专利名称：起下钻综合性监控操作系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于石油钻井工程技术领域，涉及一种在起下钻过程中能监测井涌井漏、立柱单根计时计数、智能灌浆和防碰天车综合性监控操作系统，尤其是可以根据井涌井漏的程度逐级预警报警，可以在井漏发生时迅速监测出漏失速度和漏失量。
背景技术：
首先，在石油勘探开发钻井起下钻过程中，目前对井涌井漏的监测一是靠人工间隔测量钻井液(俗称泥浆)的液位方量，二是靠液位监测仪(如浮球式或超声波液位监测仪)来监测泥浆液位方量的变化。以上方法的缺失在于其一不够科学严谨。较好的监测方法应该是先定性分析再定量分析，定性与定量相结合。而现有方法是由定量分析来推断定性分析，这不太符合分析判断事物的逻辑。其二不及时。由于是靠定量推断分析，因此只有等到量的积累达到一定数值，才能分析判断是否发生异常。这一过程需要的时间长，不能在井涌井漏发生的第一时间预警报警。其三不准确。人工间隔测量人为性误差因素大。浮球式和超声波式因其测量精度不够，经常发生误报漏报。其四不稳定。现有的各类传感器如压力型、流量型、温度型、液位型等，使用在高温强腐、粘稠混合性液体泥浆上，都不能稳定发挥其功能。其次，在钻井起下钻过程中，为了平衡井底压力防止井涌井漏，需要在起出立柱 (三根钻杆连在一起称为一个立柱)的同时，向井筒内的钻杆与套管之间的环空补充泥浆。 现有技术采用两种方法一是倒换泥浆泵流程，用泥浆泵人工操作灌浆。这种做法的弊端不仅是“大马拉小车”浪费能源问题，它最大的危险是把安全性完全建立在人的自觉性上。灌与不灌、什么时候灌、灌多灌少完全是人为因素，安全可靠性差。二是采用小灌浆泵灌浆。这种方法虽然解决了“大马拉小车”浪费能源问题，但无法解决防瀑浆和井漏预警的矛盾，即为了防瀑浆就采取起3个立柱灌一次浆，而这样做就不能及时发现井漏。若为了及时发现井漏就要每起一个立柱灌一次浆，这样做又不能解决防瀑浆问题。第三，在钻井起下钻过程中，对于立柱单根的计时计数，目前的做法是人工记录， 容易出现误记漏记。第四，在钻井起下钻过程中，为防止游车上碰天车下砸平台，目前采取脱重式、过卷式和电子式三种防碰方法。这些方法存在的弊端一是游车高位置0，二是不能解决游车二次冲顶问题，三是不能解决游车超速下行预警刹车问题。综上所述，钻井过程中的起下钻是一个系统性和综合性工作，从起下钻的井涌井漏监测、立柱单根计时计数，到灌浆和防碰天车这一系列工作过程，是一个不可割裂的有机统一体。现有技术之所以存在这样或那样的问题，就是因为没有把起下钻过程中的诸项工作做为有机统一体来运作，各工作环节只有独立运行而无系统综合，必然会导致挂一漏万， 潜伏巨大安全隐患。
发明内容
3[0007]为了克服现有技术在钻井起下钻过程中存在的种种不足，本实用新型提供了一种能监测井涌井漏、可以对立柱单根计时计数、可以智能灌浆和防碰天车的综合性操控系统， 尤其是可以根据井涌井漏的程度逐级预警报警，可以在井漏发生时迅速监测出漏失速度和
漏失量。本实用新型解决其技术问题所遵循的原则是安全性、合理性、系统性、综合性。所要达到的目标是及时、准确、稳定、可靠。所采取的技术方案是在溢流口到振动筛之间的高架回流槽上开一孔，孔口朝上，孔内安装一个可以探测液体到达的回流槽传感器。在井口防喷器上方的喇叭口套管的侧壁上开一孔，开孔的位置必须在喇叭口套管的溢流口下方， 孔口安装一个可以探测液体到达的井口传感器，在绞车上安装绞车传感器，在死绳固定器的压力传感系统上安装悬重传感器，在刹车气路上安装刹车控制器。在泥浆罐上安装灌浆控制器和灌浆泵。