一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置及其控制方法，實(shí)驗(yàn)裝置包括自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)、泵系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，所述自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)接收來自所述自動(dòng)控制系統(tǒng)的命令，進(jìn)行流量控制，及時(shí)調(diào)整所述泵系統(tǒng)的回壓，所述泵系統(tǒng)按照所述控制系統(tǒng)給出的鉆井工況要求對所述控壓鉆井進(jìn)行操作。本發(fā)明提供的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝備及其控制方法，模擬控壓鉆井的工況，其特性與實(shí)際設(shè)備基本一致，滿足技術(shù)人員進(jìn)行模擬控壓鉆井的實(shí)驗(yàn)要求。
【專利說明】一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石油、天然氣鉆井領(lǐng)域，尤其涉及一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，模擬控壓鉆井的工況，滿足技術(shù)人員進(jìn)行模擬控壓鉆井的實(shí)驗(yàn)要求。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著已發(fā)現(xiàn)油氣資源的日漸衰竭，對更深更復(fù)雜地層的勘探開發(fā)活動(dòng)越來越多，然而目前采用常規(guī)鉆井方法進(jìn)行的鉆井勘探，有許多是不經(jīng)濟(jì)的且具有較大風(fēng)險(xiǎn)的，而控制壓力鉆井(MPD)技術(shù)是解決上述問題的有效方法。
[0003](I)增加安全性。常規(guī)鉆井如果出現(xiàn)溢流、井漏、有害氣體泄漏等狀況是非常危險(xiǎn)的。2005年以來，三大石油公司發(fā)生安全生產(chǎn)事故161起，死60人，傷199人。特別是2003年12月23日，某縣井噴失控事故，造成243人死亡，6萬多人緊急疏散。1989年8月12日，我國石油天然氣總公司某輸油公司油庫的特大火災(zāi)，造成19人死亡，100多人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失3540萬元。2006年5月29日，位于印尼東爪哇省徐圖祖縣的天然氣鉆井發(fā)生事故并噴出熱泥漿，淹沒了 4個(gè)村莊，當(dāng)?shù)豂萬多居民被迫撤離。而控壓鉆井技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)獲取井底壓力數(shù)據(jù)，并根據(jù)壓力狀況自動(dòng)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)井內(nèi)壓力的自動(dòng)調(diào)控和壓力液的不間斷循環(huán)。同時(shí)控壓技術(shù)使用的是低密度鉆井液，既確保了操作安全又實(shí)現(xiàn)了平衡鉆井、近平衡鉆井及欠平衡鉆井，預(yù)防了在“窄壓力窗口 ”條件下的可能發(fā)生的各種鉆井事故，使鉆井施工作業(yè)更加安全可靠。
[0004](2)提高經(jīng)濟(jì)效益。由于在常規(guī)鉆井過程中會(huì)發(fā)生諸如地層漏失、壓差卡鉆、鉆桿脫扣、地層孔隙壓力與地層破裂梯度間壓力窗口狹窄等情況，致使出現(xiàn)溢流、井漏、有害氣體泄漏、卡鉆、起下鉆時(shí)間過長等鉆井復(fù)雜問題，從而導(dǎo)致勘探費(fèi)用大幅度提高，勘探難度大幅度增加。據(jù)行業(yè)專業(yè)人員估計(jì)，通過常規(guī)鉆井方法，不能開發(fā)的油氣資源達(dá)70%左右，造成極大的浪費(fèi)。而控壓鉆井技術(shù)主要是通過對回壓、流體密度、流體流變性、環(huán)空液位、水力摩阻和井眼幾何形態(tài)的綜合控制，使整個(gè)井筒的壓力維持在地層孔隙壓力和破裂壓力之間，進(jìn)行平衡或近平衡鉆井，有效控制地層流體侵入井眼，減少溢流、井漏、卡鉆等多種鉆井復(fù)雜情況的發(fā)生，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的要求。
