CN102797451A - 一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统及控制方法，其系统包括重浆池、海水池和处理剂池中的三个管线，每一管线连接混合器的输入端，混合器的输出端连接出流管线，出流管线连接海底井下PWD的短节。每一管线中设置动力泵、调节阀和入口流量计，出流管线中设置出口流量计。井下PWD连接MWD，MWD的信号接收装置通信连接远程计算机控制系统，远程计算机控制系统通过数据总线连接录井系统和PLC控制系统，PLC控制系统数据连接调节阀、入口流量计、混合器和出口流量计。本发明通过远程计算机控制系统和PLC控制系统构建二级微机控制系统实现重浆和海水混合比例自动调节，配置所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，进行井底压力平衡调节，实现安全钻进。

Description

一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种井下环空压力自动控制系统及控制方法，特别是关于一种海洋无隔水管钻井用的深水表层钻井井下环空压力自动控制系统及控制方法。

背景技术

钻井过程中利用泥浆在井底产生的静液柱压力来平衡地层压力是防止井涌或井漏，确保钻井安全作业的常规技术手段。在海洋深水表层钻井时，地层的不稳定性，浅层气和浅层水流，以及海底的低温高压环境引起钻井液的流变性改变，导致天然气水合物形成，以及地层压力和地层破裂压力之间窗口较窄等诸多问题。由于海洋深水表层未安装井口和防喷器，因此解决这类问题通常是根据地层压力剖面设计，随着钻进的进行，实时改变泥浆密度，以调整井底压力，防止井涌或井漏，确保钻井安全。

目前，现有技术是通过人工设置海水进口调节阀和高密度的泥浆（重浆）进口调节阀的开度，将重浆与海水按一定比例混合，获取所需的泥浆密度。随着钻进井深不断增加，井下所需钻井泥浆密度也在发生变化，重浆与海水的混合比例也需要随钻井的进行而变化。仅靠人工设置调节阀的开度控制重浆与海水的混合比，控制的结果与井下实际需求会存在较大误差，泥浆在井底产生的液柱压力难以平衡地层压力，容易发生井涌或井漏，从而引发钻井事故，因此有必要研发一种能够根据地层压力剖面自动调节重浆和海水混合比例，配置所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，从而实现井下环空压力自动调节的控制系统及控制方法。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种海洋无隔水管钻井用的深水表层钻井井下环空压力自动控制系统及控制方法，该系统能够自动调节重浆和海水混合比例，获取所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，实现井下环空压力的自动调节。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统，其特征在于：它包括重浆池、海水池、处理剂池、混合器、设置有随钻测量装置的随钻压力测量系统、设置在海面上的随钻测量装置的信号接收装置、设置有井下环空压力分析模型的远程计算机控制系统，录井系统和设置有三流体流量计算模型的可编程逻辑控制系统；重浆池、海水池和处理剂池中分别设置有一管线，每一管线上设置有一动力泵、一调节阀和一入口流量计，每一管线的末端连接混合器的输入端，混合器的输出端通过一出流管线连接井下随钻压力测量系统的短节，出流管线上设置有出口流量计；随钻压力测量系统的随钻测量装置的信号接收装置通信连接远程计算机控制系统，远程计算机控制系统通过数据总线连接录井系统和可编程逻辑控制系统；

可编程逻辑控制系统接收各入口流量计和出口流量计采集的密度和流量测量值发送给远程计算机控制系统；远程计算机控制系统中的井下环空压力分析模型根据可编程逻辑控制系统接收的密度和流量测量值、录井系统采集的钻进井深数据和随钻压力测量系统采集的井下环空压力测量值，通过分析计算得出井下所需钻井泥浆的密度和流量期望值，传给可编程逻辑控制系统，经可编程逻辑控制系统中的三流体流量计算模型计算出每一管线中的流量期望值，并发出相应的阀位控制信号给管线的调节阀。

上述可编程逻辑控制系统中的三流体流量计算模型为：

$Q_z=\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}}{{\mathrm{\ρ}}_z-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}}\·Q$

