固井自動監控水泥頭及閘閥系統研制與應用*

張懷文 馬立國 王 琦 李 勇 米凱夫 王兆會

(1.中國石油集團工程技術研究院有限公司 2.中國石油川慶鉆探工程有限公司 長慶固井公司 3.勝利油田油氣井下作業中心 4.北京石油機械有限公司)

0 引 言

中國西部深層油氣資源固井作業井深已突破8 800 m，川渝頁巖氣固井作業最高壓力已超過110 MPa，國內勘探開發的新形勢、新挑戰對固井作業技術提出了新要求[1-2]。固井作業技術是油氣資源開發過程中的關鍵技術，關系到單井安全優質高效建井，關系到油氣井長期高效安全生產，而目前固井作業技術以經驗和人為控制為主，自動化程度低，施工質量和封固質量難以滿足勘探開發需要。發展自動化固井作業技術，在人員安全性、施工可靠性及作業經濟性等方面將有大幅度的提升，能夠更高效、更智能、更環保地完成固井作業任務[3]。同時，先進的自動化固井技術與裝備是石油行業工程技術支撐和保障能力的重要標志。

固井自動化井口裝備是自動化固井裝備的重要組成部分。國外幾大石油工具服務公司研發了適用于海上固井作業的遠程控制鉆桿水泥頭，并且已在現場推廣應用[4]，但適用于陸上固井作業的遠控套管水泥頭還未見有報道；國內目前處于研究階段[5-6]的固井井口裝備的自動監控與控制方法還未有突破。為此，本文研制了一套固井自動監控水泥頭及閘閥系統。該系統實現了固井井口遠程自動化操控，為全流程自動化固井工藝核心技術攻關奠定了重要的井口裝備基礎。

中國石油集團工程技術研究院有限公司自2010年開始立項攻關自動化固井技術，目前已形成基于AnyCem系統的自動化固井技術與裝備[7-10]，經中國石油集團科技管理部組織中國科學院、工程院3位院士和石油專業領域的6位專家鑒定：該成果整體達到國際領先水平[11]。同時，該成果在第二十一屆中國國際石油石化技術裝備展覽會(cippe)中被評為cippe2021展品創新金獎[12]。

固井自動監控水泥頭及閘閥系統是“基于AnyCem系統的自動化固井技術與裝備”成果中重要的井口裝備，也是國內首套陸上固井自動化井口系統。該系統創新研發了自動控制系統，實現了井口裝備遠程與自動化控制，創新設計的閘閥監控橇可監測固井工作液參數和控制流道切換，建立了水泥頭膠塞擋銷遠程控制與監測方法，配套形成了基于電控液模式的閘閥開閉技術，實現了水泥頭遠程自動作業，降低了人工作業風險和井口操作的勞動強度，改變了高空以及高寒等極端環境下的作業模式。

1 設計思路及關鍵技術

傳統固井井口裝置只有水泥頭，通過人工手動操作，實現固井工作液流道的切換和固井膠塞的投放[13]。將傳統水泥頭的這兩項功能實現自動化，需要解決以下關鍵技術[14-17]。

(1)傳統水泥頭的機械結構改造。將可遠程控制的擋銷機構與傳統水泥頭結構有機結合，使改造后的水泥頭可遠程控制完成固井膠塞投遞功能動作，并將固井工作流道切換功能集成在一起，便于控制，同時所有執行機構具備動作執行反饋信號。

(2)機械結構的驅動系統。自動化遠程控制需要依靠機械結構的驅動系統支撐實現，液壓驅動系統具有可靠性高、反應靈敏以及適應性強的優點，是自動化固井井口系統的最佳選擇。

(3)固井工作流體的狀態監測。自動化固井作業技術需要準確了解工作流體狀態，以便于對固井施工流程是否符合設計做出準確判斷。因此，有必要在固井井口自動化裝備中加入可監測固井工作流體流速、壓力、密度和溫度等參數的儀器。