[0005]然而，由于控壓鉆井的現(xiàn)場設(shè)備較為龐大，造價(jià)昂貴，而且國內(nèi)沒有獨(dú)立研發(fā)的設(shè)備，國內(nèi)的控壓鉆井都是依靠國外的設(shè)備，租費(fèi)用巨大。因此對于研究控壓鉆井的技術(shù)人員很難有機(jī)會(huì)接觸到實(shí)際的控壓鉆井設(shè)備，更不用說將自己的創(chuàng)新想法進(jìn)行實(shí)踐，這個(gè)問題嚴(yán)重地阻礙了控壓鉆井技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展。
[0006]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置及其控制方法，模擬控壓鉆井的工況，其特性與實(shí)際設(shè)備基本一致，滿足技術(shù)人員進(jìn)行模擬控壓鉆井的實(shí)驗(yàn)要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，包括完整的硬件設(shè)備及對應(yīng)的控制算法，模擬控壓鉆井的工況，其特性與實(shí)際設(shè)備基本一致，滿足技術(shù)人員進(jìn)行模擬控壓鉆井的實(shí)驗(yàn)要求。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，包括自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)、泵系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，所述自動(dòng)控制系統(tǒng)對現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，控制所述自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)和所述泵系統(tǒng)，所述自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)接收來自所述自動(dòng)控制系統(tǒng)的命令，進(jìn)行流量控制，及時(shí)調(diào)整所述泵系統(tǒng)的回壓，所述泵系統(tǒng)按照所述控制系統(tǒng)給出的鉆井工況要求對所述控壓鉆井進(jìn)行操作。
[0009]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)包括三個(gè)節(jié)流通道:節(jié)流閥PV-A通道、節(jié)流閥PV-B通道和節(jié)流閥PV-C通道，其中，所述PV-A為主節(jié)流閥，在所述節(jié)流閥PV-A工作異?；虬l(fā)生堵塞時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)所述節(jié)流閥PV-B，關(guān)閉所述節(jié)流閥PV-A的通道，所述節(jié)流閥PV-C為輔助節(jié)流閥，在停止循環(huán)時(shí)，回壓泵啟動(dòng)后通過所述PV-C閥流加回壓，EV-A、EV-B和EV-C為三個(gè)電磁閥，分別接在所述PV-A、PV-B和PV-C節(jié)流閥通道上，輔助所述節(jié)流閥PV-A, PV-B, PV-C進(jìn)行對應(yīng)的切換操作。
[0010]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述泵系統(tǒng)包括泥漿泵和回壓泵，所述泥漿泵是控壓鉆井的動(dòng)力源，通過泥漿泵將泥漿注入井中，進(jìn)行鉆井操作，所述回壓泵在泥漿泵停泵的作業(yè)過程中進(jìn)行流量補(bǔ)償，提供節(jié)流閥工作必要的流量，所述回壓泵在整個(gè)工作期間排量過小時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行流量補(bǔ)償，維持井口節(jié)流所需要的流量。
[0011]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述自動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制中心，現(xiàn)場壓力變送器和流量變送器，所述控制中心包括上位機(jī)和PLC，所述PLC接收所述上位機(jī)的命令，控制現(xiàn)場裝置執(zhí)行相應(yīng)操作，采用現(xiàn)場裝置、PLC、上位計(jì)算機(jī)控制的三層遞階控制結(jié)構(gòu)。
[0012]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述控制中心軟件使用組態(tài)王和PLC中編程實(shí)現(xiàn)，所述上位機(jī)采用組態(tài)王軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，所述PLC采用梯形圖編寫程序。
