CN105781420A - 粒子冲击钻井检测与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于石油钻井领域，特别涉及一种粒子冲击钻井检测与控制系统，包括压力表、压力传感器、质量流量计、质量传感器、高压粒子储罐、螺旋输送机、质量传感器、转速传感器、温度传感器、液压工作站、摄像机、旋转储罐、输送带等。全场设置13处摄像机可实现现场的全场视频监控，利用压力传感器、转速传感器、温度传感器、质量传感器、液位传感器、质量流量计等可以实现系统粒子注入量、粒子浓度、螺杆转速、温度、压力、流量、液位等参数的实时监控，实现数据的实时传输现实和控制，同时可减轻现场操作人员的劳动强度，实现数据的远程采集和各设备的远程控制，极大提高了粒子冲击钻井系统的可操作性和安全性。

Description

粒子冲击钻井检测与控制系统

技术领域

本发明涉及一种粒子冲击钻井检测与控制系统，属于石油钻井领域。

背景技术

随着石油钻井所钻遇地层岩石越来硬，地层越来越复杂，石油钻井面临着巨大的技术挑战。粒子冲击钻井技术是一种有效提高硬地层、复杂地层钻井速度，降低钻井成本的有效手段。粒子冲击钻井通过地面在钻井液中加入一定比例的钢质粒子，钢质粒子在钻井液携带下，到达井下钻头，钢质粒子与钻井液从钻头喷嘴高速喷出，通过粒子冲击和钻头机械联合破岩方式，有效提高了岩石的破岩效率，因此可以大幅度的提高石油钻井速度。

粒子冲击钻井技术装备主要包括粒子注入系统装置、粒子回收系统装置、专用粒子冲击钻头、检测与控制系统四大部分。其中粒子注入系统装置、粒子回收系统装置、专用粒子冲击钻头的研究起步较早，已经取得了显著成果。

粒子冲击钻井检测与控制系统是粒子钻井系统的关键部分，检测与控制系统可检测粒子钻井的粒子注入量、粒子浓度、螺杆转速、温度、压力、流量、液位等参数，并将测得的数据通过线路传输到上位机，实现数据的实时传输现实和控制。利用粒子冲击钻井检测与控制系统可及时准确得到系统的各运行参数，同时可减轻现场操作人员的劳动强度，实现数据的远程采集和各设备的远程控制，对采集到的数据进行存储，可为技术人员分析系统的运行状况，及时处理相应故障，并利用控制系统进行相应的控制提供保障，极大提高了粒子冲击钻井系统的可操作性和安全性，因此粒子冲击钻井检测与控制系统研究显得尤为重要。

本发明提出了一套粒子冲击钻井检测与控制系统，实现了系统粒子注入量、粒子浓度、螺杆转速、温度、压力、流量、液位等参数的实时监控，实时采集系统各参数，并能够通过控制系统对相应的参数进行调控，极大了提高了粒子冲击钻井系统的可操作性和安全性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一套粒子冲击钻井检测与控制系统，实现系统粒子注入量、粒子浓度、螺杆转速、温度、压力、流量、液位等参数的实时监控，实时采集系统各参数，并能够通过控制系统对相应的参数进行调控，极大了提高了粒子冲击钻井系统的可操作性和安全性。

本发明所述的粒子冲击钻井检测与控制系统由压力表、压力传感器、质量流量计、质量传感器、高压粒子储罐、螺旋输送机、质量传感器、转速传感器、温度传感器、液压工作站、摄像机、射吸漏斗、磁选机、振动筛、泥浆储罐、螺杆泵、旋转储罐、输送带、砂泵、高低压阀门、高低压管线组成。

钻井液经过泥浆泵加压后，经高压管线到达高压粒子罐的底部，压力表、压力传感器、质量流量计分别安装于入口高压管线上。高压粒子罐中的粒子在螺旋输送机的作用下，螺杆旋转将高压罐的粒子旋转进入高压钻井液中。高压粒子罐压力平衡管线上安装压力表和压力传感器。螺旋输送机由液压马达控制螺杆的旋转，液压马达由液压工作站控制。螺旋输送机螺杆外筒上安装转速传感器、温度传感器。高压粒子罐底部安装重量传感器。粒子从高压粒子罐中流出和钻井液混合后，形成粒子和钻井液混合液，经过高压管线达到钻井平台立管，出口的高压管线安装质量流量计。粒子和钻井液通过立管进入到井下钻头，粒子从钻头喷嘴高速喷出，实现了粒子冲击辅助钻头破岩，破岩后的粒子和岩屑在钻井液携带下，从井队环空中上返到井口。两个高压粒子罐交替运行，实现粒子的不间断注入。

