节流阀自动控制装置及钻井工况下井底压力调节系统

摘要

本申请提供了一种节流阀自动控制装置及钻井工况下井底压力调节系统，该装置包括信号误差计算器、致动器、液压缸和位移传感器；位移传感器测量节流阀的位移变化并基于位移变化生成第一位移信号；信号误差计算器的第一输入端与位移传感器连接，接收位移传感器发送的第一位移信号，第二输入端与钻井现场的控制系统连接，接收控制系统发送的第二位移信号，信号误差计算器对第一位移信号和第二位移信号进行误差分析，生成误差信号；致动器与信号误差计算器的输出端连接，接收误差信号，响应于误差信号驱动液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动，从而带动节流阀往复运动。上述装置可以基于井下异常信号对节流阀开度进行自动控制，控制精度高。

说明书

技术领域

本申请涉及石油钻井技术领域，特别涉及一种节流阀自动控制装置及钻井工况下井底压力调节系统。

背景技术

随着社会的不断发展，对油气资源的需求量也日益增加，亟需加大油气勘探开发力度。随着浅部地层优质油气资源的持续开采，深水油气将是油气勘探开发的重要接替区。但是深水区地层环境复杂，浅层存在弱胶结、易坍塌以及孔隙压力高、破裂压力低等特点。特别是南海北部莺琼盆地有超过75％的地区高温高压地层发育，地层压力系数近2.3，压力窗口狭窄，极易引起溢流、气侵或漏失等井下复杂情况的发生。这造成了极大的资源浪费、设备损坏、环境污染、甚至人员伤亡等。在控压钻井过程中经常需要通过压井作业来实现安全钻进，而其中的关键环节就是通过调节节流阀的开度，来实现对回压力的控制，最终实现对井底压力的调节，从而避免井下复杂情况的发生。

然而，现有的节流阀控制系统需要人工操作、控制精度低。如果出现操作不当，不但解决不了问题，而且还会使得井下情况进一步恶化，最终造成重大的损失。

针对上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请实施例提供了一种节流阀自动控制装置及钻井工况下井底压力调节系统，以提供一套自动化程度高，性能稳定的节流阀自动控制装置。

本申请实施例提供了一种节流阀自动控制装置，包括：信号误差计算器、致动器、液压缸和位移传感器；其中，位移传感器用于测量节流阀的位移变化并基于位移变化生成第一位移信号；信号误差计算器包括第一输入端、第二输入端和输出端；第一输入端与位移传感器连接，以接收位移传感器发送的第一位移信号；第二输入端与钻井现场的控制系统连接，以接收控制系统发送的第二位移信号，其中，第二位移信号由控制系统对收集到的井下异常信号进行转换而得到的；信号误差计算器用于对第一位移信号和第二位移信号进行误差计算，生成误差信号；致动器与信号误差计算器的输出端连接，以接收误差信号，致动器与液压缸连接，以响应于误差信号驱动液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动；活塞杆执行结构与节流阀连接，使得在活塞杆执行结构在进行往复运动时带动节流阀往复运动，以控制节流阀的开度。

在一个实施例中，致动器为三位四通电磁换向阀，三位四通电磁换向阀包括第一压力出口和第二压力出口，第一压力出口与液压缸的无杆腔连接，第二压力出口与液压缸的有杆腔连接，使得三位四通电磁换向阀响应于误差信号进行油路切换时液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动。

在一个实施例中，该装置还包括第一比例信号放大器和第二比例信号放大器；相应的，信号误差计算器的第一输入端经由第一比例信号放大器与控制系统连接，第一比例信号放大器用于对第一位移信号进行放大，得到第一放大位移信号；信号误差计算器的第二输入端经由第二比例信号放大器与位移传感器连接，第二比例信号放大器用于对第二位移信号进行放大，得到第二放大位移信号；信号误差计算器对第一放大位移信号和所示第二放大位移信号进行误差计算，生成误差信号。

