精準控壓循環排污方法
【專利摘要】一種精準控壓循環排污方法，其通過PLC數據采集系統將采集的工程參數及工控機控制系統的數據輸入系統輸入的各種參數存入數據庫；之后系統將自動計算并設置在低泵沖或壓井泵速時立管目標壓力值；工控機的計算系統將實時計算井口目標壓力并與前一井口目標壓力進行比較，如相差在預定范圍內，保持以前的井口目標壓力值；如超出預定范圍則采用當前計算的井口目標壓力為設定值；工控機根據目標井口壓力值發出指令到PLC控制系統，由PLC控制系統來開關節流閥開度，直至實際井口壓力接近井口目標壓力值。本發明可解決在循環排污過程中自動、精準、及時調節井口壓力，確保立管壓力穩定并等于或接近立管目標壓力值，從而實現循環排污時井底壓力穩定，并保持在地層壓力窗口之內。
【專利說明】
精準控壓循環排污方法
技術領域
[0001]本發明涉及石油鉆井作業領域，尤指一種精準控壓循環排污方法。
【背景技術】
[0002]在鉆井過程中，經常遇到溢流需要循環排污，在循環排污過程中，保持井底壓力恒定并在地層密度窗口內是關鍵，所以如何控制好井底壓力至關重要。
[0003]目前循環排污的方法有一種就是司鉆法壓井的第一步，通過井隊的節流管匯進行節流循環排污，操縱井隊的節控箱對井隊節流管匯的節流閥開度進行調節來控制井口壓力，一般是根據立管壓力、進出口量和泥漿池液面變化來調整節流閥的開度，進行循環排污，但由于是通過人力觀察與記錄有關參數，加上井隊的液控柜控制精度不高，井口壓力控制不好，造成立管壓力波動大，很難在排污循環過程中，保持井底壓力穩定并處于過平衡狀態，往往時高時低，低于地層壓力時，引起再次或多次溢流，造成井口壓力越來越高，形成井控風險，甚至造成井控事故，高于地層破裂壓力時，弓I起井漏，甚至壓裂地層。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種精準控壓循環排污方法，其可以解決在循環排污過程中，通過自動、精準、及時調節井口壓力，保持立管壓力穩定并與設置的立管目標壓力一致，從而確保井底壓力穩定并保持在地層壓力窗口之內，避免井底壓力波動大，高于地層破裂壓力造成漏失或低于地層壓力時造成再次溢流，從而引起井下復雜，造成井控風險與事故，降低鉆井效率。
[0005]為了實現上述目的，本發明的技術解決方案為:一種精準控壓循環排污方法，其中包括如下步驟:
[0006](I)首先通過PLC數據采集系統將實時采集的工程參數及工控機控制系統帶有的輸入系統輸入的各種參數存入精準控壓循環排污輔助系統的數據庫；
[0007](2)通過工控機控制系統的輸入系統輸入地層壓力、壓井栗速、壓井栗速時的循環摩阻、關井立壓、過平衡壓力等參數，系統將自動計算并設置在低栗沖或壓井栗速時立管目標壓力值；
[0008](3)工控機控制系統的計算系統將實時計算井口目標壓力，并與前一個井口目標壓力進行比較，如果相差在預定范圍之內，保持以前的井口目標壓力值;如果超出預定范圍，則采用當前計算的井口目標壓力為設定值。
[0009](4)工控機根據目標井口壓力值來發出指令到PLC控制系統，由PLC控制系統來開關節流閥開度，直至實際井口壓力接近井口目標壓力值。
[0010]本發明精準控壓循環排污方法，其中所述步驟(I)中PLC數據采集系統實時采集精準控壓循環排污輔助系統的參數，這些參數包括立管壓力、井口壓力、套壓、旋控頭壓力、節流閥后壓力、栗入排量、出口流量、池體積、節流閥開度。