返回的粒子和岩屑混合物进入输送带中，由输送带输送至射吸漏斗，射吸漏斗由砂泵提供动力液。粒子和岩屑在液体的携带下，达到磁选机，磁选机磁选作用下，粒子和岩屑分开，分离得到的粒子进入旋转储罐中，分离出的岩屑由振动筛筛出。剩余的液体进入到泥浆罐中，在泥浆罐的一侧安装有液位传感器。粒子在旋转储罐中，不断的旋转运动，可防止粒子的粘结。旋转储罐的底部安装有质量传感器，当需要粒子时，旋转储罐反转，粒子旋转储罐进入到螺杆泵漏斗中，螺杆泵上安装有转速传感器，粒子在螺杆泵作用下，被输送到射吸漏斗中，射吸漏斗动力液来自砂泵，粒子在砂泵液体的携带下进入到高压粒子罐中，实现了对高压粒子罐的供料。

全场设置共设置13处摄像机，实现全场的视频监控，两个高压粒子罐顶部各设置一处摄像机，两个螺旋输送机附近各设置一处摄像机、高压管线附近设置一处摄像机、场地设置一处摄像机、磁选机附近设置一处摄像机，振动筛附近设置一处摄像机、泥浆罐上部设置一处摄像机、旋转储罐附近设置一处摄像机、螺杆输送机附近设置一处摄像机、输送带附近设置一处摄像机、砂泵附近设置一处摄像机，各个摄像机信号通过信号传输线输送到硬盘录像机上。

压力传感器、转速传感器、温度传感器、质量传感器、液位传感器、流量计的信号，通过信号传输线输送到上位机，将实时采集到的监测数据进行集中存储与分析显示，建立各传感器与监测软件系统的连接。

本发明的有益效果是：

利用压力传感器、转速传感器、温度传感器、质量传感器、液位传感器、质量流量计等可以实现系统粒子注入量、粒子浓度、螺杆转速、温度、压力、流量、液位等参数的实时监控，实现数据的实时传输现实和控制。利用粒子冲击钻井检测与控制系统可及时准确得到系统的各运行参数，同时可减轻现场操作人员的劳动强度，实现数据的远程采集和各设备的远程控制，对采集到的数据进行存储，可为技术人员分析系统的运行状况，及时处理相应故障，并利用控制系统进行相应的控制提供保障，极大提高了粒子冲击钻井系统的可操作性和安全性。

压力传感器和压力表可实时获得钻井液入口压力、两个高压粒子罐的压力，保证系统压力在设计的压力范围内。质量流量计可测得系统入口钻井液流量、出口的钻井液流量、粒子的流量等，通过数学计算即可得粒子的注入量和注入浓度。质量传感器可测得高压粒子罐、旋转储罐内的粒子和钻井液的重量，判断罐中的粒子是否加满或者排空。转速传感器可以测量螺旋输送机、螺杆输送机的转速，进而确定粒子的注入速率，保证注入速率在设计的范围内。温度传感器器可测量螺旋输送机外筒的温度，判断螺旋输送机的是否正常安全运转，保证螺旋输送机外筒温度在安全范围内。液位计可测量得到泥浆罐内液位，可确定泥浆罐中的液体量，保证液位在设计的范围内。全场设置13处摄像机可实现现场的全场视频监控，实时获得现各部件的运行参数，可及时发现可能出现的问题，各个摄像机信号通过信号传输线输送到硬盘录像机上。

螺旋输送机通过螺杆马达控制，通过质量传感器、转速等可计算出钻井液中粒子的浓度，从而根据设计的粒子浓度，通过螺杆马达对螺杆转速的控制，可以精确控制钻井液中的粒子浓度。

