本发明涉及石油工程固井技术领域，特别涉及一种固井环空压力的自动控制系统和方法。
背景技术：
在油气井固井中，注水泥结束后，为了阻止储层流体(油、气、水等)侵入环空，影响水泥环胶结质量，往往在井口环空施加一定的压力，补偿水泥浆在水化凝固过程中形成的压力降。
实际生产中，注水泥结束后，先关闭环空，然后用水泥车通过压井管汇向环空打压，当压力值到达预设值后，关闭压井管汇阀门，拆卸水泥车。然而，由于地层温度高，顶替到环空中的水泥浆被加热升温，同时由于水泥浆物化反应过程中放热，处于环空中的水泥浆进一步升温，导致环空中的压力在不断升高。当环空压力和环空液柱压力超过地层漏失压力时，井下可能会发生漏失，导致固井失败。现场生产中，固井工程师往往交待钻井工程师坐岗观察，当环空压力超过一定值，通过开启压井管汇上的液动平板阀把环空压力泄到一定值。
在实现本发明的过程中，本发明人发现现有技术中至少存在以下问题：由于手动操作压井管汇上的液动平板阀开启度，会导致环空压力波动太大，进而影响环空水泥环的胶结质量，降低油气井固井施工成功率。
技术实现要素：
为了解决上述的技术问题，本发明提供一种能够提高油气井固井质量的固井环空压力的自动控制系统和方法。
具体而言，包括以下的技术方案：
一种固井环空压力的自动控制系统，所述自动控制系统用于通过井控管汇控制油井环空的环空压力，所述井控管汇包括压井管汇、节流管汇和用于测量所述环空压力的压力表，所述自动控制系统包括：
设置在所述压井管汇上的压力补偿泵；
设置在所述节流管汇上的液动节流阀；以及
设置在所述压力表上的压力传感器；
并且所述压力传感器、所述压力补偿泵和所述液动节流阀分别与数据收集控制中心电连接，所述数据收集控制中心通过比较所述压力传感器传输的环空压力的值pi与环空压力的预设值pt，自动控制所述压力补偿泵和所述液动节流阀的开启和关闭。
优选地，所述环空压力的预设值pt的计算公式为：
pt＝(ρ完-ρ隔)·0.00981·h隔+(ρ完-ρ失重)·0.00981·h封，其中，
ρ完—完井液的密度，g/cm3；
ρ隔—隔离液的密度，g/cm3；
ρ失重—失重水泥浆的密度，g/cm3，可取值为地表连续盐水的密度；
h隔—隔离液的垂直深度，m；
h封—水泥封固段的垂直深度，m；
且最大环空压力预设值ptmax的计算公式为：
ptmax＝p破-ρ液·0.00981·h套，其中，
p破—套管底部的破裂压力，mpa；
ρ液—套管底部至井口液体的密度，g/cm3；
h套—套管的垂直深度，m。
优选地，所述压力补偿泵为电驱动柱塞泵。
优选地，所述压力传感器为压阻式压力传感器。
优选地，所述液动节流阀为针阀。
优选地，所述数据收集控制中心包括压力控制软件。
一种固井环空压力的自动控制方法，所述自动控制方法包括：
在水泥浆顶替前，在所述井控管汇上加装所述自动控制系统；并通过所述数据收集控制中心设定所述环空压力的预设值pt，且所述环空压力的预设值pt不大于最大环空压力预设值ptmax；
在水泥浆顶替到位后，关闭所述油井环空，启动所述自动控制系统，所述压力传感器实时地将所述压力表测量的所述环空压力的值pi传递给所述数据收集控制中心，所述数据收集控制中心将所述环空压力的值pi与所述环空压力的预设值pt比较：
当pi＜pt时，所述数据收集控制中心向所述压力补偿泵发送打开指令，使所述压力补偿泵启动；当pi＝pt时，所述压力补偿泵停止工作；
当pi＞pt时，所述数据收集控制中心向所述液动节流阀发送打开指令，使所述液动节流阀打开；当pi＝pt时，所述液动节流阀关闭。
进一步地，在所述自动控制系统中预设有环空压力补偿方案，所述环空压力补偿方案为：根据计算得到的所述环空压力的预设值pt，通过所述压力补偿泵在每个时间段里逐步向所述固井环空中施加一定压力，使得所述每个时间段的环空压力预设值pt-hr不断增加，直至累计施加的压力达到所述环空压力的预设值pt；且在所述每个时间段里，所述自动控制系统维持pi＝pt-hr。
