一种井喷模拟训练的控制系统

摘要

本发明公开了涉及控制系统技术领域的一种井喷模拟训练的控制系统，包括数据采集系统、注气阀组控制系统、注水泵组控制系统、无线传输系统、远程控制系统、安全预警及急停模块、液气混合器和喷射模块；还包括模拟训练场，模拟训练场内设有第一井、第二井和第三井，井内均安装有喷射模块，且液气混合器连通喷射模块，模拟训练场旁设有预留堆场和沉淀水池；注气阀组控制系统包括空压机、储气罐、供气管路、注气阀组集成系统和阀组控制系统；注水泵组控制系统包括水池、供液管路、注水泵组集成系统和泵组控制系统；供气管路、供液管路分别连通液气混合器。本发明贴近现场实际，模拟现场井喷失控，让抢险人员在真实的井喷失控情景下开展抢险训练。

权利要求

1.一种井喷模拟训练的控制系统，其特征在于：包括数据采集系统、注气阀组控制系统、注水泵组控制系统、无线传输系统、远程控制系统、安全预警及急停模块、液气混合器和喷射模块；还包括模拟训练场，模拟训练场内设有第一井、第二井和第三井，井内均安装有喷射模块，且液气混合器连通喷射模块，模拟训练场旁设有预留堆场和沉淀水池；注气阀组控制系统包括空压机、储气罐、供气管路、注气阀组集成系统和阀组控制系统；注水泵组控制系统包括水池、供液管路、注水泵组集成系统和泵组控制系统；供气管路、供液管路分别连通液气混合器；远程控制系统包括若干不同传感器、执行器、信号远传、现场通信模块；远程控制系统可控制监控整套系统，且远程控制系统电连接注气阀组控制系统、注水泵组控制系统、无线传输系统、安全预警及急停模块、液气混合器和喷射模块；数据采集系统无线连接无线传输系统；第一井为有钻杆井，第二井和第三井为空井，第一井的喇叭口处安装有变径装置，钻具顶部使用缩径短接；第二井和第三井套管上部均安装有变径装置；喷射模块包括柱塞泵和喷头，气液混合器连通柱塞泵，柱塞泵连通喷头，喷头安装于套管侧孔内；喷头包括内管，内管外套设有外管，内管与外管之间设有若干滚珠通道，滚珠通道内均放置有滚珠，外管上端开设有入口，内管下端开设有出口，入口与出口连通，内管内部上方安装有竖向的转轴，转轴上同轴转动连接有若干扇叶，扇叶下方设有空腔，空腔下方固定连接有海绵体。

2.根据权利要求 1 所述的一种井喷模拟训练的控制系统，其特征在于：整套系统设有一键启动装置，一键启动装置按照工艺参数要求，自动对注气阀组控制系统、注水泵组控制系统进行软启动，待压力参数正常后，提示可进行井喷模拟操作。

3.根据权利要求 1 所述的一种井喷模拟训练的控制系统，其特征在于：整套系统综合运用物联网感知技术，对水泵组入口压力、水泵组出口压力、井口压力各个关键参数进行实时采集输入，对气阀组进行远程控制输出，各类输入、输出实时参数通过远程控制系统汇总所有数据。

4.根据权利要求 1 所述的一种井喷模拟训练的控制系统，其特征在于：安全预警模块包括储水池液位超限报警、泵抽空报警、泵超压报警、停电报警和控制阀故障报警的功能。

5.根据权利要求 1 所述的一种井喷模拟训练的控制系统，其特征在于：第一井钻井井深 15 米，第二井和第三井钻井井深 5 米；第一井采用 9 5/8″套管固井，井口安装 9 5/

8″套管接头；第二井采用 9 5/8″套管固井，井口配置 9 5/8″套管标准法兰；第三井采用 9 

5/8″套管固井，套管裸露出地面 1.0 米；套管侧壁均开设有竖向排布的若干套管侧孔。

说明书

一种井喷模拟训练的控制系统

技术领域

[0001] 本发明涉及控制系统技术领域，具体是一种井喷模拟训练的控制系统。

背景技术

[0002] 井喷是石油或石油气开采中非常忌讳的意外事故，钻井时要把泥浆注入井筒来平衡地下地层的压力。但是当勘测时对地下压力测试不准或注入的泥浆密度太低或出现地层
压力突然变大等情况时，地层中的油或气流入井筒内，无控制地喷出地面就发生了井喷，井
喷往往伴随着有毒气体，造成对环境和人较大的危害。井喷模拟系统在基地的模拟训练场
内，设计一套满足三口实训井的井喷系统，用于三级井控抢险演练，模拟真实井喷失控场
景，营造现场紧张气氛。

