專(zhuān)利名稱(chēng)：一種欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及欠平衡鉆井中的壓力控制技術(shù)，進(jìn)一步地說(shuō)，是涉及液相欠平衡鉆井中的井底壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)及其自動(dòng)控制方法。
背景技術(shù)：
在目前常規(guī)鉆井中，往往采用過(guò)平衡鉆井技術(shù)，即鉆井的井底壓力(鉆井液液柱壓力加上循環(huán)壓降等)大于地層孔隙壓力。這種鉆井技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于鉆井的安全性比較高。但由于液柱壓力大于地層孔隙壓力，不可避免地對(duì)地層造成損害，如(1)泥漿濾液侵入地層，和地層里的粘土發(fā)生水化反應(yīng)，粘土膨脹、分散、運(yùn)移，堵塞孔隙后道；(2)泥漿濾液和地層流體起化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生水鎖、乳化、潤(rùn)濕反轉(zhuǎn)和固相沉淀，從而堵塞孔隙喉道；(3)泥漿固相直接堵塞孔隙喉道等。這使得在現(xiàn)場(chǎng)鉆井施工中經(jīng)常會(huì)遇到完井前油氣顯示良好，后效反應(yīng)強(qiáng)烈甚至出現(xiàn)井涌、井噴，但由于儲(chǔ)層受污染等因素造成完井測(cè)試效果卻很差，即使有產(chǎn)量不是很低就是衰減太快?？墒怯捎阢@進(jìn)時(shí)的良好顯示使決策者不忍放棄，造成反復(fù)布井，浪費(fèi)了巨額的資金，也推遲甚至錯(cuò)過(guò)了新油田的發(fā)現(xiàn)。此外，這種壓差還對(duì)機(jī)械鉆速產(chǎn)生負(fù)面影響，如(1)壓差對(duì)巖石強(qiáng)度的影響壓差越大，巖石的強(qiáng)度越大，越難破碎；(2)壓差對(duì)井底清洗效果的影響壓差增大容易產(chǎn)生壓持效應(yīng)，影響機(jī)械鉆速；故壓差越大機(jī)械鉆速越低，故減小壓差是提高機(jī)械鉆速的一種途徑。
欠平衡鉆井技術(shù)是近幾年在國(guó)外快速發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù)，也是石油工程20世紀(jì)10大頂尖技術(shù)之一，它起源是為了克服常規(guī)過(guò)平衡鉆井中出現(xiàn)的嚴(yán)重井漏等工程事故、提高機(jī)械鉆速、減少地層污染，它是鉆井理論的突破，是鉆井作業(yè)從“過(guò)平衡”、“平衡”到“欠平衡”的必然。
欠平衡鉆井的主要技術(shù)特點(diǎn)是利用特殊設(shè)備(旋轉(zhuǎn)防噴器)及工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)井底欠平衡鉆進(jìn)，既邊噴邊鉆。欠平衡鉆井工藝的核心問(wèn)題是在鉆井過(guò)程中保持井底壓力低于地層孔隙壓力或儲(chǔ)層壓力在一個(gè)合適的范圍內(nèi)(即設(shè)計(jì)負(fù)壓值)，但在實(shí)際鉆井過(guò)程中由于地層流體的進(jìn)入特別是地層氣體在井底負(fù)壓狀態(tài)下流入井筒，以及泵入排量的變化都會(huì)造成井口和井底壓力的波動(dòng)，井底壓力不在是一個(gè)恒定值。目前，現(xiàn)場(chǎng)普遍采用的是根據(jù)鉆井產(chǎn)油、氣量的高低、來(lái)間接估計(jì)井底壓力狀況例如，如果產(chǎn)油、氣量過(guò)高，井底壓力可能太低，負(fù)壓值太大；如果產(chǎn)油、氣量過(guò)低，井底壓力可能太高，造成過(guò)平衡。從而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥改變套壓而間接影響井底壓力，使套壓保持在合適的范圍內(nèi)。由于手動(dòng)調(diào)節(jié)存在準(zhǔn)確性低和效率不高等問(wèn)題，特別是這種方法對(duì)井底壓力情況的估計(jì)以及套壓調(diào)節(jié)量的大小上很大程度上依賴(lài)操作者的經(jīng)驗(yàn)水平，并沒(méi)有直接可參照比較的客觀參數(shù)，稍有不當(dāng)，就會(huì)造成井底過(guò)壓，失去了欠平衡鉆井的意義，或者造成負(fù)壓值太大，容易發(fā)生鉆井事故。
根據(jù)手動(dòng)調(diào)節(jié)欠平衡鉆井壓力的原理，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)01136291.X提供了一種欠平衡鉆井用節(jié)流壓力(套壓)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其主要特征是通過(guò)采集有關(guān)立壓、套壓等動(dòng)態(tài)模擬信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)換成壓力數(shù)據(jù)，然后按設(shè)定的套壓的控制值進(jìn)行控制，其控制目的是維持套壓或立壓在設(shè)計(jì)值內(nèi)不變。其理論是建立在簡(jiǎn)單的壓井原理之上，認(rèn)為維持立壓不變就等于井底壓力不變，沒(méi)有將泵排量、鉆井液性能等的變化對(duì)井底壓力考慮在內(nèi)(而這些在欠平衡鉆井作業(yè)中會(huì)經(jīng)常變化)。其雖然比手動(dòng)調(diào)節(jié)套壓精度和效率都提高了，但其核心只是將計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)單代替了人工，所依據(jù)的原理以及參照和調(diào)整的參數(shù)與手動(dòng)調(diào)節(jié)并無(wú)兩樣，因此同樣存在上述手動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題。
目前，世界上生產(chǎn)欠平衡專(zhuān)用旋轉(zhuǎn)防噴器的技術(shù)已趨成熟，國(guó)內(nèi)也有多家石油機(jī)械廠正在開(kāi)發(fā)旋轉(zhuǎn)防噴器產(chǎn)品。但都沒(méi)有配備相應(yīng)的壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)。而且由于地質(zhì)地貌的不同，國(guó)外的欠平衡鉆井技術(shù)多采用注氣欠平衡鉆井，鉆具中同時(shí)注入氣體和鉆井液(泥漿)，因此注氣欠平衡鉆井是通過(guò)調(diào)節(jié)注氣量和注液量來(lái)調(diào)節(jié)井底壓力。我國(guó)國(guó)內(nèi)的欠平衡鉆井技術(shù)則多采用液相欠平衡鉆井，鉆具中只注入鉆井液，因此無(wú)法套用國(guó)外氣壓鉆井的壓力控制方法。

發(fā)明內(nèi)容
井底壓力控制是欠平衡鉆井工藝得以成功實(shí)施的關(guān)鍵，如果井底壓力控制不當(dāng)會(huì)造成正壓鉆井而失去欠平衡鉆井的意義或欠平衡過(guò)大引起井口失控等鉆井事故。
本發(fā)明針對(duì)液相欠平衡鉆井技術(shù)進(jìn)行研究。液相欠平衡鉆井是指通過(guò)在鉆桿中注入純液相(鉆井液或泥漿)進(jìn)行欠平衡鉆井的工藝。如附圖2所示鉆桿9是中空的用于注入鉆井液，環(huán)空14是指鉆桿同井壁間的間隙，由鉆桿9中注入的鉆井液從鉆頭噴出后沿環(huán)空14返回地面。盡管可以通過(guò)環(huán)空14及套管壓力12來(lái)推導(dǎo)井底壓力13，但由于環(huán)空14內(nèi)的流體不僅有鉆井液，還包括從油、氣層帶上來(lái)的油相、氣相及巖屑，呈現(xiàn)出多相流的狀態(tài)。多相流的影響因素非常復(fù)雜，計(jì)算誤差大，因此很難準(zhǔn)確、簡(jiǎn)便的由出口壓力推算出井底壓力13。
發(fā)明人認(rèn)為環(huán)空與鉆桿的中空構(gòu)成了類(lèi)似U型管的流體通道，如附圖3所示。因此從鉆桿9內(nèi)，根據(jù)立管壓力11(立壓)及鉆具和鉆頭內(nèi)的壓降同樣可以來(lái)推導(dǎo)井底壓力13。而且由于液相欠平衡鉆井的鉆桿9中的流體為純液相，因此可以利用成熟的水力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算來(lái)準(zhǔn)確推導(dǎo)井底壓力13。其誤差要比利用多相流模式推導(dǎo)井底壓力要小得多。
