欠平衡钻井井涌井漏监测系统.pdf

口科研设计成果口 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 1 0 4 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 0 6 欠平衡钻 井井涌 井漏监测 系统 李欣嵘 ，王玉 ，鲁泽斐 1 ． 西南石油大学 ， 成都 6 1 0 5 0 0； 2 ． 中石油长城钻探测井公司， 盘锦 1 2 4 0 1 0 量 塞旦 摘要 欠平衡钻井是一种新型的钻井技术。 因其在钻井过程中能够减少对油气层的伤害， 有效保护油气层。 提高油气井的产 量 ， 现广泛应用于各种石油天然气开采活动。但是在欠平衡钻井过程中如果对回压控制不当。 则可能发生井涌或井漏事故， 轻者会影响钻井效率和效益， 重者会导致严重的恶性钻井事故。欠平衡钻井井涌井漏监测系统以力控组态软件为开发平 台。 并集成各类优选的传感器及仪器仪表为一体， 能够对欠平衡钻井过程中是否出现了井涌及井漏情况进行快速判断。 并且 能够对钻井过程中出现的异常情况进行实时报警 。 防止各类严重的事故发生。进一步 。 以欠平衡钻井井涌井漏监测系统为 基础。 可以构建一套欠平衡钻井的安全评价管理体系。 关键词 欠平衡 ；井涌 ；井漏 ； 监测 ；组态软件 中图分 类号 T P 2 9 文献标志码 A Re s e a r c h o f we l l - k i c k a nd l o s t - c i r c u l a t i o n m o n i t o r i ng s y s t e m i n u nd e r b a l a nc e d d ril l i ng L I Xi n。 t o n g ． W ANG YU ． LU Z e ． f e i 1 ． S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 5 0 0， C h i n a ； 2 ．L o g g i n g C o m p a n y o f P e t roC h i n a G r e a t Wa 】 l D r i l l i n g C o mp a n y ， P a n j i n 1 2 4 0 1 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Un d e r b a l a n c e d d r i ll i n g i s a n e w d r i ll i n g t e c h n o l o g y wh i c h i s wi d e ly u s e d f o r v a r i o u s p et r o l e u m a n d n a t u r a l g a s e x p l o i t a t i o n a s a r e s u l t o f r e d u c in g f o r ma t io n d a ma g e，e ffe c t iv e f o r ma t i o n p r o t e c t i o n a n d i n c r e a s i n g we l l p r o d u c t io n d u d n g d r i l l i n g．Bu t i mp r o p e r c on t r o l f o r b a c k p r e s s u r e c a n l e a d t o we l l k i c k a n d l o s t - c i r c u l a t io n d u r i n g u n d e r b a l a n c e d d r i l li n g ．I t I I a t le a s t i mp a c t t h e e ff ic i e n c y a n d b e n e f i t s，a n d wo r s t o f a l l ，r e s u l t i n s e r i o u s d r i ll i n g a c c i d e n t s ．