[0003] 例如中国专利，公告号为：CN 104851268 B，该发明公开了一种井喷应急演练模拟系统及模拟方法，它包括程控喷射系统、蓄水池及供水管线、回水管线、应急处理监测系统
和上位机，所述的程控喷射系统包括喷头、高压输送管线、水泵、变频器；所述的蓄水池通过
供水管线供水，所述的水泵通过变频器与接收来自上位机的控制信号；所述的应急处理监
测系统包括设置于井喷现场需要观察的各类仪表、开关上加装的传感检测装置，所述的传
感检测装置将采集到的仪表的读数和开关的开关情况发送至上位机。

[0004] 该发明井喷模拟系统是通过井喷井和注气井的组合模式进行井喷模拟，井喷井固定深度下入寄生管，储气井储备一定量的压缩气体，井喷模拟情况单一，井喷层位深度由寄
生管下入位置决定，一旦确定后期无法改变，无法模拟不同深度的井喷，并且后期维护难度
大；且井喷持续时间有限，由于井喷能量是由储气井提供，储气井的容量和压力直接决定了
井喷的持续时间和强度，一旦储气井能量耗尽，补充需要一段时间，井喷必须中断，因此无
法实现较为真实的持续性井喷。所以本发明提出一种井喷模拟训练的控制系统，以解决上
述提出的问题。

发明内容

[0005] 本发明意在提供一种井喷模拟训练的控制系统，以解决现有的技术手段井喷持续时间有限，由于井喷能量是由储气井提供，储气井的容量和压力直接决定了井喷的持续时
间和强度，一旦储气井能量耗尽，补充需要一段时间，井喷必须中断，因此无法实现较为真
实的持续性井喷的问题。

[0006] 为了达到上述目的，本发明的基础方案如下：一种井喷模拟训练的控制系统，包括数据采集系统、注气阀组控制系统、注水泵组控制系统、无线传输系统、远程控制系统、安全
预警及急停模块、液气混合器和喷射模块；还包括模拟训练场，模拟训练场内设有第一井、
第二井和第三井，井内均安装有喷射模块，且液气混合器连通喷射模块，模拟训练场旁设有
预留堆场和沉淀水池；

[0007] 注气阀组控制系统包括空压机、储气罐、供气管路、注气阀组集成系统和阀组控制系统；

[0008] 注水泵组控制系统包括水池、供液管路、注水泵组集成系统和泵组控制系统；

[0009] 供气管路、供液管路分别连通液气混合器；

[0010] 远程控制系统包括若干不同传感器、执行器、信号远传、现场通信模块；远程控制系统可控制监控整套系统，且远程控制系统电连接注气阀组控制系统、注水泵组控制系统、
无线传输系统、安全预警及急停模块、液气混合器和喷射模块；

[0011] 数据采集系统无线连接无线传输系统；

[0012] 第一井为有钻杆井，第二井和第三井为空井，第一井的喇叭口处安装有变径装置，钻具顶部使用缩径短接；第二井和第三井套管上部均安装有变径装置。

[0013] 进一步，整套系统设有一键启动装置，一键启动装置按照工艺参数要求，自动对注气阀组控制系统、注水泵组控制系统进行软启动，待压力参数正常后，提示可进行井喷模拟
操作。

[0014] 进一步，整套系统综合运用物联网感知技术，对水泵组入口压力、水泵组出口压力、井口压力各个关键参数进行实时采集输入，对气阀组进行远程控制输出，各类输入、输
出实时参数通过远程控制系统汇总所有数据。

[0015] 进一步，安全预警模块包括储水池液位超限报警、泵抽空报警、泵超压报警、停电报警和控制阀故障报警的功能。

[0016] 进一步，第一井钻井井深15米，第二井和第三井钻井井深5米；

[0017] 第一井采用9 5/8″套管固井，井口安装9 5/8″套管接头；

[0018] 第二井采用9 5/8″套管固井，井口配置9 5/8″套管标准法兰；

[0019] 第三井采用9 5/8″套管固井，套管裸露出地面1.0米；

[0020] 套管侧壁均开设有套管侧孔。

[0021] 进一步，喷射模块包括柱塞泵和喷头，气液混合器连通柱塞泵，柱塞泵连通喷头，喷头安装于套管侧孔内。

[0022] 进一步，喷头包括内管，内管外套设有外管，内管与外管之间设有若干滚珠通道，滚珠通道内均放置于滚珠，外管上端开设有入口，内管下端开设有出口，入口与出口连通，
内管内部上方安装有竖向的转轴，转轴上同轴转动连接有若干扇叶，扇叶下方设有空腔，空
腔下方固定连接有海绵体。

