控压钻井节流管汇和应用其的控压钻井设备及其控制方法与流程

本发明涉及控压钻井设备，具体涉及一种控压钻井节流管汇和应用其的控压钻井设备及其控制方法。

背景技术：

1、控压钻井是一种在整个井眼内精确控制环空压力剖面的自适应钻井技术，使用的钻井液密度低于常规钻井的钻井液密度，通过调节地面环空压力来调整井底压力，达到在不同工况下按需控制井底压力的要求，最终实现降低井控风险，减少非生产时间，提高钻井效率，解决窄压力窗口的目的。

2、控压钻井节流管汇是实施控压钻井的关键设备，现有的控压钻井节流管汇主要由液动或电动节流阀、手动或部分气/液动闸板阀、球阀控制液体流动通道，节流阀、闸板阀和球阀由人工或系统单独控制，导致不同工况下的通道转换耗时长、人员工作量大、误操作风险高；另外，当遇到紧急情况需要快速转换通道时，要求操作人员必须快速到达控压钻井节流管汇处手动操作闸板阀和球阀，操作不及时将导致紧急工况持续时间长，发生作业事故风险高；此外，现有的控压钻井节流管汇中手动闸板阀开关状态无明显标志，需要通过原始的数手轮开关圈数的方式确定阀门开关状态，导致工作效率低，设备损坏风险高。除此之外，现有的控压钻井节流管汇主要为陆地钻井施工设计，其占地面积大，不适用于甲板空间受限的海洋钻井平台。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足之处，本发明提出了一种能够针对不同工况及时自动转换通道，以减少工作人员工作量和误操作风险的控压钻井节流管汇和应用其的控压钻井设备及其控制方法。

2、根据本发明的控压钻井节流管汇，包括：上游电阀门组，上游电阀门组包括上流体入口和上流体出口，以及并联在上流体入口与上流体出口之间的第一节流阀通道、第一旁通通道以及第二节流阀通道，和下游流量计组，下游流量计组包括下流体入口和下流体出口，以及并联在下流体入口和下流体出口之间的流量计通道和第二旁通通道，下流体入口与上流体出口相连通，其中，控压钻井节流管汇构造为具有以下流通模式：单节流阀无流量计模式：第一节流阀通道和第二节流阀通道二者中的一者与第二旁通通道连通；双节流阀无流量计模式：第一节流阀通道、第二节流阀通道以及第二旁通通道连通；单节流阀流量计模式：第一节流阀通道和第二节流阀通道二者中的一者与流量计通道连通；双节流阀流量计模式：第一节流阀通道、第二节流阀通道以及流量计通道连通；流量计模式：第一旁通通道与流量计通道连通；以及整体旁通模式：第一旁通通道与第二旁通通道连通。

3、进一步地，第一节流阀通道包括沿流体流动方向依次布置的第一闸板阀、第一节流阀以及第二闸板阀，第二节流阀通道包括沿流体流动方向依次布置的第三闸板阀、第二节流阀以及第四闸板阀，第一旁通通道包括第五闸板阀，流量计通道包括沿流体流动方向依次布置的第一球阀、流量计以及第二球阀，第二旁通通道包括第三球阀。

4、进一步地，控压钻井节流管汇还包括位于上流体入口处的用于测量上游节流阀处的实测压力值pum的第一压力传感器，和位于上流体出口处的用于测量下游流量计处的实测压力值pdm的第二压力传感器。

5、进一步地，控压钻井节流管汇还包括控制系统，控制系统包括可编辑逻辑控制器和与可编辑逻辑控制器通过网线相连的工控机控制系统，可编辑逻辑控制器用于将采集到的数据信息传输至工控机控制系统，工控机控制系统根据采集的数据信息向可编辑逻辑控制器传输操作指令以控制控压钻井节流管汇的各个阀的开关状态，其中，可编辑逻辑控制器通过信号传输线分别与第一压力传感器、第二压力传感器以及流量计相连；可编辑逻辑控制器通过电控线分别与第一闸板阀、第二闸板阀、第三闸板阀、第四闸板阀、第五闸板阀、第一节流阀、第二节流阀、第一球阀以及第二球阀相连。

6、进一步地，工控机控制系统用于将控压钻井节流管汇至少设定有正常作业模式：根据实际需要选取控压钻井节流管汇的不同的流通模式，其中，在需要开启单节流阀无流量计模式、双节流阀无流量计模式、单节流阀流量计模式以及双节流阀流量计模式中的任意一者时，工控机控制系统控制首先开启相应模式中的闸板阀和球阀，再开启相应模式中的节流阀，关闭其它阀；在需要开启流量计模式或整体旁通模式时，工控机控制系统控制开启相应模式中的闸板阀和球阀，关闭其它阀，其中，在正常作业模式下，pum＜pul且pdm＜pdl，pum为上游节流阀处的实测压力值；pul为操作人员预先设定的上游节流阀处的压力最大允许值；pdm为下游流量计处的实测压力值；pdl为操作人员预先设定的下游流量计处的压力最大允许值；p目标为按需预设的节流阀上游所需压力的目标值(p目标＜pul)。

