固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)研制與應(yīng)用*

張懷文 馬立國(guó) 王 琦 李 勇 米凱夫 王兆會(huì)

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司 2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司 長(zhǎng)慶固井公司 3.勝利油田油氣井下作業(yè)中心 4.北京石油機(jī)械有限公司)

0 引 言

中國(guó)西部深層油氣資源固井作業(yè)井深已突破8 800 m，川渝頁(yè)巖氣固井作業(yè)最高壓力已超過(guò)110 MPa，國(guó)內(nèi)勘探開(kāi)發(fā)的新形勢(shì)、新挑戰(zhàn)對(duì)固井作業(yè)技術(shù)提出了新要求[1-2]。固井作業(yè)技術(shù)是油氣資源開(kāi)發(fā)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)系到單井安全優(yōu)質(zhì)高效建井，關(guān)系到油氣井長(zhǎng)期高效安全生產(chǎn)，而目前固井作業(yè)技術(shù)以經(jīng)驗(yàn)和人為控制為主，自動(dòng)化程度低，施工質(zhì)量和封固質(zhì)量難以滿足勘探開(kāi)發(fā)需要。發(fā)展自動(dòng)化固井作業(yè)技術(shù)，在人員安全性、施工可靠性及作業(yè)經(jīng)濟(jì)性等方面將有大幅度的提升，能夠更高效、更智能、更環(huán)保地完成固井作業(yè)任務(wù)[3]。同時(shí)，先進(jìn)的自動(dòng)化固井技術(shù)與裝備是石油行業(yè)工程技術(shù)支撐和保障能力的重要標(biāo)志。

固井自動(dòng)化井口裝備是自動(dòng)化固井裝備的重要組成部分。國(guó)外幾大石油工具服務(wù)公司研發(fā)了適用于海上固井作業(yè)的遠(yuǎn)程控制鉆桿水泥頭，并且已在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用[4]，但適用于陸上固井作業(yè)的遠(yuǎn)控套管水泥頭還未見(jiàn)有報(bào)道；國(guó)內(nèi)目前處于研究階段[5-6]的固井井口裝備的自動(dòng)監(jiān)控與控制方法還未有突破。為此，本文研制了一套固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了固井井口遠(yuǎn)程自動(dòng)化操控，為全流程自動(dòng)化固井工藝核心技術(shù)攻關(guān)奠定了重要的井口裝備基礎(chǔ)。

中國(guó)石油集團(tuán)工程技術(shù)研究院有限公司自2010年開(kāi)始立項(xiàng)攻關(guān)自動(dòng)化固井技術(shù)，目前已形成基于AnyCem系統(tǒng)的自動(dòng)化固井技術(shù)與裝備[7-10]，經(jīng)中國(guó)石油集團(tuán)科技管理部組織中國(guó)科學(xué)院、工程院3位院士和石油專業(yè)領(lǐng)域的6位專家鑒定：該成果整體達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[11]。同時(shí)，該成果在第二十一屆中國(guó)國(guó)際石油石化技術(shù)裝備展覽會(huì)(cippe)中被評(píng)為cippe2021展品創(chuàng)新金獎(jiǎng)[12]。

固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)是“基于AnyCem系統(tǒng)的自動(dòng)化固井技術(shù)與裝備”成果中重要的井口裝備，也是國(guó)內(nèi)首套陸上固井自動(dòng)化井口系統(tǒng)。該系統(tǒng)創(chuàng)新研發(fā)了自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井口裝備遠(yuǎn)程與自動(dòng)化控制，創(chuàng)新設(shè)計(jì)的閘閥監(jiān)控橇可監(jiān)測(cè)固井工作液參數(shù)和控制流道切換，建立了水泥頭膠塞擋銷遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)方法，配套形成了基于電控液模式的閘閥開(kāi)閉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水泥頭遠(yuǎn)程自動(dòng)作業(yè)，降低了人工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和井口操作的勞動(dòng)強(qiáng)度，改變了高空以及高寒等極端環(huán)境下的作業(yè)模式。

