阅读说明：本技术 一种防止钻井泵憋泵的预测判断方法及其泵压防护系统 (Prediction judgment method for preventing drilling pump from being held out and pumping pressure protection system thereof ) 是由 赵刚 于春 夏玉龙 孙志刚 张英栋 徐杰 吕捷 于 2020-04-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及石油钻井工程安全控制技术。一种石油钻井工程中防止钻井泵憋泵的预测判断方法,在钻井泵启动时,采用传感器及控制器实时检测立管内的泥浆压力LP以及钻井泵出水口的泥浆压力BP,控制器根据获得的钻井泵出水口的泥浆压力BP实时计算BP的上升速率S1：根据获得的立管内的压力LP实时计算LP的上升速率S2：然后实时计算S1-S2的差值,以此差值的大小判断是否有憋死泵的情况发生。一种石油钻井工程防止钻井泵误操作的泵压防护系统,包括控制器以及执行机构,所述控制器输入端与立管压力传感器、泵压检测传感器输出信号连接,控制器控制输出端连接执行机构,在判断出有憋死泵的可能情况发生时,切断钻井泵的控制气路或电路使其不能启动。(The invention relates to a safety control technology for petroleum drilling engineering. A prediction and judgment method for preventing a drilling pump from being held back in oil drilling engineering is characterized in that when the drilling pump is started, a sensor and a controller are adopted to detect slurry pressure LP in a vertical pipe and slurry pressure BP at a water outlet of the drilling pump in real time, and the controller calculates the rising rate S1 of the BP in real time according to the obtained slurry pressure BP at the water outlet of the drilling pump: calculating the rising speed S2 of the LP in real time according to the obtained pressure LP in the riser: and then calculating the difference value of S1-S2 in real time, and judging whether the pump is dead or not according to the difference value. The pump pressure protection system comprises a controller and an actuating mechanism, wherein the input end of the controller is connected with output signals of a vertical pipe pressure sensor and a pump pressure detection sensor, the control output end of the controller is connected with the actuating mechanism, and when the possible situation that a pump is blocked is judged, a control gas circuit or a circuit of the drilling pump is cut off to enable the drilling pump not to be started.)

一种防止钻井泵憋泵的预测判断方法及其泵压防护系统

技术领域

本发明涉及石油钻井工程安全控制技术，尤其是涉及一种防止钻井泵误操作的监测及预防判断处理方法及泵压防护系统。

背景技术

石油钻井中使用的钻井泵，都配备有一个高压阀和一个低压回水阀。若钻井泵出现故障需维修或低压循环作业时，一般会关闭钻井泵的高压阀。维修或低压循环作业完毕，必须在高压管线无压力的条件下,先打开关闭的高压阀，然后才允许重新启动钻井泵。

但在实际工作中，由于人为的操作失误，发生钻井泵的高压阀和低压回水阀都处于关闭状态，就重新启动钻井泵的错误操作。这种错误操作会使钻井泵泵压在瞬间极速升高，最终导致极端憋泵（俗称憋死泵）事故发生。

申请人之前提出的发明专利《石油钻井工程中防止钻井泵误操作的方法及其泵压防护系统》（专利号：201811049380.2），提出了一种石油钻井工程中防止钻井泵误操作的方法，在钻井泵和立管上各安装一个压力传感器，通过对比立管压力与钻井泵压力的差值，判断是否有钻井泵误操作发生。但这种方法在实际应用中有一定的局限性，当泵压波动和立压波动的范围较大时，使二者的对比差值达到了判断值，系统会误判为憋死泵事故发生。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出一种石油钻井工程中防止钻井泵憋泵的预测判断方法，可以有效防止由于泵压波动和立压波动的范围较大而导致的误判；

同时，基于所述防止钻井泵憋泵的预测判断方法，本发明提出一种可以防止钻井泵误操作的泵压防护系统，以有效防止和避免憋死泵事故发生。

本发明采用的技术方案：

一种石油钻井工程中防止钻井泵憋泵的预测判断方法，在钻井泵启动时，采用传感器及控制器实时检测立管内的泥浆压力LP以及钻井泵出水口的泥浆压力BP，控制器通过执行如下的计算机程序，判断钻井泵是否有憋泵的情况发生：

