钻井系统

本发明涉及一种用于在地层内钻凿一个井眼的钻井系统，该钻井系统 包括一个伸入到井眼内的钻柱，在该钻柱和井壁之间形成一个环形空间， 该环形空间含有钻井液。钻柱通常具有一个用于将钻井液泵入到环形空间 内的纵向流通道。环形空间内的钻井液的一个作用就是控制井壁的压力， 该井壁压力通常保持在一个允许的上限压力和允许的下限压力之间；所述 的上限压力取决于岩层的破裂压力，而所述的下限压力取决于地层流体孔 隙压力。环形空间内的流体压力由环形空间内的液柱的静液压重量以及动 态压力分量来确定；所述的动态压力分量取决于环形空间内的钻井液从井 底返回到地面的流动阻力。该压力通常需要在钻井液中添加选定的加重材 料来进行控制。

在现有技术中，具体的实践是在接近井眼压力下限条件下钻凿井眼， 其优点是可以降低破坏岩层的危险。这种方法称为平衡钻井或者嵌平衡钻 井，其中使用比常规钻井液轻的钻井液。在将钻柱从井眼中取出的起钻时 或者将钻柱下入到井眼内的下钻时，需要分离各个钻柱单根，因此无钻井 液通过钻柱泵入到环形空间中。在钻柱的起钻和下钻过程中，所产生的问 题动态压力由于没有钻井液从井底流动到地面而消失。结果环形空间中钻 井液压力低于允许的下限，可能导致地层中的不需要的流体流入到井眼 内。

本发明的一个目的就是缓解现有技术中的问题，提供一种钻井系统， 即使对平衡钻井或者欠平衡钻井来说，该钻井系统也可以安全使用而没有 不需要的流体流入到井眼内的危险。

根据本发明，提供一种钻井系统，用于在地层内钻凿一个井眼，该钻 井系统包括：

一个钻柱，伸入到井眼中，从而在该钻柱和井壁之间形成一个环形空 间，该环形空间含有钻井液段，而该钻柱包括一个纵向流体通道，在该钻 柱的下端流体通道具有一个出口；

泵送装置，用于选择性地通过所述的通道和出口将钻井液泵入到钻井 液段；

一个流体排出管线，用于将钻井液从钻井液段排出；

其中：

钻井系统还包括一个用于控制钻井液段内的流体压力的压力控制装 置。

通过在泵送装置无法操作时，例如在钻柱的起钻和下钻操作中，操作 流体压力控制装置，能够使得环形空间中的流体压力增加到可允许的下限 压力。

合适的压力控制装置包括一个泵，该泵具有一个与钻井液段流体连通 的流体出口。所述的泵可以为一个变容泵例如Moineau型，或非变容泵， 例如离心泵，泵或者可以沿着上游方向将流体射入到流体排出管线内的 泵。

这种泵最好具有有利于控制泵的泵送速度的泵控制装置。

本发明将参照附图进行详细描述。

附图1示意性表示根据本发明的第一个实施例的钻井系统；以及

附图2示意性表示根据本发明的第一个实施例的钻井系统。

附图中类似的附图标记表示类似的部件。

附图1中表示一个伸入到在地层5中形成的井眼3内的钻柱1，该钻 柱具有一个钻头7和一个底部钻具组合(BHA，未示出)。该钻柱1由多个 钻柱管段构成，每一对相邻的管段由可解开的接头互相连接在一起。为清 楚目的，只表示了最上的一个接头9a、9b，这两个接头将最上的一个管 段连接到钻柱1的其余部分上(处于断开状态)。在下面的叙述中，上端的 钻柱管段称为上钻柱段10，而钻柱1的其余部分称为下钻柱段12。下钻 柱段12由一个动力卡瓦16支撑在钻机(未示出)的机台14上。上钻柱段 10由一个顶部驱动装置18支撑，而该顶部驱动装置能够支撑整个钻柱1 并且配备有一个驱动系统(未示出)，用于在钻井时旋转钻柱1。一个主泵 19与上钻柱段10形成流体连通，从而当接头9a、9b处于连接状态时穿 过钻柱1泵送钻井液。

一个流体室20由一个设在机台14上的支柱22支撑，该支柱22允 许流体室20沿着支柱22上下移动，并且另外一个装置(未示出)用于控 制这种移动。上钻柱段10通过流体室20的一个上开口24伸入到流体室 20内，因此上钻柱段10的开口下端定位在流体室20的上部25。下钻柱 段12穿过流体室20的下开口26伸入到流体室20内，因此下钻柱段12 的开口上端定位在流体室20的下部27内。上部开口24和下部开口26 具有足够大的直径，从而允许钻柱接头(通常具有比钻柱直径大的直径) 通过。而且，上开口24和下开口26配置有密封件29a、29b，这些密封 件可以控制从而径向向内移动由此密封上钻柱段10和下钻柱段12。流体 室20的下部27具有一个流体入口28，该流体入口28与一个次泵30流 体连通从而当接头9a、9b处于分开状态时将钻井液泵送穿过下钻柱段 12。

流体室20的上部25和下部27之间由一个阀门32形式的分隔装置 选择性地密封。一个控制装置(未示出)用于开关阀门32，从而在其开启 位置上阀门32允许钻柱1穿过阀门32。而且，在阀门32的开启位置上， 流体室20的上部25和下部27互相流体连通。一对用于连接和断开接头 9a、9b的动力钳34、36固定到流体室20的下侧。

