一种新型接钻具钻井液防溅装置.pdf

2 O 1 1年第 4 O卷 第 5期第 7 7页 石 油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI P MENT 2 O ， 4 0 5 7 7 ～ 8 0 文 章 编 号 1 0 01 3 4 82 2 01 1 0 5 0 07 7 0 4 一 种新型 接钻具钻井液 防溅装置 胡 永建 ， 邹和 均 ， 席梅 卿 ， 孙 钰 杰 部 钻 探 吐 哈 钻 井 r 艺 研究 院 ， 新 疆 鄯 善 8 3 8 2 0 2 摘 要 在 接钻 具 时 ， 为 了防止钻 井液 喷溅 ， 将压 缩 气体 注入 立 管 以驱 动钻 井液 下行 。设 计 了一 套机 电一体 化装置 用 于气体 自动 注入 ， 该设备 包括 用 于流量控 制 的 气动 高压 球 阀 、 压 力 变送 器 、 PI C控 制 器及 人机界 面等 。试验 结 果表 明 该设 备 可以减 少接 钻 具 时的 泥 浆喷 溅 ， 改善 工作 环境 ， 减 轻 劳 动 强度 ， 消除 事故 隐患 ， 在 钻 井领域 具有 良好 的应 用前景 。 关 键词 钻 井液 ； 接 单根 ； 喷溅 ； P I C 中图分类 号 TE9 2 1 ． 4 文 献标识 码 B Ne w Ty p e Dr i l l Fl u i d S pl a s h Pr e v e nt i o n S y s t e m f o r Dr i l l i ng To o l Co n n e c t i o n HU Yo n g j i a n， Z oU He j u n， XI Me i q i n g， S UN Yu j i e Tu ha Dr i l l i n g Te c hn o l o gy Re s e ar c h I ns t i t ut e， XDEC， Shan s han 83 82 02， Chi na -”- 4 -“- - 一一- 4 -“十一 ” “一～- ”一一”一 一一十一”十“一十一十一””十一十一 ”十一十一”一 “十一十”” 一十一 - ” 一 十一十” “ 十一十 笔者 发现 在求 产 工 况下 ， 管 柱 的螺 旋 弯 曲很 严 重 ， 有 限元 仿 真 得 到管 柱 最 大 Mi s e s 应 力 比另外 2 种 工况下 的要 大得多 ， 此 时可 以通过式 3 来 进 行强 度 校核 ， 即 ≤[ ] 一 3 “ 式 中 ， 为管柱 实 际承 受最 大 应力 ， MP a ； [ ] 为 最 大 许 用应力 ， MP a ； a为 安 全 系数 为 管 材 的 屈 服 强 度 ， MPa 。 4 结 论 1 当管柱 底部 受到较 大 的压缩 力时会 发生 明 显 的螺旋 弯 曲现象 ， 随着其 底部 压缩力 的增 大 ， 螺旋 弯 曲越来越 严重 ， 并且 螺旋 弯 曲是周期 性 的 ， 左旋 右 旋 相互交 替 。此时 ， 越接 近封 隔器 ， 管 柱 的 Mi s e s 应 力 越大 ， 最 大 Mi s e s 应 力位 于 紧 临封 隔 器 的管 柱 壁 上 ， 管柱 弯 曲最 厉害 的地方 位 于联接封 隔器 处 ， 越往 上 ， 螺旋 弯曲逐 渐减 弱 ， 这些 都 与工程 实际规 律 和管 柱 力学理论 相 吻合 。 2 内外压 力差 对管柱 有 限元 仿 真结果 的影 响 比较 大 ， 管 柱有限元仿真最 大 Mi s e s 应力 随管柱 内外 压力差 的增大而不断增 大 ， 螺 旋弯 曲现 象也越来越 严 重 ； 可 以根据内外压力差影 响分析优选 出管柱能 承受 的最 大内外压力差 ， 起 到指导 现场施工 的 目的。 3 本文 提 出的高压 射孔测 试管 柱有 限元分析 方 法能较 为真 实地 反 映 出射 孔 测 试 管柱 力 学 行 为 ， 对现场施 工具 有一 定 的指 导作 用 。 