專利名稱：一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)及控制方法，特別是關于一種海洋無隔水管鉆井用的深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)及控制方法。
背景技術：
鉆井過程中利用泥漿在井底產生的靜液柱壓力來平衡地層壓力是防止井涌或井漏，確保鉆井安全作業(yè)的常規(guī)技術手段。在海洋深水表層鉆井時，地層的不穩(wěn)定性，淺層氣和淺層水流，以及海底的低溫高壓環(huán)境引起鉆井液的流變性改變，導致天然氣水合物形成，以及地層壓力和地層破裂壓力之間窗口較窄等諸多問題。由于海洋深水表層未安裝井口和 防噴器，因此解決這類問題通常是根據(jù)地層壓力剖面設計，隨著鉆進的進行，實時改變泥漿密度，以調整井底壓力，防止井涌或井漏，確保鉆井安全。目前，現(xiàn)有技術是通過人工設置海水進口調節(jié)閥和高密度的泥漿(重漿)進口調節(jié)閥的開度，將重漿與海水按一定比例混合，獲取所需的泥漿密度。隨著鉆進井深不斷增力口，井下所需鉆井泥漿密度也在發(fā)生變化，重漿與海水的混合比例也需要隨鉆井的進行而變化。僅靠人工設置調節(jié)閥的開度控制重漿與海水的混合比，控制的結果與井下實際需求會存在較大誤差，泥漿在井底產生的液柱壓力難以平衡地層壓力，容易發(fā)生井涌或井漏，從而引發(fā)鉆井事故，因此有必要研發(fā)一種能夠根據(jù)地層壓力剖面自動調節(jié)重漿和海水混合比例，配置所需密度和流量的鉆井泥漿輸入井下，從而實現(xiàn)井下環(huán)空壓力自動調節(jié)的控制系統(tǒng)及控制方法。

發(fā)明內容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種海洋無隔水管鉆井用的深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)能夠自動調節(jié)重漿和海水混合比例，獲取所需密度和流量的鉆井泥漿輸入井下，實現(xiàn)井下環(huán)空壓力的自動調節(jié)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)，其特征在于它包括重漿池、海水池、處理劑池、混合器、設置有隨鉆測量裝置的隨鉆壓力測量系統(tǒng)、設置在海面上的隨鉆測量裝置的信號接收裝置、設置有井下環(huán)空壓 力分析模型的遠程計算機控制系統(tǒng)，錄井系統(tǒng)和設置有三流體流量計算模型的可編程邏輯控制系統(tǒng)；重漿池、海水池和處理劑池中分別設置有一管線，每一管線上設置有一動力泵、一調節(jié)閥和一入口流量計，每一管線的末端連接混合器的輸入端，混合器的輸出端通過一出流管線連接井下隨鉆壓力測量系統(tǒng)的短節(jié)，出流管線上設置有出口流量計；隨鉆壓力測量系統(tǒng)的隨鉆測量裝置的信號接收裝置通信連接遠程計算機控制系統(tǒng)，遠程計算機控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線連接錄井系統(tǒng)和可編程邏輯控制系統(tǒng)；
可編程邏輯控制系統(tǒng)接收各入口流量計和出口流量計采集的密度和流量測量值發(fā)送給遠程計算機控制系統(tǒng)；遠程計算機控制系統(tǒng)中的井下環(huán)空壓力分析模型根據(jù)可編程邏輯控制系統(tǒng)接收的密度和流量測量值、錄井系統(tǒng)采集的鉆進井深數(shù)據(jù)和隨鉆壓力測量系統(tǒng)采集的井下環(huán)空壓力測量值，通過分析計算得出井下所需鉆井泥漿的密度和流量期望值，傳給可編程邏輯控制系統(tǒng)，經(jīng)可編程邏輯控制系統(tǒng)中的三流體流量計算模型計算出每一管線中的流量期望值，并發(fā)出相應的閥位控制信號給管線的調節(jié)閥。上述可編程邏輯控制系統(tǒng)中的三流體流量計算模型為 ’
Qsw = (Q-Qz) · (100-X) %Qc = (Q-Qz) · x%上式中，P為鉆井泥漿密度期望值，Q為鉆井泥漿流量期望值，Pz為重漿密度測量值，Psw為海水密度測量值，X為預設的處理劑和海水比例值，Qz為重漿流量期望值，Qsw為海水流量期望值，Qc為處理劑流量期望值。上述可編程邏輯控制系統(tǒng)采用西門子的S7-300系列PLC構建而成，其配有一個工業(yè)以太網(wǎng)接口、兩個ProfibusDP接口、八路模擬量輸入通道、八路模擬量輸出通道、十六路開關量輸入通道和十六路開關量輸出通道；入口流量計和出口流量計通過模擬量輸入通道掛接到ProfibusDP總線，可編程邏輯控制系統(tǒng)通過模擬量輸出通道發(fā)出閥位控制信號作用于調節(jié)閥，調節(jié)閥的實際開度信號通過模擬量輸入通道反饋給可編程邏輯控制系統(tǒng)；各設備的狀態(tài)通過開關量輸入通道送入可編程邏輯控制系統(tǒng)；各設備的電源通過開關量輸出通道實現(xiàn)自動控制。