专利名称：一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统的制作方法
技术领域：
一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统技术领域[0001]本实用新型涉及一种井下环空压力自动控制系统，特别是关于一种海洋无隔水管 钻井用的深水表层钻井井下环空压力自动控制系统。
背景技术：
[0002]钻井过程中利用泥浆在井底产生的静液柱压力来平衡地层压力是防止井涌或井 漏，确保钻井安全作业的常规技术手段。在海洋深水表层钻井时，地层的不稳定性，浅层气 和浅层水流，以及海底的低温高压环境引起钻井液的流变性改变，导致天然气水合物形成， 以及地层压力和地层破裂压力之间窗口较窄等诸多问题。由于海洋深水表层未安装井口和 防喷器，因此解决这类问题通常是根据地层压力剖面设计，随着钻进的进行，实时改变泥浆 密度，以调整井底压力，防止井涌或井漏，确保钻井安全。[0003]目前，现有技术是通过人工设置海水进口调节阀和高密度的泥浆(重浆)进口调 节阀的开度，将重浆与海水按一定比例混合，获取所需的泥浆密度。随着钻进井深不断增 加，井下所需钻井泥浆密度也在发生变化，重浆与海水的混合比例也需要随钻井的进行而 变化。仅靠人工设置调节阀的开度控制重浆与海水的混合比，控制的结果与井下实际需求 会存在较大误差，泥浆在井底产生的液柱压力难以平衡地层压力，容易发生井涌或井漏，从 而引发钻井事故，因此有必要研发一种能够根据地层压力剖面自动调节重浆和海水混合比 例，配置所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，从而实现井下环空压力自动调节的控制系 统。发明内容[0004]针对上述问题，本实用新型的目的是提供一种海洋无隔水管钻井用的深水表层钻 井井下环空压力自动控制系统，该系统能够自动调节重浆和海水混合比例，获取所需密度 和流量的钻井泥浆输入井下，实现井下环空压力的自动调节。[0005]为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案一种深水表层钻井井下环空压 力自动控制系统，其特征在于它包括重浆池、海水池、处理剂池、混合器、设置有随钻测量 装置的随钻压力测量系统、设置在海面上的随钻测量装置的信号接收装置、设置有井下环 空压力分析模型的远程计算机控制系统，录井系统和设置有三流体流量计算模型的可编程 逻辑控制系统；重浆池、海水池和处理剂池中分别设置有一管线，每一管线上设置有一动力 泵、一调节阀和一入口流量计，每一管线的末端连接混合器的输入端，混合器的输出端通过 一出流管线连接井下随钻压力测量系统的短节，出流管线上设置有出口流量计；随钻压力 测量系统的随钻测量装置的信号接收装置通信连接远程计算机控制系统，远程计算机控制 系统通过数据总线连接录井系统和可编程逻辑控制系统；可编程逻辑控制系统接收各入口 流量计和出口流量计采集的密度和流量测量值发送给远程计算机控制系统；远程计算机控 制系统中的井下环空压力分析模型根据可编程逻辑控制系统接收的密度和流量测量值、录 井系统采集的钻进井深数据和随钻压力测量系统采集的井下环空压力测量值，通过分析计算得出井下所需钻井泥浆的密度和流量期望值，传给可编程逻辑控制系统，经可编程逻辑 控制系统中的三流体流量计算模型计算出每一管线中的流量期望值，并发出相应的阀位控 制信号给管线的调节阀。[0006]上述可编程逻辑控制系统中的三流体流量计算模型为[0007]Qz = P 1''' · QA-Aw[0008]Qsw = (Q-Qz) · (100-x) %[0009]Qc = (Q-Qz) · x%[0010]上式中，P为钻井泥浆密度期望值，Q为钻井泥浆流量期望值，Pz为重浆密度测 量值，Psw为海水密度测量值，X为预设的处理剂和海水比例值，Qz为重浆流量期望值，Qsw 为海水流量期望值，Qc为处理剂流量期望值。[0011]上述可编程逻辑控制系统采用西门子的S7-300系列PLC构建而成，其配有一个工 业以太网接口、两个ProfibusDP接口、八路模拟量输入通道、八路模拟量输出通道、十六路 开关量输入通道和十六路开关量输出通道；入口流量计和出口流量计通过模拟量输入通道 挂接到ProfibusDP总线，可编程逻辑控制系统通过模拟量输出通道发出阀位控制信号作 用于调节阀，调节阀的实际开度信号通过模拟量输入通道反馈给可编程逻辑控制系统；各 设备的状态通过开关量输入通道送入可编程逻辑控制系统；各设备的电源通过开关量输出 通道实现自动控制。[0012]本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本实用新型通过搭建由 远程计算机控制系统和可编程逻辑控制系统构成的二级微机控制系统，实现重浆和海水混 合比例的自动调节，获取所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，从而减小井底压力与地层 压力之间的偏差，有利于安全钻井和提高钻井效率。