参 考 文献 [ 1 ]李子丰， 李敬元 ， 马兴瑞 ， 等． 油气井杆管柱动力学基本 方程及应用[ J ] ． 石油学报 ， 1 9 9 9 ， 2 0 3 8 7 9 0 ． 高 华． 管柱在垂直 井眼 中的屈 曲分 析[ J ] ． 西安 石油 学 院学 报 ， I 9 9 6 ， 1 1 1 3 3 - 3 5 ． 王尊 策 ， 李伟 ． 深 层 气 井 压 裂 管 柱 应 力 的有 限 元 分 析 [ J ] ． 科学技术与 _T程 ， 2 0 0 9 ， 9 2 4 0 9 4 l 2 ． 杜现 飞 ， 王 海 文 ， 王 帅 ， 等 ． 深 井 压 裂 井 下 管 柱 力 学 分 析及其应用[ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ， 3 7 8 2 8 3 3 ． Lu b i ns k i A， Bl e n ka r n K A． Bu c k l i ng o f Tu k i ng i n Pu mp i ng we l 1 s ， I t s E f f e c t s a n d Me a n s f o r C o n t r o l l i n g I t [ J ] ． fr a n s．， AI M E， 1 95 7 21 0 7 3 7 8 ． M it c h e l l R F． Bu c k l i n g An a l ys i s i n De v i a t e d W e l l s A Pr a c t i c a l Me t h o d [ J ] ． S P E ． D r i l l i n g C o m p l e t i o n ， 1 9 9 9 ， 1 4 3 1 1 2 O ． 收 稿 日期 2 0 1 0 - 2 9 作者 简 介 胡 永 建 1 9 7 0 一 ， 男 ， 河 南 商水 人 ， 工 程 师 ， 硕 士 ， 1 9 9 5年 毕 业 于 北 京 大 学 物 理 学 系 ， 现 从 事 钻 井 工 艺 技 术 研 究 ， E ma i l h u y o n g J i a n c n p c ． c o m． c n 。 ] ] ] ] ] 心 7 8 油矿场机械 2 0 1 1年 5月 A b s t r a c t I n o r d e r t o p r e v e n t d r i l l f l u i d s p l a s h d u r i n g d r i l l i n g t o o l c o n n e c t i o n， c o n d e n s e d a i r i s i n j e c t e d i n t o s t a n d p i p e t o d r i v e d r i l l i n g f l u i d d o wn ． A s p e c i a l me c h a t r o n i c d e v i c e u s e d f o r a i r a u t o ma t i c i n j e c t i o n wa s d e s i g n e d ． Th i s d e v i c e c o n s i s t s o f s e v e r a l ma i o r p a r t s p n e u ma t i c h i g h p r e s s u r e h a l l v a l u e f o r f l o w c o n t r o l ， p r e s s u r e t r a n s mi t t e r s ， PLC a c t i n g a s a c o n t r o l l e r a n d HM I Hu ma n M a c h i n e I n t e r f a c e e t c ．