专利名称：钻井液plc自动控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及的是一种PLC自动控制系统及其控制方法，具体是一种钻井液PLC自 动控制系统及其控制方法。
二、背景技术
钻井液俗称泥浆，在钻井过程中起着多种非常重要的作用，如平衡井筒压力、携带 岩屑、冷却钻头、巩固井壁和保护油气层等。以往的配液主要是靠人工测量钻井液的参数， 按照所需技术参数添加各种用料，使所需液体达到技术指标，满足钻井施工。因此，需投入 大量的技术人员和工作人员，每个环节都必须有专人盯岗，操作和管理都极为不便。目前， 专利号200510102405. 7提供了一种钻井液配方智能设计器，可根据钻井作业队提出的钻 井液性能要求，设计出相应的钻井液配方，配方包括所需的化学药品和相应的含量，可为钻 井液配方设计人员提供辅助性信息，降低设计成本。但是，根据钻井液配方智能设计器设计 出的配方制备钻井液时，还是需要人工给料，无法实现整个系统的自动化。PLC即可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)，是一种取代传统继 电器控制装置专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。PLC采用可以 编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等 操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入或输出，控制各种类型的机械和生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等优 点。目前PLC在国内外已广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交 通运输、环保及文化娱乐等各个行业，但还未见应用PLC控制系统自动配制钻井液的报道。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题提供一种钻井液PLC自动控制系统及其控制方法， 可解决钻井液的人工配制问题，完全实现自动化。本发明通过以下技术方案来实现钻井液PLC自动控制系统与钻井泵和固控设备 配合使用，该系统是由中央处理器、A/D转换器、D/A转换器、液晶显示屏组成的中央处理单 元，以及与其相连的电磁流量计、泥浆流量计、智能泥浆液位测量器、钻井液密度测试仪、钻 井液粘度测量仪、搅拌机、粘土进料口、膨润土进料口、加重材料进料口、降滤失剂进料口、 增粘剂进料口、进水口、进口泵、出口泵构成；其中，与混浆池相连的智能泥浆液位测量器、 钻井液密度测试仪、钻井液粘度测量仪与PLC的输入端连接；电磁流量计和进口泵连接后 与PLC的输入端连接；泥浆流量计和出口泵连接后与PLC的输入端连接；粘土进料口、膨润 土进料口、加重材料进料口、降滤失剂进料口、增粘剂进料口、进水口均通过电动调节阀和 PLC的输出端连接后开口于混浆池；进口泵、搅拌机、出口泵均通过电磁继电器和PLC的输 出端连接。应用PLC系统自动配制钻井液的控制方法是中央处理器发出指令经过D/A转换 器转换成模拟量以后，通过电动调节阀控制进水口、粘土进料口、膨润土进料口、加重材料进料口、降滤失剂进料口、增粘剂进料口的工作，同时，中央处理器通过电磁继电器控制进 口泵、搅拌机、出口泵的开关状态；电磁流量计、泥浆流量计、智能泥浆液位测量器、钻井液 密度测试仪、钻井液粘度测量仪将采集到的数据经过A/D转换器转换成数字量后进入中央 处理器，经过中央处理器运算后得出的数据显示在液晶显示屏上；所述的各种元件通过流 量信号、液位信号、密度信号、粘度信号与设备的开关信号相连，并由组态软件操控；所述的 电磁流量计、泥浆流量计、智能泥浆液位测量器、钻井液密度测试仪、钻井液粘度测量仪传 输到PLC控制系统的流量信号、液位信号、密度信号、粘度信号以4-20mA的电流信号传输； 所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出控制粘土进料口、膨润土进料口、加重材料 进料口、降滤失剂进料口、增粘剂进料口、进水口、进口泵、出口泵、搅拌机的工作。 