Q_sw＝(Q-Q_z)·(100-x)%

Q_c＝(Q-Q_z)·x%

上式中，ρ为钻井泥浆密度期望值，Q为钻井泥浆流量期望值，ρ_z为重浆密度测量值，ρ_sw为海水密度测量值，x为预设的处理剂和海水比例值，Q_z为重浆流量期望值，Q_sw为海水流量期望值，Q_c为处理剂流量期望值。

上述可编程逻辑控制系统采用西门子的S7-300系列PLC构建而成，其配有一个工业以太网接口、两个ProfibusDP接口、八路模拟量输入通道、八路模拟量输出通道、十六路开关量输入通道和十六路开关量输出通道；入口流量计和出口流量计通过模拟量输入通道挂接到ProfibusDP总线，可编程逻辑控制系统通过模拟量输出通道发出阀位控制信号作用于调节阀，调节阀的实际开度信号通过模拟量输入通道反馈给可编程逻辑控制系统；各设备的状态通过开关量输入通道送入可编程逻辑控制系统；各设备的电源通过开关量输出通道实现自动控制。

上述一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统的控制方法，它包括以下步骤：

1）远程计算机控制系统根据录井系统采集的钻进井深数据选择相应的井下环空压力设计值，与随钻压力测量系统采集的井下环空压力测量值进行比较：

如果两者的偏差小于设定的安全压力阈值，则按照预先设计的钻井泥浆密度、流量曲线，调节井下钻井泥浆密度、流量；

否则通过井下环空压力分析模型分析计算，得出安全钻进所需的钻井泥浆密度期望值和流量期望值，传给可编程逻辑控制系统；

2）可编程逻辑控制系统根据远程计算机控制系统提供的钻井泥浆密度期望值和流量期望值，通过内置的三流体流量计算模型计算出重浆流量期望值、海水流量期望值和处理剂流量期望值；

3）可编程逻辑控制系统根据每一管线的流量期望值与其入口流量计实时采集的流量测量值的偏差，换算出相应的阀位控制信号传给相应的调节阀；

4）三个调节阀根据可编程逻辑控制系统发出的阀位控制信号调整各自阀门开度，调节三个管线中的重浆流量、海水流量和处理剂流量；

5）混合器将流入的重浆、海水和处理剂混合成钻井泥浆后，通过出流管线输出，经过随钻压力测量系统泵送到井下环空；

6）出口流量计采集出流管线中钻井泥浆的密度和流量，将其测量值实时传给可编程逻辑控制系统；

7）可编程逻辑控制系统根据出口流量计采集的钻井泥浆密度测量值与远程计算机控制系统提供的钻井泥浆密度期望值的偏差，实时修正重浆流量期望值、海水流量期望值和处理剂流量期望值。

上述井下环空压力分析模型分析计算钻井泥浆的密度期望值和流量期望值的过程包括以下步骤：

（1）设置安全压力阈值ΔP，计算钻井泥浆密度初始值ρ₀：

${\mathrm{\ρ}}_0=\frac{P_p+\mathrm{\ΔP}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}}$

上式中，P_p为给定的地层压力，ρ_sw为海水密度，g为重力加速度，h_sw为水深，h为泥线距井底深度；

（2）计算与钻井泥浆密度初始值ρ₀对应的环空摩阻P_fr：

$P_{\mathrm{fr}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_p)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_p)}^{1.8}}+\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_c)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_c)}^{1.8}}]{{\mathrm{\ρ}}_0}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}{H}_i{Q_0}^{1.8}$

上式中，i为井筒段号，D_wi第i段井筒直径，D_p为钻杆外径，D_c为钻铤外径，μ为泥浆塑性粘度，H_i为第i段井筒长度，B为钻杆常数，Q₀为钻井泥浆流量的经验统计值；

（3）计算与钻井泥浆密度初始值ρ₀对应的循环当量密度ρ_ecd：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ecd}}={\mathrm{\ρ}}_0+\frac{P_{\mathrm{fr}}}{\mathrm{gh}};$

（4）根据给定的地层破裂压力P_f计算钻井泥浆密度最大值ρ_max：

${\mathrm{\ρ}}_{\max }=\frac{P_f-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}};$

（5）比较循环当量密度ρ_ecd和钻井泥浆密度最大值ρ_max：

如果ρ_ecd≤ρ_max成立，则钻井泥浆密度ρ取其初始值ρ＝ρ₀；

否则钻井泥浆密度ρ为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_p-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}};$

