節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制研究及其控制仿真模型?

馬瑞民 竇英心 李 龍

節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制研究及其控制仿真模型?

馬瑞民 竇英心 李 龍

（東北石油大學(xué) 大慶 163318）

在油氣井開(kāi)發(fā)過(guò)程中，如果控制不當(dāng)就會(huì)造成井底壓力失衡，皆可能發(fā)生重大安全事故，例如溢流、井涌、井噴等，這些問(wèn)題會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)井控設(shè)備的損壞、油氣井的廢棄、并引發(fā)一系列的環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)作業(yè)人員的井控技術(shù)水平必須不斷提高。論文將井控培訓(xùn)與實(shí)物仿真技術(shù)相結(jié)合進(jìn)而設(shè)計(jì)出井控實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)能夠提高井控操作人員受訓(xùn)時(shí)的井控生產(chǎn)環(huán)境的擬真度，進(jìn)而達(dá)到更高效的井控培訓(xùn)效果，確保受訓(xùn)人員在油氣井生產(chǎn)中能夠安全可靠的井控作業(yè)。

節(jié)流管匯；節(jié)流壓力控制；實(shí)物仿真

AbstractIn the process of oil and gas well development，if the control is not good，it will result in the imbalance of the bot?tom hole pressure，which can lead to major safety accidents，such as overflow，well blowout，blowout and so on.These problems will result in the damage of well control equipment，the abandonment of oil and gas wells，and a series of environmental pollution problems.Therefore，the technical level of field production operators must be improved.In this paper，the combination of well con?trol training and physical simulation technology is used to design the well control simulation training system，the physical simulation training system can improve the fidelity of well controlled production environment when the well control operator is trained to achieve more efficient well control training effect and ensure that the trainees are able to work safely and reliably in the production of oil and gas wells.

Key Wordsthrottle，throttle pressure control，physical simulation

Class NumberTP31

1 引言

我國(guó)的石油開(kāi)采技術(shù)已位于世界先進(jìn)水平，目前還有一個(gè)亟待解決的問(wèn)題就是在提高石油開(kāi)采技術(shù)的同時(shí)保障開(kāi)采過(guò)程中的安全問(wèn)題。井控的安全問(wèn)題是石油開(kāi)采當(dāng)中的安全隱患，而造成隱患的原因是由于做工人員的不規(guī)范井空操作。由于節(jié)流管匯在石油開(kāi)采中屬于關(guān)鍵技術(shù)之一，因此對(duì)節(jié)流壓力調(diào)節(jié)安全操作培訓(xùn)顯得尤為重要。本文對(duì)節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制實(shí)物仿真模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，并應(yīng)用到真實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行驗(yàn)證，確保實(shí)施的可行性，達(dá)到更高效的井控培訓(xùn)效果，保證操作人員可以在油氣工作中安全作業(yè)。

2 節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制原理研究

2.1 節(jié)流管匯構(gòu)成

節(jié)流管匯是控制井內(nèi)流體和井口壓力、實(shí)施油氣井壓力控制技術(shù)的可靠而必要的設(shè)備［1～2］。發(fā)生事故后，在循環(huán)出被污染的鉆井液和泵入高密度鉆井液重新建立井內(nèi)壓力平衡關(guān)系的過(guò)程中，可以利用節(jié)流閥控制井口回壓維持一定的井底壓力，避免地層流體更進(jìn)一步的侵入［3］，減少事故帶來(lái)的損失。節(jié)流管匯作為壓井作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，除了約束流體流動(dòng)的管道外，還包括各種控制流體流動(dòng)的閥門(mén)，主要有平板閥、節(jié)流閥、固定式節(jié)流器［4］。在油氣井鉆井開(kāi)采過(guò)程中，需要保證井筒內(nèi)的鉆井液液柱壓力和地層壓力的平衡，來(lái)防止因地層流體侵入油井內(nèi)引發(fā)溢流、井涌、井噴等惡性事故。

2.2 節(jié)流管匯工作原理

在鉆井過(guò)程中需要保證井筒內(nèi)的鉆井液注壓力和底層壓力的平衡，防止因底層液體侵入油井內(nèi)引發(fā)溢流、井涌、井噴等事故，這就要求操作人員及時(shí)使用井控設(shè)備進(jìn)行壓井作業(yè)，恢復(fù)壓力平衡［5］。壓井作業(yè)是為了防止井噴而向井內(nèi)注入適度的重泥漿的過(guò)程。在發(fā)生溢流或井噴的時(shí)候，空間內(nèi)的泥漿受到流入油氣的污染，地層壓力會(huì)大于液柱壓力，重泥漿會(huì)跟隨油氣溢出或噴出，失去平衡，這就要求關(guān)閉井口防噴器組封閉環(huán)形空間，泥漿將從節(jié)流管匯流出。節(jié)流閥在泥漿經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)造成局部阻力向井內(nèi)施加一定的回壓，這樣會(huì)使地層壓力得到控制，從而減少溢流帶來(lái)的損失。

