固井自动监控水泥头及闸阀系统研制与应用*

张怀文 马立国 王 琦 李 勇 米凯夫 王兆会

(1.中国石油集团工程技术研究院有限公司 2.中国石油川庆钻探工程有限公司 长庆固井公司 3.胜利油田油气井下作业中心 4.北京石油机械有限公司)

0 引 言

中国西部深层油气资源固井作业井深已突破8 800 m，川渝页岩气固井作业最高压力已超过110 MPa，国内勘探开发的新形势、新挑战对固井作业技术提出了新要求[1-2]。固井作业技术是油气资源开发过程中的关键技术，关系到单井安全优质高效建井，关系到油气井长期高效安全生产，而目前固井作业技术以经验和人为控制为主，自动化程度低，施工质量和封固质量难以满足勘探开发需要。发展自动化固井作业技术，在人员安全性、施工可靠性及作业经济性等方面将有大幅度的提升，能够更高效、更智能、更环保地完成固井作业任务[3]。同时，先进的自动化固井技术与装备是石油行业工程技术支撑和保障能力的重要标志。

固井自动化井口装备是自动化固井装备的重要组成部分。国外几大石油工具服务公司研发了适用于海上固井作业的远程控制钻杆水泥头，并且已在现场推广应用[4]，但适用于陆上固井作业的远控套管水泥头还未见有报道；国内目前处于研究阶段[5-6]的固井井口装备的自动监控与控制方法还未有突破。为此，本文研制了一套固井自动监控水泥头及闸阀系统。该系统实现了固井井口远程自动化操控，为全流程自动化固井工艺核心技术攻关奠定了重要的井口装备基础。

中国石油集团工程技术研究院有限公司自2010年开始立项攻关自动化固井技术，目前已形成基于AnyCem系统的自动化固井技术与装备[7-10]，经中国石油集团科技管理部组织中国科学院、工程院3位院士和石油专业领域的6位专家鉴定：该成果整体达到国际领先水平[11]。同时，该成果在第二十一届中国国际石油石化技术装备展览会(cippe)中被评为cippe2021展品创新金奖[12]。

固井自动监控水泥头及闸阀系统是“基于AnyCem系统的自动化固井技术与装备”成果中重要的井口装备，也是国内首套陆上固井自动化井口系统。该系统创新研发了自动控制系统，实现了井口装备远程与自动化控制，创新设计的闸阀监控橇可监测固井工作液参数和控制流道切换，建立了水泥头胶塞挡销远程控制与监测方法，配套形成了基于电控液模式的闸阀开闭技术，实现了水泥头远程自动作业，降低了人工作业风险和井口操作的劳动强度，改变了高空以及高寒等极端环境下的作业模式。

1 设计思路及关键技术

传统固井井口装置只有水泥头，通过人工手动操作，实现固井工作液流道的切换和固井胶塞的投放[13]。将传统水泥头的这两项功能实现自动化，需要解决以下关键技术[14-17]。

(1)传统水泥头的机械结构改造。将可远程控制的挡销机构与传统水泥头结构有机结合，使改造后的水泥头可远程控制完成固井胶塞投递功能动作，并将固井工作流道切换功能集成在一起，便于控制，同时所有执行机构具备动作执行反馈信号。

(2)机械结构的驱动系统。自动化远程控制需要依靠机械结构的驱动系统支撑实现，液压驱动系统具有可靠性高、反应灵敏以及适应性强的优点，是自动化固井井口系统的最佳选择。

(3)固井工作流体的状态监测。自动化固井作业技术需要准确了解工作流体状态，以便于对固井施工流程是否符合设计做出准确判断。因此，有必要在固井井口自动化装备中加入可监测固井工作流体流速、压力、密度和温度等参数的仪器。

(4)系统控制软件及远距离信号传输。传统水泥头在固井作业中，需要严格按照作业流程先后完成相应的流道切换和胶塞投递等作业步骤，若无法传递操作信息、传递错误的操作信息或信息延迟都将增加固井作业的施工风险，甚至导致井下故障的发生，因此可靠、安全的通信控制系统是实现水泥头自动化远程控制的基础。

固井自动监控水泥头及闸阀系统设计思路是：在传统水泥头的基础上对其进行改造，将原有的执行机构改造成可远控机构；研发控制固井工作流道可自动切换的闸阀系统；研发新型耐高压固井工作液性能监测仪器；远控机构选用液动执行器，通过液动系统驱动远控机构动作；采用数据线连接控制软件与硬件操控系统，实现远程通信与控制液动系统；开发系统控制软件，输出操作指令、监控工作液参数及动作执行，进而实现自动化远程控制整个系统工作。

2 技术分析

2.1 系统组成

固井自动监控水泥头及闸阀系统主要包括自动水泥头、闸阀监控橇和自动控制系统3部分，如图1所示。自动水泥头与闸阀监控橇通过固井管汇连接，闸阀监控橇与自动控制系统通过通信数据线连接。

图1 固井自动监控水泥头及闸阀系统示意图Fig.1 Schematic diagram of cement head and gate valve system for automatic monitoring cementing

1—操控箱；2—质量流量计；3—1#阀；4—2#阀；5—5#阀；6—4#阀；7—3#阀；8—液控系统。图3 闸阀监控橇示意图Fig.3 Schematic diagram of gate valve monitoring skid

2.1.1 自动水泥头

自动水泥头是在ø244.5 mm单胶塞常规水泥头基础上改造而成的，设有液压螺杆式挡销执行器和胶塞下落指示器，可自动控制胶塞投放，并反馈胶塞下落信号给自动控制系统，其结构如图2所示。螺杆式挡销执行器控制其内部的伸缩杆(胶塞挡销)来实现胶塞投放。挡销执行器保留人工操作方式，用于远程控制失效时进行人工操作。胶塞下落指示器通过数据线将胶塞以信号的方式传递给闸阀监控橇。

