井控工程監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，包括在鉆臺調整裝置，鉆具通過鉆臺調整裝置插入到井眼內(nèi)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)通過鉆具的內(nèi)腔在井眼環(huán)形空間內(nèi)循環(huán)出到循環(huán)罐，再通過泥漿泵泵入鉆具內(nèi)腔形成閉路循環(huán)，在井眼的上方連接防溢管，防溢管的上端設有井口密封器，在防溢管下部設有防噴器，在井口密封器與防噴器之間依次通過灌漿管和灌漿泵后與泥漿罐連接，在灌漿管上設有灌漿管流量傳感器；在泥漿循環(huán)系統(tǒng)在防溢管的出口的導管處設有導管流量傳感器，在泥漿循環(huán)系統(tǒng)的入口處設置立管流量傳感器。該井控工程監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠實時記錄及無線遠傳現(xiàn)場的工作信息。實現(xiàn)現(xiàn)場和基地于一體、信息共享、遙控指揮、事故回放、調查處理提供依據(jù)。
【專利說明】井控工程監(jiān)測系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，該設備適用于各種石油鉆井、大修井作業(yè)施 工過程中的井控工程實時在線監(jiān)測，特別適用于海上鉆井、超深井、探井、"三高"油氣井作 業(yè)施工中的井控工程實時監(jiān)測。

【背景技術】
[0002] 隨著鉆井技術的不斷進步和新工藝的實施，鉆井深度的增大，鉆井所遇到的地層 復雜性和難度越來越大；鉆井過程中一旦發(fā)生井噴失控會造成巨大的災難性損失。往往會 造成設備毀壞、人員傷亡、油氣井報廢、環(huán)境污染及不良的社會影響；而鉆修井過程中井控 工程監(jiān)測技術是實現(xiàn)本質安全的一項關鍵技術。
[0003] 但現(xiàn)有的井控工程監(jiān)測技術是用超聲波液位傳感測量的方法和靶式相對流量傳 感測量的方法。這種辦法有以下缺點：1泥漿罐體積影響：(泥漿罐表面積大，液面高度微小 變化涉及泥漿量很大）；2、超聲波液位傳感器精度影響：（安裝位置、傾角、液面波動、溫度、 蒸汽、罐體震動等導致誤差大）；3、工程施工影響：（配泥漿加水加藥、攪拌器的擾動、除砂流 失泥漿、跑泥漿等導致計量不準);4、出口靶式流量測量精度低：（導管傾角、泥漿密度、靶片 長短、溫度、震動等導致精度低）；5、泵沖測量流量和出口靶式流量測量不配套：（泥漿含氣、 泥漿粘度、泵上水效率、缸套尺寸等導致測量相對流量誤差大)。以上諸多因素，導致井控工 程監(jiān)測不準。
[0004] 所以，在井控工程監(jiān)測方法中，諸多的弊端導致時常發(fā)生井控險情和井噴失控等 惡性事故(如2010年美國墨西哥灣鉆井井噴失控爆炸著火事故)。特別是海上鉆井平臺井 控風險極大，一旦失去控制后果不堪設想。所以為了切實保證鉆修井安全施工，必須要研制 高精度的井控工程監(jiān)測系統(tǒng)來確保鉆修井施工的本質安全。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，該井控工程監(jiān)測系統(tǒng)性 能穩(wěn)定，能夠實時記錄及無線遠傳現(xiàn)場的工作信息。實現(xiàn)現(xiàn)場和基地于一體、信息共享、遙 控指揮、事故回放、調查處理提供依據(jù)。
