電控型地面防噴器控制裝置研制

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(1.河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552；2.中國石油物資公司，北京 1000293.中國石油西部鉆探工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834009)①

石油、地質(zhì)、礦業(yè)等領(lǐng)域的鉆井作業(yè)中，當(dāng)鉆柱中的鉆井液柱壓力低于地層流體壓力時，就有發(fā)生井涌、甚至井噴的危險。為了防止井涌和井噴的發(fā)生，井口的地面需安裝防噴器，通過地面防噴器控制裝置控制防噴器，使其及時關(guān)閉[1]?，F(xiàn)有地面防噴器控制裝置一般由遠(yuǎn)程控制臺、司鉆控制臺組成，其司鉆控制裝置與遠(yuǎn)程控制裝置之間通過多條壓縮空氣管線相接，通過氣管線中的壓縮空氣驅(qū)動遠(yuǎn)程控制臺上的轉(zhuǎn)閥動作，從而控制液壓油驅(qū)動防噴器動作[2-3]。由于氣管線的連接管路較為復(fù)雜，管路長度比較長，加之壓縮空氣流動較慢，導(dǎo)致控制的滯后時間比較長。

實際鉆井中對防噴器控制的主要要求為關(guān)閉響應(yīng)時間，即從功能啟動到防噴器完全關(guān)閉的時間?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求關(guān)閉閘板防噴器的時間不超過30 s，小于463.55 mm(18英寸)的環(huán)形防噴器的關(guān)閉時間不超過30 s，大于463.55 mm(18英寸)的環(huán)形防噴器關(guān)閉時間不超過45 s?，F(xiàn)有氣控型控制裝置的控制滯后時間約為3 s，占到了關(guān)閉響應(yīng)時間的10%。因此，縮短控制滯后時間就成了提高地面防噴器控制裝置性能的有效途徑。

此外，其受環(huán)境溫度的影響較大，當(dāng)溫度低于零度時，氣管線內(nèi)凝結(jié)的水會結(jié)冰導(dǎo)致管線堵塞，致使控制失靈，威脅井控安全[4]。另外，采用氣控方式，在司鉆控制臺上不能及時且真實的顯示轉(zhuǎn)閥位置，影響操作人員對當(dāng)前鉆井工況的判斷。

目前，已有其他廠家研發(fā)生產(chǎn)出電控型地面防噴器控制裝置。這些控制裝置在遠(yuǎn)程控制臺和司鉆控制臺均安裝有PLC裝置，PLC之間使用通信電纜進(jìn)行控制信號和狀態(tài)信號的傳輸，代替氣管纜實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制臺和司鉆控制臺之間的控制信號的傳輸。解決了控制氣管纜結(jié)冰堵塞導(dǎo)致控制失靈的問題[5]。但是，這些電控型液控裝置都使用電磁閥控制氣缸驅(qū)動轉(zhuǎn)閥動作，使用氣馬達(dá)驅(qū)動環(huán)形防噴器調(diào)壓閥調(diào)壓，依舊沒有完全擺脫對壓縮空氣的依賴，只是降低了因水汽凝結(jié)結(jié)冰造成裝置失效的幾率[6]。

針對以上問題，研發(fā)了由電磁鐵驅(qū)動轉(zhuǎn)閥，電動機(jī)驅(qū)動環(huán)形防噴器調(diào)壓閥，PLC控制的數(shù)字化純電控型地面防噴器控制裝置，完全不使用壓縮空氣，徹底消除了低溫對地面防噴器控制裝置使用的影響，拓展了地面防噴器控制裝置的使用時間和地理范圍。

1 系統(tǒng)組成

電控型地面防噴器控制裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。遠(yuǎn)程控制臺主要由油箱及附件，高壓管匯及儀表、各種傳感器、“電磁鐵-轉(zhuǎn)閥組”、環(huán)形BOP電手動調(diào)壓閥、蓄能器、電控箱、電磁鐵驅(qū)動控制箱等系統(tǒng)組成，是完成防噴器控制的核心部分。司鉆臺由PLC、觸摸屏和按鈕指示燈等組成，現(xiàn)場操作人員使用司鉆臺來遠(yuǎn)程操作地面防噴器控制裝置。電控箱內(nèi)部的核心部件的核心為PLC，用來處理司鉆臺發(fā)出的操作指令和控制遠(yuǎn)控臺上各部件的工作。電磁鐵驅(qū)動控制箱內(nèi)部安裝電磁鐵的驅(qū)動器，按照電控箱發(fā)出的控制信號來驅(qū)動電磁鐵的動作。