1）根据获得的钻井泵出水口的泥浆压力BP实时计算BP的上升速率S1：

S1=BPt/BPt-1；式中：BPt表示某一时刻t的钻井泵出水口的泥浆压力；BPt-1表示某一时刻t的前一时刻t-1的钻井泵出水口的泥浆压力；t的单位为ms，取值范围t≤1000ms；

2）根据获得的立管内的压力LP实时计算LP的上升速率S2：S2=LPt/LPt-1；式中：LPt表示某一时刻t的立管内的泥浆压力；LPt-1表示某一时刻t的前一时刻t-1的立管内的泥浆压力；t的单位ms，取值范围t≤1000ms；

3）实时计算S1-S2的差值，以此差值的大小判断是否有憋死泵的情况发生：

（1）如果S1-S2≤n，则判断钻井泵的高压阀处于开启状态，不会有憋死泵的情况发生，钻井泵可以启动；

（2）如果S1-S2＞n,则判断钻井泵的高压阀和低压阀均处于关闭状态，可能有憋死泵的情况发生，钻井泵不能启动；所述n为设定的判断值。

（3）如果钻井泵出水口的泥浆压力BP实时上升速率S1≤N，则判断钻井泵的高压阀处于开启状态，钻井泵可以启动；

（4）如果钻井泵出水口的泥浆压力BP实时上升速率S1＞N,则判断钻井泵的高压阀和低压阀均处于关闭状态，钻井泵不能启动；所述N 为设定的判断值，并且n<N。

一种石油钻井工程防止钻井泵误操作的泵压防护系统，包括控制器以及执行机构，所述控制器输入端与立管压力传感器、泵压检测传感器输出信号连接，控制器控制输出端连接执行机构，所述控制器在钻井泵启动时，根据获得的立管压力传感器、泵压检测传感器信号执行如前所述的防止钻井泵憋泵的预测判断方法计算机程序，判断钻井泵是否有憋泵的情况发生（高压阀处于关闭状态），并在判断出有憋死泵的可能情况发生时，切断钻井泵的控制气路或电路使其不能启动，以防止误操作钻井泵而导致憋泵的发生。

所述的石油钻井工程防止钻井泵误操作的泵压防护系统，在检测到高压阀处于关闭状态，钻井泵有憋死泵的情况发生时，及时发出预警；在检测到高压阀处于关闭状态，且高压管线无压力的条件下,先打开关闭的高压阀，然后启动钻井泵。

发明有益效果：

1、本发明防止钻井泵憋泵的预测判断方法，利用泥浆液体在管线内传递压力的特点，通过采用压力传感器计算对比泥浆液体上下游压力的速率变化差值，可以准确判断高压阀是否关闭，以确保泥浆泵启动时不会误操作，不会有憋泵的情况发生，确保石油钻井生产安全。

2、本发明防止钻井泵憋泵的预测判断方法，通过采用压力传感器计算对比泥浆液体上下游压力速率的变化，相比采用压力传感器计算对比泥浆液体上下游压力绝对值的变化，前者可以有效防止由于上下游压力波动的范围较大而导致的误判。

3、本发明防止钻井泵憋泵的预测判断方法，在下游的压力传感器损坏时，通过采用压力传感器计算泥浆液体上游压力的速率变化，也可以判断高压阀是否关闭。进一步确保不会有憋死泵的情况发生。

4、本发明防止钻井泵误操作的泵压防护系统，设计合理，容易实现，方便推广，既实现了泵压安全防护，又可以有效防止钻井泵误操作事故的发生。利用泥浆液体在管线内传递压力的特点，通过采用压力传感器计算对比泥浆液体上下游压力的速率变化差值，来判断高压阀是否关闭，可以防止钻井泵误操作事故的发生。