由此發(fā)明人根據(jù)這種環(huán)空與鉆桿間動(dòng)力平衡的原理，通過(guò)研究井底壓力與其它鉆井參數(shù)的關(guān)系，充分地考慮了液相欠平衡鉆井中可能對(duì)井底壓力的各種影響因素，通過(guò)采集立壓、套壓、泵沖數(shù)據(jù)，結(jié)合輸入的鉆井液全性能數(shù)據(jù)及井身結(jié)構(gòu)參數(shù)等，建立計(jì)算井底壓力模型，從而能夠得到井底壓力值。按照維持井底壓力不變的原則通過(guò)調(diào)節(jié)套壓從而改變立壓的方法，控制井底壓力不變，為井底壓力自動(dòng)控制提供依據(jù)。
因此，本發(fā)明提供了一種欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)自控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、計(jì)算出井底壓力，使其時(shí)刻準(zhǔn)確控制在欠平衡鉆井的工藝要求范圍之內(nèi)。
另外，本發(fā)明提供了一種欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制的方法，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤實(shí)際井底壓力的變化，以保障欠平衡鉆井正常進(jìn)行，該方法調(diào)節(jié)精度高，可確保欠平衡鉆井工藝的可靠性和安全性。
本發(fā)明針對(duì)液相欠平衡鉆井技術(shù)，根據(jù)環(huán)空動(dòng)力平衡的條件建立如下公式①井底壓力＝立管壓力+鉆具內(nèi)液柱壓力—鉆具內(nèi)循環(huán)壓耗—鉆頭壓降。
公式①中a.立管壓力(立壓)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集得到；b.鉆具內(nèi)液柱壓力根據(jù)輸入的井斜、井深、鉆井液密度的靜態(tài)數(shù)據(jù)利用水力學(xué)公式計(jì)算；c.鉆具內(nèi)循環(huán)壓耗根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的泵沖折算出的鉆井液排量、鉆具幾何尺寸、鉆具長(zhǎng)度、鉆井液性能(包括泥漿密度、塑性粘度、nk值)利用水力學(xué)公式計(jì)算；d.鉆頭壓降根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集的泵沖折算出的鉆井液排量、鉆頭水眼尺寸、鉆井液性能利用水力學(xué)公式計(jì)算。
綜上所述，可以利用實(shí)時(shí)采集的立壓、泵沖，并結(jié)合井斜、井深、鉆具幾何尺寸、鉆頭水眼尺寸、鉆具長(zhǎng)度、鉆井液性能等靜態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)上述原理推導(dǎo)出準(zhǔn)確的井底壓力值。
欠平衡鉆井工藝中井底壓力的設(shè)定值，針對(duì)具體的鉆井來(lái)說(shuō)是已知的，可以根據(jù)該鉆井的具體參數(shù)條件及其所在的地質(zhì)構(gòu)造情況如地層壓力等來(lái)設(shè)計(jì)。當(dāng)井底壓力在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)時(shí)，井底壓力與其所在的地層壓力之間有一合理負(fù)壓值，欠平衡鉆井可正常且安全的進(jìn)行。當(dāng)井底壓力值不在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)以上推導(dǎo)則可以通過(guò)調(diào)節(jié)立壓的大小來(lái)控制井底壓力使其保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。
立壓與套壓(套管壓力)之間有這如下關(guān)系P立壓＝P管內(nèi)摩阻+P環(huán)空摩阻+P噴嘴壓降+P套壓+P環(huán)空液壓-P管內(nèi)液壓。
所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)套壓來(lái)使立壓發(fā)生變化，從而達(dá)到控制井底壓力的目的。套壓的調(diào)節(jié)則可通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流管匯上設(shè)置的節(jié)流閥的開(kāi)度來(lái)控制。
因此，依據(jù)以上原理，本發(fā)明提供了一種欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)，其包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制執(zhí)行單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元，其中(1).數(shù)據(jù)采集單元包括設(shè)置在鉆井作業(yè)系統(tǒng)中的采集立管壓力、套管壓力的壓力傳感器、采集節(jié)流閥開(kāi)度的傳感器及采集泥漿泵泵沖的泵沖傳感器等。所述數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)采集欠平衡鉆井作業(yè)的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元將該數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理單元；(2).數(shù)據(jù)處理單元包括計(jì)算機(jī)，優(yōu)選嵌入式計(jì)算機(jī)，如工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等。其中包含有欠平衡鉆井井底壓力處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入模塊。
所述的數(shù)據(jù)采集模塊將由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元傳來(lái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入欠平衡鉆井井底壓力處理模塊。該模塊主要起到控制采樣頻率、過(guò)濾干擾信號(hào)、對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和平均等處理并傳給數(shù)據(jù)處理單元的作用。
所述的靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入模塊將包括井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能及井深在內(nèi)的參數(shù)輸入欠平衡鉆井井底壓力處理模塊，并能夠及時(shí)更新所述的參數(shù)。
欠平衡鉆井井底壓力處理模塊將包括以上所述的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)數(shù)據(jù)在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行處理，以實(shí)測(cè)的立壓和計(jì)算的鉆具內(nèi)和鉆頭壓降來(lái)計(jì)算液相欠平衡鉆井鉆進(jìn)時(shí)的井底壓力，即通過(guò)上述公式①得出井底壓力值。將井底壓力值與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)井底壓力值超過(guò)或低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度指令通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元傳給控制執(zhí)行單元；(3).控制執(zhí)行單元包括節(jié)流閥控制模塊、節(jié)流閥等。
