專利名稱：一種鉆井過程事故監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井工程的生產(chǎn)安全監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種鉆井過程
事故監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
鉆井工程是一項(xiàng)高危的作業(yè)，對鉆井過程工況自動(dòng)識(shí)別、工程事故監(jiān)測方法的研 究一直是鉆井安全面臨的重要課題。針對鉆井作業(yè)的安全問題，現(xiàn)有的專利技術(shù)"井涌井漏 監(jiān)測儀"(申請?zhí)?9208768.4)實(shí)現(xiàn)了井漏溢流的監(jiān)測報(bào)警，還有一個(gè)專利技術(shù)"對鉆井現(xiàn) 場起下鉆過程進(jìn)行監(jiān)測與自動(dòng)灌漿控制的方法"(申請?zhí)?00710172833. 6)采用CAN總線 結(jié)合其他鉆井儀表實(shí)現(xiàn)起下鉆的井漏溢流監(jiān)測與自動(dòng)灌漿控制，然而這些專利并沒有對鉆 井事故建立完善的鉆井事故模型與工況模型，它們對溢流井漏的監(jiān)測也沒有考慮到高壓泵 啟停和補(bǔ)充膠液等所引起的泥漿罐內(nèi)泥漿的擾動(dòng)量，所以無法得到鉆井過程中排除可知因 素外的循環(huán)泥漿總體積的異常變化量，事實(shí)上沒有對鉆井工況進(jìn)行識(shí)別和完善的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 就不能保證溢流井漏報(bào)警的準(zhǔn)確可靠。 因此，通過對鉆井工程參數(shù)的分析處理，建立完善的鉆井過程工況自動(dòng)識(shí)別、事故 監(jiān)測與報(bào)警模型是鉆井工程監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)關(guān)鍵的核心技術(shù)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種能通過實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井工程參數(shù)，準(zhǔn)確可靠地判斷井漏、溢流 等報(bào)警事故發(fā)生的鉆井過程事故監(jiān)測方法。 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種鉆井過程事故監(jiān)測方法，所述事故包括井漏、溢流，其 不同之處在于所述井漏、溢流的報(bào)警判斷是通過工況識(shí)別模型及報(bào)警模型對循環(huán)泥漿罐 泥漿總體積的異常變化進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)所述泥漿總體積變化超出井漏或溢流的報(bào)警門限值作 出相應(yīng)報(bào)警。 按以上方案，所述工況識(shí)別模型通過對鉆井參數(shù)進(jìn)行分析處理，自動(dòng)識(shí)別出鉆進(jìn)、 起鉆、下鉆三種工況。 按以上方案，所述三種工況之間的互鎖是通過工況標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)檢測到的 所述工況間的切換自動(dòng)切換數(shù)據(jù)處理模型。 按以上方案，所述鉆進(jìn)工況自動(dòng)識(shí)別方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為鉆進(jìn)標(biāo) 志，當(dāng)以下各判斷條件同時(shí)成立則鉆進(jìn)工況處于開始狀態(tài)立管壓力大于或等于鉆進(jìn)立管 壓力、大鉤高度接近1根單根的高度、大鉤負(fù)荷大于空鉤負(fù)荷、高壓泵開啟、出口流量大于 或等于最小鉆進(jìn)出口流量、大鉤下行速度小于或等于最大鉆進(jìn)速度。 按以上方案，所述起鉆工況自動(dòng)識(shí)別方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為起鉆標(biāo) 志，當(dāng)以下各判斷條件同時(shí)成立則起鉆工況處于開始狀態(tài)立管壓力小于等于起下鉆立管 壓力、出口流量小于等于最小起下鉆出口流量，高壓泵關(guān)閉、大鉤負(fù)荷大于等于大鉤加1立 柱負(fù)荷且小于等于最大大鉤負(fù)荷、大鉤高度大于等于起鉆切換大鉤高度下限并且小于等于起鉆切換大鉤高度上限、大鉤上行速度大于等于最小起鉆速度。 按以上方案，所述下鉆工況自動(dòng)識(shí)別方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為下鉆標(biāo) 志，當(dāng)以下各判斷條件同時(shí)成立則下鉆工況處于開始狀態(tài)立管壓力小于等于起下鉆立管 壓力、出口流量小于等于最小起下鉆出口流量、高壓泵關(guān)閉、大鉤負(fù)荷大于等于大鉤加l立 柱負(fù)荷且小于等于最大大鉤負(fù)荷、大鉤高度大于等于下鉆切換大鉤高度下限并且小于等于 下鉆切換大鉤高度上限、大鉤下行速度大于等于最小下鉆速度。 按以上方案，所述循環(huán)泥漿罐泥漿總體積異常變化的影響因子包括高壓泵的啟 停引起的泥漿體積變化、起鉆時(shí)泥漿體積變化、下鉆時(shí)泥漿體積變化、各個(gè)工況下的理論泥 漿增減量，其中各個(gè)工況下的理論泥漿增減量包括以下影響因子鉆具排代泥漿量、漏失泥 漿量及因補(bǔ)充膠液引起的泥漿體積變化量。 