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鉆井起鉆灌鉆井液技術(shù)研究

文檔作者：韓兵奇文檔來(lái)源：中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠(chǎng)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月24日
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液壓氣動(dòng)與~lgt--J'／2014年第09期
doi：l0．3969／j．issn．1008-0813．2014．09．022
鉆井起鉆灌鉆井液技術(shù)研究
韓兵奇
Study on the Technology of Irrigation Drilling Fluid W hen Pulling Out
HAN Bing-qi
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠(chǎng)，山東東營(yíng)257061)
摘 要：起鉆灌鉆井液技術(shù)是保證鉆井安全的必要措施。針對(duì)國(guó)內(nèi)油田現(xiàn)場(chǎng)使用的4種形式灌鉆井液裝置的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，依據(jù)鉆
井作業(yè)對(duì)灌鉆井液技術(shù)的要求，對(duì)灌井系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)自動(dòng)灌井系統(tǒng)提出了新的工藝要求。
關(guān)鍵詞：起鉆灌鉆井液技術(shù)；防噴；防磨損；安全
中圖分類(lèi)號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008—0813(2014)09—0058—03
O 前言
石油鉆井起鉆中必須及時(shí)向井內(nèi)灌滿(mǎn)鉆井液．以
免鉆具起出后井內(nèi)液面下降．靜液柱壓力降低．而使地
層壓力系統(tǒng)失去平衡，造成溢流、井涌、井噴等事故。為
此．鉆井現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)了多種起鉆灌鉆井液裝置。
1 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
目前． 國(guó)內(nèi)油田現(xiàn)場(chǎng)使用的灌鉆井液裝置有4種
形式：計(jì)量罐自流式、附流量計(jì)定時(shí)自動(dòng)式、鉆井液池
加流量計(jì)自流式、計(jì)量罐附流量計(jì)自動(dòng)式。
1．1 計(jì)量罐自流式
計(jì)量罐自流式灌鉆井液裝置是一種常規(guī)灌井方
式，通常在鉆臺(tái)右邊放置一計(jì)量罐．一端與鉆井泵或?qū)?
用灌井泵相連．一端與井眼環(huán)空相連．預(yù)先向灌內(nèi)泵人
定量鉆井液．每起出3～5根鉆桿即向井內(nèi)人工灌人定
量鉆井液，每灌一次都要記錄液位深度。確保灌入液
量。如灌入的太多，說(shuō)明有可能發(fā)生了井漏：如果灌人
的太少．說(shuō)明有可能發(fā)生了溢流。
該操作方法完全由人工完成．不受儀器靈敏度干
擾，人為控制可靠度高。但若操作失誤，未及時(shí)灌井，有
時(shí)會(huì)引起井涌、井噴現(xiàn)象發(fā)生；井筒內(nèi)泥漿液面變化不
易察覺(jué)．如產(chǎn)生井涌、井漏的前兆容易被忽視。
1．2 附流量計(jì)定時(shí)自動(dòng)式
附流量計(jì)定時(shí)自動(dòng)式灌鉆井液裝置由鉆臺(tái)顯示
箱、灌井系統(tǒng)、電控柜、液流傳感器等組成[1]。根據(jù)不同
的起鉆速度．預(yù)置定時(shí)器，每起出3～5根鉆桿便定時(shí)自
收稿日期：2014一O1—23
作者簡(jiǎn)介：韓兵奇(1978一)，男，河南清豐人，高級(jí)工程師，碩士，現(xiàn)從事石
油機(jī)械的科研與教學(xué)工作。
58
動(dòng)向井內(nèi)灌人定量鉆井液。若未達(dá)到或超過(guò)設(shè)定灌人
量．安裝在出口槽的液流傳感器的測(cè)量信息反饋到系
統(tǒng)后．鉆臺(tái)控制箱便會(huì)發(fā)出聲、光、電報(bào)警。
該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了半自動(dòng)化操作，設(shè)有井涌、溢流預(yù)警
系統(tǒng)．能使鉆井事故早期發(fā)現(xiàn)。但操作時(shí)，未考慮鉆井
液性能的變化．加上工人操作水平限制及一些偶然原
因中途停鉆等，使預(yù)置時(shí)間不準(zhǔn)，灌井易出偏差嘲。
1．3 鉆井液池加流量計(jì)自流式灌鉆井液裝置
鉆井液池加流量計(jì)自流式灌鉆井液裝置由1#泥
漿罐經(jīng)灌鉆井液管線(xiàn)直接連接井筒．以流量計(jì)計(jì)量灌
入量 在絞車(chē)軸端安裝有游車(chē)高度測(cè)量器和在液壓大
鉗上裝有上卸扣檢測(cè)裝置．能自動(dòng)判斷起下鉆工況，計(jì)
算起出鉆桿數(shù)量，并進(jìn)行自動(dòng)灌鉆井液操作。一旦灌人
液量與設(shè)定鉆桿尺寸不符即刻產(chǎn)生聲、光、電報(bào)警[31。自
動(dòng)化程度高，操作簡(jiǎn)單，方便。
1．4 計(jì)量罐附流量計(jì)自動(dòng)式
計(jì)量罐附流量計(jì)自動(dòng)式結(jié)構(gòu)與鉆井液池加流量計(jì)
自流式灌鉆井液裝置相似．不同之處在于前者設(shè)置了
一個(gè)計(jì)量罐，先將鉆井液泵入計(jì)量罐后，再灌人井筒，
具有雙重計(jì)量功能，即可人工操作又可自動(dòng)操作?？煽?
