控压固井井筒压力控制系统和方法及应用、控压固井系统与流程

1.本发明涉及控压固井技术领域，特别涉及一种控压固井井筒压力控制系统和方法及应用、控压固井系统。


背景技术：

2.近年来，伴随着勘探开发的不断深入，油气藏地质条件越来越复杂，窄安全密度窗口等难题导致固井过程中漏失、井涌等事故复杂频发，对井筒完整性安全造成严重影响。传统的油气井固井工程一直遵循“居中、替净、压稳、封严”的原则，作业过程中使用的水泥浆密度通常高于地层压力系数，过高的当量循环密度容易使井下压力接近或超过地层破裂压力极限，导致漏失等事故复杂。控压固井技术在控压钻井技术基础上发展而来，通过实时调节井口回压，能够使井底压力在安全密度窗口范围内保持恒定，可有效解决窄安全密度窗口条件下的压稳防漏矛盾，显著提高固井质量，目前已成为解决此类复杂地层固井难题的关键技术。


技术实现要素：

3.本技术发明人发现，控压固井技术虽然能够通过调节井口回压实现控制井底压力，但控压固井施工地区地质条件复杂，施工风险高，井口回压难以准确把控，因此需要在现场控压固井过程中实时获取固井参数信息，准确调控井口回压，保证固井过程中井筒压力维持在安全的压力窗口内。同时需要在作业前提前设计浆体结构和施工流程等关键操作环节，提前确定井口回压值的合理施加范围，才能更好的调节井口回压达到有效控制井底压力的目的。而现有技术中并没有能够在控压固井过程中实时监控、自动调节的实现方案。
4.鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种控压固井井筒压力控制系统和方法及应用、控压固井系统。
5.本发明实施例提供一种控压固井井筒压力控制系统，包括：固井设计模块和自动控制模块；
6.固井设计模块，用于获取固井工程模拟计算的基础参数，包括固井流体数据、井参数和泵参数；针对不同的待模拟的控压固井阶段，基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况；
7.自动控制模块，用于基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力。
8.在一些可选的实施例中，所述固井设计模块，具体用于获取通过参数设置界面输入的固井流体数据、井参数和泵参数；所述固井流体数据包括物理形式会随固井进程发生缓慢变化的流体物质的数据；和/或
9.所述自动控制模块，具体用于与井场测量仪器建立通信连接，接收测量仪器测得的井场的实时监测数据；所述井场测量仪器包括录井仪、pwd和第三方测量工具中的至少一个；
10.所述实时监测数据包括出口流量、入口流量、井筒中的实时压力。
11.在一些可选的实施例中，基于待模拟的控压固井阶段为控压起钻的重浆注入阶段：
12.所述固井设计模块，具体用于调用控压起钻的重浆注入模拟设计模型；将控压起钻模式、重浆的物性参数和所述基础参数输入控压起钻的重浆注入模拟设计模型中，确定重浆注入过程中井筒环空的压力动态分布；
13.相应的，所述自动控制模块，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，所述井筒压力阈值范围位于所述地层压力窗口内；
14.基于待模拟的控压固井阶段为通井循环阶段：
15.所述固井设计模块，具体用于调用控压固井通井循环模拟设计模型；将通井钻具组合数据和所述基础参数据输入通井循环模拟设计模型中，确定通井循环过程中井筒环空的压力动态分布；
16.相应的，所述自动控制模块，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，所述井筒压力阈值范围位于所述地层压力窗口内；
17.基于待模拟的控压固井阶段为控压固井下套管阶段：
18.所述固井设计模块，具体用于调用控压固井下套管模拟设计模型；将下套管速度、全井降密度方案和所述基础参数输入控压固井下套管模拟设计模型中，确定控压固井下套管过程中井筒环空的压力动态分布；
19.相应的，所述自动控制模块，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，所述井筒压力阈值范围位于所述地层压力窗口内；
20.基于待模拟的控压固井阶段为控压固井注替阶段：
21.所述固井设计模块，具体用于调用控压固井注替模拟设计模型；将固井浆体物性参数、固井方式和基础参数输入控压固井注替模拟设计模型中，确定控压固井注替过程中固井浆体位置和井筒环空的压力动态分布；
22.相应的，所述自动控制模块，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，以及实时监测到的井筒压力数据、出入口流量差数据与固井浆体位置、确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，所述井筒压力阈值范围位于所述地层压力窗口内；
23.基于待模拟的控压固井阶段为控压固井候凝阶段：
24.所述固井设计模块，具体用于调用控压固井侯凝模拟设计模型；将固井浆柱结构、液面高度和所述基础参数输入控压固井侯凝模拟设计模型中，确定胶凝失重状态下水泥压力和井筒环空的压力动态分布；
25.相应的，所述自动控制模块，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、水泥压力、测定的地层压力窗口、预先选择的井筒压力控制模式、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据，确定候凝过程的环空憋压值和对应的井口回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力与确定的环空憋压值一致。
26.在一些可选的实施例中，待模拟的控压固井阶段为控压固井下套管阶段时，所述固井设计模块，还用于：使用控压固井下套管模拟设计模型确定井口压力随时间变化情况、出口流量随时间变化情况、关注点处的流速和流态随时间变化情况中的至少一项；和/或
27.待模拟的控压固井阶段为控压固井注替阶段时，所述固井设计模块还用于：使用控压固井注替模拟设计模型确定固井注替过程井口压力与排量变化、固井注替过程井底压力变化、固井注替程关注点深度流态变化、固井注替过程各分段流体位置变化、注水泥过程某一时刻环空流体位置中的至少一项。
28.在一些可选的实施例中，所述固井设计模块，还用于：
29.设定好的固井施工计划后，开始固井施工前，基于固井工程模拟计算的基础参数，调用控压固井过程防漏压稳分析模型，对设定好的固井施工计划进行动态模拟，模拟出控压固井各阶段的地面动态参数和井下动态参数。
30.在一些可选的实施例中，所述自动控制模块，还用于：
31.提供井筒压力控制模式选择界面，根据井筒压力控制模式选择指令启动选择的井筒压力控制模式；所述井筒压力控制模式选择指令中包括根据控压固井阶段和固井工作状态选择的井筒压力控制模式信息；所述井筒压力控制模式包括井底压力模式、井口压力模式和手动控制模式中的一个；其中：
32.手动控制模式是基于输入的控制操作指令调整控制井底压力的方式；
33.井底压力模式是通井循环阶段和注替阶段，通过调节节流撬节流阀，以调节井口压力，保持井底压力稳定的压力控制模式；
34.井口压力模式是起下钻和下套管阶段，通过调节回压撬节流阀，利用回压补偿系统补偿部分环空压力损失，保持井底压力稳定的压力控制模式。
35.在一些可选的实施例中，所述自动控制模块，还用于：
36.提供井筒压力应急管理模式选择界面，根据管理模式选择指令，启动相应的井筒压力应急管理模式，所述应急管理模式包括主/备阀切换模式、专家模式、停车模式中的至少一个；其中：
37.主/备阀切换需要进行主备阀切换的模式，该模式下关闭主节流阀，启动备用节流阀；
38.专家模式是部分指定的特殊参数不允许被更改的模式；
39.停车模式是紧急情况下，关闭气动平板阀将回压值降为0的模式。
40.在一些可选的实施例中，所述自动控制模块还用于：
41.若根据井场的实时测量数据确定发生了井漏，则根据井漏量大小确定井漏预警等级并进行预警，以及启动微流量漏失模式，调整井口回压参数直至井漏停止；和/或
42.若根据井场的实时测量数据确定发生了溢流，则根据溢流量大小确定溢流预警等级并进行预警，以及启动微流量溢流模式，调整井口回压参数直至溢流停止。
43.在一些可选的实施例中，所述自动控制模块，还用于通过人机交互界面展示不同
压力控制模式下，不同控压固井阶段的基础参数、出入口流量、井筒压力动态分布情况和其他实时监测数据；以及所述固井设计模块，还用于通过人机交互界面展示不同控压固井阶段的井筒压力的模拟计算结果；
44.所述人机交互界面包括系统主界面、参数监控界面、参数设置界面和工况模拟展示界面。
45.在一些可选的实施例中，所述系统主界面包括节流撬和回压撬状态显示区域、参数实时监测区域、动态曲线显示区域、操作模式切换区域、操作模式显示区域、异常报警区域。
46.在一些可选的实施例中，所述节流撬和回压撬状态显示区域用于展示整个控压固井装备管路运行情况的直观二维图形，各节流阀和压力管线工作状态通过不同颜色的显示；
47.所述参数实时监测区域包括井口压力控制参数栏、实际测量压力栏、流量监测栏、深度监测栏；
48.所述动态曲线显示区域用于将检测参数通过动态曲线的形式进行展示；
49.所述操作模式切换区域，用于提供井筒压力控制模式和井筒压力应急管理模式，以供用户选择切换；
50.所述操作模式显示区域用于标识当前工况的操作模式和工作状态；
51.所述异常报警区域包括异常报警参数监测及提示框。
52.在一些可选的实施例中，所述参数监控界面包括：实时参数监控曲线栏、实时参数展示区域、实时参数的统计参数展示区域、井筒压力控制模式展示区域、井底ecd展示栏、固井设计模块模拟得到的井口压力控制值展示栏、采集到的井口回压实际值展示栏。
53.在一些可选的实施例中，所述参数设置界面包括：固井流体数据设置栏、井参数和泵参数设置栏；包括参数单位的设置和参数值的设置。
54.在一些可选的实施例中，所述工况模拟展示界面，包括：控压起钻的重浆注入阶段、通井循环阶段、控压固井下套管阶段、控压固井注替阶段、控压固井候凝阶段、控压固井过程防漏压稳分析阶段的展示界面，用于展示不同阶段的模拟计算结果。
55.本发明实施例还提供一种控压固井系统，包括：井场主控机、井场测量仪器和上述的控压固井井筒压力控制系统；
56.控压固井井筒压力控制系统，与井场测量仪器和/或井场主控机通信连接，用于从井场测量工具和/或井场主控机获取井场的实时监测数据。
