CN109116878A - 旋转防喷器的闭环压力控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋转防喷器的闭环压力控制系统，包含：系统压力检测装置，实时检测旋转防喷器的系统压力；井液压力检测装置，实时检测转防喷器的井液压力；CPU控制器，分别与系统压力检测装置以及井液压力检测装置连接，根据实时接收的系统压力和井液压力，比较后输出相应的压力控制信号；比例调节装置，与CPU控制器连接；变量泵，与比例调节装置连接，根据比例调节装置接收的压力控制信号，调节控制变量泵的输出压力，使其与井液压力保持在预设的压力差值范围内。本发明采用闭环压力控制方式，确保压差始终维持在较小范围内，减少密封的发热量和磨损，确保旋转防喷器持续使用的可靠性，提高钻井效率，节约资源，降低成本，减轻操作强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转防喷器的控制系统，具体是指旋转防喷器的闭环压力控制系统，是通过井压反馈来控制旋转防喷器的操作压力与井压保持一个差压值的压力控制方式。
背景技术
欠平衡钻井又称负压钻井，是指在钻井时井底压力小于地层压力，地底的流体有控制的进入井筒并且循环到地面上的钻井技术。目前，欠平衡钻井技术在油气田开采中被大量使用，而旋转防喷器及其控制系统就是其中的关键设备，它的耐用性严重影响到钻井速度和经济性及安全性。
现有技术中所使用的旋转防喷器，其旋转时润滑腔和井液之间设置有密封阻隔，而润滑液与井液之间的压差大小，则决定了密封的磨损和发热量。当压差越大时对密封的磨损也就越大，所以如何控制两者之间的压差就变得非常重要。
目前使用的旋转防喷器的控制系统主要有气控和电控两种方式。其中气控是由压缩空气驱动泵向旋转防喷器里注入润滑压力油，因此调节了气源压力就控制了润滑压力，是一个定压开环控制的方式。而电控是由电机控制泵，再调节泵的输出压力来达到控制润滑压力，也是一个定压开环控制的方式。
上述两种控制润滑压力的方式，往往要么压差过大，造成发热量大，密封过早磨损；要么压差过小，造成井液窜入润滑腔，损坏轴承和密封；并且还需要人工根据工况，随时调节控制，导致劳动强度大。另外，在采用现有的控制润滑压力的方式时，为了确保井液压力不会高于系统压力，因此都将系统压力保持在一个较高水平，从而增大了密封磨损，导致发热量大；而一旦井液压力有所下降，会导致差压更大，使得发热量增加，最终造成密封失效，而需要停钻更换密封或旋转总成，浪费人力物力，并且大大降低了作业效率。
基于上述，本发明提出一种旋转防喷器的闭环压力控制系统，利用井压反馈，自动调节泵压力的输出来保持压差，从而形成一个闭环差压控制过程，与现有技术相比，能够减少密封磨损，延长使用寿命，降低劳动强度。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转防喷器的闭环压力控制系统，采用闭环压力控制方式，确保压差始终维持在较小范围内，减少密封的发热量和磨损，确保旋转防喷器持续使用的可靠性，提高钻井效率，节约资源，降低成本，减轻操作强度。
为实现上述目的，本发明提供一种旋转防喷器的闭环压力控制系统，包含：系统压力检测装置，实时检测旋转防喷器的系统压力；井液压力检测装置，实时检测转防喷器的井液压力；CPU控制器，分别与系统压力检测装置以及井液压力检测装置连接，根据实时接收到的系统压力和井液压力，比较后输出相应的压力控制信号；比例调节装置，与CPU控制器连接；变量泵，与比例调节装置连接，根据比例调节装置接收到的压力控制信号，调节控制变量泵的输出压力，使其与井液压力保持在预设的压力差值范围内。
所述的系统压力检测装置包含：系统压力传感器，设置在旋转防喷器的润滑腔内，实时采集旋转防喷器的系统压力值；系统压力变送器，与系统压力传感器连接，将采集到的系统压力值转换为直流电信号的实时系统压力，并反馈传输至CPU控制器。
所述的井液压力检测装置包含：井液压力传感器，设置在旋转防喷器的井液管线内，实时采集旋转防喷器的井液压力值；井液压力变送器，与井液压力传感器连接，将采集到的井液压力值转换为直流电信号的实时井液压力，并反馈传输至CPU控制器。
在所述的CPU控制器内预设并存储压力差值范围。
所述的压力差值范围为400psi～600psi，优选为500psi。
所述的CPU控制器根据接收到的实时系统压力和实时井液压力，计算实时压力差值，并将该实时压力差值与预设的压力差值范围进行比较；当实时压力差值处于预设的压力差值范围内，CPU控制器维持压力控制信号不变并输出；当实时压力差值大于预设的压力差值范围的上限值，CPU控制器相应增大压力控制信号并输出；当实时压力差值小于预设的压力差值范围的下限值，CPU控制器相应减小压力控制信号并输出。
其中，所述的实时压力差值=实时系统压力－实时井液压力。
