壓井液自動(dòng)灌漿系統(tǒng)研究及應(yīng)用

宋鵬舉，李彥召，黃民戰(zhàn)，張安治，童明森

中國(guó)石油塔里木油田分公司安全環(huán)保與工程監(jiān)督中心（新疆 庫(kù)爾勒 841000）

0 引言

鉆井試油修井現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，計(jì)量泥漿罐液面、向井筒灌漿的工作均依靠泥漿工觀察浮子式檢測(cè)器和帶刻度的標(biāo)尺完成。這種計(jì)量泥漿罐液面的方法精度低，計(jì)量精度主要取決于泥漿工的業(yè)務(wù)水平，受主觀因素影響較大。試修作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有液面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)井漏和溢流主要依靠泥漿工，人工監(jiān)測(cè)計(jì)量精度低、觀測(cè)滯后且受泥漿工業(yè)務(wù)水平等因素影響。尤其是對(duì)于易噴易漏井、高壓井或高含硫等高風(fēng)險(xiǎn)井，一旦出現(xiàn)異常，可能造成井控安全事故發(fā)生，輕則溢流或井涌，重則發(fā)生井噴事故[1]。2018年12月塔里木油田的“TZ726-2X井噴事件”是在下127 mm（5″）尾管（套管+篩管）作業(yè)過(guò)程中發(fā)生井涌，關(guān)井失敗，后通過(guò)實(shí)施壓回法壓井，成功地控制住了井口。該井井下處于漏失狀態(tài)，液面不在井口，在吊罐過(guò)程中，灌漿不及時(shí)，泥漿罐依靠傳統(tǒng)刻度尺計(jì)量，存在一定的延時(shí)性與誤差，下尾管過(guò)程中漏噴轉(zhuǎn)換，天然氣上竄造成突發(fā)強(qiáng)烈井涌，關(guān)井后沒(méi)有形成有效密封，最終導(dǎo)致井噴事故的發(fā)生。

井控安全作為各油田安全生產(chǎn)的重點(diǎn)，防患于未然是做好井控安全工作的固本之策。油氣井在目的層鉆進(jìn)期間發(fā)生地層泥漿漏失、井口泥漿失返、鉆遇高壓地層等問(wèn)題，如果控制不及時(shí)或者處置方法不當(dāng)就會(huì)發(fā)生溢流或井噴失控事故。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種在起鉆、下鉆、循環(huán)和靜置4 種工況下，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)溢流、井漏，并自動(dòng)向井內(nèi)補(bǔ)液的灌漿控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)及監(jiān)測(cè)智能化，能準(zhǔn)確及時(shí)地灌液、計(jì)量和發(fā)現(xiàn)溢流及井漏異常，避免井下復(fù)雜和地面井噴等不良事故事件的產(chǎn)生[2-3]。

在鉆井、試油、井下作業(yè)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到地層壓力突變、氣侵、壓井液密度偏大或偏小等情況，造成井筒內(nèi)壓井液的變化，會(huì)打破壓力平衡，需要及時(shí)監(jiān)測(cè)計(jì)量罐內(nèi)泥漿變化情況，防止溢流、井涌甚至井噴事故發(fā)生。為了避免以上不利情況發(fā)生，提升油氣井井控安全，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)，可以精確監(jiān)測(cè)計(jì)量罐液面變化，并且實(shí)現(xiàn)不同工況下監(jiān)測(cè)溢流和井漏情況，判斷是否發(fā)出警報(bào)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌漿，提升鉆井、試油及井下作業(yè)過(guò)程中泥漿罐注機(jī)械化水平，提高作業(yè)過(guò)程中井控安全。

1 壓井液自動(dòng)灌漿系統(tǒng)裝置的構(gòu)成及原理

1.1 裝置的構(gòu)成

壓井液自動(dòng)灌漿系統(tǒng)如圖1所示。該系統(tǒng)由防爆電箱、PLC 控制系統(tǒng)、超聲波液位傳感器、液壓傳感器、觸摸屏顯示器、報(bào)警裝置等組成。超聲波液位傳感器安裝在補(bǔ)液罐上，用來(lái)檢測(cè)補(bǔ)液罐內(nèi)的液位信號(hào)；液壓傳感器安裝在指重表壓力傳感器上，用來(lái)檢測(cè)液壓信號(hào)，從而計(jì)算分析起下鉆柱數(shù)。

