CN105952401A - 精准控压循环排污方法 - Google Patents

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Abstract

一种精准控压循环排污方法，其通过PLC数据采集系统将采集的工程参数及工控机控制系统的数据输入系统输入的各种参数存入数据库；之后系统将自动计算并设置在低泵冲或压井泵速时立管目标压力值；工控机的计算系统将实时计算井口目标压力并与前一井口目标压力进行比较，如相差在预定范围内，保持以前的井口目标压力值；如超出预定范围则采用当前计算的井口目标压力为设定值；工控机根据目标井口压力值发出指令到PLC控制系统，由PLC控制系统来开关节流阀开度，直至实际井口压力接近井口目标压力值。本发明可解决在循环排污过程中自动、精准、及时调节井口压力，确保立管压力稳定并等于或接近立管目标压力值，从而实现循环排污时井底压力稳定，并保持在地层压力窗口之内。

Description

精准控压循环排污方法
技术领域
本发明涉及石油钻井作业领域，尤指一种精准控压循环排污方法。
背景技术
在钻井过程中，经常遇到溢流需要循环排污，在循环排污过程中，保持井底压力恒定并在地层密度窗口内是关键，所以如何控制好井底压力至关重要。
目前循环排污的方法有一种就是司钻法压井的第一步，通过井队的节流管汇进行节流循环排污，操纵井队的节控箱对井队节流管汇的节流阀开度进行调节来控制井口压力，一般是根据立管压力、进出口量和泥浆池液面变化来调整节流阀的开度，进行循环排污，但由于是通过人力观察与记录有关参数，加上井队的液控柜控制精度不高，井口压力控制不好，造成立管压力波动大，很难在排污循环过程中，保持井底压力稳定并处于过平衡状态，往往时高时低，低于地层压力时，引起再次或多次溢流，造成井口压力越来越高，形成井控风险，甚至造成井控事故，高于地层破裂压力时，引起井漏，甚至压裂地层。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精准控压循环排污方法，其可以解决在循环排污过程中，通过自动、精准、及时调节井口压力，保持立管压力稳定并与设置的立管目标压力一致，从而确保井底压力稳定并保持在地层压力窗口之内，避免井底压力波动大，高于地层破裂压力造成漏失或低于地层压力时造成再次溢流，从而引起井下复杂，造成井控风险与事故，降低钻井效率。
为了实现上述目的，本发明的技术解决方案为：一种精准控压循环排污方法，其中包括如下步骤：
(1)首先通过PLC数据采集系统将实时采集的工程参数及工控机控制系统带有的输入系统输入的各种参数存入精准控压循环排污辅助系统的数据库；
(2)通过工控机控制系统的输入系统输入地层压力、压井泵速、压井泵速时的循环摩阻、关井立压、过平衡压力等参数，系统将自动计算并设置在低泵冲或压井泵速时立管目标压力值；
(3)工控机控制系统的计算系统将实时计算井口目标压力，并与前一个井口目标压力进行比较，如果相差在预定范围之内，保持以前的井口目标压力值；如果超出预定范围，则采用当前计算的井口目标压力为设定值。
(4)工控机根据目标井口压力值来发出指令到PLC控制系统，由PLC控制系统来开关节流阀开度，直至实际井口压力接近井口目标压力值。
本发明精准控压循环排污方法，其中所述步骤(1)中PLC数据采集系统实时采集精准控压循环排污辅助系统的参数，这些参数包括立管压力、井口压力、套压、旋控头压力、节流阀后压力、泵入排量、出口流量、池体积、节流阀开度。
本发明精准控压循环排污方法，其中所述步骤(1)中工控机控制系统带有的输入系统输入的参数包括钻井泵缸套尺寸、泵效率、低泵冲冲数、低泵冲循环时的循环磨阻、关井立压、过平衡压力、钻具组合尺寸、井身结构尺寸、泥浆性能与参数、设定参与平均立管压力计算个数、设定参与平均井口压力计算个数、井口目标压力精度。
本发明精准控压循环排污方法，其中所述步骤(1)中测得的各数据由数据显示系统从工控机的数据库里随意提取，显示在显示屏上。
