節流管匯節流壓力控制研究及其控制仿真模型?

馬瑞民 竇英心 李 龍

節流管匯節流壓力控制研究及其控制仿真模型?

馬瑞民 竇英心 李 龍

（東北石油大學 大慶 163318）

在油氣井開發過程中，如果控制不當就會造成井底壓力失衡，皆可能發生重大安全事故，例如溢流、井涌、井噴等，這些問題會造成現場井控設備的損壞、油氣井的廢棄、并引發一系列的環境污染等問題。因此，現場生產作業人員的井控技術水平必須不斷提高。論文將井控培訓與實物仿真技術相結合進而設計出井控實物仿真培訓系統，實物仿真培訓系統能夠提高井控操作人員受訓時的井控生產環境的擬真度，進而達到更高效的井控培訓效果，確保受訓人員在油氣井生產中能夠安全可靠的井控作業。

節流管匯；節流壓力控制；實物仿真

AbstractIn the process of oil and gas well development，if the control is not good，it will result in the imbalance of the bot?tom hole pressure，which can lead to major safety accidents，such as overflow，well blowout，blowout and so on.These problems will result in the damage of well control equipment，the abandonment of oil and gas wells，and a series of environmental pollution problems.Therefore，the technical level of field production operators must be improved.In this paper，the combination of well con?trol training and physical simulation technology is used to design the well control simulation training system，the physical simulation training system can improve the fidelity of well controlled production environment when the well control operator is trained to achieve more efficient well control training effect and ensure that the trainees are able to work safely and reliably in the production of oil and gas wells.

Key Wordsthrottle，throttle pressure control，physical simulation

Class NumberTP31

1 引言

我國的石油開采技術已位于世界先進水平，目前還有一個亟待解決的問題就是在提高石油開采技術的同時保障開采過程中的安全問題。井控的安全問題是石油開采當中的安全隱患，而造成隱患的原因是由于做工人員的不規范井空操作。由于節流管匯在石油開采中屬于關鍵技術之一，因此對節流壓力調節安全操作培訓顯得尤為重要。本文對節流管匯節流壓力控制實物仿真模型進行設計，并應用到真實場景中進行驗證，確保實施的可行性，達到更高效的井控培訓效果，保證操作人員可以在油氣工作中安全作業。

2 節流管匯節流壓力控制原理研究

2.1 節流管匯構成

節流管匯是控制井內流體和井口壓力、實施油氣井壓力控制技術的可靠而必要的設備［1～2］。發生事故后，在循環出被污染的鉆井液和泵入高密度鉆井液重新建立井內壓力平衡關系的過程中，可以利用節流閥控制井口回壓維持一定的井底壓力，避免地層流體更進一步的侵入［3］，減少事故帶來的損失。節流管匯作為壓井作業的關鍵設備，除了約束流體流動的管道外，還包括各種控制流體流動的閥門，主要有平板閥、節流閥、固定式節流器［4］。在油氣井鉆井開采過程中，需要保證井筒內的鉆井液液柱壓力和地層壓力的平衡，來防止因地層流體侵入油井內引發溢流、井涌、井噴等惡性事故。

2.2 節流管匯工作原理

在鉆井過程中需要保證井筒內的鉆井液注壓力和底層壓力的平衡，防止因底層液體侵入油井內引發溢流、井涌、井噴等事故，這就要求操作人員及時使用井控設備進行壓井作業，恢復壓力平衡［5］。壓井作業是為了防止井噴而向井內注入適度的重泥漿的過程。在發生溢流或井噴的時候，空間內的泥漿受到流入油氣的污染，地層壓力會大于液柱壓力，重泥漿會跟隨油氣溢出或噴出，失去平衡，這就要求關閉井口防噴器組封閉環形空間，泥漿將從節流管匯流出。節流閥在泥漿經過時，會造成局部阻力向井內施加一定的回壓，這樣會使地層壓力得到控制，從而減少溢流帶來的損失。

2.3 井底壓力平衡控制原理

在油氣井開采過程中的鉆進階段，常常通過控制節流管匯套管壓力來實現井底壓力平衡的控制［6］。井底壓力的控制的目標是使在油氣井開采中井底壓力保持為某一定值，或保持在某一顧定范圍內，如地層空隙壓力值與地層破裂壓力值之間，以保證鉆井作業中的人員安全和開采工作的正常進行。影響井底壓力值變化的因素主要是井筒內流體的密度、流量的物理特性、井筒內壁表面的粗糙程度、井口回壓的大小等［1］。在密閉、承壓的節流壓力控制系統中，在開采過程中井底壓力的變化遵守以下公式：

