高含硫氣井壓力監(jiān)測系統(tǒng)研制

高含硫氣井壓力監(jiān)測系統(tǒng)研制

原油勘探期間，尤其是對于含礦的高壓氣層，影響勘探開發(fā)的生產(chǎn)配置，嚴(yán)重危及設(shè)備燃燒、人員傷亡、環(huán)境破壞等。嚴(yán)重?fù)p壞地下油氣資源。因此,在鉆進(jìn)高壓氣層時必須高度重視井控工作,制訂詳細(xì)的井控預(yù)案,對技術(shù)人員進(jìn)行嚴(yán)格的井控培訓(xùn),配備良好的井控設(shè)備。液動節(jié)流管匯是井控設(shè)備的關(guān)鍵裝置,而壓井節(jié)流控制箱又是液動節(jié)流管匯上重要的控制裝置,它可以遠(yuǎn)程控制液動節(jié)流閥的開啟和關(guān)閉,由此來維持井底壓力,是成功控制井涌井噴、實施油氣井壓力控制技術(shù)所需的設(shè)備。鉆井平臺上的節(jié)流控制箱做為壓井過程的重要控制機(jī)構(gòu),由工作人員操縱節(jié)流控制箱上的手柄或旋鈕,控制節(jié)流閥的開度,從而實施壓井操作。但由于工作人員的素質(zhì)參差不齊,易造成操作上的明顯差異,而處理不當(dāng)極易造成欠壓、壓漏地層等問題,導(dǎo)致井下壓力系統(tǒng)復(fù)雜化,貽誤安全壓井大好時機(jī),釀成事故;另外,節(jié)流箱上雖然能顯示當(dāng)前關(guān)鍵參數(shù)的值,但丟失了相當(dāng)重要的歷史數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)的延續(xù)性被切斷,不利于數(shù)據(jù)的全面分析。為了消除人為主觀操作帶來的隱患,筆者利用計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù),研制了信息監(jiān)測和控制硬件系統(tǒng),并根據(jù)高含硫氣井的特點編制了高含硫氣井壓力監(jiān)測軟件系統(tǒng),實現(xiàn)了計算機(jī)優(yōu)化壓井閉環(huán)控制。1壓力監(jiān)測計算高含硫氣井溢流壓井期間由于酸性氣體在井筒內(nèi)較長井段處于超臨界狀態(tài),盡管不會出現(xiàn)臨界點附近特有的劇烈膨脹現(xiàn)象,但井筒內(nèi)流體壓力分布較常規(guī)井復(fù)雜得多。分析認(rèn)為,不同井段內(nèi)硫化氫的相態(tài)會隨著溫度和壓力發(fā)生變化,由計算得知高含硫氣體由下向上運移至距地面距離10%井深時才出現(xiàn)較明顯的膨脹,如采用常規(guī)壓井方法難以實施有效壓井。為此,針對高含硫氣井特點編制了高含硫氣井壓井專家系統(tǒng)及施工過程壓井曲線監(jiān)測模塊。高含硫氣井壓力監(jiān)測模塊是指導(dǎo)計算機(jī)優(yōu)化壓井系統(tǒng)的主要依據(jù)。該模塊能給出2條計算曲線、3條估算曲線、4條設(shè)定曲線和2條實時監(jiān)測壓力曲線(見圖1)。2條計算曲線是井底壓力計算曲線、套管鞋處流體壓力計算曲線;3條估算曲線包括地層破裂壓力估算曲線、套管鞋處地層破裂壓力估算曲線和地層壓力估算曲線,其中地層破裂壓力估算值和套管鞋處地層破裂壓力估算值可利用鄰井資料給出或由地漏試驗求出,地層壓力估算值為關(guān)井求壓值;4條設(shè)定值曲線為井口裝備承壓曲線、泵入裝置承壓、立壓低限和立壓低低限曲線。井口裝備承壓由裝備廠商給出輸入軟件。立壓低限是為井底常壓壓井法的初始循環(huán)立壓和終了循環(huán)立壓設(shè)的報警限。立壓低低限是為初始循環(huán)立壓和終了循環(huán)立壓設(shè)的切斷限(如果壓力一旦低于此限,就要及時改變壓井參數(shù))。2條實時監(jiān)測壓力曲線是壓井過程中的套壓曲線和立壓曲線。壓力監(jiān)測模塊能直觀地顯示出高含硫氣井溢流壓井過程中的裝備限制、井下壓力等參數(shù)的變化幅度,保證節(jié)流調(diào)節(jié)過程中壓力始終在允許變化范圍內(nèi),實現(xiàn)科學(xué)安全壓井。壓井過程中要求地層壓力<井底流體壓力計算值<地層破裂壓力估算值。溢流壓井防地層破裂監(jiān)測模塊可以實時監(jiān)測井底流壓。地層壓力、地層破裂壓力可利用計算機(jī)專家系統(tǒng)綜合分析地質(zhì)參數(shù)、井身結(jié)構(gòu)參數(shù)等求出。監(jiān)測模塊可以實時監(jiān)測井底流壓是否處于地層壓力和地層破裂壓力之間,防止地層流體侵入的同時又不壓裂地層。套管鞋處流體壓力計算值<套管鞋破裂壓力估算值,溢流壓井防套管鞋處壓裂監(jiān)測模塊通過監(jiān)測模擬計算套管鞋處流體壓力,以保證該處流體壓力小于套管鞋破裂壓力而不壓漏薄弱地層。套壓井口裝備承壓、溢流壓井防節(jié)流相關(guān)裝備損壞模塊通過實時監(jiān)測套壓,以保證套壓小于井口設(shè)備承壓限,而不損壞井口設(shè)備,并防止節(jié)流設(shè)備沖蝕嚴(yán)重。泵入裝置承壓能力主要由泵能力和鉆桿強(qiáng)度來決定。泵能力是由泵參數(shù)來衡量的,不同廠家不同型號的泵參數(shù)也有一定的差別;不同等級鉆桿的強(qiáng)度也不相同。最高泵壓由泵能力和鉆桿強(qiáng)度決定。綜上所述,高含硫氣井壓力監(jiān)測模塊的建立可以避免地層氣體再次侵入、壓裂地層、壓裂套管鞋處地層、破壞井口裝備及破壞節(jié)流管匯,是實現(xiàn)科學(xué)壓井的首要條件。2計算機(jī)優(yōu)化壓井閉環(huán)控制技術(shù)2.1壓井控制系統(tǒng)計算機(jī)優(yōu)化壓井閉環(huán)控制系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場測量變送裝置、實時采集與處理裝置、防爆監(jiān)視裝置、優(yōu)化控制裝置、節(jié)流控制裝置等。