一种海域天然气水合物开路循环钻井中井筒压力的主动控制方法及控制装置

1.一种海域天然气水合物开路循环钻井中井筒压力的主动控制方法，包括步骤如下：(1)钻井参数优化设计：根据所钻天然气水合物藏的资料，通过计算设计钻井时钻井液排量、井口泵压、钻井液的注入温度；(2)开路循环钻进：按照步骤(1)所设计的钻井参数进行开路循环钻井，以海水作钻井液注入钻杆，携带井底岩屑经由钻杆和套管间的环空排出海底井口；(3)钻井实时监测：采用随钻测量工具APWD实时监测井底温度和井底压力，实时校正井筒环空温度及井筒环空压力计算模型，判断环空内是否发生水合物分解，并反推井底是否发生浅层气侵入，为后期井筒压力智能主动控制提供基础；钻井过程中井筒环空温度T a 的计算模型如下式所示：式(15)中：A p 是钻杆内横截面面积,m 2 ；ρ m 为钻杆内钻井液的密度，kg/m 3 ；v a 为环空内钻井液的流速,m/s；c m 为钻杆内钻井液的比热容,J/(kg.K)；T a 是井筒环空温度,K；s是流动方向上任一点距井底的距离,m；m a 是环空内钻井液的质量流量,kg/s；t是时间，s；r a 是环空半径,m；U a 是环空内总的传热系数,W/(m 2 .K)；A a 是环空横截面面积,m 2 ；T en 是地层的温度,K；r p 是钻杆半径,m；U p 是钻杆内总的传热系数,W/(m 2 .K)；T p 是钻杆内的钻井液温度,K；温度模型的校正步骤为：通过对比公式(15)理论计算得到的井筒环空温度和随钻测量工具测得的井底温度T bh ，校正公式(15)中的环空内总的传热系数(U a )和钻杆内总的传热系数(U p )，使理论计算得到的井筒环空温度T a 和随钻测量工具测得的井底温度T bh 一致，以此使得井筒环空温度T a 的温度模型计算得到的温度场分布更加准确，从而通过比较井筒环空温度T a 与天然气水合物相平衡温度T e 的关系，判断井筒环空中的水合物是否发生分解；钻井过程中一定井深位置处的井筒环空压力P a 的计算模型如下式所示：式(16)中，s是流动方向上任一点距井底的距离,m；ρ ca 为环空中钻井液的密度，kg/m 3 ；v a 为环空中钻井液的流速，m/s；g为重力加速度，m/s 2 ；θ为井斜角，°；f为环空摩阻系数，无因次；D为环空当量直径，m；压力模型校正步骤为：通过对比公式(16)理论计算得到的井底压力P a 和APWD监测到的井底压力P bh ，校正公式(16)中的环空摩阻系数f，使理论计算得到的井底压力P a 和APWD监测到的井底压力P bh 一致，以此使得井筒环空压力模型计算得到的温压力分布更加准确；(4)智能主动控制：根据电脑终端对APWD监测到的信号波动的实时处理结果，若环空内发生水合物分解或井底发生浅层气侵入，则自动实时控制调节压井时钻井液的混配密度、钻井液的注入排量、钻井液的注入温度及井口泵压，按照上述压井参数，经由钻杆内向井底注入钻井液；若环空内未发生水合物分解且井底未发生浅层气侵入，则按照步骤(1)设定钻井参数，继续钻进，直至钻井完成。 2.