肖勁超，李黔，尹虎

（西南石油大學石油工程學院，成都 610500）①

在復雜環(huán)境中鉆井時，需要面對巨額的勘探費用以及各種復雜的鉆井問題。例如，在一些窄密度的地層進行施工時，極易出現(xiàn)井涌、井漏等問題，增加了非生產(chǎn)時間，導致勘探費用大幅提高［1］。正是意識到這點，國外發(fā)展了一種新的鉆井技術(shù)——微流量控壓鉆井技術(shù)。該技術(shù)能夠有效提高鉆井效率和鉆井安全性，同時為不同情況的井帶來巨大的利益，例如：高溫高壓井、孔隙壓力未知的探井、窄密度窗口的井、孔隙壓力頻繁變化的區(qū)塊、含H2S的井眼、頻繁出現(xiàn)井控事故的區(qū)塊等［2］。

1 微流量控壓鉆井工藝原理

微流量控制技術(shù)是基于監(jiān)測鉆井液的進口流量與返出流量，實現(xiàn)監(jiān)測鉆井液總流量的微小波動范圍。探測到微小的流失與侵入后，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥來調(diào)整返回流量，最終使得井底壓力平衡地層壓力。

在鉆井液的整個循環(huán)過程中，井口一直處于密閉狀態(tài)。為了在發(fā)現(xiàn)微溢流或微漏失后能夠立即控制整個井筒，要求在理想的情況下環(huán)空內(nèi)的介質(zhì)盡量為不可壓縮的流體［3－8］。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

基于現(xiàn)有微流量控壓鉆井技術(shù)，設(shè)計了一套微流量控壓鉆井系統(tǒng)［9］，如圖1所示。該系統(tǒng)主要由微流量數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)、微流量控制系統(tǒng)及微流量回壓補償系統(tǒng)3部分組成［10］，能實時采集、監(jiān)測現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)，并傳入工控機。工控機經(jīng)過計算分析后，向微流量控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令，自動調(diào)節(jié)微流量節(jié)流管匯系統(tǒng)中的節(jié)流閥，達到控制井底壓力的目的。

圖1 微流量控壓鉆井系統(tǒng)框圖

2.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)由微流量控壓鉆井監(jiān)測硬件系統(tǒng)和監(jiān)測軟件系統(tǒng)組成，如圖2所示，并基于SQL Server2008數(shù)據(jù)庫管理軟件設(shè)計施工監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，用于存放管理施工監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖2 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)框圖

在微流量控壓鉆井地面監(jiān)測硬件系統(tǒng)中，監(jiān)測系統(tǒng)硬件物理架構(gòu)按照3層結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別是現(xiàn)場施工流程參數(shù)監(jiān)測層、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與傳輸層、計算機中心控制層。如圖3所示。

各類監(jiān)測傳感器負責監(jiān)測微流量控壓鉆井施工壓力、流量、溫度、硫化氫濃度、鉆井液密度和返出泥漿電導率等施工參數(shù)。傳感器監(jiān)測到的施工參數(shù)采用總線傳輸方式進行傳輸，同時使用現(xiàn)場工控機對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行集中儲存管理與分析顯示，建立監(jiān)測傳感器與監(jiān)測軟件系統(tǒng)之間的連接。通過監(jiān)測節(jié)流閥前后壓力，泥漿泵入流量與泥漿返出流量，判斷在鉆井過程中是否發(fā)生溢流或漏失情況，同時工控機根據(jù)采集的現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)結(jié)合水力學計算軟件計算出井口需要向井底補償?shù)幕貕褐导伴y門開度并向微流量控制系統(tǒng)發(fā)出控制指令。

微流量控壓鉆井監(jiān)測軟件采用的是組態(tài)軟件，主要是用于微流量控壓鉆井的數(shù)據(jù)采集與過程控制，包含數(shù)據(jù)采集功能、錄井數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)連接顯示、實時數(shù)據(jù)儲存、施工工藝流程仿真與實時監(jiān)測功能，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行曲線繪制功能，對儲存在數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)使用歷史數(shù)據(jù)曲線的方式和使用數(shù)據(jù)報表的方式進行查詢顯示。