[0013]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述自動(dòng)控制系統(tǒng)通過所述現(xiàn)場壓力變送器和流量變送器獲得回壓泵出口流量、泥漿泵總循環(huán)流量、泥漿泵出口流量、井口壓力、回壓泵出口壓力、井底壓力、電動(dòng)節(jié)流閥PV-A開度、電動(dòng)節(jié)流閥PV-B開度和電動(dòng)節(jié)流閥PV-C開度共9個(gè)模擬量，進(jìn)行相應(yīng)分析計(jì)算后，發(fā)送命令調(diào)節(jié)節(jié)流閥PV-A輸出、節(jié)流閥PV-B輸出和節(jié)流閥PV-C輸出這3個(gè)模擬量以及電磁閥EVA開關(guān)、電磁閥EVB開關(guān)、電磁閥EVC開關(guān)、回壓泵開關(guān)和泥漿泵開關(guān)這5個(gè)數(shù)字量。
[0014]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述鉆井工況為正常鉆進(jìn)工況、接單根工況、起下鉆工況或井涌和溢流工況。
[0015]一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，對鉆井過程的自動(dòng)鉆進(jìn)工程進(jìn)行自動(dòng)控制，保證鉆井過程安全有序，節(jié)省人力物力，提高鉆井效率，控制方法流程如圖3所示，具體步驟如下:
[0016]I)通過判斷不同模式的標(biāo)志位，來決定當(dāng)前系統(tǒng)處于什么模式；
[0017]2)進(jìn)入正常鉆進(jìn)模式，并將其他模式標(biāo)志位清零、控制參數(shù)初始化，采取相應(yīng)的控制方法；
[0018]或，
[0019]3)進(jìn)入接單跟模式，將標(biāo)志位和控制參數(shù)初始化，開啟回壓泵，回壓泵開啟成功后，逐漸減小泥漿泵的出口流量，最終關(guān)閉泥漿泵，用回壓泵來保持井口壓力，進(jìn)行接單根操作，接單根完成后開啟泥漿泵，關(guān)閉回壓泵，最終回到正常鉆進(jìn)模式；
[0020]或，
[0021]4)進(jìn)入起下鉆模式，標(biāo)志位和控制參數(shù)初始化，關(guān)閉泥漿泵開啟回壓泵，完成后，就始起鉆或者下鉆，當(dāng)起下鉆工藝完成后，開啟泥漿泵，停止回壓泵，回到正常鉆進(jìn)狀態(tài)；
[0022]或，
[0023]5)進(jìn)入井涌、溢流工況，利用模糊控制方法進(jìn)行井漏或溢流處理，使井口壓力設(shè)定修正值=井口壓力設(shè)定修正值+ (注入流量-排出流量)*0.01，處理結(jié)束。
[0024]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述步驟2)中正常鉆進(jìn)模式控制方法具體步驟如下:
[0025]I)其他標(biāo)志位清零；
[0026]2)若為A模式，開通A電磁閥，關(guān)閉B電磁閥，設(shè)置對應(yīng)PID參數(shù)，判斷井底壓力變化，調(diào)整節(jié)流閥開度；
[0027]3)若為B模式開通B電磁閥，關(guān)閉A電磁閥，設(shè)置對應(yīng)PID參數(shù)，判斷井底壓力變化，調(diào)整節(jié)流閥開度。
[0028]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述步驟5)所述模糊控制方法的具體步驟如下:
[0029]I)確定模糊變量；
[0030]2)精確量的模糊化；
[0031]3)建立模糊規(guī)則；
[0032]4)解模糊。
[0033]本發(fā)明給出的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置及其控制方法，模擬了控壓鉆井的所有工況，通過軟件對鉆井過程進(jìn)行自動(dòng)控制，對各管路流量、壓力以及閥門開度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前鉆井運(yùn)行狀態(tài)及其他鉆井工況情況，保證鉆井過程安全有序，節(jié)省人力物力，提高鉆井效率，使操作人員能夠?qū)崟r(shí)掌握鉆井運(yùn)行情況。另外通過軟件系統(tǒng)可以對系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)表，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線和歷史趨勢曲線進(jìn)行查看和打印，從而進(jìn)行相應(yīng)的總結(jié)分析。當(dāng)鉆井過程發(fā)生特殊情況，操作人員可以通過軟件系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的緊急處理，確保鉆井安全。