[0011]本發明精準控壓循環排污方法，其中所述步驟(I)中工控機控制系統帶有的輸入系統輸入的參數包括鉆井栗缸套尺寸、栗效率、低栗沖沖數、低栗沖循環時的循環磨阻、關井立壓、過平衡壓力、鉆具組合尺寸、井身結構尺寸、泥漿性能與參數、設定參與平均立管壓力計算個數、設定參與平均井口壓力計算個數、井口目標壓力精度。
[0012]本發明精準控壓循環排污方法，其中所述步驟(I)中測得的各數據由數據顯示系統從工控機的數據庫里隨意提取，顯示在顯示屏上。
[0013]本發明精準控壓循環排污方法，其中所述精準控壓循環排污輔助系統包括一端下入井底的鉆具，所述鉆具穿過設于鉆井平臺下的環形防噴器，所述環形防噴器上安裝有旋控頭，所述旋控頭與旋控頭壓力傳感器連接，所述鉆具另一端通過立管與泥漿栗組連接，所述立管與立壓傳感器連接，所述泥漿栗組上連接有泥漿栗傳感器組，所述環形防噴器的下部與防噴器組連接，所述防噴器下部與鉆井四通連接，所述鉆井四通通過放噴管線與井隊節流控制管匯連接，所述井隊節流控制管匯與套壓傳感器連接，所述旋控頭通過返出主管線與自動節流控制管匯連接，所述自動節流控制管匯上安裝有第一節流閥和第二節流閥，所述自動節流控制管匯上位于第一節流閥和第二節流閥的前、后部管線上分別連接有井口壓力傳感器和閥后壓力傳感器，位于所述第一節流閥和第二節流閥的后部管線上安裝有流量計，所述自動節流控制管匯與低壓管線連接，所述低壓管線一端與液氣分離器連接，所述液氣分離器的出液端與泥漿罐組連接，所述液氣分離器的出氣端與火炬連接，所述低壓管線的另一端直接與泥漿罐組連接，所述自動節流控制管匯安裝PLC采集與控制系統，所述PLC采集與控制系統與操作間內的工控機連接。
[0014]本發明精準控壓循環排污方法，其中所述步驟(2)中自動計算并設置在壓井栗速時立管目標壓力值，其計算方法為P目標ai=P平+Paw+P摩，其中計算平衡地層的立管壓力P平方法為:當鉆具組合沒有浮閥時:P平=關井時立管壓力P關i，當鉆具組合裝有浮閥時:P平=頂通浮閥瞬間的立管壓力P?ii;其中Paw為設置超過地層孔隙壓力，一般取地層密度壓力窗口的上限;P摩測試方法為:將鉆具提離井底，開栗到規定的低栗沖栗速或壓井栗速，待栗工作穩定后，讀取并記錄立管壓力P立，此時的立管壓力P立=低栗沖栗或壓井栗速循環時系統摩阻壓力P摩。
[0015]本發明精準控壓循環排污方法，其中所述步驟(3)中自動計算并設置在壓井栗速時井口目標壓力，其計算方法為:
_6]井口目標壓力P井標=目標立管壓力Pg標;izff1-平均立管壓力P平井口平均壓力P_c，當計算出的井口目標壓力與前一個井口目標壓力進行比較，如果相差在預定范圍之內，則保持以前的井口壓力目標值;如果超出預定范圍，則采用當前計算的井口目標壓力為設定值，其中P平均SE的計算為:P平均SE= (P立ι+Ρ*2…P*n)/N，N表示前立管壓力個數，N彡I ；P平均井口的計算為:= (P扣i+P扣2...Ρ扣N) /N，N表示前井口壓力個數，I。
[0017]本發明精準控壓循環排污方法，其中所述步驟(4)工控機根據目標井口壓力值來發出指令到PLC控制系統，由PLC控制系統來開關節流閥開度，直至實際井口壓力接近井口目標壓力值，其包括系統如下:
[0018]PLC數據采集系統:采集數據信息傳輸給工控機中央集成控制系統的數據庫；
[0019 ]工控機中央集成控制系統:接收PLC數據采集系統的數據信息并存入數據庫，將內部的工控機輸入系統的數據信息存入數據庫，并將數據庫接收的所有數據信息反饋給內部的計算系統、顯示系統，同時將信息給決策系統進行計算、比較、決策及設置，指令中心將設置數據信息反饋給PLC控制系統；
[0020]PLC控制系統:接收指令中心的指令并執行。