2、本实用新型在远程计算机控制系统 中设置井下环空压力分析模型，将随钻压力测量装置测量的井下环空压力与钻井设计用的 地层压力剖面进行比较，当井下环空压力超出安全范围时，启动模型计算满足要求的新的 钻井泥浆密度和流量，传给可编程逻辑控制系统，由其通过内置的钻井泥浆密度闭环控制 回路自动调节重浆和海水混合比例，配置所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，进行井底 压力平衡调节，控制效率和精度有明显提高，降低了井涌或井漏的风险。3、本实用新型在可 编程逻辑控制系统中设置由三个并联的流量闭环控制回路构成的钻井泥浆密度闭环控制 回路，将钻井泥浆密度控制转化为各输入流体流量的闭环控制，通过入口流量计和出口流 量计的实时监测，快速调整流量，调节精度高，进而实现良好的钻井泥浆密度控制效果，特 别是对高粘度非牛顿流体重浆、海水、处理剂的混合和密度控制具有良好的调节效果，达到 配置所需密度和流量的钻井泥浆的最终目的。本实用新型可以广泛用于海上钻井，进行井 下环空压力自动调节。
[0013]图1是本实用新型系统组成结构示意图；[0014]图2是本实用新型系统闭环控制回路示意图；[0015]图3是本实用新型系统中的重浆流量闭环控制回路示意图；[0016]图4是本实用新型系统中的海水流量闭环控制回路示意图；[0017]图5是本实用新型系统中的处理剂流量闭环控制回路不意图；[0018]图6是本实用新型系统中的钻井泥浆密度闭环控制回路示意图；[0019]图7是本实用新型系统实施例的组成结构示意图。
具体实施方式
[0020]
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。[0021]如图1、图2所示，本实用新型系统包括设置在海面上的重浆池1、海水池2和处理 剂池3，重浆池1、海水池2和处理剂池3中分别设置有一管线4，每一管线4的末端连接一 混合器5的输入端,混合器5的输出端通过一出流管线6连接海底井下的PWD (Pressure While Drilling，随钻压力测量系统)的短节7。每一管线4上设置有一动力泵41、一调节阀 42和一入口流量计43，出流管线6上设置有一出口流量计61。PWD上设置有MWD (Measure While Drilling，随钻测量装置)(图中未示出)，MWD通过脉冲信号传输测量数据给设置在 海面上的MWD的信号接收装置71，MWD的信号接收装置71通信连接一远程计算机控制系 统8 (上位机)，远程计算机控制系统8通过数据总线连接一录井系统9和一 PLC控制系统 10 (可编程逻辑控制系统，下位机)，PLC控制系统10通过数据总线连接管线4的三个调节 阀42和三个入口流量计43，以及混合器5和出口流量计61。其中[0022]PffD监测井下环空压力，将其测量值通过MWD和MWD的信号接收装置71实时传给 远程计算机控制系统8。[0023]录井系统9监测钻进井深等参数，将其测量值实时传给远程计算机控制系统8。[0024]远程计算机控制系统8中设置有井下环空压力分析模型I，该模型I根据录井系统 9采集的钻进井深数据、PWD采集的井下环空压力测量值，进行分析计算得出井下所需钻井 泥浆的密度期望值和流量期望值，并传给PLC控制系统10。[0025]三个入口流量计43分别监测流入混合器5的三种流体重浆、海水和处理剂的密 度和流量，将测量结果实时传给PLC控制系统10。[0026]出口流量计61监测从混合器5流出的钻井泥浆的密度和流量，将测量结果实时传 给PLC控制系统10。[0027]PLC控制系统10—方面接收三个入口流量计43和出口流量计61的测量数据，传 给远程计算机控制系统8 ;另一方面通过内置的三流体流量计算模型II，根据远程计算机 控制系统8提供的钻井泥浆的密度期望值和流量期望值，分解出每一管线4的流量期望值， 然后再根据每一流体的流量期望值与测量值的偏差，换算出相应的阀位控制信号，传给相 应的调节阀42，同时PLC控制系统10还根据出口流量计61采集的钻井泥浆密度测量值与 远程计算机控制系统8提供的钻井泥浆密度期望值的偏差，实时修正每一管线4的流量期 望值。[0028]三个调节阀42根据PLC控制系统10发出的阀位控制信号调整各自阀门开度，以 使三个管线4中的流量趋近于各自的期望值。[0029]混合器5将流入的重浆、海水和处理剂混合成钻井泥浆，通过出流管线6输出，经 过PWD泵送到井下环空。[0030]如图2 图6所示，上述控制系统的工作原理可以由一环空压力闭环控制回路和 一钻井泥浆密度闭环控制回路构成的串级控制系统表示，其中钻井泥浆密度闭环控制回路包括三个并联的流量闭环控制回路，即[0031]如图3所示的重浆流量闭环控制回路，图中Dl⑶表征其控制方程；[0032]如图4所示的海水流量闭环控制回路，图中D2⑶表征其控制方程；[0033]如图5所示的处理剂流量闭环控制回路，图中D3(S)表征其控制方程。