其中節(jié)流閥控制模塊收到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的控制節(jié)流閥開(kāi)度的指令時(shí)，輸出控制信號(hào)給節(jié)流閥，控制節(jié)流閥開(kāi)度，以實(shí)時(shí)將井底壓力控制在設(shè)定范圍內(nèi)。所述的節(jié)流閥控制模塊還起到防止閥關(guān)死而將井憋漏的作用。
(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元包括A/D、D/A變換器、I/O控制器等，起到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的輸出輸入等作用。其將數(shù)據(jù)采集單元得到的模擬數(shù)據(jù)通過(guò)A/D變換器變換成數(shù)據(jù)，然后通過(guò)I/O控制器輸入給數(shù)據(jù)處理單元。再將數(shù)據(jù)處理單元的處理數(shù)據(jù)通過(guò)D/A變換器變換成模擬信號(hào)，經(jīng)I/O控制器輸出給控制執(zhí)行單元。
為了使本發(fā)明的自控系統(tǒng)功能更完善，以上所述的自動(dòng)控制系統(tǒng)還包括硫化氫氣體過(guò)量報(bào)警體系即所述的數(shù)據(jù)采集單元還包括采集硫化氫(H2S)氣體濃度的傳感器；所述的數(shù)據(jù)處理單元還包括硫化氫氣體過(guò)量報(bào)警控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將硫化氫氣體濃度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入硫化氫氣體過(guò)量報(bào)警控制模塊，報(bào)警控制模塊根據(jù)實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)與設(shè)定的濃度進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)＞設(shè)定濃度時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)報(bào)警器的指令給控制執(zhí)行單元；所述的控制執(zhí)行單元還包括H2S氣體過(guò)量報(bào)警器，當(dāng)報(bào)警器收到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的啟動(dòng)報(bào)警器的指令，啟動(dòng)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。
本發(fā)明的自控系統(tǒng)還包括當(dāng)可燃?xì)怏w過(guò)量時(shí)自動(dòng)點(diǎn)火的自控體系即所述的數(shù)據(jù)采集單元還包括采集可燃?xì)怏w濃度的傳感器；所述的數(shù)據(jù)處理單元還包括點(diǎn)火器控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將可燃?xì)怏w濃度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)火器控制模塊，點(diǎn)火器控制模塊根據(jù)實(shí)際采集的可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)與設(shè)定的濃度進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)＞設(shè)定濃度時(shí)，發(fā)出可燃?xì)怏w過(guò)量指令給控制執(zhí)行單元；所述的控制執(zhí)行單元還包括設(shè)置點(diǎn)火管線上的點(diǎn)火器，當(dāng)接受到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的可燃?xì)怏w過(guò)量指令時(shí)自動(dòng)點(diǎn)火燃燒可燃?xì)怏w。
本發(fā)明的自控系統(tǒng)中還包括自動(dòng)控制撇油罐倒?jié){的體系即所述的數(shù)據(jù)采集單元還包括采集撇油罐液位的液位儀；所述的數(shù)據(jù)處理單元還包括倒?jié){泵控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將撇油罐液位的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入倒?jié){泵控制模塊，倒?jié){泵控制模塊根據(jù)實(shí)際采集的撇油罐液位數(shù)據(jù)與設(shè)定的液位進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的液位數(shù)據(jù)＞設(shè)定的液位，則發(fā)出啟動(dòng)倒?jié){泵指令給控制執(zhí)行單元；所述的控制執(zhí)行單元還包括設(shè)置在撇油罐上的倒?jié){泵，當(dāng)接受到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的啟動(dòng)倒?jié){泵指令時(shí)啟動(dòng)倒?jié){泵把撇油罐里的鉆井液抽到鉆井循環(huán)罐中，維持欠平衡鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
本發(fā)明的自控系統(tǒng)還包括對(duì)井涌井漏報(bào)警的自控體系即所述的數(shù)據(jù)采集單元還包括采集泥漿罐液位的液位儀；所述的數(shù)據(jù)處理單元還包括井涌井漏報(bào)警控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將泥漿罐液位的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入井涌井漏報(bào)警控制模塊，報(bào)警控制模塊根據(jù)實(shí)際采集的液位數(shù)據(jù)與上一時(shí)段的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果液位的波動(dòng)值＞設(shè)定值時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)報(bào)警器的指令給控制執(zhí)行單元；所述的控制執(zhí)行單元還包括井涌井漏報(bào)警器，當(dāng)報(bào)警器收到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的啟動(dòng)報(bào)警器的指令，啟動(dòng)井涌井漏報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。
為了便于現(xiàn)場(chǎng)操作及場(chǎng)外監(jiān)控，本發(fā)明所述的自動(dòng)控制系統(tǒng)還包括系統(tǒng)設(shè)置顯示單元。該單元包括計(jì)算機(jī)，如便攜式計(jì)算機(jī)等。其中包括靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、通訊模塊等。系統(tǒng)設(shè)置顯示單元可作為上位機(jī)與作為下位機(jī)的所述數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)通訊模塊及有線或無(wú)線連接交換數(shù)據(jù)。所述通訊模塊可起將數(shù)據(jù)在上位機(jī)和下位機(jī)之間進(jìn)行交換的作用。
