[发明专利]一种控压钻井实验装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及石油、天然气钻井领域，尤其涉及一种控压钻井实验装置，模拟控压钻井的工况，满足技术人员进行模拟控压钻井的实验要求。

背景技术

随着已发现油气资源的日渐衰竭，对更深更复杂地层的勘探开发活动越来越多，然而目前采用常规钻井方法进行的钻井勘探，有许多是不经济的且具有较大风险的，而控制压力钻井(MPD)技术是解决上述问题的有效方法。

(1)增加安全性。常规钻井如果出现溢流、井漏、有害气体泄漏等状况是非常危险的。2005年以来，三大石油公司发生安全生产事故161起，死60人，伤199人。特别是2003年12月23日，某县井喷失控事故，造成243人死亡，6万多人紧急疏散。1989年8月12日，我国石油天然气总公司某输油公司油库的特大火灾，造成19人死亡，100多人受伤，直接经济损失3540万元。2006年5月29日，位于印尼东爪哇省徐图祖县的天然气钻井发生事故并喷出热泥浆，淹没了4个村庄，当地1万多居民被迫撤离。而控压钻井技术能够实时获取井底压力数据，并根据压力状况自动进行压力补偿，实现井内压力的自动调控和压力液的不间断循环。同时控压技术使用的是低密度钻井液，既确保了操作安全又实现了平衡钻井、近平衡钻井及欠平衡钻井，预防了在“窄压力窗口”条件下的可能发生的各种钻井事故，使钻井施工作业更加安全可靠。

(2)提高经济效益。由于在常规钻井过程中会发生诸如地层漏失、压差卡钻、钻杆脱扣、地层孔隙压力与地层破裂梯度间压力窗口狭窄等情况，致使出现溢流、井漏、有害气体泄漏、卡钻、起下钻时间过长等钻井复杂问题，从而导致勘探费用大幅度提高，勘探难度大幅度增加。据行业专业人员估计，通过常规钻井方法，不能开发的油气资源达70％左右，造成极大的浪费。而控压钻井技术主要是通过对回压、流体密度、流体流变性、环空液位、水力摩阻和井眼几何形态的综合控制，使整个井筒的压力维持在地层孔隙压力和破裂压力之间，进行平衡或近平衡钻井，有效控制地层流体侵入井眼，减少溢流、井漏、卡钻等多种钻井复杂情况的发生，达到提高经济效益的要求。

然而，由于控压钻井的现场设备较为庞大，造价昂贵，而且国内没有独立研发的设备，国内的控压钻井都是依靠国外的设备，租费用巨大。因此对于研究控压钻井的技术人员很难有机会接触到实际的控压钻井设备，更不用说将自己的创新想法进行实践，这个问题严重地阻碍了控压钻井技术在国内的发展。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种控压钻井实验装置及其控制方法，模拟控压钻井的工况，其特性与实际设备基本一致，满足技术人员进行模拟控压钻井的实验要求。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种控压钻井实验装置，包括完整的硬件设备及对应的控制算法，模拟控压钻井的工况，其特性与实际设备基本一致，满足技术人员进行模拟控压钻井的实验要求。

为实现上述目的，本发明提供了一种控压钻井实验装置，包括自动节流系统、泵系统和自动控制系统，所述自动控制系统对现场参数进行采集和监控，控制所述自动节流系统和泵系统，所述自动节流系统接收来自所述自动控制系统的命令，进行流量控制，及时调整所述泵系统的回压，所述泵系统按照所述控制系统给出的钻井工况要求对所述控压钻井进行操作，PV-A为主节流阀，在节流阀PV-A工作异常或发生堵塞时自动启动节流阀PV-B，关闭节流阀PV-A的通道，节流阀PV-C为辅助节流阀，在停止循环时，回压泵启动后通过所述节流阀PV-C加回压，EV-A、EV-B和EV-C为三个电磁阀，分别接在所述PV-A、PV-B和PV-C节流阀通道上，辅助所述节流阀PV-A、PV-B、PV-C进行对应的切换操作。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述泵系统包括泥浆泵和回压泵，所述泥浆泵是控压钻井的动力源，通过泥浆泵将泥浆注入井中，进行钻井操作，所述回压泵在泥浆泵停泵的作业过程中进行流量补偿，提供节流阀工作必要的流量，所述回压泵在整个工作期间排量过小时，对系统进行流量补偿，维持井口节流所需要的流量。

在本发明的较佳实施方式中，所述自动控制系统包括控制中心，现场压力变送器和流量变送器，所述控制中心包括上位机和PLC，所述PLC接收所述上位机的命令，控制现场装置执行相应操作，采用现场装置、控制器、上位计算机控制的三层递阶控制结构。

在本发明的另一较佳实施方式中，所述控制中心软件使用组态王和PLC中编程实现，所述上位机采用组态王软件进行优化计算，所述PLC采用梯形图编写程序。