CN101694152B - 多级精细节流管汇及自动控制系统 - Google Patents

多级精细节流管汇及自动控制系统 Download PDF

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Abstract

一种多级精细节流管汇及自动控制系统，属于油气石油勘探技术精细自动控制领域。针对精细控制井口压力要求，采用多个平板阀和节流阀并联，组成节流管汇系统。通过自动控制系统，开启和关闭不同平板阀和连续调节节流阀开度实现不同压力等级下微量调节井口回压的目的。自动控制系统可以实现阀件开启和关闭及开度调节过程中的无扰切换，使井口回压调节过程快速、平稳，保证精细控压钻井的施工安全顺利进行。

Description

多级精细节流管汇及自动控制系统
技术领域
本发明涉及油气勘探开发自动控制，特别涉及油气井钻井节流压力精细自动控制系统。
背景技术
在油气勘探开发工程中，随着油气勘探领域的拓宽和技术的进步，油气钻井过程中对井口回压的控制技术的要求有了极大的提高。一方面，采用近平衡或欠平衡钻井方式，以更好地保护油气层，有效地减少钻井液对油气层的损害、减少或克服压差对钻速的影响，有效地降低油气井开发综合成本，大幅度提高机械钻速并提高油气井钻探的成功率；另一方面，当对泥浆密度窗口非常窄甚至接近于零的地层进行钻井时，就必须要求在钻井全过程中维持井筒环空当量密度恒定，以保证钻井施工顺利进行。这样就必须保证在钻井过程中，无论是正钻进，还是接单根、起下钻等过程中，都能够及时调整井口回压平稳快速达到施工要求，并维持稳定。
然而，目前使用的压井节流管汇系统都是采用多个阀件串联的结构形式。这种结构形式在进行节流控制时，必须要求钻井液返出时的流量全部通过各个阀件，并且通过控制节流阀开度来控制节流压力的大小。但是，由于节流阀在相对开度范围(0~100％)内调节精度和调节强度呈严重的非线性，线性调节区域非常窄，在大流量条件下，节流阀的调节精度控制难度大，并且大流量对节流阀的冲蚀比较严重，容易出现节流阀失效的情况。
发明内容
本发明的目的是提供一种节流控制系统，其在控压钻井过程中，能够使井口回压在不同压力控制等级范围内精确调节，并且能够对不同压力等级间进行无扰动切换，从而在钻井全过程各种施工工况下，保证井筒环空中钻井液当量密度恒定，使得进行压力窄窗口地层条件下安全钻井成为可能。
为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种多级精细节流管汇及自动控制系统，其包括一套地面节流管汇系统和自动控制系统，其中三个平板阀和一个节流阀并联连接，组成节流管汇系统。所述多级精细节流管汇及自动控制系统中设有用于测量节流管汇入口压力的压力传感器、用于测量节流阀开度的位移传感器、用于测量节流阀的出口流量的流量计、用于测量各个平板阀的开关状态的传感器，还设有将各路信号进行滤波放大及A/D转换的装置、将滤波放大及A/D转换后的信号送入控制柜和工程师站的装置、对数据进行存储和数据显示的装置，以及自动控制装置，该自动控制装置根据管路和回压泵当前工作状态，计算并发出控制指令，依据各级节流控制流程步骤对平板阀的开关和节流阀的开度进行动作和速度操作，从而实现井口节流回压。
优选的是，所述对数据进行存储和显示的装置采用标准的工业用控制计算机，通过数据总线与控制器相联，上位机中编制有完善的计算机监控界面，所有参数可以在上位机中进行显示，操作人员可以通过监控界面对整个控压钻井装置进行控制。
优选的是，所述自动控制装置采用标准的控制机柜，内部安装有控制器模块、总线模块、I/O模块、继电器、安全栅、隔离栅、接线端子排等电气元件，主要用来实现控制系统中的配电设置，信号的输入、输出、隔离等功能。
在本系统操作中，根据不同的压力控制级别和精度要求，系统做出判断，选择与具体的压力控制等级对应的各平板阀的开关状态，之后再对应于具体的节流流动通道控制节流阀的开度大小来精确调整井口回压的需求值，其结果能大大提高井口回压控制精度。
本系统操作中，在每一级节流压力控制中，都可以实现精细调节，从而避免了以往节流管汇系统中精细调节的最优调节段较窄的弊端，井口回压的控制范围得到极大的改善。
本系统能够通过自动控制，实现各级节流操作过程的无扰动自动切换功能，保证节流控制压力安全平稳地过渡到各个控制级别范围内。
附图说明
图1为按照本发明的多级精细节流管汇系统的一最佳实施例的设计图，其中图1A为主视图、图1B为侧视图、图1C为俯视图。
图2为按照本发明的多级精细节流管汇系统自动控制系统的一最佳实施例的示意图。
图3为按照本发明的多级精细节流管汇系统及自动控制系统中的各压力等级的流动通道的一实施例的示意图。
图4为按照本发明的多级精细节流管汇系统及自动控制系统中的各压力调节区间的一实施例的说明图。
图5为按照本发明的多级精细节流管汇系统及自动控制系统的一实施例中的数据采集和自动控制流程图。
具体实施方式
图1示出了本发明的多级精细节流管汇及自动控制系统中的一最佳实施例中的地面多级精细节流管汇系统。其中1为从井口返出的钻井液出口闸阀；2为节流管汇入口处闸阀；3为节流管汇出口的闸阀；4、5、6为并联节流管汇系统的用于进行不同压力等级调节的三个平板阀；J是用于不同压力等级条件下进行精细调节的节流阀；7为放喷管线的闸阀；8为放喷管线的出口闸阀。
参照图2示出本发明的多级精细节流管汇及自动控制系统中的自动控制系统的一最佳实施例。该系统为三层递阶控制结构，由下至上分为底层测控装置-中层控制器-上层计算机控制。
参照图3、图4，在压力控制等级操作中具体实现逐级节流操作步骤为：
第一控制压力等级：点
Figure G2009102074051D00041
是节流管汇压降调节的下限ΔP，节流回压是P0+ΔP；
第二控制压力等级：由点
Figure G2009102074051D00042
逐渐关闭节流阀，可以使节流管汇节流压降上升到点
Figure G2009102074051D00043
，此时节流压降可以达到2ΔP；这一阶段压降的调节大小是ΔP，但是节流产生的回压却由P0+ΔP增至P0+2ΔP；
第三控制压力等级：由点
Figure G2009102074051D00044
逐渐关闭节流阀，可以使节流管汇节流压降上升到点，此时节流压降可以达到3ΔP；这一阶段压降的调节大小是ΔP，但是节流产生的回压却由P0+2ΔP增至P0+3ΔP；
第四控制压力等级：由点
Figure G2009102074051D00046
逐渐关闭节流阀，可以使节流管汇节流压降上升到点
Figure G2009102074051D00047
，此时节流压降可以达到4ΔP；这一阶段压降的调节大小是ΔP，但是节流产生的回压却由P0+3ΔP增至P0+4ΔP；
第五控制压力等级：由点
Figure G2009102074051D00048
逐渐关闭节流阀，可以使节流管汇节流压降上升到点
Figure G2009102074051D00049
关井套压。
从图3可以直观了解到，定义P0为节流管汇下游出口的真实压力。
分析可知，目前是将点
Figure G2009102074051D000410
作为节流的下限，同时还以此为依据作为逐级增压的一个台阶ΔP＝ΔPJ456。
图5示出按照本发明所述的多级精细节流管汇及自动控制系统的最佳实施例中的数据采集和自动控制流程。

