CN104428485B - 在钻井流体回流管中使用气举的井眼环空压力控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种系统和方法包括泵送钻井流体穿过被伸入在水体底部下方延伸的井眼内的钻柱，流出所述钻柱底部并且进入井眼环空中。流体被从所述环空排放至立管及排放管内。所述立管被配置于所述井眼顶部的上方并延伸至水面。所述排放管耦接于所述立管，并包括一个可控流体节流器。回流管耦接于所述节流器的出口，并延伸至所述水面。压力气体在水面下方选定深度处被泵送入所述回流管内。所述可控流体节流器可以被操作以保持所述立管内选定的钻井流体液位，所述选定的钻井流体液位是在所述水面下方的选定距离。

Description

在钻井流体回流管中使用气举的井眼环空压力控制系统及 方法

背景技术

从地下地层开采及生产碳氢化合物包括从地层抽出所述碳氢化合物的系统和方法。钻机可以被放置于陆地或水体上以支撑向下伸入井眼内的钻柱。所述钻柱可以包括由钻头、传感器以及能够接收及发射传感器数据的遥测系统构成的底部钻具组合。配置于底部钻具组合中的传感器可以包括压力及温度传感器。地面遥测系统被包含以便从所述底部钻具组合传感器接收遥测数据，以及向所述底部钻具组合发射指令及数据。

流体“钻井泥浆”被从钻井平台泵送穿过钻柱，到达被支撑于钻柱底端或末端的钻头。所述钻井泥浆润滑该钻头，并将由所述钻头在向深挖掘时产生的井屑运走。所述井屑由钻井泥浆的回流运送穿过井眼环空并返回至位于地面的钻井平台。当钻井泥浆到达所述平台时，其受本行业中称之为井屑或钻屑的小块页岩及岩石的污染。一旦所述钻屑、钻井泥浆以及其他废物到达所述平台，使用分离设备来从钻井泥浆中除去所述钻屑，以便可以再利用所述钻井泥浆。

流体背压系统可以被连接至流体排放管以选择性地控制流体排放，以便在井眼底部保持选定的压力。当泥浆泵被关闭期间，可以沿钻井流体回流系统向下泵送流体来保持环空压力。还可以使用压力监测系统来监测检测到的钻孔压力、模拟期望的钻孔压力以用于进一步的钻井，以及控制所述流体背压系统。

附图说明

图1示出了包括示例性控压钻井系统的钻井系统。

图2示出了根据本文公开的实施例的与运载气举钻井流体的钻井流体回流管一同使用的图1中的示例性控压钻井系统。

图3-5示出了根据本文公开的实施例使用的控压钻井系统的示例。

具体实施方式

本文公开的实施例涉及一种系统，根据一方面，所述系统包括被伸入位于水体底部之下的井眼内的钻柱，用于选择性地将钻井流体泵送穿过所述钻柱并进入形成于所述钻柱与井眼之间的环形空间内的主泵，从井眼的顶部延伸至位于水体的表面上的平台的立管，与所述立管流体连通的流体排放管，与所述排放管耦接的可控孔口节流器，从所述节流器延伸至所述平台的流体回流管，以及在所述水体的表面以下选定深度处耦接至所述流体回流管的压缩气体源。

在一些实施例中，可以在邻近所述节流器和/或在井眼或立管内选定深度处将压力传感器耦接至排放管。所述系统可以进一步包括控制器，其从压力传感器接收输入信号并产生输出信号来操作所述节流器。所述节流器被操作以在水面以下选定的距离处保持立管中的选定的静液压力。

根据本文公开的某些实施例，所描述的系统可用于在钻海洋地下地层(即位于水体下方的地层)期间控制井眼环空压力。本文公开的实施例还可以涉及一种用于在钻海洋地下地层期间控制井眼环空压力的方法。

