多級(jí)節(jié)流在高壓井控中的應(yīng)用

多級(jí)節(jié)流在高壓井控中的應(yīng)用

研究完善節(jié)流閥系統(tǒng)近年來(lái)，塔里木-塔塔架帶的油氣勘探和開(kāi)發(fā)尤其是油氣勘探和開(kāi)發(fā)，地層壓力高（超過(guò)70mpa），產(chǎn)量高，溢流速度快，地下條件復(fù)雜。現(xiàn)有的井控制設(shè)備，尤其是現(xiàn)有的逃走系統(tǒng)，不能滿足勘探和開(kāi)發(fā)的要求，容易導(dǎo)致井失速軸控制和事故。如迪那2井,地層壓力達(dá)102MPa,節(jié)流閥板在壓井前脫落,造成重大井噴失控著火事故;東秋8井實(shí)施壓井作業(yè)時(shí),一只節(jié)流閥閥桿斷裂,換上新閥壓井,閥板刺壞,直到第三次更換節(jié)流閥后才壓井成功;在其他井隊(duì)作業(yè)中類似節(jié)流閥板脫落的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,即使換裝進(jìn)口設(shè)備也無(wú)濟(jì)于事。為有效地改善現(xiàn)有節(jié)流閥的損壞與失效問(wèn)題,避免或減少井噴失控帶來(lái)的災(zāi)難性后果,減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高壓井操作的安全性,提高壓力控制精度,中國(guó)石油天然氣總公司在塔里木油氣田開(kāi)展了復(fù)雜條件下高壓高產(chǎn)氣井壓力控制系統(tǒng)研究。解決問(wèn)題的途徑有二條:(l)改進(jìn)節(jié)流閥,優(yōu)化流道結(jié)構(gòu),提高抗沖蝕破壞能力。調(diào)研表明,盡管國(guó)內(nèi)外對(duì)節(jié)流閥作了很多的研究和改進(jìn),但在高固相介質(zhì)、大流量的工況下,當(dāng)節(jié)流壓力降過(guò)大(一般超過(guò)40MPa)時(shí),節(jié)流閥仍然有很高的失效概率。因此,依靠目前節(jié)流閥的改進(jìn)工作還不能從根本上解決問(wèn)題。(2)采用多級(jí)節(jié)流系統(tǒng),減少作用在節(jié)流閥上的節(jié)流壓力降,確保節(jié)流閥的使用安全。多級(jí)節(jié)流系統(tǒng)就是利用多個(gè)節(jié)流閥和多個(gè)平板閥進(jìn)行串、并聯(lián),可根據(jù)節(jié)流壓降的大小實(shí)施一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)節(jié)流等,使分配到單只節(jié)流閥上的壓降不超過(guò)40MPa,減少單只節(jié)流閥上的負(fù)荷,改善節(jié)流系統(tǒng)關(guān)鍵元件節(jié)流閥的工況,從而提高節(jié)流系統(tǒng)的可靠性,保證壓井作業(yè)的順利進(jìn)行。研究表明,這是一種行之有效的方法。多級(jí)節(jié)流壓力控制系統(tǒng)由于液動(dòng)節(jié)流閥和液動(dòng)平板閥數(shù)量的增加,多級(jí)節(jié)流壓井控制過(guò)程更加復(fù)雜,目前用于控制單級(jí)節(jié)流壓井的手動(dòng)控制裝置就不能適合于對(duì)多級(jí)節(jié)流的控制,需要研制一種新型的多級(jí)節(jié)流智能控制裝置。它不僅能通過(guò)手動(dòng)操作來(lái)實(shí)施多級(jí)節(jié)流控制,也可以聯(lián)結(jié)工控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化程序操作控制和系統(tǒng)工況監(jiān)測(cè)。1多段智能控制裝置的開(kāi)發(fā)1.1動(dòng)平板閥控制系統(tǒng)液動(dòng)節(jié)流閥控制系統(tǒng)額定油壓:3.5MPa液動(dòng)平板閥控制系統(tǒng)額定油壓:10.5MPa液動(dòng)節(jié)流閥單程開(kāi)、關(guān)時(shí)間:≤45s蓄能器充氮壓力:1.0MPa環(huán)境溫度:-30℃～85℃1.2電液比例控制閥的工作原理多級(jí)節(jié)流智能控制裝置包括多級(jí)節(jié)流智能控制箱、傳感器、工控機(jī)和傳輸電纜等。