[0021]本發明精準控壓循環排污方法，其中所述PLC數據采集系統通過網線與工控機中央集成控制系統的數據庫連接，所述決策系統通過指令中心與PLC控制系統通過網線連接，所述工控機中央集成控制系統的數據庫通過數據線分別與工控機中央集成控制系統的計算系統、顯示系統及決策系統連接。
[0022]采用上述方案后，本發明精準控壓循環排污方法通過設置立管目標壓力，中央集成控制系統將會自動控制節流閥開度，調節井口壓力，使立管壓力恒定并與立管目標壓力一致，使井底壓力在循環排污的過程中處于平穩、過平衡狀態，并保持在地層密度窗口之內，確保循環排污作業安全、高效。
【附圖說明】
[0023]圖1是本發明精準控壓循環排污方法的輔助系統結構示意圖；
[0024]圖2是本發明精準控壓循環排污方法的控制系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]結合圖1和圖2所示，本發明精準控壓循環排污方法，其包括如下步驟:
[0026](I)首先通過PLC數據采集系統將實時采集的工程參數:立管壓力P立、井口壓力P井口、套壓、旋控頭壓力、節流閥后壓力、栗入排量、出口流量、池體積、節流閥開度及工控機中央集成控制系統帶有的數據輸入系統輸入的各種參數:低栗沖沖數、鉆井栗缸套尺寸、栗效率、低栗沖時循環磨阻、關井立壓、過平衡壓力、鉆具組合、井身結構、泥漿性能與參數、設定參與平均立管壓力計算個數、設定參與平均井口壓力計算個數、井口目標壓力精度存入精準控壓循環排污輔助系統的數據庫，測得的各數據由數據顯示系統從工控機的數據庫里隨意提取，顯示在顯示屏上。結合圖1所示，精準控壓循環排污輔助系統包括一端下入井底的鉆具5，鉆具5穿過設于鉆井平臺6下的環形防噴器9，環形防噴器9上安裝有旋控頭7，旋控頭7與旋控頭壓力傳感器8連接，鉆具5的另一端與立管3連接，立管3與立壓傳感器4連接，立管3的另一端與泥漿栗組I連接，泥漿栗組I上連接有泥漿栗傳感器組2，環形防噴器9下面的放噴管線10與井隊節流控制管匯11連接，套壓傳感器12與井隊節流控制管匯11連接，旋控頭7通過返出主管線13與自動節流控制管匯14連接，自動節流控制管匯14上安裝有第一節流閥15和第二節流閥16，自動節流控制管匯14上位于第一節流閥15和第二節流閥16的前、后部管線上分別連接有井口壓力傳感器17和閥后壓力傳感器18，位于第一節流閥15和第二節流閥16的后部管線上安裝有流量計19，自動節流控制管匯14的出口與低壓管線20連接，低壓管線20的一端與液氣分離器21連接，液氣分離器21的出液端與泥漿罐組22連接，液位傳感器組23與泥漿罐組22連接，液氣分離器21的出氣端與火炬24連接，低壓管線20的另一端與泥漿罐組22連接，自動節流控制管匯14還包括PLC采集及控制系統25，PLC采集及控制系統25與工控機操作間26里的工控機27連接，結合圖2所示，操作間里的工控機27包括工控機中央集成控制系統28，工控機中央集成控制系統28包括工控機輸入系統29、數據庫30、顯示系統31、計算系統32、決策系統33及指令中心34。工控機中央集成控制系統28:用于接收PLC數據采集系統36的數據信息并存入數據庫30，將內部的工控機輸入系統29的數據信息存入數據庫30，并將數據庫30接收的所有數據信息反饋給內部的計算系統32、顯示系統31，同時將信息給決策系統33進行計算、比較、決策及設置，指令中心34將設置數據信息反饋給PLC控制系統37 ;PLC數據采集系統36采集傳感器系統35，用于采集數據信息傳輸給工控機中央集成控制系統28的數據庫30 ;PLC控制系統37:用于接收指令中心34的指令并執行。其中PLC數據采集系統36通過網線與工控機中央集成控制系統28的數據庫30連接，其中決策系統33通過指令中心34與PLC控制系統37通過網線連接，工控機中央集成控制系統28的數據庫30通過數據線分別與工控機中央集成控制系統28的計算系統32、顯示系統31及決策系統33連接。
