控压钻完井光电气液综合伺服系统及方法与流程

本发明属于钻完井工程领域，具体涉及控压钻完井光电气液综合伺服系统及方法。

背景技术：

1、2020年我国石油对外依存度上升至73％，天然气攀升至43％，大大超过国际公认的警戒线。目前，深层/超深层油气资源已成为是我国油气资源开发的主战场。相比浅层油气储层，深层、超深层油气储层地质构造尤为复杂，地层压力更高、压力敏感性更强、安全密度窗口更窄等特点，如新疆克深b井完钻井深为7924.5m，井底压力超过200mpa，密度窗口不到0.01g/cm3，这导致钻完井面临诸多问题。(1)井壁垮塌严重，卡钻、埋钻风险极高：如新疆富满油田卡钻、埋钻率超过10％，单次事故损失高达数千万元。(2)“喷漏”同存，井控风险极大：如塔里木油田每年发生的溢流占中石油集团公司溢流总数的三分之一，其中新疆塔中中古区块80余口井平均漏失1990m3，单井损失超2000万元；(3)钻速慢，钻井周期长、成本高：据统计在新疆克深区块，泥浆密度降低0.05-0.10g/cm3，钻速提高34％，钻井周期缩短21％。

2、控压钻完井可“看着井底施工”，可有效解决由于井底压力造成的井漏、井壁失稳、卡钻、“喷漏”同存等复杂事故；同时合理降低泥浆密度，可有效提高钻速，缩短钻井周期。国外控压钻完井技术始于上世纪90年代初，2005年以来，schlumberger、weatherford等为代表的国际油服公司先后成功研发了控压钻井技术。2009年，塔里木油田引进美国哈里伯顿的控压系统应用了15井次，单井服务费用超过1000万元，由于费用过高，并未在我国大规模推广应用。2010年，本项目组研制了国内第一套现场投产应用的精细控压钻井系统，该系统在预防复杂、提速提效方面效果显著，如新深101d井在使用了该团队研发的精细控压钻井系统后，创造创川西海相井三开须三段最高单日进尺、单只钻头最高平均机械钻速、最多进尺、钻井周期最短等6项中石油集团公司记录。

3、控压钻完井系统主要分为纯电驱动和电液驱动两种，纯电驱动控压系统结构复杂，成本高昂，例如电动伺服节流阀超过50万元/个；电动控压系统伺服系统涉及电机、减速器等多个结构，电动控压钻完井系统稳定性较差，适应性较差，如：井场切换电源则会导致整个钻完井系统失效。电液驱动钻完井系统，其原理为：利用电动泵提供液压，液压驱动液动马达等闸阀、节流阀执行机构，从而实现钻完井系统的节流及通道切换控制。电液驱动钻完井系统稳定性较好，成本低；液压系统驱动力大，能完全适用驱动高压、超高压深层、超深层油气资源钻完井工程。因此，电液驱动钻完井系统是未来控压钻完井发展的必然趋势。

4、当前，电液驱动钻完井系统供能为电能，供能方式单一，难以保障油气钻完井全天候可持续生产，难以确保油气生产安全。

技术实现思路

1、基于上述背景技术存在的问题，本发明提出了控压钻完井光电气液综合伺服系统及方法，解决现有技术中电液驱动钻完井系统供能方式单一，无法保障油气钻完井全天候可持续生产，难以确保油气生产安全的问题。

2、本发明的实施例是这样实现的：

3、本发明实施例提供了控压钻完井光电气液综合伺服系统，其包括控压钻完井阀门系统和控制系统，所述控压钻完井阀门系统的进油油路上并联有井场液压源、手动泵液压源、电动泵液压源和气动泵液压源；

