一种基于非线性节流阀的压力调控方法及系统与流程

本发明涉及控压钻井，尤其是涉及一种基于非线性节流阀的压力调控方法及系统。

背景技术：

1、随着石油天然气勘探与开发的不断推进，钻井地质条件愈发复杂。在我国西北、东北、西南以及中东沿线等地区，在钻井过程中存在安全钻井密度窗口窄、溢漏频发等钻井复杂问题，制约了油气勘探开发进程。

2、控压钻井技术是解决上述复杂钻井的利器，节流阀是压力控制的关键部件，其主要通过调节节流管汇上节流阀的开度大小，改变节流阀两端的压力差，实现对井口回压以及环空压力剖面的快速调控。

3、现有控压钻井压力调控技术主要通过两种方式来实现：一是基于常规非线性节流阀，另外一种是使用特制的线性节流阀。上述两种方式在压力调控过程中存在以下不足：

4、(1)以研制线性节流阀为主，线性节流阀阀芯轮廓设计困难，全面替代现场广泛使用的各类非线性节流阀难度大，成本高；

5、(2)目前，绝大多数节流阀采用楔形、针形和筒形节流阀芯，其阀芯轮廓是简单的直线式，节流阀压力调节以非线性过程为主。非线性节流阀开度较小时，压力调节变化剧烈；开度较大时，压力调节不明显，存在迟滞现象；

6、(3)节流阀前后的压差不仅与节流阀的开度有关，还与流量、密度有关，在控压钻井压力调控过程中，均以调节节流阀开度作为唯一手段，尚未实现节流阀开度、流量等方面的联调联控。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，需要提供一种基于常规非线性节流的压力线性调控方案，以解决现有控压钻井压力调控过程中，常规非线性节流阀在开度较小和较大时压力调控波动剧烈或迟滞，以及线性节流阀研发难度大、成本高等技术问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于非线性节流阀的压力调控方法，包括：在节流管汇上配置具有非线性节流阀的节流通路；在以井口回压线性变化为目标开展控压钻井作业时，控制所述节流阀的不同开度并计算相应开度下所需的实时排量，所述实时排量由在相应开度下的目标压降最大值、流体密度和流体流动系数计算而成；根据所述实时排量计算当前节流阀排量呈线性变化所需的排量变化量，从而按照所述排量变化量通过调节所述节流阀的开度和/或实时排量，促使在当前节流阀的作用下使得井口回压呈线性变化。

3、优选地，在计算计不同开度下所需的所述节流阀的实时排量的过程中，包括：根据井口回压变化目标，计算所述节流阀的目标压降；根据所述目标压降、钻井液流体的密度和流体流动系数，利用节流阀实时排量计算式，实时计算满足井口回压线性变化条件所需的所述节流阀的实时排量，其中，所述节流阀实时排量计算式利用如下方法来获得：建立由节流阀流量、所述流体密度和所述流体流动系数所表示的节流阀压降通用表达式；建立由井口回压变化目标和节流阀开度所表示的节流阀压降线控表达式；根据所述通用表达式和所述线控表达式，构建所述节流阀实时排量计算式。

4、优选地，所述节流阀压降通用表达式利用如下表达式表示：

5、

6、其中，cv表示所述流体流动系数，q表示节流阀流量，ρ表示所述流体密度，δp表示节流阀压降。

7、优选地，所述节流阀压降线控表达式利用如下表达式表示：

8、δp＝-δpmaxx+δpmax

9、其中，δp表示节流阀的目标压降，δpmax表示节流阀的目标压降的最大值，x表示节流阀开度。

10、优选地，所述第一节流阀实时排量计算式利用如下表达式表示：

11、

12、其中，cv表示基于不同开度下的所述流体流动系数，q1表示所述节流阀的实时排量，ρ表示所述流体密度，δpmax表示节流阀的目标压降的最大值。

13、优选地，所述不同开度下的所述流体流动系数按照如下方法来计算：根据所述节流阀的实时开度，利用开度与流动系数关系式，计算相应的所述流体流动系数，其中，所述开度与流动系数关系式利用如下方法来构建：开展非线性节流阀的开度实验，测量每个开度下的节流阀流量、流体密度和节流阀前后端压降，进一步测量相应开度下的流体流动系数；根据不同开度下的流体流动系数，采用多项式拟合方式来对节流阀开度与所述流体流动系数之间的关系进行拟合，从而形成开度与流动系数关系式。

14、优选地，在调节所述节流阀的实时排量的过程中，包括：实时调节所述钻井泵的冲数；和/或实时调节设置在所述节流阀入口端的第一泵和第二泵，在所述节流阀的入口端安装四通件，所述四通件的第一端与井口连接，所述四通件的第二端与节流管汇的入口连接，所述四通件的第三端与用于增加所述节流阀入口流量的第一泵连接，所述四通件的第四端与用于降低所述节流阀入口流量的第二泵连接。

15、优选地，通过计算所述节流管汇的实时排量与所述节流阀的实时排量的差值来获得所述排量变化量。

16、另一方面，本发明实施例提供了一种基于非线性节流阀的压力调控系统，所述压力调控系统用于实现如上述所述的压力调控方法，其中，所述压力调控系统包括：设置在井口节流管汇上的节流通路，所述节流通路上设置有非线性节流阀；节流阀控制单元，其用于在以井口回压线性变化为目标开展控压钻井作业时，控制所述节流阀的不同开度并计算相应开度下所需的实时排量，从而根据所述实时排量计算当前节流阀排量呈线性变化所需的排量变化量，所述实时排量由在相应开度下的目标压降最大值、流体密度和流体流动系数计算而成；调节控制单元，其用于按照所述排量变化量通过调节所述节流阀的开度和/或实时排量，促使在当前节流阀的作用下使得井口回压呈线性变化。

17、优选地，所述调节控制单元，其用于按照如下方式来对节流阀排量进行实时调节：实时调节所述钻井泵的冲数；和/或实时调节设置在所述节流阀入口端的第一泵和第二泵，在所述节流阀的前端安装四通件，所述四通件的第一端与井口连接，所述四通件的第二端节流管汇的入口连接，所述四通件的第三端与用于增加所述节流阀入口流量的第一泵连接，所述四通件的第四端与用于降低所述节流阀入口流量的第二泵连接。

18、与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

19、本发明提出了一种该方法及系统首先根据节流阀的流量方程，得到节流阀的压降方程；然后测试节流阀在不同开度条件下的压降，并拟合测试结果，获得节流阀开度与压降之间的关系；根据设计的开度与压降线性关系，获得流量与开度的目标方程；计算在不同开度下，压降线性调节所需增加或降低的排量值，通过调节泵冲或通过其他泵调节排量。本发明在调节节流阀的同时，还能够动态调整节流阀入口排量，解决控压钻井非线性节流阀压力调控过程中，开度较小压力调节变化剧烈；开度较大，压力调节不明显，存在迟滞现象，从而通过节流阀开度与流量的联调联控，实现节流阀前后压力的线性变化，提高控压钻井控制精度与效率。

20、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。