2.1.2 闸阀监控橇

闸阀监控橇是固井自动监控水泥头及闸阀系统的核心设备，是在传统固井井口装备的基础上首创设计而成，可检测固井工作液的性能参数并传递给自动控制系统，以及控制各液控阀门执行开关动作。闸阀监控橇由操控箱、液压控制系统、质量流量计和液压旋塞阀等部分组成，如图3所示。操控箱设有液压控制执行系统和数据传输系统，它采用西门子S7-400系列PLC控制器进行信号采集、数据处理及远程控制，质量流量计用于数据采集、数据及指令传递处理、远程指令执行控制，液控旋塞阀及挡销执行器的操作键采用带指示灯按钮，同时具备操作开关和实时反馈双重功能，并设置有二次操作按钮，以防止误操作；液压控制系统同时负责控制整套系统中液压装置的动作执行，响应时间短于5 s，设置6个单独液压油路，分别控制5个液控阀和1个液控执行器；固井工作液性能监测仪器采用自主研发的耐压40 MPa的高压质量流量计[8]，用于实时监测固井工作液的密度、流量、压力和温度等工作参数，并将数据通过操控箱传递给自动控制系统。闸阀监控橇的5个液压阀分别控制5个工作液出入口，液压阀同样保留人工操作模式。

2.1.3 自动控制系统

自动控制系统是固井自动监控水泥头及闸阀系统的“大脑”，可远程控制闸阀监控橇和水泥头的动作执行，监测固井工作液性能参数，同时自动控制系统设计有自动控制流程，可实现固井作业中自动化控制水泥头动作的执行，如图4所示。自动控制系统通过通信数据线连接至闸阀监控橇，将动作指令传递给闸阀监控橇，实现对整个固井自动监控水泥头及闸阀系统的控制；自动控制系统能够监测显示固井工作液的多项数据参数以及各液控阀和液控执行器的工作状态，在监测的同时会对各项施工参数进行判定，当某项参数异常时，自动控制系统会根据预案进行相应的操作，并向操作人员发出警报，以防止施工事故的发生；自动控制系统有人工操作与自动控制两种工作模式，计算机自动控制时，根据现场施工的要求，结合质量流量计的监测数据，通过对施工参数和流程的设定，计算机系统自动控制各液压控制阀和挡销执行器开闭，从而实现自动控制。

图4 固井井口自动控制系统Fig.4 Cementing wellhead automatic control system

2.2 主要技术参数

适用胶塞直径：244.5 mm；

额定工作压力：35 MPa；

管道通径：50.8 mm；

外接电源电压：380 V；

闸阀响应时间：<5 s；

液压站工作压力：7 MPa；

工作温度：-50～150 ℃；

流量测量精度：±5%；

密度测量精度：±0.002 g/cm3。

3 试验及应用情况

3.1 室内测试

图5 室内测试Fig.5 Indoor test

2020年6月，按照水泥头及胶塞行业标准，对固井自动监控水泥头及闸阀系统进行了室内性能测试，如图5所示。该系统整体试压35 MPa，无泄漏，达到了设计要求；操作人员通过自动控制系统远距离进行操作，流道切换与胶塞投递动作均正常，各液压执行机构动作信号反馈及时，试验流体工作参数测量准确，达到现场应用要求。

3.2 现场应用

固井自动监控水泥头及闸阀系统于2020年10月开始在辽河油田开展现场应用，3口井的套管直径均为244.5 mm，平均井深1 400 m。自动水泥头连接套管与闸阀监控橇；闸阀监控橇放置在钻台面水泥头附近，通过管汇连接钻井泵与固井管汇，连通钻机电源。固井施工现场如图6所示。操作人员在井场固井指挥车内进行远程操作。按照固井作业流程，井口系统依次执行了循环钻井液、注前置液、注水泥浆、投碰压胶塞、注顶替液、胶塞碰压和放回水等流程，各液动执行机构动作到位，响应与反馈及时，固井工作液参数监控准确，胶塞碰压成功，达到了系统设计使用要求。同时，固井自动监控水泥头及闸阀系统与自动化供灰系统、自动化水泥车等其他自动化固井装备联动成功，工序衔接紧密快捷，实现了远程自动化固井流程的全部操作。

图6 固井施工现场Fig.6 Field application of cementing

4 结论与建议

总结现场应用情况，自动化固井井口装备的研制可在以下3个方面升级完善。

4.1 减小装备体积

本文设计的固井井口系统由于体积较大，占地面积多，仅适用于ZJ50钻机以上井架，限制了其推广应用。后期可研究将闸阀监控橇拆分成便于现场连接的模块化设备，将体积分散。

4.2 采用无线通信

为了保证现场通信的顺畅与低延迟，所研制的固井井口系统采用的是有线连接通信方式。后期可研发无线通信模式，以减少现场布线工作量，解除固井指挥车需尽量靠近井架的限制。

4.3 优化安装方式

固井井口系统安装完成后使用较为方便，但安装时需要连接的管汇与数据线较多，相较于传统水泥头，延长了井口安装时间。后期可研制控制系统与水泥头一体化的整体式远控固井井口系统，以便于现场安装使用。

陆上首套固井自动监控水泥头及闸阀系统的成功研制，突破了全流程自动化固井作业技术的井口控制瓶颈难题，降低了固井井口作业人员的劳动强度和高压作业风险，为全流程自动化固井工艺核心技术攻关奠定了重要的井口装备基础。固井井口系统与其他自动化固井设备的现场成功联动，有力地证明了自动化固井技术的可行性，下一步应加快推进全流程自动化固井工艺技术的完善升级。