CN105715220A - 一种钻井控压系统 - Google Patents
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Abstract
一种钻井控压系统，涉及石油钻探技术领域，它包括钻井装置、井口装置、钻井液循环系统和钻井控压模块，所述钻井装置包括钻杆机架(1)和钻杆机构(2)，所述钻杆机构(2)通过钻杆机架(1)架设在井口，所述井口装置包括井口安全基座(3)、井口四通(4)、井口防喷器(5)和井口出浆管(6)，所述井口安全基座(3)安装在井口，井口安全基座(3)为圆环状，井口安全基座(3)上设有钻井液循环出口；本发明系统结构结设计合理，操作简捷，能够对油气井下的钻井压力进行实时量化监控，并通过程序对各个电磁阀门进行控制，以应对井下压力变化带来的各种不稳定因素，大大提高钻井安全性，具有很好的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及石油钻探技术领域，具体涉及一种钻井控压系统。
背景技术
控压钻井技术是近年来形成的一项钻井新技术，主要用于保护油气层等地下资源、防止钻进中的井漏、保证钻井安全以及加快钻井速度。但目前形成的控压钻井方法，主要是“井底恒压”控制方法和“微流量控制”控制方法，不能将井底压力与地层压力联系起来进行考虑和控制，不能实现二者的实时平衡，不能实现“零压力窗口”地层的钻井。并且配套装备复杂、控制要求高、现场实施难度大，具有很大局限性。石油钻探技术2011年第39卷第4期，在第7-12页介绍了《PCDS-1精细控压钻井系统研制与现场试验》。文中介绍了PCDS-1系统的研制与现场试验情况，也介绍了国外控压钻井技术，包括Schlumberger公司的DAPC系统、Halliburton公司的MPD系统和Weatherford公司的MFC系统。Schlumberger公司的DAPC系统采用“井底恒压”控压方式，节流管汇、回压泵、水力学模型和综合压力控制器协同工作，提供不间断的精确压力控制，使井底压力保持在允许范围内。本方法强调自动调节回压和动态控制，以保持井底压力稳定。Halliburton公司的MPD系统采用“井底恒压”控压方式，其与DAPC的功能类似，并具备微流量监测控制功能，其优势是自动化、反应迅速、控制精度高，井口回压自动控制精度达到0.35MPa。PCDS-1精细控压钻井系统，采用“井底恒压”控制方式，主要由自动节流系统、回压泵系统、液气控制系统、自动控制系统和控制中心等部分组成。在控压钻井试验中，钻进中井口回压值误差不大于设定值0.2MPa，起下钻工况误差在0.5MPa以内。该种控制方式存在四个方面的问题：一是控制目的为“井底恒压”，即pb＝pma+pla+pax(pb为井底压力，pma为环形空间静液压力，pla为循环时环空压耗，pax为井口回压)，没有考虑井底压力与地层压力的平衡。在实施中，即使按设定的井底压力值精确控压，对窄压力窗口或无压力窗口地层，也会因两个压力存在差值而无法达到“不涌不漏”状态；二是对于井底压力的计算，受循环压耗、抽吸压力、激动压力以及钻井液性能等因素影响，难以计算准确；三是需要增加井底测压装置、回压泵、综合压力控制器以及水力学模型等，配套复杂，控制难度大；四是现场实施需要专业队伍，推广难度大。Weatherford公司的MFC系统采用“微流量控制”控压方式，通过实时监测进出口钻井液的微小压力、质量流量、当量循环密度和流速等参数快速改变井口回压，以满足钻井工艺要求。该方式强调微流量监测控制，即在溢流小于80L时即可检测出来并在2min内对其进行控制，使总溢流体积小于800L。该控制方式控制的是溢流，只要既没有溢流、也没有漏失就能达到安全钻井状态，更适应控压钻井要求。但该控压方式存在装置和仪器配套复杂、实施工艺复杂的问题，推广应用难度大。
