一种适用于气体钻井的安全保障系统的制作方法

本实用新型涉及石油、天然气钻井技术及安全保障领域，具体地说，涉及一种用于气体钻井地面和井下状态集中监测和控制的系统，它适合在以氮气、空气或气液两相作为循环介质的钻井作业中使用。

背景技术：

气体钻井是解决低压、低孔、低渗油气藏难发现、难开采问题的有效手段，可以100%地发现含油气层，获得储层初始产能；对储层零伤害，有效保护油气层，提高单井产量和采收率；避免钻井井漏发生，大幅提高钻井速度，节约勘探开发成本。近年来在四川、塔里木、吉林、克拉玛依、吐哈等油气田得到了大规模应用，单井产量增加80%以上，同时促进一批构造获得了突破性勘探成果。但是由于氮气钻井的对象往往是地质不明确的储层，井控风险高，对地面设备和工艺技术的可靠性和应急能力有较高要求。如果没有一个全方位的安全保障系统实时监测钻井和气样参数，掌握地面和井下状态，为工程师提供决策判断依据，并依靠设备的自动化应急功能和本质安全能力减少人在应急处置时发生错误的几率，那么氮气钻井仍然在井控风险上有顾虑，不能发挥其发现和保护储层的巨大优势。

美国哈里波顿公司1999年开始开发欠平衡数据采集系统，采集的数据包括储层压力、流量、气体组分、钻井机械参数等。Wellsite气体检测有限公司数据记录系统能够连续几个月记录和显示井场信息，其软件在气体检测领域处于领先水平。国内诸多研究机构和专业化公司也研制了多种气体钻井现场安全监测系统，并申请了专利。例如，公开号为104675382A，公开日为2015年6月3日的中国专利文献公开了一种气体钻井岩屑返出监测系统和监测方法，它包括固体流量计和绞车变送器来测量返出岩屑量和绞车角位移对应的岩屑排量以得到较为准确返出岩屑状态。该系统功能单一，没有对气体钻井的安全构成实质性保护。公开号为204200209U，公开日为2015年3月11日的中国专利文献公开了一种气体钻井安全监测预警系统，它包括工程参数监测单元、监测服务器和报警单元，其中工程参数监测包括注入气体压力、流量，返出气体压力、组分，返出岩屑量以及地层出水、扭矩和钻时监测等功能，可以较早发现地层产水情况并结合其他工程参数对气体钻井井下安全进行评估。该系统侧重于对气体钻井井下复杂情况的预判，缺乏对地面设备状态的集中监控和对井口、排砂管线和注气设备在紧急情况下的关断控制。公开号为202031579U，公开日为2015年3月11日的中国专利文献公开了一种气体钻井现场检测系统，它包括数据采集处理器、无线发射器、无线接收器和上位机，无线发射器通过数传电台无线网络与无线接收器通信。该系统仅对空压机、增压机进行数据采集，对象不包括制氮机，同时功能单一，没有对入井、出井气体以及井下状态进行监测的功能。公开号为202914075U，公开日为2013年5月1日的中国专利文献公开了一种气体钻井信息集成监测系统，它包括采集机、集成采集器、数据处理及存储器、集成发布器、工业级无线路由器和远端监测计算机，将监测结果集中在了一个工作界面上，提高了工作效率。采集内容包括综合录井、取样、安全监测和设备等数据，同样缺乏对井口、排砂管线和注气设备在紧急情况下的关断控制。公开号为202914075U，公开日为2013年5月1日的中国专利文献公开了一种空气钻井气体监测装置，它包括二氧化硫、氢气、一氧化碳、氧气、甲烷和硫化氢浓度监测，主要用于出井气体和井下状态监测，缺乏入井气体和设备状态监测，更没有紧急情况下的关断控制，在气体钻井时难以充分发挥安全保障作用。

