技术领域
[0001] 本实用新型涉及石油、
天然气钻井装备技术领域，特别涉及油气井钻井地面节流控制设备，是一种实现井底压
力控制的手动自动为一体的节流控制装置。
背景技术
[0002] 油气井钻井过程中，如果
地层孔隙压力大于井眼环空
钻井液的压力，地层
流体就会流入井筒，如果不加控制，就可能发展为井涌或者井喷，使钻井情况复杂化，甚至可能导致人员和设备的损害。传统的钻井的方式采用高
密度的钻井液体系，即使是在钻井液停止循环的时候也保持井筒静液柱压力大于地层孔隙压力，但是在地层孔隙压力-破裂压力窗口狭窄的情况下，开始钻井液循环后产生压力就有可能超过地层破裂压力，导致压垮井壁，而且在压力差的作用下，钻井液将进入地层使地层污染，影响油气藏的发现以及开采。随着对油气资源深入开发，需要油气井钻井进行精确的压力控制，以便实现在地层孔隙压力-破裂压力窗口狭窄的地层安全钻井的要求。传统的钻井压力控制装置为井控装置，由防喷器组、地面节
流管汇、液压控制台、液压站组成，没有自动控制系统，无法实现自动控制，仅能手动控制。井控装置只有当发生井下流体溢出，井筒内压力急剧升高时才会使用，而且必须配合加重钻井液工艺进行作业，替换出井眼中原有钻井液，在较长时间才能获得井筒内压力平衡，阻止地
层流体溢出，因而无法满足高
精度、稳定的、连续、自动节流的要求，无法实现在孔隙压力-破裂压力窗口狭窄的地质条件下安全钻井的要求。
[0003] 在地层孔隙压力-破裂压力窗口狭窄的地质条件下钻井要求必须进行钻井全过程压力控制，包括正常钻进、起下钻、接单根和换胶芯等各种钻井工况，保证无论是启动泥浆
泵进行钻井液循环还是停止泥浆泵不进行钻井液循环时，井底压力都要保持恒定，从而阻止地层流体溢出，保证钻井安全。而且通过控制井底压力，还可以达到减少井漏、井溢、压差卡钻等井下复杂情况和提高钻速的目的，大大减少非钻时间，减低钻井成本，提高钻井效益。
[0004] 压力控制钻井装备使用环境恶劣，例如：井下可能有易燃气体逸出，井口压力可能较高，由于泥浆泵启动、关闭、钻具运动，不同井型和钻井液可能井底压力
波动较快、较大，造成压力控制困难。因此，钻井全过程压力控制要求具备一套简单、安全、可靠的节流控制系统，要符合防爆等级、节流控制回路安全稳定控制、回压泵系统稳定工作以及节流
阀稳定工作、精确调节等技术要求，而且在自动控制系统失效时不影响节流控制作业，必须保留手动节流功能，需要根据各种钻井工况下制定压力控制流程，因此迫切需要一种完全符合上述技术要求的节流控制系统满足压力控制钻井发展的需求。实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的是：提供一种简单、可靠的手动自动为一体的节流控制装置，实现孔隙压力-破裂压力窗口狭窄的地质条件下安全钻井。
[0006] 本实用新型采用的技术方案是：一种手动自动为一体的节流控制装置，主要由动力源部分，平板阀控制部分，
节流阀控制部分三部分组成。动力源部分分别与压缩空气气源以及平板阀控制部分、节流阀控制部分连接；平板阀控制部分和节流阀控制部分与PC机(Personal Computer)连接。
[0007] 动力源部分的结构是：气体
截止阀的入口管线连接到压缩空气气源，气体截止阀的出口管线分成两路：一路连接节流阀控制部分的气体入口管线；另一路连接到气体
过滤器的入口管线，在气体截止阀和
气体过滤器之间安装有气体
安全阀和气体压力计。气体过滤器出口管线又分成两路，一路连接平板阀控制部分的入口端，另一路连接气体减压阀入口管线，气体减压阀的出口管线连接到气液泵的气体入口管线，气液泵的气体出口与大气相通。气液泵的液压油入口管线和手动泵的液压油入口管线相交合并连接到由液压油箱分出的两条液压油出口管线，每条液压出口管线都是由一个低压
球阀、一个吸油过滤器和一个低压球阀组成。气液泵的液压油出口管线和手动泵的液压油出口管线相交合并连接到节流阀控制部分的液压管线入口，从相交点到节流阀控制部分的液压管线入口这段管线上安装有液压安全阀、
活塞式
蓄能器和液压压力计。液压安全阀与液压回油管线相连，液压回油管线连接有过滤器返回液压油箱。
[0008] 平板阀控制部分的结构是：由动力源部分的压缩气体输出管线连接平板阀控制部分的气体入口管线，气体入口管线分成三路分别连接第一气控换向阀、第二气控换向阀和第三气控换向阀的气体入口管线，其中通过第一气控换向阀给平板阀控制部分中手动气控管线供气；通过第二气控换向阀给平板阀控制部分中自动气控管线供气，通过第三气控换向阀给