57.本发明实施例还提供一种控压固井井筒压力控制方法，包括：
58.获取固井工程模拟计算的基础参数，包括固井流体数据、井参数和泵参数；
59.针对不同的待模拟的控压固井阶段，基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况；
60.基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力。
61.在一些可选的实施例中，所述获取固井工程模拟计算的基础参数，包括：
62.获取通过参数设置界面输入的固井流体数据、井参数和泵参数；所述固井流体数据包括物理形式会随固井进程发生缓慢变化的流体物质的数据。
63.在一些可选的实施例中，所述固井流体参数包括流体名称、流体类型、流体物性参数中的至少一项；
64.所述井参数和泵参数包括井信息输入、井轨迹设置、井身结构、管柱设置、地层参数设置、钻具组合、泵基础参数设置中的至少一项。
65.在一些可选的实施例中，还包括：获取井场的实时监测数据，包括：
66.与井场测量仪器建立通信连接，接收测量仪器测得的井场的实时监测数据；所述井场测量仪器包括录井仪、pwd和第三方测量工具中的至少一个；
67.所述实时监测数据包括出口流量、入口流量、井筒中的实时压力。
68.在一些可选的实施例中，所述控压固井阶段包括下列至少一个：控压起钻的重浆注入阶段、通井循环阶段、控压固井下套管阶段、控压固井注替阶段、控压固井候凝阶段、控压固井过程防漏压稳分析阶段。
69.在一些可选的实施例中，所述待模拟的控压固井阶段为控压起钻的重浆注入阶段：
70.所述基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况，包括：将控压起钻模式、重浆的物性参数和所述基础参数输入控压起钻的重浆注入模拟设计模型中，确定重浆注入过程中井筒环空的压力动态分布；
71.相应的，所述基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力，包括：基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，所述井筒压力阈值范围位于所述地层压力窗口内；
72.述待模拟的控压固井阶段为通井循环阶段：
73.所述基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况，包括：将通井钻具组合数据和所述基础参数据输入通井循环模拟设计模型中，确定通井循环过程中井筒环空的压力动态分布；
74.相应的，所述基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力，包括：基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，所述井筒压力阈值范围位于所述地层压力窗口内；
75.所述待模拟的控压固井阶段为控压固井下套管阶段：
76.所述基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况，包括：将下套管速度、全井降密度方案和所述基础参数输入控压固井下套管模拟设计模型中，确定控压固井下套管过程中井筒环空的压力动态分布；
77.相应的，所述基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力，包括：基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层
压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，所述井筒压力阈值范围位于所述地层压力窗口内；
78.所述待模拟的控压固井阶段为控压固井注替阶段：
79.所述基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况，包括：将固井浆体物性参数、固井方式和基础参数输入控压固井注替模拟设计模型中，确定控压固井注替过程中固井浆体位置和井筒环空的压力动态分布；
80.相应的，所述基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力，包括：基于井筒中的压力动态分布情况、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，以及实时监测到的井筒压力数据、出入口流量差数据与固井浆体位置、确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，所述井筒压力阈值范围位于所述地层压力窗口内；
81.所述待模拟的控压固井阶段为控压固井候凝阶段：
82.所述基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况，包括：将固井浆柱结构、液面高度和所述基础参数输入控压固井侯凝模拟设计模型中，确定胶凝失重状态下水泥压力和井筒环空的压力动态分布；
83.相应的，所述基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力，包括：基于井筒中的压力动态分布情况、水泥压力、测定的地层压力窗口、预先选择的井筒压力控制模式、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据，确定候凝过程的环空憋压值和对应的井口回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力与确定的环空憋压值一致。
84.在一些可选的实施例中，所述待模拟的控压固井阶段为控压固井下套管阶段时，还包括：使用控压固井下套管模拟设计模型确定井口压力随时间变化情况、出口流量随时间变化情况、关注点处的流速和流态随时间变化情况中的至少一项；和/或
85.所述待模拟的控压固井阶段为控压固井注替阶段时，还包括：使用控压固井注替模拟设计模型确定固井注替过程井口压力与排量变化、固井注替过程井底压力变化、固井注替程关注点深度流态变化、固井注替过程各分段流体位置变化、注水泥过程某一时刻环空流体位置中的至少一项；其中，所述固井方式包括：套管注水泥、尾管注水泥、内管注水泥、回接注水泥和筛管顶注水泥中的一个。
86.在一些可选的实施例中，设定好的固井施工计划后，开始固井施工前，还包括：基于固井工程模拟计算的基础参数，调用控压固井过程防漏压稳分析模型，对设定好的固井施工计划进行动态模拟，模拟出控压固井各阶段的地面动态参数和井下动态参数。
87.在一些可选的实施例中，所述地面动态参数包括固井过程返出排量变化和固井过程井口压力变化；
88.所述井下动态参数包括固井过程各段流体位置变化、固井过程顶替液面返速、固井过程顶替液面高度和固井过程井底动压力变化。
89.在一些可选的实施例中，还包括：
90.提供井筒压力控制模式选择界面，根据井筒压力控制模式选择指令，启动选择的井筒压力控制模式；所述井筒压力控制模式选择指令中包括根据控压固井阶段和固井工作状态选择的井筒压力控制模式信息；所述井筒压力控制模式包括井底压力模式、井口压力模式和手动控制模式中的一个；其中：
91.手动控制模式是基于输入的控制操作指令调整控制井底压力的方式；
92.井底压力模式是井底压力模式是通井循环阶段和注替阶段，通过调节节流撬节流阀，以调节井口压力，保持井底压力稳定的压力控制模式；
93.井口压力模式是起下钻和下套管阶段，通过调节回压撬节流阀，利用回压补偿系统补偿部分环空压力损失，保持井底压力稳定的压力控制模式。
94.在一些可选的实施例中，井口压力模式包括井口回压操作模式、立管压力操作模式、微流量操作模式；井底压力模式包括环空目标压力。
95.在一些可选的实施例中，还包括：
96.提供井筒压力应急管理模式选择界面，根据管理模式选择指令，启动相应的井筒压力应急管理模式，所述应急管理模式包括主/备阀切换模式、专家模式、停车模式中的至少一个；其中：
97.主/备阀切换需要进行主备阀切换的模式，该模式下关闭主节流阀，启动备用节流阀；
98.专家模式是部分指定的特殊参数不允许被更改的模式；
99.停车模式是紧急情况下，关闭气动平板阀将回压值降为0的模式。
100.在一些可选的实施例中，还包括：
101.若根据井场的实时测量数据确定发生了井漏，则根据井漏量大小确定井漏预警等级并进行预警，以及启动微流量漏失模式，调整井口回压参数直至井漏停止；和/或
102.若根据井场的实时测量数据确定发生了溢流，则根据溢流量大小确定溢流预警等级并进行预警，以及启动微流量溢流模式，调整井口回压参数直至溢流停止。
103.在一些可选的实施例中，还包括：
104.通过人机交互界面展示不同压力控制模式下，不同控压固井阶段的基础参数、出入口流量、井筒压力动态分布情况和其他实时监控数据，以及不同控压固井阶段的井筒压力的模拟计算结果；
105.所述所述人机交互界面包括系统主界面、参数监控界面、参数设置界面和工况模拟展示界面。
106.在一些可选的实施例中，所述系统主界面包括节流撬和回压撬状态显示区域、参数实时监测区域、动态曲线显示区域、操作模式切换区域、操作模式显示区域、异常报警区域；其中：
107.所述节流撬和回压撬状态显示区域用于展示整个控压固井装备管路运行情况的直观二维图形，各节流阀和压力管线工作状态通过不同颜色的显示；
108.所述参数实时监测区域包括井口压力控制参数栏、实际测量压力栏、流量监测栏、深度监测栏；
109.所述动态曲线显示区域用于将检测参数通过动态曲线的形式进行展示；
110.所述操作模式切换区域，用于提供井筒压力控制模式和井筒压力应急管理模式，
以供用户选择切换；
111.所述操作模式显示区域用于标识当前工况的操作模式和工作状态；
112.所述异常报警区域包括异常报警参数监测及提示框。
113.在一些可选的实施例中，所述参数监控界面包括：实时参数监控曲线栏、实时参数展示区域、实时参数的统计参数展示区域、井筒压力控制模式展示区域、井底ecd展示栏、固井设计模块模拟得到的井口压力控制值展示栏、采集到的井口回压实际值展示栏。
114.在一些可选的实施例中，所述参数设置界面包括：固井流体数据设置栏、井参数和泵参数设置栏；包括参数单位的设置和参数值的设置。
115.在一些可选的实施例中，所述工况模拟展示界面，包括：控压起钻的重浆注入阶段、通井循环阶段、控压固井下套管阶段、控压固井注替阶段、控压固井候凝阶段、控压固井过程防漏压稳分析阶段的展示界面，用于展示不同阶段的模拟计算结果。