5、本发明防止钻井泵误操作的泵压防护系统，通过采用新的钻井泵是否憋泵的预测判断方法，可以有效监测是否有憋泵情况发生，可靠性高；实施无需改变现有泵压防护系统硬件，不增加设备成本，容易实现，保障了石油钻井安全生产，具有较好的社会和经济效益。

附图说明

图1是本发明防止钻井泵憋泵的泵压防护系统结构示意图（机械钻井泵）；

图2是本发明防止钻井泵憋泵的泵压防护系统结构示意图（电动钻井泵）。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，结合附图对本发明技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

本发明石油钻井工程中防止钻井泵憋泵的预测判断方法，在钻井泵启动时，采用传感器及控制器实时检测立管内的泥浆压力LP以及钻井泵出水口的泥浆压力BP，通过控制器执行如下的计算机程序，判断钻井泵是否有憋泵的情况发生：

1）根据获得的钻井泵出水口的泥浆压力BP实时计算BP的上升速率S1：

S1=BPt/BPt-1

式中：BPt表示某一时刻t的钻井泵出水口的泥浆压力；BPt-1表示某一时刻t的前一时刻t-1的钻井泵出水口的泥浆压力；t的单位为ms，取值范围t≤1000ms；

2）根据获得的立管内的压力LP实时计算LP的上升速率S2：

S2=LPt/LPt-1

式中：LPt表示某一时刻t的立管内的泥浆压力；LPt-1表示某一时刻t的前一时刻t-1的立管内的泥浆压力；t的单位ms，取值范围t≤1000ms；

3）实时计算S1-S2的差值，以此差值的大小判断是否有憋死泵的情况发生：

（1）如果S1-S2≤n，则判断钻井泵的高压阀处于开启状态，不会有憋死泵的情况发生，钻井泵可以启动；

（2）如果S1-S2＞n,则判断钻井泵的高压阀和低压阀均处于关闭状态，可能有憋死泵的情况发生，钻井泵不能启动；所述n为设定的判断值。

实施例2

本实施例石油钻井工程中防止钻井泵憋泵的预测判断方法，实现过程如下：

1、在立管上安装压力传感器，检测立管内的泥浆压力LP（单位：MPa），在钻井泵出水口的管线上安装压力传感器，检测钻井泵出水口的泥浆压力BP（单位：MPa）。

2、钻井泵启动时，钻井泵出水口的泥浆压力BP与立管内的泥浆压力LP同时升高，控制器根据获得的钻井泵出水口的泥浆压力BP与立管内的泥浆压力LP,实时计算BP的上升速率S1（S1=BPt/BPt-1；式中：BPt表示某一时刻t的钻井泵出水口的泥浆压力；BPt-1表示某一时刻t的前一时刻t-1的钻井泵出口的泥浆压力；t的单位ms；取值范围t≤1000ms）；实时计算LP的上升速率S2（S2=LPt/LPt-1；式中：LPt表示某一时刻t的立管的泥浆压力；LPt-1表示某一时刻t的前一时刻t-1的立管的泥浆压力；t的单位ms；取值范围t≤1000ms）。并实时计算S1-S2的差值，以此差值的大小判断是否有憋死泵状况发生：

（1）如果S1-S2≤n（n为设定的判断值），则判断钻井泵的高压阀处于开启状态，钻井泵可以启动；

（2）如果S1-S2＞n,则判断钻井泵的高压阀和低压阀均处于关闭状态，控制器切断钻井泵的控制气路或电路使其不能启动；

（3）如果S1≤N（N为设定的判断值），则判断钻井泵的高压阀处于开启状态，钻井泵可以启动；

（4）如果S1＞N,则判断钻井泵的高压阀和低压阀均处于关闭状态，控制器切断钻井泵的控制气路或电路使其不能启动；

判断值N与n均为正的整数或小数，且n<N。

所述的石油钻井工程防止钻井泵误操作的监测判断方法，在检测到高压阀处于关闭状态，钻井泵有憋泵的情况发生时，及时发出预警。

实施例3

本实施例的石油钻井工程中防止钻井泵憋泵的预测判断方法，和实施例1的不同之处在于：进一步的，所述步骤3）中，如果钻井泵出水口的泥浆压力BP实时上升速率S1≤N，则判断钻井泵的高压阀处于开启状态，钻井泵可以启动；所述N 为设定的判断值，并且n<N。