发明内容
本发明的目的主要是为了解决上述技术问题，而提供一种钻井控压系统。
本发明包括钻井装置、井口装置、钻井液循环系统和钻井控压模块，所述钻井装置包括钻杆机架和钻杆机构，所述钻杆机构通过钻杆机架架设在井口，所述井口装置包括井口安全基座、井口四通、井口防喷器和井口出浆管，所述井口安全基座安装在井口，井口安全基座为圆环状，井口安全基座上设有钻井液循环出口，所述井口四通密封安装在井口安全基座的中心孔处，所述井口防喷器安装在井口四通的底部，所述井口出浆管通过出浆电磁阀与井口四通的顶部出口相通，所述钻井液循环系统包括高压注浆泵、高压注浆管、高压浆电磁阀、循环钻井液出液电磁阀、循环钻井液出液管、加热式气液分离器、钻井液滤渣器和钻井液配液罐，所述高压注浆泵通过高压注浆管和高压浆电磁阀与钻杆机构的内管相通，所述循环钻井液出液管通过循环钻井液出液电磁阀与井口安全基座上的钻井液循环出口相通，循环钻井液出液管与加热式气液分离器的进液口相通，所述加热式气液分离器的出液口与钻井液滤渣器的进液口相通，所述钻井液配液罐的进液口与钻井液滤渣器的出液口相通，所述钻井液配液罐的出液口与高压注浆泵的进液口相通，所述钻井控压模块包括井下压力监控传感器模块、无线传输模块、模拟量输入模块、PLC控制器和开关量输出模块，所述井下压力监控传感器模块包括钻杆第一压力传感器、钻杆第二压力传感器、钻杆第三压力传感器和循环钻井液压力传感器，所述第一压力传感器安装在钻杆机构的钻头上，所述钻杆第二压力传感器安装在钻杆机构的钻杆中部处，所述钻杆第三压力传感器安装在钻杆机构的钻杆内壁上，所述循环钻井液压力传感器安装在井口安全基座的底面上，所述钻杆第一压力传感器、钻杆第二压力传感器、钻杆第三压力传感器和循环钻井液压力传感器分别通过模拟量输入模块和无线传输模块与PLC控制器无线通讯相连，所述PLC控制器通过开关量输出模块分别控制井口防喷器的阀门、高压浆电磁阀和循环钻井液出液电磁阀的开启和关闭。
所述井口防喷器是环形井口防喷器。
还有中控系统，所述中控系统由中央控制计算机、中控大屏幕和声光报警器，所述中央控制计算机与PLC控制器通讯相连，所述中控大屏幕与中央控制计算机通讯相连，所述中央控制计算机控制声光报警器的开启和关闭。
所述无线传输模块是蓝牙模块、WIFI无线通信模块、3G无线通信模块、4G无线通信模块或Zigbee无线通信模块。
本发明优点是：本发明系统结构结设计合理，操作简捷，能够对油气井下的钻井压力进行实时量化监控，并通过程序对各个电磁阀门进行控制，以应对井下压力变化带来的各种不稳定因素，大大提高钻井安全性，具有很好的实用价值。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图中：1、钻杆机架；2、钻杆机构；3、井口安全基座；4、井口四通；5、井口防喷器；6、井口出浆管；7、高压注浆泵；8、高压注浆管；9、高压浆电磁阀；10、循环钻井液出液电磁阀；11、循环钻井液出液管；12、加热式气液分离器；13、钻井液滤渣器；14、钻井液配液罐；15、无线传输模块；16、模拟量输入模块；17、PLC控制器；18、开关量输出模块；19、钻杆第一压力传感器；20、钻杆第二压力传感器；21、钻杆第三压力传感器；22、循环钻井液压力传感器；23、中央控制计算机；24、中控大屏幕；25、声光报警器