声光预警报警指示器安装在监控操作系统的控制面板上，触摸屏工控机、 PLC、输入输出接口安装在监控操作系统的控制柜内，各种传感器并行连接到PLC的输入信号采集端口，灌浆控制器、刹车控制器、声光预警报警指示器并行连接到PLC的输出端口， PLC和远程办公系统打印输出系统分别通过串口、usb 口、以太网口与高性能嵌入式一体化触摸屏工控机进行通讯连接。起下钻过程中，绞车通过定滑轮组天车牵引动滑轮组游车、大钩、吊环、吊卡、立柱等上行或下行，绞车传感器和悬重传感器同时把这些实时信息传输给 PLC,根据设定的程序PLC可以准确判断起下钻状况，触摸屏工控机显示和记录起下立柱的时间和数量、显示和记录甩单根数或接单根数。对立柱单根计时计数最重要的目的就是为监测井涌井漏提供依据，为智能灌浆创造条件。起钻时，井筒里的环空泥浆液面因立柱的起出而下降。下钻时，井筒里的环空泥浆液面因立柱的增加而上升。每根立柱排代泥浆的量是确定的，井筒套管的直径也是确定的， 根据立柱起下的多少就可以计算出环空泥浆液面应上升多少或应下降多少。环空泥浆液面应上升而未上升就是井漏，环空泥浆液面应下降而未下降就是井涌。能准确判断环空泥浆液面是上升还是下降的关键就是PLC和触摸屏工控机对井口传感器和回流槽传感器的信号及时检测分析，就可以在第一时间得知是否发生了井涌井漏。若发生井涌其程度有多大， 若发生井漏其速度有多快、漏失量有多大。通过对井口传感器的信号及时检测分析，使起钻过程中的灌浆做到智能化。立柱单根计时计数解决的是何时灌、灌多少，井口和回流槽传感器解决的是该不该灌、灌到哪。根据绞车传感器传输的游车实时行程高度，PLC依据程序设计分析判断游车实时行程高度和速度是否达到设定的预警值和报警刹车值，若达到，声光预警报警指示器会发出预警和报警，触摸屏工控机发出刹车指令给刹车控制器，刹车控制器启动刹车装置完成刹车动作。触摸屏工控机的触摸屏中含有立柱单根计时计数显示窗、游车位置显示窗、当前灌浆量显示窗、灌浆总量显示窗、井口信号指示灯。控制柜操作面板上有回流槽下层信号指示灯、井涌预警指示灯、井漏预警指示灯、 井涌井漏声光报警指示器。本实用新型的有益效果可以在钻井起下钻过程中，及时、准确、稳定、可靠地监测是否有井涌井漏发生，若发生井涌可以显示记录井涌的程度，若发生井漏可以显示记录漏失速度和漏失量。可以对起下钻立柱单根计时计数。可以在起钻时对井筒里的钻套环空进行智能灌浆。可以防止游车上碰天车下砸平台。整套技术方案体现了安全性、合理性、系统性、综合性。
以下结合附图对本实用新型进一步说明
图1是本实用新型流程图图2是本实用新型原理示意图图3是一个实施例的分步图图中1平台，2井架，3游车，4吊环，5天车，6吊卡，7立柱，8司钻房，9绞车，10刹车气路，11振动筛，12 一号泥浆罐，13 二号泥浆罐，14高架回流槽，15喇叭口，16溢流口，17 灌浆口，18防喷器，19喇叭口套管，20井筒套管，21钻套环空，22灌浆泵，23灌浆控制器，24 井口传感器，25回流槽传感器(该传感器为上下双层结构)，26刹车控制器，27绞车传感器，28悬重传感器，29PLC, 30触摸屏工控机，31声光预警报警指示器，32控制柜，33死绳固定器压力传感系统，34远程端，35打印输出，36数据保存，37显示操作。
具体实施方式
在
图1中，触摸屏工控机30下挂接PLC 29，井口传感器24、回流槽传感器25、绞车传感器27、悬重传感器28与PLC 29输入口并行连接，灌浆控制器23、刹车控制器沈、声光预警报警指示器31与PLC 29输出口并行连接，数据保存36与显示操作37附着连接在触摸屏工控机30上。在图2所示原理示意图中，灌浆泵22和灌浆控制器23相邻安装在二号泥浆罐13 上，井口传感器M安装在喇叭口套管19的侧面，位置在溢流口 16与防喷器18之间，回流槽传感器25安装在高架回流槽14上，刹车控制器沈安装在刹车气路10上，绞车传感器27 安装在绞车9上，悬重传感器观安装在死绳固定器33的压力传感系统上，PLC 29、触摸屏工控机30、声光预警报警指示器31安装在控制柜32内并置于司钻房8的操作台上。