上述一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)的控制方法，它包括以下步驟I)遠程計算機控制系統(tǒng)根據(jù)錄井系統(tǒng)采集的鉆進井深數(shù)據(jù)選擇相應的井下環(huán)空壓力設計值，與隨鉆壓力測量系統(tǒng)采集的井下環(huán)空壓力測量值進行比較如果兩者的偏差小于設定的安全壓力閾值，則按照預先設計的鉆井泥漿密度、流量曲線，調節(jié)井下鉆井泥漿密度、流量；否則通過井下環(huán)空壓力分析模型分析計算，得出安全鉆進所需的鉆井泥漿密度期望值和流量期望值，傳給可編程邏輯控制系統(tǒng)；2)可編程邏輯控制系統(tǒng)根據(jù)遠程計算機控制系統(tǒng)提供的鉆井泥漿密度期望值和流量期望值，通過內置的三流體流量計算模型計算出重漿流量期望值、海水流量期望值和處理劑流量期望值；3)可編程邏輯控制系統(tǒng)根據(jù)每一管線的流量期望值與其入口流量計實時采集的流量測量值的偏差，換算出相應的閥位控制信號傳給相應的調節(jié)閥；4)三個調節(jié)閥根據(jù)可編程邏輯控制系統(tǒng)發(fā)出的閥位控制信號調整各自閥門開度，調節(jié)三個管線中的重漿流量、海水流量和處理劑流量；5)混合器將流入的重漿、海水和處理劑混合成鉆井泥漿后，通過出流管線輸出，經(jīng)過隨鉆壓力測量系統(tǒng)泵送到井下環(huán)空；6)出口流量計采集出流管線中鉆井泥漿的密度和流量，將其測量值實時傳給可編程邏輯控制系統(tǒng)；7)可編程邏輯控制系統(tǒng)根據(jù)出口流量計采集的鉆井泥漿密度測量值與遠程計算機控制系統(tǒng)提供的鉆井泥漿密度期望值的偏差，實時修正重漿流量期望值、海水流量期望值和處理劑流量期望值。上述井下環(huán)空壓力分析模型分析計算鉆井泥漿的密度期望值和流量期望值的過程包括以下步驟(I)設置安全壓力閾值Λ P，計算鉆井泥漿密度初始值ρ。
權利要求
1.一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)，其特征在于它包括重漿池、海水池、處理劑池、混合器、設置有隨鉆測量裝置的隨鉆壓力測量系統(tǒng)、設置在海面上的所述隨鉆測量裝置的信號接收裝置、設置有井下環(huán)空壓力分析模型的遠程計算機控制系統(tǒng)，錄井系統(tǒng)和設置有三流體流量計算模型的可編程邏輯控制系統(tǒng)； 所述重漿池、海水池和處理劑池中分別設置有一管線，每一所述管線上設置有一動力泵、一調節(jié)閥和一入口流量計，每一所述管線的末端連接所述混合器的輸入端，所述混合器的輸出端通過一出流管線連接所述井下隨鉆壓力測量系統(tǒng)的短節(jié)，所述出流管線上設置有出口流量計；所述隨鉆壓力測量系統(tǒng)的隨鉆測量裝置的信號接收裝置通信連接所述遠程計算機控制系統(tǒng)，所述遠程計算機控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線連接所述錄井系統(tǒng)和所述可編程邏輯控制系統(tǒng)； 所述可編程邏輯控制系統(tǒng)接收各所述入口流量計和出口流量計采集的密度和流量測量值發(fā)送給所述遠程計算機控制系統(tǒng)；所述遠程計算機控制系統(tǒng)中的井下環(huán)空壓力分析模 型根據(jù)所述可編程邏輯控制系統(tǒng)接收的密度和流量測量值、所述錄井系統(tǒng)采集的鉆進井深數(shù)據(jù)和所述隨鉆壓力測量系統(tǒng)采集的井下環(huán)空壓力測量值，通過分析計算得出井下所需鉆井泥漿的密度和流量期望值，傳給所述可編程邏輯控制系統(tǒng)，經(jīng)所述可編程邏輯控制系統(tǒng)中的三流體流量計算模型計算出每一所述管線中的流量期望值，并發(fā)出相應的閥位控制信號給所述管線的調節(jié)閥。
2.如權利要求I所述的一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)，其特征在于，所述可編程邏輯控制系統(tǒng)中的三流體流量計算模型為 上式中，P為鉆井泥漿密度期望值，Q為鉆井泥漿流量期望值，Pz為重漿密度測量值，P sw為海水密度測量值，X為預設的處理劑和海水比例值，Qz為重漿流量期望值，Qsw為海水流量期望值，Qc為處理劑流量期望值。