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明包括钻井装置、井口装置、钻井液循环系统和钻井控压模块，所述钻井装置包括钻杆机架1和钻杆机构2，所述钻杆机构2通过钻杆机架1架设在井口，所述井口装置包括井口安全基座3、井口四通4、井口防喷器5和井口出浆管6，所述井口安全基座3安装在井口，井口安全基座3为圆环状，井口安全基座3上设有钻井液循环出口，所述井口四通4密封安装在井口安全基座3的中心孔处，所述井口防喷器5安装在井口四通4的底部，所述井口出浆管6通过出浆电磁阀与井口四通4的顶部出口相通，所述钻井液循环系统包括高压注浆泵7、高压注浆管8、高压浆电磁阀9、循环钻井液出液电磁阀10、循环钻井液出液管11、加热式气液分离器12、钻井液滤渣器13和钻井液配液罐14，所述高压注浆泵7通过高压注浆管8和高压浆电磁阀9与钻杆机构的内管相通，所述循环钻井液出液管11通过循环钻井液出液电磁阀10与井口安全基座3上的钻井液循环出口相通，循环钻井液出液管11与加热式气液分离器12的进液口相通，所述加热式气液分离器12的出液口与钻井液滤渣器13的进液口相通，所述钻井液配液罐14的进液口与钻井液滤渣器13的出液口相通，所述钻井液配液罐14的出液口与高压注浆泵7的进液口相通，所述钻井控压模块包括井下压力监控传感器模块、无线传输模块15、模拟量输入模块16、PLC控制器17和开关量输出模块18，所述井下压力监控传感器模块包括钻杆第一压力传感器19、钻杆第二压力传感器20、钻杆第三压力传感器21和循环钻井液压力传感器22，所述第一压力传感器19安装在钻杆机构2的钻头上，所述钻杆第二压力传感器20安装在钻杆机构2的钻杆中部处，所述钻杆第三压力传感器21安装在钻杆机构2的钻杆内壁上，所述循环钻井液压力传感器22安装在井口安全基座3的底面上，所述钻杆第一压力传感器19、钻杆第二压力传感器20、钻杆第三压力传感器21和循环钻井液压力传感器22分别通过模拟量输入模块16和无线传输模块15与PLC控制器17无线通讯相连，所述PLC控制器17通过开关量输出模块18分别控制井口防喷器5的阀门、高压浆电磁阀9和循环钻井液出液电磁阀10的开启和关闭。
所述井口防喷器5是环形井口防喷器。
还有中控系统，所述中控系统由中央控制计算机23、中控大屏幕24和声光报警器25，所述中央控制计算机23与PLC控制器17通讯相连，所述中控大屏幕24与中央控制计算机23通讯相连，所述中央控制计算机23控制声光报警器25的开启和关闭。
所述无线传输模块15是蓝牙模块、WIFI无线通信模块、3G无线通信模块、4G无线通信模块或Zigbee无线通信模块。
工作方式及原理：正常钻井时，钻井液配液罐按照设定钻井液配比配制钻井液，并通过高压注浆泵和高压注浆管向钻杆机构的内管注入高压钻井液，高压钻井液向下不断挤压，不断的将矿渣、泥浆等杂质从钻杆外带出，依次通过井口防喷器、井口四通和井口出浆管通入到循环钻井液出液管，后在进入到加热式气液分离器，通过加热的方式使气液分离，分离后，带有杂质的钻井液进入到钻井液滤渣，将杂质过滤掉后，回流到钻井液配液罐，完成钻井液的循环；井下压力监控传感器模块设有钻杆第一压力传感器、钻杆第二压力传感器、钻杆第三压力传感器和循环钻井液压力传感器，钻杆第一压力传感器、钻杆第二压力传感器和钻杆第三压力传感器分别实时监测钻杆各个部位，也就是井下各个深度的钻井液的压力值，循环钻井液压力传感器监控循环钻井液向上冲击力，这些监控的值，实时通过无线传输模块实时发送给PLC控制器，并最终传输给中央控制计算机，中央控制计算机通过不断变化的压力值来判定井下的压力情况，并根据压力情况来对井口防喷器5的阀门、高压浆电磁阀9和循环钻井液出液电磁阀10发出开启或关闭指令，来对井下压力进行调控。当井下压力传感器监测到井下压力异常，有井喷或者井漏风险时，中央控制计算机控声光报警器报警，这时工作人员需要进行紧急处置，避免出现更大损失。
