CN1553984A - 用于控制钻井液排出的系统 - Google Patents

Abstract

一种钻探系统，用于在地下岩层(5)中钻井孔(3)，该钻探系统包括用于将钻井液泵送至井孔(3)内的泵装置(19、30)以及用于将钻井液从井孔(3)中排出的排出装置(50)。该排出装置(50)包括：至少一个压力腔室(60、61)，用于暂时容纳从井孔(3)中排出的钻井液；以及控制装置(69)，用于控制流入各个压力腔室(60、61)内的流体流。

Description

用于控制钻井液排出的系统

本发明涉及一种用于在地下岩层中钻井孔钻探系统和方法，该钻探系统包括用于将钻井液泵送至井孔内的泵装置以及用于将钻井液从井孔中排出的排出装置。

钻探系统还可以包括钻杆柱，从而在该钻杆柱和井孔壁之间形成环形空间，该环形空间容纳大量的钻井液。钻杆柱通常有纵向通道，用于通过靠近钻杆柱底端的开口而将钻井液泵送到环形空间中。钻井液可以通过在靠近所述环形空间上端处与井孔连接的排出导管而从井孔中排出。通过所述环形空间的钻井液流可以通过所述排出装置来控制，例如通过在所述排出导管中的可控制阻力来控制。

因此，排出导管可以具有阻流阀，该阻流阀具有可控制的开节流阀。不过，因为在钻井液中的岩屑和污染泥浆，在排出导管中的开节流阀将很快磨损。

WO-A-0079092公开了这样的钻探系统，其中，排出装置控制钻井液的排出，且钻井液通过该排出装置而流过环形空间。因此，排出导管提供有可控制的排出阀。作为一种可选方案，WO-A-0079092公开了一种注入泵，该注入泵布置成通过注入嘴以与钻井液流过排出导管的方向相反的方向而将注入流体泵送至排出导管内。通过控制该注入流体，可以控制在排出导管中的阻力。

本发明的目的是提供一种用于控制钻井液从井孔中排出的改进系统和方法。

根据本发明，提供了一种用于在地下岩层中钻井孔钻探系统，该钻探系统包括用于将钻井液泵送至井孔内的泵装置以及用于将钻井液从井孔中排出的排出装置，其中，该排出装置包括：至少一个压力腔室，用于暂时容纳从井孔中排出的钻井液；以及控制装置，用于控制流入各个压力腔室内的流体流。

因此，可以将来自井孔的钻井液输送至压力腔室，且流入压力腔室的流体流可以在没有钻井液必须流过的节流装置(restriction)的情况下进行控制。

优选是，所述控制装置布置成控制在压力腔室中的流体压力。

流入压力腔室的钻井液流可以通过控制由于钻井液流入而从压力腔室排出的气体或液体的流出而进行控制。在下文中称为排出流体的该气体或液体可以引导通过可控制的开节流阀，从而控制排出流体的流入。实际上由此所述控制装置控制成使流体压力高于压力腔室中的钻井液。

实际上，钻井液从井孔中的排出通过节流排出流体(而不是节流钻井液)来控制。且因为排出流体并不包含岩屑或污染泥浆，因此在节流流体的阻流阀中不会有磨损问题。

优选是，压力腔室提供有由柔性隔膜分开的两个隔腔，因此，一个隔腔将充满钻井液，另一隔腔将装有排出流体，因此，所述控制装置控制所述排出流体从压力腔室的流出。

在优选实施例中，两个或更多压力腔室交替充满来自井孔的钻井液，因此，所述控制装置控制流入各压力腔室的钻井液流。通过使用多个压力腔室，可以从一个压力腔室中除去钻井液，同时可以将来自井孔的钻井液导向另一压力腔室。

优选是，两个压力腔室通过用于在这两个压力腔室之间输送排出流体的排出流体导管相互连接，因此，所述控制装置包括在所述排出流体导管中的控制阀。

在优选实施例中，排出装置包括两个压力腔室，每个压力腔室都具有隔膜，以便形成钻井液隔腔和排出流体隔腔，它们两个都有可变容量，排出流体隔腔通过提供有控制阀的排出流体导管而相互连接，该控制阀用于控制通过所述排出流体导管的流动，该系统还提供有：进口阀装置，用于使要排出的钻井液交替导向一个所述钻井液隔腔；以及出口阀装置，用于从另一钻井液隔腔除去钻井液。

