CN115888538A - 钻井液随钻在线自动配制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种钻井液随钻在线自动配制系统及方法，涉及地质钻探工程钻井液在线自动配制技术领域，包括加料单元、搅拌单元、监测单元和控制单元，加料单元用于定量定速定序定时地加入原料；搅拌单元包括制浆罐、乳化泵和设置在制浆罐中的搅拌器，乳化泵的进口与制浆罐的底部出口连通，乳化泵的出口与制浆罐的顶部进口连通；隔膜泵的出口与制浆罐连通；监测单元用于监测制浆罐中钻井液的性能；控制单元包括时序控制器，隔膜泵的控制器、每个电磁阀、每个变频卸料器和每个激振源都与时序控制器电连接。本发明能够实现钻井液的随钻在线自动配制。

Description

钻井液随钻在线自动配制系统及方法

技术领域

本发明涉及地质钻探工程钻井液在线自动配制技术领域，特别是涉及一种钻井液随钻在线自动配制系统及方法。

背景技术

现场钻井液配制过程通常依靠人工加料配制，现有技术存在如下问题：

1.现场劳动强度大，粉尘、烧碱、纯碱等钻井液处理剂影响人体生命健康，环境污染严重，无法满足现场QHSE管理体系的要求；

2.自动化程度低，人工配料依靠经验值，计量精度不高，配制钻井液性能差，浪费原材料，同时无法满足随钻工艺和处理复杂情况时快速配制钻井液需求；

3.工艺流程复杂、设备配置多，占地面积大、系统能耗高，不能充分剪切钻井液处理剂，存在不均匀泡沫和包覆，影响钻井泥浆泵泵压，也不满足现场节能减排要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻井液随钻在线自动配制系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现钻井液的随钻在线自动配制。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种钻井液随钻在线自动配制系统，包括：

加料单元，所述加料单元包括隔膜泵和出料管都与所述隔膜泵的进口连通的液体储罐、造浆材料储罐、处理剂储罐和加重剂储罐，所述造浆材料储罐、所述处理剂储罐和所述加重剂储罐中都设置有激振源和称重传感器，所述造浆材料储罐、所述处理剂储罐和所述加重剂储罐的出料管上都设置有变频卸料器和电磁阀；

搅拌单元，所述搅拌单元包括制浆罐、乳化泵和设置在所述制浆罐中的搅拌器，所述乳化泵的进口与所述制浆罐的底部出口连通，所述乳化泵的出口与所述制浆罐的顶部进口连通；所述隔膜泵的出口与所述制浆罐连通；

监测单元，所述监测单元用于监测所述制浆罐中钻井液的性能；

控制单元，所述控制单元包括时序控制器，所述隔膜泵的控制器、每个所述电磁阀、每个所述变频卸料器和每个所述激振源都与所述时序控制器电连接。

优选的，所述钻井液的性能包括密度、粘度、失水量、泥皮质量、pH、固相含量和含砂量；所述监测单元还用于监测所述钻井液的钙镁盐离子浓度；所述监测单元包括密度传感器、粘度传感器、失水量测定仪、泥皮质量测定仪、pH测定仪、固相含量测定仪、含砂量测定仪和钙镁盐离子浓度传感器。

优选的，所述激振源采用激振锤或激振电机。

优选的，所述隔膜泵与所述制浆罐之间的管路上设置有止回阀和质量流量计。

优选的，所述液体储罐的顶部设置有上液位传感器、所述液体储罐的底部设置有下液位传感器。

优选的，所述控制单元还包括上位机，所述时序控制器与所述上位机信号连接；所述上位机中设置有在线集中控制系统，所述在线集中控制系统能够通过所述时序控制器控制所述隔膜泵、所述乳化泵、所述搅拌器、各个所述激振源、各个所述变频卸料器和各个所述电磁阀的启闭；所述称重传感器、所述质量流量计和所述监测单元中的各个仪器、各个传感器分别与所述上位机信号连接；所述钻井液性能指标包括密度、粘度、失水量、泥皮质量、pH、固相含量和含砂量；