[0034]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0035]圖1是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)組成示意圖；
[0036]圖2是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0037]圖3是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置的自動(dòng)控制中心軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0038]圖4是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置正常鉆進(jìn)模式時(shí)控制中心工作流程圖；
[0039]圖5是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置接單根模式時(shí)控制中心工作流程圖；
[0040]圖6是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置起下鉆模式時(shí)控制中心工作流程圖；
[0041]圖7是本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置井涌、溢流工況時(shí)控制中心工作流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0042]控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置圍繞井筒壓力控制，實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)、起下鉆、接單根過程中的壓力平穩(wěn)銜接。如圖1所示，一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，包括自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)10、泵系統(tǒng)20和自動(dòng)控制系統(tǒng)30，自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)10接收來自自動(dòng)控制系統(tǒng)30的命令，進(jìn)行流量控制，及時(shí)調(diào)整泵系統(tǒng)20的回壓，泵系統(tǒng)按2照所述控制系統(tǒng)30給出的鉆井工況要求對控壓鉆井4進(jìn)行操作。
[0043]自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)10包括三個(gè)節(jié)流通道,具備自動(dòng)節(jié)流、冗余節(jié)流切換、安全報(bào)警、出口流量監(jiān)測等功能。PV-A閥11為主節(jié)流閥，在正常鉆井時(shí)使用。只有在節(jié)流閥PV-A閥11工作異?；虬l(fā)生堵塞時(shí)才自動(dòng)啟動(dòng)節(jié)流閥PV-B閥12，關(guān)閉節(jié)流閥PV-A閥11的通道。節(jié)流閥PV-C閥13為輔助節(jié)流閥，在停止循環(huán)時(shí)，回壓泵啟動(dòng)后通過該閥節(jié)流加回壓。EV-A閥14,EV-B閥15，EV-C閥16為三個(gè)電磁閥，輔助節(jié)流閥PV-A閥11、PV_B閥12、PV_C閥13進(jìn)行對應(yīng)的切換操作。自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)10接收來自控制中心32的命令，進(jìn)行流量控制，及時(shí)調(diào)整回壓。自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)10是控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置的重要部分。
[0044]泵系統(tǒng)20包括泥漿泵21和回壓泵22。泥漿泵21是控壓鉆井4的動(dòng)力源，通過泥漿泵21將泥漿注入井中，進(jìn)行鉆井操作?；貕罕?2的主要作用是在泥漿泵21停泵的作業(yè)過程中進(jìn)行流量補(bǔ)償，提供節(jié)流閥工作必要的流量。它也能在整個(gè)工作期間，排量過小時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行流量補(bǔ)償，維持井口節(jié)流所需要的流量?？刂浦行?2按照不同鉆井工況要求，對泵系統(tǒng)20進(jìn)行相應(yīng)操作，從而實(shí)現(xiàn)不同工況的鉆井操作。