（6）计算井下环空压力P＝ρgh+P_fr+ρ_swgh_sw，判断P_p≤P＜P_f是否成立：

如果P_p≤P＜P_f成立，则进入步骤（7）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（7）计算与钻井泥浆密度ρ对应的钻井泥浆流量Q：

$Q=\sqrt[1.8]{\frac{P-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}-\mathrm{\ρgh}}{U{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}}}$

上式中， $U=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_p)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_p)}^{1.8}}+\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_c)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_c)}^{1.8}}]H_i;$

（8）计算能够达到携岩要求的钻井流量最小值Q_a：

$Q_a=\frac{\mathrm{\π}}{40}({D_{\mathrm{wi}}}^2-{D_p}^2)\frac{18.24}{\mathrm{\ρ}{D}_{\mathrm{wi}}};$

（9）比较Q与Q_a：

如果Q≥Q_a成立，则进入步骤（10）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（10）计算确保井筒安全的钻井流量最大值Q_max：

$Q_{\max }=\sqrt[1.8]{\frac{P_f-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}-\mathrm{\ρgh}}{U{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}}};$

（11）比较Q与Q_max：

如果Q＜Q_max成立，则进入步骤（12）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（12）步骤（5）计算的钻井泥浆密度ρ即为钻井泥浆密度期望值，步骤（6）计算的钻井泥浆流量Q即为钻井泥浆流量期望值。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过搭建由远程计算机控制系统和可编程逻辑控制系统构成的二级微机控制系统，实现重浆和海水混合比例的自动调节，获取所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，从而减小井底压力与地层压力之间的偏差，有利于安全钻井和提高钻井效率。

2、本发明在远程计算机控制系统中设置井下环空压力分析模型，将随钻压力测量装置测量的井下环空压力与钻井设计用的地层压力剖面进行比较，当井下环空压力超出安全范围时，启动模型计算满足要求的新的钻井泥浆密度和流量，传给可编程逻辑控制系统，由其通过内置的钻井泥浆密度闭环控制回路自动调节重浆和海水混合比例，配置所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，进行井底压力平衡调节，控制效率和精度有明显提高，降低了井涌或井漏的风险。

3、本发明在可编程逻辑控制系统中设置由三个并联的流量闭环控制回路构成的钻井泥浆密度闭环控制回路，将钻井泥浆密度控制转化为各输入流体流量的闭环控制，通过入口流量计和出口流量计的实时监测，快速调整流量，调节精度高，进而实现良好的钻井泥浆密度控制效果，特别是对高粘度非牛顿流体重浆、海水、处理剂的混合和密度控制具有良好的调节效果，达到配置所需密度和流量的钻井泥浆的最终目的。

本发明可以广泛用于海上钻井，进行井下环空压力自动调节。

附图说明

图1是本发明系统组成结构示意图；

图2是本发明系统闭环控制回路示意图；

图3是本发明系统中的重浆流量闭环控制回路示意图；

图4是本发明系统中的海水流量闭环控制回路示意图；

图5是本发明系统中的处理剂流量闭环控制回路示意图；

图6是本发明系统中的钻井泥浆密度闭环控制回路示意图；

图7是本发明系统实施例的组成结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明系统包括设置在海面上的重浆池1、海水池2和处理剂池3，重浆池1、海水池2和处理剂池3中分别设置有一管线4，每一管线4的末端连接一混合器5的输入端，混合器5的输出端通过一出流管线6连接海底井下的PWD（Pressure While Drilling，随钻压力测量系统）的短节7。每一管线4上设置有一动力泵41、一调节阀42和一入口流量计43，出流管线6上设置有一出口流量计61。PWD上设置有MWD(Measure While Drilling，随钻测量装置)（图中未示出），MWD通过脉冲信号传输测量数据给设置在海面上的MWD的信号接收装置71，MWD的信号接收装置71通信连接一远程计算机控制系统8（上位机），远程计算机控制系统8通过数据总线连接一录井系统9和一PLC控制系统10（可编程逻辑控制系统，下位机），PLC控制系统10通过数据总线连接管线4的三个调节阀42和三个入口流量计43，以及混合器5和出口流量计61。其中：