圖3 監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是微流量控壓鉆井系統(tǒng)的核心，其子系統(tǒng)包括硬件和軟件，硬件設(shè)備采用S7－300PLC、智能液壓系統(tǒng)等。水力學計算系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間要保持雙向?qū)崟r交流，從而確保水力學參數(shù)和井底壓力、地面鉆井工程參數(shù)的匹配。主要工作原理是：

1）微流量控制系統(tǒng)在進行壓力控制過程中，接收人機交互界面人為給定一些需要的關(guān)鍵值，如井底壓力、回壓以及其他相關(guān)參數(shù)?？刂葡到y(tǒng)再根據(jù)這些參數(shù)來綜合控制井底壓力，從而使井底壓力始終保持在安全窗口內(nèi)。實際上就是利用PLC 接受外部傳感器信號，再通過預先制定好的程序進行計算，最終輸出計算結(jié)果，這些結(jié)果再送給節(jié)流閥等設(shè)備，以達到迅速控制壓力的目的。

2）為能實現(xiàn)計算機操作控制液動節(jié)流閥的開度大小，液壓系統(tǒng)中選用了電液比例閥，該閥根據(jù)輸入的電壓信號產(chǎn)生相應動作，使工作閥閥芯產(chǎn)生位移，閥口尺寸發(fā)生改變并以此完成與輸入電壓成比例的壓力、流量調(diào)節(jié)。

2.3 微流量回壓補償系統(tǒng)

微流量回壓補償系統(tǒng)包括微流量鉆井節(jié)流管匯與回壓泵。鉆井節(jié)流管匯設(shè)計壓力等級為35MPa，由安裝有2個自動節(jié)流閥的管匯組成，其通徑為101.6mm，節(jié)流管匯安裝有高精度的渦輪流量計和高精度壓力傳感器，適用于大流量、高固相含量返出的鉆井作業(yè)?；貕罕貌捎梦甯字猛ㄟ^電機驅(qū)動，由10m 長的管線接到微流量節(jié)流管匯上游。

3 主要配套工藝

微流量控壓鉆井現(xiàn)場施工流程如圖4所示。在正常鉆進的過程中，開回壓泵，以10L／s的泵速獲得穩(wěn)定液流，在整個作業(yè)中，回壓泵始終保持運行，時刻準備為節(jié)流管匯施加回壓提供能量；開泥漿泵以6.3L／s的排量循環(huán)，監(jiān)測水力模型測定的井底壓力值，確保井口回壓值在0.7～1.7MPa。設(shè)定自動控制模式為開啟狀態(tài)，以12L／s的排量開始鉆進。保持井口回壓在0.7～1.7 MPa。

圖4 微流量控壓鉆井施工流程

接單根時，起鉆到接單根位置，計算回壓補償值，將泥漿泵排量降至0，節(jié)流閥A 根據(jù)回壓補償值自動調(diào)節(jié)開度。接單根完畢后，打開泥漿泵，逐漸增加泥漿泵排量至鉆進排量；節(jié)流閥B 根據(jù)實時數(shù)據(jù)與水力學計算自動調(diào)節(jié)開度來達到預定的回壓值，保持井口壓力和立壓在接單根前的水平，重新開始微流量鉆進［11］。

4 結(jié)論

1）相比國外微流量控壓鉆井系統(tǒng)，本文提出的微流量控壓鉆井的硬件系統(tǒng)均采用國產(chǎn)設(shè)備，大幅度降低了成本。

2）系統(tǒng)仿真測試證明，該系統(tǒng)具有較高的靈敏性與準確性，能夠?qū)崿F(xiàn)對井底壓力的精確控制。

3）建議深入研究微流量控壓鉆井技術(shù)，同時對該系統(tǒng)進行不斷的完善，提高系統(tǒng)的可靠性與控制精度。

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