(4)系統控制軟件及遠距離信號傳輸。傳統水泥頭在固井作業中，需要嚴格按照作業流程先后完成相應的流道切換和膠塞投遞等作業步驟，若無法傳遞操作信息、傳遞錯誤的操作信息或信息延遲都將增加固井作業的施工風險，甚至導致井下故障的發生，因此可靠、安全的通信控制系統是實現水泥頭自動化遠程控制的基礎。

固井自動監控水泥頭及閘閥系統設計思路是：在傳統水泥頭的基礎上對其進行改造，將原有的執行機構改造成可遠控機構；研發控制固井工作流道可自動切換的閘閥系統；研發新型耐高壓固井工作液性能監測儀器；遠控機構選用液動執行器，通過液動系統驅動遠控機構動作；采用數據線連接控制軟件與硬件操控系統，實現遠程通信與控制液動系統；開發系統控制軟件，輸出操作指令、監控工作液參數及動作執行，進而實現自動化遠程控制整個系統工作。

2 技術分析

2.1 系統組成

固井自動監控水泥頭及閘閥系統主要包括自動水泥頭、閘閥監控橇和自動控制系統3部分，如圖1所示。自動水泥頭與閘閥監控橇通過固井管匯連接，閘閥監控橇與自動控制系統通過通信數據線連接。

圖1 固井自動監控水泥頭及閘閥系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of cement head and gate valve system for automatic monitoring cementing

1—操控箱；2—質量流量計；3—1#閥；4—2#閥；5—5#閥；6—4#閥；7—3#閥；8—液控系統。圖3 閘閥監控橇示意圖Fig.3 Schematic diagram of gate valve monitoring skid

2.1.1 自動水泥頭

自動水泥頭是在?244.5 mm單膠塞常規水泥頭基礎上改造而成的，設有液壓螺桿式擋銷執行器和膠塞下落指示器，可自動控制膠塞投放，并反饋膠塞下落信號給自動控制系統，其結構如圖2所示。螺桿式擋銷執行器控制其內部的伸縮桿(膠塞擋銷)來實現膠塞投放。擋銷執行器保留人工操作方式，用于遠程控制失效時進行人工操作。膠塞下落指示器通過數據線將膠塞以信號的方式傳遞給閘閥監控橇。

2.1.2 閘閥監控橇

閘閥監控橇是固井自動監控水泥頭及閘閥系統的核心設備，是在傳統固井井口裝備的基礎上首創設計而成，可檢測固井工作液的性能參數并傳遞給自動控制系統，以及控制各液控閥門執行開關動作。閘閥監控橇由操控箱、液壓控制系統、質量流量計和液壓旋塞閥等部分組成，如圖3所示。操控箱設有液壓控制執行系統和數據傳輸系統，它采用西門子S7-400系列PLC控制器進行信號采集、數據處理及遠程控制，質量流量計用于數據采集、數據及指令傳遞處理、遠程指令執行控制，液控旋塞閥及擋銷執行器的操作鍵采用帶指示燈按鈕，同時具備操作開關和實時反饋雙重功能，并設置有二次操作按鈕，以防止誤操作；液壓控制系統同時負責控制整套系統中液壓裝置的動作執行，響應時間短于5 s，設置6個單獨液壓油路，分別控制5個液控閥和1個液控執行器；固井工作液性能監測儀器采用自主研發的耐壓40 MPa的高壓質量流量計[8]，用于實時監測固井工作液的密度、流量、壓力和溫度等工作參數，并將數據通過操控箱傳遞給自動控制系統。閘閥監控橇的5個液壓閥分別控制5個工作液出入口，液壓閥同樣保留人工操作模式。