PWD监测井下环空压力，将其测量值通过MWD和MWD的信号接收装置71实时传给远程计算机控制系统8。

录井系统9监测钻进井深等参数，将其测量值实时传给远程计算机控制系统8。

远程计算机控制系统8中设置有井下环空压力分析模型I，该模型I根据录井系统9采集的钻进井深数据、PWD采集的井下环空压力测量值，进行分析计算得出井下所需钻井泥浆的密度期望值和流量期望值，并传给PLC控制系统10。

三个入口流量计43分别监测流入混合器5的三种流体：重浆、海水和处理剂的密度和流量，将测量结果实时传给PLC控制系统10。

出口流量计61监测从混合器5流出的钻井泥浆的密度和流量，将测量结果实时传给PLC控制系统10。

PLC控制系统10一方面接收三个入口流量计43和出口流量计61的测量数据，传给远程计算机控制系统8；另一方面通过内置的三流体流量计算模型II，根据远程计算机控制系统8提供的钻井泥浆的密度期望值和流量期望值，分解出每一管线4的流量期望值，然后再根据每一流体的流量期望值与测量值的偏差，换算出相应的阀位控制信号，传给相应的调节阀42，同时PLC控制系统10还根据出口流量计61采集的钻井泥浆密度测量值与远程计算机控制系统8提供的钻井泥浆密度期望值的偏差，实时修正每一管线4的流量期望值。

三个调节阀42根据PLC控制系统10发出的阀位控制信号调整各自阀门开度，以使三个管线4中的流量趋近于各自的期望值。

混合器5将流入的重浆、海水和处理剂混合成钻井泥浆，通过出流管线6输出，经过PWD泵送到井下环空。

如图2～图6所示，上述控制系统的工作原理可以由一环空压力闭环控制回路和一钻井泥浆密度闭环控制回路构成的串级控制系统表示，其中钻井泥浆密度闭环控制回路包括三个并联的流量闭环控制回路，即：

如图3所示的重浆流量闭环控制回路，图中D1(S)表征其控制方程；

如图4所示的海水流量闭环控制回路，图中D2(S)表征其控制方程；

如图5所示的处理剂流量闭环控制回路，图中D3(S)表征其控制方程。

本发明的控制方法包括以下步骤（如图1、图2所示）：

1）远程计算机控制系统根据录井系统采集的钻进井深数据选择相应的井下环空压力设计值，与PWD采集的井下环空压力测量值进行比较：

如果两者的偏差小于设定的安全压力阈值，则按照预先设计的钻井泥浆密度、流量曲线，调节井下钻井泥浆密度、流量；

否则通过井下环空压力分析模型分析计算，得出安全钻进所需的钻井泥浆密度期望值和流量期望值，传给PLC控制系统。

其中，井下环空压力分析模型是现有技术，分析计算得到钻井泥浆的密度期望值和流量期望值的过程如下：

海上钻井井下所需的钻井泥浆密度要使井下环空压力略大于地层压力而小于地层破裂压力，即要满足：

P_p≤P＝ρgh+P_fr+ρ_swgh_sw＜P_f

上式中，P_p为给定的地层压力，单位Pa；P_f为给定的地层破裂压力，单位Pa；P为井下环空压力，单位Pa；ρ为动态的钻井泥浆密度，也是本发明的调控目标，单位kg/m³；h为泥线距井底深度，单位m；P_fr为环空摩阻，单位Pa；ρ_sw为海水密度，单位kg/m³；h_sw为水深，单位m；g为重力加速度。

（1）设置安全压力阈值ΔP，单位Pa，计算钻井泥浆密度初始值ρ₀，单位kg/m³：

${\mathrm{\ρ}}_0=\frac{P_p+\mathrm{\ΔP}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}}$

（2）计算与钻井泥浆密度初始值ρ₀对应的环空摩阻P_fr：

$P_{\mathrm{fr}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_p)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_p)}^{1.8}}+\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_c)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_c)}^{1.8}}]{{\mathrm{\ρ}}_0}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}{H}_i{Q_0}^{1.8}$

上式中，i为井筒段号，D_wi第i段井筒直径，单位m；D_p为钻杆外径，单位cm；D_c为钻铤外径，单位cm；μ为泥浆塑性粘度，单位Pa·s；H_i为第i段井筒长度，单位m；B为钻杆常数，内平钻杆B=0.51655，贯眼钻杆B=0.57503；Q₀为钻井泥浆流量的经验统计值，单位L/s；。