一方面，根据本文公开的实施例的方法包括泵送钻井流体穿过被伸入在水体底部下方延伸的井眼内的钻柱，流出钻柱底部，并进入井眼环空中，从所述井眼环空排放流体至配置于所述井眼顶部的上方的立管内，所述立管延伸至所述水体的表面，从所述立管排放流体至配置于所述水体表面下方的排放管内，所述排放管中包括一个可控流体节流器，流体回流管耦接于所述节流器的出口并延伸至所述水体的表面，在所述水体表面以下选定深度处泵送压力气体至所述回流管内，并且操作所述可控流体节流器以在所述立管内水体表面以下选定的距离处保持选定的静液压力。

另一方面，根据本文公开的实施例的方法包括泵送钻井流体穿过被伸入在水体底部下方延伸的井眼内的钻柱，流出所述钻柱底部，并进入井眼环空内，从所述井眼环空排放流体至配置于所述井眼的顶部的上方的立管内以及排放管内，所述排放管包括流体节流器及耦接于所述流体节流器的出口的流体回流管，并且回流管延伸至水面，在所述水面以下选定深度处泵送压力气体至所述回流管内，并且控制气体被泵送至所述回流管的速度，以保持所述立管内的流体表面在水体表面下方的选定距离处。

图1中示意性地示出了一种包括示例性控压钻井系统的钻井系统。控压钻井系统的一个例子是动态环空压力控制(DAPC)系统，如授予van Riet的美国专利第6,904,981号所述的，其全文通过参考的方式被包含于本文中。钻井单元(“钻机”)14或类似的提升装置将钻柱10悬置于正被钻入地下岩石地层13的井眼11内。钻头12耦接于钻柱10的底端，并且通过钻柱10旋转。钻柱的旋转可由耦接于钻柱10内的液压马达或者涡轮机(未示出)实现，或者由诸如悬置于钻机14内的顶驱16的设备实现。施加到钻头12上的一些钻柱10的重量，以及给予所述钻头12的旋转使钻头12钻穿地层13，从而延伸井眼11的长度。所述钻井单元14被示为支撑于地面13A上；然而，包括图1中所描述的一些或全部构件的钻井单元14可以被用于海上钻井，并且可以被配置于水面上的平台上。其将在以下参考图2进行解释。

在图1中示出的实施例中，位于地球表面的主泵(“泥浆泵”)26将钻井流体(“泥浆”)34从槽或坑24中提升并将所述泥浆34在压力下排放穿过竖管及软管31到达顶驱16。所述顶驱16包括内部旋转密封件，以使所述泥浆34能够穿过所述顶驱16到达所述钻柱10的内部的内部管道(未被示出)。所述钻柱10可以包括单向阀22或类似的装置，以在所述泥浆泵26不启动和/或顶驱16从所述钻柱10的顶端分离(例如在“连接”期间(从所述钻柱10增加或移除管段))的期间防止泥浆34的反向运动。

随着所述泥浆34经过所述钻柱10，其最终从所述钻头12中的喷嘴或流道(未单独示出)排放。离开所述钻头12后，泥浆34进入所述钻柱10的外部与所述井眼11的壁之间的环形空间。当其重回至地面13A时，泥浆34将从所述井眼11提升钻屑。

可以通过背压系统控制泥浆34从所述环形空间的排放。所述背压系统可以包括耦接至地面管或套管19的上端的旋转控制头(或旋转防喷器)18。所述旋转控制头18密封在所述钻柱10上，从而除了通过排放管20外，防止井眼内的流体排放。所述套管19通常被固定至所述井眼11的上部内。泥浆34通过所述排放管20离开所述环形空间。所述排放管20可以在其一端被耦接至所述旋转控制头18，而其另一端被耦接至选择性地控制泥浆34离开所述排放管20的压力的排放管节流器，即可控孔口节流器30。在离开所述排放管节流器30后，泥浆34可以被排放到以附图标记32共同示出的清洗装置中，例如脱气器来从泥浆34中除去夹带气，和/或“泥浆振动筛”来从泥浆34中除去固体颗粒。离开所述清洗装置42后，泥浆34回到储液槽24。所述节流器30的操作可以涉及由与所述排放管20液压连通的压力传感器28进行的测量。

