ZGX-1型自动灌浆系统的研制与应用

窦金永（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）

ZGX-1型自动灌浆系统的研制与应用

窦金永
（大庆钻探工程公司钻井工程技术研究院，黑龙江大庆163413）①

在常规起钻过程中存在灌浆不及时、溢流监测不准确、冬季灌浆困难等问题。研制了一套自动灌浆系统。该系统具有自动灌浆功能，运行可靠、溢流报警快速准确、适应低温施工、可操作性强等特点。现场试验结果表明该系统满足现场施工要求，可推广应用。

自动灌浆；溢流监测；低温施工

在起钻过程中，钻具上提使得井筒中的液面下降，为了维持井底压力与地层压力的平衡，需要向井筒中灌注钻井液。常规灌浆施工过程中存在如下问题：

1） 灌浆不及时。起下钻时井场上人员少，容易出现监督不到位、管理不到位的情况，若泥浆工不到位，则难以做到及时灌浆，导致安全风险增加。

2） 溢流监测不准确。目前现场一般使用一种浮子式液面检测器和带刻度的标尺，需要泥浆工每隔一定时间在钻井液罐上进行人工观测、记录和对比，然后判断是否出现溢流，这种方法依赖泥浆工个人的经验和责任心，存在一定的滞后性。

3） 冬季灌浆困难。在低温条件下不常使用的计量罐内钻井液结冰，导致灌注泵吸入口堵塞。另外，灌注泵的出口管线及其他灌注管线也容易结蜡堵塞，从而导致常规灌注系统失效。

为解决上述问题，研制了ZGX-1型自动灌浆系统，并通过现场试验进行了验证。

1　技术分析

1．1 组成

ZGX-1型自动灌浆系统的组成如图1所示。主要分为2部分。

1） 灌浆系统。主要包括灌浆罐、灌注泵、灌注管线及泥浆跑道等。

2） 自动控制系统。主要包括流量感应器、防爆电控箱、远程控制终端等。

1．2 工作原理

起钻之前，首先根据现场实际情况设定自动灌浆间隔时间以及溢流报警响应时间，之后由司钻或泥浆工通过远程控制终端启动自动灌浆系统，系统独立运行，自动进行判断和反馈处理，满足常温、低温条件下的灌浆需求。当井口监测到溢流时，远程控制终端发出声光报警信号，为施工人员提供参考。起钻完成后，由司钻或泥浆工通过远程控制终端关停自动灌浆系统。另外，司钻或泥浆工可以直接通过远程控制终端单独控制灌注泵启停。在常规条件下应用计量罐作为灌浆罐，若计量罐上冻不能使用，则应用钻井液维持循环的5号罐作为灌浆罐。

图1　ZGX1型自动灌浆系统

1．3 主要技术参数

流量感应速度≤3s

灌浆间隔时间可调

溢流判断响应时间可调

防爆电控箱尺寸800mm×500mm×200mm

控制终端尺寸400mm×400mm×200mm

防爆电控箱质量100kg

控制终端质量40kg

电源接头规格60 A

1．4技术特点［1-4］

该自动灌浆系统的设计充分考虑了现场施工要求，能够解决现场实际问题，为起钻过程中的灌浆作业提供了设备保障，在程序建立及控制上有以下创新点：

1） 提高程序的可靠性。一是只选用井口流量感应器的监测信号和时间作为判断依据，使得程序运行过程中干扰因素少，逻辑关系清晰，程序语句简练。二是通过对自动灌浆重新启动触发方式的优化，实现了时间点触发与旋钮触发的并联。

2） 提高溢流监测的准确性。一是采用灵敏度高、性能稳定可靠的流量感应器对井口返出进行监测。二是通过增加自动灌浆间隔时间内的溢流报警冗余时间，减少了误报警。

3） 提高系统的可操作性。一是将灌浆间隔时间和溢流响应时间设计成可覆盖的形式，方便在现场条件下灵活更改。二是增加了手动控制灌浆功能，以应对不适合自动灌浆的情况，并且通过设计手动灌浆独立的控制回路，实现手动灌浆与自动灌浆的相对独立，避免了相互干扰。

2　室内模拟试验情况

ZGX-1型自动灌浆系统于2014-08-26—2014-09-05在大庆钻井研究院钻井综合模拟试验室进行了一系列室内模拟试验（如图2），各项性能指标达到设计要求。试验项目主要包括：