所述系統(tǒng)設(shè)置顯示單元中的靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入模塊通過(guò)過(guò)通訊模塊及連接將靜態(tài)數(shù)據(jù)的原始參數(shù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元，將包括井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能及井深在內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)初始化。并隨時(shí)根據(jù)鉆進(jìn)情況向數(shù)據(jù)處理單元傳輸更新了的包括井深和鉆井液性能在內(nèi)的數(shù)據(jù)。同時(shí)鉆井監(jiān)控畫(huà)面、現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)及由數(shù)據(jù)處理單元傳回的結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)顯示模塊動(dòng)態(tài)顯示。而且系統(tǒng)設(shè)置顯示單元還可以對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
本發(fā)明的自控系統(tǒng)中所涉及的壓力傳感器、泵沖傳感器、液位儀、點(diǎn)火器、報(bào)警器、節(jié)流閥、節(jié)流閥開(kāi)度傳感器等設(shè)備均可采用現(xiàn)有技術(shù)中相應(yīng)的設(shè)備。
針對(duì)上述本發(fā)明的欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)，本發(fā)明還提供一種欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制的方法。該方法可包括數(shù)據(jù)采集步驟、數(shù)據(jù)處理步驟、控制執(zhí)行步驟，其中(1).數(shù)據(jù)采集步驟實(shí)時(shí)采集鉆井作業(yè)中的立管壓力、套管壓力、節(jié)流閥開(kāi)度及泥漿泵泵沖的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理步驟；(2).數(shù)據(jù)處理步驟將包括井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能在內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)及上述數(shù)據(jù)采集步驟中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理如上述公式①的原理，以實(shí)測(cè)的立壓和計(jì)算的鉆具內(nèi)和鉆頭壓降來(lái)計(jì)算欠平衡鉆井鉆進(jìn)時(shí)的井底壓力。得出井底壓力值，當(dāng)井底壓力值＜(系統(tǒng)設(shè)定值-設(shè)定誤差)時(shí)，發(fā)出關(guān)小節(jié)流閥開(kāi)度指令，以增加套壓值，在等待一個(gè)壓力傳播延遲后根據(jù)變化了的立壓和所述動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)重新計(jì)算井底壓力，再把計(jì)算得出的井底壓力與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，直到井底壓力在設(shè)定值±設(shè)定誤差范圍之內(nèi)；當(dāng)計(jì)算的井底壓力＞(設(shè)定值+設(shè)定誤差)時(shí)，發(fā)出開(kāi)大節(jié)流閥開(kāi)度指令，以減少套壓值，在等待一個(gè)壓力傳播延遲后根據(jù)變化了的立壓和其它數(shù)據(jù)重新計(jì)算井底壓力，再把計(jì)算的井底壓力與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，直到井底壓力在設(shè)定值±設(shè)定誤差范圍之內(nèi)；(3).控制執(zhí)行步驟根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理步驟給出的控制節(jié)流閥開(kāi)度的指令，輸出控制信號(hào)給電控節(jié)流閥，控制節(jié)流閥開(kāi)度，以實(shí)時(shí)將井底壓力控制在設(shè)定范圍內(nèi)。
為了使本發(fā)明的自控方法功能更完善，以上所述的自動(dòng)控制方法中還包括當(dāng)硫化氫氣體過(guò)量時(shí)的自動(dòng)報(bào)警的方法即所述的數(shù)據(jù)采集步驟包括采集硫化氫氣體濃度的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)；所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括將數(shù)據(jù)采集步驟中實(shí)際采集的硫化氫濃度數(shù)據(jù)與設(shè)定的濃度進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)＞設(shè)定濃度時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)報(bào)警器的指令；所述控制執(zhí)行步驟包括當(dāng)收到數(shù)據(jù)處理步驟發(fā)出的啟動(dòng)報(bào)警器的指令時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。
所述的報(bào)警方式包括現(xiàn)有技術(shù)中的各種報(bào)警方式，如聲光報(bào)警或通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)聲或顯示報(bào)警等。
本發(fā)明的自動(dòng)控制方法中還包括當(dāng)可燃?xì)怏w濃度過(guò)量時(shí)的自動(dòng)點(diǎn)火燃燒可燃?xì)怏w的自控方法即所述數(shù)據(jù)采集步驟包括采集可燃?xì)怏w濃度的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)；所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括根據(jù)數(shù)據(jù)采集步驟實(shí)際采集的可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)與設(shè)定的濃度進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)＞設(shè)定濃度時(shí)，發(fā)出可燃?xì)怏w過(guò)量指令；所述的控制執(zhí)行步驟包括當(dāng)接受到數(shù)據(jù)處理步驟發(fā)出的可燃?xì)怏w過(guò)量指令時(shí)，啟動(dòng)點(diǎn)火器燃燒可燃?xì)怏w。
本發(fā)明的自動(dòng)控制方法還包括控制倒?jié){泵自動(dòng)倒?jié){的方法所述的數(shù)據(jù)采集步驟包括采集撇油罐液位的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)；
所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)采集步驟采集的撇油罐液位數(shù)據(jù)與設(shè)定的液位進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的液位數(shù)據(jù)＞設(shè)定的液位，則發(fā)出啟動(dòng)倒?jié){泵指令；所述的控制執(zhí)行步驟包括當(dāng)接受到數(shù)據(jù)處理步驟發(fā)出的啟動(dòng)倒?jié){泵指令時(shí)，啟動(dòng)倒?jié){泵把撇油罐里的鉆井液抽到鉆井循環(huán)罐中，維持欠平衡鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