气动平板阀
气缸连续供气。
[0009] 第一气控换向阀的气体出口管线分别连接两个相同的按钮气体换向阀，再连接到第三气控换向阀的气控端，其中一个控制气动平板阀气缸的关闭动作，另一个控制气动平板阀气缸的打开动作；第二气控换向阀的出口管线分别连接两个相同的气体电磁换向阀，再连接到第三气控换向阀的气控端，其中一个控制气动平板阀气缸的关闭动作，另一个控制气动平板阀气缸的打开动作。第三气控换向阀连接气动平板阀气缸，控制其关闭和打开的气体控制回路。从PC机输出的控制
信号线路直接连接到两个气体电磁换向阀的电控端。
[0010] 节流控制部分的结构是：动力源部分压缩气体输出的气体截止阀连接节流控制部分的模式转
换气阀气体入口管线，在气体截止阀到模式转换气阀之间的管线中安装有气体压力计、气体安全阀和气体过滤器。模式转换气阀气体出口管线分别连接到第一气液换向阀、第二气液换向阀的气控端和平板阀控制部分的第一气控换向阀和第二气控换向阀的气控端。在模式转换气阀到第一气液换向阀之间的管线上安装有气体压力继电器，第一气液换向阀液压入口管线连接节流阀控制部分的液压管线入口，并且第一气液换向阀与手动换向阀和
叠加双液控
单向阀连接，再经过高压胶管总成与节流阀双向
液压泵连接；第一气液换向阀液压出口管线连接节流阀控制部分的液压管线出口，乏动力液返回动力源部分的液压油箱。第二气液换向阀液压入口管线体线连接节流阀控制部分的液压管线入口，并且第二气液换向阀与液压电磁换向阀连接，再经过高压胶管总成27与节流阀双向液压泵连接；第二气液换向阀液压出口管线连接节流阀控制部分的液压管线出口，返回动力源部分的液压油箱。从PC机输出的
控制信号线路直接连接到液压电磁换向阀的电控端。
[0011] 简述手动自动为一体的节流控制装置的使用。参阅图2。将钻井压力控制流程分为三个典型工况分别进行控制，即：正常钻进控制流程、停止泥浆泵37过程控制流程和启动泥浆泵37过程控制流程。其中，正常钻进控制流程，首先打开第二气动平板阀31和第一液控节流阀33通道，然后采集井底压力、井口压力，实时
水力模型计算、预
测井底压力和井口回压，再调节第一液控节流阀33的开度，使第一液控节流阀33阀前压力等于预测井口回压值，保持井底压力恒定；停止泥浆泵37过程控制流程，首先需要启动回压泵36，并调节第三液控节流阀35开度，使第三液控节流阀35阀前压力等于第一液控节流阀33前压力，然后打开第一气动平板阀30使回压泵36与井口返回管线连通，第一液控节流阀33迅速关闭，第二气动平板阀31关闭，然后停止泥浆泵37并迅速调节第三液控节流阀35开度，使第三液控节流阀35前压力等于计算校正的井口回压值，保持井底压力恒定；启动泥浆泵37过程控制流程，首先需要启动泥浆泵37，然后第二气动平板阀31和第一液控节流阀33快速打开使节流管汇系统与井口返回管线连通，快速调节第三液控节流阀35开度，降低第三液控节流阀35前压力，使之等于正常钻进时井口回压，保持井底压力恒定，然后关闭第一气动平板阀30使回压泵36系统与井口返回管线断开，最后关闭回压泵36。第三气动平板阀32到第二液控节流阀34通道是第二气动平板阀31到第一液控节流阀33通道的备用通道，在第二气动平板阀31或第一液控节流阀33发生故障不能操作时，启用第三气动平板阀32和第二液控节流阀34。
[0012] 本实用新型的有益效果：本实用新型手动自动为一体的节流控制装置有以下优点：
[0013] 1、通过自动与手动两套完全独立控制系统进行井底压力控制，在装备各部件都正常工作的条件下，按照自动节流控制流程进行自动控制，一旦自动控制系统失效，
马上切换到手动控制，根据立管压力和井口回压的显示，调节节流阀的开度进行压力控制，保证了节流控制作业的连续性，减少了井下复杂事故发生的可能。
[0014] 2、将复杂节流控制工艺简化为正常钻进、启动泥浆泵和停止泥浆泵三个典型工况控制，控制思路更加明确，效率更高。
[0015] 3、动力源是气源，通过气液泵驱动液压油控制节流阀的开度，而气液泵具有无火花及不发热的特性，因此具有良好的防爆性。
[0016] 4、节流回路控制都是使用气动平板阀，减少了液压站的负担，也减少液压站的规模，使装置更精简。