該系統(tǒng)有三大功能:數(shù)據(jù)采集與處理功能、專家決策功能和自動壓井控制功能。計算機(jī)優(yōu)化壓井閉環(huán)控制系統(tǒng)的采集與處理裝置主要完成套壓、立壓、排量、節(jié)流閥壓降、閥芯位移等參數(shù)的實時監(jiān)測,計算機(jī)系統(tǒng)依據(jù)這些實時數(shù)據(jù),以壓井實時監(jiān)測軟件建立的高含硫氣井壓井作業(yè)過程中各壓力曲線安全區(qū)間為指導(dǎo),向壓井閉環(huán)控制裝置發(fā)出控制指令,由控制裝置完成對液動節(jié)流閥開度的自動調(diào)節(jié)。計算機(jī)優(yōu)化壓井閉環(huán)控制系統(tǒng)能保證壓井參數(shù)在專家決策系統(tǒng)給出的安全可控區(qū)間內(nèi)波動,當(dāng)壓井參數(shù)出現(xiàn)偏離傾向時由計算機(jī)進(jìn)行自動調(diào)整。這樣就可避免由于現(xiàn)場人員盲目操作,引起的欠壓、壓漏地層等復(fù)雜情況,使壓井更加科學(xué)、安全和及時。2.2監(jiān)控和監(jiān)測系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理時,計算機(jī)主要是對生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行巡回檢測、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)越限報警以及對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行累積和實時分析。該方式計算機(jī)雖然沒有直接參與生產(chǎn)過程控制,但其指導(dǎo)作用是非常明顯的。在壓井過程中,計算機(jī)對參數(shù)的測量和記錄中可以代替常規(guī)顯示和記錄儀表,對壓井過程進(jìn)行集中統(tǒng)一的監(jiān)視,對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的集中、加工和處理,對指導(dǎo)壓井控制過程有非常積極的作用。另外,可預(yù)先提出工藝參數(shù)的極限值,做到壓井過程中越限報警,以確保壓井過程安全。此外,還可以得到大量的統(tǒng)計數(shù)據(jù),為建立壓井?dāng)?shù)學(xué)模型提供依據(jù)。在計算機(jī)優(yōu)化壓井閉環(huán)控制系統(tǒng)中,計算機(jī)實時監(jiān)測立壓、套壓、閥開度、泵沖數(shù)等參數(shù),然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,提出可能存在的危險趨勢及其嚴(yán)重程度,及時發(fā)出預(yù)警。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)通過USB接口進(jìn)行通訊,同時輸入通道數(shù)達(dá)到單端48路和雙端24路,可以實現(xiàn)程控增益1倍、10倍、100倍3種選擇。通過關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測和與壓力監(jiān)測模塊進(jìn)行比較,提示操作人員對節(jié)流閥開度進(jìn)行調(diào)節(jié),或計算機(jī)自動調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度。數(shù)據(jù)采集與處理的及時性和有效性,為計算機(jī)優(yōu)化壓井開環(huán)控制提供了依據(jù),實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的傳輸,構(gòu)筑了一個高可靠性、高安全性、高智能性及具有強(qiáng)大可管理性的監(jiān)測體系。2.3壓力監(jiān)測和深度分析技術(shù)為了讓平臺工作人員能在第一時間觀察到壓井動態(tài),也為了適合高含硫氣田的特殊環(huán)境,在鉆井平臺上設(shè)計安裝了防爆顯示器。防爆顯示器是提供實時曲線參數(shù)和壓力監(jiān)測模塊的平臺,顯示的曲線包括計算曲線、估算曲線、設(shè)定曲線和實時監(jiān)測壓力曲線。高含硫氣井壓力監(jiān)測模塊為當(dāng)前壓井參數(shù)提供合理的壓力范圍,標(biāo)示有參數(shù)曲線所在的正常波動區(qū)間,設(shè)定上下報警限,實行自動報警。防爆顯示器具有防爆、防雨淋、防腐蝕、防塵等功能,能滿足高含硫氣井的安全要求。防爆顯示器采用了隔爆型殼,防爆等級達(dá)到ExdIIBT6,同時可以接收200m內(nèi)傳輸?shù)男盘枴Ｔ诟吆驓饩@井過程中,防爆顯示器以其優(yōu)越的性能滿足了高含硫氣井對環(huán)境的安全要求,同時又方便現(xiàn)場工作人員觀察,可為壓井決策提供有力支持。3高含硫氣井壓力監(jiān)測技術(shù)1)利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù),建立了完整、有效的信息監(jiān)測系統(tǒng),從而使計算機(jī)優(yōu)化壓井開環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)信息的傳輸,構(gòu)筑了一個高可靠性、高安全性、高智能性及具有強(qiáng)大可管理性的監(jiān)測體系。2)高含硫氣井壓力監(jiān)測模塊,能根據(jù)實際