所述在线集中控制系统包括钻井液专家系统，所述钻井液专家系统用于根据现场地层特性、钻探施工工艺和专家经验知识库中的钻探钻井液体系，采用人工智能模糊逻辑推理技术，确定需要得到的钻井液性能指标和钻井液配方，所述钻井液配方包括钻井液的配制工艺、处理剂的配置和加重剂的配置；所述钻井液性能指标包括密度、粘度、失水量、泥皮质量、pH、固相含量和含砂量；

所述钻井液专家系统能够将所述监测单元所监测到的所述制浆罐中的钻井液的性能参数与需要得到的钻井液性能参数进行对比分析计算，还能够根据对比分析计算的结果对所述钻井液配方进行调整，并保存调整后的钻井液配方。

优选的，所述上位机通过4G网络或5G网络与远程控制终端无线通讯连接，通过远程控制终端能够远程操控所述上位机，所述远程控制终端为电脑或手机；所述上位机配备有触摸屏。

优选的，所述液体储罐用于储存水或预制好的基础浆液。

本发明还提供一种钻井液随钻在线自动配制方法，包括以下步骤：

(1)在上位机的钻井液专家系统中输入现场地层特性和钻探施工工艺，上位机中的钻井液专家系统根据现场地层特性、钻探施工工艺和专家经验知识库中的钻探钻井液体系，采用人工智能模糊逻辑推理技术，确定需要得到的钻井液性能指标和钻井液配方；所述钻井液配方包括钻井液的配制工艺、处理剂的配置和加重剂的配置；

(2)所述上位机的在线集中控制系统根据钻井液配方通过时序控制器控制加料单元定时、定量、定序和定速得加入原料，在隔膜泵的作用下加入的原料被泵入到制浆罐中；

(3)在所述制浆罐中多种原料经过混合、搅拌、分散和乳化泵的反复剪切成为钻井液，通过监测单元实时监测所述制浆罐中的钻井液的性能；

(4)所述钻井液专家系统将所述监测单元所监测到的所述制浆罐中的钻井液的性能参数与需要得到的钻井液性能参数进行对比分析，并根据对比分析计算的结果对所述钻井液配方进行调整，并保存调整后的钻井液配方；

(5)所述上位机的在线集中控制系统根据调整后的钻井液配方通过时序控制器控制加料单元定时、定量、定序和定速得加入原料，在隔膜泵的作用下加入的原料被泵入到制浆罐中；

(6)重复进行步骤(3)-(5)，直到所述制浆罐中的钻井液的性能与需要得到的钻井液性能指标相同；

(7)将所述制浆罐中的钻井液泵入钻井中循环利用。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的钻井液随钻在线自动配制系统及方法能够根据现场地层特性和钻探施工工艺确定钻井液性能指标和钻井液配方，实现了钻井液的随钻在线自动配制。

本发明的钻井液随钻在线自动配制系统在配置过程中通过管路密闭输送，动力由隔膜泵提供，粉尘无外泄风险，处理剂也不会受潮等受到外界污染，同时降低粉尘和腐蚀性处理剂如烧碱、纯碱等对人体健康与环境污染的影响，满足现场QHSE要求。

采用加料单元与搅拌单元组成的自动配制系统，工艺流程简单。

动力源采用智能气动隔膜泵，集负压与正压气力输送于一体，体积、占地面积小，配置电子接口与控制器，实时反馈泵的运行状态，确保流量和输送流程的精确控制，集成PLC可实现在线集中控制；对输送物料的适应性强，适用于粘度高液体、粉料、大颗粒料如加重堵漏剂等均可超长距离快速输送，满足复杂情况如井漏、井涌、井喷时及时快速配制钻井液需求；无需电机，降低现场电力消耗，节约成本，可用于油气、非常规油气等环境要求比较高现场，实现安全、高效、节能。

