CN111810068A - 一种自动化钻井液固相控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动化钻井液固相控制系统，其包括高架管、固控罐、多种固控设备、若干个阀门、控制主机、控制模块、显示器、摄像头和报警器，多种固控设备包括振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机、搅拌器、砂泵、加重泵和剪切泵。控制主机通过控制模块可与系统中各设备进行控制连接，可实时监测系统中各设备的运行状态，可实现所有设备和阀门的集中控制，而且根据采集数据在线监测，还可进行异常报警。本发明具有结构简单、设计合理、使用方便、安全耐用、降低设备成本、人力劳动强度且大大提高钻井效率等优点。

Description

一种自动化钻井液固相控制系统

技术领域

本发明涉及石油钻井技术领域，尤其是一种自动化钻井液固相控制系统。

背景技术

目前国内石油钻机固控系统配备振动筛、砂泵等用电设备，数量众多，平均约35台左右，现场维护工作量大，所有设备故障无法提前预判，均是在发生故障后停机维修或使用备用设备。钻井液固相控制多为人工操作，泥浆工需要根据不同钻井液性能需求往返于固控区，手动操作各种设备和阀门调整泥浆流程和性能，人工监测钻井液参数和各种设备运行情况，存在着安全系数低，使用不方便，工作环境差等问题。钻井现场对钻机信息化提出了更高要求，急需开展固控系统的在线监测、诊断技术研究，以解决当前固控系统信息化程度低，设备运转状态无法即时获取，设备故障率高等现场问题。

因此，需要提出一种结构更合理、成本低廉、使用方便、自动化程度高、安全可靠、拆装便捷、工艺质量稳定、能够大大节省人力的钻井液固相控制系统。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种自动化程度高、结构简单、设计合理、使用方便、安全耐用、降低设备成本、降低人力劳动强度且大大提高钻井效率的自动化钻井液固相控制系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种自动化钻井液固相控制系统，包括高架管、固控罐、多种固控设备和若干个阀门，所述高架管连接在井口和所述固控罐之间并用于将井口内泥浆输送给所述固控罐，多种所述固控设备安装在所述固控罐上并用于筛除泥浆中的岩屑和杂质，各个所述阀门安装在系统的管线上并用于控制流经多种所述固控设备的泥浆流量；还包括控制主机、控制模块和显示器；所述控制主机用于向所述控制模块发送指令；所述控制模块包括采集模块、CPU主控模块、CPU备控模块、通讯接口、主电源模块和备用电源模块；所述采集模块包括多种传感器，以用于实时采集泥浆的粘度和比重参数、多种所述固控设备的运行状态以及系统中各部分的泥浆流量参数，并将所采集的数据传输给所述CPU主控模块和所述CPU备控模块；所述CPU主控模块和所述CPU备控模块通过实时共享数据区构成主从模式的双机热备结构，并通过所述通讯接口与多种所述固控设备和各个所述阀门控制连接，且根据所采集的数据和/或所述控制主机发送的指令来控制多种所述固控设备的启闭以及各个所述阀门的开度；所述主电源模块和所述备用电源模块相连且构成主从模式的双机热备结构，并为所述CPU主控模块和所述CPU备控模块提供电源；所述显示器用于实时展现所述采集模块所采集的数据。

进一步地，所述固控设备包括振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机、搅拌器、砂泵、加重泵和剪切泵。

进一步地，多种所述传感器包括液位传感器、温度传感器、压力传感器、振动传感器、扭矩传感器和流量传感器；其中，所述液位传感器设置在振动筛仓内，以用于监测所述振动筛仓内的泥浆液面高度；所述温度传感器为多个且分别设置在所述振动筛的电机轴承、所述除气器的电机轴承、所述离心机的电机轴承、所述搅拌器的电机轴承、所述砂泵的电机轴承上，以用于监测各个电机轴承的温度数据；所述压力传感器为多个且分别设置在所述除砂器和所述除泥器上，以用于监测所述除砂器和所述除泥器内的压力数据；所述振动传感器和所述扭矩传感器设置在所述离心机上，以用于监测所述离心机的振动数据和扭矩数据；所述流量传感器为多个且分别设置在所述高架管和各个所述阀门上，以用于监测所流经的泥浆流量。

进一步地，还包括报警器,所述报警器与所述控制模块连接，当所采集的数据的数值超过预设值时，则由所述CPU主控模块和所述CPU备控模块控制所述报警器进行声光报警，同时将报警信息传输给所述显示器。