实施例4

本实施例的石油钻井工程中防止钻井泵憋泵的预测判断方法，和实施例1或实施例3的不同之处在于：所述步骤3）中，如果钻井泵出水口的泥浆压力BP实时上升速率S1＞N,则判断钻井泵的高压阀和低压阀均处于关闭状态，钻井泵不能启动；所述N 为设定的判断值，并且n<N。

实施例5

参见图1、图2，分别为本发明泵压防护系统的机械钻井泵和电动钻井泵结构示意图。

本发明石油钻井工程防止钻井泵误操作的泵压防护系统，包括控制器以及执行机构，所述控制器输入端与立管压力传感器、泵压检测传感器输出信号连接，控制器控制输出端连接执行机构，所述控制器在钻井泵启动时，根据获得的立管压力传感器、泵压检测传感器信号执行如权利要求1所述的防止钻井泵憋泵的预测判断方法计算机程序，判断钻井泵是否有憋泵的情况发生（高压阀处于关闭状态），并在判断出有憋死泵的可能情况发生时，切断钻井泵的控制气路或电路使其不能启动，以防止误操作钻井泵而导致憋泵的发生。

实施例6

本实施例的石油钻井工程防止钻井泵误操作的泵压防护系统，与实施例5不同的是：进一步的，在检测到高压阀处于关闭状态，钻井泵有憋死泵的情况发生时，及时发出预警；只有在检测到高压阀处于关闭状态，且高压管线无压力的条件下,先打开关闭的高压阀，然后才可以启动钻井泵。

本发明石油钻井工程防止钻井泵误操作的泵压防护系统，包括立管压力传感器、控制器以及执行机构，对应作为常用钻井泵，分别设置泵压检测传感器，所述立管压力传感器、泵压检测传感器输出信号通过AD模数转换器分别接入控制器，与控制器连接设有两路控制机构输出，控制连接钻井泵的启停控制电路，所述控制器根据权利要求1所述的监测判断方法，识别钻井泵误操作的情况发生，并通过相应的控制机构控制钻井泵的启停，以防止误操作钻井泵而导致憋泵的发生。控制器可采用工控机，或采用工控机与可编程控制器结合，立管压力传感器输出信号通过AD模数转换器接入工控机主板或可编程控制器，由工控机开关量输出板或可编程控制器输出控制开关信号。与工控机开关量输出板或可编程控制器输出控制端连接有音响报警电路，可实现危险情况下的预警。

参见图1，对于机械式钻井泵，执行机构采用气动控制系统，控制器输出控制信号连接钻井泵的控制电磁阀，通过所述电磁阀连接钻井泵的离合控制器；参见图2，对于电动式钻井泵，执行机构采用电动控制系统，控制器输出控制信号连接钻井泵的启停控制电路。图中，标号1为立管压力传感器，2为高压阀，3为泵压检测传感器，4为低压回水阀。

钻井泵的压力传感器实时采集泥浆泵出口管线内的泥浆压力信号并传输给AD模块；立管压力传感器实时采集立管内的泥浆压力信号并传输给AD模块；控制泥浆泵启停及运行速度的“速度给定手轮”实时采集司钻旋转手轮产生的电压信号并传输给AD模块；AD模块把采集到的模拟信号转换为数字信号传输给可编程控制器PLC,PLC与工控机通讯，工控机根据设定的程序判断是否出现误操作，如果未出现误操作，工控机发出控制指令给PLC，通过PLC接通泥浆泵的动力传输系统使其正常运行；如果出现了误操作，工控机则发出控制指令给PLC，切断泥浆泵的动力传输系统使泥浆泵停止运行。由此实现紧急情况下的安全防护。

以上各实施例仅用于说明本发明，不应当构成对本发明专利要求保护范围的限定。本领域技术人员在结合现有技术的情况下，无需进行创造性劳动即可对本发明的实施情况进行其他修改或者采用本领域惯用技术手段进行置换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。