Th e r e s u l t i nd i c a t e s t ha t t h e s y s t e m c a n r e d u c e s t h e a mo u nt o f d r i l l f l u i d d u r i n g p i p e c o n n e c t i o n， i mp r o v e s wo r k i n g e n v i r o n me n t ， l i g ht e n s l a bo r i n t e n s i t y a n d e l i mi n a t e s a c c i d e n t p o t e n t i a 1 ．The e x pe r i me n t s s ho w t h a t t he me t h o d i s v e r y p r o mi s i n g i n d r i l l i n g f i e l d ． Ke y wo r d s d r i l 1 f l u i d； p i p e c o n n e c t i o n； s p l a s h； PLC 在钻井接 单根操 作过 程 中， 在 卸开 管柱螺 纹时 ， 钻井液经 常溅 出喷洒 在井 台和操作 人 员身 卜及各 类 工具设备上 。如果不及时清理井台上 的钻井 液 ， 容易 造成人员滑跌伤害； 溅在身上的钻井液会腐蚀劳保防 护用品 ， 严重 时会影 响人员健 康 ； 溅 在工 具设 备上 的 钻井液会 导致 工具设 备损 伤及锈 蚀 。溅 出 的钻 井液 因为被 污染 而 不 能继 续利 用 ， 造 成 钻井 液 浪 费。 因 此 ， 钻井液的溅 出既是一 个安全 操作 隐患 ， 也 加大 了 钻井工人的工作强度 ， 有必要加以改善。 目前还 没有较 好 的用于井 口钻井 液 防溅 的装 置 或设备 ， 现场钻井工人在钻进操作 时多采用一些简单 办法尝试解决 这个 问题 ， 但 是效果 不理 想 ， 同时也加 大 了钻工劳 动强度 。使用本文 设计 的新 型接钻具 钻 井液防溅装置 ， 可 以在不 影响 现有接 单根 操作规 程 、 不带来额外工作量、 操作所需时问相当的条件下 ， 极 大减少接单 根操作 时的钻井液溅 出量。 1 工作原 理 卸开钻井 管柱 螺纹 时喷溅 出的钻 井液 主要 由 2 部分 组成 ； ①储存 在卸开螺纹上部 方钻杆 与水龙 头内 的钻井 液 ， 卸 开螺纹时空 气进 入 ， 该部分钻井液 流出； ② 由于环空外 携岩 屑钻井液 密度 高于钻柱 内钻 井液 密度 ， 形成 内外 压力 差导致 下部 钻井 液溢 出。因此 ， 本 文探 索在 卸 开螺纹 前 ， 如何 先清 空螺 纹所 在位 置 上 、 下方的钻井液 ， 以避免钻井 液溅 出。 在接单根操作 前 ， 泥浆 泵停 泵后 ， 将 压缩 气体从 钻井立管中注入 。压 缩气 体在立管 内滑脱 上 升到鹅 颈 管处 ， 驱 动方钻杆及钻柱 内的钻井 液下行 。只要有 合适 的压力 ， 气体会在适 当的时 间内将 钻井液液面驱 动到钻 台之下 ， 随后再卸开螺纹接单根 。由于螺纹上 方 的 方钻杆 及水 龙 带 内 的钻 井液 已经排空 ， 短 时间 内， 下方钻柱 内的钻井液 不会 上涌 ， 在 接单 根时就 可 以避免钻井液溅出 。工作原理如图 1 。 如图 1 所示 ， 在停泵后 ， 开启充气 阀， 压缩气体从 立管接 头注入后上行通往水龙头 ， 然后驱 动钻井 液下 行 ， 当钻井液液面下行 到适 当位置后 ， 关 闭充气阀 ， 开 启卸压 阀卸压 ， 当卸 压完成后 ， 就可 以卸开螺 纹接单 根 了。由于需要较大 的压力 才能快速 驱动钻 井液下 行 ， 因此 在钻井 液到达 合适 位置 后 ， 方钻 杆 内的气体 压力依然较大 ， 需要卸压才能安 全卸开螺纹 。在本装 置中， 使用机 电一体 化控制 系统 ， 所 有 阀门操 作均 可 自动进行 。 