进一步地，所述报警器上设有多种颜色的LED灯。

进一步地，还包括用于系统监控的摄像头，所述摄像头通过所述控制模块与所述控制主机和所述显示器连接，通过所述控制主机的控制来调整所述摄像头的角度以监控系统的不同区域，通过所述控制模块的控制将所述摄像头所采集的视频实时传输给所述显示器。

进一步地，各个所述阀门均采用手动和自动两种方式来进行开度调整，其中自动方式通过驱动装置来实现且所述驱动装置采用液压驱动、气压驱动和电动驱动中的任一种驱动方式。

进一步地，所述显示器为触摸控制的LED屏或是液晶显示屏。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)实现流程自动控制，加重系统自动控制，剪切系统自动控制，降低人工劳动强度。

(2)实现所有固控设备的实时运转参数的采集，包括：电流、电压、实时功率、运转时间、转速、扭矩、温度、流量等参数；同时采用“双机热备结构主从模式”能够确保在系统发生故障时仍能正常使用，可靠性较高。

(3)实现所有设备和阀门的集中控制。

(4)能够根据采集的数据对设备故障进行在线诊断，对于无法解决问题可以将设备制造商邀请进系统进行远程诊断。通过对供应商进行授权，供应商可以远程登录协同诊断。

(5)根据采集数据在线监测，进行异常报警，并自动形成诊断意见。

(6)根据采集的运转数据，以及前期录入的设备保养信息，自动生成维保计划并提示，能够生成维保记录。

(7)可以对重点区域进行视频监控。

附图说明

为了使本发明的优点更容易理解，将通过参考在附图中示出的具体实施方式更详细地描述上文简要描述的本发明。可以理解这些附图只描绘了本发明的典型实施方式，因此不应认为是对其保护范围的限制，通过附图以附加的特性和细节描述和解释本发明。

图1为本发明的主视结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的结构框图。

其中，1-固控罐、2-振动筛、3-除气器、4-砂泵、5-除砂器、6-除泥器、7-搅拌器、8-阀门、9-加重泵、10-剪切泵、11-离心机、12-高架管。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明实施方式可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明实施方式发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明实施方式，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施方式详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

在本发明的描述中，术语“内侧”、“外侧”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细的说明：

参见图1至图3，本发明提供的一种自动化钻井液固相控制系统，包括高架管12、固控罐(泥浆罐)1、多种固控设备、若干个阀门8、控制主机、控制模块、显示器、摄像头和报警器，多种固控设备安装在固控罐1上，且固控设备包括振动筛2、除气器3、除砂器5、除泥器6、离心机11、搅拌器7、砂泵4、加重泵9和剪切泵10。其中，振动筛2、除气器3、除砂器5、除泥器6、离心机11、搅拌器7、砂泵4、加重泵9、剪切泵10和各个阀门8可以通过控制模块自动控制，也可以通过手动控制。

高架管12连接在井口和固控罐1之间并用于将井口内的泥浆(钻井液)输送给固控罐1上的振动筛2，其中振动筛2作为泥浆处理的第一级固控设备，作用是清除泥浆中的岩屑等其他有害固相颗粒，泥浆选用不同数目的筛网控制分理颗粒的大小，主要是大于74微米的固相颗粒；经过振动筛2处理后泥浆进入1号罐沉砂仓，从沉砂仓溢流出来的泥浆经过泥浆槽进入除砂仓，若遇泥浆气侵时，可启动除气器3(真空除气器)，从除气仓吸入泥浆除气后进入除砂仓，其中除气器3主要是清除侵入泥浆中的气体，它本不属于固控范围，但由于气侵对于泥浆的比重、粘度性能、密度有很大的危害，因此通常情况下都会使用除气器3；利用除砂泵吸入除砂仓的泥浆，将泥浆通过管线输送至一体机除砂旋流器(除砂器5)，除砂器5进一步筛选直径较大的岩屑颗粒，其中除砂器5是泥浆的二级净化设备，除砂器5主要是清除大于44-74微米砂粒；除砂器5处理后的泥浆经过泥浆槽进入除泥仓，除泥泵吸入除泥仓的泥浆，将泥浆通过管线输送至一体机除泥旋流器(除泥器6)，除泥器6筛除一部分较为细小的岩屑颗粒，除泥器6主要用来对泥浆进行三级净化，除泥器6主要作用于15-44微米以上的泥质固相颗粒，也可根据钻井液的实际情况选用微型旋流器，主要用于分离2-4微米以上的泥质固相颗粒；离心机11的作用是控制泥浆中的粘土颗粒，控制泥浆的固相，去除非加重泥浆的固相含量，回收加重泥浆中的重晶石，主要作用于2-4微米的固相颗粒，具体地，离心机11包括中速离心机和高速离心机，除泥器6处理后的泥浆经过泥浆槽进入中速离心机仓，中速离心机筛选泥浆中的大分子颗粒，中速离心机处理后的泥浆进入高速离心机仓，高速离心机处理后的泥浆进入钻井泵吸入仓，由钻井泵重复泵入井内循环使用；搅拌器7广泛用于钻井液固相控制系统中，一般安装在固控罐1上，用于搅拌泥浆以防止泥浆中的固体颗粒沉淀，搅拌器7主要由电机、减速器、底座、搅拌杆及叶轮组成；砂泵4又被称作混浆泵、供浆泵、补给泵、灌注泵，是钻井液固相控制系统中为除砂器、除泥器、射流混浆装置提供动力的理想配套设备，也可作为泥浆泵辅助的灌注泵和井口的补给泵；射流混浆装置又称作加重泵9，与石油钻井固控设备配套使用的一种设备，主要用于配置和加重泥浆，改变泥浆的密度、粘度、失水等，与剪切泵配套使用效果更突出，另外，可根据需求设计成单射流或双联射流混浆装置；剪切泵10是一种专门用于剪切聚合物和粘土并已被现场使用和理论证实有效的机械，其可使聚合物尽快剪切稀释、水化，大大缩短泥浆配置时间，主体及叶轮采用不锈钢材质，使用寿命长，性能优越；各个阀门8安装在系统的管线上并用于控制流经多种固控设备的泥浆流量，其中各个阀门8均采用手动和自动两种方式来进行开度调整，其中自动方式通过驱动装置来实现且驱动装置采用液压驱动、气压驱动和电动驱动中的任一种驱动方式。系统中各固控设备的最终目的是筛除泥浆中的岩屑和杂质，分级筛分出不同大小的岩屑和杂质，筛选直径逐级缩小。