多級(jí)節(jié)流智能控制箱主要由箱體、液壓系統(tǒng)、隔爆電路、數(shù)顯儀表等組成。多級(jí)節(jié)流管匯中每個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥的閥芯和液動(dòng)平板閥的閥板都是由液壓活塞驅(qū)動(dòng)的,此液壓系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即是多個(gè)液壓缸。液壓系統(tǒng)如圖1所示,由手動(dòng)換向閥組8、電磁換向閥組9、比例控閥組6、手動(dòng)控制閥組7以及液壓蓄能器4、減壓閥3、流量控制閥2、液壓油源1等組成。他們集中安裝在一個(gè)操作控制箱內(nèi)。手動(dòng)換向閥組8和電磁換向閥組9安裝在一起,共用一個(gè)液壓油源,用于控制多個(gè)液動(dòng)平板閥15(16、17、18、19)的開(kāi)啟和關(guān)閉,其開(kāi)關(guān)的速度由流量控制閥2調(diào)節(jié)限制。每個(gè)液動(dòng)平板閥和每一個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥的液壓缸活塞桿的位置由液壓鎖14鎖定。液壓系統(tǒng)油源1可借用鉆機(jī)上液壓防噴器的液壓油源,壓力為10.5MPa。比例控制閥組6包括一個(gè)比例方向閥22、三個(gè)精細(xì)濾油器21和多個(gè)二位二通電磁閥20。手動(dòng)控制閥組7由多個(gè)手動(dòng)控制閥23構(gòu)成。比例控制閥組6和手動(dòng)控制閥組7一起用來(lái)控制多個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥12(13)的閥芯位移或節(jié)流閥的進(jìn)口壓力,它使用經(jīng)減壓閥3減低了壓力的恒壓油源,額定壓力為3.5MPa,其工作壓力由壓力表10顯示,在操作面板上亦有數(shù)字顯示。為了確保電液比例控制閥正常工作,在進(jìn)入電液比例控制閥的進(jìn)油路上設(shè)置有精細(xì)濾油器21。由于使用一個(gè)電液比例控制閥來(lái)控制多個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥,系統(tǒng)中采用多個(gè)二位二通電磁閥20來(lái)選擇控制油流的路徑。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)多,液壓系統(tǒng)油路連接關(guān)系必須保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間互不干涉?？刂泼恳粋€(gè)液動(dòng)平板閥的三位四通手動(dòng)換向閥24和三位四通電磁換向閥25之間的油路采取并聯(lián),在手動(dòng)換向閥組8內(nèi)各手動(dòng)換向閥之間的油路也采取并聯(lián),在電磁換向閥組9內(nèi)各電磁換向閥之間的油路亦為并聯(lián)。每個(gè)三位四通手動(dòng)換向閥24和每個(gè)三位四通電磁換向閥25的中位機(jī)能均為O型。在未施加手動(dòng)操作時(shí),各手動(dòng)換向閥自動(dòng)回到中位,使油路斷開(kāi)。在未施加電信號(hào)時(shí),各電磁換向閥自動(dòng)回到中位,使油路斷開(kāi)?？刂泼恳粋€(gè)液動(dòng)節(jié)流閥的手動(dòng)操作控制油路與電液比例控制油路之間為并聯(lián),手動(dòng)操作控制液動(dòng)節(jié)流閥的手動(dòng)控制閥組7內(nèi)各三位四通手動(dòng)控制閥23之間的油路也為并聯(lián)。