性高。
隨著自動(dòng)化技術(shù)特別是可編程芯片技術(shù)的迅速發(fā)
展和鉆井作業(yè)對(duì)安全、快速、低成本的要求，起鉆灌鉆井
液裝置越來(lái)越趨向于自動(dòng)化、安全化、智能化，使井場(chǎng)操
作更簡(jiǎn)便、鉆井作業(yè)更安全，減少作業(yè)事故處理量。
2 鉆井作業(yè)對(duì)灌鉆井液技術(shù)的要求
(1)起鉆灌鉆井液的目的是保證井筒內(nèi)液面高度。
保持靜液柱壓力不變．因此．灌人井筒的鉆井液性能
(如密度、粘度等)不能變；
Hvdraulics Pneumatics&amp;amp; Seals／No．O9．2014
(2)鉆井液不僅有平衡地層壓力的作用．還具有潤(rùn)
滑和冷卻的作用，防止起鉆過(guò)程中鉆桿和套管偏磨．損
壞套管或井口，因此起鉆時(shí)應(yīng)及時(shí)灌井 ：
(3)灌滿(mǎn)鉆井液后起鉆卸扣不允許有鉆井液噴出[53：
(4)鉆井泵為鉆井液循環(huán)系統(tǒng)的專(zhuān)用動(dòng)力設(shè)備．功
率較大，盡可能避免頻繁起停。以免過(guò)早損壞。
3 灌鉆井液系統(tǒng)
3．1 工況分析
由鉆井作業(yè)對(duì)灌鉆井液技術(shù)的要求可知．起鉆灌
鉆井液裝置不應(yīng)設(shè)立計(jì)量罐，以免鉆井液靜置時(shí)間過(guò)
長(zhǎng)，膨潤(rùn)土等固體顆粒沉淀．影響鉆井液性能。
不要直接使用由井筒排出剛經(jīng)振動(dòng)篩處理過(guò)的鉆
井液，以免造成因井下復(fù)雜事故影響鉆井液性能．進(jìn)一
步惡化井下工況
起鉆后應(yīng)及時(shí)灌漿，以潤(rùn)滑、冷卻鉆桿和套管。因
此灌漿裝置應(yīng)設(shè)置為智能識(shí)別起下鉆狀態(tài)．實(shí)現(xiàn)自動(dòng)
灌井，流量計(jì)檢測(cè)，與設(shè)定值比較判斷后，報(bào)警溢流、井
漏等事故
3．2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
由上述分析可知．起鉆灌鉆井液系統(tǒng)應(yīng)上接5#罐
(末級(jí)泥漿罐)，下連井筒，灌井管線(xiàn)和溢流管線(xiàn)上安裝
流量變送器(圖1)。以功率相對(duì)較小、適宜于經(jīng)常啟動(dòng)
的砂泵作為灌井動(dòng)力．只要選型合適．就能延長(zhǎng)設(shè)備使
用壽命問(wèn)，避免損壞鉆井泵。在灌井管線(xiàn)上安裝止回閥．
避免井筒內(nèi)鉆井液由灌井管線(xiàn)流回泥漿罐而無(wú)法發(fā)現(xiàn)
溢流。鉆臺(tái)上設(shè)置報(bào)警箱．一旦灌鉆井液體積與設(shè)定體
積不符，即以聲、光、電形式報(bào)警，及時(shí)處理，避免溢流、
井漏等復(fù)雜情況發(fā)生
灌井控制系統(tǒng)如圖2所示。以三菱公司的FX3G一
14MR／ES—A型PLC作為控制核心。取液壓大鉗的上、
卸扣液壓回路的壓力和指重表傳感器的液壓油壓力的
變化量作為判斷起鉆、下鉆的依據(jù)。只有當(dāng)卸扣和懸重
減小時(shí)，才能斷定是起鉆，此時(shí)KM1閉合，砂泵啟動(dòng)，
灌井。以來(lái)自灌井管線(xiàn)的流量與設(shè)定灌井流量比較，加
上來(lái)自溢流管流量變送器信號(hào)．判斷灌鉆井液作業(yè)是
否正常 來(lái)自灌井管線(xiàn)流量變送器的電信號(hào)通過(guò)
FXDN一3A模塊輸入PLC，與設(shè)定值比較．如未達(dá)到設(shè)
定值溢流管流量變送器就有流量信號(hào)，則報(bào)告溢流；如
已達(dá)到設(shè)定值還未得到溢流管流量變送器的流量信
號(hào)，則報(bào)告井漏：只有已達(dá)到設(shè)定值同時(shí)得到溢流管流
量變送器的流量信號(hào)，才報(bào)告灌井正常。
控制軟件設(shè)計(jì)為人機(jī)交互操作界面。只要輸入鉆
桿直徑、所用鉆桿長(zhǎng)度、鉆頭直徑、灌井起下鉆桿數(shù)量，
系統(tǒng)即自動(dòng)計(jì)算灌入鉆井液體積．并記錄每次灌人的
鉆井液量，以備查詢(xún)?？梢暬僮?，界面友好。
12
1—5#泥漿罐2一砂泵 3一電機(jī)4一止回閥 5一灌井管線(xiàn)流量變送器
6一振動(dòng)篩7一溢流管8一溢流管流量變送器9一鉆臺(tái)
10一井筒 I1一鉆臺(tái)報(bào)警箱 l2一鉆井泵
