氣體鑽井安全保障系統的入井氣體監測與控制裝置的製作方法
2023-07-14 21:13:31 1
本實用新型涉及石油、天然氣鑽井技術及安全保障領域，確切地說涉及一種氣體鑽井安全保障系統的入井氣體監測與控制裝置。
背景技術：
氣體鑽井是解決低壓、低孔、低滲油氣藏難發現、難開採問題的有效手段，可以100%地發現含油氣層，獲得儲層初始產能；對儲層零傷害，有效保護油氣層，提高單井產量和採收率；避免鑽井井漏發生，大幅提高鑽井速度，節約勘探開發成本。近年來在四川、塔裡木、吉林、克拉瑪依、吐哈等油氣田得到了大規模應用，單井產量增加80%以上，同時促進一批構造獲得了突破性勘探成果。但是由於氮氣鑽井的對象往往是地質不明確的儲層，井控風險高，對地面設備和工藝技術的可靠性和應急能力有較高要求。如果沒有一個全方位的安全保障系統實時監測鑽井和氣樣參數，掌握地面和井下狀態，為工程師提供決策判斷依據，並依靠設備的自動化應急功能和本質安全能力減少人在應急處置時發生錯誤的機率，那麼氮氣鑽井仍然在井控風險上有顧慮，不能發揮其發現和保護儲層的巨大優勢。
美國哈裡波頓公司1999年開始開發欠平衡數據採集系統，採集的數據包括儲層壓力、流量、氣體組分、鑽井機械參數等。Wellsite氣體檢測有限公司數據記錄系統能夠連續幾個月記錄和顯示井場信息，其軟體在氣體檢測領域處於領先水平。國內諸多研究機構和專業化公司也研製了多種氣體鑽井現場安全監測系統，並申請了專利。例如，公開號為104675382A，公開日為2015年6月3日的中國專利文獻公開了一種氣體鑽井巖屑返出監測系統和監測方法，它包括固體流量計和絞車變送器來測量返出巖屑量和絞車角位移對應的巖屑排量以得到較為準確返出巖屑狀態。該系統功能單一，沒有對氣體鑽井的安全構成實質性保護。公開號為204200209U，公開日為2015年3月11日的中國專利文獻公開了一種氣體鑽井安全監測預警系統，它包括工程參數監測單元、監測伺服器和報警單元，其中工程參數監測包括注入氣體壓力、流量，返出氣體壓力、組分，返出巖屑量以及地層出水、扭矩和鑽時監測等功能，可以較早發現地層產水情況並結合其他工程參數對氣體鑽井井下安全進行評估。該系統側重於對氣體鑽井井下複雜情況的預判，缺乏對地面設備狀態的集中監控和對井口、排砂管線和注氣設備在緊急情況下的關斷控制。公開號為202031579U，公開日為2015年3月11日的中國專利文獻公開了一種氣體鑽井現場檢測系統，它包括數據採集處理器、無線發射器、無線接收器和上位機，無線發射器通過數傳電臺無線網絡與無線接收器通信。該系統僅對空壓機、增壓機進行數據採集，對象不包括制氮機，同時功能單一，沒有對入井、出井氣體以及井下狀態進行監測的功能。公開號為202914075U，公開日為2013年5月1日的中國專利文獻公開了一種氣體鑽井信息集成監測系統，它包括採集機、集成採集器、數據處理及存儲器、集成發布器、工業級無線路由器和遠端監測計算機，將監測結果集中在了一個工作界面上，提高了工作效率。採集內容包括綜合錄井、取樣、安全監測和設備等數據，同樣缺乏對井口、排砂管線和注氣設備在緊急情況下的關斷控制。公開號為202914075U，公開日為2013年5月1日的中國專利文獻公開了一種空氣鑽井氣體監測裝置，它包括二氧化硫、氫氣、一氧化碳、氧氣、甲烷和硫化氫濃度監測，主要用於出井氣體和井下狀態監測，缺乏入井氣體和設備狀態監測，更沒有緊急情況下的關斷控制，在氣體鑽井時難以充分發揮安全保障作用。
上述專利公開的設備或系統功能尚不完善，監測對象較片面，沒有解決實踐過程中存在的混合增壓後的氮氣純度監測不準、出水後取樣管易堵塞、井口有毒有害氣體缺乏主動監測和在緊急情況下設備、井口和排砂管線缺乏自動關斷功能等問題。沒有統一的終端將分散的監測數據集合起來方便工程師綜合決策和判斷，信息化程度不高。只具備了監測功能，沒有一個安全場所可對設備、井口和排砂管線進行遠程控制，自我保護手段缺失，對氣體鑽井安全的保障能力有限，這在很大程度上削弱了氣體鑽井的本質安全性能。