[0027](2)通過工控機中央集成控制系統28的工控機輸入系統29輸入地層壓力P地、壓井栗速栗速F、壓井栗速時的循環摩阻P摩、關井立壓Pm、過平衡壓力系統將自動計算并設置在低栗沖(或壓井栗速)時目標立管壓力值P目標ai，Pg標izK=P平+Paw+P摩，其中計算平衡地層的立管壓力P平方法為:當鉆具組合沒有浮閥時:P平=關井時立管壓力Pm，當鉆具組合裝有浮閥時:Pt=頂通浮閥瞬間的立管壓力Pk啦;；平衡地層壓力Paw取地層密度壓力窗口的上限;P摩測試方法為:將鉆具提離井底，開栗到規定的低栗沖栗速或壓井栗速，待栗工作穩定后，讀取并記錄立管壓力P立，此時的立管壓力P立=低栗沖栗或壓井栗速循環時系統摩阻壓力P摩；
[0028](3)工控機中央集成控制系統28的計算系統32將實時計算井口目標壓力，并與前一個井口目標壓力進行比較，如果相差在預定范圍之內，該預定范圍一般設置在1psi，保持以前的井口目標壓力值;如果超出該預定范圍，則采用當前計算的井口目標壓力為設定值，其中井口目標壓力P井aa標=目標立管壓力Pa標is-平均立管壓力P平頌ai+井口平均壓力P_c，當計算出的井口目標壓力與前一個井口目標壓力進行比較，如果相差在預定范圍之內，則保持以前的井口壓力目標值;如果超出預定范圍1psi，則采用當前計算的井口目標壓力為設定值，其中Pwiai的計算為:P平均ai =(?*1+?*^_1^?)/^，1'1表示前立管壓力個數，1'1彡I，當N取I時，表示當前立管壓力就是平均立管壓力；當N取2時，表示前一個立管壓力和當前立管壓力平均為平均立管壓力；......T5S講□的計算為:P5S講□= (Ρ#αι+Ρ#α2...Ρ#αΝ)/Ν，Ρ^;^
前井口壓力個數，N多I，當N取I時，表示當前井口壓力就是平均井口壓力；當N取2時，表示前一個井口壓力和當前井口壓力的平均就是平均井口壓力……；
[0029](4)工控機根據目標井口壓力值來發出指令到PLC控制系統37，由PLC控制系統37來開關第一節流閥15或第二節流閥16的開度，直至實際井口壓力接近井口目標壓力值。它是通過工控機中央集成控制系統28根據實時計算的井口目標壓力(P井aa標)和PLC數據采集系統36采集到的井口壓力值進行比對、計算、分析和決策，然后通過指令中心34不停地向PLC控制系統37發出指令，再由PLC控制系統37調節第一節流閥15或第二節流閥16的開度，保持實際井口壓力壓力(P扣)與井口目標壓力值(Pa^a)接近，誤差保持在設定范圍值內，該范圍值一般是I Opsi。
[0030]本發明精準控壓循環排污方法利用精準控壓循環排污輔助系統的工控機中央集成控制系統2使整個循環排污期間，通過自動控制立管壓力的方式，實現井底壓力控制，使其保持恒定并大于地層壓力;精準控壓循環排污輔助系統的工控機中央集成控制系統28是通過設置目標立管壓力的方式，計算并設置井口目標壓力，并通過PLC數據采集系統36，不斷更新數據，然后通過決策系統33，不斷比對、計算、分析、決策和設置，并通過PLC控制系統37調節第一節流閥15或第二節流閥16的開度來實現井口壓力與井口目標壓力一致，從而使立管壓力接近目標立管壓力，最終實現井底壓力恒定并在地層密度窗口之內，確保循環排污安全、高效。
[0031]實例1:
[0032]井深5000m，泥漿密度1.2g/cm3，低栗在30沖/分鐘，立管壓力12兆帕。在此井深發生溢流關井，關井立壓6兆帕(鉆具組合沒有浮閥)，地層破裂壓力62Mpa的循環排污方案為:
[0033]一、根據上述信息，計算目標立管壓力:
[0034]1、計算地層壓力:P地=0.00981x5000mxl.2g/cm3+6Mpa = 58.86Mpa；
[0035]2、過平衡壓力:最大過平衡壓力=地層破裂壓力-P地=62-58.86 = 3.14Mpa，所以可以使用3Mpa為過平衡壓力；
[0036]3、低栗沖實驗時立管壓力為121^?，?摩=?立=121^?;
[0037]4、平衡地層立壓:由于鉆具組合沒有安裝浮閥，所以P平=P努z;=6Mpa;
[0038]5、立管目標壓力:P_施=P平+Pa?蒲+P摩=6+3+12 = 21Mpa
[0039]二、根據計算的立管目標壓力進行精準控壓循環排污:
[0040]1、在精準控壓循環排污輔助系統中輸入相關參數；
[0041]2、設定立管目標壓力；
[0042]3、保持套壓不變，開栗至30沖/分鐘；
[0043]4、系統將自動計算井口目標壓力；
[0044]5、plc控制系統37將自動調節第一節流閥15或第二節流閥16的開度，實現井口壓力與井口目標壓力一致，立管壓力與立管目標壓力一致，確保井底壓力恒定并大于地層壓力。
[0045]以上所述實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域普通工程技術人員對本發明的技術方案作出的各種變形和改進，均應落入本發明的權利要求書確定的保護范圍內。
【主權項】
1.一種精準控壓循環排污方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)首先通過PLC數據采集系統將實時采集的工程參數及工控機控制系統帶有的輸入系統輸入的各種參數存入精準控壓循環排污輔助系統的數據庫； (2)通過工控機控制系統的輸入系統輸入地層壓力、壓井栗速、壓井栗速時的循環摩阻、關井立壓、過平衡壓力等參數，系統將自動計算并設置在低栗沖或壓井栗速時立管目標壓力值； (3)工控機控制系統的計算系統將實時計算井口目標壓力，并與前一個井口目標壓力進行比較，如果相差在預定范圍之內，保持以前的井口目標壓力值;如果超出預定范圍，則采用當前計算的井口目標壓力為設定值。 (4)工控機根據目標井口壓力值來發出指令到PLC控制系統，由PLC控制系統來開關節流閥開度，直至實際井口壓力接近井口目標壓力值。2.如權利要求1所述的精準控壓循環排污方法，其特征在于，所述步驟(I)中PLC數據采集系統實時采集精準控壓循環排污輔助系統的參數，這些參數包括立管壓力、井口壓力、套壓、旋控頭壓力、節流閥后壓力、栗入排量、出口流量、池體積、節流閥開度。3.如權利要求1所述的精準控壓循環排污方法，其特征在于，所述步驟(I)中工控機控制系統帶有的輸入系統輸入的參數包括鉆井栗缸套尺寸、栗效率、低栗沖沖數、低栗沖循環時的循環磨阻、關井立壓、過平衡壓力、鉆具組合尺寸、井身結構尺寸、泥漿性能與參數、設定參與平均立管壓力計算個數、設定參與平均井口壓力計算個數、井口目標壓力精度。4.如權利要求1所述的精準控壓循環排污方法，其特征在于，所述步驟(I)中測得的各數據由數據顯示系統從工控機的數據庫里隨意提取，顯示在顯示屏上。5.