1—遠(yuǎn)程控制臺；2—電手動調(diào)壓閥；3—副司鉆面板；4—觸摸屏；5—電磁鐵驅(qū)動控制箱；6—電控箱；7—電磁鐵-轉(zhuǎn)閥組；8—主司鉆面板。

2 工作原理

電控型地面防噴器控制裝置的架構(gòu)如圖2所示。司鉆臺安裝在鉆臺或司鉆室內(nèi)，司鉆臺和遠(yuǎn)程控制臺之間通過現(xiàn)場通信總線進(jìn)行連接，用來在司鉆臺和遠(yuǎn)控臺之間雙向傳輸控制信號和反饋信號。

當(dāng)現(xiàn)場工作人員需要打開或關(guān)閉防噴器時，通過司鉆臺上的觸摸屏和按鈕發(fā)出指令，司鉆臺內(nèi)的PLC采集到操作信號后，進(jìn)行編碼后通過現(xiàn)場總線將操作指令傳輸至遠(yuǎn)程控制臺的電控箱，線控箱內(nèi)的PLC將指令解碼后按指令控制相關(guān)部件進(jìn)行動作，來實現(xiàn)工作人員操作的功能。

遠(yuǎn)控臺電控箱內(nèi)的PLC采集現(xiàn)場壓力傳感器信號和轉(zhuǎn)閥開關(guān)位置接近信號，編碼后通過現(xiàn)場總線反饋至司鉆臺，司鉆臺內(nèi)的PLC將信息解碼后通過觸摸屏和指示燈等進(jìn)行顯示，使工作人員能了解現(xiàn)場設(shè)備的實時參數(shù)和對操作指令的執(zhí)行情況。

圖2 電控型地面防噴器控制裝置控制系統(tǒng)原理

3 電控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電控原理

電控系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程控制臺電控部分和司鉆臺(或輔助控制臺)電控部分，遠(yuǎn)控臺電控部分采用西門子S7-200 型PLC作為核心，配備相應(yīng)的數(shù)字量和模擬量I/O模塊和執(zhí)行驅(qū)動電氣元件，實現(xiàn)對遠(yuǎn)程控制臺上的推拉電磁鐵、環(huán)形BOP電手動調(diào)壓閥以及液壓油泵的控制，采集壓力傳感器及轉(zhuǎn)閥位置接近開關(guān)的信號。從而實現(xiàn)對兩位三通轉(zhuǎn)閥、三位四通轉(zhuǎn)閥的開關(guān)控制，環(huán)形BOP調(diào)壓控制，油泵自動起?？刂埔约盃顟B(tài)信號采集等功能。司鉆臺(或輔助控制臺)電控系統(tǒng)由S7-200型PLC和觸摸屏組成，負(fù)責(zé)采集操作信息及顯示系統(tǒng)狀態(tài)、報警信息。遠(yuǎn)控臺PLC和司鉆臺(或輔助控制臺)PLC之間使用通信電纜連接，組成現(xiàn)場總線通訊系統(tǒng)(西門子S7通訊)，負(fù)責(zé)在遠(yuǎn)控臺和司鉆臺(或輔助控制臺)之間傳輸操作及狀態(tài)信息[5]。當(dāng)需要操作防噴器時，在司鉆面板上按下相應(yīng)的按鈕或點(diǎn)擊觸摸屏，操作信息通過現(xiàn)場總線傳輸至遠(yuǎn)控臺PLC，遠(yuǎn)控臺PLC根據(jù)收到的操作指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。遠(yuǎn)控臺PLC采集當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括各轉(zhuǎn)閥的位置、蓄能器系統(tǒng)的壓力、匯流管壓力、環(huán)形壓力、溫度、電參數(shù)等信號，將這些狀態(tài)信號通過工業(yè)總線實時傳輸至司鉆臺(或輔助控制臺)，并在觸摸屏上顯示出來[7]。

