压井液自动灌浆系统研究及应用

2022-08-18宋鹏举李彦召黄民战张安治童明森

石油工业技术监督 2022年7期

宋鹏举，李彦召，黄民战，张安治，童明森

中国石油塔里木油田分公司安全环保与工程监督中心（新疆库尔勒 841000）

0 引言

钻井试油修井现场作业中，计量泥浆罐液面、向井筒灌浆的工作均依靠泥浆工观察浮子式检测器和带刻度的标尺完成。这种计量泥浆罐液面的方法精度低，计量精度主要取决于泥浆工的业务水平，受主观因素影响较大。试修作业现场没有液面监测系统，监测井漏和溢流主要依靠泥浆工，人工监测计量精度低、观测滞后且受泥浆工业务水平等因素影响。尤其是对于易喷易漏井、高压井或高含硫等高风险井，一旦出现异常，可能造成井控安全事故发生，轻则溢流或井涌，重则发生井喷事故[1]。2018年12月塔里木油田的“TZ726-2X井喷事件”是在下127 mm（5″）尾管（套管+筛管）作业过程中发生井涌，关井失败，后通过实施压回法压井，成功地控制住了井口。该井井下处于漏失状态，液面不在井口，在吊罐过程中，灌浆不及时，泥浆罐依靠传统刻度尺计量，存在一定的延时性与误差，下尾管过程中漏喷转换，天然气上窜造成突发强烈井涌，关井后没有形成有效密封，最终导致井喷事故的发生。

井控安全作为各油田安全生产的重点，防患于未然是做好井控安全工作的固本之策。油气井在目的层钻进期间发生地层泥浆漏失、井口泥浆失返、钻遇高压地层等问题，如果控制不及时或者处置方法不当就会发生溢流或井喷失控事故。针对上述问题，设计研发了一种在起钻、下钻、循环和静置4 种工况下，可以自动监测溢流、井漏，并自动向井内补液的灌浆控制系统，实现作业及监测智能化，能准确及时地灌液、计量和发现溢流及井漏异常，避免井下复杂和地面井喷等不良事故事件的产生[2-3]。

在钻井、试油、井下作业过程中经常会遇到地层压力突变、气侵、压井液密度偏大或偏小等情况，造成井筒内压井液的变化，会打破压力平衡，需要及时监测计量罐内泥浆变化情况，防止溢流、井涌甚至井喷事故发生。为了避免以上不利情况发生，提升油气井井控安全，设计一种自动灌浆控制系统，可以精确监测计量罐液面变化，并且实现不同工况下监测溢流和井漏情况，判断是否发出警报并实现自动灌浆，提升钻井、试油及井下作业过程中泥浆罐注机械化水平，提高作业过程中井控安全。

1 压井液自动灌浆系统装置的构成及原理

1.1 装置的构成

压井液自动灌浆系统如图1所示。该系统由防爆电箱、PLC 控制系统、超声波液位传感器、液压传感器、触摸屏显示器、报警装置等组成。超声波液位传感器安装在补液罐上，用来检测补液罐内的液位信号；液压传感器安装在指重表压力传感器上，用来检测液压信号，从而计算分析起下钻柱数。

图1 压井液自动灌浆系统示意图

通过按键设置参数、单片机计算、显示和声光报警，可实现自动补液，实时监测溢流、井漏现象并对异常情况报警。

1.2 压井液自动灌浆系统装置工作原理

压井液自动灌浆控制系统的主机安装在主控防爆箱内，另外包含相关传感器（如溢流监测传感器、超声波液位传感器、液压传感器等），通过动力控制箱连接到主控防爆箱内的各功能模块，可以分别控制模拟信号和外部开关信号，进行相关信号转化并输出灌浆泵控制信号[4-5]，如图2所示。

图2 压井液自动灌浆控制系统

计算机控制模块根据作业过程中的需求发出灌浆指令，通过信号控制开启灌浆泵命令向井筒及时进行泥浆罐注，当井筒内钻井液不断上升从返流口返出时，触发液位传感器，液位传感器将信号反馈给计算机控制模块，计算机控制模块发出停止泥浆灌注指令[6]。根据实际灌入量与理论灌入量的对比分析，判断是否发生溢流或井漏。