所述的比例调节装置包含：比例阀放大器，与CPU控制器连接；比例阀，分别与比例阀放大器以及变量泵连接，该比例阀放大器根据接收到的压力控制信号，通过相应调节比例阀的阀口开度，调节控制变量泵向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力，使其与井液压力始终保持在预设的压力差值范围内。
当CPU控制器维持压力控制信号不变并输出时，比例阀放大器控制比例阀维持其阀口开度，使得变量泵向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力保持不变；当CPU控制器增大压力控制信号并输出时，比例阀放大器控制比例阀增大其阀口开度，使得变量泵向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力增加；当CPU控制器减小压力控制信号并输出时，比例阀放大器控制比例阀减小其阀口开度，使得变量泵向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力减小。
综上所述，本发明提供的旋转防喷器的闭环压力控制系统，采用系统压力自动跟随井液压力的闭环压力控制方式，来代替现有技术中的开环压力控制方式，使得压差能够始终保持在一个较小的预设范围内，通过减少密封上下的压差来减少发热量和密封磨损，有效延长了密封的使用寿命，确保旋转防喷器持续使用的可靠性，提高钻井效率，节约资源，降低成本，减轻操作强度。
附图说明
图1为本发明中的旋转防喷器的闭环压力控制系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合图1，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，为本发明提供的旋转防喷器的闭环压力控制系统，包含：系统压力检测装置，实时检测旋转防喷器7的系统压力；井液压力检测装置，实时检测转防喷器7的井液压力；CPU控制器1，分别与所述的系统压力检测装置以及井液压力检测装置连接，根据实时接收到的系统压力和井液压力，比较后输出相应的压力控制信号；比例调节装置，与所述的CPU控制器1连接；变量泵4，与所述的比例调节装置连接，根据比例调节装置接收到的压力控制信号，调节控制变量泵4的输出压力，使其与井液压力保持在预设的压力差值范围内。
在本发明的一个优选实施例中，所述的系统压力检测装置包含：系统压力传感器，设置在旋转防喷器7的润滑腔内，实时采集旋转防喷器的系统压力值；系统压力变送器5，与所述的系统压力传感器连接，将采集到的系统压力值转换为直流电信号的实时系统压力，并实时反馈传输至CPU控制器1。
其中，所述的系统压力变送器5采用型号为NS-I1-40MPa1GI2241的压力变送器实现。
在本发明的一个优选实施例中，所述的井液压力检测装置包含：井液压力传感器，设置在旋转防喷器7的井液管线内，实时采集旋转防喷器的井液压力值；井液压力变送器6，与所述的井液压力传感器连接，将采集到的井液压力值转换为直流电信号的实时井液压力，并实时反馈传输至CPU控制器1。
其中，所述的井液压力变送器6采用型号为NS-I1-40MPa1GI2241的压力变送器实现。
在本发明的一个优选实施例中，所述的CPU控制器1内预先设置并存储有一个400psi～600psi的压力差值范围。进一步，该压力差值优选设置为500psi（磅/平方英寸）。
所述的CPU控制器1根据接收到的实时系统压力和实时井液压力，计算实时压力差值，并将该实时压力差值与预设的压力差值范围进行比较；当实时压力差值处于预设的压力差值范围内，则CPU控制器1维持压力控制信号不变并输出；当实时压力差值大于预设的压力差值范围的上限值，则CPU控制器1相应增大压力控制信号并输出；当实时压力差值小于预设的压力差值范围的下限值，则CPU控制器1相应减小压力控制信号并输出。
其中，所述的实时压力差值=实时系统压力－实时井液压力。
其中，所述的CPU控制器1采用型号为CPU224的控制器实现，采用PID（比例积分微分）控制技术。
在本发明的一个优选实施例中，所述的比例调节装置包含：比例阀放大器2，与所述的CPU控制器1连接；比例阀3，分别与所述的比例阀放大器2以及变量泵4连接，该比例阀放大器2根据接收到的压力控制信号，通过相应调节比例阀3的阀口开度，以调节控制变量泵4向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力，使其与井液压力始终保持在预设的压力差值范围内。
具体的，当CPU控制器1维持压力控制信号不变并输出时，比例阀放大器2控制比例阀3维持其阀口开度，使得变量泵4向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力保持不变；当CPU控制器1增大压力控制信号并输出时，比例阀放大器2控制比例阀3增大其阀口开度，使得变量泵4向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力增加；当CPU控制器1减小压力控制信号并输出时，比例阀放大器2控制比例阀3减小其阀口开度，使得变量泵4向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力减小。
