空气钻井安全监测系统的研究与设计.pdf

石 油机械 C H 1 N A P E T R O L E U M M A C H I N E R Y 2 0 1 0年 第 3 8 卷 第 1期 ． 一 检测诊断 空气钻 井安全监测 系统 的研究与设计 李 进 刘衍聪 姜 浩 中国石油大学 华 东机电工程 学院 摘要 针对空气钻井所带来的一些有别于常规钻井液钻井的新问题 以及单靠传统的大型综合 录井仪获取的钻井过程信息 已不能满足要求的问题，设计开发 了小型 、配置灵活、功能开放 、成 本较低的空气钻井安全监测系统。现场应用表明，该系统不但 能准确 、快速地监测空气钻井过程 中的各参数值，还可以准确地判断钻井过程出现的钻遇油层 、气层 、水层和井下燃爆等钻井状态， 达到实时指导钻井的 目的，具有较高的推广应用价值。 关键 词 空 气钻 井 安全 监测 系统 钻 井状 态 空气钻井以空气作为循环介质 ， 并且是绝对的 欠平衡 ， 因此当空气钻井钻遇油气层时油气便会涌 人井 内，而且 由于井下温度 高檄 易产 生燃爆 。 在空气钻井过程 中如果地层出水 ，会使岩屑粘结 、 钻屑变大从而使钻具转动扭矩增大 ，甚至发生卡钻 事故。空气钻井要求发现气层和预估气层的产量 ， 并且要考虑地层 中的天然气及其他非烃类气体受空 气稀释浓度降低 的因素。原有气体检测灵敏度太 低，已很难满足要求 ，而且无法对气层产量做出正 确估计。另外，钻井过程钻遇 H ， S气层 时，如果 不能及时发现将产生灾难性事故。从普及程度和空 气钻井的特殊性来看 ，单靠传统的大型综合录井仪 已不能满足要求。鉴于此，笔者开发了空气钻井安 全监测系统，专门用于空气钻井 ，达到实时指导空 气钻井的目的 』 。 1 安全监测 系统简介 空气钻井安全监控系统主要 由无水 除尘装置 保证气体湿度测 量 、主仪表 箱、信号调 理盒 、 无线传输模块和装有相应程序的工业控制计算机组 成 。它利用工业控制计算机对钻井全过程进行信息 采集 、数据处理 、事故推理判断及数据存储 。现场 所有实时数据由硬件和各信号处理器进行采集和处 理 ，再通过信号调理盒与无线传输模块连接 ，计算 机远程接收数据进行再处理。 1 ． 1 主 要功能及 特点 1 在钻井过程中对一些参数 气体压力、温 度和湿度等进行实时测量。可通过门限设置其 门 限值 ，当参数超越门限值即发出声光报警，并可对 数据进行历史查询。 2 可判断 H， S含量超 标 、钻遇气 层、井 下 出现燃爆和地层出水现象 ，并发出声光报警 。 3 可用实时 曲线 的形式动态地显示最近 3 0 m i n的参数值 ，可以直观地观察每个参数值的变化 趋势 ，并可以选择 0～1 0 0 ％ 、0～5 0 ％ 和 0～ 2 0 ％ 3个量程以适应监测值的大小。 4 系统将根据不同的井 号实时保存所测量 的参数值 ，可以进行某个或多个参数的数据回调 ， 并以曲线的形式显示。采用开放式开发方式 ，数据 库共享，可以进行原始数据查询。 1 ． 2 性 能指标 H2 S气体 质量分数 0～1 0 0 ／ 1 0 。 ，精 度 ≤ 0 ． 3％ C H 气体 质量分数 0～ 5 0 0 0 0 ／ 1 0 。 ，精度 ≤ 0 ． 3％ C H 气 体体 积 分数 0～1 0 0 ％，精 度 ≤ 0． 3 ％ C O 气体 质量分数 0～ 5 0 0 0 0 ／ 1 0 ，精 度 ≤ 0． 5 ％ C O气体 质 量 分数 0～5 0 0 ／ 1 0 。 ，精 度 ≤ 0 ． 3％ O 2 气体 体积分数 0～ 2 5 ％ ，精度 ≤ -．t- O ． 5 ％； 气体温度 ～ 4 0～ 8 0℃ ，精度≤ 0 ． 5℃ 气体湿度 0～1 0 0 ％R H，精度≤ 3 ％R H； 气体压力 0～1 2 MP a ，精度 0 ． 2级。 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 1期 李 进等 空气钻 井安全监 测 系统的研 究与设计 2 工作流程及 工作 原理 2 ． 1 工 作流 程 空气钻井安全监测系统工作流程见图 1 。 堕 军 矍 ．二 丝 益 塞 无 觋 L 垂 丝 堡 塑 『 l 屏蔽电线 传输 l 屏蔽电线 丽 取 取样 管线 J l 工 业 控 制 计算 机 系 统 排 砂 管 线 图 1 空气钻 井安全监测 系统 工作 流程 当注气循环及正常钻进时，系统将在排砂管线 取样 口对井 眼环空返 出的气体分 流取样 。