CN101737018B

CN101737018B - 欠平衡钻井井底压力实时监控方法及装置

Info

Publication number: CN101737018B
Application number: CN 200810184834
Authority: CN
Inventors: 周强; 陈若铭; 宋朝晖; 罗维; 唐亮; 宁世品
Original assignee: Karamay Drilling Technology Institute of CNPC Western Drilling Engineering Co Ltd
Current assignee: Karamay Drilling Technology Institute of CNPC Western Drilling Engineering Co Ltd
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: CN101737018A

Abstract

本发明涉及石油钻井用的欠平衡钻井井底压力实时监控方法及装置，实施方法包括井底压力数据采集传输、地面数据采集、现场数据处理、井底压力控制步骤；其装置由安装在钻柱底部的钻铤与单流阀之间的井底压力采集单元、地面数据采集单元、现场数据处理单元、井底压力控制单元、执行单元及CAN_BUS总线单元组成；通过对比井底实测压力值与预设计压力值的偏差，若偏差超出范围，则调节液动节流阀的开关程度，实现对井底压力的监控；本发明采用井底实时采集井底压力数据，传输至地面实时控制地面设备，从而有效避免了模型计算与井底实际压力数据的误差及滞后而造成的对欠压值控制精度的影响。

Description

欠平衡钻井井底压力实时监控方法及装置

技术领域

本发明涉及油气田钻井作业工具，特别是欠平衡钻井井底压力实时监控装置及方法。

背景技术

近年来，随着低压、低渗地层、深层及复杂地区油气藏勘探、开发工作量的增加，由于投入大、钻井作业周期长，如何提高油气产出、尽早回收钻井成本是上述复杂油田经济勘探开发要考虑的重点问题，而欠平衡钻井利于储层保护、能够提高钻速等方面的技术优势，逐渐受到国内外各大油田公司决策者们的重视，得益于上述市场的需求以及欠平衡钻井本身工艺技术的不断发展和完善，目前国内已形成应用欠平衡钻井的热潮。

而在液相欠平衡钻井中欠压差值对于井底欠平衡状态控制至关重要，欠压值是指井底压力与井底地层孔隙压力之差值，如果欠压值过大，地面设备控制和处理困难，并可能导致地层坍塌、出砂，破坏地层渗透网的连通，导致地层渗透率严重下降。因此，如何准确控制欠平衡钻进过程中井底压力保持在设计范围内以确保欠平衡钻井作业的安全性和可靠性，是欠平衡技术服务人员首先要考虑的问题。

目前，在欠平衡钻井现场作业中多采用理论模型与现场实测井口立压、套压相结合，通过软件计算得出井底压力，然后控制(自动控制或手动控制)地面设备，调整井口套压，从而控制井底欠压值保持在设计范围内。这些方法可在一定程度上控制欠压值，但受多相流流型多样性的影响，导致理论计算不精确，某些参数的微小变化常常造成欠平衡钻井状态的消失，导致井底实际上并没有达到欠平衡状态，从而影响欠平衡钻井作业质量以及作业安全。

发明内容

本发明提供的欠平衡钻井井底压力的方法及装置能够将井底压力数据实时传输至地面，并利用获取的真实井底压力数据进行控制，确保井底欠压值控制在合理范围内。

为实现上述目的，本发明提供的欠平衡钻井井底压力实时监控方法主要包括井底数据采集传输、地面数据采集、现场数据处理、井底压力控制四个步骤，具体如下：

a.井底数据采集传输步骤：由安装在钻柱底部的井底数据采集装置中的传感器模块实时采集井底实时动态数据，再将信号传送至A/D模块转换成数字信号，发送给脉冲控制器进行编码，通过脉冲发生器以脉冲信号方式将数据上传至地面数据采集单元；

b.地面数据采集步骤：散布于井场的传感器采集的实时动态数据以及井底上传的脉冲信号，经CAN_BUS总线单元收集传输至地面数据采集单元，由计算机进行初步处理，再传送至现场数据处理单元；

c.现场数据处理步骤：现场数据处理单元接收地面采集单元传来的实时动态数据，并对井底上传的脉冲信号进行解码，还原为井底实时动态数据，然后将所采集的数据进行存储、显示；再实时进行井底压力值计算、分析、判断井底压力状态，如超出预设值范围则向井底压力控制单元发出调整节流阀开度的指令；

d.井底压力控制步骤：根据井底压力控制单元发出的指令，进行D/A转换，经驱动放大器放大后，输出控制信号给执行单元，调节节流阀开度，控制井口套压，在等待一个压力传播周期后根据变化了的实时井底压力，重复上述步骤进行新一轮计算、分析、判断井底压力状态，直至达到预设值范围内。

井底数据采集装置中的传感器模块实时采集井底压力、温度数据。地面数据采集单元散布于井场的地面传感器包括脉冲压力传感器、套管压力传感器、开度传感器、流量传感器、气量传感器、密度传感器，由节流管汇上的套管压力传感器获取井口套压，开度传感器监测液压节流阀的开度，位于立管上的流量传感器获取入口液量，液气分离器入口管线上的流量传感器、密度传感器分别获取出口液量和流体密度，燃烧管线上的气量传感器监测出口气量。