7、进一步地，工控机控制系统包括紧急工况监测程序、识别程序、确认程序，以及系统确认发生紧急工况后的流动通道自检程序和应急措施程序，工控机控制系统还用于将控压钻井节流管汇设定有紧急作业模式：当紧急工况监测程序和识别程序监测并识别pum≥pul时，确认程序确认在上游节流阀处压力超高，通过流动通道自检程序快速自检第一节流阀通道、第二节流阀通道以及第一旁通通道的开关状态，并根据各通道的开关状态按照应急措施程序进行如下操作：当第一旁通通道关闭，第一节流阀通道和第二节流阀通道二者中的一者开启，另一者关闭时，开启关闭的通道；当第一旁通通道关闭，第一节流阀通道和第二节流阀通道均开启时，开启第一旁通通道；当第一旁通通道开启，第一节流阀通道和第二节流阀通道均关闭时，首先开启第一节流阀通道和第二节流阀通道二者中的一者，当pum＞p目标时，继续开启第一节流阀通道和第二节流阀通道二者中的另一者；当第一节流阀通道、第二节流阀通道以及第一旁通通道均开启时，发出警报；当紧急工况监测程序和识别程序监测并识别pdm≥pdl时，确认程序确认在下游流量计处压力超高，通过流动通道自检程序快速自检第二旁通通和流量计通道的开关状态，并根据各通道的开关状态按照应急措施程序进行如下操作：当第二旁通通道关闭，流量计通道开启时，开启第二旁通通道；当第二旁通通道开启，流量计通道关闭时，开启流量计通道；当第二旁通通道和流量计通道均开启时，发出警报。

8、进一步地，工控机控制系统还用于将控压钻井节流管汇设定有维护保养模式：使控压钻井节流管汇中的各个阀能够分别单独进行控制，以对所需检修的阀进行单独操作；以及待命运输模式：控制开启所有通道上的阀。

9、根据本发明的控压钻井设备，包括：位于井筒上方的旋转控制头，旋转控制头用于封闭井筒与井壁之间的环空，旋转控制头包括钻井液入口和钻井液出口，与钻井液入口通过地面管线相连通的泥浆罐，与泥浆罐相连通的震动筛，以及连接在震动筛与钻井液出口之间的上述控压钻井节流管汇，其中，泥浆罐中的钻井液通过地面管线经钻井液入口进入井筒内，进入井筒内的钻井液经环空上返至钻井液出口后进入控压钻井节流管汇，经控压钻井节流管汇流出的钻井液经震动筛处理后返回泥浆罐。

10、根据本发明的用于控制上述控压钻井节流管汇的方法，包括：在作业前，根据实际需要选取控压钻井节流管汇的不同的流通模式，根据选定的流通模式的不同施工需求，在工控机控制系统中设定上游节流阀处的压力最大允许值pul和下游流量计处的压力最大允许值pdl；在作业中，针对选定的流通模式，根据不同的作业工况按需设定节流阀上游所需压力的目标值p目标，工控机控制系统通过调节第一节流阀和/或第二节流阀的开度来调整上游节流阀处的实测压力值pum的大小以使pum＝p目标，从而实现在正常作业模式下对井底压力的控制；在需要变更流通模式时，工控机控制系统根据正常作业模式控制调整相关的阀的开关状态的同时保持pum＝p目标，从而实现在流通模式转换过程中对井底压力的控制。

11、进一步地，用于控制上述控压钻井节流管汇的方法还包括：在作业中，如遇紧急情况时，工控机控制系统根据紧急作业模式控制调整相关的阀的开关状态的同时保持pum＝p目标，从而实现在紧急情况下对井底压力的控制。

12、与现有技术相比，本发明的控压钻井节流管汇中所有的阀门均为电动控制，且具有工控机远程控制、操作面板本地控制和手动控制三种方式，通过规范正常工况和紧急工况下流通模式的选取及转换方式，可避免人为误操作引发的作业事故；通过科学设计各通道开启时阀门的开关顺序，可确保在切换通道时控制pum＝p目标，从而避免井底压力波动；通过设定紧急情况下系统自动控制方法，避免由于人为操作不及时或操作失误造成的设备损坏、人员受伤、压漏地层等情况的发生。此外，本发明的控压钻井节流管汇内部的结构布置可大幅缩小其占地面积，从而为甲板空间受限的海上平台钻井作业提供更多的适用性。