we l l k ic k a n d l o s t c i r c u l a - t i o n mo nit o r in g s y s t e m i n u n d e r b a lan c e d dr i l l i n g u s e s c o n f i g u r a t io n s o f t wa r e a s t h e d e v e lo p me n t p la t f o r m an d i n t e g r a t e s 常规的液位控制系统 ， 当液位进入设定范围内后 应该停止供液 ， 但对丝光机而言 ， 在液位进入设 定范 围内后 ， 仍要保持碱液的循环， 以便保持碱液浓度在设 定值上， 这就需要实现液位与流量的解耦， 在液位达标 时仍保持规定的流量 ， 由专家式控制器完成这一任务。 4 结束语 浓碱浓度在线检测与 自动配碱控制系统在 中试 车间已经过 l 8个 月的运行和不断改进 ， 现 已在生产 现场运行 6个月 ， 实 现了智能控制 ， 浓度控制精度为 0 ． 5 g ／ 1 ， 动态过程 中 1 碱槽和调整槽的液位波动在 5 mm设定范围 内， 企业在 节能减排方面取得 明显 的经济效益和社会效益。口 参考文献 [ 1 ]金万树，周峰江，巩宏跃． 碱浓度 的在线控制系统 [ J ] ． 印染， 2 0 1 0 ， 2 1 3 3 ． 3 4 ． [ 2 ] 董方武， 华铨平， 应玉龙． 基于 Z i g B e e的棉织物丝光 碱浓度监控系统设计[ J ] ． 化工自动化及仪表， 2 0 1 0， 1 8 El C V0 I ． 1 9 2 0 1 2 NO． 1 3 7 4 4 5 - 4 8 ． [ 3 ] 赵奇生． 染整退浆工艺淡碱浓度在线测量及 自动控制 [ J ] ． 染整技术， 2 0 0 8 ， 3 0 7 4 - 5 ， 3 2 ． [ 4 ] 张 红 军，韦 晓 明，苏 锐 生．基 于 V B通 信 控 件 MS C o m m实现计算机与欧姆龙 P L C串行通信编程 的 研究与应用 [ J ] ．自动化 与仪器仪 表， 2 0 1 0 ， 4 7 4_ 7 7． [ 5 ] 楚微玮． 基于智能控制应用系统的探讨[ J ] ． 成 宁学 院学报 ， 2 0 1 1 ， 3 1 6 1 8 - l 9 ． [ 6 ] 张运波． P A C实现智 能控制算 法的关键技 术研 究 [ J ] ． 长春工程学院学报自然科学版 ，2 0 1 0，3 1 3 5 1 - 5 4 ． [ 7 ] 林岳松 ， 金学波．一种基于模式识别的多模型系统 智能控制算法[ J ] ． 电气传动 自动化 ， 2 0 1 0 ， 2 3 5 3 6 ． 3 8 ． 作者简介 盛守祥 1 9 7 3 一 ， 男， 硕士研究生， 天津工业大学在 职研究生， 计算机应用技术方向； 杨公源， 男， 教授， 从事纺织 综合 自动化和智能控制方向研究。 收稿 日期 2 0 1 1 ， 1 0 - 2 4 欢迎光 临本 刊网站 h t t p ／ ／ w w w． e ic ． c o m． c n 旦 遮让 墨旦 o p t i ma l s e n s o r s a n d i n s t r u me n t s ．T h e mo n i t o r i n g s y s t e m c a r l q u i c k ly j u d g e t h e we l l k i c k a n d l o s t - c i r c u l a t i o n a n d m a n a g e t h e r e a l - t ime wa r n i n g f or a b n or ma l i t i e s t o a v o i d mo r e s e r i o u s a c c i d e n ．F u h e r ，a s a f e t y e v a l u a t io n ma n a g e men t s y s t e m o f u n d e r b ala n c e d d r i l l in g c a n b e b u i lt b a s e d o n mo n it o r i n g s y s t e m f o r we l l k i c k a n d l o s t - c i r c u la t i o n o f u n d e r b a l a n c e d d r i l li n g ． Ke y wor d su n d ea l a n c e d；we l l k ic k；lo s t - c i r c u la t i o n；mo n i t o r i n g；c o n f ig u r a t i o n s o f t war e O 引言 欠平衡钻井是 2 O世纪 9 O年代在国际上成熟并 迅速发展的一项钻井新技术 ， 由于该技术在钻井过程 中能够减少对油气层的伤害， 有效保护油气层， 提 高油气井的产量 j ， 现已成为各个国家优先采用的 石油天然气钻井技术。 