CN104047590A - 井控工程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种井控工程监测系统，包括在钻台调整装置，钻具通过钻台调整装置插入到井眼内，泥浆循环系统通过钻具的内腔在井眼环形空间内循环出到循环罐，再通过泥浆泵泵入钻具内腔形成闭路循环，在井眼的上方连接防溢管，防溢管的上端设有井口密封器，在防溢管下部设有防喷器，在井口密封器与防喷器之间依次通过灌浆管和灌浆泵后与泥浆罐连接，在灌浆管上设有灌浆管流量传感器；在泥浆循环系统在防溢管的出口的导管处设有导管流量传感器，在泥浆循环系统的入口处设置立管流量传感器。该井控工程监测系统性能稳定，能够实时记录及无线远传现场的工作信息。实现现场和基地于一体、信息共享、遥控指挥、事故回放、调查处理提供依据。

Description

井控工程监测系统

技术领域

本发明涉及一种井控工程监测系统，该设备适用于各种石油钻井、大修井作业施工过程中的井控工程实时在线监测，特别适用于海上钻井、超深井、探井、“三高”油气井作业施工中的井控工程实时监测。

背景技术

随着钻井技术的不断进步和新工艺的实施，钻井深度的增大，钻井所遇到的地层复杂性和难度越来越大；钻井过程中一旦发生井喷失控会造成巨大的灾难性损失。往往会造成设备毁坏、人员伤亡、油气井报废、环境污染及不良的社会影响；而钻修井过程中井控工程监测技术是实现本质安全的一项关键技术。

但现有的井控工程监测技术是用超声波液位传感测量的方法和靶式相对流量传感测量的方法。这种办法有以下缺点：1泥浆罐体积影响：（泥浆罐表面积大，液面高度微小变化涉及泥浆量很大）；2、超声波液位传感器精度影响：（安装位置、倾角、液面波动、温度、蒸汽、罐体震动等导致误差大）；3、工程施工影响：（配泥浆加水加药、搅拌器的扰动、除砂流失泥浆、跑泥浆等导致计量不准）；4 、出口靶式流量测量精度低：（导管倾角、泥浆密度、靶片长短、温度、震动等导致精度低）；5、泵冲测量流量和出口靶式流量测量不配套：（泥浆含气、泥浆粘度、泵上水效率、缸套尺寸等导致测量相对流量误差大）。以上诸多因素，导致井控工程监测不准。

所以，在井控工程监测方法中，诸多的弊端导致时常发生井控险情和井喷失控等恶性事故（如2010年美国墨西哥湾钻井井喷失控爆炸着火事故）。特别是海上钻井平台井控风险极大，一旦失去控制后果不堪设想。所以为了切实保证钻修井安全施工，必须要研制高精度的井控工程监测系统来确保钻修井施工的本质安全。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种井控工程监测系统，该井控工程监测系统性能稳定，能够实时记录及无线远传现场的工作信息。实现现场和基地于一体、信息共享、遥控指挥、事故回放、调查处理提供依据。

为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种井控工程监测系统，包括在钻台上的调整装置，钻具通过钻台调整装置插入到井眼内，泥浆循环系统通过钻具的内腔在井眼环形空间内循环，在井眼的上方连接防溢管，防溢管的上端设有井口密封器，在防溢管下部设有防喷器，在井口密封器与防喷器之间依次通过灌浆管和灌浆泵后与泥浆罐连接，在灌浆管上设有灌浆管流量传感器；在泥浆循环系统在防溢管的出口的导管处设有导管流量传感器，在泥浆循环系统的入口处设置立管流量传感器；在安全区内设有上位机，上位机内的PLC和UPS，上位机通过数据线分别与灌浆管流量传感器、立管流量传感器和导管流量传感器连接。

所述的钻台调整装置结构为，钻台的中心设有钻盘，在转台的上方设有天车，天车通过游车连接钻具；在转台的两端分别设有绞车和死绳固定器，钢丝绳一端与绞车连接，另一端绕过天车、游车与死绳固定器连接；在绞车上设有绞车编码器，在死绳固定器上设置死绳固定器悬重压力传感器；在钻台上设置液气大钳，液气大钳上设置液气大钳扭矩传感器；绞车编码器、液气大钳扭矩传感器和死绳固定器悬重压力传感器分别通过数据线与上位机连接。

所述的泥浆循环系统结构为，在防溢管上设有导管，导管一端位于井口密封器与防喷器之间，导管另一端与泥浆罐相通；在泥浆罐通过泥浆泵连接立管，立管上端依次连接油壬和水龙带后与钻具上端相通；所述的立管流量传感器设有在立管下部；所述的导管流量传感器位于导管的入口处。