按以上方案，所述報(bào)警模型的具體執(zhí)行步驟為對循環(huán)泥漿總體積的變化進(jìn)行實(shí) 時(shí)監(jiān)測，根據(jù)高壓泵開啟和關(guān)閉發(fā)生時(shí)泥漿循環(huán)管線中的泥漿量變化對泥漿罐里總泥漿體 積的影響，以及在各個(gè)工況下的理論泥漿增減量的影響，將所述影響因子的權(quán)值進(jìn)行運(yùn)算 后再乘以泥漿體積改變系數(shù)從而得到循環(huán)泥漿總體積的正常變化量，用實(shí)時(shí)循環(huán)泥漿總體 積減去歷史循環(huán)泥漿總體積及循環(huán)泥漿總體積的正常變化量，則得到泥漿體積異常變化 量，再將泥漿體積異常變化量和泥漿體積異常變化量門限值進(jìn)行對比，從而判斷是否發(fā)生 井漏或溢流事故。
按以上方案，所述事故監(jiān)測方法還包括以下步驟中的一種或幾種
(A)、通過監(jiān)測大鉤高度和大鉤高度門限值對比，若超出門限值則報(bào)警；
(B)、通過監(jiān)測硫化氫濃度和硫化氫濃度門限值對比，若超出門限值則報(bào)警；
(C)、通過監(jiān)測立管壓力、出口流量和高壓泵排量的變化情況并進(jìn)行綜合判斷來進(jìn) 行高壓泵故障、剌鉆具、溢流及井漏報(bào)警。 對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果如下本發(fā)明對鉆井事故建立了完善的鉆井事 故模型與工況模型，溢流井漏的監(jiān)測考慮了高壓泵啟停和補(bǔ)充膠液等所引起的泥漿罐內(nèi)泥 漿的擾動(dòng)量，對鉆井工況進(jìn)行識(shí)別和完善的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，從而保證了溢流、井漏報(bào)警的準(zhǔn)確可罪。 由于采用上述的技術(shù)解決方案，本發(fā)明適用于石油、天然氣等鉆井施工場合。本系 統(tǒng)能隨時(shí)監(jiān)測鉆井工況，特別是對井漏和溢流報(bào)警進(jìn)行了周全而細(xì)致的建模，增強(qiáng)了報(bào)警 的時(shí)效和可靠性，從而提高了系統(tǒng)在鉆井施工中的安全保障作用。


圖1是本發(fā)明中系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2是本發(fā)明中工況自動(dòng)識(shí)別原理框圖； 圖3是本發(fā)明中鉆井事故監(jiān)測與報(bào)警的原理框圖。
具體實(shí)施例方式
—種鉆井過程事故監(jiān)測方法，所述事故包括井漏、溢流，其不同之處在于所述井 漏、溢流的報(bào)警判斷是通過工況識(shí)別模型及報(bào)警模型對循環(huán)泥漿罐泥漿總體積的異常變化 進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)所述泥漿總體積變化超出井漏或溢流的報(bào)警門限值作出相應(yīng)報(bào)警。
具體的，所述工況識(shí)別模型通過對鉆井參數(shù)進(jìn)行分析處理，自動(dòng)識(shí)別出鉆進(jìn)、起 鉆、下鉆三種工況。 具體的，所述三種工況之間的互鎖是通過工況標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)檢測到的所述 工況間的切換自動(dòng)切換數(shù)據(jù)處理模型。 鉆進(jìn)工況自動(dòng)識(shí)別方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為鉆進(jìn)標(biāo)志，當(dāng)以下各判斷 條件同時(shí)成立則鉆進(jìn)工況處于開始狀態(tài)立管壓力大于或等于鉆進(jìn)立管壓力、大鉤高度接 近1根單根的高度、大鉤負(fù)荷大于空鉤負(fù)荷、高壓泵開啟、出口流量大于或等于最小鉆進(jìn)出 口流量、大鉤下行速度小于或等于最大鉆進(jìn)速度。 起鉆工況自動(dòng)識(shí)別方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為起鉆標(biāo)志，當(dāng)以下各判斷 條件同時(shí)成立則起鉆工況處于開始狀態(tài)立管壓力小于等于起下鉆立管壓力、出口流量小 于等于最小起下鉆出口流量，高壓泵關(guān)閉、大鉤負(fù)荷大于等于大鉤加1立柱負(fù)荷且小于等 于最大大鉤負(fù)荷、大鉤高度大于等于起鉆切換大鉤高度下限并且小于等于起鉆切換大鉤高 度上限、大鉤上行速度大于等于最小起鉆速度。 下鉆工況自動(dòng)識(shí)別方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為下鉆標(biāo)志，當(dāng)以下各判斷 條件同時(shí)成立則下鉆工況處于開始狀態(tài)立管壓力小于等于起下鉆立管壓力、出口流量小 于等于最小起下鉆出口流量、高壓泵關(guān)閉、大鉤負(fù)荷大于等于大鉤加1立柱負(fù)荷且小于等 于最大大鉤負(fù)荷、大鉤高度大于等于下鉆切換大鉤高度下限并且小于等于下鉆切換大鉤高 度上限、大鉤下行速度大于等于最小下鉆速度。 循環(huán)泥漿罐泥漿總體積的異常變化的影響因子包括高壓泵的啟停引起的泥漿體 積變化、起下鉆和鉆進(jìn)時(shí)泥槳體積變化、鉆進(jìn)和起下鉆工況下鉆具排代泥槳量、泥槳正常漏 失率、補(bǔ)充膠液對泥漿體積增加量。 