1） 自动控制系统检测。控制终端各旋钮、按钮灵活好用，控制指令执行可靠；防爆电控箱对来自流量感应器的信号反应迅速，一般不超过3 s，且灵敏可靠。

2） 自动灌浆试验。旋钮旋至自动位后，自动灌浆程序顺利启动，给模拟流道填充清水后，流量感应器发出信号，灌注泵自动关停，控制终端显示下次启动倒计时，间隔时间过后，顺利进行下次自动灌浆。

3） 溢流试验。在自动灌浆的程序运行情况下，正常的灌浆间歇时间内向模拟流道填充清水持续15 s（溢流判断响应时间设定为15 s），控制终端会顺利发出声光报警信号，直到将旋钮旋至停止位声光报警停止。

4） 手动灌浆试验。在自动灌浆运行一段时间后将旋钮旋至停止位，自动灌浆顺利停止；将旋钮旋至手动位，并按下启动按钮后灌注泵启动，此时不会自动停止或报警，当按下停止按钮或旋至停止位时，灌注泵关闭。

图2　ZGX1型自动灌浆系统室内模拟试验布置

3　现场应用情况

2014-10-11—2014-12-15，本系统在达深21井完成了15井次的自动灌浆现场试验，自动灌浆累计运行153．7 h，系统累计待机1 559 h，自动灌浆成功率达到100%，经历的环境最低温度达到－28℃，实现对溢流的准确报警，手动灌浆操作可靠，直至本口井完钻才结束现场试验。试验结果表明该系统满足现场施工要求，具备了推广应用的条件。ZGX-1型自动灌浆系统试验情况如表1所示。

表1　ZGX1型自动灌浆系统现场试验记录

与常规灌浆比较，自动灌浆有如下优势：

1） 常规灌浆不能长时间保持及时灌注钻井液，会经常出现较长的灌浆间隔时间。自动灌浆不受人为因素影响，在固定的灌浆间隔时间内灌注钻井液，灌浆定时足量。

2） 自动灌浆比常规灌浆更加简洁、方便。应用自动灌浆大幅降低了泥浆工的工作强度：

①不必一直数起出的钻柱数量。

②不必每起出3柱钻具按一组启停开关。

③不必在每次灌浆时观察出口是否返出。而只需要在起钻开始之前和起钻完成之后各转动一次旋钮。

3） 自动灌浆比常规灌浆更加安全、高效。

①自动灌浆系统的溢流报警比人工判断更加快速、准确。对于降低起钻过程中的井控风险具有重要意义。

②自动灌浆系统可根据具体情况灵活调整自动灌浆间隔时间和溢流报警响应时间，从而有针对性地选择作业安全等级。

③司钻或泥浆工可在室内通过控制终端完成自动灌浆和手动灌浆，不受恶劣天气影响，人员不必在设备中穿梭，减少了人身伤害风险。

④应用该系统将泥浆工从繁忙的灌浆作业中解放出来，能使其将更多精力投入到测泥浆性能、配浆、倒浆、加重、维护设备中去，从而提高作业效率。

4　结论

1） 研发的ZGX-1型自动灌浆系统能自动灌浆，运行可靠、溢流报警快速准确、适应低温施工、可操作性强，为降低起钻过程中的溢流风险、杜绝井喷事故提供了设备支持，对于提高井控安全水平具有重要意义。

2） 通过现场试验，该型自动灌浆系统实现自动灌浆累计运行153．7h，系统累计待机1559h，经历的环境最低温度达到－28℃，实现对溢流的准确报警，手动灌浆操作可靠。试验结果表明该系统满足现场施工要求，具备了推广应用的条件。

3） 为进一步提高井控安全水平、完善系统功能，建议在本系统的基础上加入起钻灌浆灌入量精确计量技术。

［1］ 丁柯宇，程智远，汤新国，等．新型下套管自动灌浆装置研制与应用［J］．石油矿场机械，2012，41（11）：59-61．

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［4］ 胡兴平，王卫海，宋玉明．AMC2006自动灌浆控制系统［J］．中国石油和化工标准与质量，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

国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”中项目“深井钻录、测试技术及配套装备（二期）”中课题“碳酸盐

岩、火成岩及酸性气藏高效安全钻完井技术”（2011ZX05021002）资助。

窦金永（1984-），男，天津人，工程师，2007年毕业于中国石油大学（北京）石油工程专业，现从事气体／欠平衡钻井以及控压钻井科研工作，Email：doujinyongoo＠sina．com．cn。