上述专利公开的设备或系统功能尚不完善，监测对象较片面，没有解决实践过程中存在的混合增压后的氮气纯度监测不准、出水后取样管易堵塞、井口有毒有害气体缺乏主动监测和在紧急情况下设备、井口和排砂管线缺乏自动关断功能等问题。没有统一的终端将分散的监测数据集合起来方便工程师综合决策和判断，信息化程度不高。只具备了监测功能，没有一个安全场所可对设备、井口和排砂管线进行远程控制，自我保护手段缺失，对气体钻井安全的保障能力有限，这在很大程度上削弱了气体钻井的本质安全性能。

技术实现要素：

本实用新型旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种气体钻井安全监测保障系统，本实用新型将多元、分散的监测数据集中在统一的工作界面上，方便观察和记录，同时具有设备、井口远程控制功能，形成了全方位保障气体钻井安全的合力。

本实用新型是通过采用下述技术方案实现的：

一种适用于气体钻井的安全保障系统，其特征在于：包括集中监控房、设备状态监测与控制装置、入井气体监测与控制装置、返出流体监测装置、井口有毒有害气体监测报警装置和井口快速自动控制装置，其中：

所述的设备状态监测与控制装置用于将采集的设备参数发送至集中监控房并显示，防爆式集中监控房将设备状态远程控制按钮触发信号传递给设备状态监测与控制装置执行设备启停操作；

所述的入井气体监测与控制装置用于将采集的入井气体参数进行监测并传递给集中监控房并显示，集中监控房将将阀门开闭信号传递给入井气体监测与控制装置，阀门开度数据反馈给集中监控房并显示；

所述的返出流体监测装置用于将返出流体的监测参数传递给集中监控房并显示；

井口有毒有害气体监测报警装置用于将测得的有毒有害气体数据传递给给集中监控房并显示；

井口快速自动控制装置包括关井控制箱、司钻台、放喷管线液动平板阀控制管线、环形防喷器控制管线、排砂管线液动平板阀和排砂管线液动平板阀控制管线，其中，关井控制箱与集中监控房连接有单向无线通讯线路f，用于传输井口的远程控制指令，关井控制箱通过液压管线分别对环形防喷器、放喷管线液动平板阀和排砂管线液动平板阀进行控制。

所述的设备状态监测与控制装置安装在注气设备上，与集中监控房连接有无线通讯线路b和无线通讯线路c，其中对注气设备的控制指令通过无线通讯线路b传输，注气设备的监测数据通过无线通讯线路c传输到集中监控房。

所述的设备状态监测与控制装置包括空压机、制氮机、增压机、设备状态信息采集处理器、设备控制器和数传电台无线网络装置；所述的设备状态信息采集处理器、设备控制器和数传电台无线网络装置安装于空压机上，同时也安装于制氮机上，还安装于增压机上；信息采集处理器、设备控制器和无线传输装置均集成安装于设备中控系统中；

信息采集处理器通过串口数据线与无线传输装置连接，再通过数传电台网络与集中监控房实现单向通信，集中监控房的中央处理器将收到的数据调制解调后通过上位机显示在屏幕上；设备状态远程控制按钮触发信号通过集中监控房传递给各无线传输装置，无线传输装置将收到的信号调制解调后传递给设备控制器执行设备启停操作。

所述的信息采集处理器采集的设备参数包括发动机负载、转速、油压、油温、进气压力、排气压力、燃油液位和压缩机油压力。

所述的入井气体监测与控制装置安装在供气管线上，与集中监控房连接有入井气体远程控制管线和无线通讯线路a两条通讯线路，其中对入井气体的控制通过入井气体远程控制管线实现，入井气体监测数据则通过无线通讯线路a传输。

所述的入井气体监测与控制装置包括入井气体控制阀组、氮气纯度监测仪和压差式智能流量计；入井气体控制阀组、氮气纯度监测仪和压差式智能流量计依次串联安装在供气管线上；氮气纯度监测仪和压差式智能流量计测得的数据传递给压防爆式集中监控房，压防爆式集中监控房的中央处理器将收到的数据调制解调后通过上位机显示在屏幕上；入井气体控制阀组由集中监控房内的远程控制按钮通过有线电缆连接，阀门开度数据同时通过无线传输装置反馈给压防爆式集中监控房，中央处理器将收到的数据调制解调后通过上位机显示在屏幕上。

