对钻井现场起下钻过程进行监测与自动灌浆控制的方法.pdf

本发明涉及一种对钻井现场的起下钻过程进行监测与自动灌浆控制的方法，其特点是利用现有的钻井仪表，通过CAN总线节点接入出口流量传感器、起下钻池传感器，CAN I/O控制装置，利用本方法进行实时检测与分析，给出分析结果，并对灌注泵进行自动灌浆控制。利用本方法可方便地检测井涌、井漏的发生，预防由井涌、井漏引起的恶性事故的发生，减少损失，确保钻井现场的安全。

1.  一种对钻井现场起下钻过程进行监测与自动灌浆控制的方法，其特征在于，利用现有的钻井监视仪(1)，通过CAN总线节点接入出口流量传感器、起下钻池传感器，CAN I/O控制装置，利用本方法进行实时检测与分析，给出分析结果，并对灌注泵进行自动灌浆控制，其方法为：
第一步.在灌浆罐内安装起下钻池传感器(4)；
第二步.在溢流管内安装出口流量传感器(6)；
第三步.利用第一模拟量CAN总线节点(5)连接起下钻池传感器(4)；
第四步.利用第二模拟量CAN总线节点(7)连接出口流量传感器(6)；
第五步.利用CAN I/O节点(3)连接灌注泵(2)的启、停开关；
第六步.将各CAN节点通过电缆连接在一起，CAN电缆的一端连接到钻井监视仪(1)上；
第七步.用C语言编制程序，运行在钻井监视仪(1)；
第八步.利用钻井监视仪(1)及CAN I/O节点联合运算，综合检测得到：
A.灌浆罐内池体积的减少量近似于起钻时灌注的钻井液量，即灌浆量，将灌浆量与需灌浆量进行比较，如果灌浆量大于需灌浆量，说明井筒中有可能出现井漏；如果小于需灌浆量，说明有可能出现溢流或井涌；如果等于需灌浆量，说明正常；
B.一般情况下，由于惯性作用，井筒内超灌的钻井液会通过溢流管流出相应体积的钻井液，该情况可通过出口流量传感器测量溢流管流出的钻井液量，即返浆量，若将灌浆量、返浆量同需灌浆量进行比较，如果大于需灌浆量，说明有可能出现溢流或井涌；如果小于需灌浆量，有可能出现井漏；如果相等，说明正常。

2.  根据权利要求1所述的对钻井现场起下钻过程进行监测与自动灌浆控制的方法，其特征在于，CAN I/O节点(3)由380V电源输入、放大电路、光隔电路A、指示灯、操作按键、液晶显示模块、接触器驱动、继电器驱动、晶振电路、单片机、24V电源输入、电源模块、光隔电路B和CAN收发器组成。380V电源输入与接触器驱动连接，接触器驱动与灌注泵2连接，单片机分别与光隔电路A、指示灯、操作按键、液晶显示模块、晶振电路、电源模块和光隔电路B连接，光隔电路A通过放大电路与继电器驱动连接，电源模块一路用过24V电源输入与继电器驱动连接，另一路通过光隔电路B、CAN收发器与CAN总线连接。

对钻井现场起下钻过程进行监测与自动灌浆控制的方法
技术领域
本发明涉及一种对钻井现场起下钻过程进行监测与自动灌浆控制的方法，属于石油勘探技术领域。
背景技术
在钻井现场，起下钻是一种很常规的作业，而起下钻作业过程中很可能出现很多意想不到的突发情况，尤其是井涌、井漏情况，起下钻发生井涌后极易诱发井喷，造成的后果极为严重。
在起钻过程中，起出一定数量的钻柱后，井筒液面会下降到一定高度，需要灌注相应的钻井液以平衡地层的压力。在作业现场，一般规定每起3-5柱钻杆或一柱钻铤就应灌满一次，若不及时灌浆，则由井筒液面下降的液柱压力和地层压力会出现压差，该压差得不到平衡容易导致溢流，进而导致井涌，严重的时候出现井喷。另外起出钻柱的速度过快容易产生压力激动，也会出现井涌或井漏。目前，国内对于起钻时的灌浆，一般情况是每起出一定数量的钻杆，由人工控制灌注泵灌浆，这要求司钻必须记住起出钻杆的数量，有时还需要倒换立管处的阀门，非常烦琐。在下钻时，由钻井工人观察溢流管处钻井液的返回量，依靠人工判断是否发生井涌或井漏，效率低下，人为因素影响较大。
目前国内虽有一些简单的灌浆控制系统，但功能很简单，采用PLC或单片机进行控制，由传感器和控制器构成系统，误差较大，现场的实用意义不大。由于起下钻的过程复杂，有很多的不确定因素，造成状态的分析判断是控制的难点。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决钻井现场起下钻灌浆的准确性和可靠性，提高现场的作业效率，保障起下钻作业过程安全的对钻井现场起下钻过程进行监测与自动灌浆控制的方法。
