海洋石油鉆機智能防噴器系統(tǒng)研究

高 強，田 媛，李宏婧，高俊微，楊松山

(東北石油大學(xué) 機械學(xué)院，大慶 163318 )

隨著陸地資源的日益枯竭，石油天然氣開采已經(jīng)逐漸由陸地轉(zhuǎn)移到海洋。海洋鉆井與陸地鉆井相比，環(huán)境更加艱苦，技術(shù)要求更高。海洋鉆采漏油事件頻繁發(fā)生，對人身財產(chǎn)照成巨大損失，并且造成了環(huán)境污染與油氣資源的浪費［1］。通過分析墨西哥灣漏油事件可知，造成事故主要原因是人為關(guān)閉防噴閥不及時。造成巨大人員傷亡，針對這種現(xiàn)象我們提出智能防噴系統(tǒng)。現(xiàn)在防噴器多采用液壓控制，為了確保使用要求，我們采用電-液控制系統(tǒng)。通過PLC 對井口實現(xiàn)控制與監(jiān)測。海洋石油鉆機如圖1 所示。

圖1 深水鉆井防噴器

1 防噴器結(jié)構(gòu)

防噴器組由環(huán)形防噴器與閘板防噴器組成。防噴器主要由殼體、油箱、活塞和閘板總成組成［2］。安裝時使用螺栓將防噴器底部的法蘭與井口的套管頭法蘭連接在一起。

1.1 環(huán)形防噴器

環(huán)形防噴器又稱萬能防噴器［3］，其工作原理為:關(guān)閉井口時，高壓的動力液進入到防噴器的關(guān)閉腔，液體壓力推動活塞向上運動，迫使密封膠芯封著管子外圍;當高壓動力液進入打開腔時，液壓力推動力推動活塞向下運動，讓密封膠芯回到原位置，防噴器被打開。環(huán)形防噴器如圖2 所示。

圖2 球形膠芯環(huán)形防噴器

1.2 閘板防噴器

雙閘板防噴器工作原理:對于收縮位置的兩個閘板通過液壓力同時向內(nèi)推移，使他卡緊在管柱外面而實現(xiàn)封閉井口。雙閘板防噴器有兩個油路，每個油路控制一個閘板總成，兩套閘板也不會同時工作。閘板總成也是可以替換的，安裝時不能上下倒置，因為閘板芯只能承受向上的壓力，特殊情況下，閘板關(guān)閉后，鉆桿接頭可以坐在閘板上。閘板防噴器如圖3 所示。

圖3 雙閘板防噴器

2 液壓防噴系統(tǒng)組成

2.1 單回路液壓控制系統(tǒng)

單路液壓控制系統(tǒng)如圖4 所示。所謂的單路控制是指每一個水下電磁閥在平臺控制柜上都有一個與其對應(yīng)的獨立的電信號傳輸路徑［4］。一個多芯的電纜可以提供多個信號傳輸路徑，而電纜的鎧裝就作為通常的接地回路。如果水下的需求功能點特別多的話，就需要有足夠多的電纜來傳輸控制信號。功能越多，控制電纜的直徑越大，纏繞電纜的滾筒的直徑就會越大，生產(chǎn)制造的成本也就越高。

液壓泵站的主要作用是提供工作所需的壓力油，主要由兩臺可靠性較高的液壓變量泵、限壓閥和各類液壓輔助元件組成。液壓控制元件包括各種所需的開關(guān)式壓力控制閥、流量控制閥、方向控制閥等，其作用是接收控制信號，從而控制執(zhí)行元件按要求完成各種動作。井口防噴裝置是該系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它以液壓防噴器為主，由密封液壓缸驅(qū)動密封膠心實現(xiàn)對管柱的密封。圖4 為液壓系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)由動力裝置和四個執(zhí)行單元組成。1 為電控電磁閥控制的雙閘板防噴器的驅(qū)動液壓缸;2 為舉升油缸;3 為控制油路油壓的液壓馬達;4 為控制環(huán)形防噴器通壓力油。

2.2 多回路液壓控制系統(tǒng)

多路液壓控制系統(tǒng)如圖5 所示。平臺控制柜通過一根光纜或者通訊電纜來傳輸全部的控制信號。控制信號經(jīng)過平臺上的多路控制系統(tǒng)連續(xù)化和編碼后，通過光纜或者電纜傳輸?shù)剿驴刂葡?，水下控制箱?nèi)的電子模塊將控制信號進行解碼，在功能執(zhí)行前要將信息重新傳遞校驗無誤后，控制相應(yīng)的電磁閥執(zhí)行功能。與單路電液控制系統(tǒng)相比，控制電纜或者光纜的數(shù)量減少許多，下放電纜的滾筒的體積也相應(yīng)的減少，從而能節(jié)約一定的成本，此外多路控制系統(tǒng)的邏輯電路還可以增加系統(tǒng)額外的安全性。