本发明精准控压循环排污方法，其中所述精准控压循环排污辅助系统包括一端下入井底的钻具，所述钻具穿过设于钻井平台下的环形防喷器，所述环形防喷器上安装有旋控头，所述旋控头与旋控头压力传感器连接，所述钻具另一端通过立管与泥浆泵组连接，所述立管与立压传感器连接，所述泥浆泵组上连接有泥浆泵传感器组，所述环形防喷器的下部与防喷器组连接，所述防喷器下部与钻井四通连接，所述钻井四通通过放喷管线与井队节流控制管汇连接，所述井队节流控制管汇与套压传感器连接，所述旋控头通过返出主管线与自动节流控制管汇连接，所述自动节流控制管汇上安装有第一节流阀和第二节流阀，所述自动节流控制管汇上位于第一节流阀和第二节流阀的前、后部管线上分别连接有井口压力传感器和阀后压力传感器，位于所述第一节流阀和第二节流阀的后部管线上安装有流量计，所述自动节流控制管汇与低压管线连接，所述低压管线一端与液气分离器连接，所述液气分离器的出液端与泥浆罐组连接，所述液气分离器的出气端与火炬连接，所述低压管线的另一端直接与泥浆罐组连接，所述自动节流控制管汇安装PLC采集与控制系统，所述PLC采集与控制系统与操作间内的工控机连接。
本发明精准控压循环排污方法，其中所述步骤(2)中自动计算并设置在压井泵速时立管目标压力值，其计算方法为P目标立压＝P平+P过平衡+P摩，其中计算平衡地层的立管压力P平方法为：当钻具组合没有浮阀时：P平＝关井时立管压力P关立，当钻具组合装有浮阀时：P平＝顶通浮阀瞬间的立管压力P瞬间立；其中P过平衡为设置超过地层孔隙压力，一般取地层密度压力窗口的上限；P摩测试方法为：将钻具提离井底，开泵到规定的低泵冲泵速或压井泵速，待泵工作稳定后，读取并记录立管压力P立，此时的立管压力P立＝低泵冲泵或压井泵速循环时系统摩阻压力P摩。
本发明精准控压循环排污方法，其中所述步骤(3)中自动计算并设置在压井泵速时井口目标压力，其计算方法为：
井口目标压力P井口目标＝目标立管压力P目标立压-平均立管压力P平均立压+井口平均压力P平均井口，当计算出的井口目标压力与前一个井口目标压力进行比较，如果相差在预定范围之内，则保持以前的井口压力目标值；如果超出预定范围，则采用当前计算的井口目标压力为设定值，其中P平均立压的计算为：P平均立压＝(P立1+P立2…P立N)/N，N表示前立管压力个数，N≥1；P平均井口的计算为：P平均井口＝(P井口1+P井口2…P井口N)/N，N表示前井口压力个数，N≥1。
本发明精准控压循环排污方法，其中所述步骤(4)工控机根据目标井口压力值来发出指令到PLC控制系统，由PLC控制系统来开关节流阀开度，直至实际井口压力接近井口目标压力值，其包括系统如下：
PLC数据采集系统：采集数据信息传输给工控机中央集成控制系统的数据库；
工控机中央集成控制系统：接收PLC数据采集系统的数据信息并存入数据库，将内部的工控机输入系统的数据信息存入数据库，并将数据库接收的所有数据信息反馈给内部的计算系统、显示系统，同时将信息给决策系统进行计算、比较、决策及设置，指令中心将设置数据信息反馈给PLC控制系统；
PLC控制系统：接收指令中心的指令并执行。
本发明精准控压循环排污方法，其中所述PLC数据采集系统通过网线与工控机中央集成控制系统的数据库连接，所述决策系统通过指令中心与PLC控制系统通过网线连接，所述工控机中央集成控制系统的数据库通过数据线分别与工控机中央集成控制系统的计算系统、显示系统及决策系统连接。
采用上述方案后，本发明精准控压循环排污方法通过设置立管目标压力，中央集成控制系统将会自动控制节流阀开度，调节井口压力，使立管压力恒定并与立管目标压力一致，使井底压力在循环排污的过程中处于平稳、过平衡状态，并保持在地层密度窗口之内，确保循环排污作业安全、高效。
附图说明
图1是本发明精准控压循环排污方法的辅助系统结构示意图；
图2是本发明精准控压循环排污方法的控制系统结构示意图。
具体实施方式
结合图1和图2所示，本发明精准控压循环排污方法，其包括如下步骤：