本发明还涉及一种用于在地下岩层中钻井孔的方法，其中，钻井液泵送至井孔中，且钻井液从井孔中排出并输送至压力腔室，并控制流入该压力腔室的钻井液流。

下面将通过实例并参考附图更详细地介绍本发明，其中：

图1示意表示了钻探系统的一个实施例；以及

图2和3示意表示了钻井液排出装置。

在附图中，相同的参考标号表示相同的部件。

在图1中表示了钻杆柱1，该钻杆柱1延伸入形成于地下岩层5中的井孔3内，并提供有钻头7和井底组件(BHA，图中未示出)。钻杆柱1由多个钻杆柱接头组成，每对相邻接头通过可释放的连接器而相互连接。为了清楚，只表示了一个最上部的连接器9a、9b(处于脱开模式)，该连接器9a、9b将最上部的接头与钻杆柱1的其余部分连接。在下文中，上部钻杆柱接头称为上部钻杆柱部分10，而钻杆柱1的其余部分称为底部钻杆柱部分12。该底部钻杆柱部分12通过动力卡瓦16而支承在钻机(未示出)的钻台14上。上部钻杆柱部分10由顶部驱动器18支承，该顶部驱动器18能够支承整个钻杆柱1，且它提供有用于在钻井过程中使钻杆柱1旋转的驱动系统(未示出)。第一泵19与上部钻杆柱部分流体连通，以便当连接器9a、9b处于连接模式时通过该钻杆柱1泵送钻井液。

流体腔室20由支承柱22支承，该支承柱22以允许流体腔室20沿该柱22上下运动的方式布置在钻台14上，且提供有用于控制该运动的装置(未示出)。上部钻杆柱部分10通过流体腔室20的上部开口24伸入该流体腔室20中，从而使上部钻杆柱部分10的开口底端位于腔室20的上部25中。底部钻杆柱部分12通过流体腔室20的底部开口26伸入流体腔室20中，从而使底部钻杆柱部分12的开口上端位于腔室20的底部27中。上部开口24和底部开口26都有足够大的直径，以便允许钻杆柱连接器通过(该钻杆柱连接器的直径稍微大于钻杆柱部分)。而且，上部和底部开口24、26提供有密封件29a、29b，该密封件29a、29b可控制成径向向内运动，从而密封抵靠上部和底部钻杆柱部分10、12。腔室20的底部27提供有流体进口28，该流体进口28与第二泵30流体连通，以便当连接器9a、9b处于脱开模式时通过底部钻杆柱部分12来泵送钻井液。

流体腔室20的上部25和底部27通过阀32形式的间隔装置而可选择地相互密封开。控制装置(未示出)用于打开或关闭该阀32，因此，在打开位置，该阀32允许钻杆柱1通过该阀32。而且，在阀32的打开位置，流体腔室20的上部25和底部27彼此流体连通。用于使连接器9a、9b连接和脱开的一对动力舌片(power tongue)34、36安装在流体腔室20上并位于该流体腔室的底侧。

环形空间38形成于底部钻杆柱部分12以及井孔壁和井筒壳体42之间，该环形空间中充满大量的钻井液40。该环形空间38在它的上端由旋转喷出防护装置(BOP)46来密封，该喷出防护装置允许钻杆柱1进行旋转和垂直运动。钻井液排出导管48布置在环形空间38的上端，该排出导管使钻井液通过排出装置50而流出至钻井液储存器(未示出)内，该排出装置将在后面参考图2和3进行说明。第三泵52与排出装置50并联布置，该泵52在位于排出装置50和旋转BOP 46之间的分支连接件54处与排出导管48流体连通。该泵52可操作以将钻井液从钻井液储存器(未示出)泵送至环形空间38内。钻杆柱1的底部设置有用于控制钻井液从大量的钻井液40流入钻杆柱1中的装置，该装置为止回阀的形式，防止该回流。

在正常工作过程中，钻杆柱1通过顶部驱动器18而旋转，以便进一步钻井孔3，因此连接器9a、9b处于连接模式。钻井液流通过钻杆柱1和钻头7而由第一泵19泵送至环形空间38中，而钻井屑夹带在钻井液流中。该液流再沿向上方向流过环形空间38，并通过排出导管48和排出装置50进入钻井液储存器(未示出)。在环形空间38中的流体压力通过控制泵19和/或通过控制排出装置50和/或通过控制第三泵52而进行控制。

