左右侧均设置有旁通阀。所述压井管汇38与钻井四通1左侧的平板阀连接。所述井下电磁PWD10、环空液面监测回声仪48具有无线电信号发射功能。所述信号接收器43具有无线、有线信号接收功能。

如图1~3所示，所述气举反循环钻井系统的自动控制方法，它包括以下步骤：

S1、根据井口装备、注气管线、注钻井液管线的承压能力在自动控制系统39的参数输入模块44上设定自动泄压阀I32、自动泄压阀II34的泄压阈值，根据邻井数据、预测数据在参数输入模块44上输入地层孔隙压力、地层坍塌压力、地层漏失压力、地层破裂压力；

S2、气举反循环钻井的具体步骤为：

S21、启动空压机27和泥浆泵46，并通过顶驱5带动上单壁钻杆16转动，上单壁钻杆16带动双壁钻杆14转动，双壁钻杆14带动下单壁钻杆12、钻铤11、钻头转动9，钻头9钻进地层；

S22、空压机27产出压缩气体，压缩气体顺次经增压机28、自动节流阀I29、压力表I30、流量计I31、旁通阀47进入到旋转防喷器4内，高压气体在气压下顺次经侧孔A19、注气阀内管17与注气阀外管18的环空、双壁钻杆14环空、气水混合器内管23与气水混合器外管25的环空、侧孔B24进入到内管23中，如图3中单箭头所示为气体的流动方向，高压气体将内管23中的钻井液往井口方向举升；

S23、泥浆泵46将泥浆罐33内的钻井液抽出，钻井液在泵压作用下顺次经自动节流阀II35、压力表II36、流量计II37、压井管汇38、平板阀50进入到钻井四通1内，钻井液被气水隔离管45阻隔，沿着井壁与气水隔离管45的环空、井壁与外管22的环空落到井底，随后钻井液在压力下依次经钻头9、钻铤11、下单壁钻杆12、通孔B进入到双壁钻杆内管21中，如图3中双箭头所示为钻井液的流动方向，三箭头代表气液混合流体流动方向；

S24、被举升的钻井液顺次经双壁钻杆内管21、通孔A、上单壁钻杆16、水龙带6、立管7、排砂管线49，最后进入到振动筛8，分离后进入泥浆罐33内，最终完成了气举反循环钻井，从而避免了注入的钻井液流入到缝隙或溶洞中，进而避免了钻井液的浪费，因此该反循环钻井方式特别适用于裂缝、溶洞发育的漏失性地层；

S3、在步骤S2的钻井过程中，通过流量计I31、压力表I30、流量计II37、压力表II36实时监测注气参数与注钻井液参数，通过环空液面监测回声仪48实时监测环空液面高度，通过井底电磁MWD10实时监测井底压力、钻井液流量等钻井参数；

S4、在步骤S2的钻井过程中，通过计算机41计算井底安全压力窗口，并判断PWD10实时监测的井底压力是否在安全压力窗口内，若否，则计算出新的注气参数、注钻井液参数，并将信号传递给PLC控制器42，控制自动节流阀I29、自动节流阀II35进行调节，改变注气量和钻井液排量，使井底压力保持在安全压力窗口范围内，防止发生溢流、井漏；

S5、在步骤S2的钻井过程中，通过自动控制系统39实时监测注气压力、注钻井液压力，在压力超过泄压阈值时由PLC控制器42控制自动泄压阀I32、自动泄压阀II34进行泄压，防止因流道堵塞等原因造成高压憋压危害；

S6、在步骤S2的钻井过程中，通过显式器40同步显示井底安全压力窗口、环空液面高度、井底压力、注气参数、注钻井液参数、自动节流阀开度、自动泄压阀开关状态等钻井参数，实时掌控气举反循环钻井动态。

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。