2.3 井底壓力平衡控制原理

在油氣井開(kāi)采過(guò)程中的鉆進(jìn)階段，常常通過(guò)控制節(jié)流管匯套管壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)井底壓力平衡的控制［6］。井底壓力的控制的目標(biāo)是使在油氣井開(kāi)采中井底壓力保持為某一定值，或保持在某一顧定范圍內(nèi)，如地層空隙壓力值與地層破裂壓力值之間，以保證鉆井作業(yè)中的人員安全和開(kāi)采工作的正常進(jìn)行。影響井底壓力值變化的因素主要是井筒內(nèi)流體的密度、流量的物理特性、井筒內(nèi)壁表面的粗糙程度、井口回壓的大小等［1］。在密閉、承壓的節(jié)流壓力控制系統(tǒng)中，在開(kāi)采過(guò)程中井底壓力的變化遵守以下公式：

式中，Pb為井底壓力，Pma為環(huán)空中鉆井液靜液柱壓力，Pla為環(huán)空壓耗，Pa為套壓。靜止過(guò)程中環(huán)空壓耗Pla為零，即

如果在油氣井鉆井過(guò)程中發(fā)生了較為嚴(yán)重的溢流事故時(shí)，需要重新調(diào)整井筒壓力剖面曲線(xiàn)，抑制井筒內(nèi)的溢流的持續(xù)發(fā)生［7］。在氣侵發(fā)生溢流時(shí)環(huán)空壓耗的值會(huì)發(fā)生明顯的改變，這時(shí)的環(huán)空壓耗的改變值難以準(zhǔn)確控制。但是可以根據(jù)計(jì)算鉆柱內(nèi)規(guī)則的幾何形狀，來(lái)確定其體積進(jìn)而計(jì)算出鉆柱內(nèi)的循環(huán)壓耗。以立壓控制為目標(biāo)時(shí)的井底壓力的大小遵守以下公式：

式中，Pb為井底壓力，Pmd為鉆柱內(nèi)鉆井液靜液柱壓力，Pld為鉆柱內(nèi)壓耗，Pd為立壓。排出溢流過(guò)程中套管壓力與立管壓力的變化曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 排出溢流過(guò)程中套管壓力與立管壓力的變化曲線(xiàn)

圖中黑色實(shí)線(xiàn)表示立管壓力的變化曲線(xiàn)，灰色實(shí)線(xiàn)表示套管壓力的變化曲線(xiàn)。在0～t1時(shí)間段內(nèi)，溢流逐漸上升移至井口，在此過(guò)程中若是保持泵排量不變，由于氣體上升過(guò)程中體積不斷發(fā)生膨脹，此時(shí)環(huán)空壓耗不斷的減?。?］。因此，若要保持立壓的值不發(fā)生改變，套壓的值應(yīng)逐步增加，此時(shí)節(jié)流閥的閥門(mén)開(kāi)度應(yīng)逐步減小。在t1～t2時(shí)間段內(nèi)，溢流逐漸排出，此時(shí)的套壓逐漸下降。立壓與套壓的關(guān)系為

式中，Pd為立壓，Pl為循環(huán)總壓耗，Pa為套壓，ΔP*為靜液壓力不平衡值。其中

式中，Pld為鉆柱內(nèi)及鉆頭水眼循環(huán)壓耗，Pla為環(huán)空壓耗。

3 實(shí)物仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

節(jié)流壓力控制實(shí)物仿真培訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)主要是依據(jù)壓井過(guò)程中節(jié)流管匯的節(jié)流閥流程建立的，其主要功能是對(duì)學(xué)員進(jìn)行壓井過(guò)程中節(jié)流壓力控制的仿真培訓(xùn)。為了深入了解壓井過(guò)程中節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制總體流程，本研究對(duì)大慶鉆探工程公司下屬的井控培訓(xùn)部門(mén)進(jìn)行了調(diào)研。