式中，Pb為井底壓力，Pma為環空中鉆井液靜液柱壓力，Pla為環空壓耗，Pa為套壓。靜止過程中環空壓耗Pla為零，即

如果在油氣井鉆井過程中發生了較為嚴重的溢流事故時，需要重新調整井筒壓力剖面曲線，抑制井筒內的溢流的持續發生［7］。在氣侵發生溢流時環空壓耗的值會發生明顯的改變，這時的環空壓耗的改變值難以準確控制。但是可以根據計算鉆柱內規則的幾何形狀，來確定其體積進而計算出鉆柱內的循環壓耗。以立壓控制為目標時的井底壓力的大小遵守以下公式：

式中，Pb為井底壓力，Pmd為鉆柱內鉆井液靜液柱壓力，Pld為鉆柱內壓耗，Pd為立壓。排出溢流過程中套管壓力與立管壓力的變化曲線如圖1所示。

圖1 排出溢流過程中套管壓力與立管壓力的變化曲線

圖中黑色實線表示立管壓力的變化曲線，灰色實線表示套管壓力的變化曲線。在0～t1時間段內，溢流逐漸上升移至井口，在此過程中若是保持泵排量不變，由于氣體上升過程中體積不斷發生膨脹，此時環空壓耗不斷的減小［8］。因此，若要保持立壓的值不發生改變，套壓的值應逐步增加，此時節流閥的閥門開度應逐步減小。在t1～t2時間段內，溢流逐漸排出，此時的套壓逐漸下降。立壓與套壓的關系為

式中，Pd為立壓，Pl為循環總壓耗，Pa為套壓，ΔP*為靜液壓力不平衡值。其中

式中，Pld為鉆柱內及鉆頭水眼循環壓耗，Pla為環空壓耗。

3 實物仿真系統設計

節流壓力控制實物仿真培訓平臺設計主要是依據壓井過程中節流管匯的節流閥流程建立的，其主要功能是對學員進行壓井過程中節流壓力控制的仿真培訓。為了深入了解壓井過程中節流管匯節流壓力控制總體流程，本研究對大慶鉆探工程公司下屬的井控培訓部門進行了調研。

針對鉆井井控節流管匯司鉆法壓井仿真控制過程的研究，最關鍵的基礎是節流管匯司鉆法壓井的流程，對司鉆法壓井流程的深入理解，是建立節流管匯節流壓力控制模型的理論基礎。司鉆法壓井也稱為兩次循環法壓井，是溢流事故發生時關井后的循環排溢流和壓井過程。司鉆法壓井分兩個循環中周完成，第一循環周用原密度鉆井液循環排出環空中因地層流體的侵入而被污染的鉆井液，第二循環周將加重壓井液泵入井內，重新建立井內的壓力平衡。在循環壓井的過程要通過調節節流閥保持井底壓力不變，鉆井井控實際工況下發現溢流等事故時的司鉆法壓井的步驟如下［9］

1）錄取關井資料，準備壓井過程中所需數據，填寫具體壓井施工單，繪出對應壓力控制進度表作為操作人員壓井施工過程中的依據。

2）用原鉆井液循環排除溢流。

（1）緩慢開泵，迅速打開平板閥并逐漸打開節流閥，調節節流閥的開度使節流套壓等于關井套壓并維持不變直到排量達到指定的壓井排量。

（2）在保持壓井排量不變的條件下，調節節流閥的開度使節流立壓等于初始循環壓力，并保持節流立壓在整個循環周內恒定。

（3）排出溢流后，停泵關井，這時的關井立壓應與關井套壓相等。而且在循環排出溢流的過程中，現場人員應同時配置加重鉆井液，準備下一步壓井操作。

3）泵入加重壓井液壓井，重新建立井內的壓力平衡。

（1）緩慢開泵，迅速開節流閥和平板閥，調節節流閥開度使關井套壓保持不變。

（2）排量逐漸增大達到指定壓井排量并在整個循環周內保持不變。在加重壓井液從井口到鉆頭的過程中，調節節流閥的開度使節流套壓等于關井套壓并保持不變。

（3）壓井液返出鉆頭沿環空上返的過程中，調節節流閥的開度使節流立壓等于終止循環壓力并保持不變。當壓井液返出井口后停泵關井、關閉節流閥和平板閥，這時若關井立管壓力、套管壓力都為零，則說明壓井成功。這時進行開井循環，井口應無外溢，恢復安全生產。司鉆法壓井流程示意圖如圖2所示