采用上述技术方案的积极效果本发明将PLC与配制钻井液的各种仪器相连，通 过PLC控制粘土进料口、膨润土进料口、加重材料进料口、降滤失剂进料口、增粘剂进料口、 进水口、搅拌机、进口泵、出口泵的工作，同时电磁流量计、泥浆流量计、智能泥浆液位测量 器、钻井液密度测试仪、钻井液粘度测量仪将采集到的数据及时反馈给PLC，解决了钻井施 工现场的人工配液问题，真正实现了自动给料、自动补液、实时监测技术参数，提高了钻井 施工的成功率，避免由于钻井液不达标造成工程质量事故，可减少现场配液所需的人力物 力，降低生产成本。
四
图1是本发明中PLC自动控制系统工作框图；图2是本发明中自动控制系统结构示意图；图3是本发明的工艺流程框图。图中1进水口，2进口泵，3粘土进料口，4膨润土进料口，5加重材料进料口，6降 滤失剂进料口，7增粘剂进料口，8出口泵，9搅拌机，10电磁流量计，11泥浆流量计，12智能 泥浆液位测量器，13钻井液密度测试仪，14钻井液粘度测量仪，15混浆池，16中央处理器， 17A/D转换器，18D/A转换器，19液晶显示屏，20钻井泵，21固控设备，22a、22b、22c、22d、 22e、22f电动调节阀，23a、23b、23c电磁继电器。五具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明图1是本发明中PLC自动控制系统工作框图，图2是本发明中自动控制系统结构 示意图，图中的虚线部分表示钻井循环，结合图1、图2所示，钻井液PLC自动控制系统，与 钻井泵20和固控设备21配合使用，该系统是由中央处理器16、A/D转换器17、D/A转换器 18、液晶显示屏19组成的中央处理单元，以及与其相连的电磁流量计10、泥浆流量计11、智 能泥浆液位测量器12、钻井液密度测试仪13、钻井液粘度测量仪14、搅拌机9、粘土进料口 3、膨润土进料口 4、加重材料进料口 5、降滤失剂进料口 6、增粘剂进料口 7、进水口 1、进口泵 2、出口泵8构成。其中，中央处理器优选CPU224中央处理器，数字量模块优选SM321数字 量输入模块和SM322数字量输出模块，模拟量模块优选EM231模拟量输入模块和EM232模 拟量输出模块。与混浆池15相连的智能泥浆液位测量器12、钻井液密度测试仪13、钻井液 粘度测量仪14与PLC的输入端连接；电磁流量计10和进口泵2连接后与PLC的输入端连 接；泥浆流量计11和出口泵8连接后与PLC的输入端连接；进水口 1、粘土进料口 3、膨润土 进料口 4、加重材料进料口 5、降滤失剂进料口 6、增粘剂进料口 7均通过电动调节阀22a、电动调节阀22b、电动调节阀22c、电动调节阀22d、电动调节阀22e、电动调节阀22f和PLC的 输出端连接后开口于混浆池15 ；进口泵2、搅拌机9、出口泵8均通过电磁继电器23a、电磁 继电器23b、电磁继电器23c和PLC的输出端连接。以上的CPU224中央处理器、SM321数字 量输入模块、SM322数字量输出模块、EM231模拟量输入模块、EM232模拟量输出模块、电磁 流量计10、泥浆流量计11、智能泥浆液位测量器12、钻井液密度测试仪13、钻井液粘度测量 仪14在市面上均有销售。加重材料可以是API级重晶石粉，降滤失剂可以是聚合淀粉，增 粘剂可以是黄原胶、高分子纤维素、高粘度聚阴离子纤维素等生物聚合物中的任意一种。图3是本发明的工艺流程框图，图中的虚线部分表示钻井循环，如图所示，应用 PLC系统自动配制钻井液的控制方法是首先将粘土进料口 3、膨润土进料口 4、加重材料进 料口 5、降滤失剂进料口 6、增粘剂进料口 7的料斗加满所需用料，然后运行PLC控制系统， 中央处理器16发出的指令经过 D/A转换器18转换成模拟量输出，分别给定进水口 1、粘土 进料口 3、膨润土进料口 4、加重材料进料口 5、降滤失剂进料口 6、增粘剂进料口 7的工作电 流，进水口 1、粘土进料口 3、膨润土进料口 4、加重材料进料口 5、降滤失剂进料口 6、增粘剂 进料口 7上的电动调节阀22a、电动调节阀22b、电动调节阀22c、电动调节阀22d、电动调节 阀22e、电动调节阀22f接收电流后，通过调节电动调节阀22a、电动调节阀22b、电动调节 阀22c、电动调节阀22d、电动调节阀22e、电动调节阀22f的开度来控制进水口 1、粘土进料 口 3、膨润土进料口 4、加重材料进料口 5、降滤失剂进料口 6、增粘剂进料口 7的进料流量； 同时，中央处理器16通过电磁继电器23b开启搅拌机9进行搅拌混浆。