4、控压钻完井阀门系统的进油油路上设置有第一磁芯过滤器、第一压力传感器和流量传感器；

5、控压钻完井阀门系统的回油油路上设置有回油模块；

6、控制系统包括测控cpu和与所述测控cpu电性连接的控制模块、用于供能的供能模块和用于传输传感器模拟信号的传感模块；

7、所述控制模块分别用于控制井场液压源、手动泵液压源、电动泵液压源和气动泵液压源的工作状态。

8、本发明中的控压钻完井光电气液综合伺服系统，通过设置了多种液压源，丰富了控压钻完井光电气液综合伺服系统的供能方式，同时可以通过控制系统，实现多种供能方式自动切换，大大提高了控压钻完井光电气液综合伺服系统的停电等情况的应急能力、安全性、可靠性、稳定性和控制精度，控压钻完井光电气液综合伺服系统的自动化程度高，效率较高。

9、作为上述实施例的可选方案，所述回油模块包括与控压钻完井阀门系统的回油油路连通的回油油箱，回油油箱的出油油路上设置有第一电磁溢流阀和多个储能器；回油油箱的出油油路与所述控压钻完井阀门系统的进油油路连通，通过设置第一电磁溢流阀限制回油油箱的出油油路中液压油的额定压力；多个储能器在适当的时机将回油模块中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统。当系统瞬间压力增大时，可以吸收这部分的能量，以保证整个系统压力正常。

10、作为上述实施例的可选方案，所述井场液压源包括与所述控压钻完井阀门系统的进油油路连通的井场液压管，所述井场液压管的自由端与井场连通，井场液压管上设置有第二压力传感器，井场液压管上并联有第一手动截止阀和第一电磁截止阀。当需要井场液压源向控压钻完井光电气液综合伺服系统供能时，通过手动打开第一手动截止阀或者通过控制系统打开第一电磁截止阀，井场中的具有高压的液体通过井场液压管进入控压钻完井阀门系统的进油管，以达到向控压钻完井阀门系统提高动力的目的；第一手动截止阀和第一电磁截止阀的设置，使得井场液压源控制可以提供手动和电动两种操作模式，使得井场液压源供能更加稳定可靠。

11、作为上述实施例的可选方案，所述手动泵液压源包括第一油箱，所述第一油箱通过手动泵油管与所述控压钻完井阀门系统的进油油路连通，手动泵油管上连通有第二磁芯过滤器和手动泵。当发生停电等突发情况，导致电动泵液压源无法向控压钻完井阀门系统供能时，手动泵液压源和气动泵液压源工作向控压钻完井阀门系统供能，第二压力传感器的压力小于气动泵液压源的额定压力，利用手动泵打压。

12、作为上述实施例的可选方案，所述电动泵液压源包括第二油箱，所述第二油箱通过电动泵油管与与所述控压钻完井阀门系统的进油油路连通，所述电动泵油管上并联有第一电动泵和第二电动泵，所述第一电动泵和第二电动泵上均串联有一个单向阀。

13、电动泵液压源是主要向控压钻完井阀门系统供能的液压源，在初始打压，测控cpu控制第一电动泵和第二电动泵启动，提高加压速度；保压过程中，测控cpu第一电动泵和第二电动泵交替启动，减小第一电动泵和第二电动泵长时间工作而导致电机损坏，延伸电动液压源的使用寿命。

14、作为上述实施例的可选方案，所述气动泵液压源包括气动泵油管，所述气动泵油管的一端与所述第二油箱连通，另一端与所述控压钻完井阀门系统的进油油路连通；

15、所述气动泵油管上设置有气动泵，所述气动泵连接有气源驱动装置，气源驱动装置包括气压管，所述气压管的一端与气动泵连通，另一端与外部高压气源设备连通，气压管中间设置有多根支管，气压管通过支管并联有第二电磁截止阀和第二手动截止阀。当发生突发情况，需要气动泵液压源向控压钻完井阀门系统供能时，通过控制系统打开第二电磁截止阀或者手打打开第二手动截止阀，外部高压气源设备向气动泵供气，气动泵启动，将第二油箱的液压油泵入控压钻完井阀门系统的进油油路，以达到供能的目的；第二电磁截止阀和第二手动截止阀使得气动泵液压源控制可以提供手动和电动两种操作模式，使得气动泵液压源供能更加稳定可靠。