在一个实施例中，该装置还包括PID算法控制器；相应的，PID算法控制器的输入端与信号误差计算器的输出端连接，用于接收误差信号，并对误差信号进行稳定处理，得到稳定处理后的误差信号，PID算法控制器的输出端与致动器连接，以将稳定处理后的误差信号发送至致动器。

在一个实施例中，该装置还包括第三比例信号放大器；相应的，第三比例信号放大器的输入端与信号误差计算器的输出端连接，第三比例信号放大器的输出端与致动器连接，第三比例信号放大器用于对误差信号进行放大，得到放大误差信号，并将放大误差信号发送至致动器。

在一个实施例中，该装置还包括液压泵，液压泵与致动器的压力入口连接，用于为三位四通电磁换向阀的压力入口提供压力。

在一个实施例中，该装置还包括蓄能器和调节阀，其中，蓄能器和调节阀连接在液压泵和三位四通电磁换向阀的压力入口之间，用于调节液压泵向压力入口提供的压力。

在一个实施例中，该装置还包括液压油油箱和液压油过滤器，液压油油箱经由液压油过滤器与液压泵连通，液压油油箱中的液压油经由液压油过滤器过滤后为液压泵提供液压油。

本申请实施例还提供了一种钻井工况下井底压力调节系统，包括：节流阀自动控制装置、钻井现场的控制系统以及节流阀；节流阀自动控制装置包括信号误差计算器、致动器、液压缸和位移传感器；位移传感器用于测量节流阀的位移变化并基于位移变化生成第一位移信号；信号误差计算器包括第一输入端、第二输入端和输出端；第一输入端与位移传感器连接，以接收位移传感器发送的第一位移信号；第二输入端与控制系统连接，以接收控制系统发送的第二位移信号，其中，第二位移信号由控制系统对收集到的井下异常信号进行转换而得到的；信号误差计算器用于对第一位移信号和第二位移信号进行误差计算，生成误差信号；致动器与信号误差计算器的输出端连接，以接收误差信号，致动器与液压缸连接，以响应于误差信号驱动液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动；活塞杆执行结构与节流阀连接，使得在活塞杆执行结构在进行往复运动时带动节流阀往复运动，以控制节流阀的开度。

在一个实施例中，节流阀设置在钻井液管线中，节流阀在节流阀自动控制装置的控制下进行往复运动时改变钻井液管线内部从钻井液入口到钻井液出口的过流面积，导致流动压降变化，流动压降的变化通过钻井液传递到井底，实现对井底压力的控制。

在本申请实施例中，提供了一种节流阀自动控制装置，该装置包括信号误差计算器、致动器、液压缸和位移传感器，位移传感器可以测量节流阀的位移变化并基于位移变化生成第一位移信号，信号误差计算器可以经由第一输入端与位移传感器连接，接收位移传感器发送的第一位移信号，信号误差计算器经由第二输入端与钻井现场的控制系统连接，接收控制系统发送的第二位移信号，第二位移信号是控制系统可以收集到的井下异常信号进行转换得到，信号误差计算器通过对第一位移信号和第二位移信号进行误差计算，生成误差信号，信号误差计算器经由输出端将误差信号发送至致动器，致动器与液压缸连接，可以响应于误差信号驱动液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动，由于活塞杆执行结构与节流阀连接，使得在活塞杆执行结构在进行往复运动时带动节流阀往复运动，从而实现基于井下异常信号对节流阀开度的自动控制，控制精度高且控制效率高，无需人工操作，可以节约人力成本。通过上述方案解决了现有技术中节流阀控制系统需要人工操作、控制精度低的技术问题，达到了有效提升节流阀控制精度和控制效率的技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本申请的限定。在附图中：