[0006] 為解決以上問題，本發(fā)明的具體技術方案如下：一種井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，包括在鉆 臺上的調整裝置，鉆具通過鉆臺調整裝置插入到井眼內(nèi)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)通過鉆具的內(nèi)腔在 井眼環(huán)形空間內(nèi)循環(huán)，在井眼的上方連接防溢管，防溢管的上端設有井口密封器，在防溢管 下部設有防噴器，在井口密封器與防噴器之間依次通過灌漿管和灌漿泵后與泥漿罐連接， 在灌漿管上設有灌漿管流量傳感器；在泥漿循環(huán)系統(tǒng)在防溢管的出口的導管處設有導管流 量傳感器，在泥漿循環(huán)系統(tǒng)的入口處設置立管流量傳感器；在安全區(qū)內(nèi)設有上位機，上位機 內(nèi)的PLC和UPS，上位機通過數(shù)據(jù)線分別與灌漿管流量傳感器、立管流量傳感器和導管流量 傳感器連接。
[0007] 所述的鉆臺調整裝置結構為，鉆臺的中心設有鉆盤，在轉臺的上方設有天車，天車 通過游車連接鉆具；在轉臺的兩端分別設有絞車和死繩固定器，鋼絲繩一端與絞車連接，另 一端繞過天車、游車與死繩固定器連接；在絞車上設有絞車編碼器，在死繩固定器上設置死 繩固定器懸重壓力傳感器；在鉆臺上設置液氣大鉗，液氣大鉗上設置液氣大鉗扭矩傳感器； 絞車編碼器、液氣大鉗扭矩傳感器和死繩固定器懸重壓力傳感器分別通過數(shù)據(jù)線與上位機 連接。
[0008] 所述的泥漿循環(huán)系統(tǒng)結構為，在防溢管上設有導管，導管一端位于井口密封器與 防噴器之間，導管另一端與泥漿罐相通；在泥漿罐通過泥漿泵連接立管，立管上端依次連接 油壬和水龍帶后與鉆具上端相通；所述的立管流量傳感器設有在立管下部；所述的導管流 量傳感器位于導管的入口處。
[0009] 所述的防溢管的上方設置鉆具識別傳感器，鉆具識別傳感器通過數(shù)據(jù)線與上位機 連接。
[0010] 一種井控工程檢測方法，包括以下步驟： 1) 利用上位機內(nèi)的軟件對絞車編碼器、液氣大鉗扭矩傳感器、死繩固定器懸重壓力傳 感器、鉆具識別傳感器、立管流量傳感器、導管流量傳感器和灌漿管流量傳感器七個傳感器 進行自動識別，并記錄實時的流量曲線； 2) 當識別的立管流量大于零，導管流量大于零時，判斷為鉆進（循環(huán)）工況；并將立管 流量傳感器出口瞬時流量與導管流量傳感器入口瞬時流量實時比對，當立管流量大于導管 流量時，說明井漏；當導管流量大于立管流量時，說明溢流； 3) 當鉆進識別傳感器識別鉆具向上運動，絞車編碼器數(shù)值大于26,液氣大鉗扭矩大于 3MPa時，為起鉆，并且起出一柱鉆具，確定為起鉆工況；確定起出鉆具的柱數(shù)，由上位機來 控制PLC控制器的啟停，控制灌漿泵定柱定量灌漿，利用灌漿管流量傳感器和導管流量傳 感器流量對比，精確計算出起出鉆具的體積，精確計算出應該灌入的泥漿體積，通過上位機 軟件計算得出是否抽吸、溢流及井漏的現(xiàn)象； 4) 當鉆進識別傳感器識別井筒內(nèi)無鉆具時，判定為空井工況，通過灌漿管流量傳感器 和導管流量傳感器流量對比，確定是否溢流、井漏的現(xiàn)象； 5) 當鉆進識別傳感器識別鉆進不上下運動時，判定為暫停工況，則按前一個工況運行 識別； 6) 如果不與步驟2-5中任意一種工況相同，即為下鉆工況；確定下入井內(nèi)鉆具的尺寸、 柱數(shù)和下入的速度，由上位機來計算應返出的泥漿體積、返出的速度和導管流量傳感器流 量實時對比，確定是否溢流、井漏的現(xiàn)象； 7) 在步驟2-6中若判斷為發(fā)生抽吸情況后及時并報警，顯示每柱的抽吸量、發(fā)生抽吸 現(xiàn)象時間、累積抽吸量、并保存曲線，直至警報解除；若判斷為發(fā)生溢流現(xiàn)象時計時并報警， 顯示瞬時溢流速度、溢流時間、累積溢流量、并保存曲線，直至警報解除；若判斷為發(fā)生井漏 現(xiàn)象時計時并報警，顯示瞬時漏速、漏失時間、累積漏失量、并保存曲線，直至警報解除。 [0011] 該井控工程監(jiān)測系統(tǒng)采用了灌漿泵和灌漿管的結構，從而可以與導管中的流量進 行對比，保證了測量精度，可及時的對抽吸、溢流或井漏進行判斷，及時報警并處理，實現(xiàn)了 鉆井工程安全監(jiān)測的自動化和數(shù)字化，實現(xiàn)現(xiàn)場和基地井控一體化大格局。
[0012] 在鉆臺調整裝置設置絞車編碼器、液氣大鉗扭矩傳感器和死繩固定器懸重壓力傳 感器，可以通過上述傳感器判別鉆具的下降或上升位置，或起鉆鉆具的注數(shù)，實現(xiàn)鉆具的自 動化判斷， 在泥漿循環(huán)系統(tǒng)設置防溢管，且在防溢管上設置井口密封器，可保證井筒內(nèi)的所有流 體都從導管流出，這樣防止了有毒有害氣體的擴散，防止了井下落物，使起出的鉆具干凈， 同時也減輕了現(xiàn)場操作人員的勞動強度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1為井控工程監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖。
[0014] 圖2為井控工程監(jiān)測系統(tǒng)主機與傳感器布局圖。

【具體實施方式】
[0015] 如圖1和圖2所示，一種井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，包括在鉆臺調整裝置，鉆具14通過鉆 臺調整裝置插入到井眼22內(nèi)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)通過鉆具14的內(nèi)腔在井眼環(huán)形空間29內(nèi)循 環(huán)，在井眼22的上方連接防溢管30,防溢管30的上端設有井口密封器20,在防溢管下部設 有防噴器21，在井口密封器20與防噴器21之間依次通過灌漿管32和灌漿泵23后與泥漿 罐17連接，在灌漿管32上設有灌漿管流量傳感器7,灌漿管流量傳感器7用于監(jiān)測灌漿管 32內(nèi)向井眼22內(nèi)灌漿的流量；在泥漿循環(huán)系統(tǒng)在防溢管30的出口的導管處設有導管流量 傳感器6,導管流量傳感器6監(jiān)測泥漿循環(huán)系統(tǒng)出口流量，在泥漿循環(huán)系統(tǒng)的入口處設置立 管流量傳感器5,用來監(jiān)測泥漿循環(huán)系統(tǒng)入口流量；在安全區(qū)內(nèi)設有上位機8,上位機8內(nèi)的 PLC通過數(shù)據(jù)線分別與灌漿管流量傳感器7、立管流量傳感器5和導管流量傳感器6連接。
[0016] 鉆臺調整裝置結構為，鉆臺19的中心設有鉆盤33,在轉臺19的上方設有天車11， 天車11通過游車12連接鉆具14 ;在轉臺19的兩端分別設有絞車18和死繩固定器16,鋼 絲繩25 -端與絞車18連接，另一端繞過天車11與死繩固定器16連接；在絞車18上設有 絞車編碼器1，用于測量游車的高度數(shù)值，在死繩固定器16上設置死繩固定器懸重壓力傳 感器3,用于判斷鉆具是處于懸吊狀態(tài)還是坐在鉆盤上(非懸吊狀態(tài));在鉆臺19上設置液氣 大鉗15,液氣大鉗15上設置液氣大鉗扭矩傳感器2,用于判斷液氣大鉗是否使用（扭矩值大 于3MPa以上認為使用一次)，否則沒有使用液氣大鉗；絞車編碼器1、液氣大鉗扭矩傳感器2 和死繩固定器懸重壓力傳感器3分別通過數(shù)據(jù)線與上位機8連接。