[0045]自動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制中心，現(xiàn)場壓力變送器和流量變送器，采用現(xiàn)場裝置、控制器、上位計(jì)算機(jī)控制的三層遞階控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)采集與監(jiān)測、自動(dòng)控制鉆井等功能。其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，上位機(jī)控制PLC，PLC控制數(shù)字量輸入輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊，上述兩個(gè)模塊通過端子柜控制泥漿泵、回壓泵、電磁閥、電動(dòng)節(jié)流閥、流量變送閥和壓力變壓器。
[0046]控制中心32是自動(dòng)控制系統(tǒng)30的核心，包括上位機(jī)和PLC。上位機(jī)負(fù)責(zé)分析和計(jì)算，PLC控制驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場設(shè)備，PLC接收上位機(jī)的命令，執(zhí)行相應(yīng)操作。
[0047]控制中心32通過變送單元獲得回壓泵22的出口流量、泥漿泵21的總循環(huán)流量、泥漿泵21的出口流量、井口壓力、回壓泵22的出口壓力、井底壓力、電動(dòng)節(jié)流閥11開度、電動(dòng)節(jié)流閥12開度和電動(dòng)節(jié)流閥13開度共9個(gè)模擬量，進(jìn)行相應(yīng)分析計(jì)算后，發(fā)送命令調(diào)節(jié)節(jié)流閥11輸出、節(jié)流閥12輸出和節(jié)流閥13輸出這三個(gè)模擬量以及電磁閥14開關(guān)、電磁閥15開關(guān)、電磁閥16開關(guān)、回壓泵22開關(guān)和泥漿泵21開關(guān)這5個(gè)數(shù)字量達(dá)到控制要求。
[0048]控壓鉆井技術(shù)是用于精確控制整個(gè)井眼壓力剖面的實(shí)用鉆井程序，其目的在于保持井底壓力在設(shè)定的范圍以內(nèi)。井筒中的井底壓力大小由環(huán)空液柱壓力、環(huán)空循環(huán)壓耗、井口回壓以及環(huán)空循環(huán)壓力波動(dòng)構(gòu)成，如下式所示。
[0049]BHP = Pm+AFP+Pc+Paf
[0050]式中各變量單位均為Mpa，其中BHP是井底壓力，Pm是環(huán)空液柱壓力，AFP是環(huán)空循環(huán)壓耗，P。是井口回壓，Paf是環(huán)空循環(huán)壓力波動(dòng)。[0051]由此可知，系統(tǒng)需要通過實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前回壓泵22出口流量、泥漿泵21總循環(huán)流量、泥漿泵21出口流量、井口壓力、回壓泵22出口壓力、井底壓力及相關(guān)電動(dòng)節(jié)流閥開度大小，并進(jìn)行判斷和計(jì)算，然后調(diào)節(jié)各電動(dòng)節(jié)流閥的開度大小，開關(guān)相應(yīng)電磁閥，從而將井底壓力穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。
[0052]當(dāng)然，在不同工況條件下，控壓鉆井系統(tǒng)有不同的控制需求，其主要包括以下幾個(gè)情況。
[0053](I)正常鉆進(jìn)工況
[0054]正常鉆進(jìn)工況下，系統(tǒng)依據(jù)采集的井口壓力，泵流量等，實(shí)時(shí)比對實(shí)際井筒壓力與目標(biāo)壓力，依據(jù)其差值，相應(yīng)給出節(jié)流閥控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對井筒壓力控制的目標(biāo)。
[0055](2)接單根工況
[0056]控壓鉆井停泵接單根時(shí)，井筒壓力控制采用回壓泵22配合的方式完成。停泵之前將回壓泵22打開，停泵過程中(泥漿泵21泵排量逐漸降低至零)通過節(jié)流閥進(jìn)行壓力控制，泥漿泵21完全停止后，通過回壓泵22在井口增加部分回壓以補(bǔ)償環(huán)空循環(huán)壓耗，從而實(shí)現(xiàn)停泵過程中的井筒壓力平穩(wěn)過渡。接單根完成后，逐漸打開泥漿泵21，通過節(jié)流閥進(jìn)行壓力控制，直至泵排量恢復(fù)至正常鉆進(jìn)排量，然后關(guān)閉回壓泵22，回到正常鉆進(jìn)工況，繼續(xù)鉆進(jìn)。
[0057](3)起下鉆工況