報(bào)警模型的具體執(zhí)行步驟為對循環(huán)泥漿總體積的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)高壓 泵開啟和關(guān)閉發(fā)生時(shí)泥漿循環(huán)管線中的泥漿量變化對泥漿罐里總泥漿體積的影響，以及在 各個(gè)工況下的理論泥漿增減量的影響，將所述影響因子按一定權(quán)值進(jìn)行計(jì)算后再乘以泥漿 體積改變系數(shù)從而得到循環(huán)泥漿總體積的正常變化量，用實(shí)時(shí)循環(huán)泥漿總體積減去歷史循 環(huán)泥漿總體積及循環(huán)泥漿總體積的正常變化量，則得到泥漿體積異常變化量，再將泥漿體 積異常變化量和泥漿體積異常變化量門限值進(jìn)行對比，從而判斷是否發(fā)生井漏或溢流事 故。
鉆井過程事故監(jiān)測方法還可包括以下步驟中的一種或幾種 (A)、通過監(jiān)測大鉤高度和大鉤高度門限值對比，若超出門限值則報(bào)警；對天車防 撞報(bào)警是通過絞車傳感器計(jì)算得到大鉤的實(shí)時(shí)高度再綜合自動(dòng)識(shí)別出來的當(dāng)前工況實(shí)現(xiàn) 的。 (B)、通過監(jiān)測硫化氫濃度和硫化氫濃度門限值對比，若超出門限值則報(bào)警；
(C)、通過監(jiān)測立管壓力、出口流量和高壓泵排量的變化情況并進(jìn)行綜合判斷來進(jìn) 行高壓泵故障、剌鉆具、溢流及井漏報(bào)警。若出口流量、入口流量持續(xù)不變而立管壓力持續(xù) 減小則報(bào)警提示可能是發(fā)生了剌鉆具；若出、入口流量和立管壓力都持續(xù)減小則報(bào)警提示 可能發(fā)生泵故障；若入口流量不變，出口流量和立管壓力都持續(xù)減小則報(bào)警提示可能發(fā)生 井漏；若入口流量不變，出口流量持續(xù)增大，立管壓力持續(xù)減小則報(bào)警提示可能發(fā)生溢流。
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明。
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—、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 如圖1所示，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鉆井工程監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)、無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)5、傳感器、輸出裝置，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5包括一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)5-1和若干終端 節(jié)點(diǎn)5-2，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均配置有無線收發(fā)模塊，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)5-1與現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接，傳感 器、輸出裝置分別連接到終端節(jié)點(diǎn)5-2上，所述輸出裝置包括報(bào)警裝置3、其它輸出設(shè)備4。
傳感器包括若干模擬量傳感器1 ，若干數(shù)字量傳感器2 。 模擬量傳感器1 ，用于采集泥漿池液面高度，硫化氫濃度，入口 、出口流量，立管壓 力和大鉤負(fù)荷等信號(hào)，每個(gè)傳感器1與一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)5的終端節(jié)點(diǎn)5-2相連。
數(shù)字量傳感器2，用于采集高壓泵轉(zhuǎn)速和絞車轉(zhuǎn)速等信號(hào)，每個(gè)傳感器2與一個(gè)無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)5的終端節(jié)點(diǎn)5-2相連。 報(bào)警裝置3可選用防爆聲光報(bào)警燈，防爆聲光報(bào)警燈3及灌漿泵4也各與一個(gè)無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)5的終端節(jié)點(diǎn)5-2相連。 另外，還可以在現(xiàn)場安裝現(xiàn)場監(jiān)控控制柜6，所述現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)安裝在現(xiàn)場監(jiān)控 控制柜6中，現(xiàn)場監(jiān)控控制柜一般采用防爆控制柜，其中一般還裝有UPS電源、繼電器、接插 件。 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括電源模塊、嵌入式無線收發(fā)模塊、10 口、串 口。