（3）计算与钻井泥浆密度初始值ρ₀对应的循环当量密度ρ_ecd，单位kg/m³：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ecd}}={\mathrm{\ρ}}_{m0}+\frac{P_{\mathrm{fr}}}{\mathrm{gh}}$

（4）根据地层破裂压力P_f计算钻井泥浆密度最大值ρ_max，单位kg/m³：

${\mathrm{\ρ}}_{\max }=\frac{P_f-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}}$

（5）比较循环当量密度ρ_ecd和钻井泥浆密度最大值ρ_max：

如果ρ_ecd≤ρ_max成立，则钻井泥浆密度ρ取其初始值ρ＝ρ₀；

否则钻井泥浆密度ρ由下式确定

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_p-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}}$

（6）计算井下环空压力P＝ρgh+P_fr+ρ_swgh_sw，单位Pa，并判断P_p≤P＜P_f是否成立：

如果P_p≤P＜P_f成立，则进入步骤（7）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（7）计算与钻井泥浆密度ρ对应的钻井泥浆流量Q，单位L/s：

$Q=\sqrt[1.8]{\frac{P-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}-\mathrm{\ρgh}}{U{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}}}$

其中， $U=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_p)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_p)}^{1.8}}+\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_c)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_c)}^{1.8}}]H_i$

（8）计算能够达到携岩要求的钻井流量最小值Q_a，单位L/s：

$Q_a=\frac{\mathrm{\π}}{40}({D_{\mathrm{wi}}}^2-{D_p}^2)\frac{18.24}{\mathrm{\ρ}{D}_{\mathrm{wi}}}$

（9）比较Q与Q_a：

如果Q≥Q_a成立，则进入步骤（10）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（10）计算确保井筒安全的钻井流量最大值Q_max：

$Q_{\max }=\sqrt[1.8]{\frac{P_f-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}-\mathrm{\ρgh}}{U{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}}}$

（11）比较Q与Q_max：

如果Q＜Q_max成立，则进入步骤（10）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（12）步骤（5）计算的钻井泥浆密度ρ即为钻井泥浆密度期望值，步骤（6）计算的钻井泥浆流量Q即为钻井泥浆流量期望值。

3）PLC控制系统根据钻井泥浆流量期望值和密度期望值，入口流量计采集的重浆密度测量值、海水密度测量值和预设的处理剂和海水比例值，通过内置的三流体流量计算模型计算重浆流量期望值、海水流量期望值和处理剂流量期望值：

$Q_z=\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}}{{\mathrm{\ρ}}_z-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}}\·Q$

Q_sw＝(Q-q_z)·(100-x)%

Q_c＝(Q-Q_z)·x%

上式中，ρ为钻井泥浆密度期望值，Q为钻井泥浆流量期望值，ρ_z为重浆密度测量值，ρ_sw为海水密度测量值，x为预设的处理剂和海水比例值，Q_z为重浆流量期望值，Q_sw为海水流量期望值，Q_c为处理剂流量期望值。

4）PLC控制系统将重浆流量期望值、海水流量期望值和处理剂流量期望值分别作为三个并联的流量闭环控制回路（如图3～图5所示）的输入值，每个流量闭环控制回路将输入端的流量期望值与反馈端的由入口流量计实时采集的流量测量值进行比较，根据两者的偏差换算出相应的阀位控制信号输出，传给相应的调节阀以调节其阀门开度，使相应管线中的流量测量值趋近于流量期望值。

5）（如图6所示），PLC控制系统根据出口流量计采集的钻井泥浆密度测量值与远程计算机控制系统提供的钻井泥浆密度期望值的偏差，实时修正重浆流量期望值、海水流量期望值和处理剂流量期望值，进而使混合器输出的钻井泥浆密度测量值和流量测量值等于钻井泥浆密度期望值和流量期望值。

