ZGX-1型自動灌漿系統的研制與應用

竇金永（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）

ZGX-1型自動灌漿系統的研制與應用

竇金永
（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術研究院，黑龍江大慶163413）①

在常規起鉆過程中存在灌漿不及時、溢流監測不準確、冬季灌漿困難等問題。研制了一套自動灌漿系統。該系統具有自動灌漿功能，運行可靠、溢流報警快速準確、適應低溫施工、可操作性強等特點。現場試驗結果表明該系統滿足現場施工要求，可推廣應用。

自動灌漿；溢流監測；低溫施工

在起鉆過程中，鉆具上提使得井筒中的液面下降，為了維持井底壓力與地層壓力的平衡，需要向井筒中灌注鉆井液。常規灌漿施工過程中存在如下問題：

1） 灌漿不及時。起下鉆時井場上人員少，容易出現監督不到位、管理不到位的情況，若泥漿工不到位，則難以做到及時灌漿，導致安全風險增加。

2） 溢流監測不準確。目前現場一般使用一種浮子式液面檢測器和帶刻度的標尺，需要泥漿工每隔一定時間在鉆井液罐上進行人工觀測、記錄和對比，然后判斷是否出現溢流，這種方法依賴泥漿工個人的經驗和責任心，存在一定的滯后性。

3） 冬季灌漿困難。在低溫條件下不常使用的計量罐內鉆井液結冰，導致灌注泵吸入口堵塞。另外，灌注泵的出口管線及其他灌注管線也容易結蠟堵塞，從而導致常規灌注系統失效。

為解決上述問題，研制了ZGX-1型自動灌漿系統，并通過現場試驗進行了驗證。

1　技術分析

1．1 組成

ZGX-1型自動灌漿系統的組成如圖1所示。主要分為2部分。

1） 灌漿系統。主要包括灌漿罐、灌注泵、灌注管線及泥漿跑道等。

2） 自動控制系統。主要包括流量感應器、防爆電控箱、遠程控制終端等。

1．2 工作原理

起鉆之前，首先根據現場實際情況設定自動灌漿間隔時間以及溢流報警響應時間，之后由司鉆或泥漿工通過遠程控制終端啟動自動灌漿系統，系統獨立運行，自動進行判斷和反饋處理，滿足常溫、低溫條件下的灌漿需求。當井口監測到溢流時，遠程控制終端發出聲光報警信號，為施工人員提供參考。起鉆完成后，由司鉆或泥漿工通過遠程控制終端關停自動灌漿系統。另外，司鉆或泥漿工可以直接通過遠程控制終端單獨控制灌注泵啟停。在常規條件下應用計量罐作為灌漿罐，若計量罐上凍不能使用，則應用鉆井液維持循環的5號罐作為灌漿罐。

圖1　ZGX1型自動灌漿系統

1．3 主要技術參數

流量感應速度≤3s

灌漿間隔時間可調

溢流判斷響應時間可調

防爆電控箱尺寸800mm×500mm×200mm

控制終端尺寸400mm×400mm×200mm

防爆電控箱質量100kg

控制終端質量40kg

電源接頭規格60 A

1．4技術特點［1-4］

該自動灌漿系統的設計充分考慮了現場施工要求，能夠解決現場實際問題，為起鉆過程中的灌漿作業提供了設備保障，在程序建立及控制上有以下創新點：

1） 提高程序的可靠性。一是只選用井口流量感應器的監測信號和時間作為判斷依據，使得程序運行過程中干擾因素少，邏輯關系清晰，程序語句簡練。二是通過對自動灌漿重新啟動觸發方式的優化，實現了時間點觸發與旋鈕觸發的并聯。

2） 提高溢流監測的準確性。一是采用靈敏度高、性能穩定可靠的流量感應器對井口返出進行監測。二是通過增加自動灌漿間隔時間內的溢流報警冗余時間，減少了誤報警。

3） 提高系統的可操作性。一是將灌漿間隔時間和溢流響應時間設計成可覆蓋的形式，方便在現場條件下靈活更改。二是增加了手動控制灌漿功能，以應對不適合自動灌漿的情況，并且通過設計手動灌漿獨立的控制回路，實現手動灌漿與自動灌漿的相對獨立，避免了相互干擾。

2　室內模擬試驗情況

ZGX-1型自動灌漿系統于2014-08-26—2014-09-05在大慶鉆井研究院鉆井綜合模擬試驗室進行了一系列室內模擬試驗（如圖2），各項性能指標達到設計要求。試驗項目主要包括：

1） 自動控制系統檢測。控制終端各旋鈕、按鈕靈活好用，控制指令執行可靠；防爆電控箱對來自流量感應器的信號反應迅速，一般不超過3 s，且靈敏可靠。

2） 自動灌漿試驗。旋鈕旋至自動位后，自動灌漿程序順利啟動，給模擬流道填充清水后，流量感應器發出信號，灌注泵自動關停，控制終端顯示下次啟動倒計時，間隔時間過后，順利進行下次自動灌漿。