圖1 壓井液自動(dòng)灌漿系統(tǒng)示意圖

通過(guò)按鍵設(shè)置參數(shù)、單片機(jī)計(jì)算、顯示和聲光報(bào)警，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)液，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢流、井漏現(xiàn)象并對(duì)異常情況報(bào)警。

1.2 壓井液自動(dòng)灌漿系統(tǒng)裝置工作原理

壓井液自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)的主機(jī)安裝在主控防爆箱內(nèi)，另外包含相關(guān)傳感器（如溢流監(jiān)測(cè)傳感器、超聲波液位傳感器、液壓傳感器等），通過(guò)動(dòng)力控制箱連接到主控防爆箱內(nèi)的各功能模塊，可以分別控制模擬信號(hào)和外部開(kāi)關(guān)信號(hào)，進(jìn)行相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)化并輸出灌漿泵控制信號(hào)[4-5]，如圖2所示。

圖2 壓井液自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制模塊根據(jù)作業(yè)過(guò)程中的需求發(fā)出灌漿指令，通過(guò)信號(hào)控制開(kāi)啟灌漿泵命令向井筒及時(shí)進(jìn)行泥漿罐注，當(dāng)井筒內(nèi)鉆井液不斷上升從返流口返出時(shí)，觸發(fā)液位傳感器，液位傳感器將信號(hào)反饋給計(jì)算機(jī)控制模塊，計(jì)算機(jī)控制模塊發(fā)出停止泥漿灌注指令[6]。根據(jù)實(shí)際灌入量與理論灌入量的對(duì)比分析，判斷是否發(fā)生溢流或井漏。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)和特點(diǎn)

壓井液自動(dòng)灌漿系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 壓井液自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

其工作方式為連續(xù)，井液自動(dòng)灌漿系統(tǒng)所采用的超聲波傳感器為非接觸式，精度高，基本不受泥漿性能的影響。該裝置設(shè)計(jì)了緩沖器，較好地解決了由于泥漿攪拌引起的液面波動(dòng)對(duì)信號(hào)造成的干擾。壓井液自動(dòng)灌漿系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)循環(huán)、靜止觀察、起鉆、下鉆4 種工況液面監(jiān)測(cè)、自動(dòng)灌漿。通過(guò)設(shè)計(jì)的“鉆井泵啟停識(shí)別”，解決了由于鉆井泵啟動(dòng)或者停止瞬間造成液面激動(dòng)而出現(xiàn)誤報(bào)警的現(xiàn)象。通過(guò)液壓大的動(dòng)作和游車高度判斷，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)數(shù)鉆桿并自動(dòng)啟動(dòng)灌漿泵，通過(guò)鉆井液溢流檢測(cè)裝置與鉆具排代量的比較，自動(dòng)停止灌漿，可以自動(dòng)判斷井下為井漏、井涌或正常[6-8]。自動(dòng)灌漿系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了泥漿系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，對(duì)降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，降低油氣井井控事故的發(fā)生起到關(guān)鍵作用[9-10]。

2 用途與功能

壓井液自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)是一種智能化的灌漿裝置系統(tǒng)，可以精確監(jiān)測(cè)計(jì)量罐液面變化，并且實(shí)現(xiàn)不同工況下監(jiān)測(cè)溢流和井漏，判斷是否發(fā)出警報(bào)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌漿，提升鉆井、試油及井下作業(yè)過(guò)程中泥漿罐注機(jī)械化水平，提高作業(yè)過(guò)程的井控安全。

壓井液自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)起鉆、下鉆、循環(huán)和靜置4種工況下的溢流和井漏，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌漿，并自動(dòng)記錄灌漿數(shù)據(jù)，顯示實(shí)時(shí)液位，具備歷史數(shù)據(jù)查詢功能?？梢詫?shí)現(xiàn)沒(méi)有錄井隊(duì)監(jiān)控泥漿罐泥漿體積的情況下，自動(dòng)記錄存儲(chǔ)泥漿實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，防止坐崗資料造假。