116.本发明实施例还提供一种上述的控压固井井筒压力控制系统在控压固井中的应用。
117.本发明实施例还提供一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时实现上述的控压固井井筒压力控制方法。
118.本发明实施例还提供一种控制设备，其特征在于，包括：存储器、处理器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的控压固井井筒压力控制方法。
119.本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：
120.本发明实施例提供的控压固井井筒压力控制方法和系统，针对不同的待模拟的控压固井阶段，基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况；并基于井筒压力动态分布情况和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力，实现了实时获取固井相关的实时监测数据及井口压力的自动调节，对控压固井全过程均可以模拟计算，并结合实时监测数据进行井筒压力的动态调节，准确调控井口回压，保证井筒压力稳定，集监测、控制、模拟于一体，使控压固井过程更科学化、智能化，形成了控压固井施工的一体化施工体系。该系统可以同控压固井硬件装备、控压固井操作规范等共同构成一整套完整的控压固井施工体系，支撑、完善控压固井工艺，保证控压固井安全高效作业。
121.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
122.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
123.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
124.图1为本发明实施例中控压固井井筒压力控制系统的结构示意图；
125.图2为本发明实施例中控压固井井筒压力实现原理示意图；
126.图3为本发明实施例中控压固井系统的结构示意图；
127.图4为本发明实施例一中控压固井井筒压力控制方法的流程图；
128.图5为本发明实施例二中实时参数监控界面的示例图；
129.图6为本发明实施例二中水力参数模拟计算界面的示例图。
具体实施方式
130.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
131.为了解决现有技术中存在的问题，提高复杂条件下固井质量和作业效率，本发明实施例提供一种控压固井井筒压力控制系统和方法，结合自动控制技术和计算机仿真模拟技术，利用计算机编程编写上位机程序，达到控压固井现场数据可实时监控、节流阀开度可自动调节、控压固井全过程可模拟计算的目的。本发明实施例提供的是一套兼顾控制、监测、模拟计算功能的控压固井井筒压力控制系统，对于提高控压固井施工作业的科学性和安全性有着极为重要的意义和推广价值。
132.本发明实施例提供一种控压固井井筒压力控制系统，其结构如图1所示，包括：固井设计模块11和自动控制模块12；
133.固井设计模块11，用于获取固井工程模拟计算的基础参数，包括固井流体数据、井参数和泵参数；针对不同的待模拟的控压固井阶段，基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况；
134.自动控制模块12，用于基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力。
135.可选的，上述自动控制模块12，还用于提供井筒压力控制模式选择界面，根据井筒压力控制模式选择井筒压力控制模式选择指令，启动选择的井筒压力控制模式。
136.可选的，上述自动控制模块12，还用于提供井筒压力应急管理模式选择界面，根据管理模式选择指令，启动相应的井筒压力应急管理模式。
137.上述系统，针对不同的待模拟的控压固井阶段，基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况；并基于井筒压力动态分布情况和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力，实现了实时获取固井相关的实时监测数据及井口压力的自动调节，对控压固井全过程均可以模拟计算，并结合实时监测数据进行井筒压力的动态调节，准确调控井口回压，保证井筒压力稳定，集监测、控制、模拟于一体，使控压固井过程更科学化、智能化，形成了控压固井施工的一体化施工体系。
138.上述控压固井井筒压力控制系统，也成控压固井井筒压力控制系统与设计系统的的架构原理如图2所示，其中，压固井井筒压力控制系统能够实通过自动控制模块和自动控制模块实现参数获取和控压固井各阶段的模拟计算，还能够实现井筒压力控制模式、井筒压力应急管理模式等功能。下面结合图1和图2具体描述系统中各部分的功能。
139.上述系统中固井设计模块11，具体用获取通过参数设置界面输入的固井流体数
据、井参数和泵参数；固井流体数据包括物理形式会随固井进程发生缓慢变化的流体物质的数据。其中，固井流体参数包括流体名称、流体类型、流体物性参数中的至少一项；井泵参数包括井信息输入、井轨迹设置、井身结构、管柱设置、地层参数设置、钻具组合、泵基础参数设置中的至少一项。
140.上述系统中与井场测量仪器建立通信连接后，自动控制模块12，具体用于与井场测量仪器建立通信连接，接收测量仪器测得的井场的实时监测数据；井场测量仪器包括录井仪、pwd和第三方测量工具中的至少一个；实时监测数据包括出口流量、入口流量、井筒中的实时压力。
141.固井设计模块11和自动控制模块12都具有参数设置功能，可以向用户提供参数设置界面获取用户输入的各种参数，自动控制模块12还可以提供实时监控数据获取功能，通过参数监控界面进行展示。
142.上述系统的固井设计模块11可以实现不同控压固井阶段的工况模拟计算和井口回压控制，以便控制井筒压力。控压固井阶段包括下列至少一个：控压起钻的重浆注入阶段、通井循环阶段、控压固井下套管阶段、控压固井注替阶段、控压固井候凝阶段、控压固井过程防漏压稳分析阶段。针对不同的控压固井阶段，固井设计模块11可以调用不同的控压固井阶段的模拟设计模型来进行工况模拟计算和井口回压控制。
143.在控压起钻的重浆注入阶段，固井设计模块11具体用于基于待模拟的控压固井阶段为控压起钻的重浆注入阶段，调用控压起钻的重浆注入模拟设计模型；将控压起钻模式、重浆的物性参数和基础参数输入控压起钻的重浆注入模拟设计模型中，确定重浆注入过程中井筒环空的压力动态分布；
144.相应的，自动控制模块12，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，井筒压力阈值范围位于地层压力窗口内。
145.例如：控压起钻包括短程控压起钻模式、长程控压起钻模式和注入牺牲泥浆等三种控压起钻模式，重浆注入模拟设计模型中也包括这三种模式的模拟，根据输入参数中的控压起钻模式信息，利用相应的模拟计算模型进行模拟，确定井筒环空的压力分布状态。若井筒压力在地层压力压力窗口范围内，符合井筒压力范围要求，则不需要调整，否则确定回压调整量，通过调整节流撬、回压撬中至少一个的节流阀，调整井筒出入口的流量，实现调整井口回压值，使井筒压力维持稳定。实现了实时动态的自动调整控制。
146.在进行井口回压调整时，基于井筒压力控制模式确定如何调整，比如直接调整井筒的压力值，还是调节井口的压力值、流量等。
147.在控压固井通井循环阶段，固井设计模块11具体用于基于待模拟的控压固井阶段为通井循环阶段，调用控压固井通井循环模拟设计模型；将通井钻具组合数据和基础参数据输入通井循环模拟设计模型中，确定通井循环过程中井筒环空的压力动态分布；
148.相应的，自动控制模块12，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，井筒压力阈值范围位于地层压力窗口内。
149.通井循环阶段的井筒压力控制还需要考虑通井钻具组合的相关数据，该阶段的模拟设计模型在进行模拟计算时，会考虑循环状态下的井筒水力学计算，通井循环设计的底层计算程序逻辑中结合了传热学与水力学理论，并考虑井筒流体传热的温压耦合关系等。
150.在控压固井下套管阶段，固井设计模块11具体用于基于待模拟的控压固井阶段为控压固井下套管阶段，调用控压固井下套管模拟设计模型；将下套管速度、全井降密度方案和基础参数输入控压固井下套管模拟设计模型中，确定控压固井下套管过程中井筒环空的压力动态分布；
151.相应的，自动控制模块12，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口压力回压调整量；
152.调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，井筒压力阈值范围位于地层压力窗口内。
153.在该阶段需要考虑下套管速度和全井降密度方案，全井降密度可以是预先制定好的井筒中的重浆替换方案。
154.固井设计模块11还用于使用控压固井下套管模拟设计模型确定井口压力随时间变化情况、出口流量随时间变化情况、关注点处的流速和流态随时间变化情况中的至少一项。
155.在控压固井注替阶段，固井设计模块12具体用于基于待模拟的控压固井阶段为控压固井注替阶段，调用控压固井注替模拟设计模型；将固井浆体物性参数、固井方式和基础参数输入控压固井注替模拟设计模型中，确定控压固井注替过程中固井浆体位置和井筒环空的压力动态分布；
156.相应的，自动控制模块11，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，以及实时监测到的井筒压力数据、出入口流量差数据与固井浆体位置、确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，井筒压力阈值范围位于地层压力窗口内。
157.固井设计模块11还用于使用控压固井注替模拟设计模型确定固井注替过程井口压力与排量变化、固井注替过程井底压力变化、固井注替程关注点深度流态变化、固井注替过程各分段流体位置变化、注水泥过程某一时刻环空流体位置中的至少一项。