如權利要求1-4之一所述的精準控壓循環排污方法，其特征在于，所述精準控壓循環排污輔助系統包括一端下入井底的鉆具，所述鉆具穿過設于鉆井平臺下的環形防噴器，所述環形防噴器上安裝有旋控頭，所述旋控頭與旋控頭壓力傳感器連接，所述鉆具另一端通過立管與泥漿栗組連接，所述立管與立壓傳感器連接，所述泥漿栗組上連接有泥漿栗傳感器組，所述環形防噴器的下部與防噴器組連接，所述防噴器下部與鉆井四通連接，所述鉆井四通通過放噴管線與井隊節流控制管匯連接，所述井隊節流控制管匯與套壓傳感器連接，所述旋控頭通過返出主管線與自動節流控制管匯連接，所述自動節流控制管匯上安裝有第一節流閥和第二節流閥，所述自動節流控制管匯上位于第一節流閥和第二節流閥的前、后部管線上分別連接有井口壓力傳感器和閥后壓力傳感器，位于所述第一節流閥和第二節流閥的后部管線上安裝有流量計，所述自動節流控制管匯與低壓管線連接，所述低壓管線一端與液氣分離器連接，所述液氣分離器的出液端與泥漿罐組連接，所述液氣分離器的出氣端與火炬連接，所述低壓管線的另一端直接與泥漿罐組連接，所述自動節流控制管匯安裝PLC采集與控制系統，所述PLC采集與控制系統與操作間內的工控機連接。6.如權利要求1所述的精準控壓循環排污方法，其特征在于，所述步驟(2)中自動計算并設置在壓井栗速時立管目標壓力值，其計算方法為Pasai=P平+Pffw+P摩，其中計算平衡地層的立管壓力P平方法為:當鉆具組合沒有浮閥時:P平=關井時立管壓力Pm，當鉆具組合裝有浮閥時:P平=頂通浮閥瞬間的立管壓力Pppii;其中Paw為設置超過地層孔隙壓力，一般取地層密度壓力窗口的上限;P摩測試方法為:將鉆具提離井底，開栗到規定的低栗沖栗速或壓井栗速，待栗工作穩定后，讀取并記錄立管壓力P立，此時的立管壓力P立=低栗沖栗或壓井栗速循環時系統摩阻壓力P摩。7.如權利要求1所述的精準控壓循環排污方法，其特征在于，所述步驟(3)中自動計算并設置在壓井栗速時井口目標壓力，其計算方法為: 井口目標壓力P#ag標=目標立管壓力P目標立E-平均立管壓力F￥±aizffi+井口平均壓力Pwta，當計算出的井口目標壓力與前一個井口目標壓力進行比較，如果相差在預定范圍之內，則保持以前的井口壓力目標值;如果超出預定范圍，則采用當前計算的井口目標壓力為設定值，其中P平卿!的計算為:P^tSizffi= (P立i+P*2表示前立管壓力個數，N》I;P平湖α的計算為:Pwwa = (Ρ#αι+Ρ#α2...P#dn ) /N，N表示前井 口 壓力個數，I。8.如權利要求1所述的精準控壓循環排污方法，其特征在于，所述步驟(4)工控機根據目標井口壓力值來發出指令到PLC控制系統，由PLC控制系統來開關節流閥開度，直至實際井口壓力接近井口目標壓力值，其包括系統如下: PLC數據采集系統:采集數據信息傳輸給工控機中央集成控制系統的數據庫； 工控機中央集成控制系統:接收PLC數據采集系統的數據信息并存入數據庫，將內部的工控機輸入系統的數據信息存入數據庫，并將數據庫接收的所有數據信息反饋給內部的計算系統、顯示系統，同時將信息給決策系統進行計算、比較、決策及設置，指令中心將設置數據信息反饋給PLC控制系統； PLC控制系統:接收指令中心的指令并執行。9.如權利要求8所述的精準控壓循環排污方法，其特征在于，所述PLC數據采集系統通過網線與工控機中央集成控制系統的數據庫連接，所述決策系統通過指令中心與PLC控制系統通過網線連接，所述工控機中央集成控制系統的數據庫通過數據線分別與工控機中央集成控制系統的計算系統、顯示系統及決策系統連接。
【文檔編號】E21B21/08GK105952401SQ201610505344
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月1日
【發明人】賀志剛, 李雪剛
【申請人】北京格瑞迪斯石油技術有限公司