氮气纯度监测仪由取样短节、一级减压阀、二级减压阀和监测仪组成；取样短节、一级减压阀、二级减压阀和监测仪依次连接。

一级减压阀将取样气体压力降低到2.0MPa以下，二级减压阀将取样气体压力降低到0.1MPa。

智能压差流量计由节流短节、标准孔板和流量计组成；标准孔板安装在节流短节中，流量计与节流短节连接。

智能压差流量计流量测量精度0.1m³/min，测量范围超过450m³/min，满足气体钻井要求。

氮气纯度监测仪测量的气体参数包括氮气纯度；压差式智能流量计测量的气体参数包括气体温度、湿度、压力和气体流量。

所述的返出流体监测装置安装在排砂管线上，与集中监控房连接有一条无线通讯线路d，返出流体监测数据通过无线通讯线路d传输到集中监控房。

所述的返出流体监测装置包括取样短节一、干式除尘箱、湿式除尘箱和返出流体监测仪；取样短节一安装在排砂管线上，干式除尘箱和湿式除尘箱进口通过软管与取样短节一并联连接，干式除尘箱和湿式除尘箱出口通过软管与返出流体监测仪连接。

返出流体监测仪测得的数据通过无线传输装置与压防爆式集中监控房的中央处理器连接，中央处理器将收到的数据调制解调后通过上位机显示在屏幕上。

在干式除尘箱和湿式除尘箱进口处分别安装有截止阀以根据气体类型选择不同的除尘方式。

返出流体监测仪的测量参数包括低浓度甲烷含量、高浓度甲烷含量、气体温度、气体湿度、二氧化碳含量、氧气含量、硫化氢含量和一氧化碳含量。

所述的井口有毒有害气体监测报警装置安装在旋转防喷器上，与集中监控房连接有一条无线通讯线路e，井口有毒有害气体监测数据通过无线通讯线路e传输到集中监控房。

所述的井口有毒有害气体监测报警装置包括抽气泵、监测仪和无线传输装置；抽气泵安装于旋转防喷器上端面，抽取从旋转防喷器密封件中泄漏的气体；监测仪安装在旋转防喷器上，对抽气泵取得的气样进行检测，测得的数据通过无线传输装置与集中监控房的中央处理器连接，集中监控房将收到的数据调制解调后通过上位机显示在屏幕上。

监测仪测量的参数包括低浓度甲烷含量、高浓度甲烷含量和硫化氢含量。

当井口有毒有害气体浓度达到设定的报警值时激发声光报警发出报警信号。

所述的井口快速自动控制装置，其中对环形防喷器和放喷管线液动平板阀的控制通过司钻台间接执行，对排砂管线液动平板阀的控制则通过关井控制箱直接执行。

所述的集中监控房包括设备状态监测显示终端及其远程控制按钮、入井气体监测显示终端及其远程控制按钮、返出流体监测显示终端、井口有毒有害气体监测显示终端、视频监测仪及其显示终端、钻井参数显示终端、井口应急远程控制按钮、中央处理器、上位机、声光报警器和数传电台无线网络装置；钻井参数显示终端与综合录井仪采用有线连接，实现数据共享；设备状态监测显示终端、入井气体监测显示终端、返出流体监测显示终端和井口有毒有害气体监测显示终端与室外相应的设备状态监测与控制装置、入井气体监测与控制装置、返出流体监测装置、井口有毒有害气体监测报警装置之间采用数传电台无线网络传输；设备远程控制按钮通过数传电台无线网络与安装在空压机、制氮机和增压机上的设备控制器连接，以实现对设备的远程控制；入井气体远程控制按钮通过有线电缆连接，实现对入井气体控制阀组的控制；井口应急远程控制按钮通过数传电台无线网络和关井控制箱连接，实现对井口、排砂管线闸阀和防喷器的控制；声光报警器与安装在井口有毒有害气体的传感器连接，监测结果和排砂管线内压力和硫化氢浓度监测结果自动响应发出报警信号。