技術實現要素：
本實用新型旨在針對上述現有技術所存在的缺陷和不足，提供一種氣體鑽井安全保障系統的入井氣體監測與控制裝置，採用本實用新型，能採集入井氣體監測數據並發送給集中監控房並顯示，同時能便於集中監控房控制入井氣體監測與控制裝置的閥門開閉，應用於氣體鑽井安全保障系統中，能形成全方位保障氣體鑽井安全的合力。
本實用新型是通過採用下述技術方案實現的：
一種氣體鑽井安全保障系統的入井氣體監測與控制裝置，其特徵在於：包括入井氣體控制閥組、氮氣純度監測儀和壓差式智能流量計；入井氣體控制閥組、氮氣純度監測儀和壓差式智能流量計依次串聯安裝在供氣管線上；氮氣純度監測儀和壓差式智能流量計測得的數據傳遞給集中監控房，集中監控房的中央處理器將收到的數據調製解調後通過上位機顯示在屏幕上；入井氣體控制閥組由集中監控房內的遠程控制按鈕通過有線電纜連接，閥門開度數據同時通過無線傳輸裝置反饋給集中監控房，中央處理器將收到的數據調製解調後通過上位機顯示在屏幕上。
氮氣純度監測儀由取樣短節、一級減壓閥、二級減壓閥和監測儀組成；取樣短節、一級減壓閥、二級減壓閥和監測儀依次連接。
一級減壓閥將取樣氣體壓力降低到2.0MPa以下，二級減壓閥將取樣氣體壓力降低到0.1MPa。
智能壓差流量計由節流短節、標準孔板和流量計組成；標準孔板安裝在節流短節中，流量計與節流短節連接。
智能壓差流量計流量測量精度0.1m3/min，測量範圍超過450m3/min，滿足氣體鑽井要求。
氮氣純度監測儀測量的氣體參數包括氮氣純度；壓差式智能流量計測量的氣體參數包括氣體溫度、溼度、壓力和氣體流量。
與現有技術相比，本實用新型所達到的有益效果如下：
1、採用本實用新型，能採集入井氣體監測數據並發送給集中監控房並顯示，同時能便於集中監控房控制入井氣體監測與控制裝置的閥門開閉。
2、將本實用新型應用安全保障系統中，將多元、分散的監測數據集中在統一的工作界面上，方便觀察和記錄，同時具有設備、井口遠程控制功能，形成了全方位保障氣體鑽井安全的合力。
附圖說明
下面將結合說明書附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步的詳細說明，其中：
圖1為將本實用新型應用於氣體鑽井安全保障系統的連接示意簡圖；
圖2為圖1中連接詳圖。
圖中標記：
1-抽氣泵；2-井口有毒有害氣體監測報警裝置；3-數傳電臺無線網絡裝置一；4-監測儀；5-旋轉防噴器；6-環形防噴器；7-排砂管線液動平板閥；8-排砂管線液動平板閥控制管線；9-司鑽臺；10-放噴管線液動平板閥控制管線；11-環形防噴器控制管線；12-關井控制箱；13-聲光報警器；14-井口應急遠程控制按鈕；15-入井氣體遠程控制按鈕；16-集中監控房；17-中央處理器；18-上位機；19-視頻監測儀；20-鑽井參數顯示終端；21-數傳電臺無線網絡裝置二；22-返出流體監測裝置；23-乾式除塵箱；24-設備遠程控制按鈕；25-入井氣體遠程控制管線；26-設備狀態監測顯示終端；27-入井井口氣體及返出流體監測顯示終端；28-視頻監測顯示終端；29-數傳電臺無線網絡裝置三；30-返出流體監測儀；31-溼式除塵箱；32-沉砂池；33-取樣短節一；34-氮氣純度監測儀；35-二級減壓閥；36-一級減壓閥；37-壓差式智能流量計；38-排砂管線；39-入井氣體監測與控制裝置；40-取樣短節；41-標準孔板；42-節流短節；43-供氣管線；44-入井氣體控制閥組；45-設備控制器；46-增壓機；47-膜制氮機；48-空壓機；49-設備狀態信息採集處理器；50-數傳電臺無線網絡裝置四；51-設備狀態監測與控制裝置；52-放噴管線液動平板閥；53-無線通訊線路a；54-無線通訊線路b；55-無線通訊線路c；56-無線通訊線路d；57-無線通訊線路e；58-無線通訊線路f。
