CN113589855B - 一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制方法，采用粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制装置，该粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制装置包括物料罐、设于物料罐上的粒子加料控制装置、设于所述物料罐内或设于所述物料罐外与所述物料罐连通的中空的U型管、设于U型管上的液位测量装置、设于物料罐上的流量控制装置，所述液位测量装置用以测量U型管内钻井液的液位，所述流量控制装置用以控制进入物料罐内的钻井液的流量，所述粒子加料控制装置用于控制向物料罐内加入粒子的量。本发明解决了现有技术存在的液位监控精确度不高，不能实现物料罐内钻井液液位的稳定等不足。

Description

一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制方法
技术领域
本发明涉及油气钻井工程技术领域，具体是一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制方法。
背景技术
现有物料罐液位控制技术，采用浮球式液位计或者超声波非接触测量液位计，再结合进料端节流阀节流或者变频电机控制，调节进料量，实现液位动态控制。上述两种液位计不适用于存在S管摆动的物料罐，因为本物料罐存在S管摆动，会引起巨大的液面变化。液位监控精确度不高，不能实现物料罐内钻井液液位的稳定。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供了一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制方法，解决现有技术存在的液位监控精确度不高，不能实现物料罐内钻井液液位的稳定等不足。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制装置，包括物料罐、设于物料罐上的粒子加料控制装置、设于所述物料罐内或设于所述物料罐外与所述物料罐连通的中空的U型管、设于U型管上的液位测量装置、设于物料罐上的流量控制装置，所述液位测量装置用以测量U型管内钻井液的液位，所述流量控制装置用以控制进入物料罐内的钻井液的流量，所述粒子加料控制装置用于控制向物料罐内加入粒子的量。
使用时，钻井液从物料罐底部进入U型管。液位测量装置测量U型管内钻井液的液位，根据U型管内钻井液的液位变化，则通过动态调节流量控制装置控制进入物料罐内的钻井液的流量，通过粒子加料控制装置控制向物料罐内加入粒子的量，从而实现U型管内钻井液的液位的动态平衡，实现注入物料罐内钻井液液位的稳定，同时实现钻井液离子浓度的稳定。
作为一种优选的技术方案，所述流量控制装置包括开度调节阀门，所述开度调节阀门能通过调节自身的开度控制进入物料罐内的钻井液的流量。
通过开度调节阀门控制进入物料罐内的钻井液的流量，结构简单，操作便捷。
作为一种优选的技术方案，其特征在于，还包括设于所述物料罐内的注入装置换向机构。
注入装置换向机构使得物料罐输送钻井液的正常换向工作。
作为一种优选的技术方案，所述U型管的进液口设于注入装置换向机构上方。
U型管的U型结构，相比较于直通管，减少了自身内部空腔内钻井液的摆动和波动对液位测量的干扰，使得液位的测量更加准确。
作为一种优选的技术方案，所述U型管包括相互平行的第一竖直部、第二竖直部、两端分别与第一竖直部、第二竖直部连通的底端部，所述第一竖直部的顶部低于所述第二竖直部的顶部。
使用时，钻井液从物料罐的底端部进入第一竖直部、第二竖直部的内部空腔，由于第一竖直部减小了钻井液的摆动和波动对液位测量的干扰，使得对第二竖直部的液位的测量更加准确。
作为一种优选的技术方案，所述液位测量装置包括竖直设置的刻度杆、套设于刻度杆外的浮球，所述刻度杆侧面标记有刻度。
浮球浮于液面表面，液面变化导致浮球沿刻度杆形成位置变化，通过刻度杆的刻度即可实现对液面的液位高度实时监测，方便实用。作为一种技术启示，测量液位高度也可以采用红外线、超声波等技术方案。