2 可行 性试 验 为 了验证工作原 理的可行性 ， 同时确定装置的关 键参数 ， 除了相关理论计算外， 考虑到实际情况的复 杂性 ， 设计 了一系歹 JJ 试验 ， 在温米 、 柯克亚 等油 田连续 进行 了 4次现场试验 。 首先 ， 将井场气源 0 ． 6 tO ． 8 MP a 从立管处直接 注入 ， 当泥浆泵停 泵后 ， 等 待立管 压力 表读数下 降到 零位之后， 开启充气阀， 在等待一段时间后， 卸开螺 纹 ， 发现依然有大量泥浆在螺 纹上方 。说明井场气源 的压力不 足以使 静止状态 的钻井 液在预定 时 间内下 行 到适 当位置 。其 次 ， 使用 了氮气 瓶作为 气源 ， 分别 接入不 同数量的工业 氮气瓶 每个 3 O I ， 以使用不 同 压力 的压缩气源 ． 经过试 验 ， 初 步确定 了某一 钻井深 度驱动静止钻井 液下行 的最小压力 。再次 ， 通过观察 立管压力 表的压力变 化 ， 在泥浆 泵停 泵后 ， 立刻 开启 第 4 O 卷第 5 期 胡永建 ， 等 ⋯种新型接钻具钻井液防溅装置 充气 阀来确定 驱动运动 的钻井 液下行 的最小 压力 ， 为 了避免高压 的钻 井液反侵入气源 管路 ， 在 充气 阀与立 管接 口之 间接人 了 1 个单流 阀。最后 ， 比较 了不 同进 尺的 3个钻 台的试 验最小压力 ， 在 钻井液 密度大 致相 同的情况下 ， 最终确定 了驱动静止及 运动 钻井液 的各 自最小压力 。 经过 一系列可行性试验 ， 证 明使用压缩 气体 推动 钻 井液下行 的思路 是可行 的 ， 在驱 动 效果 、 所需 时间 上 均能满足要求 ； 同时 ， 确定 了不 同进尺 下 、 钻井液 运 动及静止 状态下各 自的驱动压力 ； 试 验得到 的物理 极 限参 数为装置 的硬件结 构设计提供 了必 要的依据 。 3硬 件设 计 3 ． 1 工 艺流程 图 2为接 钻具 钻井 液 防溅装 置 的工 艺流 程 。从 图 2中可 以看到 ， 井 场提供 的 0 ． 6 ～0 ． 8 MP a 压 缩 气 体 经空气增 压器增 压后储 存在储 气罐 中 ， 大约需 要 5 ～ 1 0 m i n可 以使储气罐压 力达到所需压 力 ， 满足接 单 根 间歇 时间的要 求 。储 气罐 中的气 体经 保 护用 的单 流 阀输 出 ， 压力 大小 由 1 号压力 变送器 测量送 往 电控 系统 。充气 阀及卸压 阀均采 用气动高 压球 阀 ， 其气动 执行机构所需 气源也 由井场气 源提供 ， 由 电控 系统控 制开启 与关闭 。手动 阀有安 全保护作 用 ， 在发 生意外 时可 以手 动关 闭 ， 使装置脱离钻 井装置 。卸压 阀与废 液池联通 ， 用于气体 、 钻井液混 合物 的卸压排 出 ， 卸压 时 的压力 由 2号压力变送器监 测 。 图 2 接 钻具 钻 井 液 防溅 装 置 工 艺 流程 为了提高 安全性 ， 2个 防爆压 力变送 器均带 有液 晶显示 ， 可 以随时监控装 置压力 。电控 系统 采集 压力 变送 器的输 出信号 ， 同时经过 中间继 电器控 制 2 个 气 动高压 球阀的通断 ， 该气 动高压球 阀采 用单作 用气 动 执行机构 ， 常开设计 ， 在 出现 紧急情 况 ， 例如井 场气 源 压力不 够等 ， 可 以在不加 电的情况下 断开 。电控 系统 的核 心是 P I C 可编程控制器 ， 配备满足 防爆 要求 的 HMI 人 机接 口 ， HMI 用 于实 时显示 系统组 态 、 压力 数据 等 ， 另外配置有 防爆按 钮执行启停操作 。P I C及 HMI 放置 在 防 爆 盒 中 ， 所 有 电气 设 备 均 满 足 防 爆 要求 。 装置与外部 的接 口有 与立 管连 接用 于注 气 的接 口、 与废液池 连接 用于卸 压 的接 口、 与井 场气 源连 接 的接 口以及 外部 电源接 口。