具體實施方式
實施例1
作為本實用新型的一較佳實施方式，其包括入井氣體控制閥組44、氮氣純度監測儀34和壓差式智能流量計37；入井氣體控制閥組44、氮氣純度監測儀34和壓差式智能流量計37按下遊方向依次串聯安裝在供氣管線43上；氮氣純度監測儀34測量的氣體參數包括氮氣純度；壓差式智能流量計37測量的氣體參數包括氣體溫度、溼度、壓力和氣體流量；氮氣純度監測儀34和壓差式智能流量計37測得的數據通過儀器自帶的無線傳輸裝置傳遞給集中監控房16，集中監控房中央處理器17將收到的數據調製解調後通過上位機18顯示在屏幕上；入井氣體控制閥組44由集中監控房16內的遠程控制按鈕15通過有線電纜25控制，閥門開度數據同時通過其自帶的無線傳輸裝置反饋給集中監控房16，集中監控房中央處理器17將收到的數據調製解調後通過上位機18顯示在屏幕27上；
氮氣純度監測儀34由取樣短節40、一級減壓閥36、二級減壓閥35和監測儀34組成；一級減壓閥36將取樣氣體壓力降低到2.0MPa以下，二級減壓閥35將取樣氣體壓力降低到0.1MPa附近。
智能壓差流量計37由節流短節42、標準孔板41和流量計37組成；標準孔板41安裝在節流短節42中，其流量測量精度0.1m3/min，測量範圍超過450m3/min，滿足氣體鑽井要求。
實施例2
將本實用新型應用於氣體鑽井安全保障系統中，其主要由六大裝置組成，分別是集中監控房16、設備狀態監測與控制裝置51、入井氣體監測與控制裝置39、返出流體監測裝置22、井口有毒有害氣體監測報警裝置2和井口快速自動控制裝置。
其中，集中監控房16包括設備狀態監測顯示終端26及其遠程控制按鈕24、入井氣體監測顯示終端27及其遠程控制按鈕15、返出流體監測顯示終端27、井口有毒有害氣體監測顯示終端27、視頻監測儀19及其顯示終端28、鑽井參數顯示終端20、井口應急遠程控制按鈕14、中央處理器17、上位機18、聲光報警器13和數傳電臺無線網絡裝置二21；入井氣體、返出流體和井口有毒有害氣體監測參數集合顯示在同一屏幕27上；設備及入井氣體控制閥組狀態集合顯示在同一屏幕26上；鑽井參數顯示終端20與綜合錄井儀採用有線連接實現數據共享；設備狀態監測、入井氣體監測、返出流體監測和井口有毒有害氣體監測顯示終端26、27與相應室外儀器之間採用數傳電臺無線網絡傳輸；設備遠程控制按鈕24通過數傳電臺無線網絡與安裝在空壓機48、制氮機47和增壓機46上的設備控制器45連接以實現對設備的遠程控制；入井氣體遠程控制按鈕15通過有線電纜25實現對入井氣體控制閥組44的控制；井口應急遠程控制按鈕14通過數傳電臺無線網絡和關井控制箱12實現對井口52、排砂管線閘閥7和防噴器5的控制；聲光報警器13根據井口有毒有害氣體監測結果和排砂管線內壓力和硫化氫濃度監測結果自動響應發出報警信號。
設備狀態監測與控制裝置51包括安裝於空壓機48、制氮機47、增壓機46上的設備狀態信息採集處理器49、設備控制器45和數傳電臺無線網絡裝置四50；信息採集處理器49採集的設備參數包括發動機負載、轉速、油壓、油溫、進氣壓力、排氣壓力、燃油液位和壓縮機油壓力；信息採集處理器49、設備控制器45和無線傳輸裝置50均集成安裝於設備中控系統中；信息採集處理器49通過串口數據線與無線傳輸裝置50連接，再通過數傳電臺網絡與集中監控房16實現單向通信，集中監控房中央處理器17將收到的數據調製解調後通過上位機18顯示在屏幕26上；設備狀態遠程控制按鈕24觸發信號通過集中監控房16傳遞給各設備自帶的無線傳輸裝置50，無線傳輸裝置50將收到的信號調製解調後傳遞給設備控制器45執行設備啟停操作。