司鉆臺(或輔助控制臺)上的觸摸屏除了能顯示系統(tǒng)的狀態(tài)及報警信息外，還具有設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的功能。通過觸摸屏上可以對當(dāng)前使用的防噴器組的形式進(jìn)行設(shè)定和修改，使用者可以根據(jù)不同鉆井階段防噴器的配置來選擇不同的組合，增加了系統(tǒng)使用的靈活性。設(shè)置主油泵的起停壓力值，實現(xiàn)油泵起停的自動控制，相比采用壓力控制器的方式，更加方便、快捷、準(zhǔn)確。設(shè)置各壓力和溫度信號的報警值，實現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的超限報警，防止危險工況的發(fā)生。系統(tǒng)能記錄壓力和溫度值的實時趨勢曲線，通過曲線，可以觀察到蓄能器、匯流管壓力、環(huán)形壓力以及溫度的變化趨勢，幫助分析系統(tǒng)的工作狀況。系統(tǒng)具備用戶權(quán)限管理功能，不同級別的用戶可以有不同的操作權(quán)限，用戶使用自己的用戶名和密碼登錄后，可以進(jìn)行自己權(quán)限內(nèi)的操作，配置時增加了用戶密碼，確保了系統(tǒng)操作的安全性。電控系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 電控系統(tǒng)原理

3.2 防爆牽引電磁鐵

本裝置采用防爆推拉式電磁鐵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的氣缸對轉(zhuǎn)閥進(jìn)行操作，“電磁鐵-轉(zhuǎn)閥組”的結(jié)構(gòu)如圖4所示。防爆推拉式牽引電磁鐵系專門為地面防噴器控制裝置的應(yīng)用所研制，工作方式區(qū)別于傳統(tǒng)電磁鐵，工作模式為短時高輸出模式，特別適合于地面液控的控制要求。該電磁鐵由線圈、動鐵芯和靜鐵芯電源控制器等組成，應(yīng)用了螺旋管的漏磁通原理，利用電磁鐵動鐵芯和靜鐵心長距離吸合來實現(xiàn)牽引桿的直線往復(fù)運(yùn)動[8]，行程55 mm，牽引力800 N。電磁鐵的控制形式采用了交流-直流控制[9]，具有大功率啟動、小功率維持的特點(diǎn)，永不燒線圈的特點(diǎn)。當(dāng)操作電磁鐵時，電磁鐵大功率輸出30 ms時間，將轉(zhuǎn)閥牽引到位，然后轉(zhuǎn)為小功率維持一定牽引力，保持當(dāng)前的動作位置，操作頻次可達(dá)到60 min-1。 防爆牽引電磁鐵動鐵芯前端與三位四通轉(zhuǎn)閥手柄下端相連，當(dāng)防爆牽引電磁鐵得到控制信號時，動鐵芯伸縮帶動轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)相應(yīng)的液壓管路通斷，轉(zhuǎn)閥的開關(guān)位置由接近開關(guān)反饋給主控制箱內(nèi)的PLC可編程控制器，顯示在司鉆臺(或輔助操作臺)的觸摸屏上。電信號的傳輸延遲非常低，電磁鐵動作時間也非常快，因此該控制方式大幅縮短了控制滯后時間，從傳統(tǒng)液控的3 s鐘左右降低為0.5 s左右。由于不使用壓縮空氣，從根本上解決了氣管可能因水氣凝結(jié)結(jié)冰而堵塞，導(dǎo)致控制失靈的問題。

1—轉(zhuǎn)閥的油口；2—轉(zhuǎn)閥；3—牽引電磁鐵。

3.3 環(huán)形BOP防爆電手動調(diào)壓閥

傳統(tǒng)的地面防噴器控制裝置環(huán)形防噴器調(diào)壓是通過氣手動調(diào)壓閥或氣馬達(dá)驅(qū)動的調(diào)壓閥來實現(xiàn)的，調(diào)壓依賴壓縮空氣。本電控地面防噴器控制裝置為了能夠徹底擺脫對壓縮空氣的依賴，減少氣源對控制裝置的影響，并提高控制的響應(yīng)速度，專門研制了由直流24 V防爆電機(jī)驅(qū)動的調(diào)壓閥來實現(xiàn)環(huán)形BOP開關(guān)壓力的調(diào)節(jié)，當(dāng)電源失效時，調(diào)壓閥通過蝸輪蝸桿自鎖機(jī)構(gòu)保持調(diào)定的壓力不變。

電手動調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)司鉆臺發(fā)出調(diào)節(jié)BOP關(guān)閉壓力的指令后，電控系統(tǒng)驅(qū)動直流防爆電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)減速后帶動驅(qū)動套旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動套帶動調(diào)節(jié)桿及手輪旋轉(zhuǎn)，達(dá)到調(diào)節(jié)閥芯的目的，實現(xiàn)BOP控制壓力的調(diào)節(jié)?？刂齐姍C(jī)的正反轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)升壓和降壓的調(diào)節(jié)。除了在司鉆臺上遠(yuǎn)程電動調(diào)壓，該調(diào)壓閥同時具備手動調(diào)壓功能，可在遠(yuǎn)控臺上人工手動旋轉(zhuǎn)手輪來調(diào)整環(huán)形BOP開關(guān)壓力。

