ZGX-1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

竇金永（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）

ZGX-1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

竇金永
（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶163413）①

在常規(guī)起鉆過(guò)程中存在灌漿不及時(shí)、溢流監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確、冬季灌漿困難等問(wèn)題。研制了一套自動(dòng)灌漿系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有自動(dòng)灌漿功能，運(yùn)行可靠、溢流報(bào)警快速準(zhǔn)確、適應(yīng)低溫施工、可操作性強(qiáng)等特點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，可推廣應(yīng)用。

自動(dòng)灌漿；溢流監(jiān)測(cè)；低溫施工

在起鉆過(guò)程中，鉆具上提使得井筒中的液面下降，為了維持井底壓力與地層壓力的平衡，需要向井筒中灌注鉆井液。常規(guī)灌漿施工過(guò)程中存在如下問(wèn)題：

1） 灌漿不及時(shí)。起下鉆時(shí)井場(chǎng)上人員少，容易出現(xiàn)監(jiān)督不到位、管理不到位的情況，若泥漿工不到位，則難以做到及時(shí)灌漿，導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)增加。

2） 溢流監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確。目前現(xiàn)場(chǎng)一般使用一種浮子式液面檢測(cè)器和帶刻度的標(biāo)尺，需要泥漿工每隔一定時(shí)間在鉆井液罐上進(jìn)行人工觀測(cè)、記錄和對(duì)比，然后判斷是否出現(xiàn)溢流，這種方法依賴(lài)泥漿工個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和責(zé)任心，存在一定的滯后性。

3） 冬季灌漿困難。在低溫條件下不常使用的計(jì)量罐內(nèi)鉆井液結(jié)冰，導(dǎo)致灌注泵吸入口堵塞。另外，灌注泵的出口管線及其他灌注管線也容易結(jié)蠟堵塞，從而導(dǎo)致常規(guī)灌注系統(tǒng)失效。

為解決上述問(wèn)題，研制了ZGX-1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　技術(shù)分析

1．1 組成

ZGX-1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)的組成如圖1所示。主要分為2部分。

1） 灌漿系統(tǒng)。主要包括灌漿罐、灌注泵、灌注管線及泥漿跑道等。

2） 自動(dòng)控制系統(tǒng)。主要包括流量感應(yīng)器、防爆電控箱、遠(yuǎn)程控制終端等。

1．2 工作原理

起鉆之前，首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)定自動(dòng)灌漿間隔時(shí)間以及溢流報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，之后由司鉆或泥漿工通過(guò)遠(yuǎn)程控制終端啟動(dòng)自動(dòng)灌漿系統(tǒng)，系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，自動(dòng)進(jìn)行判斷和反饋處理，滿足常溫、低溫條件下的灌漿需求。當(dāng)井口監(jiān)測(cè)到溢流時(shí)，遠(yuǎn)程控制終端發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，為施工人員提供參考。起鉆完成后，由司鉆或泥漿工通過(guò)遠(yuǎn)程控制終端關(guān)停自動(dòng)灌漿系統(tǒng)。另外，司鉆或泥漿工可以直接通過(guò)遠(yuǎn)程控制終端單獨(dú)控制灌注泵啟停。在常規(guī)條件下應(yīng)用計(jì)量罐作為灌漿罐，若計(jì)量罐上凍不能使用，則應(yīng)用鉆井液維持循環(huán)的5號(hào)罐作為灌漿罐。

圖1　ZGX1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)

1．3 主要技術(shù)參數(shù)

流量感應(yīng)速度≤3s

灌漿間隔時(shí)間可調(diào)

溢流判斷響應(yīng)時(shí)間可調(diào)

防爆電控箱尺寸800mm×500mm×200mm

控制終端尺寸400mm×400mm×200mm

防爆電控箱質(zhì)量100kg

控制終端質(zhì)量40kg

電源接頭規(guī)格60 A

1．4技術(shù)特點(diǎn)［1-4］

該自動(dòng)灌漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了現(xiàn)場(chǎng)施工要求，能夠解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題，為起鉆過(guò)程中的灌漿作業(yè)提供了設(shè)備保障，在程序建立及控制上有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1） 提高程序的可靠性。一是只選用井口流量感應(yīng)器的監(jiān)測(cè)信號(hào)和時(shí)間作為判斷依據(jù)，使得程序運(yùn)行過(guò)程中干擾因素少，邏輯關(guān)系清晰，程序語(yǔ)句簡(jiǎn)練。二是通過(guò)對(duì)自動(dòng)灌漿重新啟動(dòng)觸發(fā)方式的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間點(diǎn)觸發(fā)與旋鈕觸發(fā)的并聯(lián)。