入井氣體監測與控制裝置39包括入井氣體控制閥組44、氮氣純度監測儀34和壓差式智能流量計37；入井氣體控制閥組44、氮氣純度監測儀34和壓差式智能流量計37按下遊方向依次串聯安裝在供氣管線43上；氮氣純度監測儀34測量的氣體參數包括氮氣純度；壓差式智能流量計37測量的氣體參數包括氣體溫度、溼度、壓力和氣體流量；氮氣純度監測儀34和壓差式智能流量計37測得的數據通過儀器自帶的無線傳輸裝置傳遞給集中監控房16，集中監控房中央處理器17將收到的數據調製解調後通過上位機18顯示在屏幕上；入井氣體控制閥組44由集中監控房16內的遠程控制按鈕15通過有線電纜25控制，閥門開度數據同時通過其自帶的無線傳輸裝置反饋給集中監控房16，集中監控房中央處理器17將收到的數據調製解調後通過上位機18顯示在屏幕27上；
氮氣純度監測儀34由取樣短節40、一級減壓閥36、二級減壓閥35和監測儀34組成；一級減壓閥36將取樣氣體壓力降低到2.0MPa以下，二級減壓閥35將取樣氣體壓力降低到0.1MPa附近。
智能壓差流量計37由節流短節42、標準孔板41和流量計37組成；標準孔板41安裝在節流短節42中，其流量測量精度0.1m3/min，測量範圍超過450m3/min，滿足氣體鑽井要求。
返出流體監測裝置22包括取樣短節一33、乾式除塵箱23、溼式除塵箱31和返出流體監測儀30；取樣短節一33安裝在排砂管線38上，乾式除塵箱23和溼式除塵箱31進口通過軟管與取樣短節一33並聯連接，乾式除塵箱23和溼式除塵箱31出口通過軟管與返出流體監測儀30連接；在乾式除塵箱23和溼式除塵箱31進口處分別安裝有截止閥以根據氣體類型選擇不同的除塵方式；返出流體監測儀30的測量參數包括低濃度甲烷含量、高濃度甲烷含量、氣體溫度、氣體溼度、二氧化碳含量、氧氣含量、硫化氫含量和一氧化碳含量；返出流體監測儀30測得的數據通過儀器自帶的無線傳輸裝置29傳遞給集中監控房16，集中監控房中央處理器17將收到的數據調製解調後通過上位機18顯示在屏幕上。
井口有毒有害氣體監測報警裝置2包括抽氣泵1、監測儀4和無線傳輸裝置3；抽氣泵1安裝於旋轉防噴器5上端面，抽取從旋轉防噴器5密封件中洩漏的氣體；監測儀4安裝在旋轉防噴器5上，對抽氣泵1取得的氣樣進行檢測，測得的數據通過儀器自帶的無線傳輸裝置3傳遞給集中監控房16，集中監控房16中央處理器17將收到的數據調製解調後通過上位機18顯示在屏幕27上。監測儀4測量的參數包括低濃度甲烷含量、高濃度甲烷含量和硫化氫含量；當井口有毒有害氣體濃度達到設定的報警值時激發聲光報警器13發出報警信號。
井口快速自動控制裝置包括關井控制箱12、司鑽臺9及其控制管線10、11、排砂管線液動平板閥7及其控制管線8。司鑽臺9安裝在司鑽臺內，通過控制管線10、11能同時關閉環形防噴器6和打開液動平板閥52；關井控制箱12安裝在司鑽臺9上，根據接收到的信號自動控制司鑽臺9動作；關井控制箱12與集中監控房16利用無線網絡通信，激發信號為集中監控房16內的井口應急遠程控制按鈕14觸發信號和返出流體監測儀30測得的排砂管線38壓力及硫化氫濃度；當排砂管線38內壓力或硫化氫濃度超過設定值會激發聲光報警器13發出報警信號，命令關井控制箱12和司鑽臺9自動關閉環形防噴器6、打開放噴管線液動平板閥52，根據設定也可同時關閉排砂管線液動平板閥7；關井控制箱12執行自動關井操作設定的排砂管線38壓力值有0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa，設定的硫化氫濃度值有10ppm、20ppm、30ppm、40ppm。