6）混合器输出的钻井泥浆入井后，改变井下环空压力，从而减小井底压力与地层压力之间的偏差。

如图7所示，上述控制系统的硬件可以由工业计算机（上位机）和西门子的S7-300系列PLC（下位机）构成的二级微机控制系统实现（也可不限于此）。S7-300系列PLC（下位机）配置有一工业以太网接口、两个ProfibusDP接口、八路模拟量输入通道、八路模拟量输出通道、十六路开关量输入通道和十六路开关量输出通道。四个流量计通过模拟量输入通道挂接到ProfibusDP总线，将测得的信号传给PLC。模拟量输出通道的4-20mA电流信号作用于三个调节阀，通过控制三个调节阀的阀门开度实现重浆、海水和处理剂的流量的动态控制，三个调节阀的实际开度信号也以4-20mA电流信号通过模拟量输入通道反馈给PLC。其中，各设备的状态可以通过开关量输入通道送入PLC，各设备的电源，如调节阀电源、流量计电源和混合器电源则可以通过开关量输出通道实现自动控制或人为控制。工业计算机（上位机）可以采用防暴平板电脑，通过工业以太网连接PLC系统。防暴平板电脑和PLC可以一起集成在一个防暴控制柜中。防暴控制柜的信号线、电源线和通信线通过防暴连接器与调节阀和流量计的防暴端子箱互联。防暴控制柜可以采用三相380V交流电源，也可以采用海洋钻井平台提供的3相480V交流电源，并配备防暴变压器。

上述控制系统通过设置在下位机上的PLC控制程序和设置在上位机上的上位机组态程序两部分共同实现，其中下位机优选西门子的Step7搭建开发平台，上位机优选西门子的WinCC7搭建开发平台。

(1)PLC控制程序分解为14个程序模块（FC1～FC14）和15个数据模块（DB1～DB12、DB20～DB22）。FC1实现调节阀阀门开度的数据采集。FC2实现通用工程量的转换。FC3实现DP总线上流量计参数的采集。FC4实现DP总线上流量计状态信号的采集。FC5获取整个系统的测量值。FC6实现流量计的单位换算。FC7～FC9分别实现重浆流量、海水流量和处理剂流量的实时控制，具有手动和自动两种控制方式。FC10计算流量期望值，三路输入流体的流量期望值既可以人为设定，也可以通过计算给出，如果选择计算给出，既可以根据人为设定的密度进行计算，也可以根据实际测得的密度进行计算。FC11实现调节阀的电源开关控制。FC12实现流量计的电源开关控制，四个流量计开机自动送电时采用了分时捷通技术，以分时满足E+H流量计启动瞬间需要15安培直流电源的需求(工作时只需要24VDC，0.5A)，从而减小设备的体积。FC13实现控制回路的手动和自动之间的切换逻辑。FC14实现上位机控制逻辑的复位处理。数据模块用于存放测量参数、控制参数和变换表格等。

(2)上位机组态程序提供满足钻井泥浆流量和密度动态调节的工艺需求和操作需求的人机界面。上位机的通信组态中选用工业以太网，变量组态中包括控制系统的过程变量和控制变量；人机界面包括工艺流程、参数总表、实时趋势、报警记录和报表生成等，基于西门子的WinCC和DDE（动态数据交换）服务，实现实时通信。上位机可以实时显示和监控重浆流量、密度和温度，海水流量、密度和温度，处理剂流量、密度和温度，钻井泥浆的流量、密度和温度，重浆、海水和处理剂调节阀的阀门开度等工艺过程参数，可以显示所有参数的实时趋势曲线和历史趋势曲线，历史趋势曲线可以永久保存，仅受存储空间约束。上位机还提供调节阀电源、流量计电源和混合器电源的人为开关控制操作界面，提供重浆流量控制回路、海水流量控制回路和处理剂控制回路的参数整定界面，提供报表功能和用户管理功能的操作界面，提供流量期望值计算操作界面和多方式选择功能，提供密度和流量的本地设定和远程给定选择操作方式。

本发明在渤海试验基地、南海深水钻井的实验结果显示控制系统数据采集正常，密度控制正常，人机界面显示和通信均正常。当控制系统采用动态密度调节追踪时，误差平均值=0.00113g/cm³，最大误差=0.03252g/cm³，均在误差允许范围内，整个控制系统具有即时跟踪效果。当控制系统采用定值密度控制时，误差平均值=0.02842g/cm³，最大正向动态误差=0.05456g/cm³，最大负向误差=0.10265g/cm³，尽管重浆密度在不断变化，且逐渐增大，导致海水和处理剂的流量始终处于不断调整的过程中，使得密度的负偏差相对较大，但偏差的均值仍小于0.05g/cm³，达到了较高控制精度。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (5)