[0023] 基础方案的原理：经过气液混合的流体通过套管测孔内的喷头喷出，具体喷出过程为，流体通过外管上端开设的入口进入内管，流体通过自由转动的扇叶产生转动，由于内
管与外管之间通过滚珠能够让内管相对于外管进行转动，流体进入空腔随即被海绵体吸
收，当海绵体吸收饱和后海绵体继续收到流体的挤压，将会有部分流体被挤出，被挤出的流
体通过内管下端设有的出口喷射出去，由于内管的自转，喷射出去的流体会产生离心力，当
流体进入竖直的井内时，撞击井管内壁，形成乱流后从井口喷出，最大程度的模拟了自然形
成的井喷流体。

[0024] 所达到的有益效果是：

[0025] 本井喷模拟系统贴近现场实际，模拟现场井喷失控，让抢险人员在真实的井喷失控情景下开展抢险训练。本发明从系统设计到系统架构的设计，均采用成熟的技术，具备较
高的可靠性、较强的容错能力、良好的恢复能力及防雷抗强电干扰能力，且通过注气阀组控
制系统和注水泵组控制系统提供源源不断的井喷能量，较为真实的模拟了井喷的持续时间
和强度，解决了无法实现较为真实的持续性井喷的问题。

[0026] 本发明充分考虑对现场配套设施的兼容，保护设备，最大程度地降低系统造价和安装成本。系统采用当今先进的技术和设备，设备选型与技术发展相吻合，能保障系统的技
术寿命及后期维护升级的可延续性。

[0027] 本系统充分考虑扩展性，采用标准化设计，严格遵循相关技术的国际、国内和行业标准，确保系统之间的透明性和互通互联，并充分考虑与其它系统的连接。本系统采用全中
文、图形化软件实现整个监控系统管理与维护，人机对话界面清晰、简洁、友好，操控简便、
灵活，便于监控和配置；采用稳定易用的硬件和软件，完全不需借助任何专用维护工具，既
降低了对管理人员进行专业知识的培训费用，又节省了日常频繁地维护费用。

[0028] 本系统在前端采用完善的安全措施以保障前端设备的物理安全和应用安全，在前端与监控中心之间必须保障通信安全，采取可靠手段杜绝对前端设备的非法访问、入侵或
攻击行为。数据采取前端分布存储、监控中心集中存储管理相结合的方式，对数据的访问采
用严格的用户权限控制，并做好异常快速应急响应和日志记录。

[0029] 本发明能够模拟真实井喷，气液混合体从喷头喷出，进入井内，即模拟油液从井内向上喷出；同时本发明还能实现闭路井喷，井喷气液混合体从井口喷出后进入预设的沉淀
水池，经过沉淀水池的收集，实现喷出气液混合体可控，不会污染环境；沉淀水池中收集的
井喷气液混合体还可以供给训练水池，通过水池内水泵组的抽取再次注入至模拟系统中，
从而不会造成资源浪费，节约成本。

[0030] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

[0031] 图1为本发明实施例的系统构成示意图。

[0032] 图2是本申请实施例的系统原理框图。

[0033] 图3是本申请实施例的模拟训练场的布局图。

[0034] 图4是本申请实施例的第一井的缩径短接图。

[0035] 图5是本申请实施例的第二井和第三井的缩径短接图。

[0036] 图6是本申请实施例的系统逻辑图。

[0037] 图7是本申请实施例的注气阀组控制系统（a）图。

[0038] 图8是本申请实施例的注气阀组控制系统（b）图。

[0039] 图9是本申请实施例的注水泵组控制系统图。

[0040] 图10是本申请实施例的液气混合器的系统图。

[0041] 图11是本申请实施例的喷头的结构示意图。

具体实施方式

[0042] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0043] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。

[0044] 在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据
具体情况理解上述术语的具体含义。

[0045] 说明书附图中的附图标记包括：喷头1、内管2、外管3、滚珠通道4、滚珠5、入口6、出口7、转轴8、扇叶9、空腔10、海绵体11。

[0046] 下面通过具体实施方式进一步详细说明。

[0047] 实施例1：

[0048] 实施例基本如附图1、附图2、附图3、附图4、附图5、附图6、附图7、附图8、附图9、附图10和附图11所示：一种井喷模拟训练的控制系统，包括数据采集系统、注气阀组控制系统、注水泵组控制系统、无线传输系统、远程控制系统、安全预警及急停模块、液气混合器和
喷射模块；还包括模拟训练场，模拟训练场内设有第一井、第二井和第三井，井内均安装有
喷射模块，且液气混合器连通喷射模块，模拟训练场旁设有预留堆场和沉淀水池；