所述背压系统还可以包括可以从槽24中提升泥浆的背压泵42。所述背压泵42在泵送容量上可以比所述主泵26小。所述背压泵42的排放侧可以被液压耦接至蓄积器36。前述连接中可以包括单向阀39，以便例如当所述背压泵42不开启时，防止所述蓄积器36中的压力泥浆回流通过所述背压泵42。前述连接中还可以包括压力传感器40，以便当所述蓄积器36被装载到预定压力时，自动关闭所述背压泵42。所述蓄积器36同样通过可控孔口节流器、例如蓄积器节流器38(其可以被替换为或包括阀)被液压连接至所述排放管20。

在这种背压系统操作期间，所述背压泵42操作以装载蓄积器36。由于需要流体体积来保持所述排放管20中的背压，因此所述蓄积器节流器38可以被操作以使流体能从所述蓄积器36流至所述排放管20。同时，所述排放管节流器30可以被操作以大体上或全部停止泥浆34的流动。

在其他示例中，所述背压泵42可以被省略，并且可以使用来自所述泥浆泵26的一些排放来装载所述蓄积器。在图1中通过虚线43示出了一个例子，其示出了从泥浆泵26至蓄积器36的一些流体输出的流体耦接。

蓄积器36可以是本领域中已知的任意类型，例如具有活动密封件、隔膜或活塞的类型，以将所述蓄积器36分隔成两个压力腔。一些蓄积器可以将隔膜或活塞的与流体装载侧相反的一侧例如通过压缩气体、和/或弹簧或其他偏压装置预加压到选定压力，以便向所述隔膜或活塞提供选定力。在其他的蓄积器中，可以使用单独的流体泵(未被示出)通过压力流体装载所述蓄积器36的相反侧。在这些蓄积器中，可以通过使用所述单独的流体泵而不是使用选定压力(例如，通过使用压缩气体和/或弹簧)来改变由所述蓄积器36施加的背压，从而提供选定力。在当需要排放钻井流体至所述环空以增加压力的情况下，可以增加所述蓄积器装载压力。所述蓄积器36中的装载压力可以被解除，例如当所述主泵26重启动，或当所述背压泵42启动时。

在图1的示例中，所述背压控制系统可以由控压钻井(“MPD”)系统50自动地操作。所述MPD系统50可以包括诸如PC或触摸屏52的操作人员控制器及可编程逻辑控制器(PLC)54。所述PLC 54可以从各种压力传感器接收作为输入的信号，包括但不限于图1中的压力传感器28及40。所述PLC 54还可以操作可变、可控孔口节流器38、40以及背压泵42。如在上文提及的van Riet的’981号专利中解释的，所述MPD系统50可以操作多个系统构件来保持所述排放管20中的选定流体压力，并且从而保持井眼11的侧壁与钻柱10之间的环形空间内的压力，并且更具体地说，保持所述井眼11的底部的选定压力。

包括参看图1解释的MPD系统50的示例性钻井系统旨在解释MPD系统的原理，并不旨在限制这些系统的范围或在任何特定的海上钻井示例中实际使用的构件，这将要参看图2解释。

图2示出了可以用于海上钻井中的另一个示例性MPD系统，其中，一组井眼流量控制阀(防喷器组或“BOP”)102可以邻近水体底部或“泥浆线”1配置于井眼11的顶部处。钻井眼11及钻井泥浆(图1中的34)的循环可以由类似于那些根据上文的图1及下文的图3-5所示及所解释的构件进行，但在此示例中，这些构件可以被配置于设于水面2上的平台(未被示出)上。为了能说明清楚，一些前述构件被从图2中省略。立管100可以从BOP 102延伸至位于水面2的平台(为了说明清楚，未被示出)。套管109可以在泥浆线1以下在井眼11中延伸至选定深度。所述BOP 102可以耦接至所述套管的上端部。如图所示，诸如可控孔口节流器的节流器30在水面2以下选定深度处耦接至钻井立管100。井眼钻探的其余操作可以大体上如根据图1解释的进行。