在欠平衡钻井过程 中， 对 回压 的控制非常重要 ， 尤其是对于窄安全密度窗 口的层段 ， 如果控制不 当， 则可能发生井涌或井漏 J ， 轻者会影响钻井效率和 效益 ， 重者会导致严重的恶性钻井事故 。由于井下情 况复杂， 制约井涌井漏等问题的因素很多， 因此到目 前为止， 井涌井漏仍然是国内外欠平衡钻井工程中相 当棘手的问题。 1 欠平衡钻井井涌井漏理论分析 1 ． 1井涌分析 欠平衡钻井中产生井涌的原因主要有三种 地层 压力掌握不准 ， 导致对 回压的控制不准确 ； 钻井液密 度下降； 起钻时产生抽汲。 钻井过程 中若发生井涌， 井下流体会进入到油井 当中， 随着返 回钻井液一起 返 回到地面 ， 以下各类情 况会伴随出现 ①井 口返回钻井液 的流量会 明显 的上 升； ②井口返回钻井液的温度将会上升； ③井口返回 钻井液的密度将会降低； ④返回钻井液的电导率将会 发生改变； ⑤泵压上升， 在泵输出功率不变的情况下， 泵速降低 ； ⑥钻井液池液位明显上升。 1 ． 2井漏分析 地层压力小于钻井液的液柱压力 ， 是钻井过程中 引起井漏的主要原 因‘ 3 』 ， 主要分为两类 ①人为原 因 在欠平衡钻井过程 中， 对于钻井液 的密度掌握不 好 ， 或者对于回压控制不 当以及施工操作不当均会导 致井漏。② 自然原 因 由于各种地层的地质构造不尽 相同， 许多地层的孔隙度较大， 形成了钻井液漏失的 通道 。另外一些例如碳酸盐岩性质的地层中的溶孔 、 溶洞 、 裂缝构成了碳酸盐岩 的主要漏失通道 ， 其漏失 程度甚至高于孔隙砂砾岩地层 ] 。 当钻井过程中发生井漏时， 会出现如下情况 ① 钻井液进入地层中， 部分或者全部渗透到地层当中， 使得返回钻井液的流量明显下降， 甚至出现“ 只进不 出” 的情况 ； ②泵压下降， 在泵输出功率不变的情 况下， 泵速增加； ③进入油井中的钻井液量增大， 而返 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 回钻井液的量减少； ④钻井液池的液位会明显下降。 2 系统概述 欠平衡钻井井涌井漏监测系统主要 由现场数据 采集系统和上位机监测软件组成 ， 现场数据采集系统 包括安装于施工现场用于监测进出口钻井液温度 、 钻 井液流量 、 泥浆泵排量、 钻井液池液位、 钻井液密度及 钻井液电导率的传感器仪器仪表， 和用于将传感器仪 器仪表监测到信号采集到一起传输到工控机上的数 据采集卡组成 。监测软件基 于力控组态软件 6 ． 1平 台进行设计 。本系统通过传感器、 数据采集卡在现场 进行数据采集 ， 并将数据传输到上位机 ， 通过在上位 机中对数据的实时监测来判断欠平衡钻井时井下是 否出现了井涌井漏情况 。通过实时监测可以防止钻 井过程中发生事故， 减少 钻井作业的工作量 ， 提高工 作效率。 3 监测系统设计 3 ． 1 现场数据采集系统设计 3 ． 1 ． 1 传感器优选 1 温度传感器 温度测量选用 的是华巨科技公司生产 的 P T 1 0 0 铂热 电阻， 通常和显示仪 表、 记录仪表及控制装置配 套使用。采用德国进 口薄膜铂热电阻元件 ， 铂 电阻的 电阻值随温度的变化而变化。温度和电阻关系接近 线性 关系 ， 偏差极小 。具 有体积小、 耐振动 、 可靠性 高、 精确灵敏、 寿命长和使用方便等优点。使用插入 式安装在立管人 口管道上。测量范围 0 1 0 0 o C； 精度 2 ％ ； 输出信号 4 ～2 0 m A。 2 流量传感器 本系统选用 MG G ／ K L型插入式 电磁流量计 ， 其 精度高， 寿命长， 操作简单 ] 。流量测量范围 0 ～ 1 0 m ／m i n， 测量精度 误差小于 0 ． 5 ％； 使用条件 环境温 度 一 2 o一5 0 ； 被测介质温度 一 2 01 2 0 ％。 3 密度传感器 本系统选用 WI 6 2 3 0 9型密度传感器。该密度传 感器采用微差压技术测量石油钻井泥浆密度的变化， 是电流型的传感器， 利用四位半数字液晶显示， 防爆 性能好， 特别适合用于石油开采作业现场。密度量 程 02 g ／ c m ； 精度 0 ． 0 0 1 g ／ c m ； 分辨率 0 ． 0 0 0 5 g ／ c m ； 环境温度 一1 0 6 0℃。 EI C V0 I ． 1 9 2 01 2 No ． 1 1 9 口科研设计成果口 4 电导率传感器 本系统选用 H U一4 5型 电导率传感器。该 电导 率传感器具有i 受 0 量精度高 、 重复性能好及抗干扰能力 强等特 点。