电磁流量计10、泥 浆流量计11、智能泥浆液位测量器12、钻井液密度测试仪13、钻井液粘度测量仪14将采集 到的流量信号、液位信号、密度信号、粘度信号输入到A/D转换器17，经过A/D转换器17转 换成数字量进入PLC的中央处理器16，经过运算后得出的数据显示在液晶显示屏19上。技 术参数合格后，PLC控制系统通过电磁继电器23c打开出口泵8，钻井液经钻井泵20加压 后进入钻井循环，从井内循环出来的钻井液，进入固控设备21除砂、除泥后，再进入混浆池 15，经过智能泥浆液位测量器12、钻井液密度测试仪13、钻井液粘度测量仪14的技术参数 校正，重新循环。方案中所涉及的电磁流量计10、泥浆流量计11、智能泥浆液位测量器12、钻井液 密度测试仪13、钻井液粘度测量仪14是通过流量信号、液位信号、密度信号、粘度信号与设 备的开关信号相连，并由组态软件操控，组态软件为市场上已开发的成熟软件。其中的电磁 流量计10、泥浆流量计11、智能泥浆液位测量器12、钻井液密度测试仪13、钻井液粘度测量 仪14传输到PLC控制系统的流量信号、液位信号、密度信号、粘度信号以4-20mA的电流信 号传输。PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出，控制粘土进料口 3、膨润土进料口 4、加 重材料进料口 5、降滤失剂进料口 6、增粘剂进料口 7、进水口 1、进口泵2、出口泵8、搅拌机 9的工作。所述的电磁流量计10传输到PLC控制系统的流量信号以4_20mA的电流信号传 输，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-240m3/h的流量值；所述的泥浆流量计 11传输到PLC控制系统的流量信号以4-20mA的电流信号传输，其中，4_20mA的电流信号 等比例由低到高对应0-180m3/h的流量值；所述的智能泥浆液位测量器12传输到PLC控制 系统的液位信号以4-20mA的电流信号传输，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应 0-1. 5m的液位值；所述的钻井液密度测试仪13传输到PLC控制系统的密度信号以4_20mA的电流信号传输，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-2. 2X103kg/m3的密度 值；所述的钻井液粘度测量仪14传输到PLC控制系统的粘度信号以4-20mA的电流信号传 输，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-150MPa · s的粘度值；所述的PLC控制 系统以4-20mA的电流信号输出控制粘土进料口 3的工作，其中，4_20mA的电流信号等比例 由低到高对应0-120m3/h的粘土用量；所述的PLC控制系统以4_20mA的电流信号输出控制 膨润土进料口 4的工作，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-180m3/h的膨润土 用量；所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出控制加重材料进料口 5的工作，其中， 4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-30m3/h的加重材料用量；所述的PLC控制系统以 4-20mA的电流信号输出控制降滤失剂进料口 6的工作，其中，4_20mA的电流信号等比例由 低到高对应0-60m3/h的降滤失剂用量；所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出控 制增粘剂进料口 7的工作，其中，4-20mA的电流信号等比例由低到高对应0-60m3/h的增粘 剂用量；所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出控制进水口 1的工作，其中，4_20mA 的电流信号等比例由低到高对应0-150m3/h的水量；所述的搅拌机9转速恒定为llOrpm， PLC控制系统通过电磁继电器23b控制搅拌机9的开关状态。