根据图1的解释进行配置的MPD系统50可以被配置于平台(未被示出)上。所述MPD系统可以从各种压力传感器和/或流量计、例如流体连接于立管100的压力传感器28和/或流体连接至回流管138的流量计139、140接收输入信号。来自所述MPD系统50的输出信号可以控制可控、可调孔口节流器30的开启。在本示例中，输入到所述节流器30的流体可以从在所述BOP 102之上选定高度处液压连接到立管100的管道(例如排放管)获得。虽然所示是连接至立管100，但在一个或多个其他实施例中，所述排放管可以连接至井口或直接连接至诸如立管100下方的环形空间。从所述节流器30输出的流体可以通过单向阀130耦接至流体回流管138。旁通阀129可以通过旁通管131液压连接至立管100，并连接至所述节流器30下游的一点。在本示例中，井眼11可以对所述立管102是开放的，并且可以如图1中所示在不使用旋转控制头或旋转分流器的情况下进行钻井。

在本示例中，相对于流体回流管138经过的垂直距离中的一柱钻井流体(图1中的泥浆34)施加的压力，所述流体回流管138可以被保持在较低的静液压力(及其梯度)。如图所示，所述流体回流管138从所述节流器30延伸至所述钻井平台(未被示出)，从而所述流体回流管138的至少一个垂直部分被配置在水面2以下。所述流体回流管138的较低的静液压力(及其梯度)是通过将气体压缩机142的输出在水面2以下选定深度处耦接至所述回流管138来保持的。如图所示，所述气体压缩机142的输出可以在水面2以下选定深度处耦接至所述流体回流管138的垂直部分。所述气体压缩机132可以通过这种耦接向所述流体回流管138提供压力气体、空气、氮气或其他基本上惰性的气体(“气体”)。

可以通过以基本上恒定的速率或与所述钻井单元泥浆泵(图1中的26)操作速率一致的速率操作所述气体压缩机132，来获得粗调控制。所述流体回流管138可以耦接至配置于所述钻井平台(未被示出)上的气/液分离器。本领域技术人员应该理解，根据本文公开的实施例可以使用任意气/液分离器136，例如机械脱气器或离心机。在将液体泥浆返回到槽24之前，耦接于所述气/液分离器136的液体排放端的流量计139可以测量液体泥浆离开所述分离器136时的流率。可以通过耦接于所述气/液分离器136的气体排放端的流量计140来测量气体流出所述分离器136的流率，以便帮助验证进入所述回流管138的气体量与离开所述气/液分离器136的气体量基本是相同的。这种对比可以有助于例如确定是否有来自地下地层的气体进入所述井眼11中，或者系统中是否存在泄漏。

在本示例中，流体回流管138内流体柱的较低的静液压力可以使所述节流器30在比当所述流体回流管仅填充有钻井泥浆柱的情况下的压力(例如具有仅有泥浆被泵入所述井眼11中时的静液压力)更低的下游压力下操作。这样，节流器30可以被操作为使立管100内的泥浆面34A可以被保持在水面2以下的选定的距离，从而相比于所述立管100中的钻井泥浆柱延伸至水面2时所施加的压力，可以在井眼11中施加较低的静液压力。在本示例中，来自所述压力传感器28及流量计140、139的压力信号可以被MPD系统50使用(或行程计可以与钻机泵一同被使用(图1中的26))，来操作所述节流器30使立管100内的选定静液压力保持于对应于立管100内表面34A的测量点以上。例如，PLC 54(图1)可以从压力传感器28、流量计140、139和/或其他传感器接收信号，并产生输出信号来操作所述可变、可控孔口节流器38、30、以及所述背压泵42，以使所述井眼内的流体压力保持在选定值下。MPD系统的此操作可以大体上如授予van Riet的美国专利第6,904,981号中提出的一样，将在下面详细讨论。本领域技术人员应该理解，其他传感器可以被配置于所述系统内的多个位置，例如，压力传感器可以被配置于所述回流管138的垂直部分、注气管(示于134)上，或所述系统内的其他所需位置。