所述的防溢管的上方设置钻具识别传感器，钻具识别传感器通过数据线与上位机连接。

一种井控工程检测方法，包括以下步骤：

1）利用上位机内的软件对绞车编码器、液气大钳扭矩传感器、死绳固定器悬重压力传感器、钻具识别传感器、立管流量传感器、导管流量传感器和灌浆管流量传感器七个传感器进行自动识别，并记录实时的流量曲线；

2）当识别的立管流量大于零，导管流量大于零时，判断为钻进(循环)工况；并将立管流量传感器出口瞬时流量与导管流量传感器入口瞬时流量实时比对，当立管流量大于导管流量时，说明井漏；当导管流量大于立管流量时，说明溢流；

3）当钻进识别传感器识别钻具向上运动，绞车编码器数值大于26，液气大钳扭矩大于3MPa时，为起钻，并且起出一柱钻具，确定为起钻工况；确定起出钻具的柱数，由上位机来控制PLC控制器的启停，控制灌浆泵定柱定量灌浆，利用灌浆管流量传感器和导管流量传感器流量对比，精确计算出起出钻具的体积，精确计算出应该灌入的泥浆体积，通过上位机软件计算得出是否抽吸、溢流及井漏的现象；

4）当钻进识别传感器识别井筒内无钻具时，判定为空井工况，通过灌浆管流量传感器和导管流量传感器流量对比，确定是否溢流、井漏的现象；

5）当钻进识别传感器识别钻进不上下运动时，判定为暂停工况，则按前一个工况运行识别；

6）如果不与步骤2-5中任意一种工况相同，即为下钻工况；确定下入井内钻具的尺寸、柱数和下入的速度，由上位机来计算应返出的泥浆体积、返出的速度和导管流量传感器流量实时对比，确定是否溢流、井漏的现象；

7）在步骤2-6中若判断为发生抽吸情况后及时并报警，显示每柱的抽吸量、发生抽吸现象时间、累积抽吸量、并保存曲线，直至警报解除；若判断为发生溢流现象时计时并报警，显示瞬时溢流速度、溢流时间、累积溢流量、并保存曲线，直至警报解除；若判断为发生井漏现象时计时并报警，显示瞬时漏速、漏失时间、累积漏失量、并保存曲线，直至警报解除。

该井控工程监测系统采用了灌浆泵和灌浆管的结构，从而可以与导管中的流量进行对比，保证了测量精度，可及时的对抽吸、溢流或井漏进行判断，及时报警并处理，实现了钻井工程安全监测的自动化和数字化，实现现场和基地井控一体化大格局。

在钻台调整装置设置绞车编码器、液气大钳扭矩传感器和死绳固定器悬重压力传感器，可以通过上述传感器判别钻具的下降或上升位置，或起钻钻具的注数，实现钻具的自动化判断，

在泥浆循环系统设置防溢管，且在防溢管上设置井口密封器，可保证井筒内的所有流体都从导管流出，这样防止了有毒有害气体的扩散，防止了井下落物，使起出的钻具干净，同时也减轻了现场操作人员的劳动强度。

附图说明

图1为井控工程监测系统结构示意图。

图2为井控工程监测系统主机与传感器布局图。

具体实施方式

如图1和图2所示，一种井控工程监测系统，包括在钻台调整装置，钻具14通过钻台调整装置插入到井眼22内，泥浆循环系统通过钻具14的内腔在井眼环形空间29内循环，在井眼22的上方连接防溢管30，防溢管30的上端设有井口密封器20，在防溢管下部设有防喷器21，在井口密封器20与防喷器21之间依次通过灌浆管32和灌浆泵23后与泥浆罐17连接，在灌浆管32上设有灌浆管流量传感器7，灌浆管流量传感器7用于监测灌浆管32内向井眼22内灌浆的流量；在泥浆循环系统在防溢管30的出口的导管处设有导管流量传感器6，导管流量传感器6监测泥浆循环系统出口流量，在泥浆循环系统的入口处设置立管流量传感器5，用来监测泥浆循环系统入口流量；在安全区内设有上位机8，上位机8内的PLC通过数据线分别与灌浆管流量传感器7、立管流量传感器5和导管流量传感器6连接。

钻台调整装置结构为，钻台19的中心设有钻盘33，在转台19的上方设有天车11，天车11通过游车12连接钻具14；在转台19的两端分别设有绞车18和死绳固定器16，钢丝绳25一端与绞车18连接，另一端绕过天车11与死绳固定器16连接；在绞车18上设有绞车编码器1，用于测量游车的高度数值，在死绳固定器16上设置死绳固定器悬重压力传感器3，用于判断钻具是处于悬吊状态还是坐在钻盘上（非悬吊状态）；在钻台19上设置液气大钳15，液气大钳15上设置液气大钳扭矩传感器2，用于判断液气大钳是否使用（扭矩值大于3MPa以上认为使用一次），否则没有使用液气大钳；绞车编码器1、液气大钳扭矩传感器2和死绳固定器悬重压力传感器3分别通过数据线与上位机8连接。