圖4 防噴器控制系統(tǒng)液壓原理圖

圖5 多路電液控制系統(tǒng)示意圖

3 防噴器組智能控制裝置

本課題的研究核心是人工智能裝置，我們可將CPU226 作為一個控制站，通過在井口處安裝甲烷氣體濃度傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器等實現(xiàn)對井口危險信號的實時檢測，并將其檢測信號輸入PLC 中，PLC 通過程序運算的結(jié)果來驅(qū)動防噴器，通過HMI 面板的實時顯示信息，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

PLC 可編程控制器是一種運算操作的電子系統(tǒng)［5］。它采用一類可編程的儲存器，用于內(nèi)部儲存程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)等面向?qū)ο蟮目刂浦噶?，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。PLC 是控制的核心部分，PLC 控制系統(tǒng)中的控制軟件具有編程靈活、容易修改，而且功能易于擴展，是一種柔性控制系統(tǒng)［6］。此外，其具有適應(yīng)能力強，抗干擾能力強，可靠性高的優(yōu)點。所以更適宜用于深水作業(yè)的惡劣環(huán)境。西門子S7 -200PLC 輸入輸出分配圖與程序控制梯形圖如圖6 和圖7 所示。

4 實驗室模擬運行

4.1 按設(shè)計進行接線

PLC 選用CPU 226 交流電源，擴展模塊選用EM231 RTD 模塊。首先將PLC 電源端口接入220v 交流電源，擴展模塊24 伏電源接入PLC;輸入端接入壓力傳感器，電源正極接PLC 的L+，負極接PLC 的M 端口。溫度傳感器接法是將EM231 的A +端子和a-端子相連，B+和b-端子相連，然后將溫度傳感器和甲烷氣體濃度傳感器的三線按照紅線接A +端子，藍線接B +端子，黑線接地連接。輸出端是三個電磁閥，分別接Q0.5、Q0.6、Q0.7 端口，另一端接交流電源一端，交流電源另一端接2L端口。

4.2 PLC 程序調(diào)試及運行

PLC［7］通過EM231 采集溫度信號和甲烷氣體濃度信號的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過AIW0 和AIW2 兩個地址傳給PLC，將采集來的數(shù)字信號和標定值比較，當溫度、甲烷濃度或壓力達到第一標定溫度值時Q0.5 導(dǎo)通常規(guī)閘板防噴器和環(huán)形防噴器關(guān)閉;當溫度、甲烷濃度或壓力到達第二標定值時，剪切閘板防噴器、常規(guī)閘板防噴器和環(huán)形防噴器都關(guān)閉。

5 結(jié)束語

與常規(guī)式防噴器組相比，智能防噴器組具有以下優(yōu)點:①由于智能防噴器控制系統(tǒng)利用PLC 作為控制器，響應(yīng)速度快，關(guān)閉及時，控制方便靈活;②智能防噴系統(tǒng)采用了甲烷氣體濃度傳感器，溫度傳感器，壓力傳感器作為控制信號采集裝置，可使系統(tǒng)控制準確、可靠;③智能防噴器系統(tǒng)采用遠程組態(tài)監(jiān)控，操作人員可遠離控制現(xiàn)場，并可做到提前預(yù)警，控制更加安全可靠。

［1］李博，張作龍.深水防噴器組控制系統(tǒng)的發(fā)展［J］.流體傳動與控制，2008(4):39.

［2］李誠銘.新編石油鉆井工程實用技術(shù)手冊［K］. 中國知識出版社，2006(8):737 -738.

［3］海洋鉆井手冊編審組.海洋鉆井手冊(下冊)［K］.北京:中國海洋石油總公司，1996.

［4］Stivers G S.Cameron Iron Works，Inc.Electro-Hydraulic Control Sysrems for Subsea Applications，SPE-European Spring Meeting，SPE3762，1972，3:1 -2.

［5］高鴻斌，孔美靜，赫孟合. 西門子PLC 與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［6］任偉紅，周洪，謝國勝，等. 基于西門子S7—226 PLC 分布式海關(guān)條碼監(jiān)控系統(tǒng)［J］. 微計算機信息，2001，17(4):10-11.

［7］陳新崗，彭杰，李樹仿.基于PLC 的XLPE 電纜在線監(jiān)測與故障診斷［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011(5):95 -99.