1 設(shè)計(jì)思路及關(guān)鍵技術(shù)

傳統(tǒng)固井井口裝置只有水泥頭，通過(guò)人工手動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)固井工作液流道的切換和固井膠塞的投放[13]。將傳統(tǒng)水泥頭的這兩項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)[14-17]。

(1)傳統(tǒng)水泥頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)改造。將可遠(yuǎn)程控制的擋銷機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)水泥頭結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，使改造后的水泥頭可遠(yuǎn)程控制完成固井膠塞投遞功能動(dòng)作，并將固井工作流道切換功能集成在一起，便于控制，同時(shí)所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)具備動(dòng)作執(zhí)行反饋信號(hào)。

(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制需要依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支撐實(shí)現(xiàn)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有可靠性高、反應(yīng)靈敏以及適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，是自動(dòng)化固井井口系統(tǒng)的最佳選擇。

(3)固井工作流體的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。自動(dòng)化固井作業(yè)技術(shù)需要準(zhǔn)確了解工作流體狀態(tài)，以便于對(duì)固井施工流程是否符合設(shè)計(jì)做出準(zhǔn)確判斷。因此，有必要在固井井口自動(dòng)化裝備中加入可監(jiān)測(cè)固井工作流體流速、壓力、密度和溫度等參數(shù)的儀器。

(4)系統(tǒng)控制軟件及遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸。傳統(tǒng)水泥頭在固井作業(yè)中，需要嚴(yán)格按照作業(yè)流程先后完成相應(yīng)的流道切換和膠塞投遞等作業(yè)步驟，若無(wú)法傳遞操作信息、傳遞錯(cuò)誤的操作信息或信息延遲都將增加固井作業(yè)的施工風(fēng)險(xiǎn)，甚至導(dǎo)致井下故障的發(fā)生，因此可靠、安全的通信控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水泥頭自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)。

固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是：在傳統(tǒng)水泥頭的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改造，將原有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)改造成可遠(yuǎn)控機(jī)構(gòu)；研發(fā)控制固井工作流道可自動(dòng)切換的閘閥系統(tǒng)；研發(fā)新型耐高壓固井工作液性能監(jiān)測(cè)儀器；遠(yuǎn)控機(jī)構(gòu)選用液動(dòng)執(zhí)行器，通過(guò)液動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)控機(jī)構(gòu)動(dòng)作；采用數(shù)據(jù)線連接控制軟件與硬件操控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信與控制液動(dòng)系統(tǒng)；開(kāi)發(fā)系統(tǒng)控制軟件，輸出操作指令、監(jiān)控工作液參數(shù)及動(dòng)作執(zhí)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制整個(gè)系統(tǒng)工作。

2 技術(shù)分析

2.1 系統(tǒng)組成

固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)主要包括自動(dòng)水泥頭、閘閥監(jiān)控橇和自動(dòng)控制系統(tǒng)3部分，如圖1所示。自動(dòng)水泥頭與閘閥監(jiān)控橇通過(guò)固井管匯連接，閘閥監(jiān)控橇與自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)通信數(shù)據(jù)線連接。

圖1 固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cement head and gate valve system for automatic monitoring cementing

1—操控箱；2—質(zhì)量流量計(jì)；3—1#閥；4—2#閥；5—5#閥；6—4#閥；7—3#閥；8—液控系統(tǒng)。圖3 閘閥監(jiān)控橇示意圖Fig.3 Schematic diagram of gate valve monitoring skid

2.1.1 自動(dòng)水泥頭

自動(dòng)水泥頭是在?244.5 mm單膠塞常規(guī)水泥頭基礎(chǔ)上改造而成的，設(shè)有液壓螺桿式擋銷執(zhí)行器和膠塞下落指示器，可自動(dòng)控制膠塞投放，并反饋膠塞下落信號(hào)給自動(dòng)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。螺桿式擋銷執(zhí)行器控制其內(nèi)部的伸縮桿(膠塞擋銷)來(lái)實(shí)現(xiàn)膠塞投放。擋銷執(zhí)行器保留人工操作方式，用于遠(yuǎn)程控制失效時(shí)進(jìn)行人工操作。膠塞下落指示器通過(guò)數(shù)據(jù)線將膠塞以信號(hào)的方式傳遞給閘閥監(jiān)控橇。