钻井液是由水、膨润土、粘土、加重材料、降滤失剂、增粘剂组成的混合物，其中， 膨 润土的用量为水用量的1/13，粘土用量占钻井液总体积的0. 5-1.0%，降滤失剂用量占钻 井液总体积的0. 5-1. 0%，增粘剂用量占钻井液总体积的0. 5-1. 0%，所需加重材料的体积
ν, (ρ, - ρΛ
的计算公式为ν2 = '、"3
Pi -Px其中，V2为所需加重材料的体积；Vl为加重前的泥浆体积；P ！为加重前的泥浆比 重；P 2为加重材料的比重；P 3为加重后的泥浆比重。设计配制粘度为70MPa · S、密度为1. 2X 103kg/m3的钻井液，具体操作如下先将 粘土进料口 3的料斗加满粘土，膨润土进料口 4的料斗加满膨润土，加重材料进料口 5的料 斗加满API级重晶石粉，降滤失剂进料口 6的料斗加满聚合淀粉，增粘剂进料口 7的料斗加 满黄原胶，然后接通电源，启动电脑，运行组态软件，输入钻井液的期望性能指标，即粘度为 70MPa · s、密度为1. 2X103kg/m3，点击自动配液按钮，首先打开的是进水口 1和膨润土进料 口 4，同时开启进口泵2供水，开启搅拌机9进行搅拌，通过控制电动调节阀22a调节进水口 1的流量为90m3/h，控制电动调节阀22c调节膨润土进料口 4的流量为7m3/h，使膨润土和 水按照1 13的体积比添加，添加后泥浆比重为1.05X 103kg/m3，然后粘土进料口 3、加重 材料进料口 5、降滤失剂进料口 6、增粘剂进料口 7开始进料，通过电动调节阀22b、电动调节 阀22d、电动调节阀22e、电动调节阀22f调节各进料口的流量，粘土进料口 3的流量调节为 0. 6m3/h，加重材料进料口 5流量调节为4. 5m3/h，降滤失剂进料口 6流量调节为0. 7m3/h，增 粘剂进料口 7的流量调节为0. 6m3/h。同时，观察智能泥浆液位测量器12、钻井液密度测试 仪13、钻井液粘度测量仪14反馈的技术参数，当钻井液的密度反馈小于1. 2XlOWm3时， 通过控制加重材料进料口 5上的电动调节阀22d的开度，加大加重材料进料口 5的流量，当 钻井液的密度反馈等于1. 2 XlOWm3时，停止加入API级重晶石粉；当钻井液的粘度反馈 小于70MPa · s时，可增大增粘剂进料口 7的流量，当钻井液的粘度反馈大于70MPa · s时， 可加大进水口1的进水量以降低钻井液的粘度。刚开始混料的时候，混浆池15为空，因此液位反馈高于0. 6m的时候，并且钻井液的密度和粘度都达到预期目标时，再打开出口泵8，并且要保证混浆池15不能溢出；当液位 反馈高于0. 8m时，关闭所有进料口以及进水口 1，停止加料；等到液位反馈下降到0. 8m以 下的时候，再重新开启进料口以及进水口 1的电动调节阀。
系统成功配制泥浆后，经出口泵8进入钻井泵20加压后，进入钻井循环，从井内循 环出来的钻井液，进入固控设备21除砂、除泥后，再进入混浆池15，钻井液的各种技术参数 经过循环后发生了变化，经过智能泥浆液位测量器12、钻井液密度测试仪13、钻井液粘度 测量仪14的技术参数校正，重新循环。
权利要求