(1)首先通过PLC数据采集系统将实时采集的工程参数：立管压力P立、井口压力P井 口、套压、旋控头压力、节流阀后压力、泵入排量、出口流量、池体积、节流阀开度及工控机中央集成控制系统带有的数据输入系统输入的各种参数：低泵冲冲数、钻井泵缸套尺寸、泵效率、低泵冲时循环磨阻、关井立压、过平衡压力、钻具组合、井身结构、泥浆性能与参数、设定参与平均立管压力计算个数、设定参与平均井口压力计算个数、井口目标压力精度存入精准控压循环排污辅助系统的数据库，测得的各数据由数据显示系统从工控机的数据库里随意提取，显示在显示屏上。结合图1所示，精准控压循环排污辅助系统包括一端下入井底的钻具5，钻具5穿过设于钻井平台6下的环形防喷器9，环形防喷器9上安装有旋控头7，旋控头7与旋控头压力传感器8连接，钻具5的另一端与立管3连接，立管3与立压传感器4连接，立管3的另一端与泥浆泵组1连接，泥浆泵组1上连接有泥浆泵传感器组2，环形防喷器9下面的放喷管线10与井队节流控制管汇11连接，套压传感器12与井队节流控制管汇11连接，旋控头7通过返出主管线13与自动节流控制管汇14连接，自动节流控制管汇14上安装有第一节流阀15和第二节流阀16，自动节流控制管汇14上位于第一节流阀15和第二节流阀16的前、后部管线上分别连接有井口压力传感器17和阀后压力传感器18，位于第一节流阀15和第二节流阀16的后部管线上安装有流量计19，自动节流控制管汇14的出口与低压管线20连接，低压管线20的一端与液气分离器21连接，液气分离器21的出液端与泥浆罐组22连接，液位传感器组23与泥浆罐组22连接，液气分离器21的出气端与火炬24连接，低压管线20的另一端与泥浆罐组22连接，自动节流控制管汇14还包括PLC采集及控制系统25，PLC采集及控制系统25与工控机操作间26里的工控机27连接，结合图2所示，操作间里的工控机27包括工控机中央集成控制系统28，工控机中央集成控制系统28包括工控机输入系统29、数据库30、显示系统31、计算系统32、决策系统33及指令中心34。工控机中央集成控制系统28：用于接收PLC数据采集系统36的数据信息并存入数据库30，将内部的工控机输入系统29的数据信息存入数据库30，并将数据库30接收的所有数据信息反馈给内部的计算系统32、显示系统31，同时将信息给决策系统33进行计算、比较、决策及设置，指令中心34将设置数据信息反馈给PLC控制系统37；PLC数据采集系统36采集传感器系统35，用于采集数据信息传输给工控机中央集成控制系统28的数据库30；PLC控制系统37：用于接收指令中心34的指令并执行。其中PLC数据采集系统36通过网线与工控机中央集成控制系统28的数据库30连接，其中决策系统33通过指令中心34与PLC控制系统37通过网线连接，工控机中央集成控制系统28的数据库30通过数据线分别与工控机中央集成控制系统28的计算系统32、显示系统31及决策系统33连接。
(2)通过工控机中央集成控制系统28的工控机输入系统29输入地层压力P地、压井泵速泵速F、压井泵速时的循环摩阻P摩、关井立压P关立、过平衡压力P过平衡，系统将自动计算并设置在低泵冲(或压井泵速)时目标立管压力值P目标立压，P目标立压＝P平+P过平衡+P摩，其中计算平衡地层的立管压力P平方法为：当钻具组合没有浮阀时：P平＝关井时立管压力P关 立，当钻具组合装有浮阀时：P平＝顶通浮阀瞬间的立管压力P瞬间立；平衡地层压力P过平衡取地层密度压力窗口的上限；P摩测试方法为：将钻具提离井底，开泵到规定的低泵冲泵速或压井泵速，待泵工作稳定后，读取并记录立管压力P立，此时的立管压力P立＝低泵冲泵或压井泵速循环时系统摩阻压力P摩；
(3)工控机中央集成控制系统28的计算系统32将实时计算井口目标压力，并与前一个井口目标压力进行比较，如果相差在预定范围之内，该预定范围一般设置在10psi，保持以前的井口目标压力值；如果超出该预定范围，则采用当前计算的井口目标压力为设定值，其中井口目标压力P井口目标＝目标立管压力P目标立压-平均立管压力P平均立压+井口平均压力P平 均井口，当计算出的井口目标压力与前一个井口目标压力进行比较，如果相差在预定范围之内，则保持以前的井口压力目标值；如果超出预定范围10psi，则采用当前计算的井口目标压力为设定值，其中P平均立压的计算为：P平均立压＝(P立1+P立2…P立N)/N，N表示前立管压力个数，N≥1，当N取1时，表示当前立管压力就是平均立管压力；当N取2时，表示前一个立管压力和当前立管压力平均为平均立管压力；……；P平均井口的计算为：P平均井口＝(P井口 1+P井口2…P井口N)/N，N表示前井口压力个数，N≥1，当N取1时，表示当前井口压力就是平均井口压力；当N取2时，表示前一个井口压力和当前井口压力的平均就是平均井口压力……；