取样 气体经除尘处理后进入主仪表箱 ，最后 由主仪表箱 排气 口排出。取样气体在主仪表箱 内流动时，各传 感器将对其 中 C O 、C O、0 、H 。 S 、C H 含量及压 力 、温度和湿度进行测量 ，电流通过信号调理盒进 行采集处理调理 ，并由信号发射模块将各组数据信 号以无线传输 的方式发射至信号接收模块 ，最后通 过屏蔽电线传人计算机系统 。相关的软件对传人的 原始数据进行处理 ，然后进行实时显示 、数据库存 储和分析判断，以完成一定的井下状况判断。 2 ． 2工 作原理 空气钻井安全监测系统 的工作原理是通过设定 各检测参数的门限，在监测到参数值超越 门限值时 发出声光报警。因而 当 C H 气体参数值变大并持 续保持高浓度时就可以断定可能钻遇气层 ，需及时 停钻并采取相应措施 以防发生事故 。系统还可通过 对参数值 的分析来判 断 神经 网络判 断井下可 能出现 的特 殊状 况。虽 然井 下燃 爆形 式 多样 J ， 但都遵循 以下反应式 4 C H 3 凡， n 0 2 2 n C O 22 n C O 2 mH 2 0 1 因此 ，只要着重监测返出气体 中 0 、C O 、C O的 含量 ，根据返回气体 的温度变化就可判断井下是否 发生燃爆_ 3 J 燃爆 则发 出警 报 ，提 示工作 人员做 出相应处理 ，防止发生事故。系统还可根据返出气 体湿度 、压力和温度来判断底层出水现象。 3 软件设计 3 ． 1 系统软 件 的功 能结构 监测系统软件基于 V B 6 ． 0开发 ，为 了有效管 理从现场采集到的数据 ，实现对数据的实时分析与 历史查询 ，引入了 A c c e s s 数据库 ，并 由 V B 6 ． 0完 成对该数据库 的写人与查询 。系统对数据采取 分井分天存储的方法 ，即在每口井的数据存储文件 夹下 ，每天都 自动创建 1 个 以当天 1 3 期为名称的新 数据库 ，从而成功解决了写人数据量庞大与 A c c e s s 数据库容量有 限的矛盾。监控系统软件功能结构见 图 2 ，主要 由初始化模块 、数据存储模块 、显示输 出模块和实时报警模块 4个部分组成 。 空 气 钻 井 安 全 监 测 系统 初 始化模 块 数 据存 储模 块 显示输 出模 块 实 时报警 模 块 井 号设置 传感 器标 定 参数 门 限设置 密码 设置 参 数值存 储 参 数超 限存储 工 况报警 存储 状态 显示 实 时数据 显示 实 时曲 线显示 历 史曲 线显示 历 史曲 线打印 参数超 限报警 工 况报 警 图 2监 控 系统 软 件 功 能 结 构 1 初始 化模块 主要 完成 系统 参数 的设定。 井号的设置可以使每口井的数据储存在 以井号命名 的文件夹内，以方便 以后对数据查询 ；对传感器的 软件进行标定 ，以补偿传感器零漂 、温漂或传感器 老化造成的误差 ，使测量值更精确 ；门限设置用于 设置参数的上限值或下限值。 2 数据存储 模块主要完成测量数 据和报警 信息的存储 。参数值存储是指 系统将所测量 的 原始数据全部存 入 A c c e s s数据库 ，以便 系统调用 分析和历史查询 ；参数超限存储和工况报警存储是 指系统将对每次发生的报警时间 、报警原因和报警 解除时间进行存储 ，以便查询。 3 显示输出模块主要完成钻井状态、监测参 数数值 、监测参数 曲线 、监测参数历史 曲线 的显示 及打印。状态显示主要包括系统 的各参数值是否正 常 、系统通讯是否正常 、传感器运行是否正常、是 否发生燃爆和底层 出水现象；实时曲线显示 的是最 近 3 0 m i n的数据 ，动态显示参数值 的变化趋势 ，并 可根据数据的大小选择合适的量程 以便观察；历史 曲线显示和打印是指用户可以查询保存的数据 ，使 其 1 个或多个参数显示在同一画面下，以便观察。 4 实时报警模块 可实现参数超限报警和钻 井工况报警。当测量参数超 出所设门限时会发出声 光报警 ；工况报警是指系统通讯出现故障、传感器 下转第 5 9页 一一 一一一一 2 0 1 0年 第 3 8卷 第 1期 刘 庆等 新型压裂液配液站设计及应 用 室粘度为 2 8 m P a S ，在混配系统 出口取样 ，基液 粘度为 2 4～ 3 1 mP a S ，达到实验室粘度的 8 6 ％ 以 上。经过储液池高速搅拌 ，在发液 出口取样 ，基液 粘度均在 3 4 m P a S 以上 ，可以达到实验室粘度的 1 2 1 ． 5 ％ ，基本消除 “ 水包粉”现象。用基液与交 联剂进行交联试验，交联情况 良好。 