針對(duì)鉆井井控節(jié)流管匯司鉆法壓井仿真控制過(guò)程的研究，最關(guān)鍵的基礎(chǔ)是節(jié)流管匯司鉆法壓井的流程，對(duì)司鉆法壓井流程的深入理解，是建立節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制模型的理論基礎(chǔ)。司鉆法壓井也稱(chēng)為兩次循環(huán)法壓井，是溢流事故發(fā)生時(shí)關(guān)井后的循環(huán)排溢流和壓井過(guò)程。司鉆法壓井分兩個(gè)循環(huán)中周完成，第一循環(huán)周用原密度鉆井液循環(huán)排出環(huán)空中因地層流體的侵入而被污染的鉆井液，第二循環(huán)周將加重壓井液泵入井內(nèi)，重新建立井內(nèi)的壓力平衡。在循環(huán)壓井的過(guò)程要通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥保持井底壓力不變，鉆井井控實(shí)際工況下發(fā)現(xiàn)溢流等事故時(shí)的司鉆法壓井的步驟如下［9］

1）錄取關(guān)井資料，準(zhǔn)備壓井過(guò)程中所需數(shù)據(jù)，填寫(xiě)具體壓井施工單，繪出對(duì)應(yīng)壓力控制進(jìn)度表作為操作人員壓井施工過(guò)程中的依據(jù)。

2）用原鉆井液循環(huán)排除溢流。

（1）緩慢開(kāi)泵，迅速打開(kāi)平板閥并逐漸打開(kāi)節(jié)流閥，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度使節(jié)流套壓等于關(guān)井套壓并維持不變直到排量達(dá)到指定的壓井排量。

（2）在保持壓井排量不變的條件下，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度使節(jié)流立壓等于初始循環(huán)壓力，并保持節(jié)流立壓在整個(gè)循環(huán)周內(nèi)恒定。

（3）排出溢流后，停泵關(guān)井，這時(shí)的關(guān)井立壓應(yīng)與關(guān)井套壓相等。而且在循環(huán)排出溢流的過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)人員應(yīng)同時(shí)配置加重鉆井液，準(zhǔn)備下一步壓井操作。

3）泵入加重壓井液壓井，重新建立井內(nèi)的壓力平衡。

（1）緩慢開(kāi)泵，迅速開(kāi)節(jié)流閥和平板閥，調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)度使關(guān)井套壓保持不變。

（2）排量逐漸增大達(dá)到指定壓井排量并在整個(gè)循環(huán)周內(nèi)保持不變。在加重壓井液從井口到鉆頭的過(guò)程中，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度使節(jié)流套壓等于關(guān)井套壓并保持不變。

（3）壓井液返出鉆頭沿環(huán)空上返的過(guò)程中，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開(kāi)度使節(jié)流立壓等于終止循環(huán)壓力并保持不變。當(dāng)壓井液返出井口后停泵關(guān)井、關(guān)閉節(jié)流閥和平板閥，這時(shí)若關(guān)井立管壓力、套管壓力都為零，則說(shuō)明壓井成功。這時(shí)進(jìn)行開(kāi)井循環(huán)，井口應(yīng)無(wú)外溢，恢復(fù)安全生產(chǎn)。司鉆法壓井流程示意圖如圖2所示

圖2 司鉆法壓井流程示意圖

鉆井井控實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)原有井控設(shè)備實(shí)物進(jìn)行關(guān)鍵部位硬件改造，從而實(shí)現(xiàn)在培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際井控設(shè)備上的仿真培訓(xùn)功能［10］。通過(guò)PLC控制器可以完成傳感器的數(shù)模轉(zhuǎn)換、邏輯功能的控制和運(yùn)算、控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并通過(guò)紫金橋軟件的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其與教師控制計(jì)算機(jī)間的通信［11］。本實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300系列PLC。節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中培訓(xùn)學(xué)員的操作動(dòng)作信號(hào)采集、傳輸與仿真壓力表控制是本實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的重要部分，因此所使用的控制設(shè)備西門(mén)子PLC具有較好的擴(kuò)展性、高可靠性、易維護(hù)以及良好的人機(jī)接口等特點(diǎn)，控制系統(tǒng)的硬件部分主要有：PLC的中央處理器模塊、電源模塊、通信模塊和輸入輸出模塊，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