与现有技术相比，本实用新型所达到的有益效果如下：

1、采用本实用新型所述的由集中监控房、设备状态监测与控制装置、入井气体监测与控制装置、返出流体监测装置、井口有毒有害气体监测报警装置和井口快速自动控制装置组成的安全保障系统，能对气体钻井过程进行全方位监控，在井场集中监控房内集中显示有各种监测数据，包括设备状态、钻井参数、视频图像、井口环境有毒气体浓度、入井和返出流体状态及组分，能在第一时间全面掌握气体钻井设备及井下工况，综合判断地面和井下异常，为气体钻井的安全施工提供了重要条件。

2、采用本实用新型，能在集中监控房内实现对设备、工艺流程、井口防喷器和排砂管线的远程控制，提高了工作效率；根据数据监测结果能自动实施关井放喷操作，应急处置主体由人变成了机器，大幅降低了人因失误的几率，提高了气体钻井的应急保障能力和本质安全性能。

3、本实用新型的返出流体监测装置测量到气样组分比综合录井仪早3～5min，与入井气体监测结果对比能在第一时间发现气样组分变化，为处理井下复杂和事故赢得了宝贵时间。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明，其中：

图1为气体钻井安全保障系统的连接示意简图。

图2为图1中连接详图。

图中标记：

1-抽气泵；2-井口有毒有害气体监测报警装置；3-数传电台无线网络装置一；4-监测仪；5-旋转防喷器；6-环形防喷器；7-排砂管线液动平板阀；8-排砂管线液动平板阀控制管线；9-司钻台；10-放喷管线液动平板阀控制管线；11-环形防喷器控制管线；12-关井控制箱；13-声光报警器；14-井口应急远程控制按钮；15-入井气体远程控制按钮；16-集中监控房；17-中央处理器；18-上位机；19-视频监测仪；20-钻井参数显示终端；21-数传电台无线网络装置二；22-返出流体监测装置；23-干式除尘箱；24-设备远程控制按钮；25-入井气体远程控制管线；26-设备状态监测显示终端；27-入井井口气体及返出流体监测显示终端；28-视频监测显示终端；29-数传电台无线网络装置三；30-返出流体监测仪；31-湿式除尘箱；32-沉砂池；33-取样短节一；34-氮气纯度监测仪；35-二级减压阀；36-一级减压阀；37-压差式智能流量计；38-排砂管线；39-入井气体监测与控制装置；40-取样短节；41-标准孔板；42-节流短节；43-供气管线；44-入井气体控制阀组；45-设备控制器；46-增压机；47-膜制氮机；48-空压机；49-设备状态信息采集处理器；50-数传电台无线网络装置四；51-设备状态监测与控制装置；52-放喷管线液动平板阀；53-无线通讯线路a；54-无线通讯线路b；55-无线通讯线路c；56-无线通讯线路d；57-无线通讯线路e；58-无线通讯线路f。

具体实施方式

实施例1

参照说明书附图，作为本实用新型的一较佳实施方式，其包括集中监控房、设备状态监测与控制装置、入井气体监测与控制装置、返出流体监测装置、井口有毒有害气体监测报警装置和井口快速自动控制装置，其中：

所述的设备状态监测与控制装置用于将采集的设备参数发送至集中监控房并显示，防爆式集中监控房将设备状态远程控制按钮触发信号传递给设备状态监测与控制装置执行设备启停操作；

所述的入井气体监测与控制装置用于将采集的入井气体参数进行监测并传递给集中监控房并显示，集中监控房将将阀门开闭信号传递给入井气体监测与控制装置，阀门开度数据反馈给集中监控房并显示；