本發(fā)明的自動(dòng)控制方法還包括根據(jù)泥漿罐液位的波動(dòng)情況自動(dòng)對(duì)井涌井漏報(bào)警的方法所述的數(shù)據(jù)采集步驟包括采集泥漿罐液位的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)；所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括根據(jù)實(shí)際采集的泥漿罐液位數(shù)據(jù)與上一時(shí)段的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果液位的波動(dòng)值＞設(shè)定值時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)報(bào)警器的指令；即當(dāng)實(shí)時(shí)采集的液位低于上一時(shí)段液位，且波動(dòng)值＞設(shè)定值，則發(fā)出井漏報(bào)警的指令，當(dāng)實(shí)時(shí)采集的液位高于上一時(shí)段液位，且波動(dòng)值＞設(shè)定值，則發(fā)出井涌報(bào)警的指令；所述控制執(zhí)行步驟包括當(dāng)報(bào)警器收到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的啟動(dòng)報(bào)警器的指令時(shí)，啟動(dòng)井涌井漏報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。
為了便于現(xiàn)場(chǎng)操作及場(chǎng)外監(jiān)控，本發(fā)明所述的自動(dòng)控制方法中還包括系統(tǒng)設(shè)置顯示步驟。其通過(guò)將包括井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能及井深在內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入并交換給數(shù)據(jù)處理步驟，初始化數(shù)據(jù)處理步驟中的靜態(tài)數(shù)據(jù)，并隨時(shí)根據(jù)鉆進(jìn)情況向數(shù)據(jù)處理步驟傳輸更新了的包括井深和鉆井液性能在內(nèi)的數(shù)據(jù)，同時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)處理步驟處理的結(jié)果數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示鉆井監(jiān)控畫(huà)面及現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
此外，本發(fā)明的自控系統(tǒng)的工作模式可以包括兩者，一種為上述的以實(shí)測(cè)的立壓和計(jì)算的鉆具內(nèi)和鉆頭壓降來(lái)計(jì)算欠平衡鉆井井底壓力，將其與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較并進(jìn)行控制的工作模式；另一種為在背景技術(shù)中介紹的根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定套壓值，將實(shí)測(cè)的套壓值與設(shè)定值比較，控制套壓值或立壓值不變的工作模式。在鉆井系統(tǒng)在進(jìn)行欠平衡鉆井時(shí)，自控系統(tǒng)選擇前一種工作模式(模式1)，而當(dāng)鉆井系統(tǒng)在進(jìn)壓井作業(yè)(遇到井涌時(shí)往往需要壓井作業(yè))時(shí)可選擇后一種工作模式(模式2)。
根據(jù)上述后者的這種工作模式，本發(fā)明的自動(dòng)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理單元或系統(tǒng)設(shè)置顯示單元中還包括工作模式選擇模塊，數(shù)據(jù)處理單元中還包括套壓比較處理模塊。當(dāng)系統(tǒng)需要以第二種工作模式運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)工作模式選擇模塊選擇第二種工作模式，數(shù)據(jù)處理單元中的數(shù)據(jù)采集模塊將套壓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)傳給套壓比較處理模塊，將套壓實(shí)測(cè)值與套壓的設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)套壓數(shù)據(jù)不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)出調(diào)節(jié)節(jié)流閥的指令給控制執(zhí)行單元進(jìn)行節(jié)流閥開(kāi)度的控制以調(diào)整套壓。
本發(fā)明的欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)及方法能夠配合世界上所有類(lèi)型的旋轉(zhuǎn)防噴器(用于欠平衡鉆井的專(zhuān)用設(shè)備)工作，通過(guò)使用該系統(tǒng)及提高了欠平衡鉆井工藝的自動(dòng)化程度，同時(shí)也提高了欠平衡鉆井作業(yè)的準(zhǔn)確性、可靠性和安全性。具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。


圖1為欠平衡鉆井系統(tǒng)的設(shè)備布置示意圖；圖2為鉆桿與環(huán)空流體壓力實(shí)際情況示意圖；圖3為環(huán)空動(dòng)力平衡模式示意圖；圖4為本發(fā)明井底壓力自動(dòng)化控制系統(tǒng)的程序流程圖；圖5為本發(fā)明欠平衡鉆井井底壓力處理模塊的流程圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步地描述本發(fā)明。
本發(fā)明的鉆井系統(tǒng)的主要設(shè)備如圖1所示其中欠平衡鉆井的鉆桿9中注入鉆井液，套管10中為返回的多相流體。鉆桿9上設(shè)置有立壓傳感器1可實(shí)時(shí)測(cè)量立壓數(shù)據(jù)給自控系統(tǒng)。套管10中多相流體經(jīng)過(guò)截流管匯8輸入氣液分離罐7。截流管匯8中的節(jié)流閥可根據(jù)自控系統(tǒng)的指令來(lái)控制開(kāi)度，從而控制套壓。配合節(jié)流閥安裝的套壓傳感器可實(shí)測(cè)套壓的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)給自控系統(tǒng)。從套管10中返回的流體經(jīng)過(guò)氣液分離罐7分離。氣體從分離罐7上部排出。在氣體排出線路上設(shè)置有硫化氫氣體濃度傳感器、可燃?xì)怏w濃度傳感器，可將氣體濃度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給自控系統(tǒng)。在氣體排出的點(diǎn)火管線4上設(shè)置有點(diǎn)火器。在收到自控系統(tǒng)點(diǎn)火指令時(shí)點(diǎn)火器自動(dòng)點(diǎn)火燃燒可燃?xì)怏w。由氣液分離罐7排出的液體在撇油罐5中靜置。液體中的油從液面上去除。該撇油罐5上設(shè)置有液位儀，實(shí)時(shí)測(cè)量液位數(shù)據(jù)給自控系統(tǒng)。倒?jié){泵6在收到系統(tǒng)指令后可自動(dòng)啟動(dòng)將泥漿排至泥漿罐3。泥漿罐3上設(shè)置有泥漿泵液位儀，可實(shí)時(shí)測(cè)量液位數(shù)據(jù)給自控系統(tǒng)。泥漿罐3通過(guò)泥漿泵2將泥漿注入鉆桿10。配合泥漿泵2設(shè)置有泵沖傳感器可實(shí)時(shí)測(cè)量泵沖數(shù)據(jù)給自控系統(tǒng)。
