微流量地面自动控制系统关键技术研究

【摘要】随世界经济的快速发展,各国对的能源需求越来越大,石油天然气的勘探开发领域在不断扩展延伸,从老区到新区,从陆地到海洋,由浅到深,钻探风险和难度在不断增加。由于技术装备难以完全满足这些特殊地区作业的要求,导致钻井效率低下,尤其在窄安全密度窗口地区钻井时,极易发生漏失失返并引发严重的井喷事故,造成巨大的财产损失与人员伤害。对窄密度窗口的压力控制,常规控压技术已无能为力,有必要研究更合理的钻井技术来满足控压需求。相比其他常规、非常规的控压方法,微流量控制钻井技术具有操作简单、可缩短非工作时间、减小套管鞋受力等优点,是处理卡、漏、喷等事故的一种较好的控压技术。虽然微流量控制钻井技术在国外已有研究,但仍存在一些不足,需进一步实现提速、储层发现、窄密度窗口钻井等任务。本文将提出基于井底流量监测、地面进出口流量及压力监测的一套微流量控制钻井系统,并就自动化硬件控制设计及地面软件程序设计等关键技术进行研究,主要包括自动化控制总体方案设计、钻井工艺流程图设计、电液联动调节控制设计、环空水力系统设计、节流阀开度控制设计及特殊工况作业设计。在广泛深入地调研国内外控压钻井技术现状的基础上,建立了一套微流量地面自动控制系统,包括地面自动化控制设计、流量控制策略设计及微流量地面监测软件设计。通过上位机的运算系统实时接收来自下位机上传的进口流量、出口流量、进口压力、出口压力、井深及岩层压力等数据,计算获得节流阀开度,与此同时继续读取流量运算,如此往复直至出口流量满足不同钻井工况的要求。为满足微流量地面自动控制试验及节流阀开度调试的需求,设计了一套SYZ18型微流量地面控制模拟试验井架。该井架基于水动力学相似原理,在CFG23型长螺旋钻机桩架的基础上进行设计改造,包括井架系统、旋转系统、井筒系统、钻柱系统及激振系统。该实验架除满足微流量地面自动控制试验,还可实现气体、钻井液及气体-钻井液流动过程中的运移规律模拟,通过模拟井筒外的观察孔可观察流体的流动规律。本文完善了钻井水动力学的几个数学模型及计算方法：(1)考虑虚拟质量力、相间阻力、角频率及气体滑脱等因素,建立了微流量控制钻井中气-钻井液、气-油-水-钻井液多相流动中压力传递速度的数学模型,基于压力波速唯一性原理,提出了基于压力波速图版的气侵位置预测方法；(2)考虑气体滑脱的影响,建立了井底衡压的节流阀套压补偿控制模型,达到了实时维持井底压力衡定的目的；(3)在气-钻井液两相流中,考虑井筒中压力波速实时变化,提出了基于时变波速计算起下钻过程中引发的气-钻井液两相波动压力的模型。(4)考虑回压、空隙率、压缩因子等因素的变化,采用了空间滑移网格及多次迭代取值的方法对多相流的连续守恒及动量守恒方程求解,减小了程序运行的时间复杂度,更可实时追踪气体运移速度；(5)由于流型转换过程中,参数曲线易出现锯齿现象,不符合实际井筒多相流的流动规律,采用三次样条函数插值的方法消除了压力、流速及空隙率等参数曲线的锯齿现象。借助计算机VB.NET语言编制了微流量地面自动控制软件,基于计算实例分析了影响微流量地面控制的诸多影响因素,如气体运移速度、环空空隙率、两相流动中的气体溶解度、压力波速、压力响应时间、两步线性关阀引发的节流阀阀芯所受的瞬态压力及节流阀动作计划等。本文的研究成果可为微流量控制钻井设计及现场钻井作业提供理论及实践指导。
【作者】孔祥伟；
【导师】林元华；
【作者基本信息】西南石油大学，油气井工程，2014，博士
【关键词】微流量地面控制；多相流；压力传递；自动控制；控压钻井；

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