各三位四通手動(dòng)控制閥23的中位機(jī)能亦為O型。選用負(fù)開(kāi)口的電液比例方向閥。進(jìn)行電液比例控制時(shí)多個(gè)二位二通電磁閥20中相應(yīng)的兩個(gè)通電,液動(dòng)節(jié)流閥之間的油路亦為并聯(lián)關(guān)系。在未施加手動(dòng)操作時(shí),手動(dòng)控制閥組7內(nèi)各個(gè)三位四通手動(dòng)控制閥23自動(dòng)回到中位,各油口之間均為斷開(kāi)狀態(tài)。在未施加電液比例控制信號(hào)時(shí),電液比例閥22以及各個(gè)二位二通電磁閥20均處于油路斷開(kāi)狀態(tài)。系統(tǒng)中所有電磁閥均有防爆功能,并對(duì)電路采取了防爆措施,以滿足井場(chǎng)工作要求。系統(tǒng)中還設(shè)置了液壓蓄能器4,給節(jié)流閥的應(yīng)急操作及時(shí)提供備用液壓源。根據(jù)壓井工藝要求所作的控制程序指令(來(lái)自工業(yè)控制計(jì)算機(jī))通過(guò)電纜送入控制箱,經(jīng)過(guò)控制箱內(nèi)的電路轉(zhuǎn)換后分別送入各個(gè)電磁換向閥和電液比例方向閥,各個(gè)電磁換向閥和電液比例方向閥即時(shí)按程序指令動(dòng)作,從而使多個(gè)液動(dòng)平板閥和多個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥依照程序要求動(dòng)作。由程序控制輸入電液比例方向閥的電流大小和方向,便可按比例地控制電液比例方向閥的流量和油流方向,從而控制節(jié)流閥的閥芯的位移(或節(jié)流閥的開(kāi)口大小),實(shí)施對(duì)節(jié)流閥的壓降控制。使用傳感器檢測(cè)各節(jié)流閥的閥芯的位移(即其液壓活塞的位移)和節(jié)流閥前后鉆井液的壓力,在控制箱操作面板上有數(shù)字顯示并通過(guò)電纜反饋到工控機(jī),檢測(cè)的這些信號(hào)可作為反饋控制信號(hào),又可作為監(jiān)控信號(hào)。還可用傳感器檢測(cè)其他需要的鉆井參數(shù)如套壓、立壓、溫度、流量等,并均可在控制箱操作面板上(操作手柄的上方)數(shù)字顯示和饋送到工控機(jī)。若不用程序控制,將各電磁閥斷電,便可使用手動(dòng)操作控制。應(yīng)當(dāng)注意,手動(dòng)操作控制與計(jì)算機(jī)程序控制不能夠同時(shí)進(jìn)行,程序控制時(shí)各節(jié)流閥的操作亦必須逐個(gè)單獨(dú)進(jìn)行。在實(shí)際壓井作業(yè)中,各液動(dòng)平板閥的操作通常是逐個(gè)單獨(dú)進(jìn)行的,各液動(dòng)節(jié)流閥的操作也是逐個(gè)單獨(dú)進(jìn)行的。在手動(dòng)操作時(shí),若對(duì)兩個(gè)以上的閥(節(jié)流閥或平板閥)同時(shí)進(jìn)行操作,將會(huì)使閥的動(dòng)作變慢,但不會(huì)發(fā)生動(dòng)作錯(cuò)誤。1.3在其他設(shè)備中的應(yīng)用(1)電液比例控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)智能控制技術(shù)結(jié)合,對(duì)液動(dòng)節(jié)流閥進(jìn)行控制。它具有控制精度較高,響應(yīng)速度較快,同時(shí)對(duì)液壓油清潔程度的要求比電液伺服控制低的特點(diǎn),是上個(gè)世紀(jì)七十年代發(fā)展起來(lái)的新技術(shù),在要求比較高的工業(yè)控制系統(tǒng)中越來(lái)越多的取代液壓伺服控制,此處選擇電液比例控制技術(shù)是合宜的。利用計(jì)算機(jī)采用先進(jìn)的計(jì)算方法和控制策略,編寫(xiě)控制程序,易于完成復(fù)雜的控制,且用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù),有助于今后分析研究。