2.1.3 自動控制系統

自動控制系統是固井自動監控水泥頭及閘閥系統的“大腦”，可遠程控制閘閥監控橇和水泥頭的動作執行，監測固井工作液性能參數，同時自動控制系統設計有自動控制流程，可實現固井作業中自動化控制水泥頭動作的執行，如圖4所示。自動控制系統通過通信數據線連接至閘閥監控橇，將動作指令傳遞給閘閥監控橇，實現對整個固井自動監控水泥頭及閘閥系統的控制；自動控制系統能夠監測顯示固井工作液的多項數據參數以及各液控閥和液控執行器的工作狀態，在監測的同時會對各項施工參數進行判定，當某項參數異常時，自動控制系統會根據預案進行相應的操作，并向操作人員發出警報，以防止施工事故的發生；自動控制系統有人工操作與自動控制兩種工作模式，計算機自動控制時，根據現場施工的要求，結合質量流量計的監測數據，通過對施工參數和流程的設定，計算機系統自動控制各液壓控制閥和擋銷執行器開閉，從而實現自動控制。

圖4 固井井口自動控制系統Fig.4 Cementing wellhead automatic control system

2.2 主要技術參數

適用膠塞直徑：244.5 mm；

額定工作壓力：35 MPa；

管道通徑：50.8 mm；

外接電源電壓：380 V；

閘閥響應時間：<5 s；

液壓站工作壓力：7 MPa；

工作溫度：-50～150 ℃；

流量測量精度：±5%；

密度測量精度：±0.002 g/cm3。

3 試驗及應用情況

3.1 室內測試

圖5 室內測試Fig.5 Indoor test

2020年6月，按照水泥頭及膠塞行業標準，對固井自動監控水泥頭及閘閥系統進行了室內性能測試，如圖5所示。該系統整體試壓35 MPa，無泄漏，達到了設計要求；操作人員通過自動控制系統遠距離進行操作，流道切換與膠塞投遞動作均正常，各液壓執行機構動作信號反饋及時，試驗流體工作參數測量準確，達到現場應用要求。

3.2 現場應用

固井自動監控水泥頭及閘閥系統于2020年10月開始在遼河油田開展現場應用，3口井的套管直徑均為244.5 mm，平均井深1 400 m。自動水泥頭連接套管與閘閥監控橇；閘閥監控橇放置在鉆臺面水泥頭附近，通過管匯連接鉆井泵與固井管匯，連通鉆機電源。固井施工現場如圖6所示。操作人員在井場固井指揮車內進行遠程操作。按照固井作業流程，井口系統依次執行了循環鉆井液、注前置液、注水泥漿、投碰壓膠塞、注頂替液、膠塞碰壓和放回水等流程，各液動執行機構動作到位，響應與反饋及時，固井工作液參數監控準確，膠塞碰壓成功，達到了系統設計使用要求。同時，固井自動監控水泥頭及閘閥系統與自動化供灰系統、自動化水泥車等其他自動化固井裝備聯動成功，工序銜接緊密快捷，實現了遠程自動化固井流程的全部操作。

圖6 固井施工現場Fig.6 Field application of cementing

4 結論與建議

總結現場應用情況，自動化固井井口裝備的研制可在以下3個方面升級完善。

4.1 減小裝備體積

本文設計的固井井口系統由于體積較大，占地面積多，僅適用于ZJ50鉆機以上井架，限制了其推廣應用。后期可研究將閘閥監控橇拆分成便于現場連接的模塊化設備，將體積分散。

4.2 采用無線通信

為了保證現場通信的順暢與低延遲，所研制的固井井口系統采用的是有線連接通信方式。后期可研發無線通信模式，以減少現場布線工作量，解除固井指揮車需盡量靠近井架的限制。

4.3 優化安裝方式

固井井口系統安裝完成后使用較為方便，但安裝時需要連接的管匯與數據線較多，相較于傳統水泥頭，延長了井口安裝時間。后期可研制控制系統與水泥頭一體化的整體式遠控固井井口系統，以便于現場安裝使用。

陸上首套固井自動監控水泥頭及閘閥系統的成功研制，突破了全流程自動化固井作業技術的井口控制瓶頸難題，降低了固井井口作業人員的勞動強度和高壓作業風險，為全流程自動化固井工藝核心技術攻關奠定了重要的井口裝備基礎。固井井口系統與其他自動化固井設備的現場成功聯動，有力地證明了自動化固井技術的可行性，下一步應加快推進全流程自動化固井工藝技術的完善升級。