[0017] 所述的泥漿循環(huán)系統(tǒng)結構為，在防溢管30上設有導管31，導管31 -端位于井口密 封器20與防噴器21之間，導管另一端與泥漿罐17相通；在泥漿罐17通過泥漿泵24連接 立管13,立管上端依次連接油壬28和水龍帶27后與鉆具14上端相通；所述的立管流量傳 感器5設有在立管13下部；所述的導管流量傳感器6位于導管的入口處。
[0018] 所述的防溢管30的上方設置鉆具識別傳感器4,用于識別鉆具是向上運動還是向 下運動，同時還可判斷出上提幾根鉆桿或者下放幾根鉆桿，鉆具識別傳感器4通過數(shù)據(jù)線 與上位機8連接。
[0019] 一種井控工程檢測方法，包括以下步驟： 1)在鉆井施工中，共有五個施工環(huán)節(jié)(鉆進(循環(huán)）工況、起鉆工況、下鉆工況、空井工 況、施工暫停工況)，這五個施工環(huán)節(jié)無規(guī)律交叉單一循環(huán)(只能是其中的一種工況，不會有 兩種或兩種以上工況在一起運行的情況)，直至鉆井施工結束。利用現(xiàn)場7個傳感器實時信 息，通過上位機軟件系統(tǒng)自動識別出來這五個施工環(huán)節(jié)的其中一個工況。利用其中一個施 工工況的施工的特征來判斷是否有井涌、井漏現(xiàn)象，通過上位機軟件系統(tǒng)做出判斷并報警， 實時保存各項井控信息。通過這種方式來實現(xiàn)自動識別工況，通過識別出的工況來判斷井 控信息，最終達到無人值守自動報警的目的。具體做法是利用上位機8內(nèi)的軟件，對現(xiàn)場絞 車編碼器1、液氣大鉗扭矩傳感器2、死繩固定器懸重壓力傳感器3、鉆具識別傳感器4、立管 流量傳感器5、導管流量傳感器6和灌漿管流量傳感器7七個傳感器通道上傳的信息進行識 另IJ、通過編輯好的軟件程序進行篩選、識別，確定是哪一種施工工況；確定后按照確定的工 況來顯示、判斷施工過程中各項井控信息，一旦發(fā)生井涌井漏現(xiàn)象，通過上位機軟件自動識 另IJ、判斷，通過擴音及光電系統(tǒng)進行報警并無限遠傳信息，通過上位機軟件自動保存有關數(shù) 據(jù)，方便事故調查。
[0020] 2)鉆進(循環(huán)）工況的識別：當現(xiàn)場7個傳感器中的立管流量傳感器的立管流量大 于零，導管流量傳感器的導管流量大于零時，也就是這兩個傳感器都有流量時，判斷為鉆進 工況；并將立管流量傳感器5瞬時流量與導管流量傳感器6瞬時流量實時比對，當立管流量 大于導管流量時，說明井漏，；當導管流量大于立管流量時，說明溢流；并對上述數(shù)據(jù)實時保 存。
[0021] 3)起鉆工況的識別：當鉆具識別傳感器4識別鉆具14是向上運動后，并且絞車編 碼器1數(shù)值大于26時，然后液氣大鉗扭矩大于3MPa時，為起鉆，并且起出一柱鉆具，確定為 起鉆工況；否則，轉為其他工況。當起出的鉆具累加到3柱時，由上位機來控制PLC控制器 的啟停，控制灌漿泵23定柱定量灌漿，利用灌漿管流量傳感器7和導管流量傳感器6流量 對比，精確計算出起出鉆具的體積，精確計算出應該灌入的泥漿體積，通過上位機軟件計算 得出是否抽吸、溢流及井漏的現(xiàn)象；并對上述數(shù)據(jù)實時保存。
[0022] 4)空井工況的識別：當鉆進識別傳感器4識別井筒內(nèi)無鉆具時，判定為空井工況， 通過灌漿管流量傳感器7和導管流量傳感器6流量對比，確定是否溢流、井漏的現(xiàn)象；并對 上述數(shù)據(jù)實時保存。