[0034]本实用新型的控制方法包括以下步骤(如图1、图2所示)[0035]I)远程计算机控制系统根据录井系统采集的钻进井深数据选择相应的井下环空压力设计值，与PWD采集的井下环空压力测量值进行比较[0036]如果两者的偏差小于设定的安全压力阈值，则按照预先设计的钻井泥浆密度、流量曲线，调节井下钻井泥浆密度、流量；[0037]否则通过井下环空压力分析模型分析计算，得出安全钻进所需的钻井泥浆密度期望值和流量期望值，传给PLC控制系统。[0038]其中，井下环空压力分析模型是现有技术，分析计算得到钻井泥浆的密度期望值和流量期望值的过程如下[0039]海上钻井井下所需的钻井泥浆密度要使井下环空压力略大于地层压力而小于地层破裂压力，即要满足[0040]Pp ≤ P = P gh+Pfr+ P swghsw < Pf[0041 ] 上式中，Pp为给定的地层压力，单位Pa ；Pf为给定的地层破裂压力，单位Pa ；P为井下环空压力，单位Pa ； P为动态的钻井泥浆密度，也是本实用新型的调控目标，单位kg/m3 ； h为泥线距井底深度，单位m ；Pfr为环空摩阻,单位Pa ; P sw为海水密度,单位kg/m3 ；hsw为水深，单位m ;g为重力加速度。[0042](I)设置安全压力阈值Λ P，单位Pa，计算钻井泥浆密度初始值P。，单位kg/m3
权利要求1.一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统，其特征在于它包括重浆池、海水池、处理剂池、混合器、设置有随钻测量装置的随钻压力测量系统、设置在海面上的所述随钻测量装置的信号接收装置、设置有井下环空压力分析模型的远程计算机控制系统，录井系统和设置有三流体流量计算模型的可编程逻辑控制系统；所述重浆池、海水池和处理剂池中分别设置有一管线，每一所述管线上设置有一动力泵、一调节阀和一入口流量计，每一所述管线的末端连接所述混合器的输入端，所述混合器的输出端通过一出流管线连接所述井下随钻压力测量系统的短节，所述出流管线上设置有出口流量计；所述随钻压力测量系统的随钻测量装置的信号接收装置通信连接所述远程计算机控制系统，所述远程计算机控制系统通过数据总线连接所述录井系统和所述可编程逻辑控制系统；所述可编程逻辑控制系统接收各所述入口流量计和出口流量计采集的密度和流量测量值发送给所述远程计算机控制系统；所述远程计算机控制系统中的井下环空压力分析模型根据所述可编程逻辑控制系统接收的密度和流量测量值、所述录井系统采集的钻进井深数据和所述随钻压力测量系统采集的井下环空压力测量值，通过分析计算得出井下所需钻井泥浆的密度和流量期望值，传给所述可编程逻辑控制系统，经所述可编程逻辑控制系统中的三流体流量计算模型计算出每一所述管线中的流量期望值，并发出相应的阀位控制信号给所述管线的调节阀。
2.如权利要求1所述的一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统，其特征在于， 所述可编程逻辑控制系统中的三流体流量计算模型为
3.如权利要求1或2所述的一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统，其特征在于所述可编程逻辑控制系统采用西门子的S7-300系列PLC构建而成，其配有一个工业以太网接口、两个ProfibusDP接口、八路模拟量输入通道、八路模拟量输出通道、十六路开关量输入通道和十六路开关量输出通道；所述入口流量计和出口流量计通过所述模拟量输入通道挂接到ProfibusDP总线，所述可编程逻辑控制系统通过所述模拟量输出通道发出所述阀位控制信号作用于所述调节阀，所述调节阀的实际开度信号通过所述模拟量输入通道反馈给所述可编程逻辑控制系统；各所述设备的状态通过所述开关量输入通道送入所述可编程逻辑控制系统；各所述设备的电源通过所述开关量输出通道实现自动控制。
专利摘要本实用新型涉及一种深水表层钻井井下环空压力自动控制系统，它包括重浆池、海水池和处理剂池中的三个管线，每一管线连接混合器的输入端，混合器的输出端连接出流管线，出流管线连接海底井下PWD的短节。每一管线中设置动力泵、调节阀和入口流量计，出流管线中设置出口流量计。井下PWD连接MWD，MWD的信号接收装置通信连接远程计算机控制系统，远程计算机控制系统通过数据总线连接录井系统和PLC控制系统，PLC控制系统数据连接调节阀、入口流量计、混合器和出口流量计。本实用新型通过远程计算机控制系统和PLC控制系统构建二级微机控制系统实现重浆和海水混合比例自动调节，配置所需密度和流量的钻井泥浆输入井下，进行井底压力平衡调节，实现安全钻进。
文档编号E21B44/00GK202850970SQ20122043455
公开日2013年4月3日 申请日期2012年8月29日 优先权日2012年8月29日
发明者殷志明, 李嗣贵, 雷宗明, 胡文金, 李迅科, 朱荣东, 孔松涛, 汤毅, 田波, 罗洪斌, 艾传志, 田峥 申请人:中国海洋石油总公司, 中海油研究总院, 重庆科技学院