本实用新型的工作程序是1、复位置0。起下钻前，使游车3上的吊环4提拉住平台1上的吊卡6，此时将PLC 29上的计数器设置为0点。启动起钻程序，系统会做一次复位灌浆，即灌浆泵22工作向喇叭口套管19里的钻套环空21灌浆，当环空泥浆液面上升至溢流口 16时，高架回流槽14内会有泥浆流动，回流槽传感器25见到泥浆信号，灌浆泵22停止灌浆。复位灌浆的目的让系统有一个工作起点。2、智能灌浆。起钻开始后，吊环4提吊卡6和立柱7上行，绞车传感器27和悬重传感器观同时把绞车信号和悬重信号传输给PLC 29，根据设定的程序就可以判断出起了几个立柱。根据图2所示原理，起完第1个立柱后，井筒里的环空泥浆液面从溢流口下降到 a点。起完第2个立柱后，环空泥浆液面从a点下降到b点，液面下降到井口传感器M处以下时，显示井口传感器M的指示灯由亮转灭。起完第3个立柱后，环空泥浆液面从b点下降到d点，此时触摸屏工控机30会发出灌浆指令给灌浆控制器23，灌浆控制器23启动灌浆泵22进行第一次灌浆。随着灌浆进行环空泥浆液面逐渐上升，当液面上升到井口传感器M处时，指示灯由灭转亮，触摸屏工控机30发出停止灌浆指令给灌浆控制器23，灌浆控制器23控制灌浆泵22停机。起完第4个立柱后，环空泥浆液面从井口传感器M处下降到 c点，指示灯由亮转灭。起完第5个立柱后，环空泥浆液面从c点下降到e点。起完第6个立柱后，环空泥浆液面从e点下降到f点。此时触摸屏工控机30发出指令，灌浆泵22进行第二次灌浆。随着灌浆的进行环空泥浆液面逐渐上升，当液面上升到井口传感器M处时， 指示灯由灭转亮，灌浆停止。起完第7个立柱后，环空泥浆液面从井口传感器M处下降到c 点，指示灯由亮转灭。起完第8个立柱后，环空泥浆液面从c点下降到e点。起完第9个立柱后，环空泥浆液面从e点下降到f点。起完第10个立柱后，环空泥浆液面从f点下降到g 点。此时触摸屏工控机30发出指令，灌浆泵22进行第三次灌浆。随着灌浆的进行环空泥浆液面逐渐上升，当液面上升到井口传感器M处时，指示灯由灭转亮，但此次灌浆泵22不会停机而是继续灌浆，一直到环空泥浆液面上升到溢流口 16使高架回流槽14内有泥浆流动，回流槽传感器25见到泥浆信号，灌浆泵22才停止灌浆。触摸屏工控机30会对全部起钻灌浆内容记录保存。程序如此循环。3、起钻时井涌异常。起钻时由于立柱被提拉出井筒，必然导致环空泥浆液面下降， 当液面下降到井口传感器M以下时，指示灯由亮转灭。如果发生了井涌，环空液面就会该降不降。也就是说，井口传感器M的指示灯该灭不灭，一直亮着。这就发出了第一个信号， 有井涌异常现象发生。若井涌加大，环空液面会不降反升，泥浆会上升到溢流口 16流向振动筛11，回流槽传感器25的下层会见到泥浆信号，此时声光预警报警指示器31会发出黄色指示灯预警。若井涌量持续增加，回流槽14里的泥浆液面就会上升，回流槽传感器25的上层会见到泥浆信号，此时，声光预警报警指示器31会发出红色声光报警。4、起钻时井漏异常。井筒内环空泥浆液面的下降是由于立柱被提出，如果没有提拉立柱而环空液面就下降到井口传感器M以下，指示灯会由亮转灭，这表示有井漏异常现象。由于每根立柱排代泥浆的量确定的，套管的直径是确定的，因此每根立柱被起出后环空泥浆液面下降的距离也是确定的。同时，知道了灌浆泵的排量，也就能计算出每次灌浆需要的时间和灌浆量。如果在起钻的过程中发生了井漏，势必造成灌浆所需时间增加，灌浆量增大。井漏异常有两种情况(1)漏失量大于灌浆量。在3个立柱一灌时，表现为井口传感器 24的指示灯该亮不亮，声光预警报警指示器31会发出黄色井漏预警信号，并延长灌浆时间继续灌浆。