158.在控压固井候凝阶段，固井设计模块11具体用于基于待模拟的控压固井阶段为控压固井候凝阶段，调用控压固井侯凝模拟设计模型；将固井浆柱结构、液面高度和基础参数输入控压固井侯凝模拟设计模型中，确定胶凝失重状态下水泥压力和井筒环空的压力动态分布；
159.相应的，自动控制模块11，具体用于基于井筒中的压力动态分布情况、水泥压力、测定的地层压力窗口、预先选择的井筒压力控制模式、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据，确定候凝过程的环空憋压值和对应的井口回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力与确定的环空憋压值一致。
160.在一些可选的实施例中，上述固井设计模块12还可以对固井过程进行全程模拟，即固井设计模块12还用于设定好的固井施工计划后，开始固井施工前，基于设置的井筒出
入口流量数据和固井工程模拟计算的基础参数，调用控压固井过程防漏压稳分析模型，对设定好的固井施工计划进行动态模拟，模拟出控压固井各阶段的地面动态参数和井下动态参数。全程动态模拟可以很好地预先展现控压固井整个过程的情况，发现问题可以及时调整。
161.在一些可选的实施例中，上述系统还包括井筒压力控制模式管理模块13，用于：
162.响应于井筒压力控制模式选择指令，启动选择的井筒压力控制模式；井筒压力控制模式选择指令中包括根据控压固井阶段和固井工作状态选择的井筒压力控制模式信息；井筒压力控制模式包括井底压力模式、井口压力模式和手动控制模式中的一个；一般手动控制模式主要是在设备调试和初始的井控作业中，根据控压固井的不同阶段和工作状态，可以选择不同的控制模式。其中：
163.手动控制模式是基于输入的控制操作指令调整控制井底压力的方式；
164.井底压力模式是通井循环阶段和注替阶段，通过调节节流撬节流阀，以调节井口压力，保持井底压力稳定的压力控制模式；
165.井口压力模式是起下钻和下套管阶段，通过调节回压撬节流阀，利用回压补偿系统补偿部分环空压力损失，保持井底压力稳定的压力控制模式。
166.在一些可选的实施例中，上述系统还包括应急管理模式管理模块14，用于响应于管理模式选择指令，启动相应的井筒压力应急管理模式，应急管理模式包括主/备阀切换模式、专家模式、停车模式中的至少一个；其中：
167.主/备阀切换需要进行主备阀切换的模式，该模式下关闭主节流阀，启动备用节流阀；
168.专家模式是部分指定的特殊参数不允许被更改的模式；
169.停车模式是紧急情况下，关闭气动平板阀将回压值降为0的模式。
170.在一些可选的实施例中，上述系统中自动控制模块11还用于若根据井场的实时测量数据确定发生了井漏，则根据井漏量大小确定井漏预警等级并进行预警，以及启动微流量漏失模式，调整井口回压参数直至井漏停止。以便在发生井筒漏失时能够及时的进行预警和调整。
171.在一些可选的实施例中，上述系统中自动控制模块11还用于若根据井场的实时测量数据确定发生了溢流，则根据溢流量大小确定溢流预警等级并进行预警，以及启动微流量溢流模式，调整井口回压参数直至溢流停止。以便在发生溢流时能够及时的进行预警和调整。
172.在一些可选的实施例中，所述自动控制模块，还用于通过人机交互界面展示不同压力控制模式下，不同控压固井阶段的基础参数、出入口流量、井筒压力动态分布情况和其他实时监测数据；以及所述固井设计模块，还用于通过人机交互界面展示不同控压固井阶段的井筒压力的模拟计算结果。人机交互界面可以是自动控制单元关联的主界面、参数监控界面、参数设置界面，也可以是固井设计模块关联的参数设置界面和工况模拟界面。人机交互界面包括系统主界面、参数监控界面、参数设置界面和工况模拟展示界面。
173.系统主界面包括节流撬和回压撬状态显示区域、参数实时监测区域、动态曲线显示区域、操作模式切换区域、操作模式显示区域、异常报警区域。节流撬和回压撬状态显示区域用于展示整个控压固井装备管路运行情况的直观二维图形，各节流阀和压力管线工作
状态通过不同颜色的显示；所述参数实时监测区域包括井口压力控制参数栏、实际测量压力栏、流量监测栏、深度监测栏；动态曲线显示区域用于将检测参数通过动态曲线的形式进行展示；操作模式切换区域，用于提供井筒压力控制模式和井筒压力应急管理模式，以供用户选择切换；操作模式显示区域用于标识当前工况的操作模式和工作状态。异常报警区域包括异常报警参数监测及提示框。
174.参数监控界面包括：实时参数监控曲线栏、实时参数展示区域、实时参数的统计参数展示区域、井筒压力控制模式展示区域、井底ecd展示栏、固井设计模块模拟得到的井口压力控制值展示栏、采集到的井口回压实际值展示栏。
175.参数设置界面包括：固井流体数据设置栏、井参数和泵参数设置栏；包括参数单位的设置和参数值的设置。
176.工况模拟展示界面，包括控压起钻的重浆注入阶段、通井循环阶段、控压固井下套管阶段、控压固井注替阶段、控压固井候凝阶段、控压固井过程防漏压稳分析阶段的展示界面，用于展示不同阶段的模拟计算结果。
177.本发明实施例还提供一种控压固井系统，其结构如图3所示，包括：井场主控机2、井场测量仪器3和控压固井井筒压力控制系统1；
178.控压固井井筒压力控制系统1，与井场测量仪器3和/或井场主控机2通信连接，用于从井场测量仪器3和/或井场主控机4获取井场的实时监测数据。各种井场测量仪器和井场主控机可以采用控制系统能够适配的通信协议来进行通信连接，实现数据传输。
179.实施例一
180.本发明实施例一提供一种控压固井井筒压力控制方法，其流程如图4所示，包括如下步骤：
181.步骤s101：获取固井工程模拟计算的基础参数，包括固井流体数据、井参数和泵参数。
182.可以获取通过参数设置界面输入的固井流体数据、井参数和泵参数；固井流体数据包括物理形式会随固井进程发生缓慢变化的流体物质的数据。固井流体参数包括流体名称、流体类型、流体物性参数中的至少一项；井参数和泵参数包括井信息输入、井轨迹设置、井身结构、管柱设置、地层参数设置、钻具组合、泵基础参数设置中的至少一项。
183.还可以与井场测量仪器建立通信连接，接收测量仪器测得的井场的实时监测数据；井场测量仪器包括录井仪、pwd或第三方测量工具；实时监测数据包括出口流量、入口流量、井筒中的实时压力。
184.步骤s102：针对不同的待模拟的控压固井阶段，基于基础参数，使用待模拟的控压固井阶段的工况模拟设计模型，确定井筒压力动态分布情况。
185.步骤s103：基于确定出的井筒压力动态分布情况、预先选择的井筒压力控制模式和井场的实时测量数据，调整井口回压参数，以控制控压固井的井筒压力。
186.上述方法中，控压固井阶段包括下列至少一个：控压起钻的重浆注入阶段、通井循环阶段、控压固井下套管阶段、控压固井注替阶段、控压固井候凝阶段、控压固井过程防漏压稳分析阶段。相应的步骤s102和步骤s103中，针对不同的控压固井阶段可以执行不同的模拟、控制流程。下面针对每个阶段具体描述步骤s102和步骤s103的实现过程：
187.1)待模拟的控压固井阶段为控压起钻的重浆注入阶段：
188.将控压起钻模式、重浆的物性参数和基础参数输入控压起钻的重浆注入模拟设计模型中，确定重浆注入过程中井筒环空的压力动态分布；基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，井筒压力阈值范围位于地层压力窗口内。
189.其中，重浆的物性参数是指重浆的物理特性参数，包括但不限于流变模式、流体特性、密度、粘度等参数。
190.2)待模拟的控压固井阶段为控压固井通井循环阶段：
191.将通井钻具组合数据和基础参数据输入通井循环模拟设计模型中，确定通井循环过程中井筒环空的压力动态分布；基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，井筒压力阈值范围位于地层压力窗口内。
192.通井钻具组合数据可以包括通井循环阶段使用的各种钻具及其组合的相关参数。
193.3)待模拟的控压固井阶段为控压固井下套管阶段：
194.将下套管速度、全井降密度方案和基础参数输入控压固井下套管模拟设计模型中，确定控压固井下套管过程中井筒环空的压力动态分布；基于井筒中的压力动态分布情况、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，井筒压力阈值范围位于地层压力窗口内。
195.对于井筒环空的压力模拟，可以重点关注一些关注点的压力，即选择关注点，并确定选择的关注点处的环空压力随时间的变化情况，实现针对需要关注的位置作为关注点，进行模拟计算和针对性的压力控制。
196.在控压固井下套管阶段，还可以使用控压固井下套管模拟设计模型确定井口压力随时间变化情况、出口流量随时间变化情况、关注点处的流速和流态随时间变化情况中的至少一项。
197.4)待模拟的控压固井阶段为控压固井注替阶段：
198.将固井浆体物性参数、固井方式和基础参数输入控压固井注替模拟设计模型中，确定控压固井注替过程中固井浆体位置和井筒环空的压力动态分布；基于井筒中的压力动态分布情况、测定的地层压力窗口和预先选择的井筒压力控制模式，以及实时监测到的井筒压力数据、出入口流量差数据与固井浆体位置、确定井口压力回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力稳定在预设的井筒压力阈值范围，井筒压力阈值范围位于地层压力窗口内。
199.在控压固井注替阶段，还可以使用控压固井注替模拟设计模型确定固井注替过程井口压力与排量变化、固井注替过程井底压力变化、固井注替程关注点深度流态变化、固井注替过程各分段流体位置变化、注水泥过程某一时刻环空流体位置中的至少一项。
200.固井方式包括：套管注水泥、尾管注水泥、内管注水泥、回接注水泥和筛管顶注水泥中的一个。
201.5)待模拟的控压固井阶段为控压固井候凝阶段：
202.将固井浆柱结构、液面高度和基础参数输入控压固井侯凝模拟设计模型中，确定胶凝失重状态下水泥压力和井筒环空的压力动态分布；基于井筒中的压力动态分布情况、水泥压力、测定的地层压力窗口、预先选择的井筒压力控制模式、实时监测到的井筒压力数据与出入口流量差数据，确定候凝过程的环空憋压值和对应的井口回压调整量；调整节流阀的开度以调整井口回压值，使控压固井的井筒压力与确定的环空憋压值一致。