圖5為本發(fā)明自控系統(tǒng)的程序流程如圖所示下位機(jī)開(kāi)機(jī)系統(tǒng)初始化的主要工作是與上位機(jī)進(jìn)行通信，接受傳來(lái)的井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井液性能，井深等工作數(shù)據(jù)，以及是否啟動(dòng)設(shè)備工作、設(shè)備將要工作在何種模式下等控制數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)接受到啟動(dòng)指令后，開(kāi)始調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采集立管壓力、套管壓力、泥漿罐液位、撇油罐液位、節(jié)流閥開(kāi)度、H2S濃度、天然氣(Gas)濃度、泵沖等數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)工作模式選擇模塊選擇工作模式1或工作模式2。如果選擇模式2，則通過(guò)套壓比較處理模塊，對(duì)套壓實(shí)測(cè)值同設(shè)定值比較，并把結(jié)果數(shù)據(jù)傳給節(jié)流閥控制模塊，由其控制節(jié)流閥的開(kāi)度，保持套壓在設(shè)定值范圍內(nèi)。如果控制方式是模式1，則調(diào)用井底壓力處理模塊，該模塊根據(jù)實(shí)測(cè)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和有關(guān)靜態(tài)數(shù)據(jù)計(jì)算井底壓力，然后調(diào)用節(jié)流閥控制模塊，控制節(jié)流閥開(kāi)度從而使井底壓力維持在設(shè)定范圍之內(nèi)。
當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)工作模式的不同進(jìn)行相應(yīng)的壓力控制之后對(duì)采集的天然氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果≥設(shè)定值則啟動(dòng)點(diǎn)火器。然后對(duì)采集的H2S濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果≥設(shè)定值則進(jìn)行硫化氫報(bào)警。之后，系統(tǒng)對(duì)采集的撇油罐液位數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果不再設(shè)定范圍之內(nèi)，則根據(jù)是否≥上限設(shè)定值或是否≤下限設(shè)定值而啟動(dòng)或關(guān)閉倒槳泵。接著，系統(tǒng)對(duì)采集的泥漿罐液位數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)出液量平衡判斷，如果液位實(shí)測(cè)值與上一時(shí)段的實(shí)測(cè)值之間的波動(dòng)值大于或小于設(shè)定值則進(jìn)行井涌或井漏報(bào)警。之后與上位機(jī)通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，把有關(guān)結(jié)果或需顯示的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)。最后把控制重新交給數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行下一次的循環(huán)。
圖6為本發(fā)明自控系統(tǒng)中欠平衡井底壓力處理模塊的程序流程如圖6所示，首先根據(jù)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)以及上位機(jī)傳來(lái)的井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿參數(shù)及井深等數(shù)據(jù)計(jì)算鉆具內(nèi)的液柱壓力、鉆具內(nèi)壓耗、鉆頭壓降，在此基礎(chǔ)上用采集的立壓數(shù)據(jù)計(jì)算出井底壓力，然后根據(jù)井底壓力設(shè)定值進(jìn)行判斷，如果計(jì)算井底壓力在系統(tǒng)設(shè)置值±誤差之內(nèi)則直接退出該模塊。如果計(jì)算井底壓力不在系統(tǒng)設(shè)置值±誤差之內(nèi)則調(diào)用節(jié)流閥控制模塊，節(jié)流閥控制模塊根據(jù)一定的算法開(kāi)大(如果井底壓力＞設(shè)定值)或關(guān)小(如果井底壓力＜設(shè)定值)節(jié)流閥，這樣套壓就會(huì)降低或升高，進(jìn)而造成立壓也有不同程度的變化。
然后系統(tǒng)進(jìn)入一個(gè)等待時(shí)段，等待一個(gè)壓力傳播延遲時(shí)間后調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)重新計(jì)算井底壓力，如果計(jì)算井底壓力在系統(tǒng)設(shè)置值±誤差之內(nèi)則退出該模塊。如果計(jì)算井底壓力還不在系統(tǒng)設(shè)置值±誤差之內(nèi)則調(diào)用節(jié)流閥控制模塊再次進(jìn)行調(diào)整，直到計(jì)算井底壓力在系統(tǒng)設(shè)置值±誤差之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、控制執(zhí)行單元和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元，其特征在于(1).數(shù)據(jù)采集單元包括設(shè)置在鉆井作業(yè)系統(tǒng)中的采集立管壓力、套管壓力的壓力傳感器、采集節(jié)流閥開(kāi)度的傳感器及采集泥漿泵泵沖的泵沖傳感器；所述數(shù)據(jù)采集單元實(shí)時(shí)采集欠平衡鉆井作業(yè)的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元將該數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)處理單元；(2).數(shù)據(jù)處理單元包括欠平衡鉆井井底壓力處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入模塊；數(shù)據(jù)采集模塊將由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元傳來(lái)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入欠平衡鉆井井底壓力處理模塊；靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入模塊將包括井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能及井深在內(nèi)的參數(shù)輸入欠平衡鉆井井底壓力處理模塊；欠平衡鉆井井底壓力處理模塊將包括以上所述的動(dòng)態(tài)及靜態(tài)數(shù)據(jù)在內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行處理，以實(shí)測(cè)的立壓和計(jì)算的鉆具內(nèi)和鉆頭壓降來(lái)計(jì)算欠平衡鉆井鉆進(jìn)時(shí)的井底壓力，得出井底壓力值，將井底壓力值與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)井底壓力值超過(guò)或低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度指令通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及傳輸單元傳給控制執(zhí)行單元；(3).