控制主机与控制模块控制连接，主要用于向控制模块发送指令，还可以对系统进行参数设置，如对预设值进行设置、修改、调整、删除等，还可以控制摄像头等。

控制模块包括采集模块、CPU主控模块、CPU备控模块、通讯接口、主电源模块和备用电源模块。

进一步地，采集模块包括多种传感器，以用于实时采集泥浆的粘度和比重参数、多种固控设备的运行状态以及系统中各部分的泥浆流量参数，并将所采集的数据传输给CPU主控模块和CPU备控模块。具体地，多种传感器包括液位传感器(优选为超声波液位传感器)、温度传感器、压力传感器、振动传感器、扭矩传感器和流量传感器，各种传感器均通过支架安装在相应的设备上，并将接收到的信号通过CAN总线传输至CPU主控模块和CPU备控模块；其中，液位传感器设置在振动筛仓内，以用于监测振动筛仓内的泥浆液面高度；温度传感器为多个且分别设置在振动筛2的电机轴承、除气器3的电机轴承、离心机11的电机轴承、搅拌器7的电机轴承、砂泵4的电机轴承上，以用于监测各个电机轴承的温度数据；压力传感器为多个且分别设置在除砂器5和除泥器6上，以用于监测除砂器5和除泥器6内的压力数据；振动传感器和扭矩传感器设置在离心机11上，以用于监测离心机11的振动数据和扭矩数据；流量传感器为多个且分别设置在高架管12和各个阀门8上，以用于监测所流经的泥浆流量。

进一步地，CPU主控模块和CPU备控模块通过实时共享数据区构成主从模式的双机热备结构，并通过通讯接口与多种固控设备和各个阀门控制连接，且根据所采集的数据和/或控制主机发送的指令来控制多种固控设备的启闭以及各个阀门的开度。控制主机通过控制模块连接振动筛2、除气器3、除砂器5、除泥器6、离心机11、搅拌器7(通过设置可由CPU主控模块和CPU备控模块控制搅拌器7间歇启动)、砂泵4和阀门8，可构成自动流程控制系统；控制主机通过控制模块连接加重泵9和相关的阀门8，可构成自动加重控制系统；控制主机通过控制模块连接剪切泵10和相关的阀门8可构成自动剪切控制系统；通过控制模块可使控制主机与系统中的相关设备连接，可实现流程自动控制、加重系统自动控制和剪切系统自动控制，以降低人工劳动强度。

进一步地，主电源模块和备用电源模块相连且构成主从模式的双机热备结构，并为CPU主控模块和CPU备控模块提供电源。

报警器与控制模块连接，当所采集的数据的数值超过预设值时，则由CPU主控模块和CPU备控模块控制报警器进行声光报警，同时将报警信息传输给显示器。报警器上还设有多种颜色的LED灯，通过设计可针对系统中的不同设备进行不同颜色的报警提示，以便于能够快速确认存在异常的设备。