203.在一些可选的实施例中，上述方法还包括控压固井过程防漏压稳分析阶段，设定好的固井施工计划后，开始固井施工前，还包括：基于固井工程模拟计算的基础参数，调用控压固井过程防漏压稳分析模型，对设定好的固井施工计划进行动态模拟，模拟出控压固井各阶段的地面动态参数和井下动态参数。地面动态参数包括固井过程返出排量变化和固井过程井口压力变化；井下动态参数包括固井过程各段流体位置变化、固井过程顶替液面返速、固井过程顶替液面高度和固井过程井底动压力变化。
204.在一些可选的实施例中，上述方法还包括若根据井场的实时测量数据确定发生了井漏，则根据井漏量大小确定井漏预警等级并进行预警，以及启动微流量漏失模式，调整井口回压参数直至井漏停止。
205.在一些可选的实施例中，上述方法还包括若根据井场的实时测量数据确定发生了溢流，则根据溢流量大小确定溢流预警等级并进行预警，以及启动微流量溢流模式，调整井口回压参数直至溢流停止。
206.在一些可选的实施例中，上述方法还包括：提供井筒压力控制模式选择界面，根据井筒压力控制模式选择指令，启动选择的井筒压力控制模式；井筒压力控制模式选择指令中包括根据控压固井阶段和固井工作状态选择的井筒压力控制模式信息；井筒压力控制模式包括井底压力模式、井口压力模式和手动控制模式中的一个；其中：手动控制模式是基于输入的控制操作指令调整控制井底压力的方式；井底压力模式是井底压力模式是通井循环阶段和注替阶段，通过调节节流撬节流阀，以调节井口压力，保持井底压力稳定的压力控制模式；井口压力模式是起下钻和下套管阶段，通过调节回压撬节流阀，利用回压补偿系统补偿部分环空压力损失，保持井底压力稳定的压力控制模式。
207.在一些可选的实施例中，上述方法还包括：提供井筒压力应急管理模式选择界面，根据管理模式选择指令，启动相应的井筒压力应急管理模式，应急管理模式包括主/备阀切换模式、专家模式、停车模式中的至少一个；其中：主/备阀切换需要进行主备阀切换的模式，该模式下关闭主节流阀，启动备用节流阀；专家模式是部分指定的特殊参数不允许被更改的模式；停车模式是紧急情况下，关闭气动平板阀将回压值降为0的模式。
208.在一些可选的实施例中，上述方法还包括：还包括通过人机交互界面展示不同压力控制模式下，不同控压固井阶段的基础参数、出入口流量、井筒压力动态分布情况和其他实时监控数据，以及不同控压固井阶段的井筒压力的模拟计算结果。具体参见系统部分的相关描述。
209.实施例二
210.本发明实施例二对上述的固井控压井筒压力控制系统进行具体描述并提供基于该系统实现上述井筒压力控制方法的具体实现过程。
211.本发明提供的控压固井井筒压力控制系统，可以使得工程人员在控压固井作业中
实时监测固井参数动态变化以及精确调控节流阀开度，保证控压固井过程井口回压的准确施加，保证在复杂条件下的固井质量和作业效率，实现了控压固井施工中的安全高效作业。
212.上述控压固井井筒压力控制与设计系统主要架构为：
213.控压固井井筒压力控制系统包括自动控制模块和固井设计模块，自动控制模块用于与现场监测数据建立通讯连接、调节控压固井节流阀开度、选择井筒压力控制模式和回压操作模式、监测指标参数动态变化。固井设计模块既可与自动控制模块作为整体使用提供控压值建议，也可单独作为设计模块，为现场工程人员提供多工况、多参数的控压固井设计参考。
214.自动控制模块提供人机交互界面，包括系统主界面和实时参数监控界面，系统主界面和实时参数监控界面展示内容可以根据需要进行设计，一方面能够通过人家交互获取输入的各种信息，另一方面能够展示系统获取的各种井筒相关的数据，包括压力数据、流量数据、模拟计算数据等等。
215.具体的，系统界面设计将自动控制模块设设计为包括系统主界面、压力与流量等实时参数监控界面、井眼与工程参数设置界面等，针对不同的井筒压力控制模式，比如井底压力模式、井口压力模式和手动工作模式等三种井筒压力控制模式，设计有相应的监控界面和参数设置界面，以便精确控制控压固井井筒压力；其中井口压力模式包括井口回压、立管压力、微流量等三种井筒压力控制模式，井底压力模式包括环空目标压力等井筒压力控制模式。针对不同的井筒压力应急管理模式，比如主备阀模式切换、专家模式和停车模式等三种井筒压力应急管理模式，设计有相应的监控界面和参数设置界面，以便进行应急管理。
216.将固井设计模块设计划分为井眼与工程参数设置界面、控压固井各阶段的工况模拟计算界面(也称水力模拟计算界面)等，比如针对短程控压起钻模式、长程控压起钻模式和注入牺牲泥浆不同的控压起钻模式，相应的对控压固井的各阶段进行模拟设计，并通过界面展示相关参数和模拟结果。其中两个模块的参数设置界面可以是共用界面，输入的参数也可为两个模块所调用。可绘制包括井身结构图、实钻轨迹图、井斜角和方位角变化曲线等多种井参数图，每种图形均有一维、二维、三维展示形式。各界面之间数据相互关联，通过输出结果之间的协同对比，给出现场需要施加的合理回压值范围，保证控压固井现场施工过程中井口回压的准确调控，维持井筒压力始终处于地层安全压力窗口内，提高复杂地质条件下的固井质量和作业效率。
217.系统主界面中心为节流撬和回压撬工作状态，是对整个控压固井装备管路运行情况的直观二维图形展示。系统主界面还有参数实时监测、动态曲线显示、操作模式切换、操作模式显示、异常报警几大功能区域。
218.参数监控界面为主界面的一个子界面，主要用于展示更多的参数变化曲线图，并且用户可以保存界面上自己所需要的任意曲线。参数监控界面也可以独立于控压固井井筒压力控制与设计系统展示界面，进行单独拖拽至现场监视器分屏。
219.参数设置界面可根据参数用途分为两类，第一类为用于固井工程的水力计算中所需的基础参数，第二类为系统与现场录井仪及/或相关第三方进行通讯连接时所需的传输参数。
220.水力参数计算界面不仅可以为现场控压固井作业提供井口控压值设计的理论依据，也可以为现场工程人员提供包括控压起钻的重浆注入设计、控压通井循环过程井筒压
力分析、控压固井下套管设计、控压固井注替过程井筒压力设计、控压固井候凝过程井筒压力分析、控压固井过程的防漏压稳分析等工况模拟，是一个既可与自动控制模块作为整体使用提供控压值建议，也可单独工作为现场工程人员提供多工况、多参数的控压固井设计参考的功能模块。
221.控压固井井筒压力控制系统运行步骤为：
222.第一步：进行与现场录井仪数据的通讯设置，如钻具下部加装有随钻测压(pressure while drilling，pwd)或其他测量工具，则还需进行与其数据的通讯设置。系统启动后，主界面右上部提示框“已停止”状态显示为灰色的，表示该系统与控制器、录井仪和pwd及/或相关第三方尚未建立通讯连接，需进行通讯连接。
223.第二步：进行与井场主控机的通讯设置。控压固井井筒压力控制系统与主控机的通讯，必须满足opc remote(远程)相关协议。其中，opc是指面向过程控制的ole(ole for process control)，ole是指对象连接与嵌入(object linking and embedding)。当通讯完全正确时，井场数据源主控机通讯显示“√”状态，同时显示连接主控机名称。
224.第三步：进行基本参数输入。按照调用数据的类型不同可以分为两类数据：第一类为流体数据，其物理形式会随固井进程发生变换，如固井浆体性能、密度、粘度等；第二类数据为井数据及泵参数，包括井深结构、钻具组合、泵基础参数等。
225.第四步：进行控压固井不同阶段的工况模拟计算。包括控压起钻的重浆注入设计、通井循环设计、控压固井下套管设计、控压固井注替过程井筒压力设计、控压固井候凝过程井筒压力分析、控压固井过程的防漏压稳分析等工况模拟，计算结果可与现场监测数据为工程人员提供控压值设计的理论依据。
226.第五步：节流阀实时调控，以便通过控制井口回压实现对井筒压力的控制。
227.通井循环及压重浆起钻过程中，钻具下部加装有pwd或其他测量工具，以pwd或其他工具测量数据为依据，通过监测泥浆泵、回压泵处流量获得入口流量值，通过监测出口高精度质量流量计获得出口流量，结合监测得到的出入口流量差，实时调节节流阀开度，保持井底压力稳定；在通井循环过程中，pwd或其他工具测量数据一方面被用于确定井口回压的施加值，另一方面用以校核水力学计算结果，保证下步的地层压力窗口测试和固井注替等过程中的井筒压力控制更加精准。
228.控压下套管及固井注替过程中，根据测定地层压力窗口，初步确定井口回压值，通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得入口流量值，通过监测监测出口高精度质量流量计获得出口流量，结合监测得到的的出入口流量差，实时调控节流阀开度，保证固井多段流体注替过程中井筒压力始终处于安全压力窗口内。
229.控压固井井筒压力控制系统提供了三种井筒压力控制模式，包括井底压力模式、井口压力模式和手动工作模式。井底压力模式状态下可以环空目标压力为基准物理量进行井筒压力控制调节，井口压力模式可以井口回压、立管压力、微流量为基准物理量进行井筒压力控制调节。在循环工况下，应用井底压力模式调节节流撬节流阀，以调节井口压力，保持井底压力稳定；在起下钻和下套管工况下，应用井口压力模式调节回压撬节流阀，利用回压补偿系统补偿部分环空压力损失，保持井底压力稳定。如遇紧急情况，可选择在系统中选择主备阀模式切换、专家模式和停车模式等应急管理模式。
230.上述系统中，自动控制模块的特点包括但不限于以下特点：
231.①
各节流阀和管线具有颜色标识，用户可在系统上清晰掌握当前压力管线运行情况；
232.②
系统与现场录井仪及/或相关第三方进行通讯协议连接，保证控压固井作业井口回压控制方案的实时优化；
233.③
通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得入口流量值，通过监测监测出口高精度质量流量计获得出口流量。通过实时监测出入口流量差，判断控压固井作业过程中的井下工况；
234.④
可进行节流阀开度的精细化调节；
235.⑤
提供井底压力模式、井口压力模式和手动工作模式等三种井筒压力控制模式，主备阀模式切换、专家模式和停车模式等三种井筒压力应急管理模式；
236.⑥
提供控压固井多种工况下的井口回压、立管压力、环空目标压力、微流量四种不同回压操作模式。
237.上述系统中固井设计模块的特点包括但不限于以下特点：
238.①
构建了包含api套管和非api套管、api钻杆和非api钻杆的基础数据库，构建了包含深井超深井和复杂结构井等的固井设备与工具基础数据库；
239.②
构建了包含可保存用户设置的基础数据库、井信息数据、浆体数据、设计数据、施工数据等的工程专用数据库；
240.③
提供短程控压起钻模式、长程控压起钻模式和注入牺牲泥浆等三种控压起钻模拟设计方法；