鉆井井控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)中的節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制失誤仿真培訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)壓井過(guò)程中節(jié)流管匯的節(jié)流閥流程建立的，它的主要功能是對(duì)學(xué)員進(jìn)行壓井過(guò)程中節(jié)流壓力控制的仿真培訓(xùn)，在培訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)的真實(shí)井控設(shè)備的關(guān)鍵位置安裝相關(guān)的傳感器，使學(xué)員能夠在逼近實(shí)際生產(chǎn)的情況下在真實(shí)的井控設(shè)備上進(jìn)行井控操作培訓(xùn)，并且系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)員的相應(yīng)操作產(chǎn)生相應(yīng)的井控現(xiàn)象，最后系統(tǒng)會(huì)記錄學(xué)員培訓(xùn)過(guò)程中的操作流程并給與評(píng)價(jià)，從而使得培訓(xùn)人員能夠掌握節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制的相關(guān)理論知識(shí)與事故發(fā)生后的節(jié)流管匯的具體操作流程，保證鉆井生產(chǎn)過(guò)程中的安全作業(yè)［13］。井控實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)包括硬件結(jié)構(gòu)和軟件平臺(tái)。硬件結(jié)構(gòu)如圖4。

軟件功能平臺(tái)需要現(xiàn)場(chǎng)配置一臺(tái)Power Edge T630服務(wù)器，并連接三臺(tái)顯示器拼接顯示，以滿(mǎn)足軟件功能平臺(tái)對(duì)處理速度、程序穩(wěn)定性以及多任務(wù)同時(shí)顯示的要求。同時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備旁安裝兩套屏幕投映設(shè)備，并對(duì)計(jì)算機(jī)視頻線(xiàn)路進(jìn)行改造，使其能夠?qū)④浖到y(tǒng)的運(yùn)行畫(huà)面和視頻課件投映至大屏幕中顯示，還對(duì)培訓(xùn)室的燈光進(jìn)行了改造，并對(duì)門(mén)窗進(jìn)行了遮擋處理，使室內(nèi)環(huán)境的亮度符合人眼的明暗感覺(jué)，提高了觀(guān)看投影畫(huà)面的舒適度和清晰度。此外，現(xiàn)場(chǎng)安裝了音響系統(tǒng)，能夠在教學(xué)模式、學(xué)習(xí)模式或訓(xùn)練模式下播放指示學(xué)員操作動(dòng)作的語(yǔ)音。系統(tǒng)的運(yùn)行部署環(huán)境如圖5所示。

圖4 實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)硬件構(gòu)成

節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制實(shí)物仿真系統(tǒng)由兩個(gè)系統(tǒng)組成，包括上位機(jī)的井控仿真培訓(xùn)系統(tǒng)與下位機(jī)的PLC控制系統(tǒng)組成［13］。上位機(jī)主要用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和界面展示，并且可以設(shè)定和修改培訓(xùn)過(guò)程中相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源于資金橋組態(tài)軟件的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行部署環(huán)境

設(shè)定好節(jié)流壓力控制井控項(xiàng)目的參數(shù)后進(jìn)行操作練習(xí)。系統(tǒng)會(huì)將學(xué)員的一系列操作流程包括時(shí)間、幅度、頻次、動(dòng)作進(jìn)行記錄，并將這些操作評(píng)估審查，確定鉆井井控人員的真實(shí)技術(shù)水準(zhǔn)［15］。節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制實(shí)物仿真培訓(xùn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語(yǔ)

井控實(shí)物仿真培訓(xùn)是較為新型的井控培訓(xùn)方式。本文就井控培訓(xùn)中最基礎(chǔ)最關(guān)鍵的節(jié)流壓力控制工況作為研究對(duì)象，經(jīng)過(guò)深入分析與研究，建立節(jié)流管匯節(jié)流壓力控制實(shí)物仿真模型。為有效提高節(jié)流管匯實(shí)物仿真系統(tǒng)控制精確性，采用模糊自適應(yīng)穩(wěn)態(tài)回饋算法控制節(jié)流壓力，并成功驗(yàn)證其可行性，使本實(shí)物仿真系統(tǒng)具備更好的控制效果，實(shí)現(xiàn)培訓(xùn)仿真中所涉及的閥門(mén)、模擬壓力表、節(jié)流壓力的精準(zhǔn)控制動(dòng)作。

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《計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程》編輯部

Research on Throttle M anifold Pressure Control and its Sim ulation M odel

M A Ruim in DOU Yingxin LI Long
（College of Computer and Information Technology，Northeast Petroleum University，Daqing 163318）

TP31

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.020

2017年3月11日，

2017年4月20日

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司重大專(zhuān)項(xiàng)“重大工程關(guān)鍵技術(shù)裝備研究與應(yīng)用項(xiàng)目”（編號(hào)：2013E-39-09）；黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（編號(hào)：JG2013010153）資助。

馬瑞民，男，教授，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。竇英心，女，碩士研究生，研究方向：教育技術(shù)。李龍，男，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用與技術(shù)。