根据权利要求1所述的海域天然气水合物开路循环钻井中井筒压力的主动控制方法，其特征在于，步骤(1)中钻井时钻井液排量满足下述关系式：Q min <Q<Q max (1)式(1)中：Q min 为理论最小排量,m 3 /min；Q max 为理论最大排量,m 3 /min；Q为钻井时钻井液排量；其中，理论最小排量Q min 满足下述关系式：Q min ＝max(Q p ,Q x ,Q q ) (2)式(2)中：Q p 为破岩最小排量,m 3 /min；Q x 为携岩最小排量,m 3 /min；Q q 为防止浅层气侵入的最小排量,m 3 /min；破岩最小排量Q p 满足下述关系式：式(3)中：k f 为钻头喷嘴流量系数，取值为0.95～0.97；d ne 为钻头喷嘴当量直径，m；S u 为土体的抗剪强度，Pa；k为射流半宽度系数；x为射流冲击流程，m；λ为射流力降低系数；ρ m 为钻杆内钻井液的密度，kg/m 3 ；R 0 为钻头喷嘴半径，m；携岩最小排量Q x 满足下述关系式：式(4)中：d w 为井眼内径，m；d po 为钻杆外径，m；v a 为环空内钻井液的流速，m/s；防止浅层气侵入的最小排量Q q 满足以下关系式：式(5)中：d为过流断面直径，m；P r 为水合物储层压力，Pa；P wh 为海水静液压力，Pa；ρ sw 为海水密度，kg/m 3 ；g为重力加速度，m/s 2 ；h为泥线距井底深度，m；f为环空摩阻系数，无因次；L为钻井液流程,m；理论最大排量Q max 满足下述关系式：Q max ＝min(Q s ,Q m ) (6)式(6)中：Q s 为钻井设备允许的最大排量,m 3 /min；Q m 为水合物储层安全窗口允许的最大排量,m 3 /min；水合物储层安全窗口允许的最大钻井液排量Q m 计算如下：式(7)中：P c 为井底破裂压力和漏失压力中的最小值，Pa；d为过流断面直径，m；P wh 为海水静液压力，Pa；ρ sw 为海水密度，kg/m 3 ；g为重力加速度，m/s 2 ；h为泥线距井底深度，m；f为环空摩阻系数，无因次；L为钻井液流程,m；其中，P c 满足下述关系式：P c ＝min(P p ,P L ) (8)式(8)中：P p 为井底破裂压力，Pa；P L 为井底漏失压力，Pa。 3.根据权利要求1所述的海域天然气水合物开路循环钻井中井筒压力的主动控制方法，其特征在于，步骤(1)中，钻井时的井口泵压满足下述关系式：P b ＝ΔP z +ΔP p +ΔP a (9)式(9)中：P b 为钻井时的井口泵压，Pa；ΔP z 为钻头压降，Pa；ΔP p 为钻杆压耗，Pa；ΔP a 为环空压耗，Pa；钻井时钻井液的注入温度为钻杆入口处钻井液的温度，钻杆内钻井液的温度通过下述关系式计算得到：式(10)中，A p 是钻杆内横截面面积,m 2 ；ρ m 为钻杆内钻井液的密度，kg/m 3 ；v p 为钻杆内钻井液的流速,m/s；c m 为钻杆内钻井液的比热容,J/(kg.K)；s是流动方向上任一点距井底的距离,m；m p 是钻杆内钻井液的质量流量,kg/s；t是时间，s；r p 是钻杆半径,m；U p 是钻杆内总的传热系数,W/(m 2 .K)；A a 是环空横截面面积,m 2 ；T a 是井筒环空温度,K；T p 是钻杆内钻井液的温度,K；其中，钻井过程中井筒环空温度T a 满足下述关系式：式(11)中：A p 是钻杆内横截面面积,m 2 ；ρ m 为钻杆内钻井液的密度，kg/m 3 ；v a 为环空内钻井液的流速,m/s；c m 为钻杆内钻井液的比热容,J/(kg.K)；T a 是井筒环空温度,K；s是流动方向上任一点距井底的距离,m；m a 是环空内钻井液的质量流量,kg/s；t是时间，s；r a 是环空半径,m；U a 是环空内总的传热系数,W/(m 2 .K)；A a 是环空横截面面积,m 2 ；T en 是水合物地层的温度,K；r p 是钻杆半径,m；U p 是钻杆内总的传热系数,W/(m 2 .K)；T p 是钻杆内钻井液的温度,K。 