1.一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统，其特征在于：它包括重浆池、海水池、处理剂池、混合器、设置有随钻测量装置的随钻压力测量系统、设置在海面上的所述随钻测量装置的信号接收装置、设置有井下环空压力分析模型的远程计算机控制系统，录井系统和设置有三流体流量计算模型的可编程逻辑控制系统；

所述重浆池、海水池和处理剂池中分别设置有一管线，每一所述管线上设置有一动力泵、一调节阀和一入口流量计，每一所述管线的末端连接所述混合器的输入端，所述混合器的输出端通过一出流管线连接所述井下随钻压力测量系统的短节，所述出流管线上设置有出口流量计；所述随钻压力测量系统的随钻测量装置的信号接收装置通信连接所述远程计算机控制系统，所述远程计算机控制系统通过数据总线连接所述录井系统和所述可编程逻辑控制系统；

所述可编程逻辑控制系统接收各所述入口流量计和出口流量计采集的密度和流量测量值发送给所述远程计算机控制系统；所述远程计算机控制系统中的井下环空压力分析模型根据所述可编程逻辑控制系统接收的密度和流量测量值、所述录井系统采集的钻进井深数据和所述随钻压力测量系统采集的井下环空压力测量值，通过分析计算得出井下所需钻井泥浆的密度和流量期望值，传给所述可编程逻辑控制系统，经所述可编程逻辑控制系统中的三流体流量计算模型计算出每一所述管线中的流量期望值，并发出相应的阀位控制信号给所述管线的调节阀。

2.如权利要求1所述的一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统，其特征在于，所述可编程逻辑控制系统中的三流体流量计算模型为：

$Q_z=\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}}{{\mathrm{\ρ}}_z-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}}\·Q$

Q_sw＝(Q-Q_z)·(100-x)%

Q_c＝(Q-Q_z)·x%

上式中，ρ为钻井泥浆密度期望值，Q为钻井泥浆流量期望值，ρ_z为重浆密度测量值，ρ_sw为海水密度测量值，x为预设的处理剂和海水比例值，Q_z为重浆流量期望值，Q_sw为海水流量期望值，Q_c为处理剂流量期望值。

3.如权利要求1或2所述的一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统，其特征在于：所述可编程逻辑控制系统采用西门子的S7-300系列PLC构建而成，其配有一个工业以太网接口、两个ProfibusDP接口、八路模拟量输入通道、八路模拟量输出通道、十六路开关量输入通道和十六路开关量输出通道；所述入口流量计和出口流量计通过所述模拟量输入通道挂接到ProfibusDP总线，所述可编程逻辑控制系统通过所述模拟量输出通道发出所述阀位控制信号作用于所述调节阀，所述调节阀的实际开度信号通过所述模拟量输入通道反馈给所述可编程逻辑控制系统；各所述设备的状态通过所述开关量输入通道送入所述可编程逻辑控制系统；各所述设备的电源通过所述开关量输出通道实现自动控制。

4.如权利要求1～3任意一项所述的一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统的控制方法，它包括以下步骤：

1）远程计算机控制系统根据录井系统采集的钻进井深数据选择相应的井下环空压力设计值，与随钻压力测量系统采集的井下环空压力测量值进行比较：

如果两者的偏差小于设定的安全压力阈值，则按照预先设计的钻井泥浆密度、流量曲线，调节井下钻井泥浆密度、流量；

否则通过井下环空压力分析模型分析计算，得出安全钻进所需的钻井泥浆密度期望值和流量期望值，传给可编程逻辑控制系统；

2）可编程逻辑控制系统根据远程计算机控制系统提供的钻井泥浆密度期望值和流量期望值，通过内置的三流体流量计算模型计算出重浆流量期望值、海水流量期望值和处理剂流量期望值；