241.④
支持对固井相关数据的存储与导入、导出、管理；
242.⑤
可绘制包括井身结构图、实钻轨迹图、井斜角和方位角变化曲线等多种井参数图，每种图形均有一维、二维、三维展示形式，如用户未自定义，则默认为一维展示，可根据需要选择其他展示形式；
243.⑥
系统具有多用户管理功能，可保存和分享当前设计；
244.⑦
单位制换算；
245.⑧
固井专业术语电子辞典
246.⑨
打印报告可以根据用户需要自选多种个性化打印方式，包括：1)自定义打印(根据需要选中想要打印的内容)；2)工程打印(根据工程现场模板，系统按照工程规范打印报告内容)；3)全部打印(系统设计的所有内容全部打印)。
247.总体来说，系统主要有系统主界面、参数监控界面、参数设置界面和模拟水力计算界面。各界面之间相互关联，通过输出结果之间的协同对比，确定现场需要施加的回压值范围。各界面设计及详细功能如下：
248.①
系统主界面
249.系统正常启动之后，面向用户的系统主界面主要分为节流撬和回压撬状态显示、参数实时监测、动态曲线显示、操作模式切换、操作模式显示、异常报警几大区域。
250.节流撬和回压撬状态显示位于系统主界面中心，是对整个控压固井装备管路运行情况的直观二维图形展示。其中各节流阀和压力管线工作状态通过不同颜色的显示对操作人员进行提示，即当某一管路节流阀颜色为绿色时，则代表该线路节流阀状态为开启，可为井筒环空提供设定回压值，产生回压的管线运行线路也显示为绿色；当某一管路节流阀颜
色为灰色时，则代表该线路节流阀状态为关闭，该线路不产生回压值。操作人员可通过显示界面清晰了解各节流阀和压力管线的工作状态。
251.系统节流阀的控制方式整体结构采用测量仪表/执行机构(阀门)－控制器/输入输出卡件－上位机系统控制的三层结构。节流阀可采用电动或气动控制，采用气动控制时气源与现场井队气泵连接，用压缩空气推动执行器内多组组合气动活塞运动，传力给横梁和内曲线轨道的特性，带动空芯主轴作旋转运动，压缩空气气盘并输送至各缸，带动阀门工作。系统主界面对节流阀的控制有粗调和细调两种模式，粗调每次可每次调大/调小节流阀开度1％，细调每次可每次调大/调小节流阀开度0.1％。
252.参数实时监测栏位于主界面左侧，主要有井口压力控制参数、实际测量压力、流量监测、深度监测四个主要模块。
253.井口压力控制参数模块主要监测参数为实时循环回压与附加回压，正常循环工况下，固井井筒压力需通过补偿一定量的回压值保持井底压力处于安全密度窗口区间，可通过监测井口压力控制参数模块循环回压变化，实时监控控压固井节流阀运行情况；起下钻、下套管工况下，环空摩阻与正常循环工况相比有所减小，需要通过加大一定量的回压值平衡井底压力与地层压力，利用回压补偿系统提高井口回压，补偿环空压力损耗，可通过监测井口压力控制参数模块附加回压变化，实时监控控压固井节流阀运行情况。
254.实际测量压力模块监测参数主要有立管压力、井口压力、主通道压力、辅助通道压力、节流后压力、现场泵冲等。流量监测模块主要用于监测固井浆体上水与回水的高精度流量计数值的变化判断是否发生井下溢流或漏失。深度测量模块主要用于监测当前井深，通过结合实时压力数值判断井底当量密度。
255.动态曲线显示栏位于主界面上方，以动态曲线的形式将主要监测参数直观展示。控压固井井筒压力控制与设计系统默认两个动态显示曲线，分别为“阀前压力-时间”和“流量-时间”，如用户需要调整动态参数曲线变量，可点击系统监测参数自主更改。
[0256]“阀前压力-时间”曲线有主通道压力/辅助通道压力/设定压力-时间三条曲线，设定压力为根据预测地层压力或pwd等其他工具实测数据得到的回压理论设定值，主通道压力/辅助通道压力为主备节流阀的实际回压值，通过对比理论回压值与实测回压值，可实时监测节流阀是否出现异常。“流量-时间”曲线有出口流量/入口流量-时间两条曲线，通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得入口流量值，通过监测监测出口高精度质量流量计获得出口流量，结合监测得到的的出入口流量差，实时调节节流阀开度，保持井底压力处于安全密度窗口内。
[0257]
操作模式切换栏位于主界面下方，控压固井井筒压力控制系统提供了三种井筒压力控制模式以及三种井筒压力应急管理模式。
[0258]
三种井筒压力控制模式包括井底压力模式、井口压力模式和手动工作模式。井底压力模式、井口压力模式和手动工作模式均为控压固井过程中的装备运行状态正常时的压力控制方法，需要现场工程人员根据不同的控压固井阶段和工作状态，选择不同的压力控制模式。其中，井底压力模式和井口压力模式均属于半自动的工作模式，在控压固井井筒压力控制与设计系统中，系统无需自动识别不同种类的控压固井井下工况，现场工程人员根据理论计算值或出入口流量等可以表征井筒压力变化情况的参数，在系统上操作指令，手动模式主要应用于初始的设备调试和井控作业过程中。
[0259]
在控压起钻的重浆过程中，需要结合系统水力学计算结果或实时pwd等其他工具测量数据，确定节流阀开度的调节原则，根据重浆密度计算注入量，设定调整控压值，保证重浆注入结束时井口控制压力为零；在控压通井循环过程中，现场工程人员通过精细调控节流阀开度，在可以保证后续固井注替过程中井口回压控制精度的前提下，适量增大或减小节流阀开度，并结合pwd等其他工具实测数据摸索地层压力窗口范围；另一方面，工程人员可在系统中设置利用pwd等其他工具实测数据对水力学计算结果进行校核，保证固井注替等过程中的井筒压力控制更加精准；在控压下套管及控压固井注替过程中，根据测定得地层压力窗口，初步确定井口回压值，通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得入口流量值，通过监测出口高精度质量流量计获得出口流量，结合监测得到的的出入口流量差，实时调控节流阀开度，保证固井多段流体注替过程中井筒压力始终处于安全压力窗口内。
[0260]
在通井循环工况下，应用井底压力模式调节节流阀，以调节井口压力，保持井底压力稳定；在起下钻和下套管工况下，应用井口压力模式调节节流阀，利用回压补偿系统补偿部分环空压力损失，保持井底压力稳定。
[0261]
三种井筒压力应急管理模式包括主备阀模式切换、专家模式和停车模式，主备阀模式切换模式用于当发生节流阀堵塞，需要在线更换节流阀等特殊情况，需要启动备用节流阀，并调节节流阀的开度大小，确保操作参数恢复到节流阀未堵时的状态，确保控制系统应急情况下井口压力的稳定。启动专家模式后，某些特殊参数则无法更改，防止出现井口回压的误操作。停车模式用于在紧急情况时一键关闭气动平板阀，将回压值降为零，现场工程人员可对严重井下复杂事故进行紧急处理。
[0262]
主界面右侧上方为操作模式显示栏为控压固井井筒压力控制系统当前工况的指示标识，包括井底压力模式、井口压力模式、手动模式、节流阀启动、回压过高保护。当不同井筒压力控制模式开启时，相应显示栏指示条以绿色显示；当不同节流阀开启时，相应显示栏指示条以蓝色显示；当回压过高保护提示时，显示栏指示条以红色显示。
[0263]
主界面右侧下方为异常报警参数监测及提示框，主要监测参数为液压站压力、液压站温度、气源压力和油箱液位。
[0264]
②
参数监控界面
[0265]
参数监控界面为主界面的一个子界面，主要用于展示更多的参数变化曲线图，并且用户可以保存界面上自己所需要的任意曲线。对于曲线图纵轴的变量选择，每个动态曲线图中用户可根据需要添加最多三个纵轴进行显示。参数监控界面也可以独立于控压固井井筒压力控制与设计系统展示界面，进行单独拖拽至现场监视器分屏，如用户选择将参数监控曲线分屏显示，用户可拖拽任意数量的动态曲线，但如用户希望在系统的原界面总体显示，则最多可选四个曲线。
[0266]
对于用户想要保存的参数曲线，用户可自定义需要导出的时间段长度，系统设置可导出实时参数数据，导出数据以时间序列文件存储在data文件夹下。
[0267]
对于所有实时监测参数，系统后台以文件形式正在不断生成实时存储数据文件，并将数据文件和图片文件分别存储在不同文件夹下。
[0268]
参数监控界面的一个示例如图5所示，其中左下方为实时参数监控曲线栏，用于展示参数变化曲线，右下方为实时参数和根据实时参数得到的统计数据的展示，右上方为控制压力模式栏用于显示井筒压力控制模式，左上方展示的是井底ecd、固井设计模块模拟得
到的井口压力控制值、采集到的井口回压实际值。
[0269]
③
参数设置界面
[0270]
控压固井井筒压力控制系统参数设置界面可根据参数用途分为两类，第一类为用于固井工程的水力计算中所需的基础参数，第二类为系统与现场录井仪及/或相关第三方进行通讯连接时所需的传输参数。
[0271]
控压固井井筒压力控制系统固井工程模拟计算的基础参数主要为文本数据，其传给参数设置模块，在参数设置界面中进行显示。按照调用数据的类型不同可以分为两类数据：第一类为流体数据，其物理形式会随固井进程发生缓慢变换，如固井浆体性能、密度、粘度等；第二类数据为井数据及泵参数，包括井深结构、钻具组合、泵基础参数等。
[0272]
控压固井井筒压力控制系统参数设置界面首先需要进行单位制的设置，系统默认单位制有api、si、mixed api、api-us survey feet四项，通过点击“编辑
→
new(新建)”可以建立新的单位制，用户可对新的单位制进行命名。对单位制完成命名后，用户新建的单位制(new unit)已经出现在导航列表中，点击new unit，选择要更改变量的单位制，右侧出现选择单位制(select unit)窗口，用户可以选择习惯的单位并进行保存。
[0273]
流体数据主要包括：流体名称、流体类型、流体流变特性三大部分。界面上方有添加新隔离液、添加新水泥等选项，水泥浆和隔离液均可选择不同的流体类型，包括：牛顿流体、幂律流体、宾汉流体、赫巴流体。不同流体类型的流变参数可通过直接输入或通过六速流变仪读数来获取。固井流体应按照设计顺序进行添加，并在二维井筒图中进行展示。
[0274]
控压起钻井数据及泵参数模块，主要包括井信息输入、井轨迹设置、井身结构和管柱设置、地层参数设置、泵参数设置等。主要作用为方便用户在使用控压固井井筒压力控制系统进行相关内容的设计与分析之前，输入或调出相应数据。用户的所有设置均可以保存到登录账号的本地数据库，也可以将其他设计中的井身结构导入后直接使用、或基于前期设计简单修改后使用。
[0275]