在延长期内井口传感器M仍然见不到泥浆指示灯不亮，声光预警报警指示器31 就会发出红色声光报警。在第10个立柱起完灌浆时，表现为回流槽传感器25见不到泥浆信号，声光预警报警指示器31会发出黄色井漏预警信号，并延长灌浆时间继续灌浆。在延长期内回流槽传感器25仍然见不到泥浆信号，声光预警报警指示器31就会发出红色声光报警。( 漏失量小于灌浆量。在3个立柱一灌时，表现为井口传感器M的指示灯该亮不亮，声光预警报警指示器31会发出黄色井漏预警信号，并延长灌浆时间继续灌浆。在延长期内井口传感器M见到泥浆信号指示灯由灭转亮，灌浆泵22停止灌浆。由于井漏，环空泥浆液面会立即降至井口传感器对以下指示灯由亮转灭。为了验证漏失速度和漏失量，灌浆泵22在停止一段时间后被再次启动灌浆，一直灌到井口传感器M见到泥浆信号指示灯由灭转亮为止。同时，触摸屏工控机30会显示记录漏失速度和漏失量。在第10个立柱起完灌浆时，表现为回流槽传感器25见不到泥浆信号，声光预警报警指示器31会发出黄色井漏预警信号，并延长灌浆时间继续灌浆。在延长期内回流槽传感器25见到泥浆信号，灌浆泵 22停止灌浆。为了验证漏失速度和漏失量，灌浆泵22在停止一段时间后被再次启动灌浆，一直灌到回流槽传感器25见到泥浆信号为止。同时，触摸屏工控机30会显示记录漏失速度和漏失量。5、下钻时井涌异常。启动下钻程序，系统会做一次复位灌浆，目的也是让系统有一个工作起点。下钻工作开始后，随着立柱一根一根下入井内，井筒内的泥浆有间隔地从溢流口 16经高架回流槽14流向振动筛11，并最终流入一号泥浆罐12。由于前后两个立柱下入井内是有操作时间间隔的，也就是说正常状况下，泥浆从溢流口 16经高架回流槽14流向振动筛11是一个不连续的过程、是有时间间隔的。因此回流槽传感器25探测到的泥浆信号也是不连续的、是有时间间隔的。如果发生井涌，回流槽传感器25的下层就会见到连续的、 无时间间隔的泥浆信号，此时声光预警报警指示器31会发出黄色井涌预警信号。若井涌量持续增加，回流槽14里的泥浆液面就会上升，回流槽传感器25的上层会见到泥浆信号，此时，声光预警报警指示器31会发出红色声光报警。6、下钻时井漏异常。在下立柱过程中，回流槽传感器25连续见不到泥浆信号，声光预警报警指示器31会发出黄色井漏预警信号。若漏失量增大，环空泥浆液面会迅速降至井口传感器M以下指示灯由亮转灭，此时，声光预警报警指示器31会发出红色声光报警。7、起钻时立柱单根计时计数。在图3所示实施例中，表示起钻过程中绞车传感器 27和悬重传感器观的信号变化是有规律的。(1)吊环拉住吊卡。游车3上的吊环4拉住平台上的吊卡6和立柱7时，大钩高度为0，大钩悬重为大于一个立柱的重量。( 吊卡提拉钻具。大钩上行到一个立柱的高度，大钩悬重还是大于一个立柱的重量。( 立柱与钻具分离。大钩高度为一个立柱的高度，大钩悬重从大于一个立柱的重量变为等于一个立柱的重量。(4)吊卡与立柱分离。大钩高度为一个立柱的高度，大钩悬重为0。由以上步骤可以看出，起钻过程中大钩高度与悬重两点决定一个起钻工作状态，据此对应关系可以对起钻的立柱计时计数。同理，如果是甩单根，其原理步骤与起立柱是一样的，所不同的是把一个立柱的高度和重量换为一个单根的高度和重量。8、下钻时立柱单根计时计数。下钻过程中绞车传感器27和悬重传感器观的信号变化也是有规律的，只不过它的步骤与起钻的步骤刚好相反。在图3所示实施例中，起钻是从图3-1到图3-4的程序工作，而下钻则是从图3-4到图3-1的程序工作。9、防碰天车。程序设为3个工作步骤(1)游车置0。游车3上的吊环4拉住平台上的吊卡6时，将PLC四的计数器读数设为0。(2)防碰防砸。首先为防止游车3上行碰撞天车5，程序设定游车3上行到第一高度预警，上行到第二高度报警并刹车。