装置 内的空气 增 压器 直 接利用井场 气源 增压 ， 无需 其他 动 力 ， 气 动高 压球 阀 的动作也使 用井 场气 源 。装 置动 力来 源是 井 场气 源 和 电源 。 3 ． 2设备选型 为 了满足井 场的温度 、 压力 、 防爆 等条件 ， 对装 置 使用 的各部件 均进行 了符合条件 的选 型 。 储气罐 的选择 需要 考 虑在钻 井 最深进 尺及 最 大 钻井液密度情 况下 ， 装 置所需 的压缩 气体 的压力及容 量 ， 压力 的大小 与空气增压器相 关 压力越 大 ， 所需储 气罐容量越小 ， 但空 气增 压器 所需 的增压 比越 大 ， 反 之亦反 ； 同时 ， 由于储 气罐是压力 容器 ， 必须符 合 国家 相关的压力容 器计 量检 定 规程 。空气增 压 器选 择 了 进 口的某 品牌 空气增 压器 ， 主要选 型参数是增 压 比及 柱塞流量 ， 需要 考虑储 气 罐工 作压 力 、 储 气 罐容 量及 充满时 间。为 了安 全起 见 ， 单 流 阀的 反 向耐压 为 2 5 MP a 。所有 阀门均选 用耐 压 2 5 MP a 的高 压球 阀 ， 为 了满足抗钻井 液腐 蚀 的要求 ， 材质 选择 为 不锈 钢 ； 充 气阀及卸压阀使用了单作用气动执行机构 ， 由井场气 源供 气 ， 加装 了符 合 防爆 要求 的 限位 开关 ， 为 电控系 统提供反馈信号。压力变送器选用 了罗斯蒙特 3 0 5 1 型智 能防爆压力变送 器 ， 与其 1 1 5 1系列变送 器相 比， 数字化 的设计使设备性 能更稳定 ， 压力 变送器 量程为 2 5 M P a。 电控 系统 的控 制器 选 型经历 了 2个 阶段 。起 初 为 了控 制成本 ， 考虑使用 现有 的嵌 入式 技术 ， 以 A R 8位单片 机 或 A R M7单 片 机 为控 制核 心 ， 选 用 T F T I ． C D作为 显示部 件 ， 这 样做 的好 处是 电控 系统 成 本 低 、 编 程方便 、 显示 效果 好 。考虑 井 场 的恶 劣工作 环 境 ， 郑芸 哲 等 人 选 用 P L C用于 司 钻控 制 系统 。由 于 自行 制作的嵌入式 系统 如果要满足 温度 、 防爆 等要 求 ， 需要更长 的设计 时 间 ， 因此最 终考 虑 使用 现成 的 工业用 P L C及 HMI 。本装置 有 2个 模拟 量输 入 压 力变送 器 ， 4个 数 字 量输 入 气 动高 压 球 阀限 位 开 关 ， 启 停按钮 及 6 个 数字量输 出 气 动高压 球 阀中间 继 电器控制 ， 启停 指示 灯及 报警 指示 灯 输 出 。最终 选择 了德 国西 门子 公 司 的 S 7系 列 P 1 C， 型 号 为 S 7 2 2 4 X P C N， 该 P I C采 用 2 4 V I ’ 供 电， 有 2个模 拟量 8 O 油 矿 场 机 械 2 0 1 1 年 5月 输入 ， 1 4 个数字量 输入及 1 O个数 字 量输 出 。为 了 方便用户 使 用 ， 选 择 了西 门子 的 T P 1 7 7 B P N D P面 板 ， 该面板满足防爆要求 ， 面板等级 I P 6 5 ， 具有触摸屏 功能 ， 使 用 2 5 6色 S T N L C D， 屏 幕 尺寸 为 1 4 4 ． 8 mm 5 ． 7 英寸 ， 3 2 0 X 2 4 0 分辨 率 ， 可 以使用 MP I 多点协 议 与 P L C通讯 3 ； 常 用操 作使 用 防爆 按钮 进行 ， 系 统设置等使用 触摸屏 操作 。 4软件 设计 4 ． 1 软件流程 利 用西门子 S T E P 7 - Mi c r o Wi n软件 ， 使用梯 形 图对 S 7 2 2 4 X P C N型 P L C编程 。 对 于 P L C编程 ， 其 功能可以分 为 白动控制 、 手 动 控制及参数设 定 等 3 部 分 。