圖1 自動(dòng)灌鉆井液系統(tǒng)
_1 X000 PLC YOO0 也溢 流指示
一一 井漏指示
T
SB1
X001 《Y001
— 一 l 一 山
— ． sB2
一
X002 1 Y002
0 KM l
X003 Y004 — —
———— 、 —一 COM COM ————o——O——一
220V 220V
— kxo．
-3A
—
l
圖2 灌井控制系統(tǒng)
4 灌井工藝
(1)起鉆前，副司鉆檢查指重表、液壓大鉗、灌井流
量計(jì)、灌井管線(xiàn)等，確保測(cè)量準(zhǔn)確，灌井管路暢通，避免
灌井時(shí)錯(cuò)報(bào)、誤報(bào)，影響鉆井安全；
(2)起鉆前，先向鉆桿內(nèi)灌人比原鉆井液密度大
0．3 m，的重鉆井液。使鉆桿內(nèi)液柱比環(huán)空低，避免起
鉆時(shí)從井口噴鉆井液：
(3)每起出一根立柱(3根鉆桿)即灌一次鉆井液，
保持套管和鉆桿的潤(rùn)滑性．防止磨損：
(4)鉆井起鉆期間。各泥漿罐上的攪拌器應(yīng)照常工
作。防止鉆井液沉淀，影響鉆井液性能；
(5)起鉆期間出現(xiàn)溢流關(guān)井后。將自動(dòng)灌鉆井液系
統(tǒng)復(fù)位。待起鉆正常后再次使用：
(6)灌井記錄要有專(zhuān)人整理，作業(yè)結(jié)束后由隊(duì)長(zhǎng)簽
字。交鉆井監(jiān)督；
(下轉(zhuǎn)第84頁(yè))
59
液壓氣動(dòng)與密封／2014年第09期
該余度電磁閥的設(shè)計(jì)是建立在單線(xiàn)圈電磁閥設(shè)計(jì)
基礎(chǔ)上的．因此其基本設(shè)計(jì)方法是與單線(xiàn)圈電磁閥是
一樣的。該電磁閥采用了螺管電磁鐵結(jié)構(gòu)．兩電磁線(xiàn)圈
采用串聯(lián)式結(jié)構(gòu)形式，兩個(gè)線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。該
結(jié)構(gòu)形式零件種類(lèi)少，便于生產(chǎn)和維修；外徑尺寸小，
便于布局：同時(shí)具有重量輕的優(yōu)點(diǎn)。
3)雙余度信號(hào)輸出
起動(dòng)空氣閥要求具有雙余度信號(hào)輸出功能．以實(shí)
現(xiàn)其狀態(tài)的雙通道監(jiān)控 起動(dòng)空氣閥設(shè)計(jì)采用了耐高
溫環(huán)境的雙聯(lián)一體式的微動(dòng)開(kāi)關(guān)．一體式微動(dòng)開(kāi)關(guān)能
夠保證兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)行程相同、動(dòng)作一致，從而可以有
效保證雙信號(hào)輸出的一致性。
4)作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理是：由控制腔壓力驅(qū)動(dòng)
活塞位移、通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蝶板旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閥的打開(kāi)
操作：再由反饋腔壓力推動(dòng)活塞反向位移并通過(guò)連桿
機(jī)構(gòu)帶動(dòng)蝶板反向旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閥的關(guān)閉操作。其結(jié)構(gòu)原
理見(jiàn)圖5
開(kāi)
圖5 起動(dòng)空氣閥作動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)
4 起動(dòng)空氣閥的余度設(shè)計(jì)
1)雙余度打開(kāi)及關(guān)閉
雙余度開(kāi)啟：從圖1功能符號(hào)圖可以看出：起動(dòng)空
氣閥可通過(guò)控制氣路的通斷進(jìn)行打開(kāi)操作．亦可以進(jìn)
行手動(dòng)強(qiáng)制打開(kāi)操作
雙余度關(guān)閉：其一是關(guān)斷電磁閥電源：通過(guò)電磁閥
鋼球關(guān)斷控制氣路：其二是通過(guò)手動(dòng)操控機(jī)構(gòu)關(guān)閉二
位二通閥，阻斷控制氣路。由于起動(dòng)閥工作介質(zhì)為高溫
空氣。且具有一定壓力，通過(guò)阻斷控制氣路。可保證操