虽然上面参考图2解释的示例可以使用MPD系统50来控制所述节流器30，以保持诸如立管内选定的静液压力，然而在一些示例中，所述节流器30可以在没有MPD系统50的情况下被操作。所述节流器30可以被手动或自动地操作来保持如被传感器28感测或测量的选定的静液压力。相应地，本发明的范围并不限于使用MPD系统50。在一些示例中，所述节流器30可以是固定孔口节流器，并且可以通过控制气体被泵进所述流体回流管138内的速率来保持立管100内的静液压力。

图3-5示出了可以与本文公开的系统和/或方法一起使用的MPD系统的另一个示例。尽管图3-5示出了使用MPD系统的陆上钻井系统，应该理解，离岸钻井系统可以同样地使用MPD系统。图3-5旨在进一步解释并提供MPD系统的示例，而不旨在限制上文根据图2解释的这些系统的范围或在海上钻井的任何特定示例中实际使用的构件。图3是描绘出使用示例性MPD系统的地面钻井系统的平面图。所述钻井系统300被示为由用于支持钻井操作的钻机302组成。为了方便描述，钻机302上使用的很多构件未被示出，例如方钻杆、动力大钳、卡瓦、铰车及其他设备。所述钻机302用于支持在地层304内的钻井及开采操作。如图4中所描绘的，钻孔306已经被部分钻出，套管308被设置及固定309到位。在优选实施例中，套管关闭机构或井下部署阀310被安装于所述套管308中，以便可选择地关闭所述环空并当钻头位于所述阀之上时有效地用作关闭无套管钻孔区段的阀。

钻柱312支撑包括钻头320、泥浆马达318、包括压力探头316来探测环空压力的MWD/LWD传感器组件319、防止流体从所述环空回流的单向阀的底部钻具组合(BHA)313。BHA还包括用于发射要在地面接收的压力、MWD/LWD及钻井信息的遥测套件322。尽管图3示出了利用泥浆遥测系统的BHA，应该理解，可以使用其他遥测系统，例如射频、电磁(EM)或钻柱传输系统。

如上面注意到的，钻井工艺需要使用存储于储液槽336中的钻井流体350。所述储液槽336与一个或多个泥浆泵338流体连通，所述泵泵送所述钻井流体350穿过管道240。所述管道340连接至穿过旋转或球形BOP 342的钻柱312的最后一节。当激活时，旋转BOP 342强迫球形弹性元件向上旋转，围住钻柱312，隔离压力，但仍然允许钻柱旋转。市场上可买到的球形BOP，例如由Varco International制造的，能够隔离达10,000psi(68947.6kPa)的环空压力。所述流体350被沿所述钻柱312及BHA 313向下泵送，离开所述钻头320，在此其将岩屑循环离开所述钻头320，并向上回到裸眼井环空315，然后到达形成于套管308与钻柱312间的环空。所述流体350回到地面并穿过分流器317，穿过管324以及多个缓冲槽和遥测系统(未被示出)。

此后，所述流体350继续前进到通常被称为背压系统311的系统。所述流体350进入所述背压系统331并流过流量计326。所述流量计326可以是质量平衡型或其他高分辨率的流量计。使用所述流量计326，操作者能确定有多少流体350已通过钻柱312被泵送入所述井中，以及从井中返回的流体350的量。基于被泵送的流体350与返回的流体350的量之差，操作者能够确定是否有流体350漏入地层304中，这可以指示已经产生了地层压裂，也即显著的负流体差。同样地，显著的正差会表明地层流体进入所述井眼中。

