宋鵬舉，李彥召，黃民戰(zhàn)，張安治，童明森

中國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 庫爾勒 841000）

0 引言

鉆井試油修井現(xiàn)場作業(yè)中，計量泥漿罐液面、向井筒灌漿的工作均依靠泥漿工觀察浮子式檢測器和帶刻度的標(biāo)尺完成。這種計量泥漿罐液面的方法精度低，計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)場沒有液面監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測井漏和溢流主要依靠泥漿工，人工監(jiān)測計量精度低、觀測滯后且受泥漿工業(yè)務(wù)水平等因素影響。尤其是對于易噴易漏井、高壓井或高含硫等高風(fēng)險井，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)過程中發(fā)生井涌，關(guān)井失敗，后通過實施壓回法壓井，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，在吊罐過程中，灌漿不及時，泥漿罐依靠傳統(tǒng)刻度尺計量，存在一定的延時性與誤差，下尾管過程中漏噴轉(zhuǎn)換，天然氣上竄造成突發(fā)強烈井涌，關(guān)井后沒有形成有效密封，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，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、鉆遇高壓地層等問題，如果控制不及時或者處置方法不當(dāng)就會發(fā)生溢流或井噴失控事故。針對上述問題，設(shè)計研發(fā)了一種在起鉆、下鉆、循環(huán)和靜置4 種工況下，可以自動監(jiān)測溢流、井漏，并自動向井內(nèi)補液的灌漿控制系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)及監(jiān)測智能化，能準(zhǔn)確及時地灌液、計量和發(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)過程中經(jīng)常會遇到地層壓力突變、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，會打破壓力平衡，需要及時監(jiān)測計量罐內(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)計一種自動灌漿控制系統(tǒng)，可以精確監(jiān)測計量罐液面變化，并且實現(xiàn)不同工況下監(jiān)測溢流和井漏情況，判斷是否發(fā)出警報并實現(xiàn)自動灌漿，提升鉆井、試油及井下作業(yè)過程中泥漿罐注機(jī)械化水平，提高作業(yè)過程中井控安全。

1 壓井液自動灌漿系統(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、報警裝置等組成。超聲波液位傳感器安裝在補液罐上，用來檢測補液罐內(nèi)的液位信號；液壓傳感器安裝在指重表壓力傳感器上，用來檢測液壓信號，從而計算分析起下鉆柱數(shù)。

圖1 壓井液自動灌漿系統(tǒng)示意圖

通過按鍵設(shè)置參數(shù)、單片機(jī)計算、顯示和聲光報警，可實現(xiàn)自動補液，實時監(jiān)測溢流、井漏現(xiàn)象并對異常情況報警。

1.2 壓井液自動灌漿系統(tǒng)裝置工作原理

壓井液自動灌漿控制系統(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)測傳感器、超聲波液位傳感器、液壓傳感器等），通過動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和外部開關(guān)信號，進(jìn)行相關(guān)信號轉(zhuǎn)化并輸出灌漿泵控制信號[4-5]，如圖2所示。

圖2 壓井液自動灌漿控制系統(tǒng)

計算機(jī)控制模塊根據(jù)作業(yè)過程中的需求發(fā)出灌漿指令，通過信號控制開啟灌漿泵命令向井筒及時進(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，觸發(fā)液位傳感器，液位傳感器將信號反饋給計算機(jī)控制模塊，計算機(jī)控制模塊發(fā)出停止泥漿灌注指令[6]。根據(jù)實際灌入量與理論灌入量的對比分析，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

壓井液自動灌漿系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 壓井液自動灌漿控制系統(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)計了緩沖器，較好地解決了由于泥漿攪拌引起的液面波動對信號造成的干擾。壓井液自動灌漿系統(tǒng)可以實現(xiàn)循環(huán)、靜止觀察、起鉆、下鉆4 種工況液面監(jiān)測、自動灌漿。通過設(shè)計的“鉆井泵啟停識別”，解決了由于鉆井泵啟動或者停止瞬間造成液面激動而出現(xiàn)誤報警的現(xiàn)象。通過液壓大的動作和游車高度判斷，實現(xiàn)自動數(shù)鉆桿并自動啟動灌漿泵，通過鉆井液溢流檢測裝置與鉆具排代量的比較，自動停止灌漿，可以自動判斷井下為井漏、井涌或正常[6-8]。自動灌漿系統(tǒng)的應(yīng)用大大提高了泥漿系統(tǒng)的自動化程度，對降低作業(yè)人員勞動強度，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)測計量罐液面變化，并且實現(xiàn)不同工況下監(jiān)測溢流和井漏，判斷是否發(fā)出警報并實現(xiàn)自動灌漿，提升鉆井、試油及井下作業(yè)過程中泥漿罐注機(jī)械化水平，提高作業(yè)過程的井控安全。