图1示出了本申请一实施例中节流阀自动控制装置的结构示意图；

图2示出了本申请一实施例中节流阀自动控制装置的工作原理示意图；

图3示出了本申请一实施例中钻井工况下井底压力调节系统的示意图；

图4示出了本申请一实施例中的液压缸与节流阀的局部安装示意图。

附图标记说明：

100、节流阀自动控制装置；101、信号误差计算器；102、致动器；103、液压缸；104位移传感器；200、控制系统；300、节流阀；1、信号源；2、信号复制器；3、比例信号放大器；4、信号误差计算器；5、PID控制器；6、信号饱和函数；7、比例信号放大器；8、三位四通电磁换向阀；9、蓄能器；10、液压泵；11、电动机；12、过滤器；13、油箱；14、油箱；15、调压阀；16、液压缸；17、模拟节流阀(质量块)；18、钻井液的压力信号；19、位移传感器；20、信号池；21、比例信号放大器；22、液压缸；23、活塞杆执行机构；24、钻井液管线；25、节流阀；26、钻井液入口；27、钻井液出口；28、位移传感器；1000、钻井工况下井底压力调节系统。

具体实施方式

下面将参考若干示例性实施方式来描述本申请的原理和精神。应当理解，给出这些实施方式仅仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本申请，而并非以任何方式限制本申请的范围。相反，提供这些实施方式是为了使本申请公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的另一个元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中另一个元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请实施例提供了一种节流阀自动控制装置。图1示出了本申请一实施例中的节流阀自动控制装置的示意图。如图1所示，节流阀自动控制装置100可以包括信号误差计算器101、致动器102、液压缸103和位移传感器104。

信号误差计算器101包括第一输入端、第二输入端和输出端。信号误差计算器101的第一输入端与位移传感器104连接，以接收位移传感器104发送的第一位移信号。

位移传感器104可以设置在节流阀300处，用于测量节流阀300的位移变化并基于位移变化生成第一位移信号。即，位移传感器104可以检测节流阀300的开度变化。

信号误差计算器101的第二输入端与钻井现场的控制系统200连接，以接收控制系统200发送的第二位移信号。第二位移信号可以由控制系统200对收集到的井下异常信号进行转换而得到的。

钻井现场的控制系统可以是钻井现场的PAC(控制与决策系统)。钻井现场的控制系统可以接收井下异常信号采集器采集到的井下异常信号。其中，井下异常信号可以表征井下可能存在溢流、气侵或漏失等井下复杂情况的发生。例如，若井下存在溢流或气侵情况，则流量增大、井底压力减小且井口压力增大；若存在漏失情况，则流量减小，井底压力减小且井口压力减小。井下异常信号可以是压力信号或者流量信号。控制系统可以将异常信号转换成第二位移信号。

信号误差计算器101可以对第一位移信号和第二位移信号进行误差分析，生成误差信号。具体的，信号误差计算器101可以计算第一位移信号和第二位移信号之间的误差，在误差精度未达到预设值时，输出误差信号。

信号误差计算器101的输出端与致动器102连接，以将误差信号发送至致动器。致动器102与液压缸103连接，以响应于误差信号驱动液压缸103中的活塞杆执行结构进行往复运动。其中，在第一位移信号与第二位移信号之间的误差不在预设范围内的情况下，生成误差信号。致动器在接收到该误差信号时，可以驱动液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动。

液压缸103中的活塞杆执行结构与节流阀300连接，使得在活塞杆执行结构在进行往复运动时带动节流阀300往复运动，从而改变节流阀300的开度。

信号误差计算器101在第一位移信号与第二位移信号之间的误差精度达到预设值时，说明井底压力已经满足要求，停止调节节流阀。

上述实施例中，节流阀自动控制装置包括信号误差计算器、致动器、液压缸和位移传感器，位移传感器可以测量节流阀的位移变化并基于位移变化生成第一位移信号，信号误差计算器可以经由第一输入端与位移传感器连接，接收位移传感器发送的第一位移信号，信号误差计算器经由第二输入端与钻井现场的控制系统连接，接收控制系统发送的第二位移信号，第二位移信号是控制系统可以收集到的井下异常信号进行转换得到，信号误差计算器通过对第一位移信号和第二位移信号进行误差计算，生成误差信号，信号误差计算器经由输出端将误差信号发送至致动器，致动器与液压缸连接，可以响应于误差信号驱动液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动，由于活塞杆执行结构与节流阀连接，使得在活塞杆执行结构在进行往复运动时带动节流阀往复运动，从而实现基于井下异常信号对节流阀开度的自动控制，控制精度高且控制效率高，无需人工操作，可以节约人力成本。