为实现以上目的，本发明的技术方案是提供一种对钻井现场起下钻过程进行监测与自动灌浆控制的方法，其特征在于，利用现有的钻井监视仪，通过CAN总线节点接入出口流量传感器、起下钻池传感器，CAN I/O控制装置，利用本方法进行实时检测与分析，给出分析结果，并对灌注泵进行自动灌浆控制，其方法为：
第一步.在灌浆罐内安装起下钻池传感器；
第二步.在溢流管内安装出口流量传感器；
第三步.利用第一模拟量CAN总线节点连接起下钻池传感器；
第四步.利用第二模拟量CAN总线节点连接出口流量传感器；
第五步.利用CAN I/O节点连接灌注泵的启、停开关；
第六步.将各CAN节点通过电缆连接在一起，CAN电缆的一端连接到钻井监视仪上；
第七步.用C语言编制程序，运行在钻井监视仪；
第八步.利用钻井监视仪及CAN I/O节点联合运算，综合检测得到：
A.灌浆罐内池体积的减少量近似于起钻时灌注的钻井液量，即灌浆量，将灌浆量与需灌浆量进行比较，如果灌浆量大于需灌浆量，说明井筒中有可能出现井漏；如果小于需灌浆量，说明有可能出现溢流或井涌；如果等于需灌浆量，说明正常；
B.一般情况下，由于惯性作用，井筒内超灌的钻井液会通过溢流管流出相应体积的钻井液，该情况可通过出口流量传感器测量溢流管流出的钻井液量，即返浆量，若将灌浆量、返浆量同需灌浆量进行比较，如果大于需灌浆量，说明有可能出现溢流或井涌；如果小于需灌浆量，有可能出现井漏；如果相等，说明正常。通过安装起下钻池及出口流量传感器，对上述条件进行检测与分析，再结合钻井仪表本身的强大的状态判断功能，判断出起钻条件及灌浆条件，对灌注泵进行灌注控制。
本发明利用原有的钻井监视仪，采用CAN总线技术的分布式结构连接防爆的模拟量CAN总线节点和出口流量传感器、起下钻池传感器，CAN总线I/O节点，钻井监视仪。CAN总线控制器单元由防爆的CAN总线I/O节点、CAN总线传感器单元和钻井监视仪构成，整个系统的控制中心为钻井监视仪，利用钻井监视仪及CAN I/O节点联合运算，综合检测，得到起钻条件、灌浆条件的分析结果，并根据分析结果对灌注泵进行自动灌浆控制，并根据返浆结果进行综合解释，得出正确的异常状态评价结果，各种控制算法均通过软件实现，充分利用了原有钻井仪表硬件平台，无需其它的硬件载体。
自动灌浆需要在起钻时根据用户的要求进行灌浆，而起钻状态的判断涉及井深系统以及大钳系统的检测，这对灌浆系统而言是一个难点。本发明利用在现场大量使用的钻井仪表避开了该问题，利用钻井仪表本身提供的状态判断解决了灌浆的起钻状态的判断，通过软件上的通讯接口协议解决了该问题。
本发明的优点是：
1.由于利用了原有的钻井仪表，使系统结构十分简单，并轻而易举地获得了很多的状态判断，大大提高了系统的准确性；
2.采用了智能的CAN I/O模块进行控制，减轻了钻井监视仪CPU的任务，实时性强；
3.本方法由于采用了CAN总线技术，大大方便了现场的使用，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明的CAN I/O节点结构框图；
图3为本发明的CAN I/O节点软件流程图；
图4为本发明的钻井监视仪灌浆控制软件流程图；
图5为钻井监视仪内的软件接口示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例
如图1所示，为本发明的系统结构示意图，出口流量传感器6同CAN模拟量节点7安装在溢流管上，对返浆量进行检测，通过CAN总线同其它设备进行连接，起下钻池传感器4同CAN模拟量节点5安装在灌浆罐上，对灌浆量进行检测，通过CAN总线同其它设备进行连接，CAN I/O节点3安装在灌注泵2上，对灌注泵进行启停操作，钻井监视仪1通过CAN总线同上述设备进行连接，通过CAN总线发出各种状态消息，并接收各节点的数据，进行运算、显示和存储。由于采用了CAN总线技术，系统结构极其简单，大大方便了现场的使用，提高了系统的可靠性。