(4)工控机根据目标井口压力值来发出指令到PLC控制系统37，由PLC控制系统37来开关第一节流阀15或第二节流阀16的开度，直至实际井口压力接近井口目标压力值。它是通过工控机中央集成控制系统28根据实时计算的井口目标压力(P井口目标)和PLC数据采集系统36采集到的井口压力值进行比对、计算、分析和决策，然后通过指令中心34不停地向PLC控制系统37发出指令，再由PLC控制系统37调节第一节流阀15或第二节流阀16的开度，保持实际井口压力压力(P井口)与井口目标压力值(P目标井口)接近，误差保持在设定范围值内，该范围值一般是10psi。
本发明精准控压循环排污方法利用精准控压循环排污辅助系统的工控机中央集成控制系统2使整个循环排污期间，通过自动控制立管压力的方式，实现井底压力控制，使其保持恒定并大于地层压力；精准控压循环排污辅助系统的工控机中央集成控制系统28是通过设置目标立管压力的方式，计算并设置井口目标压力，并通过PLC数据采集系统36，不断更新数据，然后通过决策系统33，不断比对、计算、分析、决策和设置，并通过PLC控制系统37调节第一节流阀15或第二节流阀16的开度来实现井口压力与井口目标压力一致，从而使立管压力接近目标立管压力，最终实现井底压力恒定并在地层密度窗口之内，确保循环排污安全、高效。
实例1：
井深5000m，泥浆密度1.2g/cm3，低泵在30冲/分钟，立管压力12兆帕。在此井深发生溢流关井，关井立压6兆帕(钻具组合没有浮阀)，地层破裂压力62Mpa的循环排污方案为：
一、根据上述信息，计算目标立管压力：
1、计算地层压力：P地＝0.00981x5000mx1.2g/cm3+6Mpa＝58.86Mpa；
2、过平衡压力：最大过平衡压力＝地层破裂压力-P地＝62-58.86＝3.14Mpa，所以可以使用3Mpa为过平衡压力；
3、低泵冲实验时立管压力为12Mpa，P摩＝P立＝12Mpa；
4、平衡地层立压：由于钻具组合没有安装浮阀，所以P平＝P关立＝6Mpa；
5、立管目标压力：P目标立压＝P平+P过平衡+P摩＝6+3+12＝21Mpa
二、根据计算的立管目标压力进行精准控压循环排污：
1、在精准控压循环排污辅助系统中输入相关参数；
2、设定立管目标压力；
3、保持套压不变，开泵至30冲/分钟；
4、系统将自动计算井口目标压力；
5、PLC控制系统37将自动调节第一节流阀15或第二节流阀16的开度，实现井口压力与井口目标压力一致，立管压力与立管目标压力一致，确保井底压力恒定并大于地层压力。
以上所述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种精准控压循环排污方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先通过PLC数据采集系统将实时采集的工程参数及工控机控制系统带有的输入系统输入的各种参数存入精准控压循环排污辅助系统的数据库；
(2)通过工控机控制系统的输入系统输入地层压力、压井泵速、压井泵速时的循环摩阻、关井立压、过平衡压力等参数，系统将自动计算并设置在低泵冲或压井泵速时立管目标压力值；
(3)工控机控制系统的计算系统将实时计算井口目标压力，并与前一个井口目标压力进行比较，如果相差在预定范围之内，保持以前的井口目标压力值；如果超出预定范围，则采用当前计算的井口目标压力为设定值。
(4)工控机根据目标井口压力值来发出指令到PLC控制系统，由PLC控制系统来开关节流阀开度，直至实际井口压力接近井口目标压力值。
2.如权利要求1所述的精准控压循环排污方法，其特征在于，所述步骤(1)中PLC数据采集系统实时采集精准控压循环排污辅助系统的参数，这些参数包括立管压力、井口压力、套压、旋控头压力、节流阀后压力、泵入排量、出口流量、池体积、节流阀开度。