3）可编程逻辑控制系统根据每一管线的流量期望值与其入口流量计实时采集的流量测量值的偏差，换算出相应的阀位控制信号传给相应的调节阀；

4）三个调节阀根据可编程逻辑控制系统发出的阀位控制信号调整各自阀门开度，调节三个管线中的重浆流量、海水流量和处理剂流量；

5）混合器将流入的重浆、海水和处理剂混合成钻井泥浆后，通过出流管线输出，经过随钻压力测量系统泵送到井下环空；

6）出口流量计采集出流管线中钻井泥浆的密度和流量，将其测量值实时传给可编程逻辑控制系统；

7）可编程逻辑控制系统根据出口流量计采集的钻井泥浆密度测量值与远程计算机控制系统提供的钻井泥浆密度期望值的偏差，实时修正重浆流量期望值、海水流量期望值和处理剂流量期望值。

5.如权利要求4所述的一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统的控制方法，其特征在于，所述井下环空压力分析模型分析计算钻井泥浆的密度期望值和流量期望值的过程包括以下步骤：

（1）设置安全压力阈值ΔP，计算钻井泥浆密度初始值ρ₀：

${\mathrm{\ρ}}_0=\frac{P_p+\mathrm{\ΔP}-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}}$

上式中，P_p为给定的地层压力，ρ_sw为海水密度，g为重力加速度，h_sw为水深，h为泥线距井底深度；

（2）计算与钻井泥浆密度初始值ρ₀对应的环空摩阻P_fr：

$P_{\mathrm{fr}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_p)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_p)}^{1.8}}+\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_c)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_c)}^{1.8}}]{{\mathrm{\ρ}}_0}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}{H}_i{Q_0}^{1.8}$

上式中，i为井筒段号，D_wi第i段井筒直径，D_p为钻杆外径，D_c为钻铤外径，μ为泥浆塑性粘度，H_i为第i段井筒长度，B为钻杆常数，Q₀为钻井泥浆流量的经验统计值；

（3）计算与钻井泥浆密度初始值ρ₀对应的循环当量密度ρ_ecd：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ecd}}={\mathrm{\ρ}}_0+\frac{P_{\mathrm{fr}}}{\mathrm{gh}};$

（4）根据给定的地层破裂压力P_f计算钻井泥浆密度最大值ρ_max：

${\mathrm{\ρ}}_{\max }=\frac{P_f-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}};$

（5）比较循环当量密度ρ_ecd和钻井泥浆密度最大值ρ_max：

如果ρ_ecd≤ρ_max成立，则钻井泥浆密度ρ取其初始值ρ＝ρ₀；

否则钻井泥浆密度ρ为：

$\mathrm{\ρ}=\frac{P_p-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}}{\mathrm{gh}};$

（6）计算井下环空压力P＝ρgh+P_fr+ρ_swgh_sw，判断P_p≤P＜P_f是否成立：

如果P_p≤P＜P_f成立，则进入步骤（7）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（7）计算与钻井泥浆密度ρ对应的钻井泥浆流量Q：

$Q=\sqrt[1.8]{\frac{P-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}-\mathrm{\ρgh}}{U{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}}}$

上式中， $U=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}[\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_p)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_p)}^{1.8}}+\frac{B}{{(D_{\mathrm{wi}}-D_c)}^3{(D_{\mathrm{wi}}+D_c)}^{1.8}}]H_i;$

（8）计算能够达到携岩要求的钻井流量最小值Q_a：

$Q_a=\frac{\mathrm{\π}}{40}({D_{\mathrm{wi}}}^2-{D_p}^2)\frac{18.24}{\mathrm{\ρ}{D}_{\mathrm{wi}}};$

（9）比较Q与Q_a：

如果Q≥Q_a成立，则进入步骤（10）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（10）计算确保井筒安全的钻井流量最大值Q_max：

$Q_{\max }=\sqrt[1.8]{\frac{P_f-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{sw}}{\mathrm{gh}}_{\mathrm{sw}}-\mathrm{\ρgh}}{U{\mathrm{\ρ}}^{0.8}{\mathrm{\μ}}^{0.2}}};$

（11）比较Q与Q_max：

如果Q＜Q_max成立，则进入步骤（12）；

否则返回步骤（1），重新开始；

（12）步骤（5）计算的钻井泥浆密度ρ即为钻井泥浆密度期望值，步骤（6）计算的钻井泥浆流量Q即为钻井泥浆流量期望值。

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