16、作为上述实施例的可选方案，所述回油油箱、第一油箱和第二油箱内均设置有与所述测控cpu电性连接的温度传感器和液压油加热器；所述回油油路上设置有与所述测控cpu电性连接的冷却系统。

17、作为上述实施例的可选方案，所述控制模块包括多个用于所述第一电磁溢流阀、第一电磁截止阀、第一电动泵、第二电动泵、第二电磁截止阀、冷却系统和液压油加热器电性连接的继电器，每个所述继电器相互并联且均与所述测控cpu电性连接。

18、作为上述实施例的可选方案，所述传感模块多个与所述测控cpu电性连接的模拟数字转换器；多个所述模拟数字转换器分别与所述第一压力传感器、流量传感器、第二压力传感器和多个温度传感器电性连接。

19、作为上述实施例的可选方案，所述供能模块包括与所述测控cpu电性连接的电源管理系统，所述电源管理系统上分别电性连接有变压器系统、应急电源和太阳能电源；

20、变压器系统用于与380v电网电性连接；所述太阳能电源用于为所述应急电源充电，应急电源包括与电源管理系统电性连接的蓄电池；太阳能电源包括与蓄电池电性连接的太阳能电池板。

21、本发明实施例还提供了控压钻完井光电气液综合伺服方法，使用上述的控压钻完井光电气液综合伺服系统，所述方法包括步骤：

22、s1：启动测控cpu和供能模块为控制模块和控制模块供电；

23、设置第一压力传感器目标值p0、第一电磁溢流阀阈值p1、井场液压pwell、外部高压气源设备的压力pair、压力误差δp、油路中液压油的最低温度tmin和最高温度tmax；

24、s2：测控cpu通过温度传感器实时监控回油油箱、第一油箱和第二油箱的温度，若温度传感器实测温度t小于tmin，测控cpu控制与液压油加热器连接的继电器闭合，液压油加热器工作，将回油油箱、第一油箱和第二油箱中的液压油加热；

25、若度传感器实测温度t大于tmax，测控cpu控制与冷却系统连接的继电器闭合，冷却系统工作，为回油油箱中的液压油降温；

26、电源管理系统监测变压器系统是否正常提供380v供电；若正常供电，进入步骤s3，否则进入步骤s4；

27、s3：测控cpu通过继电器启动第一电动泵或第二电动泵，当第一压力传感器满足∣p0-p1∣<δp，停止第一电动泵或第二电动泵；

28、s4：测控cpu检测第二压力传感器的压力pwell是否大于p1，若是，则打开第一电磁截止阀，直至第一压力传感器数据达到设置值且满足∣p0-p1∣<δp；

29、s5：若第二压力传感器的压力小于p1，则测控cpu判断第二压力传感器的压力是否大于或等于气动泵的额定压力pair，若是，则测控cpu控制继电器打开第二电磁截止阀，气动泵启动，当第一压力传感器满足∣p0-p1∣<δp，测控cpu控制继电器关闭第二电磁截止阀，停止气动泵；

30、s6：若第二压力传感器的压力小于气动泵的额定压力pair，利用手动泵打压。

31、作为上述实施例的可选方案，步骤s3包括以下步骤：

32、s31：初始打压，测控cpu控制第一电动泵和第二电动泵同时启动，提高加压速度；

33、s32：保压过程中，测控cpu控制第一电动泵和第二电动泵交替启动。

34、作为上述实施例的可选方案，步骤s3包括以下步骤：

35、s41：若变压器系统不能正常380v供电，则电源管理系统启动应急电源为测控cpu、传感模块和控制模块供电；

36、s42：电源管理系统启动太阳能电池板为应急电源充电。

37、本发明的有益效果是：

38、本发明提供的控压钻完井光电气液综合伺服系统及方法，通过设置了多种液压源，丰富了控压钻完井光电气液综合伺服系统的供能方式，同时可以通过控制系统，实现多种供能方式自动切换，大大提高了控压钻完井光电气液综合伺服系统的停电等情况的应急能力、安全性、可靠性、稳定性和控制精度，控压钻完井光电气液综合伺服系统的自动化程度高，效率较高。