專利名稱：多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及油氣勘探開發(fā)自動(dòng)控制，特別涉及油氣井鉆井節(jié)流壓力精細(xì)自動(dòng)控制
系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在油氣勘探開發(fā)工程中，隨著油氣勘探領(lǐng)域的拓寬和技術(shù)的進(jìn)步，油氣鉆井過程 中對井口回壓的控制技術(shù)的要求有了極大的提高。 一方面，采用近平衡或欠平衡鉆井方式， 以更好地保護(hù)油氣層，有效地減少鉆井液對油氣層的損害、減少或克服壓差對鉆速的影響， 有效地降低油氣井開發(fā)綜合成本，大幅度提高機(jī)械鉆速并提高油氣井鉆探的成功率；另一 方面，當(dāng)對泥漿密度窗口非常窄甚至接近于零的地層進(jìn)行鉆井時(shí)，就必須要求在鉆井全過 程中維持井筒環(huán)空當(dāng)量密度恒定，以保證鉆井施工順利進(jìn)行。這樣就必須保證在鉆井過程 中，無論是正鉆進(jìn)，還是接單根、起下鉆等過程中，都能夠及時(shí)調(diào)整井口回壓平穩(wěn)快速達(dá)到 施工要求，并維持穩(wěn)定。 然而，目前使用的壓井節(jié)流管匯系統(tǒng)都是采用多個(gè)閥件串聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié) 構(gòu)形式在進(jìn)行節(jié)流控制時(shí)，必須要求鉆井液返出時(shí)的流量全部通過各個(gè)閥件，并且通過控 制節(jié)流閥開度來控制節(jié)流壓力的大小。但是，由于節(jié)流閥在相對開度范圍(0 100%)內(nèi)調(diào) 節(jié)精度和調(diào)節(jié)強(qiáng)度呈嚴(yán)重的非線性，線性調(diào)節(jié)區(qū)域非常窄，在大流量條件下，節(jié)流閥的調(diào)節(jié) 精度控制難度大，并且大流量對節(jié)流閥的沖蝕比較嚴(yán)重，容易出現(xiàn)節(jié)流閥失效的情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種節(jié)流控制系統(tǒng)，其在控壓鉆井過程中，能夠使井口回壓 在不同壓力控制等級范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)，并且能夠?qū)Σ煌瑝毫Φ燃夐g進(jìn)行無擾動(dòng)切換，從而 在鉆井全過程各種施工工況下，保證井筒環(huán)空中鉆井液當(dāng)量密度恒定，使得進(jìn)行壓力窄窗 口地層條件下安全鉆井成為可能。 為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系 統(tǒng)，其包括一套地面節(jié)流管匯系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，其中三個(gè)平板閥和一個(gè)節(jié)流閥并聯(lián)連 接，組成節(jié)流管匯系統(tǒng)。所述多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)有用于測量節(jié)流管匯 入口壓力的壓力傳感器、用于測量節(jié)流閥開度的位移傳感器、用于測量節(jié)流閥的出口流量 的流量計(jì)、用于測量各個(gè)平板閥的開關(guān)狀態(tài)的傳感器，還設(shè)有將各路信號進(jìn)行濾波放大及 A/D轉(zhuǎn)換的裝置、將濾波放大及A/D轉(zhuǎn)換后的信號送入控制柜和工程師站的裝置、對數(shù)據(jù)進(jìn) 行存儲和數(shù)據(jù)顯示的裝置，以及自動(dòng)控制裝置，該自動(dòng)控制裝置根據(jù)管路和回壓泵當(dāng)前工 作狀態(tài)，計(jì)算并發(fā)出控制指令，依據(jù)各級節(jié)流控制流程步驟對平板閥的開關(guān)和節(jié)流閥的開 度進(jìn)行動(dòng)作和速度操作，從而實(shí)現(xiàn)井口節(jié)流回壓。 優(yōu)選的是，所述對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示的裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)用控制計(jì)算機(jī)，通 過數(shù)據(jù)總線與控制器相聯(lián)，上位機(jī)中編制有完善的計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面，所有參數(shù)可以在上位 機(jī)中進(jìn)行顯示，操作人員可以通過監(jiān)控界面對整個(gè)控壓鉆井裝置進(jìn)行控制。
優(yōu)選的是，所述自動(dòng)控制裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的控制機(jī)柜，內(nèi)部安裝有控制器模塊、總線
模塊、i/o模塊、繼電器、安全柵、隔離柵、接線端子排等電氣元件，主要用來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中