为确保上述方法的实现，欠平衡钻井井底压力实时监控装置主要由井底数据采集装置、地面数据采集单元、现场数据处理单元、井底压力控制单元、执行单元及CAN_BUS(Control Area Network-BUS的简称，即控制局域网总线技术)总线单元组成；井底数据采集装置由安装在钻柱底部的传感器模块、A/D模块、脉冲控制器、电池筒及脉冲发生器组成，传感器模块接收井底实时数据，由A/D模块转换成数字信号，发送至脉冲控制器进行编码，由脉冲发生器以脉冲信号方式上传至地面，电池筒为井底数据采集装置提供电能；地面数据采集单元由散布于井场的传感器、泥浆管线至立管入口处的脉冲压力传感器、CAN-BUS总线以及计算机组成，传感器系统采集地面钻井作业系统的实时动态数据，脉冲传感器负责接收井底传输上来的脉冲信号，经CAN_BUS总线将上述两部分信号传输给计算机进行初级处理；现场数据处理单元由计算机和处理软件模块组成，处理软件模块接收地面数据采集单元提供的实时动态数据，并将井底传输上来的脉冲信号进行解码；由计算机实时进行井底压力值分析，判断井底压力状态，如超出预设值范围则向井底压力控制单元发出调整节流阀开度的指令；井底压力控制单元由控制软件模块、D/A转换模块、驱动放大器组成，根据现场数据处理单元发出的指令，进行D/A转换，再经驱动放大器将信号放大，发送给控制软件模块输出控制信号给执行单元；执行单元由节流阀、开度传感器、步进电机和手动/自动切换装置组成，步进电机接收到井底压力控制单元发出的信号，控制节流阀开度，或者由手动/自动切换装置切换至采用手动，人工干预节流阀的开度；CAN_BUS总线单元由CAN站、CAN线和CAN转换网关总线系统组成，并通过数据线与脉冲传感器、执行单元和井底压力控制单元、地面数据采集单元连接，传递信号和数据。散布井场的传感器包括安装在泥浆管线至立管入口处的脉冲压力传感器、安装在节流管汇的套管压力传感器、开度传感器、立管上的流量传感器、燃气管线上的气量传感器、液气分离器入口管线上的流量传感器和密度传感器。

本发明涉及的井底传感器单元已由西部钻探克拉玛依钻井工艺研究院申请的专利(实用新型名称：一种井底数据采集传输装置，申请号：2008200063778)中已经批露，属于现有技术。

本发明的有益效果：采用井底压力数据的动态采集，实时传输至地面，及时控制地面设备，从而有效避免了模型计算与井底实际压力数据的误差及滞后而造成的对欠压值控制精度的影响。

附图说明

图1本发明结构示意图；

图2本发明监控流程示意图。

具体实施方案

下面结合附图作进一步说明。

欠平衡钻井井底压力实时监控装置如附图1中所示由井底数据采集装置1、地面数据采集单元5、井底压力控制单元9、执行单元7及CAN_BUS总线单元4组成；井底数据采集单元由安装在钻柱底部的传感器模块、A/D模块、脉冲控制器、电池筒及脉冲发生器组成，传感器模块接收井底动态数据，传感器模块采集井底压力、温度等数据，由A/D模块转换成数字信号，发送至脉冲控制器进行编码，由脉冲发生器以脉冲信号方式上传至地面，电池筒为井底数据采集单元提供电能；地面数据采集单元由散布于井场钻井作业系统的传感器系统、立管2泥浆管线至立管入口处的脉冲压力传感器3以及计算机组成，地面散布的传感器系统包括安装在泥浆管线至立管入口处的脉冲压力传感器、安装在节流管汇6的套管压力传感器8、液动节流阀上的开度传感器、立管上的流量传感器、燃气管线上的气量传感器、液气分离器入口管线上的流量传感器和密度传感器，传感器系统采集地面钻井作业系统的实时数据，发送给数据接收模块，数据接收模块还负责接收传输上来的脉冲信号，并将上述两部分信号发送给计算机进行初级处理；现场数据处理单元由计算机和处理软件模块组成，处理软件模块接收地面数据采集单元提供的实时动态数据，并将井底传输上来的脉冲信号进行解码；由计算机实时进行井底压力值分析，得出实测井底压力值与预设计压力值的偏差，并判断偏差是否超出范围，如超出预设值范围则向井底压力控制单元发出调整节流阀开度的指令；井底压力控制单元由控制软件模块、D/A转换模块、驱动放大器组成，根据现场数据处理单元发出的指令，进行D/A转换，再经驱动放大器将信号放大，发送给控制软件模块输出控制信号给执行单元；执行单元由节流阀、开度传感器、控制阀和手动/自动切换装置组成，控制阀接收到井底压力控制单元发出的信号，控制液动节流阀开度，或者由手动/自动切换装置切换至手动工作方式，人工干预节流阀的开度，节流阀的开、关程度直接影响井口套压的变化，并作用在井底，使井底压力产生相应变化；CAN_BUS总线单元由CAN站、CAN线和CAN转换网关总线系统组成，CAN_BUS总线单元将脉冲压力传感器3接收的数据、套管压力传感器8以及地面其它传感器采集的数据传输至地面数据采集单元5，并将井底压力控制单元9发出的控制命令传输到执行单元7。