在下钻柱段12和井壁39及井眼套管42之间形成一个环形空间38。 该环形空间38充填有钻井液段40。环形空间38的上端由一个旋转防喷 器(BOP)46密封，该旋转防喷器46允许钻柱1进行旋转和垂直移动。在 环形空间38的上端设置有一条钻井液排出管线48，利用该管线48钻井 液通过一个可控出口阀门50通到钻井液池(未示出)中。一个第三泵52 与阀门50平行设置，该泵52与排出管线48在位于阀门50和旋转防喷 器BOP 46之间的一个分支连接部54形成流体连通。该泵52用于将钻井 液从钻井液池(未示出)泵送到环形空间38中。钻柱1的下部设置有一个 用于控制钻井液段40的钻井液回流到钻柱1内的装置，其形式可以为一 个单向阀(未示出)，用于防止回流。

在正常操作中，钻柱1由顶部驱动装置18旋转从而继续钻凿井眼3， 此时接头9a、9b处于连接状态。钻井液流通过钻柱1和钻头7由主泵19 泵送到环形空间38中，在该环形空间中，钻屑进入到该钻井液中。钻井 液流然后穿过环形空间向上流动，并借助排出管线48和阀门50排到钻 井液池中。环形空间38内的压力通过控制泵19的泵速和/或通过控制出 口阀门50来进行控制。

当需要从井眼3中取出钻柱时，单个的钻柱管段需要被分开，并从钻 柱1上按照先后顺序取下。这通过解开并取下最上的管段和将钻柱1向上 移动到可以取下时成为最上端钻柱管段的一个位置上等等步骤。为了取下 最上端钻柱管段(亦即上钻柱段10)，需要进行下列步骤。通过停止顶部 驱动装置18而停止钻柱1的旋转，同时利用主泵19的操作而使得钻井 液连续地循环穿过钻柱。流体室20沿着支柱22移动，到达动力钳34、 36与接头9a、9b等高的位置上，然后动力钳34、36操作以打开并且部 分松开接头9a、9b之间的连接。接头9a、9b仅仅由动力卡瓦16松开到 这样的程度即进一步的解开可以由顶部驱动装置18来完成。然后沿着支 柱22移动流体室20以将接头9a、9b定位到流体室的下部27内，而密 封件29a、29b径向向内移动以密封上钻柱段10和下钻柱段12。次泵30 开始操作从而对流体室20进行加压。顶部驱动装置18然后逆时针方向 旋转以进一步解开接头9a、9b。一旦接头9a、9b被断开，上钻柱段10 向上移动一个较短距离从而将该上接头9a定位在流体室20的上部25内。 阀门32关闭以在流体室20的上部25和下部27之间形成密封。同时， 随着阀门32的关闭主泵19停止而次泵30操作用于通过流体入口28将 钻井液泵送到流体室下部27，从这里穿过下钻柱段12进入到环形空间 38中。然后回缩密封件29a以取下上钻柱段，而现在成为最上钻柱段的 钻柱段被连接到顶部驱动装置18上。重复上述的步骤以将该最上端的钻 柱段取出。通过持续地循环钻井液通过井眼3能够防止颗粒(例如钻屑) 在井眼内不必要地沉积，并且可以通过控制次泵30的泵送速度和/或控制 出口阀门50来控制井眼内的流体压力。

在接头9a、9b断开时如果不使用次泵30泵送钻井液穿过下钻柱段 12，则主泵19可以用作此目的。在这种情况下，主泵19通过一个合适 的导管装置连接到流体入口28。

上述的步骤依赖于流体室20的使用，以在上钻柱段10被断开时通 过持续循环流体穿过钻柱1来控制井眼内的流体压力。在使用流体室不切 实际或者不可能的情况下，另外一个步骤可以用于将上钻柱段10连接到 钻柱1或者从钻柱1上取下。在该步骤中(可以没有流体室的情况下使 用)，第三泵52操作以穿过由泵52、分支连接部54和出口阀门50构成 的管线泵送钻井液。通过控制第三泵52和/或控制出口阀门50可以对环 形空间38内的流体压力进行控制。钻柱1内的一个单向阀用于防止钻井 液从环形空间38回流到钻柱1内。例如，该方法可以在钻柱稳定器阻止 钻柱穿过流体室时使用。

当上钻柱段断开时使用流体室20持续循环钻井液穿过钻柱1的一个 优点就是：在井眼的上部中的流体保持流动，因此防止颗粒在井眼内导致 不需要的沉积。但是，一旦钻柱被举升到一个高度，使得钻头7定位到套 管42内，通过钻柱1进行泵送的流体从钻头7穿过环形空间38返回到 地面，因此保持井眼3内的裸眼部分的流体处于静止状态。因此，作为优 选的方式，一旦钻头7位于套管42内，通过次泵30泵送流体停止而第 三泵52启动用于控制井眼内的流体压力。该步骤的优点是不需要使用流 体室20从而可以从钻柱上取下流体室20。

图2中的第二个实施例与第一个实施例的不同之处在于，不是使用阀 门50、第三泵52、分支连接部54结构，流体排出管线48设置有一个喷 嘴60用于沿着与穿过排出管线48的钻井液的法线方向相反的方向将一 束射流射入到流体排出管线48内。一个注射泵62设置用于通过喷嘴60 将射流射入到流体排出管线48内。

第二个实施例的常规操作类似于第一个实施例的常规操作，区别在于 注射泵62操作从而沿着与穿过排出管线48的钻井液的法线方向相反的 方向将气体或者液体以可控速度利用喷嘴60射入到流体排出管线48内。 结果流体排出管线48内的钻井液流动阻力得到控制，因此环形空间的流 体压力也得到了控制。