在游车3上行过程中，绞车传感器27把绞车9旋转的圈数传输给PLC 29, PLC四计算出旋转的圈数与游车3上行高度之间的对应值，触摸屏工控机30及时读取PLC 29计算值并显示和记录，当游车3上行到第一高度时预警，上行到第二高度时报警并发出刹车指令给刹车控制器26， 一方面使绞车9与动力系统分离，另一方面启动刹车气路10锁住绞车9。其次为防游车3 快速下行下砸平台1，程序设定游车3下行的预警速度和刹车位置。当游车3下行的速度达到预警速度时，声光预警报警指示器31会发出红色声光报警，如果游车3仍然以预警速度下行到达刹车位置时，触摸屏工控机30发出指令给刹车控制器沈，一方面使绞车9与动力系统分离，另一方面启动刹车气路10锁住绞车9。(3)解锁。以往的防碰天车解锁方式是按复位置0键或断掉电源，这种方式的弊端是游车3在高位被置0，此时如果操作不当使游车3上行，就会发生二次冲顶碰撞天车5。本实用新型的解锁方式为无需按复位置0键或断掉电源，只要按解锁键即可。此时程序设计了一个选择时间，在此时间内游车3只能选择下行。如果在选择时间内操作不当使游车3上行，刹车气路10会再次锁住绞车9。如果在选择时间内游车3即未上行也未下行，刹车气路10也会再次锁住绞车9，使程序再次进入解锁过程，直到游车3选择出正确的行进方向。
权利要求1.一种起下钻综合性监控操作系统，包括井口传感器(M)、回流槽传感器(25)、绞车传感器(27)、悬重传感器(观)，触摸屏工控机(30)和PLC ( )，以及灌浆控制器(23)、刹车控制器(26)，其特征是所述井口传感器、回流槽传感器、绞车传感器、悬重传感器并行连接到PLC的输入信号采集端口，灌浆控制器、绞车刹车控制器并行连接到PLC的输出端口， 所述PLC与触摸屏工控机通讯连接。
2.根据权利要求1所述的起下钻综合性监控操作系统，其特征是包括远程办公系统 (34)、打印输出系统(35)，所述PLC、远程办公系统和打印输出系统分别通过串口、usb 口、 以太网口与触摸屏工控机通讯连接；并且，与所述PLC连接设有声光预警报警指示器(31)。
3.根据权利要求1或2所述的起下钻综合性监控操作系统，其特征是井口传感器安装在防喷器以上溢流口以下的喇叭口套管的侧壁上。
4.根据权利要求1或2所述的起下钻综合性监控操作系统，其特征是在溢流口到振动筛之间的高架回流槽上安装回流槽传感器。
5.根据权利要求1或2所述的起下钻综合性监控操作系统，其特征是回流槽传感器为上下双层结构，其中上层和下层各为一独立的信号检测探头。
6.根据权利要求1或2所述的起下钻综合性监控操作系统，其特征是系统设置有井口信号指示灯、回流槽下层信号指示灯、井涌预警指示灯、井漏预警指示灯、井涌井漏声光报警指示器。
7.根据权利要求1或2所述的起下钻综合性监控操作系统，其特征是系统设置有游车运行方向显示器、游车锁定指示灯、游车解锁键、游车置0键、游车防碰防砸声光报警指不器。
8.根据权利要求1或2所述的起下钻综合性监控操作系统，其特征是灌浆控制器与灌浆泵控制连接，灌浆控制器和灌浆泵共同安装在泥浆罐上。
专利摘要本实用新型涉及一种起下钻综合性监控操作系统，由触摸屏工控机和PLC构成控制系统和计算处理系统，各种传感器组成采集系统，各类控制器构成执行操作系统。其特点是采用一体化智能化程序设计，定性分析与定量分析结合，整体性综合性的解决了起下钻过程中井涌井漏监测、立柱单根计时计数、智能灌浆和防止游车上碰天车下砸平台问题。
文档编号E21B44/00GK202017480SQ20102068983
公开日2011年10月26日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者于春, 何飞, 曹民, 赵刚 申请人:濮阳市百福瑞德石油科技有限公司