1—防爆直流電機(jī)；2—調(diào)壓閥體；3—蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)；4—調(diào)壓手輪。

3.4 防爆不間斷電源

電控地面防噴器控制裝置配備了防爆不間斷電源。當(dāng)控制系統(tǒng)的外接主電源供應(yīng)出現(xiàn)故障時，防爆不間斷電源系統(tǒng)將自動啟動，為電氣控制系統(tǒng)、防爆牽引電磁鐵和環(huán)形BOP電手動調(diào)壓閥提供備用電源，提供控制系統(tǒng)工作2 h以上的后備電能，保證井控系統(tǒng)的安全。

4 控制軟件的設(shè)計

4.1 PLC程序設(shè)計

PLC程序采用主從式工作模式，遠(yuǎn)程控制臺PLC為主站，司鉆臺或輔助控制臺PLC為從站。

主站PLC負(fù)責(zé)采集當(dāng)前系統(tǒng)的狀態(tài)信息，包括各轉(zhuǎn)閥的位置、蓄能器系統(tǒng)的壓力、匯流管壓力、環(huán)形壓力、溫度、電參量等參數(shù)，并通過現(xiàn)場總線發(fā)送至從站，顯示在從站的觸摸屏上。主站PLC負(fù)責(zé)根據(jù)監(jiān)測到的蓄能系統(tǒng)壓力控制主油泵的起停，根據(jù)從總線上接收到的操作命令控制轉(zhuǎn)閥和調(diào)壓閥的動作。從站PLC負(fù)責(zé)從總線上接收主站發(fā)來的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)并發(fā)送給觸摸屏進(jìn)行顯示，采集操作信息并發(fā)送給主站。

總線上的通信傳輸都由主站發(fā)起，從站進(jìn)行響應(yīng)[10]。

主站和從站的PLC程序流程如圖6～7所示。

圖6 主站PLC程序流程

圖7 從站PLC程序流程

4.2 HMI程序設(shè)計

采用西門子的MP277，254 mm(10英寸)觸摸屏，為操作人員提供一個友好的操作界面。

程序設(shè)計可以顯示主站發(fā)送過來的系統(tǒng)狀態(tài)信息；畫面上有操作按鈕，通過操作按鈕可以控制防噴器的開關(guān)和調(diào)壓閥的調(diào)壓動作；通過觸摸屏可以設(shè)置系統(tǒng)的一些參數(shù)，如主油泵的起停壓力、報警值等；觸摸屏可以記錄系統(tǒng)參數(shù)的歷史信息，并以曲線的形式進(jìn)行顯示，方便操作人員了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

HMI畫面如圖8所示。

圖8 HMI畫面

5 樣機(jī)使用情況

根據(jù)以上的設(shè)計，試制了型號為FKD640-6的電控型地面防噴器控制裝置，如圖9所示。該裝置完全符合API16D標(biāo)準(zhǔn)，形式試驗合格。該裝置控制響應(yīng)時間快，經(jīng)過1 000次耐久性動作試驗，防爆牽引電磁鐵運(yùn)行穩(wěn)定可靠，完全可以替代氣缸使用，徹底解決了氣管纜可能因水氣凝結(jié)結(jié)冰而堵塞，導(dǎo)致控制失靈的問題。

圖9 FKD640-6樣機(jī)

6 結(jié)論

1) 電控型地面防噴器控制裝置的設(shè)計完全符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求，適合鉆井工況使用，尤其是在我國東北地區(qū)以及俄羅斯高寒地區(qū)的使用優(yōu)勢明顯。

2) 電控型地面防噴器控制裝置改變了傳統(tǒng)電控型地面防噴器控制裝置使用氣缸為中間執(zhí)行元件的控制形式，控制滯后時間由原來的3 s左右縮短到0.5 s左右，提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并解決了溫度低于0 ℃時，氣管可能因水氣凝結(jié)結(jié)冰而堵塞，導(dǎo)致控制失靈的問題。

3) 電控型地面防噴器控制裝置采用了先進(jìn)的控制技術(shù)，不但應(yīng)用HMI和信號電纜替代了氣控司鉆控制臺和氣管纜，方便了操作者的使用，而且該裝置的電控部分由于配置了PLC，還能對整套裝置的壓力數(shù)據(jù)和報警數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，便于用戶的管理和使用。另外，該裝置具備進(jìn)一步升級的能力，結(jié)合井控“四七”動作等井控要求，實現(xiàn)井控自動化。

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