流体350继续前进到达耐磨节流器330。应该理解，存在被设计为在钻井流体350含有大量钻屑及其他固体的环境中操作的节流器。节流器330是这样一种类型的，并且进一步能够在可变压力下及通过多个工作循环操作。所述流体350离开节流器330并流经阀321。所述流体350然后被可选的脱气器及被一系列过滤器和振动台329处理，其被设计为从所述流体350除去污染物，包括岩屑。所述流体350然后回到储液槽336。在阀325之前提供流动回路319A，以便直接向背压泵328供给流体350。可替换地，可以通过与储液槽336(泥浆补给罐)流体连通的管道319B从所述储液槽向所述背压泵328提供所述流体。所述泥浆补给罐一般被用于钻机上，用于在起钻操作过期间监视流体增加及损失。三通阀325可以被用于选择回路319A、管道319B或隔离所述背压系统。虽然背压泵328能够通过选择流动回流319A使用回流流体产生背压，然而应该理解，所述回流流体可能具有未被过滤器/振动台329除去的污染物。像这样的，会增加背压泵328的磨损。像这样的，可以使用管道319A产生背压，以便为背压泵328提供修复后的流体。

在操作中，阀325可以要么选择管道319A，要么选择管道319B，且即使没有流量来自所述环空315，所述背压泵328致力于保证足够的流量通过所述节流器系统，以能够保持背压。所述背压泵328可以能够提供多达约2200psi(15168.5kPa)的背压；然而可以选择更高压力容量的泵。

由所述流体提供的环空内的压力是其密度与实际垂直深度的函数，并且一般是近似线性函数。如上面所看到的，添加到所述储液槽336内的流体的添加剂被泵入井下，以最终改变由所述流体350施加的压力梯度。

流量计352可配置于管道300中，以测量正被泵入井下的流体量。应该理解，通过监测流量计326、352及由所述背压泵328泵送的体积，所述系统很容易能够确定漏入地层中的流体350的量，或者相反地，泄露到所述钻孔306内的地层流体的量。

根据图3-5描述的MPD系统还可以被用于监测井压条件以及预测钻孔306和环空315的压力特性。

图5描绘了另一个示例性MPD系统，其中，当穿过所述井的流动因任意原因需要被关闭时，不需要背压泵来保持流过所述节流器系统的充足流量。在此示例中，附加的三通阀6被置于所述钻机泵338下游的管道340中。此阀允许来自所述钻机泵的流体被从管道340完全分流到管道7，而不允许来自钻机泵338的流动进入钻柱312。通过保持泵338的泵运转，可以保证充足流量穿过管汇来控制背压。

为了控制井事件，如果发生大的地层流体流入(如气侵)，则可以关闭BOP，以便有效地关闭油井、解除通过所述节流器和压井管汇的压力、增加钻井流体来提供额外环空压力。一个替换性的方法是有时被称为司钻法(Driller’s method)的方法，其使用连续循环而不关闭油井。在任何固定套管下方的钻井操作期间，可以连续获得加重流体(例如18磅每加仑(ppg)(3.157kg/l))的供应。当检测到气侵或地层流体流入时，所述加重流体被加入并被循环入井下，使所述流入流体溶解于所述循环流体中。当到达套管鞋时，所述流入流体开始从所述溶液析出，并通过节流器管汇释放。应该理解，尽管司钻法提供了流体的连续循环，然而在不向前钻进时可能仍然需要额外循环时间，以便防止额外的地层流体流入，并允许所述地层流体与现在更大密度的钻井流体一起进入循环。

压力控制的MPD系统及方法还可以被用于控制主要井事件，例如流体流入。检测到地层流体流入时使用MPD系统及方法，所述背压被增加，这与添加加重流体不同。如同司钻法，继续所述循环。随着压力的增加，地层流体流入溶解于所述循环流体中，并通过节流器管汇释放。因为已经增加了压力，因而不再需要立即循环加重流体。而且，由于背压被直接施加到环空，因此其迅速迫使所述地层流体溶解，而不是等到所述加重流体被循环到所述环空中再溶解。