作的安全性
2)雙通道控制
起動(dòng)空氣閥的電磁閥為雙余度電磁閥．采用雙線(xiàn)
圈通過(guò)雙通道供給電源，可實(shí)現(xiàn)雙通道控制。
3)雙通道監(jiān)控
起動(dòng)空氣閥采用了雙余度微動(dòng)開(kāi)關(guān) 當(dāng)?shù)y處于
關(guān)閉位置時(shí)，兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)同時(shí)輸出關(guān)閉信號(hào)．可雙通
道對(duì)起動(dòng)空氣閥的打開(kāi)或關(guān)閉位置進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)
5 結(jié)論
隨著人類(lèi)活動(dòng)空間的拓展以及民用航空運(yùn)輸業(yè)的
普及．航空產(chǎn)品的安全性成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)中首要考慮的
問(wèn)題。而余度設(shè)計(jì)作為一種常用的安全性設(shè)計(jì)方法．正
越來(lái)越多地被應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中 起動(dòng)空氣閥用于商
用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)．其研制成功的關(guān)鍵是組成
系統(tǒng)的附件能夠安全、可靠的工作。起動(dòng)空氣閥的設(shè)計(jì)
引入目前航空業(yè)常用的余度設(shè)計(jì)技術(shù)。涵蓋控制、監(jiān)控
及功能完成等方面，為其安全、可靠地完成預(yù)定功能打
下了基礎(chǔ)。目前該產(chǎn)品已完成基本功能測(cè)試，其環(huán)境適
應(yīng)性有待進(jìn)一步驗(yàn)證
參 考 文 獻(xiàn)
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And Test of Piloted Aircraft，General Specification vo~fs]．
[2] 沈燕良．飛機(jī)系統(tǒng)原理[M】．北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007．
[3】左健民．液壓與氣壓傳動(dòng)[M】．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995．
[4] 工新月．氣體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，
2006．
[5】潘耀勤．余度電磁閥設(shè)計(jì)叨．液壓氣動(dòng)與密封，1997，(1)．
(上接第59頁(yè))
(7)灌井結(jié)束后應(yīng)及時(shí)保養(yǎng)砂泵，對(duì)于冬季冰期作
業(yè)，還要對(duì)灌井管線(xiàn)吹掃防凍。
5 結(jié)束語(yǔ)
起鉆灌鉆井液系統(tǒng)是保持井筒內(nèi)靜液柱壓力的必
要措施，每起出3 5根鉆桿必須灌井一次。但灌井系統(tǒng)
不能跟泥漿罐直接相連．以免井下情況復(fù)雜。發(fā)生溢流
而不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)；亦不能使鉆井液靜置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。影響
灌井鉆井液性能
隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展．起鉆灌鉆井液系統(tǒng)越來(lái)
越趨向于自動(dòng)化、智能化，操作簡(jiǎn)便，灌井及時(shí)，但起鉆作
業(yè)時(shí)必須有專(zhuān)人負(fù)責(zé)，專(zhuān)人記錄，作業(yè)后及時(shí)保養(yǎng)，以免
84
傳感器、砂泵等灌井設(shè)備異常，造成井漏、溢流等事故。
參考文獻(xiàn)
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靠性分析[J]．西部探礦工程，2008，(12)：109—111．

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