自动控 制是 装置 的主要 功能 ， 用 于 自动完 成立 管注气 及卸 压操 作 ； 手动 控制 用于特殊情况处理及系统诊断 ； 参数设置 用于不同钻 井平 台的控制参数设定 。本文仅说 明 自动控制过程。 图 2中的 1 号 及 2号变送 器分别 用来 测量 注入 气体 的压力 及立管接 口处 的压力 ， 电控 系统 P L C 控 制 2 个气动 高压球 阀的动作 ， 同时使 用限位开关确定 执行结果 。 图 3 为 自动控 制过 程的顺 序功能 图 。当装 置处 于 自动控制状态 ， 准备接 单根 操 { 乍时 ， 一旦 泥浆 泵停 泵， 立管压力开始下降， 当立管压力低于充气压力一 定值， 并且立管压力保持一定数值时， 开启充气阀向 立管 内充气 。由于井场气 源的流量有限 ， 储气罐 内的 压力 因为气体输 出而下 降 ， 当下 降到设 定值或超过设 定 的等待时 间 ， 系统 关 闭充气 阀停止 充气 。此 时 ， 系 统开启卸压 阀开始卸压 ， 当立管压力低 于设 定值或卸 压时 问超时 ， 系统关闭卸压 阀， 同时发 出完成 指示 在 超 时情 况下 ， 必须 低 于设定 的安全 卸开 螺纹 的压 力 值 。此 时 ， 可以安全卸 开螺纹 。在上 述操作 中 ， 如果 有 任何异 常 ， 系统均立 刻关 闭充 气阀及 卸压 阀 ， 同时 发出警告信号。 4 ． 2 HlV l l组态 装 置 自动控 制的过 程及数 据显示 、 手动控 制过程 以及控制参数设定均通过 HMI 触摸屏 显示状 态并控 制 。使用西 门子 Wi n C C F l e x i b l e 软件 对 T P 1 7 7 B P N D P HMI 组态 ， 建立 HMI 与 P I C的变量映射 。 图 4是 自动控制 的界 面， 可 以实时显示立 管处 的 压力 以及 压缩 气 源出 口的压力 ， 阀 的通 、 断用 红 色 及绿色表示 。按下设置按钮可 以进人 没置界 面， 设置 各类 自动控 制 参 数 ， 也 可 以在 手 动 及 自动 控 制 问 切换 。 『 I启动『 I T - u一 萋 蕈 誊 蒸 离 l 充气 力大 j 立管压力 L ]} 充气 动作 l 充 气 状态卜 _ 十 f 启 充气阀l T _ 一 _ J l 关 卸压阀I 卜 - _ 管 ／ 』 小于没定压力或超时 ]J 卸 E 动作I 卸压状态H关闭充气阀I T _ - J f 开启卸』 E 阀I T 管压力小 j 设定压力或超时 雨 ] I 准备 停止 l 停止 状态广 ] 关 闭充气阀 I 广一 f 关闭卸压阀f 一 图 3自动控制的顺序及功能 4 H M1 自动控制组态界面 5 结 语 目前 ， 接钻具 钻井液 防溅装置的充气阀及卸压阀 均使用 简单 的通 断 控制 ， 未来将 增 加 西 门子 S 7 2 0 0 的 E M2 3 2两路模 拟 量输 出的扩展 模块 ， 完 成对气 动 高压球 阀的流量调节控制 ， 这样不仅可 以实现 流量 的 精确控制 ， 变化 的流量控制也 可以极大减轻系统开关 的流量冲击 。 该装置具有 自动化程度 高、 操作 可靠 、 符合 防爆 要求等特点 ， 可 以广泛应用于现有各 类钻机 。该装置 可以消除溅 出的钻井液带来 的事故 隐患 ， 改 善操作人 员 的工作环境 ， 降低清理钻井液 的工 作强度 ， 使工具 、 仪器设备得到 良好保护 ， 减少钻井液的浪费。 参 考文 献 [ 1 ] 郑芸哲 ， 齐明侠 ， 沈蓉 ， 等． 基 于西 门子 P L C的司钻控 制系统[ J ] ， 彳 了 油矿场讥械 ， t 0 0 g ， 3 7 5 5 3 5 6 ． [ 2 ] 西门子 中圜 有限公 司． s 7 2 0 0 C N可编程序控制器 产 品样本[ z ] ． 2 0 0 8 ． [ 3 ] 西门 子 中国 有 限 公 司． S I MA T I C P a n e l 产 品样本 E Z ] ． 2 0 0 8 ．