所述的一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制装置的控制方法，包括以下步骤：
S1，设定频钻井液输送泵额定排量为Q，钻井液中粒子浓度为P，进入物料罐内的截面积为S；假设一段时间t内，开度调节阀门的开度为Ft，U型管内液位高度变化△h，其中，t的起始时刻是t0，t的终止时刻是t1，△h＝时刻t0的液位高度-时刻t1的液位高度，则在时刻t1后将开度调节阀门的开度调整为F＝Ft+(S*(±h))/(Q*t)，将粒子加料控制装置的粒子输入量设置为F*Q*P/(1-P)。
通过开度调节阀门的开度调整、粒子加料控制装置的粒子输入量的设置，实现了U型管内钻井液的液位的动态平衡，实现注入物料罐内钻井液液位的稳定，同时实现钻井液离子浓度的稳定。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S2，根据液位测量装置测量的U型管内钻井液的液位，评估物料罐工作状态。
这便于根据U型管内钻井液的液位及时监控物料罐工作状态，从而及时发现风险，及时处理故障。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S2包括以下步骤：
S21，若时间段t内，液位上涨高度△h≥Q实t/S，则判断为钻井液输出装置或者单向止回阀故障，无法正常输出钻井液；
若时间段t内，液位上涨高度△h＝Q实t-πR2 ln/S，若△h≠0，则判断为需要调节流量控制装置以调节U型管内钻井液的液位，和/或，调节粒子加料控制装置的粒子输入量以调节物料罐内钻井液的离子浓度；若△h＝0，则判断为钻井液输入输出平衡，无需处理；其中，Q实表示实时进入物料罐内的流量，S表示注入物料罐内钻井液的截面积，R表示钻井液输出装置料缸半径，l表示料缸的长度，n表示t时刻内换向次数。
通过以上步骤，实现了对钻井液输入输出状态的监控，从而便于判断物料罐能否正常输入输出钻井液，便于调节。
作为一种优选的技术方案，步骤S21中，若△h＞0，则判断为钻井液输出装置输出排量小于进料排量，需调节流量控制装置以提升调节U型管内钻井液的液位；若△h＜0，则判断为钻井液输出装置输出排量大于进料排量，需调节粒子加料控制装置增加粒子输入量。
通过以上步骤，进一步实现了对钻井液输入输出状态的监控，从而便于判断物料罐能否正常输入输出钻井液，便于调节。
本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明液位测量装置测量U型管内钻井液的液位，根据U型管内钻井液的液位变化，则通过动态调节流量控制装置控制进入物料罐内的钻井液的流量，通过粒子加料控制装置控制向物料罐内加入粒子的量，从而实现U型管内钻井液的液位的动态平衡，实现注入物料罐内钻井液液位的稳定，同时实现钻井液离子浓度的稳定；
(2)本发明通过开度调节阀门控制进入物料罐内的钻井液的流量，结构简单，操作便捷；
(3)本发明通过开度调节阀门的开度调整、粒子加料控制装置的粒子输入量的设置，实现了U型管内钻井液的液位的动态平衡，实现注入物料罐内钻井液液位的稳定，同时实现钻井液离子浓度的稳定；
(4)通过开度调节阀门控制进入物料罐内的钻井液的流量，结构简单，操作便捷；
(5)注入装置换向机构使得物料罐输送钻井液的正常换向工作；
(6)U型管的U型结构，相比较于直通管，减少了自身内部空腔内钻井液的摆动和波动对液位测量的干扰，使得液位的测量更加准确；
(7)于第一竖直部减小了钻井液的摆动和波动对液位测量的干扰，使得对第二竖直部的液位的测量更加准确；
(8)浮球浮于液面表面，液面变化导致浮球沿刻度杆形成位置变化，通过刻度杆的刻度即可实现对液面的液位高度实时监测，方便实用；
(9)本发明便于根据U型管内钻井液的液位及时监控物料罐工作状态，从而及时发现风险，及时处理故障；
(10)本发明实现了对钻井液输入输出状态的监控，从而便于判断物料罐能否正常输入输出钻井液，便于调节。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构示意图；
图2为图1中S区域的局部放大图；
图3为本发明所述U型管的结构示意图(活动挡板打开时)。