[0058]起下鉆過程的井筒壓力控制與接單根類似，采用回壓泵22配合的方式完成。先停泵，參照接單根中停泵壓力控制方法。通過旋轉(zhuǎn)控制頭起鉆至預(yù)定深度，按重漿驅(qū)替工藝，替入重漿壓井，直至井口回壓為O。在起下鉆過程中，由節(jié)流閥控制井口套壓，回壓泵22實(shí)時(shí)提供壓力補(bǔ)償，維持目標(biāo)井底壓力連續(xù)穩(wěn)定。
[0059](4)井涌和溢流工況
[0060]判斷是否發(fā)生溢流和井漏的方法是計(jì)算泥漿泵流量FT1、回壓泵流量FT2與循環(huán)總流量FT3之間的關(guān)系。若FT1+FT2-FT3 > A Vm，則進(jìn)入溢流處理模式；若FT3-FT1-FT2 >A Vm，則進(jìn)入井漏處理模式，其中A Vm為允許誤差值。判斷完工況，就可以按照對應(yīng)程度，控制節(jié)流閥開度，直至滿足要求。
[0061]一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，對鉆井過程的自動(dòng)鉆進(jìn)工程進(jìn)行自動(dòng)控制，保證鉆井過程安全有序，節(jié)省人力物力，提高鉆井效率，控制方法流程如圖3所示，具體步驟如下:
[0062]I)通過判斷不同模式的標(biāo)志位，來決定當(dāng)前系統(tǒng)處于什么模式；
[0063]2)進(jìn)入正常鉆進(jìn)模式，并將其他模式標(biāo)志位清零、控制參數(shù)初始化，采取相應(yīng)的控制方案；
[0064]或，
[0065]3)進(jìn)入接單跟模式，將標(biāo)志位和控制參數(shù)初始化，開啟回壓泵，回壓泵開啟成功后，逐漸減小泥漿泵的出口流量，最終關(guān)閉泥漿泵，用回壓泵來保持井口壓力，進(jìn)行接單根操作，接單根完成后開啟泥漿泵，關(guān)閉回壓泵，最終回到正常鉆進(jìn)模式；
[0066]或，
[0067]4)進(jìn)入起下鉆模式，標(biāo)志位和控制參數(shù)初始化，關(guān)閉泥漿泵開啟回壓泵，完成后，就始起鉆或者下鉆，當(dāng)起下鉆工藝完成后，開啟泥漿泵，停止回壓泵，回到正常鉆進(jìn)狀態(tài)；
[0068]或，[0069]5)進(jìn)入井涌、溢流工況，利用模糊控制進(jìn)行井漏或溢流處理，使井口壓力設(shè)定修正值=井口壓力設(shè)定修正值+ (注入流量-排出流量)*0.01，處理結(jié)束。
[0070]本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例上述步驟中每個(gè)工作模式的具體實(shí)現(xiàn)如下:
[0071](I)正常鉆進(jìn)模式
[0072]正常鉆進(jìn)模式是控壓鉆井過程中的正常運(yùn)作時(shí)間段，在這個(gè)模式下，系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)監(jiān)控當(dāng)前壓力狀況，并通過控制算法自動(dòng)調(diào)整壓力，使其維持在安全范圍，保證正常鉆進(jìn)。正常鉆進(jìn)模式分為A、B模式，A為主，B為輔，當(dāng)A出現(xiàn)問題時(shí)，就利用B代替，起到冗余作用。
[0073]正常鉆進(jìn)狀態(tài)的程序流程圖如圖4所示，具體操作步驟為:當(dāng)系統(tǒng)處于正常鉆進(jìn)時(shí)，其他標(biāo)志位清零，若為A模式，開通A電磁閥，關(guān)閉B電磁閥，設(shè)置對應(yīng)PID參數(shù)，判斷井底壓力變化，調(diào)整節(jié)流閥開度出模式開通B電磁閥，關(guān)閉A電磁閥，設(shè)置對應(yīng)PID參數(shù)，判斷井底壓力變化，調(diào)整節(jié)流閥開度。
[0074](2)接單根模式
[0075]在接單根模式下，首先是將標(biāo)志位和控制參數(shù)初始化。初始化完成后，就要開啟回壓泵，回壓泵開啟成功后，逐漸減小泥漿泵的出口流量，最終關(guān)閉泥漿泵，用回壓泵來保持井口壓力，此時(shí)就可以進(jìn)行接單根操作。接單根完成后開啟泥漿泵，關(guān)閉回壓泵，最終回到正常鉆進(jìn)模式。程序流程圖如圖5所示。
[0076](3)起下鉆模式
[0077]起下鉆模式是模擬鉆井時(shí)的起鉆和下鉆過程。首先是標(biāo)志位和控制參數(shù)初始化。然后與接單根模式相同，停泥漿泵開回壓泵。完成后，就開始起鉆或者下鉆。當(dāng)起下鉆工藝完成后，開啟泥漿泵，停止回壓泵。最后，回到正常鉆進(jìn)狀態(tài)。其方法流程圖如圖6所示。
[0078](4)井涌、溢流工況
[0079]在實(shí)際現(xiàn)場中，由于各種因素會(huì)出現(xiàn)井涌、溢流等工況，為了更好的反應(yīng)實(shí)際情況，實(shí)驗(yàn)裝置也設(shè)計(jì)了這一工況的處理程序。而且，為了達(dá)到更好的控制效果，系統(tǒng)采用了模糊處理方法，使系統(tǒng)在處理井涌、溢流工況時(shí)的操作更加平穩(wěn)、安全和有效。