[0049] 注气阀组控制系统包括空压机、储气罐、供气管路、注气阀组集成系统和阀组控制系统；

[0050] 注水泵组控制系统包括水池、供液管路、注水泵组集成系统和泵组控制系统；

[0051] 供气管路、供液管路分别连通液气混合器；

[0052] 远程控制系统包括若干不同传感器、执行器、信号远传、现场通信模块；远程控制系统可控制监控整套系统，且远程控制系统电连接注气阀组控制系统、注水泵组控制系统、
无线传输系统、安全预警及急停模块、液气混合器和喷射模块；

[0053] 数据采集系统无线连接无线传输系统；

[0054] 第一井为有钻杆井，第二井和第三井为空井，第一井的喇叭口处安装有变径装置，钻具顶部使用缩径短接；第二井和第三井套管上部均安装有变径装置。

[0055] 实施例2：

[0056] 与上述实施例不同之处在于，如附图1所示：整套系统设有一键启动装置，一键启动装置按照工艺参数要求，自动对注气阀组控制系统、注水泵组控制系统进行软启动，待压
力参数正常后，提示可进行井喷模拟操作。

[0057] 实施例3：

[0058] 与上述实施例不同之处在于，如附图1所示：整套系统综合运用物联网感知技术，对水泵组入口压力、水泵组出口压力、井口压力各个关键参数进行实时采集输入，对气阀组
进行远程控制输出，各类输入、输出实时参数通过远程控制系统汇总所有数据。

[0059] 实施例4：

[0060] 与上述实施例不同之处在于，如附图1所示：安全预警模块包括储水池液位超限报警、泵抽空报警、泵超压报警、停电报警和控制阀故障报警的功能。

[0061] 实施例5：

[0062] 与上述实施例不同之处在于，如附图4和附图5所示：第一井钻井井深15米，第二井和第三井钻井井深5米；

[0063] 第一井采用9 5/8″套管固井，井口安装9 5/8″套管接头；

[0064] 第二井采用9 5/8″套管固井，井口配置9 5/8″套管标准法兰；

[0065] 第三井采用9 5/8″套管固井，套管裸露出地面1.0米；

[0066] 套管侧壁均开设有套管侧孔。

[0067] 实施例6：

[0068] 与上述实施例不同之处在于，如附图10所示：喷射模块包括柱塞泵和喷头1，气液混合器连通柱塞泵，柱塞泵连通喷头1，喷头1安装于套管侧孔内。

[0069] 实施例7：

[0070] 与上述实施例不同之处在于，如附图11所示：喷头1包括内管2，内管2外套设有外管3，内管2与外管3之间设有若干滚珠通道4，滚珠通道4内均放置于滚珠5，外管3上端开设
有入口6，内管2下端开设有出口7，入口6与出口7连通，内管2内部上方安装有竖向的转轴8，
转轴8上同轴转动连接有若干扇叶9，扇叶9下方设有空腔10，空腔10下方固定连接有海绵体
11。

[0071] 具体实施过程如下：

[0072] 经过气液混合的流体通过套管测孔内的喷头1喷出，具体喷出过程为，流体通过外管3上端开设的入口6进入内管2，流体通过自由转动的扇叶9产生转动，由于内管2与外管3
之间通过滚珠5能够让内管2相对于外管3进行转动，流体进入空腔10随即被海绵体11吸收，
当海绵体11吸收饱和后海绵体11继续收到流体的挤压，将会有部分流体被挤出，被挤出的
流体通过内管2下端设有的出口7喷射出去，由于内管2的自转，喷射出去的流体会产生离心
力，当流体进入竖直的井内时，撞击井管内壁，形成乱流后从井口喷出，最大程度的模拟了
自然形成的井喷流体。

[0073] 本系统的实现逻辑如附图6所示，由气路、液路、液气混合器及配套的阀组及控制系统构成，气路包括空压机、储气罐和其连通气管上安装的阀组，阀组控制气体进入液气混
合器，液路包括由水泵将水池的储水抽吸到液气混合器，液气混合器连通四通管道，管道将
井喷流体输送进入第一井、第二井和第三井中。