3） 溢流試驗。在自動灌漿的程序運行情況下，正常的灌漿間歇時間內向模擬流道填充清水持續15 s（溢流判斷響應時間設定為15 s），控制終端會順利發出聲光報警信號，直到將旋鈕旋至停止位聲光報警停止。

4） 手動灌漿試驗。在自動灌漿運行一段時間后將旋鈕旋至停止位，自動灌漿順利停止；將旋鈕旋至手動位，并按下啟動按鈕后灌注泵啟動，此時不會自動停止或報警，當按下停止按鈕或旋至停止位時，灌注泵關閉。

圖2　ZGX1型自動灌漿系統室內模擬試驗布置

3　現場應用情況

2014-10-11—2014-12-15，本系統在達深21井完成了15井次的自動灌漿現場試驗，自動灌漿累計運行153．7 h，系統累計待機1 559 h，自動灌漿成功率達到100%，經歷的環境最低溫度達到－28℃，實現對溢流的準確報警，手動灌漿操作可靠，直至本口井完鉆才結束現場試驗。試驗結果表明該系統滿足現場施工要求，具備了推廣應用的條件。ZGX-1型自動灌漿系統試驗情況如表1所示。

表1　ZGX1型自動灌漿系統現場試驗記錄

與常規灌漿比較，自動灌漿有如下優勢：

1） 常規灌漿不能長時間保持及時灌注鉆井液，會經常出現較長的灌漿間隔時間。自動灌漿不受人為因素影響，在固定的灌漿間隔時間內灌注鉆井液，灌漿定時足量。

2） 自動灌漿比常規灌漿更加簡潔、方便。應用自動灌漿大幅降低了泥漿工的工作強度：

①不必一直數起出的鉆柱數量。

②不必每起出3柱鉆具按一組啟停開關。

③不必在每次灌漿時觀察出口是否返出。而只需要在起鉆開始之前和起鉆完成之后各轉動一次旋鈕。

3） 自動灌漿比常規灌漿更加安全、高效。

①自動灌漿系統的溢流報警比人工判斷更加快速、準確。對于降低起鉆過程中的井控風險具有重要意義。

②自動灌漿系統可根據具體情況靈活調整自動灌漿間隔時間和溢流報警響應時間，從而有針對性地選擇作業安全等級。

③司鉆或泥漿工可在室內通過控制終端完成自動灌漿和手動灌漿，不受惡劣天氣影響，人員不必在設備中穿梭，減少了人身傷害風險。

④應用該系統將泥漿工從繁忙的灌漿作業中解放出來，能使其將更多精力投入到測泥漿性能、配漿、倒漿、加重、維護設備中去，從而提高作業效率。

4　結論

1） 研發的ZGX-1型自動灌漿系統能自動灌漿，運行可靠、溢流報警快速準確、適應低溫施工、可操作性強，為降低起鉆過程中的溢流風險、杜絕井噴事故提供了設備支持，對于提高井控安全水平具有重要意義。

2） 通過現場試驗，該型自動灌漿系統實現自動灌漿累計運行153．7h，系統累計待機1559h，經歷的環境最低溫度達到－28℃，實現對溢流的準確報警，手動灌漿操作可靠。試驗結果表明該系統滿足現場施工要求，具備了推廣應用的條件。

3） 為進一步提高井控安全水平、完善系統功能，建議在本系統的基礎上加入起鉆灌漿灌入量精確計量技術。

［1］ 丁柯宇，程智遠，湯新國，等．新型下套管自動灌漿裝置研制與應用［J］．石油礦場機械，2012，41（11）：59-61．

［2］ 劉壽軍．鉆井液液面監測與自動灌漿裝置的研制［J］．石油機械，2006，34（2）：29-30．

［3］ 鞏娟娟，李文強，王治華．井下液面監測及自動灌漿系統設計［J］．中國石油和化工標準與質量，2012（6）：53．

［4］ 胡興平，王衛海，宋玉明．AMC2006自動灌漿控制系統［J］．中國石油和化工標準與質量，2013（3）：51．

Development and Application of ZGX-1 Type Automatic Filling System

DOU Jinyong

（Drilling Engineering and Technology Institute，Daqing Oilfield Drilling Engineering Company，Daqing 163413，China）

Aiming at the problems of filling not timely，overflowmonitoring inaccurate and winter filling difficulty in the conventional process of pulling out，a set of automatic filling system was developed，which has characteristics of reliable automatic filling operation，overflow alarm quickly and accurately，adapt to the low temperature construction and good operability．The field test re-sults show that the systemmeet the requirement of construction site，suitable for popularization and Application．

automatic filling；overflowmonitoring；low temperature construction

TE921．503

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．013

1001－3482（2015）08－0056－04

①2015－01－30

國家科技重大專項“大型油氣田及煤層氣開發”中項目“深井鉆錄、測試技術及配套裝備（二期）”中課題“碳酸鹽

巖、火成巖及酸性氣藏高效安全鉆完井技術”（2011ZX05021002）資助。

竇金永（1984-），男，天津人，工程師，2007年畢業于中國石油大學（北京）石油工程專業，現從事氣體／欠平衡鉆井以及控壓鉆井科研工作，Email：doujinyongoo＠sina．com．cn。