2） 提高溢流監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。一是采用靈敏度高、性能穩(wěn)定可靠的流量感應(yīng)器對(duì)井口返出進(jìn)行監(jiān)測(cè)。二是通過(guò)增加自動(dòng)灌漿間隔時(shí)間內(nèi)的溢流報(bào)警冗余時(shí)間，減少了誤報(bào)警。

3） 提高系統(tǒng)的可操作性。一是將灌漿間隔時(shí)間和溢流響應(yīng)時(shí)間設(shè)計(jì)成可覆蓋的形式，方便在現(xiàn)場(chǎng)條件下靈活更改。二是增加了手動(dòng)控制灌漿功能，以應(yīng)對(duì)不適合自動(dòng)灌漿的情況，并且通過(guò)設(shè)計(jì)手動(dòng)灌漿獨(dú)立的控制回路，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)灌漿與自動(dòng)灌漿的相對(duì)獨(dú)立，避免了相互干擾。

2　室內(nèi)模擬試驗(yàn)情況

ZGX-1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)于2014-08-26—2014-09-05在大慶鉆井研究院鉆井綜合模擬試驗(yàn)室進(jìn)行了一系列室內(nèi)模擬試驗(yàn)（如圖2），各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：

1） 自動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)?？刂平K端各旋鈕、按鈕靈活好用，控制指令執(zhí)行可靠；防爆電控箱對(duì)來(lái)自流量感應(yīng)器的信號(hào)反應(yīng)迅速，一般不超過(guò)3 s，且靈敏可靠。

2） 自動(dòng)灌漿試驗(yàn)。旋鈕旋至自動(dòng)位后，自動(dòng)灌漿程序順利啟動(dòng)，給模擬流道填充清水后，流量感應(yīng)器發(fā)出信號(hào)，灌注泵自動(dòng)關(guān)停，控制終端顯示下次啟動(dòng)倒計(jì)時(shí)，間隔時(shí)間過(guò)后，順利進(jìn)行下次自動(dòng)灌漿。

3） 溢流試驗(yàn)。在自動(dòng)灌漿的程序運(yùn)行情況下，正常的灌漿間歇時(shí)間內(nèi)向模擬流道填充清水持續(xù)15 s（溢流判斷響應(yīng)時(shí)間設(shè)定為15 s），控制終端會(huì)順利發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，直到將旋鈕旋至停止位聲光報(bào)警停止。

4） 手動(dòng)灌漿試驗(yàn)。在自動(dòng)灌漿運(yùn)行一段時(shí)間后將旋鈕旋至停止位，自動(dòng)灌漿順利停止；將旋鈕旋至手動(dòng)位，并按下啟動(dòng)按鈕后灌注泵啟動(dòng)，此時(shí)不會(huì)自動(dòng)停止或報(bào)警，當(dāng)按下停止按鈕或旋至停止位時(shí)，灌注泵關(guān)閉。

圖2　ZGX1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)室內(nèi)模擬試驗(yàn)布置

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2014-10-11—2014-12-15，本系統(tǒng)在達(dá)深21井完成了15井次的自動(dòng)灌漿現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，自動(dòng)灌漿累計(jì)運(yùn)行153．7 h，系統(tǒng)累計(jì)待機(jī)1 559 h，自動(dòng)灌漿成功率達(dá)到100%，經(jīng)歷的環(huán)境最低溫度達(dá)到－28℃，實(shí)現(xiàn)對(duì)溢流的準(zhǔn)確報(bào)警，手動(dòng)灌漿操作可靠，直至本口井完鉆才結(jié)束現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，具備了推廣應(yīng)用的條件。ZGX-1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)試驗(yàn)情況如表1所示。

表1　ZGX1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)記錄

與常規(guī)灌漿比較，自動(dòng)灌漿有如下優(yōu)勢(shì)：

1） 常規(guī)灌漿不能長(zhǎng)時(shí)間保持及時(shí)灌注鉆井液，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)較長(zhǎng)的灌漿間隔時(shí)間。自動(dòng)灌漿不受人為因素影響，在固定的灌漿間隔時(shí)間內(nèi)灌注鉆井液，灌漿定時(shí)足量。