测 量范 围 0 ～ 2 5 0 m s ／ c m； 工 作 电 源 1 5～ 3 6 V； 输 出电 流 4～2 0 m A； 环 境 温 度 一2 0～ 8 0 ； 测量精度 5 ％ 。 5 液位传感器 本系统选用上海指信机电设备有限公 司设计制 造的泥浆池液位传 感器。该 传感器稳定性 好 、 耐腐 蚀 、 寿命长 、 安装方便 ， 可直接投入液体 中使用 。供电 电源 1 2 V ～2 4 V D C； 测量范 围 0 ． 2 5 m ～5 m； 定 向 波束角 1 0 。 一 3 d B ； 工作温度 一 4 0 ～6 0 ℃ 。 6 泵冲传感器 这里选用 L H - B C I 4 0 4 A型泵冲传感器。该传感 器具有电源电压范 围宽 、 重复定位精度高、 频率响应 快 、 使用寿命 长 、 耐震动、 耐腐蚀 、 防水等优 点。传感 器本体有有效动作显示的指示灯 ， 使用方便 。工作温 度 一 4 0 ～ 1 0 0 o C； 额定工作电压 2 4 V D C； 响应 时 间 3 m s ； 最高工作频率 5 0 H z ； 最大电流 5 0 0 mA 。 3 ． 1 ． 2数据 采集 分析欠平衡钻井井涌井漏理论可知 ， 系统需监测 l 0路信号 ， 其中包括进出 口钻井液流量 、 密度 、 温度 、 电导率以及泵冲和钻井液池液位。所选用的仪器仪 表中， 除泵冲传感器输出脉冲信号外， 其余仪器仪表 都可直接输 出标准 4 2 0 m A电流信号 。泵冲传感器 输出监测信号由数字信号数据采集卡完成数据采集 ， 其余仪器仪表输出电流信号由模拟信号数据采集模 块完成。监测数据经数据采集后 由 4 8 5总线 传输到 工控机端 ， 工控机端使用有源 4 8 5转 2 3 2模块进行数 据转换后交由上位机。施工监测数据采集流程图如 图 1所示 有瀛 4 8 5 转 竹 2 | 块 上 位 机 图 1 数 据采集流程图 3 ． 2 数 据 库建 立 由于在监测过程中需要处理大量的数据 ， 因此该 系统选用 S Q L S e r v e r 2 0 0 0关系数据库实现数据存储 功能。S Q L S e rve r 2 0 0 0数据库具有强大的数 据处理 能力， 以各种方式来确保数据的准确性和安全性。此 外 ， 该数据库 图形化的设计使数据库操作和管理 十分 2 0 EI C VOI ． 1 9 2 0 1 2 NO ． 1 仪器仪表用户 灵活 、 简易 ， 同时它还具有丰富的编程接口， 便于用户 进行程序开发与各种软件相连接。 3 ． 3 软件设计 井漏井涌监测软件基 于力控组态软件 6 ． 1平 台 设计。该平台在数据处理 、 容错 、 界面容器、 报表等方 面均有十分强大的性能 。上位机监测软件界 面如图 2所 示 图 2监测软 件界 面图 根据图 2 ， 在正常 的钻井过程 中， 钻井液 由泥浆 泵注入至井下 ， 井下 流体返 回后通过 自动节流 系统 ， 通过测量相应的流体参数判断当前的井下情况 。当 井下出现异常情况 ， 返 回流体的强度超过了自动节流 系统的控 制能力时 ， 则需关闭 自动节流系统 ， 让井下 流体通过钻机节流管汇返 回， 从而保证钻井过程 中的 安 全 。 利用力控组态编写软件 ， 可对欠平衡钻井现场进 行实况模拟 ， 通过对力控 的图形化界面、 菜单 及对话 框的方式操作 ， 能够实现欠平衡钻井井涌井漏 的实时 监测。该监测软件具备如图 3所示的功能。 宴 历 现 实 曲 时 曲 史 报 擐 报 蜒 时 线 曲 钱 睦 表 丧 警 模 监 设 戡 设 l 绒 在 打 l 没 赧 浏 置 缭 量 缝 i 询 印 l ； 置 l 剩 } 期 } } ； } 图 3 监测软件功能图 监测界面模块仿真显示了现场施工情况 ， 从仿真 监测图中可以清楚的知道安装的具体的仪器仪表以 及每个传感器及仪器仪表的具体安装位置 ， 并且相应 仪器仪表的监测数据能够实时的显示在监测界面上。 实时曲线模块实现了将各个传感器及仪表实时 监测到的数据绘制成实时曲线 ， 用于分析施工趋势走 向， 对是否 出现井涌井漏异常情况进行判断。曲线 回 欢迎光临本刊网站 h t t p ／ ／ w ww． o i c ． c o m． c r l 报 警～ 竺 糯 重 ll 曼 麦旦 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 2 ． 0 1 ． 0 0 7 日 丝 盛墨旦 基于嵌入式 L i n u x的油浸式变压器数据采集和处理 系统 郭欣 ，张牧 天津工业大学 ， 天津 3 0 0 3 8 7 摘要 当前状态监测技术有监测参数不全、 实时性不高等缺点。 