的配電設(shè)置，信號的輸入、輸出、隔離等功能。 在本系統(tǒng)操作中，根據(jù)不同的壓力控制級別和精度要求，系統(tǒng)做出判斷，選擇與具 體的壓力控制等級對應(yīng)的各平板閥的開關(guān)狀態(tài)，之后再對應(yīng)于具體的節(jié)流流動(dòng)通道控制節(jié) 流閥的開度大小來精確調(diào)整井口回壓的需求值，其結(jié)果能大大提高井口回壓控制精度。
本系統(tǒng)操作中，在每一級節(jié)流壓力控制中，都可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)，從而避免了以往
節(jié)流管匯系統(tǒng)中精細(xì)調(diào)節(jié)的最優(yōu)調(diào)節(jié)段較窄的弊端，井口回壓的控制范圍得到極大的改善。 本系統(tǒng)能夠通過自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)各級節(jié)流操作過程的無擾動(dòng)自動(dòng)切換功能，保證
節(jié)流控制壓力安全平穩(wěn)地過渡到各個(gè)控制級別范圍內(nèi)。


圖1為按照本發(fā)明的多級精細(xì)節(jié)流管匯系統(tǒng)的一最佳實(shí)施例的設(shè)計(jì)圖，其中圖1A 為主視圖、圖1B為側(cè)視圖、圖1C為俯視圖。 圖2為按照本發(fā)明的多級精細(xì)節(jié)流管匯系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)的一最佳實(shí)施例的示 意圖。 圖3為按照本發(fā)明的多級精細(xì)節(jié)流管匯系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)中的各壓力等級的 流動(dòng)通道的一實(shí)施例的示意圖。 圖4為按照本發(fā)明的多級精細(xì)節(jié)流管匯系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)中的各壓力調(diào)節(jié)區(qū) 間的一實(shí)施例的說明圖。 圖5為按照本發(fā)明的多級精細(xì)節(jié)流管匯系統(tǒng)及自動(dòng)控制系統(tǒng)的一實(shí)施例中的數(shù) 據(jù)采集和自動(dòng)控制流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖l示出了本發(fā)明的多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一最佳實(shí)施例中的 地面多級精細(xì)節(jié)流管匯系統(tǒng)。其中1為從井口返出的鉆井液出口閘閥；2為節(jié)流管匯入口 處閘閥；3為節(jié)流管匯出口的閘閥；4、5、6為并聯(lián)節(jié)流管匯系統(tǒng)的用于進(jìn)行不同壓力等級調(diào) 節(jié)的三個(gè)平板閥；J是用于不同壓力等級條件下進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)的節(jié)流閥；7為放噴管線的閘 閥；8為放噴管線的出口閘閥。 參照圖2示出本發(fā)明的多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)中的自動(dòng)控制系統(tǒng)的 一最佳實(shí)施例。該系統(tǒng)為三層遞階控制結(jié)構(gòu)，由下至上分為底層測控裝置_中層控制器_上 層計(jì)算機(jī)控制。 參照圖3、圖4，在壓力控制等級操作中具體實(shí)現(xiàn)逐級節(jié)流操作步驟為第一控制
壓力等級點(diǎn),①J456是節(jié)流管匯壓降調(diào)節(jié)的下限AP，節(jié)流回壓是PO+AP; 第二控制壓力等級由點(diǎn)①J456逐漸關(guān)閉節(jié)流閥，可以使節(jié)流管匯節(jié)流壓降上
升到點(diǎn)②J45，此時(shí)節(jié)流壓降可以達(dá)到2AP;這一階段壓降的調(diào)節(jié)大小是AP，但是節(jié)流產(chǎn)生的回壓卻由P0+AP增至P0+2AP ; 第三控制壓力等級由點(diǎn)陰J45 l逐漸關(guān)閉節(jié)流閥，可以使節(jié)流管匯節(jié)流壓降上
升到點(diǎn)^^，此時(shí)節(jié)流壓降可以達(dá)到3AP;這一階段壓降的調(diào)節(jié)大小是AP，但是節(jié)流產(chǎn) 生的回壓卻由P0+2AP增至P0+3AP ; 第四控制壓力等級:由點(diǎn)|@J4 |逐漸關(guān)閉節(jié)流閥，可以使節(jié)流管匯節(jié)流壓降上升
到點(diǎn)^J，此時(shí)節(jié)流壓降可以達(dá)到4AP ;這一階段壓降的調(diào)節(jié)大小是AP，但是節(jié)流產(chǎn)生的 回壓卻由P0+3 A P增至P0+4 A P ; 第五控制壓力等級由點(diǎn),:逐漸關(guān)閉節(jié)流閥，可以使節(jié)流管匯節(jié)流壓降上升到 點(diǎn)g關(guān)井套壓。 從圖3可以直觀了解到，定義P0為節(jié)流管匯下游出口的真實(shí)壓力。分析可知，目 前是將點(diǎn)1①J45"^]作為節(jié)流的下限，同時(shí)還以此為依據(jù)作為逐級增壓的一個(gè)臺階AP = APJ456。 圖5示出按照本發(fā)明所述的多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)的最佳實(shí)施例中 的數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制流程。
