CN101328786A - 钻井自动灌浆控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油、天然气、地质、盐业等钻井工程自动灌浆、泥浆液位、硫化氢监控方法和系统装置。由机械结构和监控两部分整体组合，监控部分是以计算机为核心，外围通过接口连接有采集模块、PLC处理单元、流量积算仪和显示屏，其中的采集模块连接有超声波液位传感器、硫化氢检测仪和泥浆密度传感器，PLC处理单元连接有开关信号、超声波液流传感器和立柱传感器，流量积算仪上连接电磁流量计。它能够根据当前工况及时自动的灌注泥浆，及时不断的检测硫化氢、可燃气体的含量、泥浆密度、泥浆总量、泥浆变化量，并提供井涌或井漏发生的图文及声光报警信息和报警记录。为避免井涌、井漏事故的扩大赢得处理时间，为安全生产提供了可靠的保障。

Description

钻井自动灌浆控制方法及控制系统

技术领域：

本发明涉及石油、天然气、地质、盐业等钻井工程自动灌浆、泥浆液位、硫化氢监控方法和系统。

背景技术：

目前，在石油，地质，盐业等行业的钻井过程中，需要配置一定比重的泥浆，通过泥浆泵灌入井底，返出的泥浆把钻出的岩石碎屑带到地面，再返回泥浆灌。在整个钻井作业过程中，始终需要保持泥浆的循环，不断改变泥浆的比重，以平衡地层压力。当井筒内泥浆液位下降时要及时准确的灌注泥浆。所谓及时，即按规定起出立柱数立刻灌入泥浆。所谓准确，即灌入的泥浆液位必须达到一定高度，自动停止灌入泥浆。目前现有技术是主要是采用电气装置控制为主，机械装置为辅。如四川石油管理局资中钻采研究所与成都国营前锋无线电仪器厂共同研制的NY-1型泥浆池液面报警仪。其缺点是，功能单一、适用面窄，可靠性差。尤其是在使用该仪器时起钻灌入泥浆时观察灌入量误差较大。还有一种是机械电子式，如美国马丁-代克(MARTIN-DECKER)(TTS系列)自动灌泥浆控制装置。该装置功能齐全，能监测钻速、钻杆扭矩及起钻时自动灌注泥浆等。其缺点是，需要专人操作，操作人员需经过专门培训，且该装置价格昂贵，每台费用高达几百万元人民币。随着超深井、水平井、大斜度定向井等日趋复杂的钻井技术的不断更新，对井下复杂情况的准确判断，特别是硫化氢、可燃气体、泥浆密度的检测就显得尤为必要。而井下绝大多数复杂情况，都可以通过泥浆的变化显现出来。

发明内容：

因此本发明的目的就是要制造一种价格低廉、功能强大、便于安装和操作，用于钻井工程中自动灌浆、泥浆监测报警、硫化氢及可燃性气体监测报警的钻井自动灌浆控制方法及控制系统。

技术方案包括：

通过设置在泥浆罐上部的超声波液位传感器监测泥浆量，设置在泥浆罐中的泥浆密度检测仪监测泥浆密度参数变化量，设置在井口泥浆回流管道上的硫化氢检测仪、可燃气体检测仪用以监测油井排出硫化氢、可燃气体含量，设置在井口泥浆回流管道上的超声波液流传感器用以监测井底泥浆的返出流量，设置在指重表的液压回路中的立柱传感器用以监测起下钻的立柱数，设置在泥浆泵出口处电磁流量计用以监测当前灌浆量、瞬时流量和累积流量，其中：超声波液位传感器、硫化氢检测仪、可燃气体检测仪和泥浆密度检测仪的模拟信号经过数据采集模块转换数字信号，由串口通讯将信号传送到计算机，再经计算机系统软件处理后进行储存、查询、打印输出，并以曲线或图表的形式显示；超声波液流传感器连同立柱传感器所监测到的液流开关信号，经过PLC处理单元后与计算机实时通讯，通过计算机系统软件自动切换相应的处理程序，实现灌浆泵自动运行，并驱动报警电路；电磁流量计输出的模拟信号通过流量积算仪传送至计算机，经计算机系统软件处理后显示灌浆泵当前灌浆量、瞬时流量和累积流量，并配有数据查询和打印功能。

钻井自动灌浆控制系统，由机械结构和监控两部分整体组合，其中机械结构部分包括灌浆泵、泥浆罐、管道、阀门和指重表的液压回路，监控部分包括计算机、采集模块、PLC处理单元、流量积算仪、显示屏和外围的传感器组件，其特征是：监控部分是以计算机为核心，外围通过接口连接有采集模块、PLC处理单元、流量积算仪和显示屏，其中的采集模块连接有超声波液位传感器、硫化氢检测仪、可燃气体检测仪和泥浆密度传感器，PLC处理单元连接有开关信号、超声波液流传感器和立柱传感器，流量积算仪上连接电磁流量计，超声波液位传感器和泥浆密度传感器设置在泥浆罐上；硫化氢检测仪、可燃气体检测仪和超声波液流传感器分别设置在高架槽的泥浆回流管道上；立柱计数器设置在指重表的液压回路中；电磁流量计设置在灌浆泵出口位置。