(2)控制多個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥和多個(gè)液動(dòng)平板閥,在操作控制面板上設(shè)有位移、壓力、溫度、流量等各種數(shù)據(jù)數(shù)字顯示,操作集中、觀察方便?？梢越鉀Q現(xiàn)有技術(shù)中分散控制液動(dòng)節(jié)流閥和液動(dòng)平板閥不能協(xié)調(diào)一致的問(wèn)題。(3)聯(lián)接工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥和多個(gè)液動(dòng)平板閥的智能化程序控制,自動(dòng)化程度高,減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,減少了人工操作帶來(lái)的隱患,壓力控制精度高,安全性好。也可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥和多個(gè)液動(dòng)平板閥的手動(dòng)操作控制,具有冗余控制特性,系統(tǒng)可靠性高。(4)能夠?qū)Ω鱾€(gè)液動(dòng)平板閥的開(kāi)啟、關(guān)閉狀態(tài)即閥板位置鎖定,對(duì)每個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥的閥芯位置鎖定,防止因液壓油的泄漏引起閥板的漂移。2試驗(yàn)2:液動(dòng)節(jié)流閥開(kāi)、合控制試驗(yàn)ZNJY70—A型多級(jí)節(jié)流智能控制箱于2004年4月和5月先后在川南礦區(qū)井控車間和塔里木技服公司井控車間進(jìn)行了性能試驗(yàn)。川南礦區(qū)井控公司為本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作提供了二只液動(dòng)節(jié)流閥和五只液動(dòng)平板閥,模擬新型多級(jí)節(jié)流管匯構(gòu)成了試驗(yàn)平臺(tái)。試驗(yàn)過(guò)程如下:(1)首先進(jìn)行了液動(dòng)節(jié)流閥手控試驗(yàn)。利用新型電控箱上的二個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥控制手柄,分別對(duì)液動(dòng)節(jié)流閥進(jìn)行了開(kāi)、合控制,同時(shí)利用新型電控箱上的二個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥位移傳感器顯示儀表觀察被控液動(dòng)節(jié)流閥的開(kāi)、合情況。試驗(yàn)表明:被控液動(dòng)節(jié)流閥開(kāi)、合反應(yīng)靈敏,速度穩(wěn)定,行程準(zhǔn)確。試驗(yàn)獲得成功。(2)然后進(jìn)行了液動(dòng)平板閥手控試驗(yàn)。利用新型電控箱上的五個(gè)液動(dòng)平板閥控制手柄,分別對(duì)液動(dòng)平板閥進(jìn)行了開(kāi)、合控制,同時(shí)直接觀察被控液動(dòng)節(jié)流閥的開(kāi)、合情況。試驗(yàn)表明:被控液動(dòng)平板閥開(kāi)、合反應(yīng)靈敏,速度穩(wěn)定,定位準(zhǔn)確。試驗(yàn)獲得成功。(3)接著進(jìn)行了液動(dòng)節(jié)流閥程控試驗(yàn)。利用工控裝置的控制軟件,分別對(duì)液動(dòng)節(jié)流閥進(jìn)行了開(kāi)、合控制,同時(shí)通過(guò)二個(gè)液動(dòng)節(jié)流閥位移傳感器對(duì)被控液動(dòng)節(jié)流閥的開(kāi)、合情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)表明:被控液動(dòng)節(jié)流閥開(kāi)、合反應(yīng)靈敏,速度穩(wěn)定,行程準(zhǔn)確。程控試驗(yàn)與手