优选地，所述环空压力补偿方案为：每两个小时向所述固井环空中施加2mpa。
本发明实施例提供的技术方案的有益效果：提供了一种固井环空压力的自动控制系统和方法。具体地，在压井管汇上加装压力补偿泵、压力传感器，在节流管汇上连接液动节流阀，压力补偿泵、压力传感器和液动节流阀分别与数据收集控制中心连接，数据收集控制中心根据压力传感器实时传输的环空压力，自动控制压力补偿泵和液动节流阀的开启或关闭。即当顶替到环空中的水泥浆水化凝固过程中形成压力降时，通过压力补偿泵增加压力补偿的压力降；当因地层热传导、水泥浆物化过程中放热，环空中的水泥浆被加热，导致环空中的压力不断升高时，通过自动液动节流阀泄压到预设值，从而始终保持环空压力可控、平稳。本发明实施例提供的固井环空压力的自动控制系统和方法是一项通过压力补偿泵的增压、自动液动节流阀泄压，实现环空压力自动调节的技术，不仅能提高油气井固井水泥胶结质量，防止固井工程失败，还能够节省固井候凝过程中水泥车的租赁费用，不需要井队干部坐岗值守，具有显著的综合效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种固井环空压力的自动控制系统的结构示意图。
图中的附图标记分别表示：
1、压井管汇；
2、节流管汇；
3、压力表；
4、压力补偿泵；
5、压力传感器；
6、液动节流阀；
7、数据收集控制中心。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。除非另有定义，本发明实施例所用的所有技术术语均具有与本领域技术人员通常理解的相同的含义。
本发明实施例提供一种固井环空压力的自动控制系统，该自动控制系统用于通过井控管汇控制油井环空的环空压力，该井控管汇包括压井管汇1、节流管汇2和用于测量所述环空压力的压力表3，该自动控制系统包括：
设置在压井管汇1上的压力补偿泵4；
设置在节流管汇2上的液动节流阀6；以及
设置在压力表3上的压力传感器5；
并且压力传感器5、压力补偿泵4和液动节流阀6分别与数据收集控制中心7电连接，数据收集控制中心7通过比较压力传感器5传输的环空压力的值pi与环空压力的预设值pt，自动控制压力补偿泵4和液动节流阀6的开启和关闭。
需要说明的是，所述环空压力的预设值pt不大于最大环空压力预设值ptmax，当pt＞ptmax时，环空压力的预设值pt取值为ptmax的值。
其中，环空压力的预设值pt的计算公式为：
pt＝(ρ完-ρ隔)·0.00981·h隔+(ρ完-ρ失重)·0.00981·h封，其中，
ρ完—完井液的密度，g/cm3；
ρ隔—隔离液的密度，g/cm3；
ρ失重—失重水泥浆的密度，g/cm3，可取值为地表连续盐水的密度；
h隔—隔离液的垂直深度，m；
h封—水泥封固段的垂直深度，m；
最大环空压力预设值ptmax的计算公式为：
ptmax＝p破-ρ液·0.00981·h套，其中，
p破—套管底部的破裂压力，mpa；
ρ液—套管底部至井口液体的密度，g/cm3；
h套—套管的垂直深度，m。
在水泥浆顶替前，在井控管汇上加装该自动控制系统，并通过数据收集控制中心7设定环空压力的预设值pt。本发明实施例提供的固井环空压力的自动控制系统的工作原理为：在水泥浆顶替到位后，关闭油井环空，启动该自动控制系统，压力传感器5实时地将压力表3测量的环空压力的值pi传递给数据收集控制中心7，数据收集控制中心7将环空压力的值pi与环空压力的预设值pt比较：
当pi＜pt时，数据收集控制中心7向压力补偿泵4发送打开指令，使压力补偿泵4启动；当pi＝pt时，压力补偿泵4停止工作；
当pi＞pt时，数据收集控制中心7向液动节流阀6发送打开指令，使液动节流阀6打开，当pi＝pt时，液动节流阀6关闭。
