地面防噴器控制裝置研制方案

引言
在石油天然氣鉆井和修井施工作業過程中,為避免發生井噴等失控事故,需要在作業的井口上安裝一套防噴器組,當井內出現溢流、井涌等突發情況時可快速、及時地關閉井口,防止井噴等事故的發生。
防噴器是用于試油、修井、完井等作業過程中關閉井口,防止井噴事故發生,將全封和半封兩種功能合為一體,具有結構簡單,易操作,耐壓高等特點,是油田常用的防止井噴的安全密封井口裝置。 
石油鉆井時,防噴器安裝在井口套管頭上,用來控制高壓油、氣、水的井噴裝置。在井內油氣壓力超標時,從鉆桿內壓入重泥漿,利用閘板下四通閥門,替換出氣侵泥漿,增加井內液柱的壓力,以壓住高壓油氣的噴出,把井口封閉(關死)。
防噴器的控制有兩種方式,現場的機械控制需要旋轉手輪完成(僅在防噴器控制裝置失效時緊急使用),遠程控制通過地面防噴器控制裝置的液壓系統驅動防噴器的閘板動作。地面防噴器控制裝置的動作也分本地和遠程控制,本地控制在控制裝置本體上,通過兩位三通閥實現液路的通斷,再驅動防噴器動作。遠程控制是通過電控氣,氣路的通斷可以實現兩位三通閥連接氣缸的動作,氣缸帶動兩位三通閥的動作,從而實現對防噴器的控制。
地面防噴器控制裝置是控制井口防噴器組及液動節流閥、壓井閥的重要設備,是鉆井、修井作業中不可缺少的裝置。地面防噴器控制裝置是鉆修井作業過程中不可缺少的安全設備,發生井噴或井涌時,一般是依靠地面防噴器控制裝置的遠控系統控制防噴器動作,達到控制井噴的目的[1]。若遠控系統不能對防噴器進行操作,則應在就地操作防噴器控制裝置。當防噴器控制裝置失效時,只能通過機械手段手動關閉防噴器。而手動控制需要在危險區操作,安全性難以到的保障。因此,設計研發一套安全可靠、方便快捷的地面防噴器控制裝置的遠控系統就顯得尤為重要。防噴器控制遠程的遠程電控系統要求工作可靠,控制動作時間短,具備各級報警和壓力顯示,控制手柄的位置指示等,本文論述的地面防噴器控制裝置遠控系統完全具備了以上這些特點。

2  地面防噴器控制裝置系統總體設計
防噴器地面控制裝置遠控系統包括各類傳感器、信號處理系統、西門子S7-300PLC及ET200M、輸入輸出模塊、PROFIBUS-DP總線、電磁線圈、氣控閥件、按鈕開關、數碼管、聲光報警器等。

3 地面防噴器控制裝置 系統硬件設計
該系統可實現地面防噴器控制裝置的遠程電控氣控液,對防噴器動作進行控制。
3.1  電氣控司鉆控制系統工作原理[2]
電氣控司鉆控制系統主要是采用SIEMENS S7-300系列PLC控制器、 Profibus-DP擴展模塊和Profibus-DP總線網絡通訊協議,使得信號通過PLC控制位于地面防噴器控制裝置上的三位四通電磁閥(氣控閥)進行換向,該動作使得壓縮空氣進入對應控制回路的控制氣缸,從而以達到控制三位四通轉閥換向的目的。另外該系統還通過PLC控制技術實現對儲能器壓力過低、空氣壓力過低、油箱液位過低和控制系統使用備用電源的聲、光報警功能。

3.2  報警系統電氣原理
本次報警系統共有7個數字量輸入點和9個數字量輸出點。每當一路報警開關閉合后,司鉆控制系統上相應的報警燈即亮,同時電鈴響。當按下消音鍵后,司鉆控制系統上電鈴停止響,而相應的報警燈仍然保持亮的狀態,直到報警的原因消除后,報警燈才滅。當按下測試按鈕時,報警燈、電鈴都將動作,以檢驗報警系統是否處于正常的工作狀態。