壓井液自動灌漿控制系統(tǒng)可以監(jiān)測起鉆、下鉆、循環(huán)和靜置4種工況下的溢流和井漏，根據(jù)需要實現(xiàn)自動灌漿，并自動記錄灌漿數(shù)據(jù)，顯示實時液位，具備歷史數(shù)據(jù)查詢功能?？梢詫崿F(xiàn)沒有錄井隊監(jiān)控泥漿罐泥漿體積的情況下，自動記錄存儲泥漿實時數(shù)據(jù)，防止坐崗資料造假。

1）起下鉆時選擇主界面“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，分析檢測起鉆或下鉆柱數(shù)，按“起鉆”或“下鉆柱數(shù)”自動啟泵灌液，定時停泵，按排代量監(jiān)測判斷溢流或井漏。可實時監(jiān)測溢流、井漏以及起鉆柱數(shù)、懸重、開泵時長及液位等參數(shù)。如果發(fā)生井漏，將自動啟動“聲光報警”模式，并自動啟動泥漿泵補液；如果發(fā)生溢流，也將自動啟動“聲光報警”模式。起鉆或下鉆時可以根據(jù)需要進(jìn)行“按柱數(shù)監(jiān)測“或者“按時間監(jiān)測”模式。一般先按柱數(shù)監(jiān)測，到最后幾柱數(shù)再按時間監(jiān)測。起鉆或下鉆結(jié)束后，選擇“自動關(guān)”鍵結(jié)束起鉆監(jiān)測程序運行；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“自動開”按鈕，系統(tǒng)將啟泵開始運行，指示燈“運行中”亮并閃爍（循環(huán)結(jié)束點擊“自動關(guān)”時停泵）。正反循環(huán)均可實現(xiàn)監(jiān)測溢流或井漏，發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行聲光報警。

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、開泵周期和監(jiān)測周期等。選擇觸摸屏上“自動開”按鈕，系統(tǒng)開始運行，指示燈“運行中”亮并閃爍。該模式下可以監(jiān)測實時液位高度、開泵時長、檢測時長等參數(shù)。如果發(fā)現(xiàn)溢流，系統(tǒng)會自動報警，定時灌液,發(fā)現(xiàn)井漏自動報警并啟泵補液。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

壓井液自動灌漿控制系統(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)場試驗?，F(xiàn)場試驗表明,壓井液自動灌漿控制系統(tǒng)可以滿足起鉆、下鉆、靜置、循環(huán)4種不同工況要求，壓井液自動灌漿控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)液面檢測精度。自動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,而且能實現(xiàn)自動灌注或停止灌注鉆井液。鉆井液液面監(jiān)測與自動灌漿裝置利用超聲波傳感器對鉆井液的體積變化進(jìn)行監(jiān)測,判斷在鉆進(jìn)過程中井筒鉆井液液面變化情況;通過自動記錄鉆桿數(shù)量、計量罐鉆井液液面檢測和灌注泵,實現(xiàn)了起鉆工況和下鉆工況的自動判斷,并能自動啟停灌注泵,對起下鉆作業(yè)過程中的井筒鉆井液液面變化進(jìn)行監(jiān)測,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，保障了作業(yè)安全，自動灌漿控制系統(tǒng)的成功應(yīng)用標(biāo)志著鉆井安全防護(hù)技術(shù)邁進(jìn)一個可控階段[10-12]。

4 結(jié)論

1）自動灌漿控制系統(tǒng)的研制與運用，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）自動灌漿控制系統(tǒng)監(jiān)控井筒液面變化，實現(xiàn)了鉆試修作業(yè)過程溢流及井漏監(jiān)視的快速反應(yīng)。

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

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