權(quán)利要求
一種多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括一套地面節(jié)流管匯和自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于節(jié)流管匯具有并聯(lián)連接的平板閥(4)、平板閥(5)、平板閥(6)和節(jié)流閥(J)，所述系統(tǒng)帶有測量節(jié)流管匯入口壓力的壓力傳感器、測量節(jié)流閥開度的位移傳感器、測量節(jié)流閥J出口流量的流量計(jì)、測量各個(gè)平板閥的開關(guān)狀態(tài)的傳感器、將各路信號進(jìn)行濾波放大的裝置及A/D轉(zhuǎn)換裝置、然后將信號送入控制柜和工程師站的裝置、對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示的裝置、以及自動(dòng)控制裝置，該自動(dòng)控制裝置用于同時(shí)根據(jù)管路和回壓泵的當(dāng)前工作狀態(tài)，計(jì)算并發(fā)出控制指令，依據(jù)各級節(jié)流控制流程步驟對平板閥的開關(guān)和節(jié)流閥的開度進(jìn)行動(dòng)作和速度操作。
2. 如權(quán)利要求1的多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)用控制計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)總線與控制器相聯(lián)，上位機(jī)中編制有完善的計(jì)算機(jī)監(jiān)控界面，所有的參數(shù)可以在上位機(jī)中進(jìn)行顯示，以使操作人員通過監(jiān)控界面對整個(gè)控壓鉆井裝置進(jìn)行控制。
3. 如權(quán)利要求1或2的多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)，其特征在于所述自動(dòng)控制裝置采用標(biāo)準(zhǔn)的控制機(jī)柜，內(nèi)部安裝有控制器模塊、總線模塊、i/o模塊、繼電器、安全柵、隔離柵、接線端子排等電氣元件。
4. 通過權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的壓力控制等級操作中具體實(shí)現(xiàn)逐級節(jié)流操作的方法，包括如下步驟第一控制壓力等級點(diǎn).①J456 :是節(jié)流管匯壓降調(diào)節(jié)的下限AP，節(jié)流回壓是PO+AP ;第二控制壓力等級由點(diǎn):①J456 :逐漸關(guān)閉節(jié)流閥，使節(jié)流管匯節(jié)流壓降上升到點(diǎn)J45，此時(shí)節(jié)流壓降可以達(dá)到2AP ;這一階段壓降的調(diào)節(jié)大小是AP，節(jié)流產(chǎn)生的回壓由P0+AP增至P0+2AP ;第三控制壓力等級由點(diǎn),②J45 :逐漸關(guān)閉節(jié)流閥，使節(jié)流管匯節(jié)流壓降上升到點(diǎn)J4，此時(shí)節(jié)流壓降可以達(dá)到3AP;這一階段壓降的調(diào)節(jié)大小是AP，節(jié)流產(chǎn)生的回壓由P0+2AP增至P0+3AP ;第四控制壓力等級由點(diǎn))J4逐漸關(guān)閉節(jié)流閥，使節(jié)流管匯節(jié)流壓降上升到點(diǎn)④J，此時(shí)節(jié)流壓降可以達(dá)到4AP;這一階段壓降的調(diào)節(jié)大小是AP，節(jié)流產(chǎn)生的回壓由P0+3AP增至P0+4AP ;第五控制壓力等級由點(diǎn),,:逐漸關(guān)閉節(jié)流閥，使節(jié)流管匯節(jié)流壓降上升到點(diǎn)@關(guān)井套壓。
5.如權(quán)利要求4的方法，其特征在于P0設(shè)為節(jié)流管匯下游出口的真實(shí)壓力。
全文摘要
一種多級精細(xì)節(jié)流管匯及自動(dòng)控制系統(tǒng)，屬于油氣石油勘探技術(shù)精細(xì)自動(dòng)控制領(lǐng)域。針對精細(xì)控制井口壓力要求，采用多個(gè)平板閥和節(jié)流閥并聯(lián)，組成節(jié)流管匯系統(tǒng)。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)，開啟和關(guān)閉不同平板閥和連續(xù)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度實(shí)現(xiàn)不同壓力等級下微量調(diào)節(jié)井口回壓的目的。自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)閥件開啟和關(guān)閉及開度調(diào)節(jié)過程中的無擾切換，使井口回壓調(diào)節(jié)過程快速、平穩(wěn)，保證精細(xì)控壓鉆井的施工安全順利進(jìn)行。
文檔編號E21B34/02GK101694152SQ20091020740
公開日2010年4月14日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者朱忠喜, 李軍, 柳貢慧 申請人:北京聯(lián)合大學(xué);中國石油大學(xué)(北京);