所述的返出流体监测装置用于将返出流体的监测参数传递给集中监控房并显示；

井口有毒有害气体监测报警装置用于将测得的有毒有害气体数据传递给给集中监控房并显示；

其中入井气体监测与控制装置39安装在供气管线43上，与集中监控房16连接有入井气体远程控制管线25和无线通讯线路a53两条通讯线路，其中工程师对入井气体的控制通过入井气体远程控制管线25实现，入井气体监测数据则通过无线通讯线路a53传输。

设备状态监测与控制装置51安装在注气设备上，与集中监控房16连接有两条无线通讯线路b54、c55，其中工程师对注气设备的控制指令通过无线通讯线路b54传输，注气设备的监测数据通过无线通讯线路c55传输到集中监控房16。

返出流体监测装置22安装在排砂管线38上，与集中监控房16连接有一条无线通讯线路d56，返出流体监测数据通过无线通讯线路d56传输到集中监控房16。

井口有毒有害气体监测报警装置2安装在旋转防喷器5上，与集中监控房16连接有一条无线通讯线路e57，井口有毒有害气体监测数据通过无线通讯线路e57传输到集中监控房16。

井口快速自动控制装置包括关井控制箱12、司钻台9及其控制管线10、11、排砂管线液动平板阀7及其控制管线8。其中，关井控制箱12与集中监控房16连接有一条单向无线通讯线路f58，用于传输工程师对井口的远程控制指令；关井控制箱12通过液压管线分别对环形防喷器6、放喷管线液动平板阀52和排砂管线液动平板阀7进行控制，其中对环形防喷器6和放喷管线液动平板阀52的控制通过司钻台9间接执行，对排砂管线液动平板阀7的控制则通过关井控制箱12直接执行。

实施例2

作为本实用新型的最佳实施方式，其各部分组成及工作原理如下：

一种适用于气体钻井的安全保障系统主要由六大装置组成，分别是集中监控房16、设备状态监测与控制装置51、入井气体监测与控制装置39、返出流体监测装置22、井口有毒有害气体监测报警装置2和井口快速自动控制装置。

其中，集中监控房16包括设备状态监测显示终端26及其远程控制按钮24、入井气体监测显示终端27及其远程控制按钮15、返出流体监测显示终端27、井口有毒有害气体监测显示终端27、视频监测仪19及其显示终端28、钻井参数显示终端20、井口应急远程控制按钮14、中央处理器17、上位机18、声光报警器13和数传电台无线网络装置二21；入井气体、返出流体和井口有毒有害气体监测参数集合显示在同一屏幕27上；设备及入井气体控制阀组状态集合显示在同一屏幕26上；钻井参数显示终端20与综合录井仪采用有线连接实现数据共享；设备状态监测、入井气体监测、返出流体监测和井口有毒有害气体监测显示终端26、27与相应室外仪器之间采用数传电台无线网络传输；设备远程控制按钮24通过数传电台无线网络与安装在空压机48、制氮机47和增压机46上的设备控制器45连接以实现对设备的远程控制；入井气体远程控制按钮15通过有线电缆25实现对入井气体控制阀组44的控制；井口应急远程控制按钮14通过数传电台无线网络和关井控制箱12实现对井口52、排砂管线闸阀7和防喷器5的控制；声光报警器13根据井口有毒有害气体监测结果和排砂管线内压力和硫化氢浓度监测结果自动响应发出报警信号。

设备状态监测与控制装置51包括安装于空压机48、制氮机47、增压机46上的设备状态信息采集处理器49、设备控制器45和数传电台无线网络装置四50；信息采集处理器49采集的设备参数包括发动机负载、转速、油压、油温、进气压力、排气压力、燃油液位和压缩机油压力；信息采集处理器49、设备控制器45和无线传输装置50均集成安装于设备中控系统中；信息采集处理器49通过串口数据线与无线传输装置50连接，再通过数传电台网络与集中监控房16实现单向通信，集中监控房中央处理器17将收到的数据调制解调后通过上位机18显示在屏幕26上；设备状态远程控制按钮24触发信号通过集中监控房16传递给各设备自带的无线传输装置50，无线传输装置50将收到的信号调制解调后传递给设备控制器45执行设备启停操作。