附图中标记及相应的零部件名称：1、物料罐，2、注入装置换向机构，3、U型管，4、液位测量装置，5、流量控制装置，6、粒子加料控制装置，11、过滤网，31、第一竖直部，32、第二竖直部，33、底端部，34、活动挡板，41、刻度杆，42、浮球，51、调节阀门。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1至图3所示，一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制装置，包括物料罐1、设于物料罐1上的粒子加料控制装置6、设于所述物料罐1内或设于所述物料罐1外与所述物料罐1连通的中空的U型管3、设于U型管3上的液位测量装置4、设于物料罐1上的流量控制装置5，所述液位测量装置4用以测量U型管3内钻井液的液位，所述流量控制装置5用以控制进入物料罐1内的钻井液的流量，所述粒子加料控制装置6用于控制向物料罐1内加入粒子的量。
使用时，钻井液从物料罐1底部进入U型管3。液位测量装置4测量U型管3内钻井液的液位，根据U型管3内钻井液的液位变化，则通过动态调节流量控制装置5控制进入物料罐1内的钻井液的流量，通过粒子加料控制装置6控制向物料罐1内加入粒子的量，从而实现U型管3内钻井液的液位的动态平衡，实现注入物料罐1内钻井液液位的稳定，同时实现钻井液离子浓度的稳定。
作为一种优选的技术方案，所述流量控制装置5包括开度调节阀门51，所述开度调节阀门51能通过调节自身的开度控制进入物料罐1内的钻井液的流量。
通过开度调节阀门51控制进入物料罐1内的钻井液的流量，结构简单，操作便捷。
作为一种优选的技术方案，其特征在于，还包括设于所述物料罐1内的注入装置换向机构2。
注入装置换向机构2使得物料罐1输送钻井液的正常换向工作。
作为一种优选的技术方案，所述U型管3的进液口设于注入装置换向机构2上方。
U型管3的U型结构，相比较于直通管，减少了自身内部空腔内钻井液的摆动和波动对液位测量的干扰，使得液位的测量更加准确。
作为一种优选的技术方案，所述U型管3包括相互平行的第一竖直部31、第二竖直部32、两端分别与第一竖直部31、第二竖直部32连通的底端部33，所述第一竖直部31的顶部低于所述第二竖直部32的顶部。
使用时，钻井液从物料罐1的底端部33进入第一竖直部31、第二竖直部32的内部空腔，由于第一竖直部31减小了钻井液的摆动和波动对液位测量的干扰，使得对第二竖直部32的液位的测量更加准确。
作为一种优选的技术方案，所述液位测量装置4包括竖直设置的刻度杆41、套设于刻度杆41外的浮球42，所述刻度杆41侧面标记有刻度。
浮球42浮于液面表面，液面变化导致浮球42沿刻度杆41形成位置变化，通过刻度杆41的刻度即可实现对液面的液位高度实时监测，方便实用。作为一种技术启示，测量液位高度也可以采用红外线、超声波等技术方案。
作为一种优选的技术方案，设置所述物料罐1内液位高度维持在700～1000mm。
这样的液位高度，适合物料罐1输入输出提供缓冲时间，同时兼顾了物料罐1的承载能力。
作为一种优选的技术方案，设置粒子钻井输送系统包括与所述液位测量装置4、所述流量控制装置5和粒子加料控制装置6分别电相连的PLC。
PLC使得液位测量、流量控制和粒子加料更加自动化，控制效率提高。
作为一种优选的技术方案，所述底端部33设有活动挡板34。
活动挡板34默认为关闭状态，只有堆积固相过多时，受重力作用打开，由此流入物料罐1内，以避免U型管3长期在泥浆环境使用因固相堆积堵塞造成液位无法测量的问题，从而提高了本申请的可靠性。
作为一种优选的技术方案，所述U型管3的管道上安装有过滤网11。
过滤网11的设置，有利于减少杂质进入U型管3形成堵塞。
实施例2
如图1至图3所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
所述的一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制装置的控制方法，包括以下步骤：
S1，设定频钻井液输送泵额定排量为Q，钻井液中粒子浓度为P，进入物料罐1内的截面积为S；假设一段时间t内，开度调节阀门51的开度为Ft，U型管3内液位高度变化△h，其中，t的起始时刻是t0，t的终止时刻是t1，△h＝时刻t0的液位高度-时刻t1的液位高度，则在时刻t1后将开度调节阀门51的开度调整为F＝Ft+(S*(±h))/(Q*t)，将粒子加料控制装置6的粒子输入量设置为F*Q*P/(1-P)。