報警系統數字量輸入點:
(1)-氣源壓力開關量,(2)-蓄能器壓力開關量,(3)-油箱液位開關量,(4)-備用電源使用開關量;
地面防噴器控制裝置上的數字量輸出點:
①-油箱液位低報警燈,②-蓄能器壓力低報警燈,③-氣源壓力低報警燈,④-備用電源(UPS)使用指示燈,⑤-報警電鈴;
司鉆控制系統上的數字量輸出點:
⑥-油箱液位低報警燈,⑦-蓄能器壓力低報警燈,⑧-氣源壓力低報警燈,⑨-報警電鈴
3.3  在地面防噴器控制裝置上需要安裝的硬件
a)   在地面防噴器控制裝置的本體上安裝裝油箱液位計1個、氣馬達調壓閥1個(及相關配套的快速排氣閥、消聲器)、壓力傳感器4個(分別為蓄能器壓力、管匯壓力、環形壓力、氣源壓力)、隔爆微動開關(即位置傳感器)八個(包含旁通上的兩支);
b)   設計、安裝三位四通電磁閥(氣控閥),并進行控制電纜和信號氣管線的連接;
c)   設計、制造、安裝備用電源箱、EXd隔爆型組合控制柜(內安裝PLC控制器、擴展模塊等),并分別進行電源線、信號線的連接;
d)  設計、制造、安裝電氣控司鉆控制臺和輔助控制臺,并采用船用雙護鎧四芯電纜和標準西門子FC信號電纜與EXd隔爆型組合控制柜相連接;
電氣控司鉆控制系統,不僅大大縮短了控制時間,而且具備了聲、光報警功能,同時增配了輔助控制臺,實現了地面防噴器控制裝置的本地控制、司鉆控制及監督值班室控制的三地控制。

4  軟件系統設計
SIEMENS S7-300PLC是地面防噴器控制裝置遠控系統的核心器件,它是遠控系統軟件的載體。本系統軟件設計采用西門子可編程邏輯控制器通用梯形圖語言編寫。監控系統軟件的主要功能包括傳感器數據的讀取、信號采集處理、輸出開關信號、信息儲存及通信等。
本監控系統的軟件主程序流程如圖7所示。開機初始化后,即循環執行功能模塊。此流程中只列出了一些主要的軟件結構模塊,詳細的軟件組織在此不再贅述[3]。

5 電控氣遠控系統的主要特點
a)   該系統主要是采用SIEMENS PLC控制,各個控制臺之間采用專用信號電纜連接,工作穩定、可靠。
b)   該系統的控制速度較氣控遠程司鉆控制系統有了很大的提高。改為電控后,閥體相應動作時間不c) 超過1秒,可在最短時間內實現對防噴器的控制,保障現場設備和人員的安全。
d)   實現了聲、光報警功能:通過隔爆型壓力傳感器及液位傳感器設置了蓄能器壓力低、氣源壓力低、油箱液位高和油箱液位低、備用電源(UPS)使用報警。其中對油箱液位的報警,實現了蓄能器壓力與液位報警上、下限的關聯,使得報警點的選取更趨合理。
e)   遠程控制臺、司鉆控制臺和輔助控制臺均可顯示控制狀態和壓力值,有狀態指示燈,可以明確指示各開關的狀態。
f) 配有備用電源(UPS),即使在斷電的情況下,在大容量后備l) 電源的支持下,系統控制部分仍然可以工作2小時以上。
m)  避免了手柄誤動作的可能性,使用連鎖按鈕,增強了其可靠性和防誤動作性。
n)   環形防噴器的控制壓力實現了遠程調節,可在遠程控制臺上通過電子按鈕實現壓力的調節,從10-15MPa。

6  結束語
在現場使用中,該系統安全可靠、工作穩定、操作便捷,得到了現場使用人員的好評,并于2011年4月份要求對QK17-2、SZ36-1B等6個平臺的地面防噴器控制裝置的氣控司鉆控制系統進行升級改造,表明了本次改造是成功的。因此,利用科學的方法對設備進行改造,使老設備煥發新的生命力,是油田降本增效的一個有效途徑。