自动化程度高，在输送过程中，采用变频卸料器、称重传感器、质量流量计和时序控制器等相结合，根据处理剂物理、化学特性等，并按照分散、增稠、增粘等依次加入，可实现钻井液材料自动精准定速、定量、定序控制，使钻井液材料充分预制水化、搅拌、溶解，减少人为及环境等外界因素对钻井液性能质量影响。

采用变频搅拌分散罐即制浆罐与高剪切乳化泵相结合，经过高频循环反复高剪切，可高效、快速、均匀地将钻井液处理剂等分散乳化，减少泡沫和包覆，提高钻井液稳定性。

采用在线监测密度、粘度、失水量、泥皮质量、PH、固相含量、含砂量等钻井液性能以及滤液钙镁盐离子浓度，并实时反馈，减少人工测量误差，提升时效性，满足随钻工艺配制钻井液性能需求，并可及时预防对地层中的钙、镁、盐等对钻井液的侵害。

上位机中内置有钻井液专家系统，上位机采用人机交互/触摸式，并可结合现场地层特性、钻探施工工艺等，实时调整钻井液配伍如钻井液处理剂和加重剂配置、配置工艺和性能指标，并可自动保存到钻井液专家系统，供周围区块或类似地层特性、钻探工艺参考。

系统融合物联网、4G/5G技术，可实现现场或司钻房或APP远程终端实时监测与控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明钻井液随钻在线自动配制系统的结构示意图；

图2为本发明钻井液随钻在线自动配制方法的流程图；

其中，1、液体储罐；2、造浆材料储罐；3、处理剂储罐；4、加重剂储罐；5、隔膜泵；6、制浆罐；7、监测单元；8、控制单元；9、搅拌器；10、乳化泵；11、激振源；12、称重传感器；13、变频卸料器；14、电磁阀；15、上液位传感器；16、下液位传感器；17、质量流量计；18、止回阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种钻井液随钻在线自动配制系统及方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现钻井液的随钻在线自动配制。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种钻井液随钻在线自动配制系统，包括加料单元、搅拌单元、监测单元7和控制单元8。

其中，加料单元包括隔膜泵5和出料管都与隔膜泵5的进口连通的液体储罐1、造浆材料储罐2、处理剂储罐3和加重剂储罐4，即液体储罐1、造浆材料储罐2、处理剂储罐3和加重剂储罐4的出料管都与隔膜泵5的进口连通；造浆材料储罐2、处理剂储罐3和加重剂储罐4中都设置有激振源11和称重传感器12，造浆材料储罐2、处理剂储罐3和加重剂储罐4的出料管上都设置有变频卸料器13和电磁阀14，液体储罐1的出料管上设置有电磁阀14；液体储罐1用于储存水或预制好的基础浆液。

激振源11采用激振锤或激振电机，激振源11工作时有助于罐内材料下落，尤其有助于具有粘附力附着在罐体内壁的材料输送，提高罐内清空率。

造浆材料储罐2、处理剂储罐3和加重剂储罐4内称重传感器12的设置，能够方便各个储罐内物料的定量输送，变频卸料器13的输送用于实现定速输送；电磁阀14的设置是为了对各个物料的投放输送实现自动控制，并结合时序控制器实现各个物料的定序输送。

于本实施例中，隔膜泵5采用智能气动隔膜泵，集负压与正压气力输送于一体，体积、占地面积小，配置电子接口与控制器，实时反馈泵的运行状态，确保流量和输送流程的精确控制，集成PLC可实现在线集中控制；对输送物料的适应性强，适用于粘度高液体、粉料、大颗粒料如加重堵漏剂等均可超长距离快速输送，满足复杂情况如井漏、井涌、井喷时及时快速配制钻井液需求；无需电机，不存在液体泄露导致电机短路的风险，提高了安全性，同时降低了现场电力消耗，节约成本，可用于油气、非常规油气等环境要求比较高现场，实现安全、高效、节能。由隔膜泵5通过管路提供输送动力，粉尘无外泄风险，处理剂也不会受潮等受到外界污染，同时降低粉尘和腐蚀性处理剂如烧碱、纯碱等对人体健康与环境污染的影响，满足现场QHSE要求。