3.如權利要求I或2所述的一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)，其特征在于所述可編程邏輯控制系統(tǒng)采用西門子的S7-300系列PLC構建而成，其配有一個工業(yè)以太網(wǎng)接口、兩個ProfibusDP接口、八路模擬量輸入通道、八路模擬量輸出通道、十六路開關量輸入通道和十六路開關量輸出通道；所述入口流量計和出口流量計通過所述模擬量輸入通道掛接到ProfibusDP總線，所述可編程邏輯控制系統(tǒng)通過所述模擬量輸出通道發(fā)出所述閥位控制信號作用于所述調節(jié)閥，所述調節(jié)閥的實際開度信號通過所述模擬量輸入通道反饋給所述可編程邏輯控制系統(tǒng)；各所述設備的狀態(tài)通過所述開關量輸入通道送入所述可編程邏輯控制系統(tǒng)；各所述設備的電源通過所述開關量輸出通道實現(xiàn)自動控制。
4.如權利要求I 3任意一項所述的一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)的控制方法，它包括以下步驟 I)遠程計算機控制系統(tǒng)根據(jù)錄井系統(tǒng)采集的鉆進井深數(shù)據(jù)選擇相應的井下環(huán)空壓力設計值，與隨鉆壓力測量系統(tǒng)采集的井下環(huán)空壓力測量值進行比較 如果兩者的偏差小于設定的安全壓力閾值，則按照預先設計的鉆井泥漿密度、流量曲線，調節(jié)井下鉆井泥漿密度、流量； 否則通過井下環(huán)空壓力分析模型分析計算，得出安全鉆進所需的鉆井泥漿密度期望值和流量期望值，傳給可編程邏輯控制系統(tǒng)； 2)可編程邏輯控制系統(tǒng)根據(jù)遠程計算機控制系統(tǒng)提供的鉆井泥漿密度期望值和流量期望值，通過內置的三流體流量計算模型計算出重漿流量期望值、海水流量期望值和處理劑流量期望值； 3)可編程邏輯控制系統(tǒng)根據(jù)每一管線的流量期望值與其入口流量計實時采集的流量測量值的偏差，換算出相應的閥位控制信號傳給相應的調節(jié)閥； 4)三個調節(jié)閥根據(jù)可編程邏輯控制系統(tǒng)發(fā)出的閥位控制信號調整各自閥門開度，調節(jié)三個管線中的重漿流量、海水流量和處理劑流量； 5)混合器將流入的重漿、海水和處理劑混合成鉆井泥漿后，通過出流管線輸出，經(jīng)過隨鉆壓力測量系統(tǒng)泵送到井下環(huán)空； 6)出口流量計采集出流管線中鉆井泥漿的密度和流量，將其測量值實時傳給可編程邏輯控制系統(tǒng)； 7)可編程邏輯控制系統(tǒng)根據(jù)出口流量計采集的鉆井泥漿密度測量值與遠程計算機控制系統(tǒng)提供的鉆井泥漿密度期望值的偏差，實時修正重漿流量期望值、海水流量期望值和處理劑流量期望值。
5.如權利要求4所述的一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于，所述井下環(huán)空壓力分析模型分析計算鉆井泥漿的密度期望值和流量期望值的過程包括以下步驟 (1)設置安全壓力閾值AP，計算鉆井泥漿密度初始值pQ:
全文摘要
本發(fā)明涉及一種深水表層鉆井井下環(huán)空壓力自動控制系統(tǒng)及控制方法，其系統(tǒng)包括重漿池、海水池和處理劑池中的三個管線，每一管線連接混合器的輸入端，混合器的輸出端連接出流管線，出流管線連接海底井下PWD的短節(jié)。每一管線中設置動力泵、調節(jié)閥和入口流量計，出流管線中設置出口流量計。井下PWD連接MWD，MWD的信號接收裝置通信連接遠程計算機控制系統(tǒng)，遠程計算機控制系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線連接錄井系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)連接調節(jié)閥、入口流量計、混合器和出口流量計。本發(fā)明通過遠程計算機控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)構建二級微機控制系統(tǒng)實現(xiàn)重漿和海水混合比例自動調節(jié)，配置所需密度和流量的鉆井泥漿輸入井下，進行井底壓力平衡調節(jié)，實現(xiàn)安全鉆進。
文檔編號E21B44/00GK102797451SQ201210311578
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月29日 優(yōu)先權日2012年8月29日
發(fā)明者殷志明, 李嗣貴, 雷宗明, 胡文金, 李迅科, 朱榮東, 孔松濤, 湯毅, 田波, 羅洪斌, 艾傳志, 田崢 申請人:中國海洋石油總公司, 中海油研究總院, 重慶科技學院