其中，所述的比例阀放大器2采用PCD00A-400的型号实现，所述的比例阀3采用RE06M35W2N1JW的型号实现。
综上所述，本发明提供的旋转防喷器的闭环压力控制系统，采用系统压力自动跟随井液压力的闭环压力控制方式，来代替现有技术中的开环压力控制方式，使得压差能够始终保持在一个较小的预设范围内，通过减少密封上下的压差来减少发热量和密封磨损，有效延长了密封的使用寿命，确保旋转防喷器持续使用的可靠性，提高钻井效率，节约资源，降低成本，减轻操作强度。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，包含：
系统压力检测装置，实时检测旋转防喷器的系统压力；
井液压力检测装置，实时检测转防喷器的井液压力；
CPU控制器，分别与系统压力检测装置以及井液压力检测装置连接，根据实时接收到的系统压力和井液压力，比较后输出相应的压力控制信号；
比例调节装置，与CPU控制器连接；
变量泵，与比例调节装置连接，根据比例调节装置接收到的压力控制信号，调节控制变量泵的输出压力，使其与井液压力保持在预设的压力差值范围内。
2.如权利要求1所述的旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，所述的系统压力检测装置包含：
系统压力传感器，设置在旋转防喷器的润滑腔内，实时采集旋转防喷器的系统压力值；
系统压力变送器，与系统压力传感器连接，将采集到的系统压力值转换为直流电信号的实时系统压力，并反馈传输至CPU控制器。
3.如权利要求2所述的旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，所述的井液压力检测装置包含：
井液压力传感器，设置在旋转防喷器的井液管线内，实时采集旋转防喷器的井液压力值；
井液压力变送器，与井液压力传感器连接，将采集到的井液压力值转换为直流电信号的实时井液压力，并反馈传输至CPU控制器。
4.如权利要求1所述的旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，在所述的CPU控制器内预设并存储压力差值范围。
5.如权利要求4所述的旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，所述的压力差值范围为400psi～600psi，优选为500psi。
6.如权利要求3所述的旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，所述的CPU控制器根据接收到的实时系统压力和实时井液压力，计算实时压力差值，并将该实时压力差值与预设的压力差值范围进行比较；
当实时压力差值处于预设的压力差值范围内，CPU控制器维持压力控制信号不变并输出；
当实时压力差值大于预设的压力差值范围的上限值，CPU控制器相应增大压力控制信号并输出；
当实时压力差值小于预设的压力差值范围的下限值，CPU控制器相应减小压力控制信号并输出。
7.如权利要求6所述的旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，所述的实时压力差值=实时系统压力－实时井液压力。
8.如权利要求6所述的旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，所述的比例调节装置包含：
比例阀放大器，与CPU控制器连接；
比例阀，分别与比例阀放大器以及变量泵连接，该比例阀放大器根据接收到的压力控制信号，通过相应调节比例阀的阀口开度，调节控制变量泵向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力，使其与井液压力始终保持在预设的压力差值范围内。
9.如权利要求8所述的旋转防喷器的闭环压力控制系统，其特征在于，
当CPU控制器维持压力控制信号不变并输出时，比例阀放大器控制比例阀维持其阀口开度，使得变量泵向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力保持不变；
当CPU控制器增大压力控制信号并输出时，比例阀放大器控制比例阀增大其阀口开度，使得变量泵向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力增加；
当CPU控制器减小压力控制信号并输出时，比例阀放大器控制比例阀减小其阀口开度，使得变量泵向旋转防喷器的润滑腔内注入润滑压力油的输出压力减小。
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