摄像头用于系统监控，摄像头通过控制模块与控制主机和显示器连接，通过控制主机的控制来调整摄像头的角度以监控系统的不同区域，通过控制模块的控制将摄像头所采集的视频实时传输给显示器，可以实现对重点区域进行视频监控。

显示器用于实时展现采集模块所采集的数据、报警信息和监控视屏等。显示器为触摸控制的LED屏或是液晶显示屏。

本发明可对系统中所有固控设备的实时运转参数进行采集，可实现所有设备和阀门的集中控制，而且根据采集数据在线监测，还可进行异常报警。同时采用“双机热备结构主从模式”能够确保在系统发生故障时仍能正常使用，可靠性较高。另外，通过摄像头还可以对重点区域进行视频监控，以便于能够直观地观察到现场情况。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域的技术人员可以在本发明的技术指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (8)

1.一种自动化钻井液固相控制系统，包括高架管、固控罐、多种固控设备和若干个阀门，所述高架管连接在井口和所述固控罐之间并用于将井口内泥浆输送给所述固控罐，多种所述固控设备安装在所述固控罐上并用于筛除泥浆中的岩屑和杂质，各个所述阀门安装在系统的管线上并用于控制流经多种所述固控设备的泥浆流量，其特征在于，还包括控制主机、控制模块和显示器；

所述控制主机用于向所述控制模块发送指令；

所述控制模块包括采集模块、CPU主控模块、CPU备控模块、通讯接口、主电源模块和备用电源模块；

所述采集模块包括多种传感器，以用于实时采集泥浆的粘度和比重参数、多种所述固控设备的运行状态以及系统中各部分的泥浆流量参数，并将所采集的数据传输给所述CPU主控模块和所述CPU备控模块；

所述CPU主控模块和所述CPU备控模块通过实时共享数据区构成主从模式的双机热备结构，并通过所述通讯接口与多种所述固控设备和各个所述阀门控制连接，且根据所采集的数据和/或所述控制主机发送的指令来控制多种所述固控设备的启闭以及各个所述阀门的开度；

所述主电源模块和所述备用电源模块相连且构成主从模式的双机热备结构，并为所述CPU主控模块和所述CPU备控模块提供电源；

所述显示器用于实时展现所述采集模块所采集的数据。

2.根据权利要求1所述的一种自动化钻井液固相控制系统，其特征在于，所述固控设备包括振动筛、除气器、除砂器、除泥器、离心机、搅拌器、砂泵、加重泵和剪切泵。

3.根据权利要求2所述的一种自动化钻井液固相控制系统，其特征在于，多种所述传感器包括液位传感器、温度传感器、压力传感器、振动传感器、扭矩传感器和流量传感器；其中，

所述液位传感器设置在振动筛仓内，以用于监测所述振动筛仓内的泥浆液面高度；

所述温度传感器为多个且分别设置在所述振动筛的电机轴承、所述除气器的电机轴承、所述离心机的电机轴承、所述搅拌器的电机轴承、所述砂泵的电机轴承上，以用于监测各个电机轴承的温度数据；

所述压力传感器为多个且分别设置在所述除砂器和所述除泥器上，以用于监测所述除砂器和所述除泥器内的压力数据；

所述振动传感器和所述扭矩传感器设置在所述离心机上，以用于监测所述离心机的振动数据和扭矩数据；

所述流量传感器为多个且分别设置在所述高架管和各个所述阀门上，以用于监测所流经的泥浆流量。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种自动化钻井液固相控制系统，其特征在于，还包括报警器,所述报警器与所述控制模块连接，当所采集的数据的数值超过预设值时，则由所述CPU主控模块和所述CPU备控模块控制所述报警器进行声光报警，同时将报警信息传输给所述显示器。

5.根据权利要求4所述的一种自动化钻井液固相控制系统，其特征在于，所述报警器上设有多种颜色的LED灯。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种自动化钻井液固相控制系统，其特征在于，还包括用于系统监控的摄像头，所述摄像头通过所述控制模块与所述控制主机和所述显示器连接，通过所述控制主机的控制来调整所述摄像头的角度以监控系统的不同区域，通过所述控制模块的控制将所述摄像头所采集的视频实时传输给所述显示器。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种自动化钻井液固相控制系统，其特征在于，各个所述阀门均采用手动和自动两种方式来进行开度调整，其中自动方式通过驱动装置来实现且所述驱动装置采用液压驱动、气压驱动和电动驱动中的任一种驱动方式。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种自动化钻井液固相控制系统，其特征在于，所述显示器为触摸控制的LED屏或是液晶显示屏。

Images