附图说明

图1为本发明的工作示意图。

图中：1、入口压力表2、入口压力传感器3、1#质量流量计4、1#高压粒子罐压力传感器5、1#高压粒子罐压力表6、1#质量传感器7、1#转速传感器8、1#高压粒子罐9、1#螺旋输送机10、1#温度传感器11、液压工作站12、1#摄像机13、2#质量流量计14、2#质量传感器15、2#摄像机16、3#摄像机17、2#转速传感器18、2#高压粒子罐压力表19、2#高压粒子罐压力传感器20、2#螺旋输送机21、4#摄像机22、2#高压粒子罐23、5#摄像机24、2#温度传感器25、3#质量传感器26、射吸漏斗27、6#摄像机28、振动筛29、泥浆储罐30、7#摄像机31、3#转速传感器32、螺杆输送机33、磁选机34、8#摄像机35、旋转储罐36、4#质量传感器37、5#质量传感器38、9#摄像机39、液位传感器40、10#摄像机41、11#摄像机42、输送带43、1#砂泵44、2#砂泵45、3#砂泵46、12#摄像机47、13#摄像机

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明所述的粒子冲击钻井检测与控制系统，包括入口压力表1、入口压力传感器2、1#质量流量计3、1#高压粒子罐压力传感器4、1#高压粒子罐压力表5、1#质量传感器6、1#转速传感器7、1#高压粒子罐8、1#螺旋输送机9、1#温度传感器10、液压工作站11、1#摄像机12、2#质量流量计13、2#质量传感器14、2#摄像机15、3#摄像机16、2#转速传感器17、2#高压粒子罐压力表18、2#高压粒子罐压力传感器19、2#螺旋输送机20、4#摄像机21、2#高压粒子罐22、5#摄像机23、2#温度传感器24、3#质量传感器25、射吸漏斗26、6#摄像机27、振动筛28、泥浆储罐29、7#摄像机30、3#转速传感器31、螺杆输送机32、磁选机33、8#摄像机34、旋转储罐35、4#质量传感器36、5#质量传感器37、9#摄像机38、液位传感器39、10#摄像机40、11#摄像机41、输送带42、1#砂泵43、2#砂泵44、3#砂泵45、12#摄像机46、13#摄像机47。入口压力表1、入口压力传感器2、1#质量流量计3分别安装在系统的入口高压管线上，1#高压粒子罐压力传感器4、1#高压粒子罐压力表5安装在1#高压粒子罐8的压力平衡管线上，可测量1#高压粒子罐的压力，并把数据采集传输到上位机。1#质量传感器6、2#质量传感器14和3#质量传感器25分别安装在1#高压粒子罐8和2#高压粒子罐22的支持腿底部，质量传感器可测得罐内粒子和钻井液的重量，并将数据传输的到上位机。1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20分别安装在1#高压粒子罐8和2#高压粒子罐22的罐体下部，通过高压由壬连接，螺旋输送机的螺杆由液压马达控制，液压马达由液压工作站11驱动。1#转速传感器7和2#转速传感器17分别安装在1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20的外筒上，可测量螺旋输送机的螺杆转速，进而确定粒子的注入速度，并将数据传输到上位机。1#温度传感器10和2#温度传感器24分别安装在1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20的外筒上，可测量螺旋输送机外筒的温度，判断螺旋输送机的温度是否在正常的温度范围内，并将数据传输到上位机。2#质量流量计13安装的系统的出口管线上，可测量钻井液流量、粒子的流量等，通过数学计算即可得出粒子的注入浓度。2#高压粒子罐压力表18和2#高压粒子罐压力传感器19安装在2#高压粒子罐22的平衡压力管线上，可测量2#高压粒子罐的压力，并把数据采集传输到上位机。从钻井井口返出的粒子和钻井液混合物首先进入到磁选机33，通过磁选分离作用，粒子和钻井液分离。分离出的钻井液进入磁选机33底部的泥浆储罐29。泥浆储罐29的一侧安装液位传感器39，可测量泥浆储罐29的液位，并把测得数据输送到上位机。分离出的粒子进入磁选机33前方的旋转储罐35中，旋转储罐35通过液压驱动旋转，在旋转作用下可防止粒子的结块。4#质量传感器36和5#质量传感器37分别安装在旋转储罐35的底部，可测量旋转储罐35的重量，即可得出旋转储罐35中的粒子含量。螺杆输送机32安装在旋转储罐35的出口位置，可将旋转储罐35的粒子输送到射吸漏斗26中，3#转速传感器安装在螺杆输送机32的外筒上，可测量得到螺杆的转速，即可得到粒子的输送量。射吸漏斗26的动力液来自砂泵，1#砂泵43、2#砂泵44和3#砂泵45三个砂泵并联连接，为射吸漏斗26和输送带42提供动力液，实现粒子和岩屑的携带输送。全场设置13处摄像机，可实现现场的全场视频监控，1#摄像机12设置监控高压管线区域，2#摄像机15设置监控1#螺旋输送机9区域，3#摄像机16设置监控1#高压粒子罐8区域，4#摄像机21设置监控2#高压粒子罐22区域，、5#摄像机23设置监控2#螺旋输送机20区域，6#摄像机27设置监控振动筛28区域，7#摄像机30设置监控螺杆输送机32区域，8#摄像机34监控检测场地，9#摄像机38设置监控旋转储罐35区域，10#摄像机40设置监控泥浆罐，11#摄像机41设置监控磁选机区域，12#摄像机46设置监控砂泵区域，13#摄像机47设置监控输送带42区域，各个摄像机信号通过信号传输线输送到硬盘录像机上。