2.1.2 閘閥監(jiān)控橇

閘閥監(jiān)控橇是固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)的核心設(shè)備，是在傳統(tǒng)固井井口裝備的基礎(chǔ)上首創(chuàng)設(shè)計(jì)而成，可檢測(cè)固井工作液的性能參數(shù)并傳遞給自動(dòng)控制系統(tǒng)，以及控制各液控閥門執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作。閘閥監(jiān)控橇由操控箱、液壓控制系統(tǒng)、質(zhì)量流量計(jì)和液壓旋塞閥等部分組成，如圖3所示。操控箱設(shè)有液壓控制執(zhí)行系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它采用西門子S7-400系列PLC控制器進(jìn)行信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程控制，質(zhì)量流量計(jì)用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)及指令傳遞處理、遠(yuǎn)程指令執(zhí)行控制，液控旋塞閥及擋銷執(zhí)行器的操作鍵采用帶指示燈按鈕，同時(shí)具備操作開(kāi)關(guān)和實(shí)時(shí)反饋雙重功能，并設(shè)置有二次操作按鈕，以防止誤操作；液壓控制系統(tǒng)同時(shí)負(fù)責(zé)控制整套系統(tǒng)中液壓裝置的動(dòng)作執(zhí)行，響應(yīng)時(shí)間短于5 s，設(shè)置6個(gè)單獨(dú)液壓油路，分別控制5個(gè)液控閥和1個(gè)液控執(zhí)行器；固井工作液性能監(jiān)測(cè)儀器采用自主研發(fā)的耐壓40 MPa的高壓質(zhì)量流量計(jì)[8]，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)固井工作液的密度、流量、壓力和溫度等工作參數(shù)，并將數(shù)據(jù)通過(guò)操控箱傳遞給自動(dòng)控制系統(tǒng)。閘閥監(jiān)控橇的5個(gè)液壓閥分別控制5個(gè)工作液出入口，液壓閥同樣保留人工操作模式。

2.1.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)是固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)的“大腦”，可遠(yuǎn)程控制閘閥監(jiān)控橇和水泥頭的動(dòng)作執(zhí)行，監(jiān)測(cè)固井工作液性能參數(shù)，同時(shí)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有自動(dòng)控制流程，可實(shí)現(xiàn)固井作業(yè)中自動(dòng)化控制水泥頭動(dòng)作的執(zhí)行，如圖4所示。自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)通信數(shù)據(jù)線連接至閘閥監(jiān)控橇，將動(dòng)作指令傳遞給閘閥監(jiān)控橇，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)的控制；自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)顯示固井工作液的多項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)以及各液控閥和液控執(zhí)行器的工作狀態(tài)，在監(jiān)測(cè)的同時(shí)會(huì)對(duì)各項(xiàng)施工參數(shù)進(jìn)行判定，當(dāng)某項(xiàng)參數(shù)異常時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)案進(jìn)行相應(yīng)的操作，并向操作人員發(fā)出警報(bào)，以防止施工事故的發(fā)生；自動(dòng)控制系統(tǒng)有人工操作與自動(dòng)控制兩種工作模式，計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工的要求，結(jié)合質(zhì)量流量計(jì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)施工參數(shù)和流程的設(shè)定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)控制各液壓控制閥和擋銷執(zhí)行器開(kāi)閉，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