隔膜泵5与制浆罐6之间的管路上设置有止回阀18和质量流量计17，止回阀18用于防止物料逆流，质量流量计17用于监测物料质量。液体储罐1的顶部设置有上液位传感器15、液体储罐1的底部设置有下液位传感器16。

搅拌单元包括制浆罐6、乳化泵10和设置在制浆罐6中的搅拌器9，乳化泵10的进口与制浆罐6的底部出口连通，乳化泵10的出口与制浆罐6的顶部进口连通；隔膜泵5的出口与制浆罐6连通；乳化泵10的出口配有三通，三通的第一个接口与乳化泵10的出口连通、第二个接口与制浆罐6的顶部进口连通，而三通的第三个接口上安装有电磁阀14，三通的第三个接口作为排出钻井液的出料口，配置好的钻井液从三通的第三个接口后进行循环利用。

乳化泵10是集混合、分散、破碎、溶解、精细、解聚、均质、乳化为一体的高效型混合精细的乳化设备。制浆罐6采用变频搅拌分散罐，制浆罐6与高剪切乳化泵相结合，经过高频循环反复高剪切，可高效、快速、均匀地将钻井液处理剂等分散乳化，减少泡沫和包覆，提高钻井液稳定性。

监测单元7用于监测制浆罐6中钻井液的性能；钻井液的性能包括密度、粘度、失水量、泥皮质量、pH、固相含量和含砂量；监测单元7还用于监测钻井液的钙镁盐离子浓度；监测单元7包括密度传感器、粘度传感器、失水量测定仪、泥皮质量测定仪、pH测定仪、固相含量测定仪、含砂量测定仪和钙镁盐离子浓度传感器。

控制单元8包括时序控制器和上位机，隔膜泵5的控制器、每个电磁阀14、每个变频卸料器13和每个激振源11都与时序控制器电连接。时序控制器、称重传感器12、质量流量计17、上液位传感器15、下液位传感器16、乳化泵10和监测单元7中的各个仪器、监测单元7中的各个传感器都与上位机信号连接。

上位机中设置有在线集中控制系统，在线集中控制系统能够通过时序控制器控制隔膜泵5、乳化泵10、搅拌器9、各个激振源11、各个变频卸料器13和各个电磁阀14的启闭；

在线集中控制系统包括钻井液专家系统，钻井液专家系统用于根据现场地层特性、钻探施工工艺和专家经验知识库中的钻探钻井液体系，采用人工智能模糊逻辑推理技术，确定需要得到的钻井液性能指标和钻井液配方，钻井液配方包括钻井液的配制工艺、处理剂的配置和加重剂的配置；钻井液性能指标包括密度、粘度、失水量、泥皮质量、pH、固相含量和含砂量；

钻井液专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有专家经验知识库中的钻探钻井液体系，它能够应用人工智能技术和计算机技术，根据系统中的知识与经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。

钻井液专家系统能够将监测单元所监测到的制浆罐中的钻井液的性能参数与需要得到的钻井液性能参数进行对比分析计算，对比分析计算主要依靠算法进行，钻井液专家系统还能够根据对比分析计算的结果自动对钻井液配方进行调整，需要说明的是，如何根据对比分析计算的结果对钻井液配方需要技术人员事先写入钻井液专家系统的程序或利用算法实现，钻井液专家系统依据事先写入的程序或算法自动根据对比分析计算结果得到相应的调整结果，从而得到调整后的钻井液配方，而钻井液专家系统还能够自动保存调整后的钻井液配方，以供周围区块或类似地层特性、钻探工艺参考。