在本申请一些实施例中，致动器可以为三位四通电磁换向阀。三位四通电磁换向阀可以包括第一压力出口和第二压力出口。第一压力出口可以与液压缸的无杆腔连接。第二压力出口可以与液压缸的有杆腔连接。三位四通电磁换向阀可以响应于误差信号进行油路切换时液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动。误差信号的变化可以引起三位四通电磁换向阀两端线圈的电流改变，从而实现油路切换，进而使得液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动。在活塞杆执行结构进行往复运动时，可以带动与之连接的节流阀进行往复运动，从而改变节流阀的开度。上述实施例中，通过三位四通电磁换向阀响应于误差信号进行油路切换导致活塞杆执行结构进行往复运动，可以带动节流阀进行往复运动。

在本申请一些实施例中，节流阀自动控制装置还可以包括液压泵。液压泵与三位四通电磁换向阀的压力入口连接，用于为三位四通电磁换向阀的压力入口提供压力。

在本申请一些实施例中，节流阀自动控制装置还可以包括蓄能器和调节阀。蓄能器和调节阀可以连接在液压泵和三位四通电磁换向阀的压力入口之间，用于调节液压泵向压力入口提供的压力。

在本申请一些实施例中，节流阀自动控制装置还可以包括第一比例信号放大器和第二比例信号放大器。相应的，信号误差计算器的第一输入端可以经由第一比例信号放大器与控制系统连接。第一比例信号放大器可以对第一位移信号进行放大，得到第一放大位移信号。信号误差计算器的第二输入端可以经由第二比例信号放大器与位移传感器连接。第二比例信号放大器可以对第二位移信号进行放大，得到第二放大位移信号。信号误差计算器可以对第一放大位移信号和所示第二放大位移信号进行误差分析，生成误差信号。通过上述方式，可以对第一位移信号和第二位移信号进行放大后进行误差分析，可以提高误差分析精度，从而提高节流阀的控制精度。

在本申请一些实施例中，节流阀自动控制装置还可以包括PID算法控制器。相应的，PID算法控制器的输入端可以与信号误差计算器的输出端连接，用于接收误差信号，并对误差信号进行稳定处理，得到稳定处理后的误差信号。PID算法控制器的输出端可以与致动器连接，以将稳定处理后的误差信号发送至致动器。上述实施例中，通过PID算法控制器对误差信号进行稳定处理，可以提高误差信号的稳定性，从而可以提高节流阀自动控制装置的控制精度。

在本申请一些实施例中，节流阀自动控制装置还包括信号饱和函数。相应的，信号饱和函数的输入端可以与信号误差计算器的输出端连接，用于接收误差信号，并对误差信号进行稳定处理，得到稳定处理后的误差信号。信号饱和函数的输出端可以与致动器连接，以将稳定处理后的误差信号发送至致动器。上述实施例中，通过信号饱和函数对误差信号进行稳定处理，可以提高误差信号的稳定性，从而可以提高节流阀自动控制装置的控制精度。

在本申请一些实施例中，节流阀自动控制装置还可以包括第三比例信号放大器。相应的，第三比例信号放大器的输入端可以与信号误差计算器的输出端连接，第三比例信号放大器的输出端可以与致动器连接。第三比例信号放大器可以对误差信号进行放大，得到放大误差信号，并将放大误差信号发送至致动器。上述实施例中，通过对误差信号进行放大，可以更好地驱动致动器，从而提高节流阀的控制精度。