但值得注意的是，设计所提供基础数据的准确性和完整性直接影响到结果的可行性与合理性。一口井的基础设计数据收集越全，设计结果越合理。但考虑到基于现场数据收集可能存在的局限性，只要输入计算所需的基本数据即可进行设计，但如输入的数据越多，计算时考虑的因素也越多，结果也更合理。
[0276]
控压固井井筒压力控制系统通讯连接传输参数有传输延迟时间、数据校验min、数据校验max三项，相关传输参数可传递给通讯传输过程接收，并在控压固井作业开始前进行测试，用以校准数据传输的准确性和实时性。所述实时数据显示模块，需确保控压固井作业开始前，控压固井井筒压力控制与设计系统与现场录井仪及pwd等其他测量工具数据建立起完整的通讯连接，当通讯协议完全正确时，井场数据源主控机通讯显示“√”状态，同时在通讯界面中显示连接主控机名称。控压固井井筒压力控制与设计系统启动后，主界面右上部提示框如显示“正常运行”状态，并显示为绿色，表示此时系统与控制器、录井仪及/或相关第三方已建立正常通讯连接。
[0277]
控压固井井筒压力控制系统与录井仪的通讯，必须满足所有传送过来的录井数据格式为标准的井场信息传输规范(wits)格式，传输要求必须满足udp、tcp/ip等协议。已完成传输的解码文件可以实时显示在数据显示下拉列表里，传输数据表包括传输数据列和索引码列。根据标准的wits格式，传输数据列与索引码为一一对应关系，以保证数据的正确
性。
[0278]
④
工况模拟展示界面(水力参数模拟计算界面)。
[0279]
控压固井井筒压力控制系统的固井设计模块不仅可以为现场控压固井作业提供井口控压值设计的理论依据，也可以为现场工程人员提供包括控压起钻的重浆注入设计、通井循环设计、控压固井下套管设计、控压固井注替过程井筒压力设计、控压固井候凝过程井筒压力分析、控压固井过程的防漏压稳分析等工况模拟，是一个既可与自动控制模块作为整体使用提供控压值建议，也可单独工作为现场工程人员提供多工况、多参数的控压固井设计参考的功能模块。
[0280]
控压固井井筒压力控制系统固井设计模块提供了多种井参数展示选择和展示形式，可生成包括井身结构图、实钻轨迹图、井斜角和方位角等多种井参数图，每种图形均有一维、二维、三维展示形式，如用户未自定义，则系统默认为一维展示，用户后续可根据需要选择其他展示形式；工况模拟展示截面的一个示例如图6所示，左边是二维井身模型示例，右边是一维井身模型示例，其中展示了井身中每段流体内的参数、流体交界面的参数、关注点的参数等等。
[0281]
控压起钻模拟设计包含了控压起钻至套管鞋、开始注入重浆、带重浆帽控压起钻的全过程模拟计算。根据重浆密度计算注入量，给出合理的控压固井井口控压值，保证重浆注入结束时井口控制压力为零；所述控压起钻过程的重浆注入模式，需根据测定的地层压力窗口，确定控压起钻类型，即确定压重浆模式。水力计算模块提供了三种控压起钻模式，包括短程控压起钻模式、长程控压起钻模式和注入牺牲泥浆的控压起钻模式，其中短程控压起钻模式适用于压力窗口较大的地层，可保证较大的起钻速度；长程控压起钻模式适用于压力窗口较大的地层，起钻风险较低，对井底压力监控较为准确，起钻过程不易发生溢漏，且下部不易混浆，下套管循环钻井液时易建立循环；注入牺牲泥浆的控压起钻模式适用于零窗口地层，甚至无窗口地层。通过读取参数设置界面中用户输入的重浆类型和分段流体体积、分段流体密度，计算重浆注入过程环空中的压力动态分布，实现重浆注入全过程的井筒压力分析。
[0282]
控压起钻模拟设计，如现场控压固井工程人员确定了控压起钻模式以及对应流体性质，可直接在水力计算模块输入相应参数，计算重浆注入过程环空中的压力动态分布，实现重浆注入全过程的井筒压力分析，结合地层压力窗口，给出起钻过程的井口回压设计值。
[0283]
控压通井循环模拟设计的基础原理为循环状态下的井筒水力学计算，通井循环设计的底层计算程序逻辑中结合了传热学与水力学理论，并考虑井筒流体传热的温压耦合关系，给出通井循环期间的环空压力分布。控压通井循环过程井口回压的施加一方面用于测试地层压力窗口；另一方面需要与pwd等其他工具测量数据结合，用于校正水力学计算结果，保证后续控压固井注替过程井筒压力的精准控制。
[0284]
控压下套管模拟设计考虑了固井施工现场工况，通过编制相应动态模拟程序来模拟多个关键参数，包括：1)关注点处环空压力随时间变化情况；2)井口压力随时间变化情况；
[0285]
3)出口流量随时间变化情况；4)关注点处流速及流态随时间变化情况；根据输入的流体参数，包括流变模式、密度、粘度和套管下放速度等，计算井下波动压力，曲线显示部分同时展示下套管过程中环空压力、地层压力和漏失压力的沿井深剖面图，可以清晰展示
套管下放过程中环空压力是否超过临界值，造成压漏地层。在套管下放期间，给出合适的套管下放速度数值和全井降密度方案，确保套管下放过程处于防漏压稳状态。
[0286]
控压下套管模拟设计，如现场控压固井工程人员确定了下套管速度、全井降密度方案，可直接在水力计算模块输入相应参数，计算控压下套管过程环空中的压力动态分布，实现控压下套管全过程的井筒压力分析，结合地层压力窗口，给出下套管过程的井口回压设计值。
[0287]
控压固井注替过程井筒压力设计模拟通过读取参数设置界面中用户输入的各固井浆体的配方与性能、各流体的使用体积、各流体的密度与返深等参数，计算流体在环空中的压力分布，实现固井过程的环空压力分析和防漏压稳分析。主要计算参数包括：1)固井注替过程环空压力分布；2)固井注替过程井口压力与排量变化；3)固井注替过程井底压力变化；4)固井注替程关注点深度流态变化；5)固井注替过程各分段流体位置变化；6)注水泥过程某一时刻环空流体位置。
[0288]
在计算结果显示框中，系统自动默认了三个深度点位置，称之为“关注点”。系统可以输出不同关注点处井内流体的位置、压力和排量等参数信息。用户也可根据自身需要，输入想要的关注点深度进行输入并显示相应计算结果。用户可以点击右侧“二维显示图”，以二维井筒的形式清晰展示流体在井内的分布情况，有助于用户检查输入流体顺序的准确性。
[0289]
值得注意的是，控压固井注替过程井筒压力设计，考虑了不同的固井方式，不同的固井方式对应着不同的输入参数，用户可根据相应的固井方式输入不同的参数设置。系统中可选固井方式包括：套管注水泥、尾管注水泥、内管注水泥、回接注水泥和筛管顶注水泥。
[0290]
控压固井注替过程井筒压力设计，如现场控压固井工程人员确定了固井浆体的密度、流变特性，可通过获取固井现场的排量数据，基于考虑固井过程中不同流体在井筒运移过程中的u形管效应，计算不同时间的固井浆体位置和对应的井筒压力，并结合地层安全密度窗口给出合理的控压固井井口回压值。所述控压固井候凝过程井筒压力设计，考虑固井浆柱结构和液面高度的变化，结合固井瞬态温度场计算模型和受力平衡方程，计算胶凝失重状态下水泥压力，设计候凝过程的环空憋压值，保证水泥浆失重时对地层的压稳。
[0291]
控压固井过程的防漏压稳分析提供了直观的动态模拟分析功能，即设定好一套完整的固井施工计划后，调用该功能后可对整个固井过程进行动态模拟。动态模拟参数面板分为地面动态参数和井下动态参数两大部分，地面动态参数包括：1)固井过程返出排量变化；2)固井过程井口压力变化，井下动态参数包括：1)固井过程各段流体位置变化；2)固井过程顶替液面返速；3)固井过程顶替液面高度；4)固井过程井底动压力变化。
[0292]
总体来说，控压固井井筒压力控制与设计系统在进行控压固井作业前需与现场录井仪建立通讯连接。
[0293]
控压固井井筒压力控制系统启动后，主界面右上部提示框如显示“已停止”状态，并显示为灰色，表示此时系统与控制器、录井仪及/或相关第三方尚未建立通讯连接，需进行通讯连接。控压固井井筒压力控制与设计系统与主控机的通讯，必须满足opc remote相关协议。当通讯完全正确时，井场数据源主控机通讯显示“√”状态，同时显示连接主控机名称。
[0294]
控压固井井筒压力控制与设计系统与录井仪的通讯，必须满足所有传送过来的录
井数据格式必须转换成标准的wits格式，已完成传输的解码文件可以实时显示在数据显示下拉列表里，传输数据表包括传输数据列和索引码列。根据标准的wits格式，传输数据列与索引码为一一对应关系，以保证数据的正确性。传输要求必须满足udp、tcp/ip等协议。其中，0代表禁止；1代表udp；2代表tcp/ip服务器；3代表tcp/ip客户端。
[0295]
控压固井井筒压力控制系统除了要与现场录井仪建立通讯关系外，还要与pwd等相关第三方进行通讯连接，以获得井下实时压力数据，与pwd等相关第三方的通讯连接方式参照与录井仪的通讯设置。
[0296]
控压固井井筒压力控制系统与现场录井数据和pwd等相关第三方的通讯、交互测试流程主要包括：
[0297]
①
现场控压固井装备和系统准备就绪后，从正常钻井作业通路转到控压固井直流线路(手动模式)；
[0298]
②
测试综合压力控制器与录井数据的通讯和交互是否正确，若通讯正确，将录井数据中基本参数预先录入到压力控制器的控制系统中；若不正确，检查通讯设备，重新调试；
[0299]
③
如钻具下部加装有pwd等其他工具，需测试pwd等其他工具数据与综合压力控制器的通讯和交互是否正确，若通讯正确，即可准备切换到控压固井模式；若不正确，检查通讯设备，重新调试；
[0300]
④
测试完备，准备控压固井作业。
[0301]
控压固井井筒压力控制系统中回压值的施加需要结合水力学计算结果或实时pwd等其他工具测量数据，确定节流阀开度的调节原则。具体实施方式如下：
[0302]
①
控压起钻压重浆：起钻过程时停止循环，通过旋转控制头起钻，控制起钻速度。通过调节回压泵系统节流阀开度，提高回压以补偿井筒压力，打入泥浆帽过程中调节回压泵系统节流阀开度保证井口回压，直至降为零。同时检查出入口密度及出入口流量，判断是否溢流或漏失，其中入口流量通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得，出口流量通过监测出口高精度质量流量计获得。井下工况正常时，系统主界面自动弹出“可以起钻”提示对话框。通过旋转控制头继续起钻。井下管柱全部起完后确保井口压力为零。
[0303]
②
下钻程序：由于钻具内有浮阀，下钻过程中重浆高度会比空井时升高，重浆高度差造成井底压力上升，因此需要根据下钻到重浆帽底后井筒内不同密度钻井液分布情况，通过水力学计算，决定替重浆方式。若下钻到重浆帽底后一次性替重浆动态当量密度小于地层承压能力，则采用此方法；若大于地层承压压能力，则通过计算制定分阶段段替重浆步骤。开泵循环替重浆，通过调节回压泵系统节流阀开度，逐步提高回压值，待出入口密度一致停泵。下钻至重浆底部开泵循环替完成所有重浆驱替，控压下钻到井底。