[0017] 5、具备手动泵，以便气液泵失效时紧急液压控制，通过人工驱动
手柄上下摆动，带动
柱塞往复运动，将人工动力转换为液体压力驱动液动节流阀和平板阀工作，保证节流工作顺利进行。
附图说明
[0018] 图1是本实用新型手动自动为一体的节流控制装置结构示意图。虚线表示气控管线；实线表示液控管线。
[0019] 图2是手动自动为一体的节流控制装置的使用示意图
[0020] 1001.动力源部分，1002.平板阀控制部分，1003.节流阀控制部分。1.液压油箱，2.低压球阀，3.吸油过滤器，4.手动泵，5.气液泵，6.气体减压阀，7.气体过滤器，8.气体安全阀，9.气体压力计，10.气体截止阀，11.活塞式蓄能器，12.液压压力计，13.液压安全阀，14.回油过滤器；15.第一气控换向阀，16.第二气控换向阀，17.按钮气体换向阀，
18.气体电磁换向阀，19.第三气控换向阀，20.气动平板阀气缸；21.模式转换气阀，22.气体压力继电器，23.第一气液换向阀，24.手动换向阀，25.叠加双液控单向阀，26.节流阀双向液压泵，27.高压胶管总成，28.液压电磁换向阀，29.第二气液换向阀，30第一气动平板阀，31.第二气动平板阀，32.第三气动平板阀，33.第一液控节流阀，34.第二液控节流阀，
35.第三液控节流阀，36.回压泵，37.泥浆泵，38.泥浆罐。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图，对本实用新型进行详细的描述。
[0022] 参阅图1，本实用新型手动自动为一体的节流控制装置的一个动力源部分，是手动自动为一体的节流控制装置的动力部分，由气源压力、液压压力两个关键的技术参数控制。设计的气源压力为0.6～0.8MPa，液压压力为10.5MPa。
[0023] 由动力源部分1001、平板阀控制部分1002和节流阀控制部分1003组成。动力源部分分别与压缩空气气源以及平板阀控制部分1002、节流阀控制部分1003连接；平板阀控制部分1002和节流阀控制部分1003与PC机连接。
[0024] 在动力源部分1001中，气体截止阀10的入口管线连接压缩空气气源，出口管线分成两路：一路连接节流阀控制部分1003的气体管线入口；另一路连接到气体过滤器7的入口管线，在气体截止阀10和气体过滤器7之间安装有气体安全阀8和气体压力计9，保护气路管线安全和测量线路压力。气体过滤器7出口管线又分成两路，一路连接平板阀控制部分1002的入口端，另一路连接到气体减压阀6入口管线，气体减压阀6的出口管线连接到气液泵5的气体入口管线，使气体压力达到设定的0.6～0.8MPa进入气液泵5，从而保证气液泵5输出的液压值达到10.5MPa。气液泵5的气体出口与大气相通。气液泵5的液压油入口管线和手动泵4的液压油入口管线相交合并连接到由液压油箱1分出的两条液压油出口管线，每条液压出口管线都是由一个低压球阀2、一个吸油过滤器3和一个低压球阀2组成。气液泵5的液压油出口管线和手动泵4的液压油出口管线相交合并连接到节流阀控制部分1003的液压管线入口，从相交点到节流阀控制部分1003的液压管线入口这段管线上安装有液压安全阀13、活塞式蓄能器11和液压压力计12。气液泵5和手动泵4的并联连接，可以保证即使气液泵5工作失效时，启动手动泵4工作保证液压系统的正常工作；活塞式蓄能器11则可让保证液压系统的压力稳定；液压安全阀13并与液压回油管线相连，经回油过滤器14返回液压油箱1，可以保证液压系统发生堵塞时，液压油可以回到液压油箱1中。
[0025] 在平板阀控制部分1002中，由动力源部分1001输出的压缩气体进入平板阀控制部分1002的气体管线入口，然后分成三路分别连接第一气控换向阀15、第二气控换向阀16和第三气控换向阀19的气体入口管线，其中通过第一气控换向阀15给平板阀控制部分
1002中手动气控管线供气，通过第二气控换向阀16给平板阀控制部分1002中自动气控管线供气，通过第三气控换向阀19给气动平板阀气缸20连续供气，使第一气动平板阀30、第二气动平板阀31、第三气动平板阀32可以保持开或者关。第一气控换向阀15的气体出口管线分别连接两个相同的按钮气体换向阀17，再连接到第三气控换向阀19的气控端，其中一个控制气动平板阀气缸20的关闭动作，另一个控制其打开动作；第二气控换向阀16的出口管线分别连接两个相同的气体电磁换向阀18，再连接到第三气控换向阀19的气控端，其中一个控制气动平板阀气缸20的关闭动作，另一个控制其打开动作。第三气控换向阀19连接气控终端——气动平板阀气缸20，控制其关闭和打开的气体控制回路。从PC机输出的控制信号线路直接连接到两个气体电磁换向阀18的电控端。