MPD系统及方法还可以被用于非连续循环系统中。如上面已经看到的，连续循环系统被用于帮助稳固地层，避免当泥浆泵被关闭时发生的压力突降而建立/破坏新的管道连接。当所述泵被重新启动以进行钻井操作时，此压力下降后跟有压力尖峰。在环空压力中的这些变化能够对钻孔泥饼产生不利影响，并能够导致流体侵入所述地层中。在关闭所述泥浆泵时，使用MPD系统可以向所述环空施加背压，从而改善因泵关闭状态的环空压力突降为更加温和的压力下降。在开启泵之前，可以减小所述背压，以便使所述泵的额外尖峰同样被减小。

图2中示出的气举系统可以需要相对较少数量的设备配置于水面2以下(例如，到所述回流管138及压力传感器28的连接)。这些设备被证明可在多达几千英尺的水深中长期操作。由于多数设备可以在水面以上操作，例如压缩机，因此这些设备的失效可以以显著减少的成本来更换，因为此设备是易于接近的。在不需要太多精力的情况下，还可以向所述系统增加额外的压缩机。

根据本文公开的实施例的系统，例如图2中示出的系统，不需要任何密封件来将所述海上立管流体从所述井眼内的流体隔离开。具体地说，因为被注入到所述回流管内的气体可以很容易地被从所述立管流体和/或井眼流体中除去(例如，通过排放到大气中)，从而不需要将所述立管流体及井眼流体分离。进一步地，图2中示出的系统可以与由普通海上钻井设备提供的标准切割加工系统一起使用。

本文公开的系统及方法可以允许精确地及立即控制井眼压力。在一个或多个钻机泵被关闭期间，可减少回流管内的流体的压力及体积，因为通过向所述回流管(图2中的138)内持续泵送空气或气体，所述回流管可以被排空。因此，当所述一个或多个钻机泵被重新启动时，可以打开节流器(图2中的30)且所述立管流体迅速被排空至所述流体回流管内，这可以在几分钟内发生。本文所述的气举系统可以具有很小的场地需求，从而允许以合理量的甲板空间安装于任何钻机上，或可能从另一艘船部署。最后，在此公开的系统和方法趋向于降低返回的钻井流体中的地层气体比例。通过将惰性气体或空气泵送入所述流体回流管内，地层气体比例可以被保持于甲烷的爆炸下限(LEL)(为大约5％)以下。因此，本文公开的系统和方法可以提供更高级别的安全性。

本文所述的实施例应该被解释为示意性的且无论如何并不限制本发明的其余部分。尽管已经显示及描述了实施例，在不脱离本文公开的范围及教导的前提下，本领域技术人员可以对其进行多个变化及改型。相应地，保护范围并不由上文的描述限制，而仅由包括所述权利要求主题的等价物的权利要求所限制。本文所引用的所有专利、专利申请书及出版物的公开内容特此通过参引方式被包含于本文，达到其提供与本文提出的内容一致及为其提供补充的程序上的或其他的细节的程度。

Claims (17)

1.一种在钻井流体回流管中使用气举的井眼环空压力控制系统，包括：

伸入位于水体的底部下方的井眼内的钻柱；

主泵，其用于选择性地泵送钻井流体穿过所述钻柱并进入形成于所述钻柱与所述井眼之间的环形空间；

立管，其从所述井眼的顶部延伸至位于所述水体的表面上的平台；

与所述立管流体连通的流体排放管；

与所述排放管耦接的可控孔口节流器；

从所述节流器延伸至所述平台的流体回流管；以及

在所述水体的表面下方选定深度处耦接至所述流体回流管的压缩气体源；

藕接至所述流体回流管的分离器；

藕接于分离器的气体排放端的流量计；以及

控制器，所述控制器被配置成从所述流量计接收输入信号并比较由流量计测量的气体的流率与被泵入所述流体回流管中的气体的流率。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包括配置在所述井眼或所述立管内的选定深度处的压力传感器。