在本申请一些实施例中，节流阀自动控制装置还可以包括液压油油箱和液压油过滤器，液压油油箱可以经由液压油过滤器与液压泵连通，液压油油箱中的液压油可以经由液压油过滤器过滤后为液压泵提供液压油。

在本申请一些实施例中，节流阀自动控制装置还可以包括信号复制器和信号池。相应的，信号复制器与控制系统连接，对控制系统发送的第二位移信号进行复制，复制后的信号的一部分进入信号池，复制后的信号的另一部分发送至信号误差计算器。上述实施例中的装置，通过对第二位移信号进行复制，可以对无用的信号进行收集，避免信号的干扰，从而提升控制的精度。

下面结合一个具体实施例对上述装置进行说明，然而，值得注意的是，该具体实施例仅是为了更好地说明本申请，并不构成对本申请的不当限定。

请参考图2，示出了本具体实施例中的节流阀自动控制装置的工作原理示意图。如图2所示，检查一切正常之后，开启信号源1。其中，信号源1中的信号来自钻井现场的PAC(决策和控制系统)，PAC将收集到的井下异常信号转换成第二位移信号。信号源1发出的第二位移信号被信号复制器2复制后，其中一部分进入信号池20(对无用的信号进行收集，避免信号的干扰，从而提升控制的精度)，而另一部分则通过比例信号放大器3进行放大。放大后的第二位移信号在信号误差计算器4中与反馈信号进行误差分析，得到误差信号。其中，反馈信号为位移传感器19发送的第一位移信号经过比例信号放大器21放大后得到的信号。

信号误差计算器4输出的误差信号经PID控制器5与信号饱和函数6进行稳定性处理，稳定性处理后的信号被传递给比例信号放大器7，以将信号进一步放大处理。然后再将比例信号放大器7放大后的信号传递给三位四通电磁换向阀8。液压油油箱13中的液压油经过滤器12过滤后为液压泵10提供液压油。而三位四通电磁换向阀8的压力入口P与电动机11驱动的液压泵10连接。通过液压泵10可以为三位四通电磁换向阀8的P口提供压力，并且压力可以通过蓄能器9和调压阀15进行调节。另外，电磁换向阀8的A、B压力出口分别与液压缸16的无杆腔与有杆腔连接，从而当电磁换向阀8响应于误差信号进行油路切换时，可以改变液压缸16两腔内的压力差，最终实现液压缸中的活塞执行结构进行往复运动。

由于该活塞执行机构与节流阀的阀芯直接相连，最终就可以实现对节流阀的开度的自动调节，而节流阀的开度或活塞杆执行结构的位移信号会再次反馈给信号误差计算器进行误差分析，从而实现新的循环控制。钻井液压力18是指节流阀附近的液压力，即回压信号(井底压力包括钻井液液柱压力和回压)。当误差精度达到预定值时，说明井底压力已经满足要求，节流阀停止调节，此时钻井液压力18即为该节流阀开度时的所检测的实时回压。上述节流阀自动控制装置可以实现节流阀开度的自动调节及其位移信号实时反馈的闭环控制系统。当对节流阀开度实现自动调节，则可以实现对回压的精确控制，也避免了因为人工操作所带来的误差以及井底压力的波动。

本申请实施例还提供了一种钻井工况下井底压力调节系统。图3示出了本申请一实施例中钻井工况下井底压力调节系统的示意图。如图3所示，本实施例中的井底压力调节系统1000可以包括：节流阀自动控制装置100、钻井现场的控制系统200以及节流阀300。其中，节流阀自动控制装置100可以是上述任意实施例中的节流阀自动控制装置。钻井现场的控制系统200可以是钻井现场的PAC系统。