通过开度调节阀门51的开度调整、粒子加料控制装置6的粒子输入量的设置，实现了U型管3内钻井液的液位的动态平衡，实现注入物料罐1内钻井液液位的稳定，同时实现钻井液离子浓度的稳定。
作为一种优选的技术方案，还包括以下步骤：
S2，根据液位测量装置4测量的U型管3内钻井液的液位，评估物料罐1工作状态。
这便于根据U型管3内钻井液的液位及时监控物料罐1工作状态，从而及时发现风险，及时处理故障。
作为一种优选的技术方案，所述步骤S2包括以下步骤：
S21，若时间段t内，液位上涨高度△h≥Q实t/S，则判断为钻井液输出装置或者单向止回阀故障，无法正常输出钻井液；
若时间段t内，液位上涨高度△h＝Q实t-πR2 ln/S，若△h≠0，则判断为需要调节流量控制装置5以调节U型管3内钻井液的液位，和/或，调节粒子加料控制装置6的粒子输入量以调节物料罐1内钻井液的离子浓度；若△h＝0，则判断为钻井液输入输出平衡，无需处理；其中，Q实表示实时进入物料罐1内的流量，S表示注入物料罐1内钻井液的截面积，R表示钻井液输出装置料缸半径，l表示料缸的长度，n表示t时刻内换向次数。
通过以上步骤，实现了对钻井液输入输出状态的监控，从而便于判断物料罐1能否正常输入输出钻井液，便于调节。
作为一种优选的技术方案，步骤S21中，若△h＞0，则判断为钻井液输出装置输出排量小于进料排量，需调节流量控制装置5以提升调节U型管3内钻井液的液位；若△h＜0，则判断为钻井液输出装置输出排量大于进料排量，需调节粒子加料控制装置6增加粒子输入量。
通过以上步骤，进一步实现了对钻井液输入输出状态的监控，从而便于判断物料罐1能否正常输入输出钻井液，便于调节。
实施例3
如图1所示，作为实施例1、实施例2的进一步优化，本实施例包含了实施例1、实施例2的全部技术特征，除此之外，本实施例提供一种更细化的实施方案：
本实施例中，安装有流道调节设备(即流量控制装置5)和定频钻井液输送泵，通过流道调节设备改变流道截面积，从而改变钻井液输送流量。同时结合液位测量装置4实时反馈的物料罐1内液位数据，调整流道截面积，将物料罐1内液位维持在700～1000mm，有效防止钻井液溢漏。
本实施例采用了差分液位动态调节算法，实现注入物料罐1内液位的稳定，该算法实现过程如下：
设定频钻井液输送泵输入物料罐1内额定排量为Q(大于输出装置额定排量)，钻井液中粒子浓度为P，进入物料罐1内的截面积为S；假设一段时间t内，开度调节阀门51的开度为Ft，U型管3内液位高度变化△h，其中，t的起始时刻是t0，t的终止时刻是t1，△h＝时刻t0的液位高度-时刻t1的液位高度，则在时刻t1后将开度调节阀门51的开度调整为F＝Ft+(S*(±h))/(Q*t)，将粒子加料控制装置6的粒子输入量设置为F*Q*P/(1-P)。
通过开度调节阀门51的开度调整、粒子加料控制装置6的粒子输入量的设置，实现了U型管3内钻井液的液位的动态平衡，实现注入物料罐1内钻井液液位的稳定，同时实现钻井液离子浓度的稳定。
由于管内S管(即注入装置换向机构2)需要往复摆动，若采用普通的旁通管设计会造成液位波动过大，因此设计了微U型管(即U型管3)。
微U型管可以降低S管摆动对液位测量的影响，同时活动挡板34默认为关闭状态，只有堆积固相过多时，受重力作用打开，由此流入物料罐1内，以避免U型管长期在泥浆环境使用，因固相堆积堵塞，造成液位无法测量的问题。
现在普遍采用的液位控制算法为PID控制算法，直接以液位值为目标，调整进口流量，存在调节频繁、进入稳态时间偏长等缺陷。本发明提出的算法，建立了液位高度变化与进口流量的关系，调节时间短、调节参数稳定，更加适用于此类小型罐体液位控制。
通过液位的监测，可以实现对设备工作状态的评估；
根据液位测量装置4测量的U型管3内钻井液的液位，评估物料罐1工作状态。
若时间段t内，液位上涨高度△h≥Q实t/S，则判断为钻井液输出装置或者单向止回阀故障，无法正常输出钻井液；
若时间段t内，液位上涨高度△h＝Q实t-πR2 ln/S，若△h≠0，则判断为需要调节流量控制装置5以调节U型管3内钻井液的液位，和/或，调节粒子加料控制装置6的粒子输入量以调节物料罐1内钻井液的离子浓度；若△h＝0，则判断为钻井液输入输出平衡，无需处理；其中，Q实表示实时进入物料罐1内的流量，S表示注入物料罐1内钻井液的截面积，R表示钻井液输出装置料缸半径，l表示料缸的长度，n表示t时刻内换向次数。