[0074] 注气阀组控制系统如附图7和附图8所示，由空压机对储气罐加压，由注气阀组送入压缩空气，到液气混合器。

[0075] 注水泵组控制系统如附图9所示，由潜水泵将水池中的清水通过若干管道供入注水泵组，加压后送到液气混合器。

[0076] 本井喷模拟训练的控制系统在井喷演练过程中，单次演练井喷时间大于40分钟，井喷高度高于20米，井喷高度可调；系统能实现空井井喷和防喷器关闭后的钻具内喷；系统
具备在低温防冻功能。

[0077] 在供气管路中，由空压机对储气罐加压，根据预先设置的井喷时间及井喷目标高度，由注气阀组送入压缩空气，供液管路、水池中的清水由潜水泵供入注水泵组，设定井喷
参数，加压到指定压力后进入液气混合器，系统控制中的传感器、执行器、信号远传、现场通
信等模块控制各信号连接的元件，在控制室监控整套系统工作状态，可使用平板进行远程
控制。

[0078] 第一井口装置组合为：环形(FH35‑35)+FZ35‑70（31/2″半封）+2FZ35‑70（51/2″半封、下全封）+变径法兰+钻采一体化四通+套管头；钻杆采用51/2″钻杆。

[0079] 三口井空井井喷和第一井钻具水眼井喷。通过潜水泵从储水池吸水，输送至柱塞泵撬，加压后送到气液混合器，气液混合后从套管侧孔注入井里，模拟溢流、井喷两种工况。

[0080] 为探查井口缩径范围对井喷的喷高、喷口流速、井口压力、喷口流量、喷口处功率、钻杆上顶力和钻具重量的影响，设计了实验1和实验2：

[0081] 表1 不同井口缩径实验的井喷数据表

[0082] 实验 喷高 喷口流速m/井口压力 喷口流量m³/ 喷口处功率 钻杆上顶力 钻具重量m s MPa min KW KgF Kg
实验1：井口缩径5.5寸+5寸API加重钻杆内缩径20 19.8 0.196 3.7 12.2 243.5 683.3
1寸
实验2：井口缩径6寸+5寸API加重钻杆内缩径1 20 19.8 0.196 7.2 23.5 243.5 683.3
寸

[0083] 由对比实验1和实验2的数据表可知井口缩径范围为5.5‑6寸，钻杆内缩径为1寸时，均可达到20米喷高，且钻杆无顶出风险，是作为井口缩径的合适范围。

[0084] 为探查不同空井缩径对于喷口喷高、喷口流速、井口压力、喷口流量和喷口处功率的影响，设计下表中三组实验方案：

[0085] 表2 不同空井缩径实验方案的井喷数据表

[0086] 实验方案 喷高m 喷口流速m/s 井口压力MPa 喷口流量m³/min 喷口处功率KW一组：空井缩径至50mm 20 19.8 0.196 2.3 10.6
二组：空井缩径至60mm 20 19.8 0.196 3.4 15.3
三组：空井缩径至70mm 20 19.8 0.196 4.6 20.9

[0087] 由三组实验方案数据表数据对比可知，井口缩径范围为50‑70mm时，三组实验均可达到20米喷高，且喷口流量适合，50‑70mm是井口缩径的合适范围。

[0088] 变径装置中的第一井，根据参数，确定气路和液路各相关设备及参数后，并在第一井的喇叭口加装一变径装置，钻具顶部使用缩径短接，其结构如图4所示。对第二井、第三
井，需要在套管上部加装一变径装置，其结构如图5所示。

[0089] 整套系统由气路、液路、液气混合器及配套的阀组及控制系统构成，实现逻辑如附图2、附图6、附图7、附图8、附图9和附图10所示，注气系统由空压机对储气罐加压，由注气阀组送入压缩空气，到液气混合器，注水系统由潜水泵将水池中的清水供入注水泵组，加压后
送到液气混合器；注气阀组系统能够实现气路的开通和截止，同时通过倒换阀门，注气阀组
能够将气体导入液路管线，对管道进行吹扫，排水排污；喂水泵，注入水接入通过喂水泵从
消防水池中吸入。吸入水口安装液位检测器，系统会自动检测水池的液位是否满足吸水要
求，如果不满足要求，系统将自动禁止或停止运行；柱塞泵，变频柱塞泵为井喷系统提供主
压力，该泵与喂水泵联动，如入口流量不足、压力太低时，自动低速运行或停泵。变频柱塞泵
的基本参数：额定流量≥220 m3/h、额定压力：2MPa、水泵效率：＞90%、电源：3相、380V、
50HZ；注水阀组集成注水阀组控制液路管线，当压力过高，注水阀组能切换为旁通模式，返
入水池。

[0090] 以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还
可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实
施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书
中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。