一种钻井液PLC自动控制系统，与钻井泵(20)和固控设备(21)配合使用，其特征在于该系统是由中央处理器(16)、A/D转换器(17)、D/A转换器(18)、液晶显示屏(19)组成的中央处理单元，以及与其相连的电磁流量计(10)、泥浆流量计(11)、智能泥浆液位测量器(12)、钻井液密度测试仪(13)、钻井液粘度测量仪(14)、搅拌机(9)、粘土进料口(3)、膨润土进料口(4)、加重材料进料口(5)、降滤失剂进料口(6)、增粘剂进料口(7)、进水口(1)、进口泵(2)、出口泵(8)构成；其中，与混浆池(15)相连的智能泥浆液位测量器(12)、钻井液密度测试仪(13)、钻井液粘度测量仪(14)与PLC的输入端连接；电磁流量计(10)和进口泵(2)连接后与PLC的输入端连接；泥浆流量计(11)和出口泵(8)连接后与PLC的输入端连接；进水口(1)、粘土进料口(3)、膨润土进料口(4)、加重材料进料口(5)、降滤失剂进料口(6)、增粘剂进料口(7)均通过电动调节阀(22a、22b、22c、22d、22e、22f)和PLC的输出端连接后开口于混浆池(15)；进口泵(2)、搅拌机(9)、出口泵(8)均通过电磁继电器(23a、23b、23c)和PLC的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的钻井液PLC自动控制系统，其特征在于所述的中央处理器 采用CPU224中央处理器；所述的数字量模块采用SM321数字量输入模块和SM322数字量输 出模块；所述的模拟量模块采用EM231模拟量输入模块和EM232模拟量输出模块。
3.一种应用PLC系统自动配制钻井液的控制方法，其特征在于中央处理器(16)发 出指令经过D/A转换器(18)转换成模拟量以后，通过电动调节阀(22a、22b、22C、22d、22e、 22f)控制进水口(1)、粘土进料口(3)、膨润土进料口(4)、加重材料进料口(5)、降滤失剂 进料口(6)、增粘剂进料口(7)的工作，同时，中央处理器(16)通过电磁继电器(23a、23b、 23c)控制进口泵(2)、搅拌机(9)、出口泵(8)的开关状态；电磁流量计(10)、泥浆流量计 (11)、智能泥浆液位测量器(12)、钻井液密度测试仪(13)、钻井液粘度测量仪(14)将采 集到的数据经过A/D转换器(17)转换成数字量后进入中央处理器(16)，经过中央处理器 (16)运算后得出的数据显示在液晶显示屏(19)上；所述的各种元件通过流量信号、液位 信号、密度信号、粘度信号与设备的开关信号相连，并由组态软件操控；所述的电磁流量计 (10)、泥浆流量计(11)、智能泥浆液位测量器(12)、钻井液密度测试仪(13)、钻井液粘度测 量仪(14)传输到PLC控制系统的流量信号、液位信号、密度信号、粘度信号以4-20mA的电 流信号传输；所述的PLC控制系统以4-20mA的电流信号输出控制粘土进料口(3)、膨润土 进料口(4)、加重材料进料口(5)、降滤失剂进料口(6)、增粘剂进料口(7)、进水口(1)、进口 泵(2)、出口泵(8)、搅拌机(9)的工作。
4.根据权利要求3所述的应用PLC系统自动配制钻井液的控制方法，其特征在于所 述的加重材料为API级重晶石粉。
5.根据权利要求3所述的应用PLC系统自动配制钻井液的控制方法，其特征在于所 述的降滤失剂为聚合淀粉。
6.根据权利要求3所述的应用PLC系统自动配制钻井液的控制方法，其特征在于所 述的增粘剂为生物聚合物，如黄原胶、高分子纤维素、高粘度聚阴离子纤维素中的任意一 种。
全文摘要
本发明公开了一种钻井液PLC自动控制系统及其控制方法，与钻井泵和固控设备配合使用，该系统是由中央处理器、A/D转换器、D/A转换器、液晶显示屏、电磁流量计、泥浆流量计、智能泥浆液位测量器、钻井液密度测试仪、钻井液粘度测量仪、搅拌机、粘土进料口、膨润土进料口、加重材料进料口、降滤失剂进料口、增粘剂进料口、进水口、进口泵、出口泵构成。其控制方法是中央处理器发出指令控制进水口和五个进料口、进口泵、搅拌机、出口泵的工作；电磁流量计、泥浆流量计、智能泥浆液位测量器、钻井液密度测试仪、钻井液粘度测量仪将采集到的数据输入PLC，经过PLC运算后得出的数据显示在液晶显示屏上。该方法可减少现场配液所需的人力物力，降低生产成本。
文档编号G05B19/05GK101871329SQ201010192919
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月3日 优先权日2010年6月3日
发明者张亚胜 申请人:大庆油田井泰石油工程技术股份有限公司