Claims (4)

1.粒子冲击钻井检测与控制系统，包括(1)入口压力表、(2)入口压力传感器、(3)1#质量流量计、(4)1#高压粒子罐压力传感器、(5)1#高压粒子罐压力表、(6)1#质量传感器、(7)1#转速传感器、(8)1#高压粒子罐、(9)1#螺旋输送机、(10)1#温度传感器、(11)液压工作站、(12)1#摄像机、(13)2#质量流量计、(14)2#质量传感器、(15)2#摄像机、(16)3#摄像机、(17)2#转速传感器、(18)2#高压粒子罐压力表、(19)2#高压粒子罐压力传感器、(20)2#螺旋输送机、(21)4#摄像机、(22)2#高压粒子罐、(23)5#摄像机、(24)2#温度传感器、(25)3#质量传感器、(26)射吸漏斗、(27)6#摄像机、(28)振动筛、(29)泥浆储罐、(30)7#摄像机、(31)3#转速传感器、(32)螺杆输送机、(33)磁选机、(34)8#摄像机、(35)旋转储罐、(36)4#质量传感器、(37)5#质量传感器、(38)9#摄像机、(39)液位传感器、(40)10#摄像机、(41)11#摄像机、(42)输送带、(43)1#砂泵、(44)2#砂泵、(45)3#砂泵、(46)12#摄像机、(47)13#摄像机；入口压力表1、入口压力传感器2、1#质量流量计3分别安装在系统的高压入口管线上，1#高压粒子罐压力传感器4、1#高压粒子罐压力表5安装在1#高压粒子罐8的压力平衡管线上，1#质量传感器6、2#质量传感器14和3#质量传感器25分别安装在1#高压粒子罐8和2#高压粒子罐22的支持腿底部；1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20分别安装在1#高压粒子罐8和2#高压粒子罐22的罐体下部，通过高压由壬连接，螺旋输送机的螺杆由液压马达控制，液压马达由液压工作站11驱动，1#转速传感器7和2#转速传感器17分别安装在1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20的外筒上，1#温度传感器10和2#温度传感器24分别安装在1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20的外筒上；2#质量流量计13安装的系统的出口高压管线上，2#高压粒子罐压力表18和2#高压粒子罐压力传感器19安装在2#高压粒子罐22的平衡压力管线上；从钻井井口返出的粒子和钻井液混合物首先进入到磁选机33，通过磁选分离作用，粒子和钻井液分离，分离出的钻井液进入磁选机33底部的泥浆储罐29，泥浆储罐29的一侧安装液位传感器39，可测量泥浆储罐29的液位；分离出的粒子进入磁选机33前方的旋转储罐35中，旋转储罐35通过液压驱动旋转，旋转作用下可以防止粒子的结块，4#质量传感器和5#质量传感器37分别安装在旋转储罐35的底部，可测量旋转储罐的重量，即可得出旋转储罐中的粒子含量，螺杆输送机32安装在旋转储罐的出口位置，可将旋转储罐的粒子输送到射吸漏斗26中，3#转速传感器安装在螺杆输送机32的外筒上；射吸漏斗26的动力液来自砂泵，1#砂泵43、2#砂泵44和3#砂泵45三个砂泵并联连接；全场设置13处摄像机，可实现现场的全场视频监控，1#摄像机12设置监控高压管线区域，2#摄像机15设置监控1#螺杆输送机9区域，3#摄像机16设置监控1#高压粒子罐8区域，4#摄像机21设置监控2#高压粒子罐22区域，、5#摄像机23设置监控2#螺杆输送机20区域，6#摄像机27设置监控振动筛28区域，7#摄像机30设置监控螺杆输送机32区域，8#摄像机34设置监控场地，9#摄像机38设置监控旋转储罐35区域，10#摄像机40设置监控泥浆罐，11#摄像机41设置监控磁选机区域，12#摄像机46设置监控砂泵区域，13#摄像机47设置监控输送带42区域，各个摄像机信号通过信号传输线输送到硬盘录像机上。