[0304]
③
接单根：进入接单根状态后，可将回压泵系统节流阀切换至“比率控制”，即回压泵系统节流阀按照一定的速率缓慢关闭，同时观察井口压力上升情况，准备进行接单根作业。接单根是指油田钻井时，在钻进过程中的一项措施。由于钻进，井眼不断加深，钻柱也要及时加长。钻柱主要由钻杆组成，在钻进过程中，每当井眼加深了一根钻杆的长度后，就向钻柱中接入一根钻杆，这个过程就叫接单根。
[0305]
④
通井循环与地层压力窗口测试：在控压通井循环过程中，现场工程人员通过精细调控节流阀开度，在可以保证后续固井注替过程中井口回压控制精度的前提下，适量增
大或减小节流阀开度，并结合pwd等其他工具实测数据摸索地层压力窗口范围；另一方面，工程人员可在系统中设置利用pwd等其他工具实测数据对水力学计算结果进行校核，保证固井注替等过程中的井筒压力控制更加精准。
[0306]
⑤
微流量漏失：控压固井现场可通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得入口流量值，通过监测监测出口高精度质量流量计获得出口流量。在控压固井过程中，如发现出口流量小于入口流量，则井下可能发生井漏，根据“自控系统操作界面”内设的井漏判断条件，结合井漏量的大小判断处于何种警示状态，并同时切换到该模式；按照控压工程师建议的回压减小值，调大主节流阀开度，减小井口回压值δp，同时改变泥浆泵排量，从而降低井底压力，同时，记录出入口流量数据，直到井漏停止；操作界面弹出“无溢漏现象，继续正常钻进”，此时解除“黄色警示状态”，切换到正常钻进“绿色工作状态”。若如发生井漏失返量》1m3，迅速切换至手动操作模式，按照动态井控表红色区域要求进行处理。记录井下漏失停止时的井底压力，作为地层安全密度窗口上限值。
[0307]
⑥
微流量溢流：虽然固井过程中应保持较大密度的固井浆体进行固井作业，防止井筒压力小于地层压力的情况下发生溢流或气侵，造成水泥浆的失重，影响固井质量。但是在固井过程中如发生微流量溢流，仍要及时调节节流阀开度，保证井下溢流的及时排除。在固井过程中，检测到溢流时，根据“自控系统操作界面”内设的溢流判断条件，结合溢流量的大小判断处于何种警示状态，并同时切换到该模式；在“自动控制”操作界面中，在不造成井漏的前提下，立即通过节流系统，调小主节流阀开度，增加井口回压值δp；通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得入口流量值，通过监测监测出口高精度质量流量计获得出口流量。结合出入口流量差判断溢流状态，直到溢流停止，操作界面弹出“无溢漏现象，继续正常钻进”，此时解除“黄色警示状态”，切换到正常钻进“绿色工作状态”，保持井底压力高于地层压力δp继续钻进。如发生井下气侵，则需同时使用液气分离器将气侵流体循环出井眼。如果h2s检测系统报警，执行h2s应急程序。若如发生井侵量》1m3，“操作界面”出现“红色警示”，并弹出“警告状态，危险”，此时，迅速从井底压力模式切换至手动操作模式，按照动态井控表红色区域要求进行处理。记录井下溢流停止时的井底压力，作为地层安全密度窗口下限值。
[0308]
⑦
固井浆体注替：进入“井底压力控制模式”，保持主节流阀管线处于正常工作状态，回压泵线路控制阀关闭，回压泵随时处于待命状态，调节主节流阀开度大小，实时调节井口回压，确保井底压力恒定。结合地层压力窗口测试结果与水力学计算校核结果，实时计算井筒压力，给出井口回压施加的建议值；控压固井过程中可通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得入口流量值，通过监测监测出口高精度质量流量计获得出口流量，若出口流量小于入口流量，可能发生井下漏失，则需要调大主节流阀开度，减小井口回压值；若出口流量大于入口流量，可能发生井下溢流，则需要调小主节流阀开度，增大井口回压值；
[0309]
⑧
节流阀堵塞：若检测到节流阀前后压差剧烈升高，“自控系统操作界面”弹出提示“节流阀前后压差超过设定值，可能节流阀堵塞”，即可判断节流阀出现堵塞，直接启动“主备阀切换”，迅速开启备用节流阀通道，依次开启手动平板阀和气控平板阀，调节节流阀的开度大小，确保操作参数恢复到节流阀未堵时的状态，同时，关闭堵塞主节流阀上游远程控制阀，将此节流阀隔离。
[0310]
⑨
pwd等其他测量工具失效：当控压固井作业过程中发生pwd的信号中断，尤其是
压重浆起钻的控压过程中，控压固井工程师需决定是否根据水力模型计算结果施加井口回压，继续起钻。同时，控压固井工程师需要根据现场出入口流量对节流阀开度进行实时调节，保证井底压力处于安全压力窗口内，其中入口流量通过监测泥浆泵、水泥车以及回压泵处流量获得，出口流量通过监测出口高精度质量流量计获得。
[0311]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种上述的控压固井井筒压力控制系统在控压固井中的应用。
[0312]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令被处理器执行时上述的控压固井井筒压力控制方法。
[0313]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种控制设备，包括：存储器、处理器及存储于存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的控压固井井筒压力控制方法。
[0314]
本说明书中的各个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可。
[0315]
本发明利用计算机编程编写上位机程序，研发了一套兼顾控制、监测、设计功能的控压固井井筒压力控制与设计系统，达到控压固井现场数据可实时监控、节流阀开度可自动调节、控压固井全过程可模拟计算的目的。保证了控压固井施工过程中安全高效作业的目的，使得控压固井过程更为科学化、智能化，符合智能钻完井技术发展的大趋势，具有可复制、可推广的价值和意义。
[0316]
目前还没有专为控压固井研制的井筒压力控制与设计系统，已完成的控压固井服务均使用控压钻井技术装备，部分相关的控压固井水力学模拟系统，其功能基本都仅限于设计阶段，并未完全兼具设计和控制能力，更重要的是上述产品并未与控压固井专用装备体系建立联系，没有形成一体化的施工能力。本发明提出的控压固井研制的井筒压力控制与设计系统兼顾控制、监测、设计功能，系统主要功能涵盖了控压固井作业压力自动调控、控压固井井筒压力设计与实时校核两方面，与控压固井专用装备体系结合，构成了一整套完整的控压固井施工体系，形成了一体化的施工能力。
[0317]
本发明所涉及的控压固井井筒压力控制与设计系统实质上是对控压固井工艺的支撑、完善，是一个保证控压固井安全高效作业的配套系统，可以与控压固井硬件装备、控压固井操作规范等相关内容共同构成一整套完整的控压固井施工体系。通过该专利的研发，可以自主掌握控压固井核心技术、突破了技术壁垒，极大减轻对外技术依存度，实现由跟跑到领跑的跨越。
[0318]
预计未来1-3年内在新疆、川渝等区域油田以及海上开发井的固井作业中进行现场试验和推广应用。目前来看，窄密度窗口井的固井过程中井下复杂较常规井增加20％以上，非生产时间和成本增加3倍以上，漏失、窜槽等复杂次数明显增多，大大增加非生产时间。应用本发明所述的控压固井控制系统及配套装备，未来1-3年内将大约降低试验井、应用井固井非生产时间20％以上，固井质量综合提高10％以上，直接经济效益5000余万元左右。
[0319]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0320]
除非另外具体陈述，术语比如处理、计算、运算、确定、显示等等可以指一个或更多个处理或者计算系统、或类似设备的动作和/或过程，所述动作和/或过程将表示为处理系统的寄存器或存储器内的物理(如电子)量的数据操作和转换成为类似地表示为处理系统的存储器、寄存器或者其他此类信息存储、发射或者显示设备内的物理量的其他数据。信息和信号可以使用多种不同的技术和方法中的任何一种来表示。例如，在贯穿上面的描述中提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片可以用电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或者其任意组合来表示。
[0321]
应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。
[0322]
在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。
[0323]
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
[0324]
结合本文的实施例所描述的方法或者算法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或其组合。软件模块可以位于ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、cd-rom或者本领域熟知的任何其它形式的存储介质中。一种示例性的存储介质连接至处理器，从而使处理器能够从该存储介质读取信息，且可向该存储介质写入信息。当然，存储介质也可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以位于asic中。该asic可以位于用户终端中。当然，处理器和存储介质也可以作为分立组件存在于用户终端中。
[0325]
对于软件实现，本技术中描述的技术可用执行本技术所述功能的模块(例如，过程、函数等)来实现。这些软件代码可以存储在存储器单元并由处理器执行。存储器单元可以实现在处理器内，也可以实现在处理器外，在后一种情况下，它经由各种手段以通信方式耦合到处理器，这些都是本领域中所公知的。
[0326]
上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括，”在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。