在线集中控制系统能够根据钻井液专家系统确定的钻井液配方通过时序控制器控制加料单元定时、定量、定序和定速得加入不同的原料。自动化程度高，在输送过程中，采用变频卸料器、称重传感器、质量流量计和时序控制器等相结合，根据处理剂物理、化学特性等，并按照分散、增稠、增粘等依次加入，可实现钻井液材料自动精准定速、定量、定序控制，使钻井液材料充分预制水化、搅拌、溶解，减少人为及环境等外界因素对钻井液性能质量影响。

上位机通过4G网络或5G网络或物联网与远程控制终端无线通讯连接，包括钻井液专家在内的操作人员能够通过远程控制终端能够控制上位机中的在线集中控制系统和钻井液专家系统，上位机接收各个传感器和监测单元中各个仪器的反馈信号后，在线集中控制系统能够在上位机的屏幕上显示所接收到的各个反馈信号的数值，也能够将各个反馈信号的数值传输给钻井液专家系统，钻井液专家系统根据各个反馈信号的数值与需要得到的钻井液性能指标相比较来适时调整钻井液中各个原料的配置比例和钻井液的配制工艺，远程控制终端可以为电脑、手机、平板等；操作人员可以通过远程控制终端对上位机进行远程操控。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种钻井液随钻在线自动配制方法，包括以下步骤：

(1)在上位机的钻井液专家系统中输入现场地层特性和钻探施工工艺，上位机中的钻井液专家系统根据现场地层特性、钻探施工工艺和专家经验知识库中的钻探钻井液体系，采用人工智能模糊逻辑推理技术，确定需要得到的钻井液性能指标和钻井液配方；钻井液配方包括钻井液的配制工艺、处理剂的配置和加重剂的配置；

(2)上位机的在线集中控制系统根据钻井液配方通过时序控制器控制加料单元定时、定量、定序和定速得加入原料，在隔膜泵5的作用下加入的原料被泵入到制浆罐6中；

(3)在制浆罐6中多种原料经过混合、搅拌、分散和乳化泵的反复剪切成为钻井液，通过监测单元7实时监测制浆罐6中的钻井液的性能；

(4)钻井液专家系统将监测单元7所监测到的制浆罐6中的钻井液的性能参数与步骤(1)中确定的需要得到的钻井液性能参数进行对比分析，并根据对比分析计算的结果对钻井液配方进行调整，并保存调整后的钻井液配方；

(5)上位机的在线集中控制系统根据调整后的钻井液配方通过时序控制器控制加料单元定时、定量、定序和定速得加入原料，在隔膜泵5的作用下加入的原料被泵入到制浆罐6中；

(6)重复进行步骤(3)-(5)，直到制浆罐6中的钻井液的性能与步骤(1)中确定的需要得到的钻井液性能参数相同；

(7)将制浆罐6中的钻井液泵入钻井中循环利用。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.钻井液随钻在线自动配制系统，其特征在于，包括：

加料单元，所述加料单元包括隔膜泵和出料管都与所述隔膜泵的进口连通的液体储罐、造浆材料储罐、处理剂储罐和加重剂储罐，所述造浆材料储罐、所述处理剂储罐和所述加重剂储罐中都设置有激振源和称重传感器，所述造浆材料储罐、所述处理剂储罐和所述加重剂储罐的出料管上都设置有变频卸料器和电磁阀；

搅拌单元，所述搅拌单元包括制浆罐、乳化泵和设置在所述制浆罐中的搅拌器，所述乳化泵的进口与所述制浆罐的底部出口连通，所述乳化泵的出口与所述制浆罐的顶部进口连通；所述隔膜泵的出口与所述制浆罐连通；

监测单元，所述监测单元用于监测所述制浆罐中钻井液的性能；

控制单元，所述控制单元包括时序控制器，所述隔膜泵的控制器、每个所述电磁阀、每个所述变频卸料器和每个所述激振源都与所述时序控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的钻井液随钻在线自动配制系统，其特征在于：所述钻井液的性能包括密度、粘度、失水量、泥皮质量、pH、固相含量和含砂量；所述监测单元还用于监测所述钻井液的钙镁盐离子浓度；所述监测单元包括密度传感器、粘度传感器、失水量测定仪、泥皮质量测定仪、pH测定仪、固相含量测定仪、含砂量测定仪和钙镁盐离子浓度传感器。