1）起下鉆時(shí)選擇主界面“起鉆”或“下鉆”鍵，出現(xiàn)相應(yīng)的界面。根據(jù)液壓傳感器采集壓力信號(hào)，分析檢測(cè)起鉆或下鉆柱數(shù)，按“起鉆”或“下鉆柱數(shù)”自動(dòng)啟泵灌液，定時(shí)停泵，按排代量監(jiān)測(cè)判斷溢流或井漏?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溢流、井漏以及起鉆柱數(shù)、懸重、開(kāi)泵時(shí)長(zhǎng)及液位等參數(shù)。如果發(fā)生井漏，將自動(dòng)啟動(dòng)“聲光報(bào)警”模式，并自動(dòng)啟動(dòng)泥漿泵補(bǔ)液；如果發(fā)生溢流，也將自動(dòng)啟動(dòng)“聲光報(bào)警”模式。起鉆或下鉆時(shí)可以根據(jù)需要進(jìn)行“按柱數(shù)監(jiān)測(cè)“或者“按時(shí)間監(jiān)測(cè)”模式。一般先按柱數(shù)監(jiān)測(cè)，到最后幾柱數(shù)再按時(shí)間監(jiān)測(cè)。起鉆或下鉆結(jié)束后，選擇“自動(dòng)關(guān)”鍵結(jié)束起鉆監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行；如果需要查詢歷史數(shù)據(jù)查詢，選擇“歷史”鍵進(jìn)入數(shù)據(jù)查詢界面。

2）正反循環(huán)自動(dòng)控制操作根據(jù)需要選擇適合的循環(huán)方式，選擇觸摸屏上“自動(dòng)開(kāi)”按鈕，系統(tǒng)將啟泵開(kāi)始運(yùn)行，指示燈“運(yùn)行中”亮并閃爍（循環(huán)結(jié)束點(diǎn)擊“自動(dòng)關(guān)”時(shí)停泵）。正反循環(huán)均可實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)溢流或井漏，發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行聲光報(bào)警。

3）如果需要靜止工況，在主界面中選擇“靜置”鍵后進(jìn)入靜置界面。進(jìn)入“靜置”模式后，需要先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如設(shè)置溢返量、開(kāi)泵周期和監(jiān)測(cè)周期等。選擇觸摸屏上“自動(dòng)開(kāi)”按鈕，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，指示燈“運(yùn)行中”亮并閃爍。該模式下可以監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)液位高度、開(kāi)泵時(shí)長(zhǎng)、檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)等參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)溢流，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，定時(shí)灌液,發(fā)現(xiàn)井漏自動(dòng)報(bào)警并啟泵補(bǔ)液。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

壓井液自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)目前已制作出樣機(jī)，并于2020 年9—11 月在塔里木油田輪南區(qū)塊LG1-8X 井和哈拉哈塘區(qū)塊HA16-12X 井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,壓井液自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)可以滿足起鉆、下鉆、靜置、循環(huán)4種不同工況要求，壓井液自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)液面檢測(cè)精度。自動(dòng)灌漿裝置具有正確判斷起鉆、下鉆、靜置或循環(huán)工作狀態(tài)功能,而且能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌注或停止灌注鉆井液。鉆井液液面監(jiān)測(cè)與自動(dòng)灌漿裝置利用超聲波傳感器對(duì)鉆井液的體積變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),判斷在鉆進(jìn)過(guò)程中井筒鉆井液液面變化情況;通過(guò)自動(dòng)記錄鉆桿數(shù)量、計(jì)量罐鉆井液液面檢測(cè)和灌注泵,實(shí)現(xiàn)了起鉆工況和下鉆工況的自動(dòng)判斷,并能自動(dòng)啟停灌注泵,對(duì)起下鉆作業(yè)過(guò)程中的井筒鉆井液液面變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),判斷井涌或井漏，減少井控復(fù)雜發(fā)生的概率, 從根本上保證安全作業(yè)，且可以有效提高油氣井井控安全[1-2]。

鉆井安全監(jiān)控智能防護(hù)系統(tǒng)不僅運(yùn)行穩(wěn)定、功能齊全、操作方便，而且還大大降低了鉆井作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，保障了作業(yè)安全，自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用標(biāo)志著鉆井安全防護(hù)技術(shù)邁進(jìn)一個(gè)可控階段[10-12]。

4 結(jié)論

1）自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)的研制與運(yùn)用，使鉆試修作業(yè)安全防護(hù)由人工單一型向智能型方向轉(zhuǎn)變。

2）自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)監(jiān)控井筒液面變化，實(shí)現(xiàn)了鉆試修作業(yè)過(guò)程溢流及井漏監(jiān)視的快速反應(yīng)。

3）自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，提高了起鉆、灌漿作業(yè)生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)了降本增效的目的。

4）自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可為后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析作業(yè)提供依據(jù)。