[0080]模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括以下幾方面:確定模糊變量，精確量的模糊化，建立模糊規(guī)則，解模糊等。
[0081]I)確定模糊變量
[0082]通過分析計(jì)算泥漿泵流量、回壓泵流量之和與循環(huán)總流量的差值及其變化率情況，可以判斷確定是否發(fā)生溢流和井漏等異常工況。若泥漿泵流量和回壓泵流量的總和大于循環(huán)總流量，則為井漏；若泥漿泵流量和回壓泵流量的總和小于循環(huán)總流量，則為溢流。因此確定模糊控制器的輸入量即泥漿輸入與輸出流量差值E及其變化率Ek,輸出量為井底壓力的設(shè)定值變化量ASP。
[0083]2)確定輸入輸出論域
[0084]輸入輸出變量模糊子集如下:
[0085]E= {NB, NM, NS, O, PS, PM, PB}
[0086]Ek= {NB, NM, NS, O, PS, PM, PB}
[0087]Δ SP= {NB, NM, NS, O, PS, PM, PB}
[0088]式中NB，匪，NS，O, PS, PM，PB分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、保持不變(零)、正小、正中、正大。
[0089]根據(jù)資料和實(shí)驗(yàn)分析，選取各輸入量和輸出量的論域?yàn)?
[0090]輸入變量E 的模糊論域取[-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1,0,0.1,0.2,0.3,0.4，
0.5]。
[0091]輸入變量EK 的模糊論域取[-0.5，-0.4，-0.3，-0.2，-0.1,0,0.1,0.2,0.3,0.4，
0.5]。
[0092]輸出變量ASP 的模糊論域取[_5，-4，-3，_2，_1，0，1，2，3，4，5]。
[0093]3)建立輸入輸出變量隸屬度賦值表。
[0094]表1輸入變量E隸屬度賦值表
【權(quán)利要求】
1.一種控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，包括自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)、泵系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，所述自動(dòng)控制系統(tǒng)對現(xiàn)場參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)控，控制所述自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)和所述泵系統(tǒng)，所述自動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)接收來自所述自動(dòng)控制系統(tǒng)的命令，進(jìn)行流量控制，及時(shí)調(diào)整所述泵系統(tǒng)的回壓，所述泵系統(tǒng)按照所述控制系統(tǒng)給出的鉆井工況要求對所述控壓鉆井進(jìn)行操作。
2.如權(quán)利要求1所述的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述動(dòng)節(jié)流系統(tǒng)包括三個(gè)節(jié)流通道:節(jié)流閥PV-A通道、節(jié)流閥PV-B通道和節(jié)流閥PV-C通道，其中，所述PV-A為主節(jié)流閥，在所述節(jié)流閥PV-A工作異?；虬l(fā)生堵塞時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)所述節(jié)流閥PV-B，關(guān)閉所述節(jié)流閥PV-A的通道，所述節(jié)流閥PV-C為輔助節(jié)流閥，在停止循環(huán)時(shí)，回壓泵啟動(dòng)后通過所述PV-C閥流加回壓，EV-A、EV-B和EV-C為三個(gè)電磁閥，分別接在所述PV_A、PV_B和PV-C節(jié)流閥通道上，輔助所述節(jié)流閥PV-A、PV-B, PV-C進(jìn)行對應(yīng)的切換操作。
3.如權(quán)利要求2所述的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述泵系統(tǒng)包括泥漿泵和回壓泵，所述泥漿泵是控壓鉆井的動(dòng)力源，通過泥漿泵將泥漿注入井中，進(jìn)行鉆井操作，所述回壓泵在泥漿泵停泵的作業(yè)過程中進(jìn)行流量補(bǔ)償，提供節(jié)流閥工作必要的流量，所述回壓泵在整個(gè)工作期間排量過小時(shí)，對系統(tǒng)進(jìn)行流量補(bǔ)償，維持井口節(jié)流所需要的流量。