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)5-1和終端節(jié)點(diǎn)5-2的物理結(jié)構(gòu)相同而內(nèi)部所燒寫的程序不同，其中與現(xiàn) 場監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)5-1自動(dòng)組建與維護(hù)無線網(wǎng)絡(luò)，通過與現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)通 訊，來和終端節(jié)點(diǎn)5-2進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，終端節(jié)點(diǎn)5-2進(jìn)行解析指令、完成數(shù)據(jù)采集上傳、通過 DIO控制輸出的工作。 現(xiàn)場監(jiān)控控制柜6中的現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)，一般用于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖形界面顯 示，通過軟件建立溢流、井漏等報(bào)警模型和自動(dòng)灌漿數(shù)學(xué)模型，通過串口下達(dá)指令，從無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)5的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)5-1獲取所有傳感器采集的工程數(shù)據(jù)以及命令控制輸出。
當(dāng)然，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的鉆井工程監(jiān)控系統(tǒng)，在以上實(shí)施例的基礎(chǔ)上，還可以 增加包括遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)7在內(nèi)的設(shè)備，所述遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)7通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn) 場監(jiān)控計(jì)算機(jī)通信。遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)7可以遠(yuǎn)程設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)和進(jìn)行監(jiān)測控制，存儲(chǔ)整個(gè) 鉆井過程的工程參數(shù)，查詢實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)、歷史曲線以及將有關(guān)的工程報(bào)表打印輸出。具 體的，現(xiàn)場監(jiān)控控制柜6中的現(xiàn)場監(jiān)控計(jì)算機(jī)可以通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)7進(jìn)行數(shù) 據(jù)交換，現(xiàn)場監(jiān)控控制柜6通過UPS電源供電，在外接電源斷電的情況下還可以工作15分 鐘，從而保證系統(tǒng)連續(xù)正常工作。 如圖1所示，系統(tǒng)通過無線模塊采集傳感器數(shù)據(jù)并通過其中的一個(gè)無線模塊5與 現(xiàn)場監(jiān)控控制器6通訊，系統(tǒng)也可以通過無線模塊控制報(bào)警輸出和自動(dòng)灌漿控制輸出；遠(yuǎn) 程監(jiān)控計(jì)算機(jī)7與現(xiàn)場監(jiān)控控制器6通過以太網(wǎng)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存貯、數(shù)據(jù) 查詢和報(bào)表輸出等功能，現(xiàn)場監(jiān)控控制器6可以方便的擴(kuò)展多個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控終端。
二 、現(xiàn)場監(jiān)控控制器軟件功能模塊
現(xiàn)場監(jiān)控控制器軟件功能模塊包括 數(shù)據(jù)采集與處理模塊，采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，并把傳感器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成鉆井工程參 數(shù)； 顯示控制模塊主要完成圖形界面的顯示和對輸出對象進(jìn)行控制，包括實(shí)時(shí)泥漿體積曲線顯示、報(bào)警狀態(tài)顯示、控制聲光報(bào)警燈和操作按鈕等； 工況識(shí)別模塊是通過對鉆井參數(shù)進(jìn)行分析處理，識(shí)別鉆井過程中的典型工況，自 動(dòng)識(shí)別鉆進(jìn)、起鉆和下鉆工況； 報(bào)警模塊主要完成對采集的鉆井參數(shù)建模，分別得到鉆井事故報(bào)警模型，鉆井事
故報(bào)警包括井漏、溢流、硫化氫濃度超標(biāo)、剌鉆具、高壓泵故障和天車防撞報(bào)警； 存貯輸出模塊，存貯系統(tǒng)參數(shù)、鉆井相關(guān)工程參數(shù)和報(bào)警記錄等數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行數(shù)