3.根据权利要求1所述的钻井液随钻在线自动配制系统，其特征在于：所述激振源采用激振锤或激振电机。

4.根据权利要求1所述的钻井液随钻在线自动配制系统，其特征在于：所述隔膜泵与所述制浆罐之间的管路上设置有止回阀和质量流量计。

5.根据权利要求4所述的钻井液随钻在线自动配制系统，其特征在于：所述液体储罐的顶部设置有上液位传感器、所述液体储罐的底部设置有下液位传感器。

6.根据权利要求5所述的钻井液随钻在线自动配制系统，其特征在于：所述控制单元还包括上位机，所述时序控制器与所述上位机信号连接；所述上位机中设置有在线集中控制系统，所述在线集中控制系统能够通过所述时序控制器控制所述隔膜泵、所述乳化泵、所述搅拌器、各个所述激振源、各个所述变频卸料器和各个所述电磁阀的启闭；所述称重传感器、所述质量流量计和所述监测单元中的各个仪器、各个传感器分别与所述上位机信号连接；

所述在线集中控制系统包括钻井液专家系统，所述钻井液专家系统用于根据现场地层特性、钻探施工工艺和专家经验知识库中的钻探钻井液体系，采用人工智能模糊逻辑推理技术，确定需要得到的钻井液性能指标和钻井液配方，所述钻井液配方包括钻井液的配制工艺、处理剂的配置和加重剂的配置；所述钻井液性能指标包括密度、粘度、失水量、泥皮质量、pH、固相含量和含砂量；

所述钻井液专家系统能够将所述监测单元所监测到的所述制浆罐中的钻井液的性能参数与需要得到的钻井液性能参数进行对比分析计算，还能够根据对比分析计算的结果对所述钻井液配方进行调整，并保存调整后的钻井液配方。

7.根据权利要求6所述的钻井液随钻在线自动配制系统，其特征在于：所述上位机通过4G网络或5G网络与远程控制终端无线通讯连接，通过远程控制终端能够远程操控所述上位机，所述远程控制终端为电脑或手机；所述上位机配备有触摸屏。

8.根据权利要求1所述的钻井液随钻在线自动配制系统，其特征在于：所述液体储罐用于储存水或预制好的基础浆液。

9.一种钻井液随钻在线自动配制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在上位机的钻井液专家系统中输入现场地层特性和钻探施工工艺，上位机中的钻井液专家系统根据现场地层特性、钻探施工工艺和专家经验知识库中的钻探钻井液体系，采用人工智能模糊逻辑推理技术，确定需要得到的钻井液性能指标和钻井液配方；所述钻井液配方包括钻井液的配制工艺、处理剂的配置和加重剂的配置；

(2)所述上位机的在线集中控制系统根据钻井液配方通过时序控制器控制加料单元定时、定量、定序和定速得加入原料，在隔膜泵的作用下加入的原料被泵入到制浆罐中；

(3)在所述制浆罐中多种原料经过混合、搅拌、分散和乳化泵的反复剪切成为钻井液，通过监测单元实时监测所述制浆罐中的钻井液的性能；

(4)所述钻井液专家系统将所述监测单元所监测到的所述制浆罐中的钻井液的性能参数与需要得到的钻井液性能参数进行对比分析，并根据对比分析计算的结果对所述钻井液配方进行调整，并保存调整后的钻井液配方；

(5)所述上位机的在线集中控制系统根据调整后的钻井液配方通过时序控制器控制加料单元定时、定量、定序和定速得加入原料，在隔膜泵的作用下加入的原料被泵入到制浆罐中；

(6)重复进行步骤(3)-(5)，直到所述制浆罐中的钻井液的性能与需要得到的钻井液性能指标相同；

(7)将所述制浆罐中的钻井液泵入钻井中循环利用。

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