圖2 司鉆法壓井流程示意圖

鉆井井控實物仿真培訓系統對培訓現場原有井控設備實物進行關鍵部位硬件改造，從而實現在培訓現場實際井控設備上的仿真培訓功能［10］。通過PLC控制器可以完成傳感器的數模轉換、邏輯功能的控制和運算、控制信號驅動現場設備，并通過紫金橋軟件的驅動實現其與教師控制計算機間的通信［11］。本實物仿真培訓系統采用西門子S7-300系列PLC。節流管匯節流壓力控制實物仿真培訓系統中培訓學員的操作動作信號采集、傳輸與仿真壓力表控制是本實物仿真培訓系統的重要部分，因此所使用的控制設備西門子PLC具有較好的擴展性、高可靠性、易維護以及良好的人機接口等特點，控制系統的硬件部分主要有：PLC的中央處理器模塊、電源模塊、通信模塊和輸入輸出模塊，其結構如圖3所示。

圖3 控制系統結構

4 實物仿真培訓系統

鉆井井控仿真培訓系統中的節流管匯節流壓力控制失誤仿真培訓平臺設計主要是根據壓井過程中節流管匯的節流閥流程建立的，它的主要功能是對學員進行壓井過程中節流壓力控制的仿真培訓，在培訓現場的真實井控設備的關鍵位置安裝相關的傳感器，使學員能夠在逼近實際生產的情況下在真實的井控設備上進行井控操作培訓，并且系統會根據學員的相應操作產生相應的井控現象，最后系統會記錄學員培訓過程中的操作流程并給與評價，從而使得培訓人員能夠掌握節流管匯節流壓力控制的相關理論知識與事故發生后的節流管匯的具體操作流程，保證鉆井生產過程中的安全作業［13］。井控實物仿真培訓系統包括硬件結構和軟件平臺。硬件結構如圖4。

軟件功能平臺需要現場配置一臺Power Edge T630服務器，并連接三臺顯示器拼接顯示，以滿足軟件功能平臺對處理速度、程序穩定性以及多任務同時顯示的要求。同時，在現場設備旁安裝兩套屏幕投映設備，并對計算機視頻線路進行改造，使其能夠將軟件系統的運行畫面和視頻課件投映至大屏幕中顯示，還對培訓室的燈光進行了改造，并對門窗進行了遮擋處理，使室內環境的亮度符合人眼的明暗感覺，提高了觀看投影畫面的舒適度和清晰度。此外，現場安裝了音響系統，能夠在教學模式、學習模式或訓練模式下播放指示學員操作動作的語音。系統的運行部署環境如圖5所示。

圖4 實物仿真培訓系統硬件構成

節流管匯節流壓力控制實物仿真系統由兩個系統組成，包括上位機的井控仿真培訓系統與下位機的PLC控制系統組成［13］。上位機主要用于實現數據傳輸、數據處理和界面展示，并且可以設定和修改培訓過程中相關的系統參數。該系統數據來源于資金橋組態軟件的分布式實時數據庫。

圖5 系統運行部署環境

設定好節流壓力控制井控項目的參數后進行操作練習。系統會將學員的一系列操作流程包括時間、幅度、頻次、動作進行記錄，并將這些操作評估審查，確定鉆井井控人員的真實技術水準［15］。節流管匯節流壓力控制實物仿真培訓系統結構如圖6。

圖6 節流管匯節流壓力控制實物仿真培訓系統結構

5 結語

井控實物仿真培訓是較為新型的井控培訓方式。本文就井控培訓中最基礎最關鍵的節流壓力控制工況作為研究對象，經過深入分析與研究，建立節流管匯節流壓力控制實物仿真模型。為有效提高節流管匯實物仿真系統控制精確性，采用模糊自適應穩態回饋算法控制節流壓力，并成功驗證其可行性，使本實物仿真系統具備更好的控制效果，實現培訓仿真中所涉及的閥門、模擬壓力表、節流壓力的精準控制動作。

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《計算機與數字工程》編輯部

Research on Throttle M anifold Pressure Control and its Sim ulation M odel

M A Ruim in DOU Yingxin LI Long
（College of Computer and Information Technology，Northeast Petroleum University，Daqing 163318）

TP31

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.09.020

2017年3月11日，

2017年4月20日

中國石油天然氣集團公司重大專項“重大工程關鍵技術裝備研究與應用項目”（編號：2013E-39-09）；黑龍江省高等教育教學改革項目（編號：JG2013010153）資助。

馬瑞民，男，教授，研究方向：計算機應用。竇英心，女，碩士研究生，研究方向：教育技術。李龍，男，碩士研究生，研究方向：計算機應用與技術。