本文设计了一款基于嵌入式 L i n u x的油浸式变压器状态监测 数据采集系统， 利用该平台实现对智能变压器中轻重瓦斯含量、 油温等模拟量和轻重瓦斯状态、 冷却器状态等开关量信息的 实时在线监测。 监测参数较全、 实时性较高。 经实际检验， 本系统能够 良好的评估变压器的运行状况。 提高了油浸式变压器的 在线监测水 平。 关键词 智能变压器 ；S 3 C 2 4 1 0 ； 嵌入式 系统 ； 数据采集 中图分类号T N 9 3 1 ． 3 文献标志码 A Da t a a c qu i s i t i o n a n d p r o c e s s i ng s y s t e m o f o i l i mme r s e d t r a n s f o r me r s ba s e d o n t he e mbe d de d Li nu x 放模块 能够将存储于 D B数据库的历史数据 以曲线 的方式绘制 出来 ， 方便于对历史 的 曲线走 向进 行分 析 。在实时曲线模块和曲线 回放模块 中， 所有监测到 的数据可以同时绘制成曲线显示在曲线绘制区域 ， 也 可以单独显示任意一条趋势 曲线用于单独分析其趋 势走向， 或同时显示两条或多条曲线便于进行对比 分析。 报警记 录模块用于对施工过程 中可能发生井涌 井漏的情况进行报警提示 ， 并对此次报警进行记录供 以后查询。事件记录模块用 于记录监测软件运行 的 各种事件 ， 包括各种运行情况并记录报警事件。当监 测软件 出现故障时 ， 可以通过查询事件记录来了解软 件产生故障的原因以便使软件快速恢 复运行。报警 记录和事件记录模块均支持查询和打印功能 ， 可以按 条件查询所有的报警记录和事件记录并能将记 录打 印出来。 报表查询模块主要实现的是将数据库 中的数据 以报表 的方式显示出来 ， 其显示类似于 E x c e l 表格显 示 ， 显示的数据来 自第三方关系数据库或力控 自带数 据库。根据用户需要 ， 报表可 以设计 为班报表、 日报 表 、 周报表 、 月报表 、 年报表及 自定义报表等。报表支 持打印功能， 与曲线 回放功能相 比， 通过报表显示能 够更直接的将历史数据以表格的方式显示出来， 以便 工程完工后进行数据分析对 比。 4 结束语 欠平衡钻井井涌井漏监测系统优选了各类传感 器及仪器仪表 ， 介绍了所选传感器 的原理 ， 并对所选 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 仪器仪表的安装位置进行了相应 的分析。基于力控 组态软件 6 ． 1平台设计了上位机监测软件 ， 完成 了现 场施工数据与监测软件 的连接 ， 实现了对现场欠平衡 钻井施工的数据采集、 信息传输以及数据处理。通过 建立的 S Q L S e r v e r 2 0 0 0数据库记 录所有采集参数数 据 ， 为实现监测系统的远程访问提供条件。因此， 进 一 步以欠平衡钻井井涌井漏监测系统为基础 ， 可以构 建一套欠平衡钻井的安全评价管理体系。口 参考文献 [ 1 ]周英操， 翟洪军．欠平衡钻井技术与应用[ M ] ． 北 京 石油工业 出版社 ， 2 0 0 3 9 1 0 1 ． [ 2 ]李杰， 翟芳芳．欠平衡钻井过程 中地层井涌量与漏 失量的反演[ J ] ．吐哈油气 ， 2 0 0 9， 4 3 7 5 3 7 6 ． [ 3 ]呆传良．欠平衡钻井工艺及装备在漏失井钻井 中的 应用[ J ] ．石油钻探技术 ， 2 0 0 3 ， 2 1 3 ． [ 4 ]刘桂君．浅谈钻井施工中的井漏问题[ J ] ．内蒙古石 油化工 ， 2 0 0 9 ， 4 2 1 2 2 ． [ 5 ]孙中昌．钻井异常预测技术[ M] ．北京 石油工业出 版社 ， 2 0 0 6 7 2 ． 7 6 ． [ 6 ]李俊， 吴朝晖， 倪学莉．流量仪表在石油行业中的合 理选型和应用[ J ] ．创意与实践， 2 0 0 9 ， 6 5 6 - 5 9 ． [ 7 ]周英操．欠平衡钻井压力控制理论与技术研究[ D] ． 北京 中国石油大学 ， 2 0 0 5 ． 作者简介 李欣嵘 1 9 8 7 ． ， 男 ， 硕士研究生， 主要研究方向为 计算机智能测控技术 ； 王玉 1 9 8 6 ． ， 女， 硕士研究生， 主要研 究方向为油气测量与控制技术 ； 鲁泽斐 1 9 8 8 一 ， 男 ， 中石油长 城钻探测井公司， 主要研究方向为油气测量与控制技术。 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 - 0 8 EI C VO 1 ． 1 9 2 0 1 2 No ． 1 2 1