4.如權(quán)利要求3所述的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述自動(dòng)控制系統(tǒng)包括控制中心，現(xiàn)場壓力變送器和流量變送器，所述控制中心包括上位機(jī)和PLC，所述PLC接收所述上位機(jī)的命令，控制現(xiàn)場裝置執(zhí)行相應(yīng)操作，采用現(xiàn)場裝置、PLC、上位計(jì)算機(jī)控制的三層遞階控制結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求4所述的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述控制中心軟件使用組態(tài)王和PLC編程實(shí)現(xiàn)，所述上位機(jī)采用組態(tài)王軟件進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，所述PLC采用梯形圖編寫程序。
6.如權(quán)利要求4所述的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述自動(dòng)控制系統(tǒng)通過所述現(xiàn)場壓力變送器和流量變送器獲得回壓泵出口流量、泥漿泵總循環(huán)流量、泥漿泵出口流量、井口壓力、回壓泵出口壓力、井底壓力、電動(dòng)節(jié)流閥PV-A開度、電動(dòng)節(jié)流閥PV-B開度和電動(dòng)節(jié)流閥PV-C開度共9個(gè)模擬量，進(jìn)行相應(yīng)分析計(jì)算后，發(fā)送命令調(diào)節(jié)節(jié)流閥PV-A輸出、節(jié)流閥PV-B輸出和節(jié)流閥PV-C輸出這3個(gè)模擬量以及電磁閥EVA開關(guān)、電磁閥EVB開關(guān)、電磁閥EVC開關(guān)、回壓泵開關(guān)和泥漿泵開關(guān)這5個(gè)數(shù)字量。
7.如權(quán)利要求1所述的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述鉆井工況為正常鉆進(jìn)工況、接單根工況、起下鉆工況或井涌和溢流工況。
8.—種如權(quán)利要求1-7任一所述的控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)通過判斷不同模式的標(biāo)志位，來決定當(dāng)前系統(tǒng)處于何種模式； 2)進(jìn)入正常鉆進(jìn)模式，并將其他模式標(biāo)志位清零、控制參數(shù)初始化，采取相應(yīng)的控制方法； 或， 3)進(jìn)入接單跟模式，將標(biāo)志位和控制參數(shù)初始化，開啟回壓泵，回壓泵開啟成功后，逐漸減小泥漿泵的出口流量，最終關(guān)閉泥漿泵，用回壓泵來保持井口壓力，進(jìn)行接單根操作，接單根完成后開啟泥漿泵，關(guān)閉回壓泵，最終回到正常鉆進(jìn)模式； 或，4)進(jìn)入起下鉆模式，標(biāo)志位和控制參數(shù)初始化，關(guān)閉泥漿泵開啟回壓泵，完成后，就始起鉆或者下鉆，當(dāng)起下鉆工藝完成后，開啟泥漿泵，停止回壓泵，回到正常鉆進(jìn)狀態(tài)； 或， 5)進(jìn)入井涌、溢流工況，利用模糊控制方法進(jìn)行井漏或溢流處理，使井口壓力設(shè)定修正值=井口壓力設(shè)定修正值+ (注入流量-排出流量)*0.01，處理結(jié)束。
9.如權(quán)利要求8所述控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，其特征在于，所述步驟2)中正常鉆進(jìn)模式控制方法具體步驟如下: 1)其他標(biāo)志位清零； 2)若為A模式，開通A電磁閥，關(guān)閉B電磁閥，設(shè)置對應(yīng)PID參數(shù)，判斷井底壓力變化，調(diào)整節(jié)流閥開度； 3)若為B模式開通B電磁閥，關(guān)閉A電磁閥，設(shè)置對應(yīng)PID參數(shù)，判斷井底壓力變化，調(diào)整節(jié)流閥開度。
10.如權(quán)利要求8所述控壓鉆井實(shí)驗(yàn)裝置的控制方法，其特征在于，所述步驟5)所述模糊控制方法的具體步驟如下: 1)確定模糊變量； 2)精確量的模糊化； 3)建立模糊規(guī)則； 4)解模糊。`
【文檔編號(hào)】E21B21/08GK103775049SQ201410033562
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】劉寶, 孫寶江, 王志遠(yuǎn), 劉飛, 張文杰, 劉群峰, 李哲, 高娜 申請人:中國石油大學(xué)(華東)