控制執(zhí)行單元包括節(jié)流閥控制模塊、節(jié)流閥；其中節(jié)流閥控制模塊收到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的控制節(jié)流閥開(kāi)度的指令時(shí)，輸出控制信號(hào)給節(jié)流閥，控制節(jié)流閥開(kāi)度，以實(shí)時(shí)將井底壓力控制在設(shè)定范圍內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集單元包括采集硫化氫氣體濃度的傳感器；所述的數(shù)據(jù)處理單元包括硫化氫氣體過(guò)量報(bào)警控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將硫化氫氣體濃度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入硫化氫氣體過(guò)量報(bào)警控制模塊，報(bào)警控制模塊根據(jù)實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)與設(shè)定的濃度進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)＞設(shè)定濃度時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)報(bào)警器的指令給控制執(zhí)行單元；所述控制執(zhí)行單元包括H2S氣體過(guò)量報(bào)警器，當(dāng)報(bào)警器收到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的啟動(dòng)報(bào)警器的指令，啟動(dòng)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集單元包括采集可燃?xì)怏w濃度的傳感器；所述的數(shù)據(jù)處理單元包括點(diǎn)火器控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將可燃?xì)怏w濃度的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入點(diǎn)火器控制模塊，點(diǎn)火器控制模塊根據(jù)實(shí)際采集的可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)與設(shè)定的濃度進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)＞設(shè)定濃度時(shí)，發(fā)出可燃?xì)怏w過(guò)量指令給控制執(zhí)行單元；所述的控制執(zhí)行單元包括設(shè)置在點(diǎn)火管線上的點(diǎn)火器，當(dāng)接受到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的可燃?xì)怏w過(guò)量指令時(shí)自動(dòng)點(diǎn)火燃燒可燃?xì)怏w。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集單元包括采集撇油罐液位的液位儀；所述的數(shù)據(jù)處理單元包括倒?jié){泵控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將撇油罐液位的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入倒?jié){泵控制模塊，倒?jié){泵控制模塊根據(jù)實(shí)際采集的撇油罐液位數(shù)據(jù)與設(shè)定的液位進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的液位數(shù)據(jù)＞設(shè)定的液位，則發(fā)出啟動(dòng)倒?jié){泵指令給控制執(zhí)行單元；所述的控制執(zhí)行單元包括設(shè)置在撇油罐上的倒?jié){泵，當(dāng)接受到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的啟動(dòng)倒?jié){泵指令時(shí)啟動(dòng)倒?jié){泵把撇油罐里的鉆井液抽到鉆井循環(huán)罐中，維持欠平衡鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集單元包括采集泥漿罐液位的液位儀；所述的數(shù)據(jù)處理單元包括井涌井漏報(bào)警控制模塊，數(shù)據(jù)采集模塊將泥漿罐液位的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)輸入井涌井漏報(bào)警控制模塊，報(bào)警控制模塊根據(jù)實(shí)際采集的液位數(shù)據(jù)與上一時(shí)段的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果液位的波動(dòng)值＞設(shè)定值時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)報(bào)警器的指令給控制執(zhí)行單元；所述控制執(zhí)行單元包括井涌井漏報(bào)警器，當(dāng)報(bào)警器收到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的啟動(dòng)報(bào)警器的指令，啟動(dòng)井涌井漏報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述自動(dòng)控制系統(tǒng)包括系統(tǒng)設(shè)置顯示單元，該單元包括靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、通訊模塊，系統(tǒng)設(shè)置顯示單元與所述的數(shù)據(jù)處理單元通過(guò)通訊模塊交換數(shù)據(jù)，其中靜態(tài)數(shù)據(jù)錄入模塊提過(guò)通訊模塊及連接將靜態(tài)數(shù)據(jù)的原始參數(shù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元，將包括井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能及井深在內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)初始化，并隨時(shí)根據(jù)鉆進(jìn)情況向數(shù)據(jù)處理單元傳輸更新了的包括井深和鉆井液性能在內(nèi)的數(shù)據(jù)，同時(shí)鉆井監(jiān)控畫(huà)面、現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)及由數(shù)據(jù)處理單元傳回的結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)顯示模塊動(dòng)態(tài)顯示，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
7.一種欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制方法，包括數(shù)據(jù)采集步驟、數(shù)據(jù)處理步驟、控制執(zhí)行步驟，其特征在于(1).數(shù)據(jù)采集步驟實(shí)時(shí)采集鉆井作業(yè)中的立管壓力、套管壓力、節(jié)流閥開(kāi)度及泥漿泵泵沖的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)，并將所測(cè)數(shù)據(jù)輸出給數(shù)據(jù)處理步驟；(2).數(shù)據(jù)處理步驟將包括井身結(jié)構(gòu)、鉆具結(jié)構(gòu)、泥漿性能在內(nèi)的靜態(tài)數(shù)據(jù)及上述數(shù)據(jù)采集步驟中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以實(shí)測(cè)的立壓和計(jì)算的鉆具內(nèi)和鉆頭壓降來(lái)計(jì)算欠平衡鉆井鉆進(jìn)時(shí)的井底壓力，得出井底壓力值，當(dāng)井底壓力值＜(系統(tǒng)設(shè)定值-設(shè)定誤差)時(shí)，發(fā)出關(guān)小節(jié)流閥開(kāi)度指令，以增加套壓值，在等待一個(gè)壓力傳播延遲后根據(jù)變化了的立壓和所述動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)重新計(jì)算井底壓力，再把計(jì)算的井底壓力與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，直到井底壓力在設(shè)定值±設(shè)定誤差范圍之內(nèi)；當(dāng)計(jì)算得出的井底壓力＞(設(shè)定值+設(shè)定誤差)時(shí)，發(fā)出開(kāi)大節(jié)流閥開(kāi)度指令，以減少套壓值，在等待一個(gè)壓力傳播延遲后根據(jù)變化了的立壓和其它數(shù)據(jù)重新計(jì)算井底壓力，再把計(jì)算的井底壓力與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，直到井底壓力在設(shè)定值±設(shè)定誤差范圍之內(nèi)；(3).