所述的泥浆循环系统结构为，在防溢管30上设有导管31，导管31一端位于井口密封器20与防喷器21之间，导管另一端与泥浆罐17相通；在泥浆罐17通过泥浆泵24连接立管13，立管上端依次连接油壬28和水龙带27后与钻具14上端相通；所述的立管流量传感器5设有在立管13下部；所述的导管流量传感器6位于导管的入口处。

所述的防溢管30的上方设置钻具识别传感器4，用于识别钻具是向上运动还是向下运动，同时还可判断出上提几根钻杆或者下放几根钻杆，钻具识别传感器4通过数据线与上位机8连接。

一种井控工程检测方法，包括以下步骤：

1）在钻井施工中，共有五个施工环节（钻进（循环）工况、起钻工况、下钻工况、空井工况、施工暂停工况），这五个施工环节无规律交叉单一循环（只能是其中的一种工况，不会有两种或两种以上工况在一起运行的情况），直至钻井施工结束。利用现场7个传感器实时信息，通过上位机软件系统自动识别出来这五个施工环节的其中一个工况。利用其中一个施工工况的施工的特征来判断是否有井涌、井漏现象，通过上位机软件系统做出判断并报警，实时保存各项井控信息。通过这种方式来实现自动识别工况，通过识别出的工况来判断井控信息，最终达到无人值守自动报警的目的。具体做法是利用上位机8内的软件，对现场绞车编码器1、液气大钳扭矩传感器2、死绳固定器悬重压力传感器3、钻具识别传感器4、立管流量传感器5、导管流量传感器6和灌浆管流量传感器7七个传感器通道上传的信息进行识别、通过编辑好的软件程序进行筛选、识别，确定是哪一种施工工况；确定后按照确定的工况来显示、判断施工过程中各项井控信息，一旦发生井涌井漏现象，通过上位机软件自动识别、判断，通过扩音及光电系统进行报警并无限远传信息，通过上位机软件自动保存有关数据，方便事故调查。

2）钻进（循环）工况的识别：当现场7个传感器中的立管流量传感器的立管流量大于零，导管流量传感器的导管流量大于零时，也就是这两个传感器都有流量时，判断为钻进工况；并将立管流量传感器5瞬时流量与导管流量传感器6瞬时流量实时比对，当立管流量大于导管流量时，说明井漏，；当导管流量大于立管流量时，说明溢流；并对上述数据实时保存。

3）起钻工况的识别：当钻具识别传感器4识别钻具14是向上运动后，并且绞车编码器1数值大于26时，然后液气大钳扭矩大于3MPa时，为起钻，并且起出一柱钻具，确定为起钻工况；否则，转为其他工况。当起出的钻具累加到3柱时，由上位机来控制PLC控制器的启停，控制灌浆泵23定柱定量灌浆，利用灌浆管流量传感器7和导管流量传感器6流量对比，精确计算出起出钻具的体积，精确计算出应该灌入的泥浆体积，通过上位机软件计算得出是否抽吸、溢流及井漏的现象；并对上述数据实时保存。

4）空井工况的识别：当钻进识别传感器4识别井筒内无钻具时，判定为空井工况，通过灌浆管流量传感器7和导管流量传感器6流量对比，确定是否溢流、井漏的现象；并对上述数据实时保存。

5）施工暂停工况的识别：当钻进识别传感器4识别钻进不上下运动时，判定为暂停工况，则按前一个工况运行。并对上述数据实时保存。

6) 下钻工况的识别：如果不与步骤2-5中任意一种工况相同，即为下钻工况；利用绞车编码器、液气大钳扭矩传感器和钻具识别传感器来确定下入井内钻具的尺寸、柱数和下入的速度，由上位机来计算应返出的泥浆体积、返出的速度和导管流量传感器6流量实时对比，确定是否溢流、井漏的现象；并对上述数据实时保存。

7)在步骤2-6中若判断为发生抽吸情况后及时并报警，显示每柱的抽吸量、发生抽吸现象时间、累积抽吸量、并保存曲线，直至警报解除；若判断为发生溢流现象时计时并报警，显示瞬时溢流速度、溢流时间、累积溢流量、并保存曲线，直至警报解除；若判断为发生井漏现象时计时并报警，显示瞬时漏速、漏失时间、累积漏失量、并保存曲线，直至警报解除。

本申请的井控工程监测系统启动后无需人员值守，全套程序自动运行。自动执行动作的输出、状态采集、显示、自身状态的监视，自动识别和判断井控工程信息，自动保存各项井控工程参数，自动记录现场工作状态。为井下险情判断和操作正误提供及时准确的证据，为后续现场事故的调查及处理提供依据，不会产生误判现象。