Claims

1.欠平衡钻井井底压力实时监控方法，主要包括井底数据采集传输、地面数据采集、现场数据处理、井底压力控制四个步骤，具体如下：

a.井底数据采集传输步骤：由安装在钻柱底部的井底数据采集装置中的传感器模块实时采集井底动态数据，再将信号传送至A/D模块转换成数字信号，发送给脉冲控制器进行编码，通过脉冲发生器将数据以脉冲信号上传至地面数据采集单元；

b.地面数据采集步骤：散布于井场的传感器采集的实时动态数据以及井底上传的脉冲信号，由CAN-BUS总线单元收集并传输至地面数据采集单元，经计算机进行初步处理，再传送至现场数据处理单元；

c.现场数据处理步骤：现场数据处理单元接收地面数据采集单元传来的实时动态数据，并对井底上传的脉冲信号进行解码，还原为井底实时动态数据，然后将所采集的数据进行存储、显示；再实时进行井底压力值分析，判断井底压力状态，如超出预设值范围则向井底压力控制单元发出调整节流阀开度的指令；

d.井底压力控制步骤：根据现场数据处理单元发出的指令，进行D/A转换，经驱动放大器放大后，输出控制信号给执行单元，调节节流阀开度，控制井口套压，在等待一个压力传播周期后根据变化了的实时井底压力，重复上述步骤进行新一轮分析、判断井底压力状态，直至达到预设值范围内。

2.根据权利要求1所述的欠平衡钻井井底压力实时监控方法，其井底数据采集装置中的传感器模块实时采集井底压力、温度数据，实时传输。

3.根据权利要求1所述的欠平衡钻井井底压力实时监控方法，地面数据采集单元散布于井场的传感器包括脉冲压力传感器、套管压力传感器、开度传感器、流量传感器、气量传感器、密度传感器，由节流管汇上的套管压力传感器获取井口套压，开度传感器监测液压节流阀的开度，位于立管上的流量传感器获取入口液量，液气分离器入口管线上的流量传感器、密度传感器分别获取出口液量和流体密度，燃烧管线上的气量传感器监测出口气量。

4.为实现权利要求1所述方法的欠平衡钻井井底压力实时监控装置，主要由井底数据采集装置、地面数据采集单元、现场数据处理单元、井底压力控制单元、执行单元及CAN_BUS总线单元组成，其特征在于：

a.井底数据采集单元由安装在钻柱底部的传感器模块、A/D模块、脉冲控制器、电池筒及脉冲发生器组成，传感器模块接收井底实时动态数据，由A/D模块转换成数字信号，发送至脉冲控制器进行编码，由脉冲发生器以脉冲信号方式上传至地面，电池筒为井底数据采集装置提供电能；

b.地面数据采集单元由散布于井场的传感器、泥浆管线至立管入口处的脉冲传感器以及计算机组成，散布于井场的传感器采集地面钻井作业系统的实时动态数据，脉冲传感器负责接收由井底传输上来的脉冲信号，上述两部分信号经CAN_BUS总线单元发送给计算机进行初级处理；

c.CAN_BUS总线单元由CAN站、CAN线和CAN转换网关总线系统组成，收集散布于井场的传感器测量数据并传输至地面数据采集单元；

d.现场数据处理单元由计算机和处理软件模块组成；处理软件模块接收地面数据采集单元提供的实时动态数据，并将井底传输上来的脉冲信号进行解码；由计算机实时进行井底压力值分析，判断井底压力状态，如超出预设值范围则向井底压力控制单元发出调整节流阀开度的指令；

e.井底压力控制单元由控制软件模块、D/A转换模块、驱动放大器组成，根据现场数据处理单元发出的指令，进行D/A转换，再经驱动放大器将信号放大，发送给控制软件模块输出控制信号给执行单元；

f.执行单元由节流阀、开度传感器、控制阀和手动/自动切换装置组成，控制阀接收到井底压力控制单元发出的信号，控制节流阀开度，或者由手动/自动切换装置切换至手动工作方式，人工干预节流阀的开度。

5.根据权利要求4所述的欠平衡钻井井底压力实时监控装置，散布于井场的传感器包括安装在泥浆管线至立管入口处的脉冲压力传感器、安装在节流管汇的套管压力传感器、液动节流阀上的开度传感器、立管上的流量传感器、燃气管线上的气量传感器、液气分离器入口管线上的流量传感器和密度传感器。