[0023] 5)施工暫停工況的識別：當鉆進識別傳感器4識別鉆進不上下運動時，判定為暫 停工況，則按前一個工況運行。并對上述數(shù)據(jù)實時保存。
[0024] 6)下鉆工況的識別：如果不與步驟2-5中任意一種工況相同，即為下鉆工況；利 用絞車編碼器、液氣大鉗扭矩傳感器和鉆具識別傳感器來確定下入井內(nèi)鉆具的尺寸、柱數(shù) 和下入的速度，由上位機來計算應返出的泥漿體積、返出的速度和導管流量傳感器6流量 實時對比，確定是否溢流、井漏的現(xiàn)象；并對上述數(shù)據(jù)實時保存。
[0025] 7)在步驟2-6中若判斷為發(fā)生抽吸情況后及時并報警，顯示每柱的抽吸量、發(fā)生 抽吸現(xiàn)象時間、累積抽吸量、并保存曲線，直至警報解除；若判斷為發(fā)生溢流現(xiàn)象時計時并 報警，顯示瞬時溢流速度、溢流時間、累積溢流量、并保存曲線，直至警報解除；若判斷為發(fā) 生井漏現(xiàn)象時計時并報警，顯示瞬時漏速、漏失時間、累積漏失量、并保存曲線，直至警報解 除。
[0026] 本申請的井控工程監(jiān)測系統(tǒng)啟動后無需人員值守，全套程序自動運行。自動執(zhí)行 動作的輸出、狀態(tài)采集、顯示、自身狀態(tài)的監(jiān)視，自動識別和判斷井控工程信息，自動保存各 項井控工程參數(shù)，自動記錄現(xiàn)場工作狀態(tài)。為井下險情判斷和操作正誤提供及時準確的證 據(jù)，為后續(xù)現(xiàn)場事故的調查及處理提供依據(jù)，不會產(chǎn)生誤判現(xiàn)象。
【權利要求】
1. 井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，包括在鉆臺調整裝置，鉆具（14)通過鉆臺調整裝置插入到井眼 (22) 內(nèi)，泥漿循環(huán)系統(tǒng)通過鉆具（14)的內(nèi)腔在井眼環(huán)形空間（29)內(nèi)循環(huán)，其特征在于：在 井眼（22)的上方連接防溢管（30)，防溢管（30)的上端設有井口密封器（20)，在防溢管下 部設有防噴器（21)，在井口密封器（20)與防噴器（21)之間依次通過灌漿管（32)和灌漿泵 (23) 后與泥漿罐（17)連接，在灌漿管（32)上設有灌漿管流量傳感器（7);在泥漿循環(huán)系統(tǒng) 在防溢管（30)的出口的導管處設有導管流量傳感器（6)，在泥漿循環(huán)系統(tǒng)的入口處設置立 管流量傳感器（5);在安全區(qū)內(nèi)設有上位機（8)，上位機（8)通過數(shù)據(jù)線分別與灌漿管流量 傳感器（7)、立管流量傳感器（5)和導管流量傳感器（6)連接。
2. 如權利要求1所述的井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的鉆臺調整裝置結構 為，鉆臺（19 )的中心設有鉆盤（33 )，在轉臺（19 )的上方設有天車（11 )，天車（11)通過游車 (12)連接鉆具（14);在轉臺（19)的兩端分別設有絞車（18)和死繩固定器（16)，鋼絲繩（25) 一端與絞車（18)連接，另一端繞過天車（11)與死繩固定器（16)連接；在絞車（18)上設有 絞車編碼器（1)，在死繩固定器（16)上設置死繩固定器懸重壓力傳感器（3);在鉆臺（19)上 設置液氣大鉗（15)，液氣大鉗（15)上設置液氣大鉗扭矩傳感器（2);絞車編碼器（1)、液氣 大鉗扭矩傳感器（2 )和死繩固定器懸重壓力傳感器（3 )分別通過數(shù)據(jù)線與上位機（8 )連接。