如图2所示，为本发明的CAN I/O节点结构框图，CAN I/O节点3由380V电源输入、放大电路、光隔电路A、指示灯、操作按键、液晶显示模块、接触器驱动、继电器驱动、晶振电路、单片机、24V电源输入、电源模块、光隔电路B和CAN收发器组成。380V电源输入与接触器驱动连接，接触器驱动与灌注泵2连接，单片机分别与光隔电路A、指示灯、操作按键、液晶显示模块、晶振电路、电源模块和光隔电路B连接，光隔电路A通过放大电路与继电器驱动连接，电源模块一路用过24V电源输入与继电器驱动连接，另一路通过光隔电路B、CAN收发器与CAN总线连接。
CAN I/O节点3是一个智能的I/O节点，主要功能用一个SOC的单片机通过软件进行实现，在此采用C8051F040集成CAN的SOC单片机，电路结构极其简单。CAN节点采用全隔离结构，通过接触器可直接驱动380V的三相电动机，实现灌注泵的操作。通过CAN总线接收起下钻池以及出口流量的数据，并接收来自钻井监视仪1的指令，解析后控制灌注泵2的启停，CAN I/O节点可根据设定时间对灌注泵进行停止操作，亦可根据设定的流量对灌注泵进行PID智能控制，流量的通过出口流量以及起下钻池传感器的检测。CAN I/O节点的初始化参数设置由钻井监视仪1通过CAN总线进行设置，或通过内置的操作按键进行设置。
如图3所示，为本发明的CAN I/O节点软件流程图，软件用C进行编写，CANI/O节点直接对低层设备→灌注泵进行控制，并通过CAN总线接收各种指令，操作。CAN I/O模块的置位动作受上位机→钻井监视仪的控制，复位动作则通过自身进行计时，达到计时时间后进行复位，不受上位机的控制。CAN I/O节点通过软件判断状态，自动进行报警处理，这种方式大大地减轻了上位机CPU的任务，解决了线路阻塞、通讯异常的影响，提高了系统的实时性。
如图4所示，为本发明的钻井监视仪灌浆控制软件流程图，软件用C进行编写，该软件安装在钻井监视仪内，工作在windows平台上，通过CAN总线获取起下钻池传感器、出口流量传感器、CAN I/O模块的数据，并通过WITS协议同原有的钻井监视仪监控软件进行数据交换，协同工作，各种状态等数据是由原钻井监视仪通过开放的WITS协议进行数据交换，如图5所示，提高了系统的工作效率。软件根据用户的设置计算需灌浆量，通过起下钻池的变化量计算灌浆量，通过出口流量的变化量计算返浆量，并结合钻井监视仪监控软件提供的状态进行灌浆控制，进行系统状态判断，大大提高了系统的准确性。对于灌注泵的控制，钻井监视仪端的灌浆控制软件是通过CAN总线发送动作指令以及时间信息到CANI/O模块，通知CAN I/O模块进行灌注泵的控制，并接收CAN I/O模块的应答帧，确保系统通讯的可靠性。这种控制方式大大减轻了钻井监视仪CPU的工作量，钻井监视仪CPU只需确定开始灌注的时刻并通知CAN I/O模块，对于灌注的停止则无需控制。
本发明的目的是这样实现的：在起钻过程中，通过测量灌浆罐内池体积的变化量，该灌浆罐内池体积的减少量近似于起钻时灌注的钻井液量，即灌浆量。将灌浆量与需灌浆量(相应的钻具的排代量)进行比较，如果灌浆量大于需灌浆量，说明井筒中有可能出现井漏；如果小于需灌浆量，说明有可能出现溢流或井涌；如果等于需灌浆量，说明正常。一般情况下，由于惯性作用，井筒内超灌的钻井液会通过溢流管流出相应体积的钻井液。该情况可通过出口流量传感器测量溢流管流出的钻井液量，即返浆量。若将灌浆量、返浆量同需灌浆量进行比较，如果大于需灌浆量，说明有可能出现溢流或井涌；如果小于需灌浆量，有可能出现井漏；如果相等，说明正常。通过安装起下钻池及出口流量传感器，对上述条件进行检测与分析，再结合钻井仪表本身的强大的状态判断功能，判断出起钻条件及灌浆条件，对灌注泵进行灌注控制。
通过本发明的方法可以对钻井现场的起下钻作业进行自动灌浆控制，提高现场的作业效率，保障起下钻作业过程的安全。