據(jù)報(bào)表輸出。 三、工況自動(dòng)識(shí)別原理框圖 如圖2所示，工況自動(dòng)識(shí)別是根據(jù)立管壓力(SP—P)、大鉤負(fù)荷0LW)、大鉤高度(H_ H)、高壓泵排量(HP_V)、出口流量(0_V)、大鉤上行速度(H_US)、大鉤下行速度(H_DS)、大鉤 歷史最大負(fù)荷(MHJW)、鉆進(jìn)工況標(biāo)志(F_Z)、起鉆工況標(biāo)志(F_Q)、下鉆工況標(biāo)志(F_X)、鉆 進(jìn)立管壓力(Z_SPP為鉆進(jìn)時(shí)最小立管壓力)、大鉤空鉤負(fù)荷(VJW) 、1根單根高度(1S_H)、 最大鉆進(jìn)速度(MAX—ZS)、最小開泵排量(MIN—PV)、最小鉆進(jìn)出口流量(MINJ)V)、起下鉆立 管壓力(QX—SPP)、大鉤加l立柱負(fù)荷(1PJW)、起鉆切換大鉤高度上限(MAX—QH)、起鉆切換 大鉤高度下限(MIN—QH)、最小起鉆速度(MIN—QS)、最小起下鉆出口流量(MIN_QXOV)、下鉆 切換大鉤高度上限(MAX—XH)、下鉆切換大鉤高度下限(MIN—XH)、最小下鉆速度(MIN_XS)、 最大起下鉆出口流量(MAX_QXOV)來判斷識(shí)別的，在以上參數(shù)中立管壓力(SP_P)至下鉆工 況標(biāo)志(F_X)共11個(gè)變量是從傳感器數(shù)據(jù)分析處理得到的，其余16個(gè)均為可以設(shè)置的系 統(tǒng)參數(shù)(它們均為經(jīng)驗(yàn)值)；在本方法中，系統(tǒng)只需要捕捉各個(gè)工況間的轉(zhuǎn)換即可，針對系 統(tǒng)功能的需要，只需要識(shí)別鉆進(jìn)、起鉆和下鉆工況，其他所有工況都可以歸于鉆進(jìn)工況中；
(1)鉆進(jìn)工況自動(dòng)識(shí)別是為了在下鉆完成或意外情況下起鉆中切換到鉆進(jìn)工況時(shí) 可以系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并轉(zhuǎn)換監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)處理模型，如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為鉆進(jìn)標(biāo)志，則 系統(tǒng)判斷鉆進(jìn)工況是否開始，鉆進(jìn)工況的狀態(tài)為立管壓力大于等于鉆進(jìn)立管壓力(Z_SPP 為鉆進(jìn)時(shí)最小立管壓力)，大鉤高度接近1根單根的高度(1S_H)，大鉤負(fù)荷大于等于空鉤 負(fù)荷，高壓泵開啟(高壓泵排量大于最小開泵排量)，出口流量大于等于最小鉆進(jìn)出口流量 (MINJ)V)，大鉤下行速度小于等于最大鉆進(jìn)速度(MAX—ZS為最大鉆進(jìn)速度的經(jīng)驗(yàn)值，目的 是區(qū)別正常鉆進(jìn)時(shí)的大鉤速度與起下鉆的大鉤移動(dòng)速度)，在滿足以上條件的情況下系統(tǒng) 自動(dòng)切換為鉆進(jìn)工況。 (2)起鉆工況有可能發(fā)生在鉆進(jìn)后或者短起下鉆之后，只要當(dāng)前工況標(biāo)志不為起 鉆標(biāo)志，系統(tǒng)就會(huì)判斷起鉆工況是否發(fā)生，在本方法中判別起鉆工況的發(fā)生是在起鉆了 2 根后和坐卡之前的一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，初始設(shè)定起鉆切換大鉤高度上限(MAX_QH)為25米、起鉆 切換大鉤高度下限(MIN_QH)為23米，此時(shí)起鉆的狀態(tài)為立管壓力小于等于起下鉆立管 壓力(QX_SPP接近為零)、出口流量小于等于最小起下鉆出口流量(MIN_QXOV)，高壓泵關(guān)閉 (高壓泵排量小于最小開泵排量)，大鉤負(fù)荷大于等于大鉤加1立柱負(fù)荷且小于最大大鉤負(fù) 荷，大鉤高度大于等于起鉆切換大鉤高度下限并且小于等于起鉆切換大鉤高度上限，大鉤 上行速度大于等于最小起鉆速度(MIN_QS)。 (3)下鉆工況有可能發(fā)生在起鉆后或者意外情況下的非起鉆工況之后，只要當(dāng)前 工況標(biāo)志不為下鉆標(biāo)志，系統(tǒng)就會(huì)判斷下鉆工況是否發(fā)生，在本方法中判別下鉆工況的發(fā) 生是在下鉆入2根后和坐卡之前的某一時(shí)間段內(nèi)，初始設(shè)定下鉆切換大鉤高度上限(MAX_
8XH)為7米、下鉆切換大鉤高度下限(MIN_XH)為5米，此時(shí)下鉆的狀態(tài)為立管壓力小于 等于起下鉆立管壓力(QX—SPP接近為零)、出口流量小于等于最小起下鉆出口流量(MIN_ QX0V)，高壓泵關(guān)閉(高壓泵排量小于最小開泵排量)，大鉤負(fù)荷大于等于大鉤加1立柱負(fù)荷 且小于等于最大大鉤負(fù)荷，大鉤高度大于等于下鉆切換大鉤高度下限并且小于等于下鉆切 換大鉤高度上限，大鉤下行速度大于等于最小下鉆速度(MIN_XS)。 以上工況之間的互鎖是通過工況標(biāo)志為來實(shí)現(xiàn)的，即各個(gè)時(shí)間內(nèi)工況必為三者之 一，此方法可以檢測到這三個(gè)工況間的切換并在系統(tǒng)中據(jù)此自動(dòng)切換數(shù)據(jù)處理模型和監(jiān)控 顯示界面。當(dāng)然，事實(shí)上工況不是三個(gè)，只是其他工況都可以歸結(jié)為鉆進(jìn)工況。
四、鉆井事故監(jiān)測與報(bào)警的原理框圖 如圖3所示，在此方法中對鉆井過程中的溢流、井漏、硫化氫濃度超標(biāo)、天車防撞、 剌鉆具和高壓泵故障等事故建立了報(bào)警模型，監(jiān)測報(bào)警部分的監(jiān)測時(shí)間間隔均為1秒鐘；