3. 如權利要求1或2所述的井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的泥漿循環(huán)系統(tǒng)結 構為，在防溢管（30)上設有導管（31)，導管（31) -端位于井口密封器（20)與防噴器（21) 之間，導管另一端與泥漿罐（17)相通；在泥漿罐（17)通過泥漿泵（24)連接立管（13)，立管 上端依次連接油壬（28)和水龍帶（27)后與鉆具（14)上端相通；所述的立管流量傳感器（5) 設有在立管（13)下部；所述的導管流量傳感器（6)位于導管的入口處。
4. 如權利要求1所述的井控工程監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于：所述的防溢管（30)的上方設 置鉆具識別傳感器（4)，鉆具識別傳感器（4)通過數(shù)據(jù)線與上位機（8)連接。
5. -種井控工程檢測方法，其特征在于包括以下步驟： 1) 利用上位機（8)內(nèi)的軟件對絞車編碼器（1)、液氣大鉗扭矩傳感器（2)、死繩固定器 懸重壓力傳感器（3)、鉆具識別傳感器（4)、立管流量傳感器（5)、導管流量傳感器（6)和灌 漿管流量傳感器（7)七個傳感器上傳信息進行自動識別，并記錄實時的流量曲線； 2) 當識別的立管流量大于零，導管流量大于零時，判斷為鉆進(循環(huán))工況；并將立管流 量傳感器（5)出口瞬時流量與導管流量傳感器（6)入口瞬時流量實時比對，當立管流量大 于導管流量時，說明井漏；當導管流量大于立管流量時，說明溢流； 3) 當鉆具識別傳感器（4)識別鉆具（14)向上運動，絞車編碼器（1)數(shù)值大于26,液氣大 鉗扭矩大于3MPa時，為起鉆，并且起出一柱鉆具，確定為起鉆工況；確定起出鉆具的柱數(shù)， 由上位機來控制PLC控制器的啟停，控制灌漿泵（23)定柱定量灌漿，利用灌漿管流量傳感 器（7)和導管流量傳感器（6)流量對比，精確計算出起出鉆具的體積，精確計算出應該灌入 的泥漿體積，通過上位機軟件計算得出是否抽吸、溢流及井漏的現(xiàn)象； 4) 當鉆具識別傳感器（4)識別井筒內(nèi)無鉆具時，判定為空井工況，通過灌漿管流量傳感 器（7)和導管流量傳感器（6)流量對比，確定是否溢流、井漏的現(xiàn)象； 5) 當鉆具識別傳感器（4)識別鉆進不上下運動時，判定為暫停工況，則按前一個工況運 行識別； 6) 如果不與步驟2-5中任意一種工況相同，即為下鉆工況；確定下入井內(nèi)鉆具的尺寸、 柱數(shù)和下入的速度，由上位機來計算應返出的泥漿體積、返出的速度和導管流量傳感器（6) 得來的數(shù)據(jù)實時對比，確定是否溢流、井漏的現(xiàn)象； 7)在步驟2-6中若判斷為發(fā)生抽吸情況后及時并報警，顯示每柱的抽吸量、發(fā)生抽吸 現(xiàn)象時間、累積抽吸量、并保存曲線，直至警報解除；若判斷為發(fā)生溢流現(xiàn)象時計時并報警， 顯示瞬時溢流速度、溢流時間、累積溢流量、并保存曲線，直至警報解除；若判斷為發(fā)生井漏 現(xiàn)象時計時并報警，顯示瞬時漏速、漏失時間、累積漏失量、并保存曲線，直至警報解除。
【文檔編號】E21B47/10GK104047590SQ201410277962
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月20日 優(yōu)先權日:2014年6月20日
【發(fā)明者】許廣奎, 趙家敏, 王鐵晨, 任洪生, 劉寶學, 李永亮, 尚久紅, 吳淑萍, 高雅靜, 叢玉麗, 許珊珊, 文舜智, 孫小迪, 任會來, 李璐, 劉傳義, 沈磊, 趙明明 申請人:盤錦春亞石油科技有限公司