Claims (4)
1.一种钻井控压系统，其特征在于它包括钻井装置、井口装置、钻井液循环系统和钻井控压模块，所述钻井装置包括钻杆机架(1)和钻杆机构(2)，所述钻杆机构(2)通过钻杆机架(1)架设在井口，所述井口装置包括井口安全基座(3)、井口四通(4)、井口防喷器(5)和井口出浆管(6)，所述井口安全基座(3)安装在井口，井口安全基座(3)为圆环状，井口安全基座(3)上设有钻井液循环出口，所述井口四通(4)密封安装在井口安全基座(3)的中心孔处，所述井口防喷器(5)安装在井口四通(4)的底部，所述井口出浆管(6)通过出浆电磁阀与井口四通(4)的顶部出口相通，所述钻井液循环系统包括高压注浆泵(7)、高压注浆管(8)、高压浆电磁阀(9)、循环钻井液出液电磁阀(10)、循环钻井液出液管(11)、加热式气液分离器(12)、钻井液滤渣器(13)和钻井液配液罐(14)，所述高压注浆泵(7)通过高压注浆管(8)和高压浆电磁阀(9)与钻杆机构的内管相通，所述循环钻井液出液管(11)通过循环钻井液出液电磁阀(10)与井口安全基座(3)上的钻井液循环出口相通，循环钻井液出液管(11)与加热式气液分离器(12)的进液口相通，所述加热式气液分离器(12)的出液口与钻井液滤渣器(13)的进液口相通，所述钻井液配液罐(14)的进液口与钻井液滤渣器(13)的出液口相通，所述钻井液配液罐(14)的出液口与高压注浆泵(7)的进液口相通，所述钻井控压模块包括井下压力监控传感器模块、无线传输模块(15)、模拟量输入模块(16)、PLC控制器(17)和开关量输出模块(18)，所述井下压力监控传感器模块包括钻杆第一压力传感器(19)、钻杆第二压力传感器(20)、钻杆第三压力传感器(21)和循环钻井液压力传感器(22)，所述第一压力传感器(19)安装在钻杆机构(2)的钻头上，所述钻杆第二压力传感器(20)安装在钻杆机构(2)的钻杆中部处，所述钻杆第三压力传感器(21)安装在钻杆机构(2)的钻杆内壁上，所述循环钻井液压力传感器(22)安装在井口安全基座(3)的底面上，所述钻杆第一压力传感器(19)、钻杆第二压力传感器(20)、钻杆第三压力传感器(21)和循环钻井液压力传感器(22)分别通过模拟量输入模块(16)和无线传输模块(15)与PLC控制器(17)无线通讯相连，所述PLC控制器(17)通过开关量输出模块(18)分别控制井口防喷器(5)的阀门、高压浆电磁阀(9)和循环钻井液出液电磁阀(10)的开启和关闭。
2.根据权利要求1所述的一种钻井控压系统，其特征在于所述井口防喷器(5)是环形井口防喷器。
3.根据权利要求1所述的一种钻井控压系统，其特征在于还有中控系统，所述中控系统由中央控制计算机(23)、中控大屏幕(24)和声光报警器(25)，所述中央控制计算机(23)与PLC控制器(17)通讯相连，所述中控大屏幕(24)与中央控制计算机(23)通讯相连，所述中央控制计算机(23)控制声光报警器(25)的开启和关闭。
4.根据权利要求1所述的一种钻井控压系统，其特征在于所述无线传输模块(15)是蓝牙模块、WIFI无线通信模块、3G无线通信模块、4G无线通信模块或Zigbee无线通信模块。
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