本发明的有益效果是：在钻井过程中，能够根据当前工况及时自动的灌注泥浆，做到灌满即停；能及时不断的检测到当前硫化氢、可燃气体的含量、泥浆密度、泥浆总量、泥浆变化量，并提供井涌或井漏发生的图文及声光报警信息和报警记录。为避免井涌、井漏事故的扩大，赢得最佳的处理时间，为安全生产提供了可靠的保障。

附图说明：

附图1是本发明的一种钻井作业施工结构布局简图；图中，1是硫化氢检测仪，2是指重表，3是控制箱，4是流量积算仪，5是钻台LED显示屏，6是计算机，7是PLC处理单元(可编程逻辑控制器)，8是控制柜，9是数据采集模块，10是值班室显示屏，11是超声波液位传感器，12是电磁流量计，13是灌浆泵，14是单向阀，15是超声波液流传感器，16是泥浆罐，17是立柱计数器，18是可燃气体检测仪，19是泥浆密度检测仪。

附图2是监控部分的电路连接方框图；

附图3是计算机程序控制流程图。

具体实施方式：

参照附图1，安装在泥浆罐16上的超声波液位传感器11和泥浆密度检测仪19以及安装在泥浆回流管道上的硫化氢检测仪1、可燃气体检测仪18通过屏蔽信号电缆连接到数据采集模块9，经过数据采集模块转换变成数字信号，并通过485串口通讯将其传送到计算机6，经系统软件的处理后以棒图和曲线的形式显示各个泥浆罐的泥浆量，硫化氢、可燃气体含量、泥浆密度曲线。安装在指重表2液压回路中的立柱计数器17将所检测到的立柱信号传送至PLC处理单元7，PLC根据当前所选择的工况、检测到的立柱数分别启动相应的处理程序自动驱动灌浆泵13灌注泥浆。超声波液流传感器15将所检测到的信号判断是否有泥浆返出传送至PLC处理单元，PLC自动控制灌浆泵13。通过安装在灌浆泵13出口处的电磁流量计12检测当前灌注的泥浆量，并将其信号送至计算机6处理和送至安装在钻台控制箱3中的流量积算仪4显示。根据实际的需要设定起钻灌浆量，各工况泥浆变化量，泥浆密度以及硫化氢和可燃气体含量上下限报警限，当泥浆变化量，灌浆量，硫化氢、可燃气体含量、泥浆密度超过报警上下限时，系统就会报警，听到看到声光报警信号，就说明有井涌或井漏发生。同时，计算机通过485串口通讯将所有的工作参数信息和报警信息传送到显示屏5和10上以图文的形式显示出来。

参照附图2，三个超声波液位传感器和硫化氢检测仪、可燃气体检测仪、泥浆密度传感器的信号通过数据采集模块送入计算机；开关信号和超声波液流信号、立柱传感器的信号通过PLC处理单元送入计算机；电磁流量计通过流量积算仪送入计算机。PLC处理单元根据立柱记数器和超声波液流传感器所检测到的信号，按所选工作方式自动驱动灌浆泵灌注泥浆，并将当前工作状态和有关工作参数传送给计算机；数据采集模块将超声波液位传感器、泥浆密度检测仪和硫化氢及可燃气体检测仪所检测到的电流信号亦传送给计算机，计算机对所有接收到的信号进行识别、分析。

参照附图3，系统软件经过开始和系统初始化后设定工作参数，分别进入选择工作方式和采集硫化氢及可燃气体信号。其中的选择工作方式中一路进入立柱信号、定时器、泵启动、液流信号、泵停止来判断灌浆量是否超限，另一路采集硫化氢及可燃气体信号根据采集信号生成系统数据判断硫化氢和可燃气体是否超限。处理后在计算机显示屏上以棒图和曲线的形式显示出来，并将当前的工作状况及主要工作参数和硫化氢、可燃气体、泥浆密度等参数通过布置在钻台及泥浆值班室中的大屏幕LED显示屏显示出来。当计算机分析所采集的数据经系统软件处理得出井下情况异常的结论后，就会启动相应报警电路报警，并在大屏幕LED显示器上显示出报警信息。此时，用户亦可在工控计算机上查阅当前和历史的信息及报警原因。