(1)通過監(jiān)測循環(huán)泥漿總體積的異常變化來對井漏或溢流進(jìn)行報(bào)警建模，使用了 以下變量當(dāng)前泥漿體積0LMV)、歷史泥漿體積OLMV)、泥漿體積異常變化量(E—MVC)、泥 漿體積正常變化量(N—MVC)、高壓泵啟動(dòng)(F—PON)、高壓泵停止(F—POFF)、高壓泵啟動(dòng)影響 因子權(quán)值(PON—MV)、高壓泵停止影響因子權(quán)值(POFF—MV)、高壓泵啟停時(shí)延(T_P初始設(shè)置 為3分鐘，即在高壓泵啟停三分鐘后不再考慮其影響)、鉆進(jìn)泥漿理論變化量影響因子權(quán) 值(Z—MV)、起鉆泥槳理論量影響因子權(quán)值(Q—MV)、下鉆泥槳理論變化量影響因子權(quán)值(X_ MV)、泥漿體積改變系數(shù)(kx)、泥漿體積異常變化門限值(EX—MVC)，本發(fā)明實(shí)時(shí)對循環(huán)泥漿 總體積的變化進(jìn)行監(jiān)測，考慮到了高壓泵開啟和關(guān)閉發(fā)生時(shí)泥漿循環(huán)管線中的泥漿量對泥 漿罐里總泥漿體積的影響，以及在各個(gè)工況下理論泥漿變化量的影響(各個(gè)工況下理論泥 漿變化強(qiáng)度的計(jì)算考慮了鉆具排代泥漿、漏失泥漿及補(bǔ)充膠液等因素的影響)，將高壓泵 啟動(dòng)或停止以及各工況下的理論泥漿變化量影響因子權(quán)值(高壓泵啟動(dòng)、停止時(shí)影響因子 權(quán)值分別為PON_MV、 POFF—MV，鉆進(jìn)、起鉆和下鉆時(shí)理論泥漿變化量影響因子權(quán)值分別為Z_ MV、 Q_MV和X_MV)乘以泥槳體積改變系數(shù)kx (為0. 1立方米，可以設(shè)置)，從而得到各工況 下泥漿體積正常變化量N_MVC的統(tǒng) 一 公式N_MVC = ((PON_MV-POFF_MV) + (Z_MV+X_MV+Q_ MV)hkx，用當(dāng)前泥漿體積減去歷史泥漿體積(時(shí)間跨度可以設(shè)置)及泥漿體積正常變化 量，得到泥漿體積異常變化量E—MVC，再和泥漿體積異常變化量門限值(為l立方米，可以設(shè) 置)進(jìn)行對比，從而判斷是否發(fā)生井漏或溢流事故，若發(fā)生事故則對相應(yīng)標(biāo)志位置l，系統(tǒng) 會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警和顯示相應(yīng)的報(bào)警畫面顯示； —些參數(shù)及影響因子的說明PON_MV的取值范圍一般為20 30，P0FF_MV的取值 范圍也可以為20 30，例如PON_MV = POFF_MV = 20(乘以0. 1等于2立方米，在計(jì)算理 論增減量時(shí)區(qū)分正負(fù))； 鉆進(jìn)時(shí)理論泥槳變化量影響因子權(quán)值Z_MV可以按此計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算Z_MV = 膠液補(bǔ)充量_鉆具排漿量_漏失量，例如Z_MV = (1立方米/時(shí)-7 〃鉆桿開排泥漿量*鉆 速-0. 5方/時(shí))X時(shí)間跨度，Z_MV的取值范圍一般可以為0. 03167 0. 16667 ;
起鉆泥槳理論量影響因子權(quán)值Q_MV可以按此計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算Q_MV =-單根 7〃鉆桿開排泥漿量*時(shí)間跨度內(nèi)起鉆柱數(shù)-0. 3方/時(shí)*時(shí)間跨度；Q_MV的取值范圍一般 可以為-0. 41 -0. 025 ; 下鉆泥漿理論變化量影響因子權(quán)值X—MV可以按此計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算X_MV=_單根7〃鉆桿開排泥漿量*時(shí)間跨度內(nèi)下鉆柱數(shù)-0. 3方/時(shí)*時(shí)間跨度；X_MV的取值 范圍一般可以為-0. 05 0. 335 ; Kx可取0. 1立方米；泥漿體積異常變化門限值EX_MVC = 1立方米。 (2)通過監(jiān)測大鉤高度和硫化氫濃度來對天車防撞和硫化氫濃度超標(biāo)進(jìn)行報(bào)警，
實(shí)時(shí)監(jiān)測大鉤高度和硫化氫濃度并分別和大鉤高度門限值(EX_HH)以及硫化氫濃度門限
值(EXJ12S初始設(shè)置為10ppm)對比，若超出門限值則相應(yīng)的報(bào)警標(biāo)志位置l，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲
光報(bào)警和顯示相應(yīng)的報(bào)警畫面顯示； (3)通過監(jiān)測立管壓力、出口流量和高壓泵排量的變化情況并進(jìn)行綜合判斷來進(jìn) 行高壓泵故障、剌鉆具、溢流和井漏報(bào)警，實(shí)時(shí)地監(jiān)測以下四種狀態(tài)下可能發(fā)生的鉆井事 故當(dāng)立管壓力減小而高壓泵排量和出口流量基本不變并持續(xù)一段時(shí)間的時(shí)候可能發(fā)生剌 鉆具事故；當(dāng)立管壓力、高壓泵排量和出口流量都減小并持續(xù)一段時(shí)間的時(shí)候可能發(fā)生高 壓泵損壞事故；當(dāng)立管壓力減小、高壓泵排量不變而出口流量持續(xù)減少并維持一段時(shí)間的 時(shí)候可能發(fā)生井漏事故；當(dāng)立管壓力減小、高壓泵排量不變而出口流量持續(xù)增加并維持一 段時(shí)間的時(shí)候可能發(fā)生溢流事故。若某一狀態(tài)存在則開始計(jì)時(shí)，連續(xù)計(jì)時(shí)達(dá)到持續(xù)異常計(jì) 時(shí)門限值(EX—TC初始設(shè)置為IO秒)則針對此狀態(tài)對相應(yīng)的標(biāo)志位置l，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào) 警和顯示相應(yīng)的報(bào)警畫面顯示。 如上所述，鉆井工程事故監(jiān)測與報(bào)警方法對泥漿池液面高度、硫化氫濃度、出口流 量、立管壓力、大鉤負(fù)荷、高壓泵轉(zhuǎn)速和絞車轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行采集并通過數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了工 況識(shí)別，建立了井漏、溢流、硫化氫濃度超標(biāo)、天車防撞、剌鉆具和高壓泵故障的報(bào)警模型， 能夠提供準(zhǔn)確可靠、實(shí)時(shí)的報(bào)警信息，以及圖形界面顯示和數(shù)據(jù)報(bào)表輸出，為鉆井工程的安 全作業(yè)和自動(dòng)化、信息化鉆井提供了一種有效的監(jiān)測報(bào)警方法。 本發(fā)明鉆井過程事故監(jiān)測方法中應(yīng)用的傳感器包括超聲波液位傳感器(監(jiān)測循 環(huán)泥漿罐泥漿液面高度并換算成泥漿體積，傳感器數(shù)量選取可定制)，泵沖傳感器(監(jiān)測高 壓泵轉(zhuǎn)速并換算成排量，共2個(gè)傳感器)，絞車傳感器(測量絞車轉(zhuǎn)速并換算成大鉤高度和 大鉤速度)，壓力傳感器(測量立管壓力和大鉤負(fù)荷，共2個(gè)傳感器)，流量傳感器(測量出 口流量)和硫化氫濃度傳感器。 在上述的鉆井過程事故監(jiān)測方法中，現(xiàn)場監(jiān)控控制柜包括防爆控制柜、嵌入式工 控機(jī)、數(shù)據(jù)采集與控制模塊等，遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)為工控計(jì)算機(jī)。 綜上所述，在上述的鉆井過程事故監(jiān)測方法中，井漏和溢流的判斷主要是通過對 應(yīng)用于循環(huán)的泥漿罐泥漿總體積的變化情況進(jìn)行分析建模實(shí)現(xiàn)的，對比實(shí)時(shí)泥漿總體積與 一段時(shí)間間隔之前的泥漿總體積獲得泥漿體積變化量，建模時(shí)考慮了因高壓泵的啟停引起 的泥槳體積變化以及起下鉆和鉆進(jìn)時(shí)泥槳體積變化的影響，以及鉆進(jìn)和起下鉆工況下鉆具 排代泥漿量、泥漿正常漏失率以及補(bǔ)充膠液對泥漿體積增加量的影響，在此基礎(chǔ)上得到泥 漿總體積的異常變化量，若超出井漏或溢流的報(bào)警門限值則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)中的 參數(shù)如時(shí)間間隔與報(bào)警門限值在系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置中設(shè)定，為了消除因傳感器數(shù)據(jù)異常而產(chǎn)生 誤報(bào)警，在硬件上使用了防浪涌等方法來獲得平靜的泥漿測量液面，在軟件上使用了數(shù)字 濾波等方法對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波。 采集鉆井過程的相關(guān)參數(shù)包括所有循環(huán)罐泥漿池液面高度、硫化氫濃度、出口流 量、立管壓力、大鉤負(fù)荷、高壓泵沖次和絞車轉(zhuǎn)速等，并通過這些數(shù)據(jù)建立工況識(shí)別模型和
10報(bào)警模型，對循環(huán)泥漿罐泥漿總體積的異常變化、硫化氫濃度、立管壓力與出入口流量的變 化趨勢進(jìn)行監(jiān)測，綜合實(shí)時(shí)工況做出井漏、溢流、硫化氫濃度超標(biāo)、剌鉆具、高壓泵故障、天 車防撞報(bào)警。 凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)本質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、等同變化和修 飾，均仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種鉆井過程事故監(jiān)測方法，所述事故包括井漏、溢流，其特征在于所述井漏、溢流的報(bào)警判斷是通過工況識(shí)別模型及報(bào)警模型對循環(huán)泥漿罐泥漿總體積的異常變化進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)所述泥漿總體積變化超出井漏或溢流的報(bào)警門限值作出相應(yīng)報(bào)警。
2. 如權(quán)利要求1所述的鉆井過程事故監(jiān)測方法，其特征在于所述工況識(shí)別模型通過 對鉆井參數(shù)進(jìn)行分析處理，自動(dòng)識(shí)別出鉆進(jìn)、起鉆、下鉆三種工況。