当希望将钻杆柱从井孔3中取出时，顺序使各个钻杆柱接头脱开并从钻杆柱1上取下。这可以通过脱开和取下最上部的接头，并使钻杆柱1向上运动至使得这时处于最上部的接头可以取下的位置而实现。为了取下最上部的接头(即钻杆柱部分10)，将按照以下步骤进行。停止钻杆柱1通过顶部驱动器18而产生的旋转，同时通过操作第一泵19而继续使钻井液通过钻杆柱流通。流体腔室20沿支承柱22运动至使得动力舌片34、36位于连接器9a、9b高度的位置处，且舌片34、36操作成使连接器9a、9b松脱和部分拧开。连接器9a、9b通过滑移(slip)拧开至这样的程度，即可以通过顶部驱动器18而进一步拧开。然后，流体腔室20沿支承柱22运动，以便使连接器9a、9b定位在流体腔室底部27中，且密封件29a、29b径向向内运动，以便密封抵靠相应的上部和底部钻杆柱部分10、12。第二泵30工作，以便使流体腔室20增压。然后，顶部驱动器以逆时针方向旋转，从而进一步拧开连接器9a、9b。当连接器9a、9b脱开时，上部钻杆柱部分10升高很短距离，以便使上半连接器9a位于流体腔室20的上部25中。阀32封闭，以便使流体腔室上部25与流体腔室底部27密封。同时，随着封闭阀32，第一泵19停止，第二泵30工作，以便通过流体进口28将钻井液泵送至流体腔室底部27，并从该流体腔室底部27通过底部钻杆柱部分12进入环形空间38中。密封件29a退回，以便取出上部钻杆柱部分，且这时成为最上部接头的钻杆柱接头与顶部驱动器18连接。重复前述步骤，以便取下新的最上部钻杆柱接头。通过使钻井液经过井孔3持续流通，在井孔中可能出现不希望的颗粒(例如钻井屑)沉积，且可以通过控制泵30的流量和/或控制排出装置50而控制在井孔中的流体压力。

也可以在连接器9a、9b脱开时不使用第二泵30来通过底部钻杆柱部分12泵送钻井液，第一泵19可以用于该目的，这时，第一泵19通过合适导管装置与流体进口28连接。

上述步骤依靠使用流体腔室20而在上部钻杆柱部分10脱开时通过使流体继续经过钻杆柱1流通来控制在井孔中的流体压力。当不能够使用流体腔室时，可选步骤可以用于使上部钻杆柱部分10与钻杆柱1连接或脱开。在该可选步骤中(可以没有流体腔室)，操作第三泵，以便通过由泵52、分支连接件54和排出装置50形成的管路来泵送钻井液。通过控制泵52的泵送流速和/或通过控制排出装置50，可以控制在环形空间38中的流体压力。在钻杆柱1中的止回阀防止钻井液从环形空间38流入钻杆柱1中。该可选步骤可以用于例如当钻杆柱稳定器防止钻杆柱通过流体腔室时的情况。

当上部钻杆柱接头脱开时使用流体腔室20来使流体继续通过钻杆柱1流通的优点是，在井孔3的开口部分中的钻井液保持流动，这样，可以防止颗粒在井孔中的不希望沉积。不过，当钻杆柱升高至一定高度，从而使钻头7位于壳体42内时，通过钻杆柱1泵送的钻井液从钻头7经过环形空间38而返回地面，从而使井孔3的开口部分中的钻井液保持静止。因此，优选是当钻头7处于壳体42内时，通过第二泵30泵送钻井液的操作停止，并开始通过第三泵52进行泵送，以便控制井孔中的流体压力。该步骤的优点是不再需要流体腔室20，且可以将流体腔室20从钻杆柱上取下。

图2和3更详细地表示了排出装置50。要排出的钻井液流通过排出导管48供给排出装置。

排出装置包括两个压力腔室60、61。每个压力腔室都具有由柔性材料例如橡胶制成的隔膜62、63。隔膜62、63将各个压力腔室60、61分成两个隔腔：钻井液隔腔64、65和排出流体隔腔66、67。两个排出流体隔腔66、67通过排出流体导管68相互连通，该排出流体导管68经过控制阀69，该控制阀69是阻流阀，用于通过对流过导管68的排出流体流进行节流而对该流体流进行控制。

各个压力腔室60、61的钻井液隔腔64、65具有进口阀装置(70、71)，用于引导将分别排出至钻井液隔腔64或65的钻井液，还具有出口阀装置(72、73)，以便分别从钻井液隔腔64或65除去钻井液。

图2表示了排出装置的第一模式，图3表示了第二模式。

在第一模式中，如图2所示，进口阀70打开，且进口阀71关闭。而且，排出阀72关闭，排出阀73打开。钻井液流由箭头75表示。钻井液从导管48流向钻井液隔腔64，因此，隔膜62向上运动。因此，排出流体从隔腔66通过导管68排出至排出流体隔腔67，从而通过阻流阀69。排出流体流由箭头76表示。排出流体流入隔腔67内使得隔膜63向下运动，从而使钻井液从隔腔65排出，该钻井液例如可以进一步输送至过滤系统(未示出)。