入井气体监测与控制装置39包括入井气体控制阀组44、氮气纯度监测仪34和压差式智能流量计37；入井气体控制阀组44、氮气纯度监测仪34和压差式智能流量计37按下游方向依次串联安装在供气管线43上；氮气纯度监测仪34测量的气体参数包括氮气纯度；压差式智能流量计37测量的气体参数包括气体温度、湿度、压力和气体流量；氮气纯度监测仪34和压差式智能流量计37测得的数据通过仪器自带的无线传输装置传递给集中监控房16，集中监控房中央处理器17将收到的数据调制解调后通过上位机18显示在屏幕上；入井气体控制阀组44由集中监控房16内的远程控制按钮15通过有线电缆25控制，阀门开度数据同时通过其自带的无线传输装置反馈给集中监控房16，集中监控房中央处理器17将收到的数据调制解调后通过上位机18显示在屏幕27上；

氮气纯度监测仪34由取样短节40、一级减压阀36、二级减压阀35和监测仪34组成；一级减压阀36将取样气体压力降低到2.0MPa以下，二级减压阀35将取样气体压力降低到0.1MPa附近。

智能压差流量计37由节流短节42、标准孔板41和流量计37组成；标准孔板41安装在节流短节42中，其流量测量精度0.1m3/min，测量范围超过450m3/min，满足气体钻井要求。

返出流体监测装置22包括取样短节一33、干式除尘箱23、湿式除尘箱31和返出流体监测仪30；取样短节一33安装在排砂管线38上，干式除尘箱23和湿式除尘箱31进口通过软管与取样短节一33并联连接，干式除尘箱23和湿式除尘箱31出口通过软管与返出流体监测仪30连接；在干式除尘箱23和湿式除尘箱31进口处分别安装有截止阀以根据气体类型选择不同的除尘方式；返出流体监测仪30的测量参数包括低浓度甲烷含量、高浓度甲烷含量、气体温度、气体湿度、二氧化碳含量、氧气含量、硫化氢含量和一氧化碳含量；返出流体监测仪30测得的数据通过仪器自带的无线传输装置29传递给集中监控房16，集中监控房中央处理器17将收到的数据调制解调后通过上位机18显示在屏幕上。

井口有毒有害气体监测报警装置2包括抽气泵1、监测仪4和无线传输装置3；抽气泵1安装于旋转防喷器5上端面，抽取从旋转防喷器5密封件中泄漏的气体；监测仪4安装在旋转防喷器5上，对抽气泵1取得的气样进行检测，测得的数据通过仪器自带的无线传输装置3传递给集中监控房16，集中监控房16中央处理器17将收到的数据调制解调后通过上位机18显示在屏幕27上。监测仪4测量的参数包括低浓度甲烷含量、高浓度甲烷含量和硫化氢含量；当井口有毒有害气体浓度达到设定的报警值时激发声光报警器13发出报警信号。

井口快速自动控制装置包括关井控制箱12、司钻台9及其控制管线10、11、排砂管线液动平板阀7及其控制管线8。司钻台9安装在司钻台内，通过控制管线10、11能同时关闭环形防喷器6和打开液动平板阀52；关井控制箱12安装在司钻台9上，根据接收到的信号自动控制司钻台9动作；关井控制箱12与集中监控房16利用无线网络通信，激发信号为集中监控房16内的井口应急远程控制按钮14触发信号和返出流体监测仪30测得的排砂管线38压力及硫化氢浓度；当排砂管线38内压力或硫化氢浓度超过设定值会激发声光报警器13发出报警信号，命令关井控制箱12和司钻台9自动关闭环形防喷器6、打开放喷管线液动平板阀52，根据设定也可同时关闭排砂管线液动平板阀7；关井控制箱12执行自动关井操作设定的排砂管线38压力值有0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，设定的硫化氢浓度值有10ppm、20ppm、30ppm、40ppm。