3.如权利要求1所述的精准控压循环排污方法，其特征在于，所述步骤(1)中工控机控制系统带有的输入系统输入的参数包括钻井泵缸套尺寸、泵效率、低泵冲冲数、低泵冲循环时的循环磨阻、关井立压、过平衡压力、钻具组合尺寸、井身结构尺寸、泥浆性能与参数、设定参与平均立管压力计算个数、设定参与平均井口压力计算个数、井口目标压力精度。
4.如权利要求1所述的精准控压循环排污方法，其特征在于，所述步骤(1)中测得的各数据由数据显示系统从工控机的数据库里随意提取，显示在显示屏上。
5.如权利要求1-4之一所述的精准控压循环排污方法，其特征在于，所述精准控压循环排污辅助系统包括一端下入井底的钻具，所述钻具穿过设于钻井平台下的环形防喷器，所述环形防喷器上安装有旋控头，所述旋控头与旋控头压力传感器连接，所述钻具另一端通过立管与泥浆泵组连接，所述立管与立压传感器连接，所述泥浆泵组上连接有泥浆泵传感器组，所述环形防喷器的下部与防喷器组连接，所述防喷器下部与钻井四通连接，所述钻井四通通过放喷管线与井队节流控制管汇连接，所述井队节流控制管汇与套压传感器连接，所述旋控头通过返出主管线与自动节流控制管汇连接，所述自动节流控制管汇上安装有第一节流阀和第二节流阀，所述自动节流控制管汇上位于第一节流阀和第二节流阀的前、后部管线上分别连接有井口压力传感器和阀后压力传感器，位于所述第一节流阀和第二节流阀的后部管线上安装有流量计，所述自动节流控制管汇与低压管线连接，所述低压管线一端与液气分离器连接，所述液气分离器的出液端与泥浆罐组连接，所述液气分离器的出气端与火炬连接，所述低压管线的另一端直接与泥浆罐组连接，所述自动节流控制管汇安装PLC采集与控制系统，所述PLC采集与控制系统与操作间内的工控机连接。
6.如权利要求1所述的精准控压循环排污方法，其特征在于，所述步骤(2)中自动计算并设置在压井泵速时立管目标压力值，其计算方法为P目标立压＝P平+P过平衡+P摩，其中计算平衡地层的立管压力P平方法为：当钻具组合没有浮阀时：P平＝关井时立管压力P关立，当钻具组合装有浮阀时：P平＝顶通浮阀瞬间的立管压力P瞬间立；其中P过平衡为设置超过地层孔隙压力，一般取地层密度压力窗口的上限；P摩测试方法为：将钻具提离井底，开泵到规定的低泵冲泵速或压井泵速，待泵工作稳定后，读取并记录立管压力P立，此时的立管压力P立＝低泵冲泵或压井泵速循环时系统摩阻压力P摩。
7.如权利要求1所述的精准控压循环排污方法，其特征在于，所述步骤(3)中自动计算并设置在压井泵速时井口目标压力，其计算方法为：
井口目标压力P井口目标＝目标立管压力P目标立压-平均立管压力P平均立压+井口平均压力P平均井口，当计算出的井口目标压力与前一个井口目标压力进行比较，如果相差在预定范围之内，则保持以前的井口压力目标值；如果超出预定范围，则采用当前计算的井口目标压力为设定值，其中P平均立压的计算为：P平均立压＝(P立1+P立2…P立N)/N，N表示前立管压力个数，N≥1；P平均井口的计算为：P平均井口＝(P井口1+P井口2…P井口N)/N，N表示前井口压力个数，N≥1。
8.如权利要求1所述的精准控压循环排污方法，其特征在于，所述步骤(4)工控机根据目标井口压力值来发出指令到PLC控制系统，由PLC控制系统来开关节流阀开度，直至实际井口压力接近井口目标压力值，其包括系统如下：
PLC数据采集系统：采集数据信息传输给工控机中央集成控制系统的数据库；
工控机中央集成控制系统：接收PLC数据采集系统的数据信息并存入数据库，将内部的工控机输入系统的数据信息存入数据库，并将数据库接收的所有数据信息反馈给内部的计算系统、显示系统，同时将信息给决策系统进行计算、比较、决策及设置，指令中心将设置数据信息反馈给PLC控制系统；
PLC控制系统：接收指令中心的指令并执行。
9.如权利要求8所述的精准控压循环排污方法，其特征在于，所述PLC数据采集系统通过网线与工控机中央集成控制系统的数据库连接，所述决策系统通过指令中心与PLC控制系统通过网线连接，所述工控机中央集成控制系统的数据库通过数据线分别与工控机中央集成控制系统的计算系统、显示系统及决策系统连接。
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