节流阀自动控制装置可以包括信号误差计算器、致动器、液压缸和位移传感器。位移传感器用于测量节流阀的位移变化并基于位移变化生成第一位移信号。信号误差计算器包括第一输入端、第二输入端和输出端。第一输入端与位移传感器连接，以接收位移传感器发送的第一位移信号。第二输入端与控制系统连接，以接收控制系统发送的第二位移信号。其中，第二位移信号由控制系统对收集到的井下异常信号进行转换而得到的。信号误差计算器用于对第一位移信号和第二位移信号进行误差计算，生成误差信号。致动器与信号误差计算器的输出端连接，以接收误差信号。致动器与液压缸连接，以响应于误差信号驱动液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动。活塞杆执行结构与节流阀连接，使得在活塞杆执行结构在进行往复运动时带动节流阀往复运动，以控制节流阀的开度。

在本申请一些实施例中，节流阀设置在钻井液管线中，节流阀在节流阀自动控制装置的控制下进行往复运动时改变钻井液管线内部从钻井液入口到钻井液出口的过流面积，导致流动压降变化，流动压降的变化通过钻井液传递到井底，实现对井底压力的控制。

上述实施例中的钻井工况下井底压力调节系统，包括节流阀自动控制装置，可以实现节流阀开度的自动调节及其位移信号实时反馈的闭环控制系统，当对节流阀开度实现自动调节，则可以实现对回压以及井底压力的精确控制，也避免了因为人工操作所带来的误差以及井底压力的波动。

请参考图4，示出了本申请一实施例中的液压缸与节流阀的局部安装示意图。如图4所示，液压缸22的活塞杆执行机构23的一端直接与节流阀25连接。其中，节流阀25在图2中用质量块17表示。液压缸16对节流阀25的作用力则施加在质量块17上。同时，节流阀25的位移变化则通过质量块17的位移变化表示，并通过位移传感器19反馈。当活塞杆执行机构23做直线往复运动时，会使得节流阀25做同步运动。而节流阀25的往复运动会改变钻井液管线24内部从钻井液入口26到钻井液出口27的过流面积。因为钻井液从钻井液入口26到钻井液出口27的截面积变化，从而导致流动压降变化，而该压降变化通过钻井液传递到井底，从而实现了对井底压力控制。而节流阀25在运动过程中，其实时位移开度信号会被位移传感器28测量并反馈给信号误差计算器，并与井下反馈的且经过PAC处理后输出的位移信号进行再次比对，从而将信号进一步传递，开始新的循环控制。这样就得到了一个节流阀自动循环控制系统。

从以上的描述中，可以看出，本申请实施例实现了如下技术效果：提出了一种节流阀自动控制装置，该装置包括信号误差计算器、致动器、液压缸和位移传感器，位移传感器可以测量节流阀的位移变化并基于位移变化生成第一位移信号，信号误差计算器可以经由第一输入端与位移传感器连接，接收位移传感器发送的第一位移信号，信号误差计算器经由第二输入端与钻井现场的控制系统连接，接收控制系统发送的第二位移信号，第二位移信号是控制系统可以收集到的井下异常信号进行转换得到，信号误差计算器通过对第一位移信号和第二位移信号进行误差计算，生成误差信号，信号误差计算器经由输出端将误差信号发送至致动器，致动器与液压缸连接，可以响应于误差信号驱动液压缸中的活塞杆执行结构进行往复运动，由于活塞杆执行结构与节流阀连接，使得在活塞杆执行结构在进行往复运动时带动节流阀往复运动，从而实现基于井下异常信号对节流阀开度的自动控制，控制精度高且控制效率高，无需人工操作，可以节约人力成本。

应该理解，以上描述是为了进行图示说明而不是为了进行限制。通过阅读上述描述，在所提供的示例之外的许多实施方式和许多应用对本领域技术人员来说都将是显而易见的。因此，本申请的范围不应该参照上述描述来确定，而是应该参照前述权利要求以及这些权利要求所拥有的等价物的全部范围来确定。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请实施例可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。