3.如权利要求2所述的系统，所述控制器被配置成从所述压力传感器接收输入信号并产生输出信号来操作所述节流器，其中，所述节流器被操作以在所述立管内的所述水体的表面下方选定距离处保持选定的静液压力。

4.如权利要求3所述的系统，进一步包括用于测量流入所述井眼或流出所述井眼的流体流量的至少一个流量计，其中，所述控制器从所述至少一个流量计接收输入信号，所述控制器产生输出信号来操作所述节流器以将所述井眼内的流体压力保持在选定值下。

5.如权利要求1所述的系统，其中，所述可控孔口节流器配置于所述水体的表面下方选定深度处。

6.如权利要求1所述的系统，进一步包括耦接至所述流体回流管的压力传感器。

7.如权利要求1所述的系统，其中，从所述节流器延伸至平台的所述流体回流管包括配置于所述水体的表面以下的垂直部分。

8.如权利要求1所述的系统，进一步包括在所述可控孔口节流器与所述流体回流管中的入口之间耦接至所述流体回流管的单向阀，所述入口耦接至所述压缩气体源。

9.如权利要求2-4中任一所述的系统，其中，所述压力传感器邻近所述节流器耦接至排放管。

10.一种在钻井流体回流管中使用气举的井眼环空压力控制方法，包括：

泵送钻井流体穿过伸入在水体的底部下方延伸的井眼内的钻柱，流出钻柱的底部，并进入井眼环空；

将流体从井眼环空排放到配置于所述井眼的顶部上方的立管内，所述立管延伸至所述水体的表面；

将流体通过流体回流管从所述立管排放，所述流体回流管从水体的表面下方延伸至所述水体的表面；

在水体的表面下方选定深度处将压力气体泵送至所述回流管内；

在所述立管内的所述水体的表面下方选定距离处保持选定的静液压力；

在邻近水体的表面处，从由所述回流管返回的流体中分离所述气体；

测量从由所述回流管返回的流体中分离的气体的流率；并且

比较从由所述回流管返回的流体中分离的气体的流率与被泵入所述回流管内的气体的流率。

11.如权利要求10所述的方法，进一步包括测量所述立管内的选定深度处的流体压力，并基于所述测量来操作配置在立管与流体回流管之间的可控流体节流器，以在所述立管内的所述水体的表面下方选定距离处保持选定的静液压力。

12.如权利要求10所述的方法，进一步包括通过调节被泵入所述回流管内的气体的流率，来调节所述立管内的静液压力。

13.一种在钻井流体回流管中使用气举的井眼环空压力控制方法，包括：

泵送钻井流体穿过伸入在水体的底部下方延伸的井眼内的钻柱，流出钻柱的底部，并进入井眼环空；

将流体从井眼环空排放到配置于所述井眼的顶部上方的立管内并排放到排放管内，所述排放管包括流体节流器，流体回流管耦接至所述流体节流器的出口，并且所述流体回流管延伸至水面；

在水面下方选定深度处将压力气体泵送至所述回流管内；

控制气体被泵送至所述回流管内的速率和操作背压泵来向所述排放管施加背压，以将立管内的流体液位保持在所述水体的表面下方选定距离处；

其中，控制器从排放管中的压力传感器、藕接于被配置成从回流管中的流体中分离气体的分离器的液体排放端的第一流量计和藕接于分离器的气体排放端的第二流量计中的至少一个接收输入信号，所述控制器发送输出信号来操作流体节流器和背压泵，以将立管内的流体液位保持在所述水体的表面下方选定距离处。

14.如权利要求13所述的方法，进一步包括响应于在邻近所述流体节流器的位置测量的所述排放管内的流率，来操作所述流体节流器。

15.如权利要求13所述的方法，进一步包括限制从所述回流管至所述流体节流器的流体流动。

16.如权利要求13所述的方法，进一步包括从所述回流管排放气体到大气中。

17.如权利要求13所述的方法，其中，控制所述气体被泵送至所述回流管内的速率包括比较所述气体被泵送至所述回流管内的速率与钻井流体被泵送穿过所述钻柱的速率。