截至 2 0 0 8年 7月 9日，配液站 l 5个工作 日累 计配制石油压裂基液 4 4 2 0 m ，平 均每天配制 2 9 5 n l ，单 日最高配液 6 0 0 m 。设备运行稳定，发液速 度快 ，基液的配液量完全可以满足甘谷驿采油厂压 裂作业需求，配液和添加剂加入过程只需 1 人控制， 将工人的劳动强度降到最低 ，真正实现了 自动、高 效配 液。 4 结束语 新型压裂液配液站经过设备调试和生产试运行 ， 结果表明，新型压裂液配液站配制速度快 ，自动化 程度高 ，基本消除 了压 裂液配制 过程 中的 “ 水包 粉”现象 ；基液粘度释放速度快，胶 液溶涨充分 ， 液体均匀 ，携砂能力强 ；在 同等基液粘度要求下 ， 比原始配液工艺的配比浓度低，胶粉消耗少 ；添加 剂品种齐全，添加精度高，产出的压裂液性能优 良。 新型压裂液配液站的各项性能指标均达到设计 要求 ，配液工艺独特 、技术先进 ，具有广阔的推广 应用前景 。 参考文献 [ 1 ] 赵福麟 ．压裂液 [ J ]．华东石油学院学报 自然科 学版 ，1 9 8 6 ，1 0 3 7 0 8 6 ． [ 2 ] 佟立军 ．机械搅拌槽挡板的研究 [ J ]．有色设备， 2 0 0 5 3 1 71 9 ． 第一作者 简介 刘庆 ，助 理工 程师 ，生 于 1 9 8 2年 ， 2 0 0 7年毕业于哈尔滨工业大学 机械设计 及理论 专业 ，获硕 士学位 ，现从事石油压裂液混配设备的研究和设计T作 地址 1 0 0 O 4 4 北京市西城 区。 电话 0 1 0 8 8 3 9 9 6 6 2 。E ma i l l i u q i n g b g r i mm．C O n l 。 收稿 日期 2 0 0 9～ 0 7一l 2 本文编辑刘锋 上接 第 5 5页 出现故障 、钻遇 天然气层 、钻遇 H S气 层 、井 下 燃爆或地层出水现象时会发出声光报警 ，以通知工 作人员采取相应措施 ，防止发生事故。 3 ． 2系统软 件的 实现 空气钻井安全监测系统软件主要通过系统的主 界面 、实时曲线显示界面 、历史曲线查询界面、报 警纪录显示界 面 、传感器标定 界面 、门限设 置界 面 、密码修改界面和帮助界面来实现。 系统软件具有以下特点 功能强大 ，能 自动识 别井场工况并显示 内部 工作状态 ，切换 画面方便 ； 可选量程对数据进行 曲线显示 ，数据变化趋势显而 易见 ；开放式数据库便于录井数据的管理。 4 现场应用 2 0 0 9年 3月 ，将 空 气 钻 井 安 全 监 测 系统 应 用 在川庆气体钻井过程 中，成功监测到川庆某空气钻 井钻遇天然气层的现象。现场应用表明，空气钻井 安全监测系统能快速监测空气钻井过程 中的各参数 值 ，还可以准确判断钻井过程 中出现的钻遇油层 、 气层 、水层和井下燃爆等状态 ，达到实时指导钻井 的 目的，具有较高的推广应用价值。 [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] 参考文献 李江全 ，张丽 ，岑 红蕾 ． V i s u a l B a s i c串 [ J 通 价 j 测控应用技 术实 战详解[ M]．北 京 人 民邮 } ⋯ 版社 ，2 0 0 7 3 4 6 5 ． 戴永 寿 ，马西庚 ，张卫 ，等 ．油 气 田生 产 外个j 』 程钻井监测系统 [ J ]．石油学报，2 0 0 3 ，2 4 5 9 9一l 03． 冯靓 ，陈一健 ，张 昆 ，等 ．空气钻 井井下燃 爆 监测系统[ J ]．石 油机 械 ，2 0 0 7 ，3 5 5 3 5 3 7，4 0． 张 卫 ，姜 浩 ，戴 永 寿 ．综 合 录井 仪 的研 制 [ J ]． 微计算机信息，2 0 0 3 ，1 9 7 6 46 5 ． 李长林 ，张丽华 ，王红 ． V i s u a l B a s i c数据 库腹 川 系统开发从基础到实践 [ M]．北京电子T、 ⋯ 版社 ，2 0 0 5 5 98 9 ． 第一作者简 介 李进 ，生 于 1 9 8 6年 ，中国石油大 、 华东机电工程学院在读硕士研究生，研究方向为机I U 一 体化 。地址 2 5 7 0 6 1 山东省东 营市 。Em a i l l i j i n l 9 8 4 0 4 0 8 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 0 9～ 0 7一l 8 本文编辑刘锋