圖4 固井井口自動(dòng)控制系統(tǒng)Fig.4 Cementing wellhead automatic control system

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

適用膠塞直徑：244.5 mm；

額定工作壓力：35 MPa；

管道通徑：50.8 mm；

外接電源電壓：380 V；

閘閥響應(yīng)時(shí)間：<5 s；

液壓站工作壓力：7 MPa；

工作溫度：-50～150 ℃；

流量測(cè)量精度：±5%；

密度測(cè)量精度：±0.002 g/cm3。

3 試驗(yàn)及應(yīng)用情況

3.1 室內(nèi)測(cè)試

圖5 室內(nèi)測(cè)試Fig.5 Indoor test

2020年6月，按照水泥頭及膠塞行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)進(jìn)行了室內(nèi)性能測(cè)試，如圖5所示。該系統(tǒng)整體試壓35 MPa，無(wú)泄漏，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求；操作人員通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)遠(yuǎn)距離進(jìn)行操作，流道切換與膠塞投遞動(dòng)作均正常，各液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作信號(hào)反饋及時(shí)，試驗(yàn)流體工作參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確，達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)于2020年10月開(kāi)始在遼河油田開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，3口井的套管直徑均為244.5 mm，平均井深1 400 m。自動(dòng)水泥頭連接套管與閘閥監(jiān)控橇；閘閥監(jiān)控橇放置在鉆臺(tái)面水泥頭附近，通過(guò)管匯連接鉆井泵與固井管匯，連通鉆機(jī)電源。固井施工現(xiàn)場(chǎng)如圖6所示。操作人員在井場(chǎng)固井指揮車內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。按照固井作業(yè)流程，井口系統(tǒng)依次執(zhí)行了循環(huán)鉆井液、注前置液、注水泥漿、投碰壓膠塞、注頂替液、膠塞碰壓和放回水等流程，各液動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作到位，響應(yīng)與反饋及時(shí)，固井工作液參數(shù)監(jiān)控準(zhǔn)確，膠塞碰壓成功，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用要求。同時(shí)，固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)與自動(dòng)化供灰系統(tǒng)、自動(dòng)化水泥車等其他自動(dòng)化固井裝備聯(lián)動(dòng)成功，工序銜接緊密快捷，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程自動(dòng)化固井流程的全部操作。

圖6 固井施工現(xiàn)場(chǎng)Fig.6 Field application of cementing

4 結(jié)論與建議

總結(jié)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況，自動(dòng)化固井井口裝備的研制可在以下3個(gè)方面升級(jí)完善。

4.1 減小裝備體積

本文設(shè)計(jì)的固井井口系統(tǒng)由于體積較大，占地面積多，僅適用于ZJ50鉆機(jī)以上井架，限制了其推廣應(yīng)用。后期可研究將閘閥監(jiān)控橇拆分成便于現(xiàn)場(chǎng)連接的模塊化設(shè)備，將體積分散。

4.2 采用無(wú)線通信

為了保證現(xiàn)場(chǎng)通信的順暢與低延遲，所研制的固井井口系統(tǒng)采用的是有線連接通信方式。后期可研發(fā)無(wú)線通信模式，以減少現(xiàn)場(chǎng)布線工作量，解除固井指揮車需盡量靠近井架的限制。

4.3 優(yōu)化安裝方式

固井井口系統(tǒng)安裝完成后使用較為方便，但安裝時(shí)需要連接的管匯與數(shù)據(jù)線較多，相較于傳統(tǒng)水泥頭，延長(zhǎng)了井口安裝時(shí)間。后期可研制控制系統(tǒng)與水泥頭一體化的整體式遠(yuǎn)控固井井口系統(tǒng)，以便于現(xiàn)場(chǎng)安裝使用。

陸上首套固井自動(dòng)監(jiān)控水泥頭及閘閥系統(tǒng)的成功研制，突破了全流程自動(dòng)化固井作業(yè)技術(shù)的井口控制瓶頸難題，降低了固井井口作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和高壓作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，為全流程自動(dòng)化固井工藝核心技術(shù)攻關(guān)奠定了重要的井口裝備基礎(chǔ)。固井井口系統(tǒng)與其他自動(dòng)化固井設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)成功聯(lián)動(dòng)，有力地證明了自動(dòng)化固井技術(shù)的可行性，下一步應(yīng)加快推進(jìn)全流程自動(dòng)化固井工藝技術(shù)的完善升級(jí)。