1.3 主要技术参数和特点

压井液自动灌浆系统主要技术参数见表1。

表1 压井液自动灌浆控制系统主要技术参数

其工作方式为连续，井液自动灌浆系统所采用的超声波传感器为非接触式，精度高，基本不受泥浆性能的影响。该装置设计了缓冲器，较好地解决了由于泥浆搅拌引起的液面波动对信号造成的干扰。压井液自动灌浆系统可以实现循环、静止观察、起钻、下钻4 种工况液面监测、自动灌浆。通过设计的“钻井泵启停识别”，解决了由于钻井泵启动或者停止瞬间造成液面激动而出现误报警的现象。通过液压大的动作和游车高度判断，实现自动数钻杆并自动启动灌浆泵，通过钻井液溢流检测装置与钻具排代量的比较，自动停止灌浆，可以自动判断井下为井漏、井涌或正常[6-8]。自动灌浆系统的应用大大提高了泥浆系统的自动化程度，对降低作业人员劳动强度，降低油气井井控事故的发生起到关键作用[9-10]。

2 用途与功能

压井液自动灌浆控制系统是一种智能化的灌浆装置系统，可以精确监测计量罐液面变化，并且实现不同工况下监测溢流和井漏，判断是否发出警报并实现自动灌浆，提升钻井、试油及井下作业过程中泥浆罐注机械化水平，提高作业过程的井控安全。

压井液自动灌浆控制系统可以监测起钻、下钻、循环和静置4种工况下的溢流和井漏，根据需要实现自动灌浆，并自动记录灌浆数据，显示实时液位，具备历史数据查询功能。可以实现没有录井队监控泥浆罐泥浆体积的情况下，自动记录存储泥浆实时数据，防止坐岗资料造假。

1）起下钻时选择主界面“起钻”或“下钻”键，出现相应的界面。根据液压传感器采集压力信号，分析检测起钻或下钻柱数，按“起钻”或“下钻柱数”自动启泵灌液，定时停泵，按排代量监测判断溢流或井漏。可实时监测溢流、井漏以及起钻柱数、悬重、开泵时长及液位等参数。如果发生井漏，将自动启动“声光报警”模式，并自动启动泥浆泵补液；如果发生溢流，也将自动启动“声光报警”模式。起钻或下钻时可以根据需要进行“按柱数监测“或者“按时间监测”模式。一般先按柱数监测，到最后几柱数再按时间监测。起钻或下钻结束后，选择“自动关”键结束起钻监测程序运行；如果需要查询历史数据查询，选择“历史”键进入数据查询界面。

2）正反循环自动控制操作根据需要选择适合的循环方式，选择触摸屏上“自动开”按钮，系统将启泵开始运行，指示灯“运行中”亮并闪烁（循环结束点击“自动关”时停泵）。正反循环均可实现监测溢流或井漏，发现异常进行声光报警。

3）如果需要静止工况，在主界面中选择“静置”键后进入静置界面。进入“静置”模式后，需要先进行参数设置，如设置溢返量、开泵周期和监测周期等。选择触摸屏上“自动开”按钮，系统开始运行，指示灯“运行中”亮并闪烁。该模式下可以监测实时液位高度、开泵时长、检测时长等参数。如果发现溢流，系统会自动报警，定时灌液,发现井漏自动报警并启泵补液。

3 现场应用

压井液自动灌浆控制系统目前已制作出样机，并于2020 年9—11 月在塔里木油田轮南区块LG1-8X 井和哈拉哈塘区块HA16-12X 井进行了现场试验。现场试验表明,压井液自动灌浆控制系统可以满足起钻、下钻、静置、循环4种不同工况要求，压井液自动灌浆控制系统可以实现液面检测精度。自动灌浆装置具有正确判断起钻、下钻、静置或循环工作状态功能,而且能实现自动灌注或停止灌注钻井液。钻井液液面监测与自动灌浆装置利用超声波传感器对钻井液的体积变化进行监测,判断在钻进过程中井筒钻井液液面变化情况;通过自动记录钻杆数量、计量罐钻井液液面检测和灌注泵,实现了起钻工况和下钻工况的自动判断,并能自动启停灌注泵,对起下钻作业过程中的井筒钻井液液面变化进行监测,判断井涌或井漏，减少井控复杂发生的概率, 从根本上保证安全作业，且可以有效提高油气井井控安全[1-2]。

钻井安全监控智能防护系统不仅运行稳定、功能齐全、操作方便，而且还大大降低了钻井作业风险，保障了作业安全，自动灌浆控制系统的成功应用标志着钻井安全防护技术迈进一个可控阶段[10-12]。