也就是说，当顶替到环空中的水泥浆水化凝固过程中形成压力降时，通过压力补偿泵增加压力补偿的压力降；当因地层热传导、水泥浆物化过程中放热，环空中的水泥浆被加热，导致环空中的压力不断升高时，通过自动液动节流阀泄压到预设值，从而始终保持环空压力可控、平稳。本发明实施例提供的固井环空压力的自动控制系统是一项通过压力补偿泵的增压、自动液动节流阀泄压，实现环空压力自动调节的技术，该系统不仅能提高油气井固井水泥胶结质量，防止固井工程失败，还能够节省固井候凝过程中水泥车的租赁费用，不需要井队干部坐岗值守，具有显著的综合效益。
在上述的固井环空压力的自动控制系统中，对压力补偿泵4、压力传感器5和液动节流阀6的类型均没有严格限定，能够实现上述功能即可。例如，压力补偿泵4可为柱塞泵，可以是柴油机驱动泵或电驱动泵，根据上述压力控制要求，优选地，可选用电驱动柱塞泵；压力传感器5为测量环空压力的传感器，可以是电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等，优选为压阻式压力传感器；液动节流阀6为通过改变节流截面或节流长度以控制流体流量的阀门，可以是笼套阀、针阀及平板阀，优选为针阀。
在上述的固井环空压力的自动控制系统中，数据收集控制中心7为采集环空压力数据与传递开关指令的plc(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)控制系统，包括压力控制软件、数据传输线等。
本发明实施例还提供一种固井环空压力的自动控制方法，该自动控制方法包括：在水泥浆顶替前，在井控管汇上加装该自动控制系统；并通过数据收集控制中心7的压力控制软件设定环空压力的预设值pt，且环空压力的预设值pt不大于最大环空压力预设值ptmax；
在水泥浆顶替到位后，冲洗井口残余水泥浆，关闭油井环空，启动该自动控制系统，压力传感器5实时地将压力表3测量的环空压力的值pi传递给数据收集控制中心7，数据收集控制中心7将环空压力的值pi与环空压力的预设值pt比较：
当pi＜pt时，数据收集控制中心7向压力补偿泵4发送打开指令，使压力补偿泵4启动；当pi＝pt时，压力补偿泵4停止工作；
当pi＞pt时，数据收集控制中心7向液动节流阀6发送打开指令，使液动节流阀6打开；当pi＝pt时，液动节流阀6关闭。
其中，环空压力的预设值pt和最大环空压力预设值ptmax的计算方法如上所述。
在上述的固井环空压力的自动控制方法中，为了防止环空压力波动较大，影响水泥环的胶结质量，可在所述自动控制系统中的数据收集控制中心7内预设有环空压力补偿方案，例如，可通过数据收集控制中心7的压力控制软件设定环空压力补偿方案为逐步增加的方式，具体为：通过压力补偿泵4在每个时间段里逐步向固井环空中施加一定压力，使得每个时间段的环空压力预设值pt-hr不断增加，直至累计施加的压力达到环空压力的预设值pt，例如，可设置为每两个小时向固井环空中施加2mpa，即每隔两个小时的时间段，pt-hr等于2mpa，4mpa，6mpa……pt，且在所述每个时间段里，所述自动控制系统可维持pi＝pt-hr，即在每个时间段里：
当pi＜pt-hr时，数据收集控制中心7向压力补偿泵4发送打开指令，使压力补偿泵4启动；当pi＝pt-hr时，压力补偿泵4停止工作；
当pi＞pt-hr时，数据收集控制中心7向液动节流阀6发送打开指令，使液动节流阀6打开，当pi＝pt-hr时，液动节流阀6关闭。
也就是说，当顶替到环空中的水泥浆水化凝固过程中形成压力降时，通过压力补偿泵增加压力补偿的压力降；当因地层热传导、水泥浆物化过程中放热，环空中的水泥浆被加热，导致环空中的压力不断升高时，通过自动液动节流阀泄压到预设值，从而始终保持环空压力可控、平稳。本发明实施例提供的固井环空压力的自动控制方法是一项通过压力补偿泵的增压、自动液动节流阀泄压，实现环空压力自动调节的技术，该系统不仅能提高油气井固井水泥胶结质量，防止固井工程失败，还能够节省固井候凝过程中水泥车的租赁费用，不需要井队干部坐岗值守，具有显著的综合效益。
以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。