[0026] 当选择手动控制时，模式转换气阀21控制气源与第一气控换向阀15，第二气控换向阀16接通，第二气动换向阀16换向，压缩空气通过第一气控换向阀15进入两个按钮气体换向阀17，选择其一控制第三气控换向阀19换向，控制气动平板阀气缸20的动作，进行第一气动平板阀30、第二气动平板阀31或第三气动平板阀32的开或关；当选择自动控制时，第一气控换向阀15
弹簧恢复原位，手动控制环路切断，第一气动换向阀15弹簧恢复原位，气路接通，压缩空气由第二气动换向阀16进入两个气体电磁换向阀18，通过PC机的自动控制系统选择其中一个控制第三气控换向阀19换向，控制气动平板阀气缸20的动作，进行第一气动平板阀30、第二气动平板阀31或第三气动平板阀32的开或关。
[0027] 在节流控制部分1003中，由动力源部分1001输出的压缩气体由节流控制部分1003的气体入口管线连接到模式转换气阀21气体入口管线，在此段管线中安装了气体压力计9、气体安全阀8和气体过滤器7，功能同动力源部分1001的安排。模式转换气阀21气体出口管线分成三路，分别连接到第一气液换向阀23，第二气液换向阀29的气控端和平板阀控制部分1002的第一气控换向阀15、第二气控换向阀16的气控端。在模式转换气阀21和第一气液换向阀23之间上安装气体压力继电器22，第一气液换向阀23液压入口管线体线连接节流阀控制部分1003的液压管线入口，然后与手动换向阀24和叠加双液控单向阀
26连接，再经过高压胶管总成27与节流阀双向液压泵26最终连接；第一气液换向阀23液压出口管线连接节流阀控制部分1003的液压管线出口，返回动力源部分1001的液压油箱
1。第二气液换向阀29液压入口管线体线连接节流阀控制部分1003的液压管线入口，然后与液压电磁换向阀28连接，再经过高压胶管总成27与节流阀双向液压泵26最终连接；第二气液换向阀29液压出口管线连接节流阀控制部分1003的液压管线出口，返回动力源部分1001的液压油箱1。从PC机输出的控制信号线路直接连接到液压电磁换向阀28的电控端。
[0028] 当选择手动控制时，模式转换气阀21控制气源与第一气液换向阀23，第二气液换向阀29接通，压缩气体通过第一气液换向阀23排空，第一气液换向阀23换向，液压油通过第一气液换向阀23进入手动换向阀24，经过叠加双液控单向阀26和高压胶管总成27，到达节流阀双向液压泵26，第一液控节流阀33或第二液控节流阀34或第三液控节流阀35的开度，使用叠加双液控单向阀26可以节流阀开度保持一定；当选择自动控制时，第一气液换向阀23弹簧恢复原位，液压油路切断，第二气液换向阀29弹簧恢复原位，液压油气动由第二气液换向阀29进入液压，通过高压胶管总成27，到达节流阀双向液压泵26，通过PC机的自动控制系统控制电磁换向阀28换向第一液控节流阀33或第二液控节流阀34或第三液控节流阀35的开度。在进行手动/自动选择时，选择状态通过气体压力继电器22的
开关量
电信号提供PC机的自动控制系统现实说明。
[0029] 参阅图2，一种手动自动为一体的节流控制装置是为了井底恒压控制系统提供设备控制目的，泥浆泵37入口管线与泥浆罐38连接，出口管线通过
钻柱经井底返回地面，井口返回管线分为并联的两路，一路是由第二气动平板阀31和第一液控节流阀33
串联，另一路是由第三气动平板阀32和第二液控节流阀34串联，此路作为备用，在第一液控节流阀33失效时启动。此后两路合并返回泥浆罐38。在泥浆泵37停止时，启动回压泵36，回压泵36的入口管线连至泥浆罐38，出口管线分为两路，一路通过第一气动平板阀30与井口返回管线相连，另一路经第三液控节流阀35返回泥浆罐38。第一气动平板阀30、第二气动平板阀31和第三气动平板阀32执行动作受动力源部分1001、平板阀控制部分1002控制；第一液控节流阀33、第二液控节流阀34和第三液控节流阀35执行动作受动力源部分1001、节流阀控制部分1003控制。