流向隔腔64的钻井液流通过控制阻流阀69来控制，直到钻井液隔腔64完全充满钻井液。这时，排出装置转换至如图3所示的第二模式。

在第二模式中，如图3所示，进口阀70关闭，进口阀71打开。而且，排出阀72打开，排出阀73关闭。钻井液流由箭头75表示。钻井液从导管48流向钻井液隔腔65，因此隔膜63向上运动。因此，排出流体通过导管68从隔腔67排出至排出流体隔腔66，从而经过阻流阀69。排出流体流由箭头76表示。流入隔腔66的排出流体流使隔膜62向下运动，从而使钻井液从隔腔64排出，该钻井液例如可以进一步输送至过滤系统(未示出)。

在排出装置的工作过程中，第一和第二模式将相互交替，因此，阻流阀69可以保持相同位置，以便在两种模式下都在排出导管68中形成预定阻力。这将导致钻井液经过排出装置时的阻力恒定。通过改变阻流阀69的位置，可以改变阻力。

Claims (16)

1.一种用于在地下岩层(5)中钻井孔(3)的钻探系统，该钻探系统包括用于将钻井液泵送至井孔(3)内的泵装置(19、30)以及用于将钻井液从井孔(3)中排出的排出装置(50)，其中，该排出装置(50)包括：至少一个压力腔室(60、61)，用于暂时容纳从井孔(3)中排出的钻井液；以及控制装置(69)，用于控制流入各个压力腔室(60、61)内的流体流。

2.根据权利要求1所述的钻探系统，其中：所述控制装置(69)布置成控制在压力腔室(60、61)中的流体压力。

3.根据权利要求1或2所述的钻探系统，其中：压力腔室装有排出流体，且控制装置布置成控制排出流体从压力腔室中的流出。

4.根据权利要求3所述的钻探系统，其中：压力腔室(60、61)提供有由活动壁(62、63)分开的第一和第二隔腔，一个隔腔(64、65)充满钻井液，另一隔腔(66、67)装有所述排出流体。

5.根据权利要求4所述的钻探系统，其中：所述活动壁包括柔性隔膜。

6.根据前述任意一个权利要求所述的钻探系统，其中：排出装置包括两个或更多所述压力腔室(60、61)，这些压力腔室布置成交替充满来自井孔(3)的钻井液，因此，所述控制装置(69)控制流入各压力腔室(60、61)的钻井液流。

7.根据前述任意一个权利要求所述的钻探系统，其中：两个所述压力腔室(60、61)通过用于在这两个压力腔室(60、61)之间输送排出流体的排出流体导管(68)而相互连接。

8.根据权利要求7所述的钻探系统，其中：所述控制装置包括在所述排出流体导管(68)中的控制阀(69)。

9.根据前述任意一个权利要求所述的钻探系统，其中：排出装置(50)包括两个压力腔室(60、61)，每个压力腔室提供有隔膜(62、63)，以便形成钻井液隔腔(64、65)和排出流体隔腔(66、67)，排出流体隔腔(66、67)通过提供有控制阀(69)的排出流体导管(68)而相互连接，该控制阀用于控制通过所述排出流体导管的流动，且该系统还包括：进口阀装置(70、71)，用于使要排出的钻井液交替导向一个所述钻井液隔腔(64、65)；以及出口阀装置(72、73)，用于从另一钻井液隔腔(65、64)除去钻井液。

10.一种用于在地下岩层(5)中钻井孔(3)的方法，其中，钻井液泵送至井孔(3)中，且钻井液从井孔(3)中排出并输送至压力腔室(60、61)，并控制流入该压力腔室(60、61)的钻井液流。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：所述钻井液的流入通过控制在压力腔室(60、61)中的流体压力来进行控制。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其中：压力腔室(60、61)装有排出流体，并控制该排出流体从压力腔室的流出。

13.根据权利要求10-12中任意一个所述的方法，其中：两个或更多压力腔室(60、61)交替充满来自井孔(3)的钻井液，且控制流入各个压力腔室(60、61)的钻井液流。

14.根据权利要求10-13中任意一个所述的方法，其中：有两个压力腔室(60、61)，排出流体从一个压力腔室输送至另一压力腔室。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：排出流体的输送通过控制阀(69)来控制。

16.根据权利要求10-15中任意一个所述的方法，其中：两个压力腔室(60、61)分别提供有隔膜(62、63)，以便形成钻井液隔腔(64、65)和排出流体隔腔(66、67)，它们都有可变容量，且排出流体隔腔(66、67)通过排出流体导管(68)而相互连接，其中，排出流体流通过控制阀(69)来控制，且要排出的钻井液交替导向一个所述钻井液隔腔(64、65)，同时从另一钻井液隔腔(65、64)除去钻井液。

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