3. 如權(quán)利要求2所述的鉆井過程事故監(jiān)測方法，其特征在于所述三種工況之間的互 鎖是通過工況標(biāo)志來實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)檢測到的所述工況間的切換自動(dòng)切換數(shù)據(jù)處理模型。
4. 如權(quán)利要求2所述的鉆井過程事故監(jiān)測方法，其特征在于所述鉆進(jìn)工況自動(dòng)識(shí)別 方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為鉆進(jìn)標(biāo)志，當(dāng)以下各判斷條件同時(shí)成立則鉆進(jìn)工況處 于開始狀態(tài)立管壓力大于或等于鉆進(jìn)立管壓力、大鉤高度接近1根單根的高度、大鉤負(fù)荷 大于空鉤負(fù)荷、高壓泵開啟、出口流量大于或等于最小鉆進(jìn)出口流量、大鉤下行速度小于或 等于最大鉆進(jìn)速度。
5. 如權(quán)利要求2所述的鉆井過程事故監(jiān)測方法，其特征在于所述起鉆工況自動(dòng)識(shí)別 方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為起鉆標(biāo)志，當(dāng)以下各判斷條件同時(shí)成立則起鉆工況處 于開始狀態(tài)立管壓力小于等于起下鉆立管壓力、出口流量小于等于最小起下鉆出口流量， 高壓泵關(guān)閉、大鉤負(fù)荷大于等于大鉤加1立柱負(fù)荷且小于等于最大大鉤負(fù)荷、大鉤高度大 于等于起鉆切換大鉤高度下限并且小于等于起鉆切換大鉤高度上限、大鉤上行速度大于等 于最小起鉆速度。
6. 如權(quán)利要求2所述的鉆井過程事故監(jiān)測方法，其特征在于所述下鉆工況自動(dòng)識(shí)別 方法具體為如果當(dāng)前工況標(biāo)志不為下鉆標(biāo)志，當(dāng)以下各判斷條件同時(shí)成立則下鉆工況處 于開始狀態(tài)立管壓力小于等于起下鉆立管壓力、出口流量小于等于最小起下鉆出口流量、 高壓泵關(guān)閉、大鉤負(fù)荷大于等于大鉤加1立柱負(fù)荷且小于等于最大大鉤負(fù)荷、大鉤高度大 于等于下鉆切換大鉤高度下限并且小于等于下鉆切換大鉤高度上限、大鉤下行速度大于等 于最小下鉆速度。
7. 如權(quán)利要求1所述的鉆井過程事故監(jiān)測方法，其特征在于所述循環(huán)泥漿罐泥漿總 體積異常變化的影響因子包括高壓泵的啟停引起的泥漿體積變化、起鉆時(shí)泥漿體積變化、 下鉆時(shí)泥漿體積變化、各個(gè)工況下的理論泥漿增減量，其中各個(gè)工況下的理論泥漿增減量 包括以下影響因子鉆具排代泥漿量、漏失泥漿量及因補(bǔ)充膠液引起的泥漿體積變化量。
8. 如權(quán)利要求7所述的鉆井過程事故監(jiān)測方法，其特征在于所述報(bào)警模型的具體執(zhí) 行步驟為對循環(huán)泥漿總體積的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，根據(jù)高壓泵開啟和關(guān)閉發(fā)生時(shí)泥漿循 環(huán)管線中的泥漿量變化對泥漿罐里總泥漿體積的影響，以及在各個(gè)工況下的理論泥漿增減 量的影響，將所述影響因子的權(quán)值進(jìn)行運(yùn)算后再乘以泥漿體積改變系數(shù)從而得到循環(huán)泥漿 總體積的正常變化量，用實(shí)時(shí)循環(huán)泥漿總體積減去歷史循環(huán)泥漿總體積及循環(huán)泥漿總體積 的正常變化量，則得到泥漿體積異常變化量，再將泥漿體積異常變化量和泥漿體積異常變 化量門限值進(jìn)行對比，從而判斷是否發(fā)生井漏或溢流事故。
9. 如權(quán)利要求l或2或3或4或5或6或7或8所述的鉆井過程事故監(jiān)測方法，其特征在于所述事故監(jiān)測方法還包括以下步驟中的一種或幾種(A) 、通過監(jiān)測大鉤高度和大鉤高度門限值對比，若超出門限值則報(bào)警；(B) 、通過監(jiān)測硫化氫濃度和硫化氫濃度門限值對比，若超出門限值則報(bào)警；(C)、通過監(jiān)測立管壓力、出口流量和高壓泵排量的變化情況并進(jìn)行綜合判斷來進(jìn)行高 壓泵故障、剌鉆具、溢流及井漏報(bào)警。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油天然氣鉆井工程的生產(chǎn)安全監(jiān)控技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種鉆井過程事故監(jiān)測方法，所述事故包括井漏、溢流，其不同之處在于所述井漏、溢流的報(bào)警判斷是通過工況識(shí)別模型及報(bào)警模型對循環(huán)泥漿罐泥漿總體積的異常變化進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)所述泥漿總體積變化超出井漏或溢流的報(bào)警門限值作出相應(yīng)報(bào)警。該鉆井過程事故監(jiān)測方法能通過實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆井工程參數(shù)，準(zhǔn)確可靠地判斷井漏、溢流等報(bào)警事故的發(fā)生。
文檔編號(hào)E21B21/08GK101696627SQ20091027258
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者華中平, 張道德, 張錚, 楊光友, 蘇旭武, 黃興 申請人:湖北工業(yè)大學(xué);