Claims (5)

1.一种自动控制多级精细节流管汇系统，包括一套地面节流管汇和自动控制系统，其特征在于：节流管汇具有并联连接的第一平板阀(4)、第二平板阀(5)、第三平板阀(6)和节流阀(J)，所述系统带有测量节流管汇入口压力的压力传感器、测量节流阀开度的位移传感器、测量节流阀(J)出口流量的流量计、测量各个平板阀的开关状态的传感器、将各路信号进行滤波放大的装置及A/D转换装置、然后将信号送入控制柜和工程师站的装置、对数据进行存储和显示的装置、以及自动控制装置，该自动控制装置用于同时根据管路和回压泵的当前工作状态，计算并发出控制指令，依据各级节流控制流程步骤对平板阀的开关和节流阀的开度进行动作和速度操作。
2.如权利要求1的自动控制多级精细节流管汇系统，其特征在于：所述对数据进行存储和显示装置采用标准的工业用控制计算机，通过数据总线与控制器相联，上位机中编制有完善的计算机监控界面，所有的参数在上位机中进行显示，以使操作人员通过监控界面对整个控压钻井装置进行控制。
3.如权利要求1或2的自动控制多级精细节流管汇系统，其特征在于：所述自动控制装置采用标准的控制机柜，内部安装有控制器模块、总线模块、I/O模块、继电器、安全栅、隔离栅、接线端子排。
4.通过权利要求1-3中任一项的系统实现的压力控制等级操作中具体实现逐级节流操作的方法，包括如下步骤：
第一控制压力等级：点
Figure FSB00000895590000011
是节流管汇压降调节的下限ΔP，节流回压是P0+ΔP；
第二控制压力等级：由点
Figure FSB00000895590000012
逐渐关闭节流阀，使节流管汇节流压降上升到点此时节流压降可以达到2ΔP；这一阶段压降的调节大小是ΔP，节流产生的回压由P0+ΔP增至P0+2ΔP；
第三控制压力等级：由点
Figure FSB00000895590000014
逐渐关闭节流阀，使节流管汇节流压降上升到点
Figure FSB00000895590000015
此时节流压降可以达到3ΔP；这一阶段压降的调节大小是ΔP，节流产生的回压由P0+2ΔP增至P0+3ΔP；
第四控制压力等级：由点
Figure FSB00000895590000016
逐渐关闭节流阀，使节流管汇节流压降上升到点
Figure FSB00000895590000017
此时节流压降可以达到4ΔP；这一阶段压降的调节大小是ΔP，节流产生的回压由P0+3ΔP增至P0+4ΔP；
第五控制压力等级：由点
Figure FSB00000895590000018
逐渐关闭节流阀，使节流管汇节流压降上升到点
Figure FSB00000895590000021
关井套压。
5.如权利要求4的方法，其特征在于：P0设为节流管汇下游出口的真实压力。
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