需要说明的是：(1)由于泥浆黏度较大，一般接触式液位计误差较大，无法达到测量精度。因此，本发明采用超声波液位传感器(型号LU-20)，准确测量泥浆液位，并将超声波液位传感器所检测到的4-20电流信号输入数据采集模块(厂家：研华科技股份有限公司)，数据采集模块再通过485串口通讯把数据传送至计算机(型号：P610H)运算和处理，在工控计算机显示屏上显示各个泥浆罐内的泥浆量及泥浆总量和泥浆变化量。(2)通过安装在泥浆罐中的泥浆密度检测仪用于实时检测泥浆密度，准确测量泥浆密度，并将泥浆密度检测仪检测到的4-20mA电流信号输入到数据采集模块，数据采集模块再通过485串口通讯把数据传送至工控计算机运算和处理，在工控计算机显示屏上显示泥浆密度曲线。(3)通过安装在高架槽上的超声波液流传感器(型号LU-72)用于检测泥浆是否返出，超声波液流传感器将所检测到的信号送至PLC(型号FX1N-24MR)处理，PLC再通过485串口通讯把该信号送至工控计算机处理。系统软件将所泥浆返出前后所采集到的泥浆总量进行比较得出泥浆变化量。通过设定报警上下限后，根据泥浆的变化量就可以及时判断井涌井漏情况。(4)安装在出口槽管口、振动筛处的硫化氢、可燃气体检测仪(厂家：美国德康)将检测到的4-20mA的电流信号送至数据采集模块据。数据采集模块再通过485串口通讯把数据传送至工控计算机运算、处理和比较，可设定(10ppm，20ppm，100ppm)三级报警，除了可以在工控计算机显示屏上能显示硫化氢、可燃气体含量历史曲线外，还可通过485串口通讯将所检测到的硫化氢、可燃气体数据传送到LED显示屏显示。(5)将立柱计数器(产地：美国)安装在指重表的液压回路中，检测起、下钻的立柱数，立柱计数器将所检测到的开关量信号送至PLC，PLC根据当前所选择的工况启动灌浆泵灌注泥浆，通过安装在泵出口位置的电磁流量计(厂家：北京万群自动化控制设备有限公司)检测当前灌浆量的多少，电磁流量计将灌浆泵的瞬时流量和累积流量通过485串口通讯送至安装在司钻操作箱上的流量积算仪(厂家：北京万群自动化控制设备有限公司)上显示，及送至工控计算机运算和处理，根据当前灌浆量的增加或者减少来判断井下情况。最后通过系统软件(MCGS组态软件)，工控计算机将所有的报警信息，数据采集结果以报表的形式存盘，查询，浏览及打印。

Claims (2)

1、一种钻井自动灌浆控制方法，其特征是：通过设置在泥浆罐上部的超声波液位传感器监测泥浆量，设置在泥浆罐中的泥浆密度检测仪监测泥浆密度参数变化量，设置在井口泥浆回流管道上的硫化氢检测仪、可燃气体检测仪用以监测油井排出硫化氢、可燃气体含量，设置在井口泥浆回流管道上的超声波液流传感器用以监测井底泥浆的返出流量，设置在指重表的液压回路中的立柱传感器用以监测起下钻的立柱数，设置在泥浆泵出口处电磁流量计用以监测当前灌浆量、瞬时流量和累积流量，其中：超声波液位传感器、硫化氢检测仪、可燃气体检测仪和泥浆密度检测仪的模拟信号经过数据采集模块转换数字信号，由串口通讯将信号传送到计算机，再经计算机系统软件处理后进行储存、查询、打印输出，并以曲线或图表的形式显示；超声波液流传感器连同立柱传感器所监测到的液流开关信号，经过PLC处理单元后与计算机实时通讯，通过计算机系统软件自动切换相应的处理程序，实现灌浆泵自动运行，并驱动报警电路；电磁流量计输出的模拟信号通过流量积算仪传送至计算机，经计算机系统软件处理后显示灌浆泵当前灌浆量、瞬时流量和累积流量，并配有数据查询和打印功能。

2、一种钻井自动灌浆控制系统，由机械结构和监控两部分整体组合，其中机械结构部分包括灌浆泵、泥浆罐、管道、阀门和指重表的液压回路，监控部分包括计算机、采集模块、PLC处理单元、流量积算仪、显示屏和外围的传感器组件，其特征是：监控部分是以计算机为核心，外围通过接口连接有采集模块、PLC处理单元、流量积算仪和显示屏，其中的采集模块连接有超声波液位传感器、硫化氢检测仪、可燃气体检测仪和泥浆密度传感器，PLC处理单元连接有开关信号、超声波液流传感器和立柱传感器，流量积算仪上连接电磁流量计，超声波液位传感器和泥浆密度传感器设置在泥浆罐上；硫化氢检测仪、可燃气体检测仪和超声波液流传感器分别设置在高架槽的泥浆回流管道上；立柱计数器设置在指重表的液压回路中；电磁流量计设置在灌浆泵出口位置。

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