通过以上步骤，实现了对钻井液输入输出状态的监控，从而便于判断物料罐1能否正常输入输出钻井液，便于调节。
作为一种优选的技术方案，步骤S41中，若△h＞0，则判断为钻井液输出装置输出排量小于进料排量，需调节流量控制装置5以提升调节U型管3内钻井液的液位；若△h＜0，则判断为钻井液输出装置输出排量大于进料排量，需调节粒子加料控制装置6增加粒子输入量。
通过以上步骤，进一步实现了对钻井液输入输出状态的监控，从而便于判断物料罐1能否正常输入输出钻井液，便于调节。
本实施例还设计了微U型管，避免S管摆动引起的液位变化，同时考虑钻井液中的固相侵入导致U型管堵塞的风险，设计了一活动挡板34，累计一定重量后，可自动打开，排出底部沉积的固相物质，实现连续测量。
本算法的优点在于，不需要调节特定的控制参数，算法进入稳定的时间短，监测高度变化，以高度变化情况作为控制依据，不受钻井液性能变化的影响。
目前，采用的R为70mm，1min换向次数22次，料缸长度1400mm，Q为7L/s，S为1m2，粒子混合浓度3％，取得较好的效果。
如上所述，可较好地实现本发明。
本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制方法，其特征在于，采用粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制装置，该粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制装置包括物料罐(1)、设于物料罐(1)上的粒子加料控制装置(6)、设于所述物料罐(1)内或设于所述物料罐(1)外与所述物料罐(1)连通的中空的U型管(3)、设于U型管(3)上的液位测量装置(4)、设于物料罐(1)上的流量控制装置(5)，所述液位测量装置(4)用以测量U型管(3)内钻井液的液位，所述流量控制装置(5)用以控制进入物料罐(1)内的钻井液的流量，所述粒子加料控制装置(6)用于控制向物料罐(1)内加入粒子的量；所述流量控制装置(5)包括开度调节阀门(51)，所述开度调节阀门(51)能通过调节自身的开度控制进入物料罐(1)内的钻井液的流量；
粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制方法包括以下步骤：
S1，设定频钻井液输送泵额定排量为Q，钻井液中粒子浓度为P，进入物料罐(1)内的截面积为S；假设一段时间t内，开度调节阀门(51)的开度为Ft，U型管(3)内液位高度变化△h，其中，t的起始时刻是t0，t的终止时刻是t1，△h＝时刻t0的液位高度-时刻t1的液位高度，则在时刻t1后将开度调节阀门(51)的开度调整为F＝Ft+(S*(±h))/(Q*t)，将粒子加料控制装置(6)的粒子输入量设置为F*Q*P/(1-P)；
S2，根据液位测量装置(4)测量的U型管(3)内钻井液的液位，评估物料罐(1)工作状态；
所述步骤S2包括以下步骤：
S21，若时间段t内，液位上涨高度△h≥Q实t/S，则判断为钻井液输出装置或者单向止回阀故障，无法正常输出钻井液；
若时间段t内，液位上涨高度△h＝(Q实t-πR2ln)/S，若△h≠0，则判断为需要调节流量控制装置(5)以调节U型管(3)内钻井液的液位，和/或，调节粒子加料控制装置(6)的粒子输入量以调节物料罐(1)内钻井液的离子浓度；若△h＝0，则判断为钻井液输入输出平衡，无需处理；其中，Q实表示实时进入物料罐(1)内的流量，S表示注入物料罐(1)内钻井液的截面积，R表示钻井液输出装置料缸半径，l表示料缸的长度，n表示t时刻内换向次数。
2.根据权利要求1所述的一种粒子钻井输送系统的物料罐液位动态控制方法，其特征在于，步骤S21中，若△h＞0，则判断为钻井液输出装置输出排量小于进料排量，需调节流量控制装置(5)以提升调节U型管(3)内钻井液的液位；若△h＜0，则判断为钻井液输出装置输出排量大于进料排量，需调节粒子加料控制装置(6)增加粒子输入量。
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