Claims (5)

1.井控工程监测系统，包括在钻台调整装置，钻具（14）通过钻台调整装置插入到井眼（22）内，泥浆循环系统通过钻具（14）的内腔在井眼环形空间（29）内循环，其特征在于：在井眼（22）的上方连接防溢管（30），防溢管（30）的上端设有井口密封器（20），在防溢管下部设有防喷器（21），在井口密封器（20）与防喷器（21）之间依次通过灌浆管（32）和灌浆泵（23）后与泥浆罐（17）连接，在灌浆管（32）上设有灌浆管流量传感器（7）；在泥浆循环系统在防溢管（30）的出口的导管处设有导管流量传感器（6），在泥浆循环系统的入口处设置立管流量传感器（5）；在安全区内设有上位机（8），上位机（8）通过数据线分别与灌浆管流量传感器（7）、立管流量传感器（5）和导管流量传感器（6）连接。

2.如权利要求1所述的井控工程监测系统，其特征在于：所述的钻台调整装置结构为，钻台（19）的中心设有钻盘（33），在转台（19）的上方设有天车（11），天车（11）通过游车（12）连接钻具（14）；在转台（19）的两端分别设有绞车（18）和死绳固定器（16），钢丝绳（25）一端与绞车（18）连接，另一端绕过天车（11）与死绳固定器（16）连接；在绞车（18）上设有绞车编码器（1），在死绳固定器（16）上设置死绳固定器悬重压力传感器（3）；在钻台（19）上设置液气大钳（15），液气大钳（15）上设置液气大钳扭矩传感器（2）；绞车编码器（1）、液气大钳扭矩传感器（2）和死绳固定器悬重压力传感器（3）分别通过数据线与上位机（8）连接。

3.如权利要求1或2所述的井控工程监测系统，其特征在于：所述的泥浆循环系统结构为，在防溢管（30）上设有导管（31），导管（31）一端位于井口密封器（20）与防喷器（21）之间，导管另一端与泥浆罐（17）相通；在泥浆罐（17）通过泥浆泵（24）连接立管（13），立管上端依次连接油壬（28）和水龙带（27）后与钻具（14）上端相通；所述的立管流量传感器（5）设有在立管（13）下部；所述的导管流量传感器（6）位于导管的入口处。

4.如权利要求1所述的井控工程监测系统，其特征在于：所述的防溢管（30）的上方设置钻具识别传感器（4），钻具识别传感器（4）通过数据线与上位机（8）连接。

5.一种井控工程检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）利用上位机（8）内的软件对绞车编码器（1）、液气大钳扭矩传感器（2）、死绳固定器悬重压力传感器（3）、钻具识别传感器（4）、立管流量传感器（5）、导管流量传感器（6）和灌浆管流量传感器（7）七个传感器上传信息进行自动识别，并记录实时的流量曲线；

2）当识别的立管流量大于零，导管流量大于零时，判断为钻进（循环）工况；并将立管流量传感器（5）出口瞬时流量与导管流量传感器（6）入口瞬时流量实时比对，当立管流量大于导管流量时，说明井漏；当导管流量大于立管流量时，说明溢流；

3）当钻具识别传感器（4）识别钻具（14）向上运动，绞车编码器（1）数值大于26，液气大钳扭矩大于3MPa时，为起钻，并且起出一柱钻具，确定为起钻工况；确定起出钻具的柱数，由上位机来控制PLC控制器的启停，控制灌浆泵（23）定柱定量灌浆，利用灌浆管流量传感器（7）和导管流量传感器（6）流量对比，精确计算出起出钻具的体积，精确计算出应该灌入的泥浆体积，通过上位机软件计算得出是否抽吸、溢流及井漏的现象；

4）当钻具识别传感器（4）识别井筒内无钻具时，判定为空井工况，通过灌浆管流量传感器（7）和导管流量传感器（6）流量对比，确定是否溢流、井漏的现象；

5）当钻具识别传感器（4）识别钻进不上下运动时，判定为暂停工况，则按前一个工况运行识别；

6）如果不与步骤2-5中任意一种工况相同，即为下钻工况；确定下入井内钻具的尺寸、柱数和下入的速度，由上位机来计算应返出的泥浆体积、返出的速度和导管流量传感器（6）得来的数据实时对比，确定是否溢流、井漏的现象；

7）在步骤2-6中若判断为发生抽吸情况后及时并报警，显示每柱的抽吸量、发生抽吸现象时间、累积抽吸量、并保存曲线，直至警报解除；若判断为发生溢流现象时计时并报警，显示瞬时溢流速度、溢流时间、累积溢流量、并保存曲线，直至警报解除；若判断为发生井漏现象时计时并报警，显示瞬时漏速、漏失时间、累积漏失量、并保存曲线，直至警报解除。