4.根据权利要求3所述的海域天然气水合物开路循环钻井中井筒压力的主动控制方法，其特征在于，钻井过程中，所述井筒环空温度T a 需要满足下列条件：T a <T e (12)式(12)中：T a 是井筒环空温度,K；T e 是天然气水合物相平衡温度,K；其中，天然气水合物相平衡温度T e 满足下述关系式：式(13)中，P a 为一定井深位置处的环空压力，Pa；钻井过程中一定井深位置处的井筒环空压力P a 的计算如下：式(14)中，s是流动方向上任一点距井底的距离,m；ρ ca 为环空中钻井液的密度，kg/m 3 ；v a 为环空中钻井液的流速，m/s；g为重力加速度，m/s 2 ；θ为井斜角，°；f为环空摩阻系数，无因次；D为环空当量直径，m。 5.根据权利要求1所述的海域天然气水合物开路循环钻井中井筒压力的主动控制方法，其特征在于，步骤(3)中井底发生水合物分解的判断条件为：式(17)中，T bh 为随钻测量工具APWD测量的井底温度，K；P bh 为随钻测量工具APWD测量的井底压力，Pa；井底发生浅层气侵入的判断条件为随钻测量工具APWD测量的井底温度升高幅度不低于0.1℃且井底压力降低幅度不低于0.1MPa。 6.根据权利要求1所述的海域天然气水合物开路循环钻井中井筒压力的主动控制方法，其特征在于，步骤(4)中压井时钻井液的混配密度满足下述关系式：式(18)中，P r 为水合物储层压力，Pa；ρ sw 为海水密度，kg/m 3 ；g为重力加速度，m/s 2 ；h sw 为海底泥线处水深，m；h为泥线距井底深度，m；ρ l 为压井时的钻井液的混配密度，kg/m 3 ；P p 为井底破裂压力，Pa；压井时钻井液排量计算方法为：式(19)中，d为过流断面直径，m；P r 为水合物储层压力，Pa；P wh 为海水静液压力，Pa；ρ l 为压井时钻井液的混配密度，kg/m 3 ；g为重力加速度，m/s 2 ；h为泥线距井底深度，m；f为环空摩阻系数，无因次；L为钻井液流程,m；Q y 为压井时钻井液的排量，m 3 /min；Q s 为钻井设备允许的最大排量,m 3 /min；P c 为井底破裂压力和漏失压力中的最小值，Pa。 7.根据权利要求1所述的海域天然气水合物开路循环钻井中井筒压力的主动控制方法，其特征在于，步骤(4)中压井时的井口泵压满足下述关系式：P b2 ＝ΔP z +ΔP p +ΔP a +(ρ sw -ρ l )gh sw ×10 -6 (20)式(20)中，P b2 为压井时的井口泵压，Pa；ΔP z 为钻头压降，Pa；ΔP p 为钻杆压耗，Pa；ΔP a 为环空压耗，Pa；ρ sw 为海水密度，kg/m 3 ；ρ l 为压井时钻井液的混配密度，kg/m 3 ；g为重力加速度，m/s 2 ；h sw 为海底泥线处水深，m；压井时钻井液的注入温度为钻杆入口处钻井液的温度，钻杆内钻井液的温度通过下述关系式计算得到：式(21)中，A p 是钻杆内横截面面积,m 2 ；ρ m 为钻杆内钻井液的密度，kg/m 3 ；v p 为钻杆内钻井液的流速,m/s；c m 为钻杆内钻井液的比热容,J/(kg.K)；s是流动方向上任一点距井底的距离,m；m p 是钻杆内钻井液的质量流量,kg/s；t是时间，s；r p 是钻杆半径,m；U p 是钻杆内总的传热系数,W/(m 2 .K)；A a 是环空横截面面积,m 2 ；T a 是井筒环空温度,K；T p 是钻杆内钻井液的温度,K。