控制執(zhí)行步驟根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理步驟給出的控制節(jié)流閥開(kāi)度的指令，輸出控制信號(hào)給電控節(jié)流閥，控制節(jié)流閥開(kāi)度，以實(shí)時(shí)將井底壓力控制在設(shè)定范圍內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自動(dòng)控制方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集步驟包括采集硫化氫氣體濃度的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)，；所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括將數(shù)據(jù)采集步驟中實(shí)際采集的硫化氫濃度數(shù)據(jù)與設(shè)定的濃度進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)＞設(shè)定濃度時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)報(bào)警器的指令；所述控制執(zhí)行步驟包括當(dāng)收到數(shù)據(jù)處理步驟發(fā)出的啟動(dòng)報(bào)警器的指令時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自動(dòng)控制方法，其特征在于所述數(shù)據(jù)采集步驟包括采集可燃?xì)怏w濃度的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)；所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括根據(jù)數(shù)據(jù)采集步驟實(shí)際采集的可燃?xì)怏w濃度數(shù)據(jù)與設(shè)定的濃度進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的濃度數(shù)據(jù)＞設(shè)定濃度時(shí)，發(fā)出可燃?xì)怏w過(guò)量指令；所述的控制執(zhí)行步驟包括當(dāng)接受到數(shù)據(jù)處理步驟發(fā)出的可燃?xì)怏w過(guò)量指令時(shí)，啟動(dòng)點(diǎn)火器燃燒可燃?xì)怏w。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自動(dòng)控制方法，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集步驟包括采集撇油罐液位的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)；所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)采集步驟采集的撇油罐液位數(shù)據(jù)與設(shè)定的液位進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)際采集的液位數(shù)據(jù)＞設(shè)定的液位，則發(fā)出啟動(dòng)倒?jié){泵指令；所述的控制執(zhí)行步驟包括當(dāng)接受到數(shù)據(jù)處理步驟發(fā)出的啟動(dòng)倒?jié){泵指令時(shí)，啟動(dòng)倒?jié){泵把撇油罐里的鉆井液抽到鉆井循環(huán)罐中，維持欠平衡鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的自動(dòng)控制步驟，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集步驟包括采集泥漿罐液位的動(dòng)態(tài)模擬數(shù)據(jù)；所述的數(shù)據(jù)處理步驟包括根據(jù)實(shí)際采集的泥漿罐液位數(shù)據(jù)與上一時(shí)段的液位數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果液位的波動(dòng)值＞設(shè)定值時(shí)，發(fā)出啟動(dòng)報(bào)警器的指令；所述控制執(zhí)行步驟包括當(dāng)報(bào)警器收到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出的啟動(dòng)報(bào)警器的指令時(shí)，啟動(dòng)井涌井漏報(bào)警器進(jìn)行報(bào)警。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的自動(dòng)控制方法，其特征在于所述方法中包括系統(tǒng)設(shè)置顯示步驟，通過(guò)初始化數(shù)據(jù)處理步驟中的靜態(tài)數(shù)據(jù)，并隨時(shí)根據(jù)鉆進(jìn)情況向數(shù)據(jù)處理步驟傳輸更新了的包括井深和鉆井液性能在內(nèi)的數(shù)據(jù)，同時(shí)傳回?cái)?shù)據(jù)處理步驟處理的結(jié)果數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)顯示鉆井監(jiān)控畫(huà)面及現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種欠平衡鉆井井底壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)及自動(dòng)控制方法，涉及計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)。本發(fā)明的自控系統(tǒng)包括欠平衡井底壓力處理模塊，其根據(jù)環(huán)空動(dòng)力平衡的原理，以實(shí)測(cè)的立壓和計(jì)算的鉆具內(nèi)和鉆頭壓降來(lái)計(jì)算欠平衡鉆井鉆進(jìn)時(shí)的井底壓力，得出井底壓力值。將井底壓力值與系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)井底壓力值超過(guò)或低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度指令以控制井底壓力回復(fù)到設(shè)定范圍，從而完成對(duì)井底壓力的監(jiān)控。本發(fā)明的自控系統(tǒng)及方法能夠?qū)崟r(shí)跟蹤井底壓力的變化，精確、及時(shí)調(diào)控。本發(fā)明的自動(dòng)控制系統(tǒng)及方法提高了欠平衡鉆井工藝的自動(dòng)化程度，同時(shí)也提高了欠平衡鉆井作業(yè)的可靠性和安全性，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)E21B49/00GK1611742SQ20031010343
公開(kāi)日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者侯緒田, 楊春國(guó), 高炳堂, 曾義金, 郭才軒, 張建龍 申請(qǐng)人:中國(guó)石油化工股份有限公司, 中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院