2） 自動(dòng)灌漿比常規(guī)灌漿更加簡(jiǎn)潔、方便。應(yīng)用自動(dòng)灌漿大幅降低了泥漿工的工作強(qiáng)度：

①不必一直數(shù)起出的鉆柱數(shù)量。

②不必每起出3柱鉆具按一組啟停開(kāi)關(guān)。

③不必在每次灌漿時(shí)觀察出口是否返出。而只需要在起鉆開(kāi)始之前和起鉆完成之后各轉(zhuǎn)動(dòng)一次旋鈕。

3） 自動(dòng)灌漿比常規(guī)灌漿更加安全、高效。

①自動(dòng)灌漿系統(tǒng)的溢流報(bào)警比人工判斷更加快速、準(zhǔn)確。對(duì)于降低起鉆過(guò)程中的井控風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

②自動(dòng)灌漿系統(tǒng)可根據(jù)具體情況靈活調(diào)整自動(dòng)灌漿間隔時(shí)間和溢流報(bào)警響應(yīng)時(shí)間，從而有針對(duì)性地選擇作業(yè)安全等級(jí)。

③司鉆或泥漿工可在室內(nèi)通過(guò)控制終端完成自動(dòng)灌漿和手動(dòng)灌漿，不受惡劣天氣影響，人員不必在設(shè)備中穿梭，減少了人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。

④應(yīng)用該系統(tǒng)將泥漿工從繁忙的灌漿作業(yè)中解放出來(lái)，能使其將更多精力投入到測(cè)泥漿性能、配漿、倒?jié){、加重、維護(hù)設(shè)備中去，從而提高作業(yè)效率。

4　結(jié)論

1） 研發(fā)的ZGX-1型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)能自動(dòng)灌漿，運(yùn)行可靠、溢流報(bào)警快速準(zhǔn)確、適應(yīng)低溫施工、可操作性強(qiáng)，為降低起鉆過(guò)程中的溢流風(fēng)險(xiǎn)、杜絕井噴事故提供了設(shè)備支持，對(duì)于提高井控安全水平具有重要意義。

2） 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該型自動(dòng)灌漿系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌漿累計(jì)運(yùn)行153．7h，系統(tǒng)累計(jì)待機(jī)1559h，經(jīng)歷的環(huán)境最低溫度達(dá)到－28℃，實(shí)現(xiàn)對(duì)溢流的準(zhǔn)確報(bào)警，手動(dòng)灌漿操作可靠。試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求，具備了推廣應(yīng)用的條件。

3） 為進(jìn)一步提高井控安全水平、完善系統(tǒng)功能，建議在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入起鉆灌漿灌入量精確計(jì)量技術(shù)。

［1］ 丁柯宇，程智遠(yuǎn)，湯新國(guó)，等．新型下套管自動(dòng)灌漿裝置研制與應(yīng)用［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41（11）：59-61．

［2］ 劉壽軍．鉆井液液面監(jiān)測(cè)與自動(dòng)灌漿裝置的研制［J］．石油機(jī)械，2006，34（2）：29-30．

［3］ 鞏娟娟，李文強(qiáng)，王治華．井下液面監(jiān)測(cè)及自動(dòng)灌漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012（6）：53．

［4］ 胡興平，王衛(wèi)海，宋玉明．AMC2006自動(dòng)灌漿控制系統(tǒng)［J］．中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013（3）：51．

Development and Application of ZGX-1 Type Automatic Filling System

DOU Jinyong

（Drilling Engineering and Technology Institute，Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Daqing 163413，China）

Aiming at the problems of filling not timely，overflowmonitoring inaccurate and winter filling difficulty in the conventional process of pulling out，a set of automatic filling system was developed，which has characteristics of reliable automatic filling operation，overflow alarm quickly and accurately，adapt to the low temperature construction and good operability．The field test re-sults show that the systemmeet the requirement of construction site，suitable for popularization and Application．

automatic filling；overflowmonitoring；low temperature construction

TE921．503

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．013

1001－3482（2015）08－0056－04

①2015－01－30

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“大型油氣田及煤層氣開(kāi)發(fā)”中項(xiàng)目“深井鉆錄、測(cè)試技術(shù)及配套裝備（二期）”中課題“碳酸鹽

巖、火成巖及酸性氣藏高效安全鉆完井技術(shù)”（2011ZX05021002）資助。

竇金永（1984-），男，天津人，工程師，2007年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）石油工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事氣體／欠平衡鉆井以及控壓鉆井科研工作，Email：doujinyongoo＠sina．com．cn。