2.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井检测与控制系统，其特征在于：利用入口压力表1、入口压力传感器2、1#质量流量计3、1#高压粒子罐压力传感器4、2#高压粒子罐压力表5、1#质量传感器6、1#转速传感器7、1#温度传感器10、2#质量流量计13、2#质量传感器16、2#转速传感器17、2#高压粒子罐压力表18、2#高压粒子罐压力传感器23、2#温度传感器24、3#质量传感器25、射吸漏斗26、6#摄像机27、振动筛28、泥浆储罐29、7#摄像机30、3#转速传感器31、4#质量传感器36、5#质量传感器37、液位传感器39可以实现系统粒子注入量、粒子浓度、螺杆转速、温度、压力、流量、液位等参数的实时监控，实时采集系统各参数；入口压力表1、入口压力传感器2、、1#高压粒子罐压力传感器4、2#高压粒子罐压力表5、2#高压粒子罐压力表18、2#高压粒子罐压力传感器23可实时获得钻井液入口压力、1#高压粒子罐8和2#高压粒子罐22的压力，保证系统压力在设计的压力范围内，1#质量流量计3可测得系统入口钻井液流量、出口的钻井液流量、粒子的流量等，通过数学计算即可得出粒子的注入浓度，1#质量传感器6、2#质量传感器16、3#质量传感器25、4#质量传感器36、5#质量传感器可以测得1#高压粒子罐8和2#高压粒子罐22、旋转储罐35内的粒子和钻井液的重量，判断罐中的粒子是否加满或者排空，1#转速传感器、2#转速传感器17、3#转速传感器31转速传感器可以测量1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20、螺杆输送机32的转速，可确定粒子的注入速率，保证注入速率在设计的范围内；1#温度传感器10、2#温度传感器24、可测量1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20外筒的温度，保证螺杆输送机外筒温度在安全范围内，液位传感器39可测量得到泥浆罐内液位，进而可确定泥浆罐29中的液体量，保证液位在设计的范围内。

3.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井检测与控制系统，其特征在于：通过接收到的远程信号，可实时得到系统的运行参数并判断系统的运行状况，并可利用控制系统对相应的参数进行调控，1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20通过液压马达控制，利用2#质量传感器16、3#质量传感器25、4#质量传感器36、1#转速传感器、2#转速传感器17、3#转速传感器31数据可计算出钻井液中粒子的浓度，从而根据设计的粒子浓度，通过控制1#螺旋输送机9和2#螺旋输送机20的螺杆转速，可精确控制钻井液中的粒子浓度。

4.根据权利要求1所述的粒子冲击钻井检测与控制系统，其特征在于：输送带42输送至射吸漏斗26，射吸漏斗26由1#砂泵43、2#砂泵44和3#砂泵45提供动力液，粒子和岩屑在液体的携带下，达到磁选机33，磁选机33磁选作用下，粒子和岩屑分开，分离得到的粒子进入旋转储罐35中，分离出的岩屑由振动筛筛出，剩余的液体进入到泥浆储罐29中，粒子在泥浆储罐29中，不断的旋转运动，可防止粒子的粘结，当需要粒子时，泥浆储罐29反转，粒子从泥浆储罐29进入到螺杆输送机32漏斗中，粒子在螺杆输送机32作用下，被输送到射吸漏斗26中，射吸漏斗26的液体来自砂泵，粒子在砂泵液体的携带下进入到1#高压粒子罐8和2#高压粒子罐22中，实现了对1#高压粒子罐8和2#高压粒子罐22的供料。