地面防噴器控制裝置遠(yuǎn)控系統(tǒng)原理
1 引言
在石油天然氣鉆井和修井施工作業(yè)過程中,為避免發(fā)生井噴等失控事故,需要在作業(yè)的井口上安裝一套防噴器組,當(dāng)井內(nèi)出現(xiàn)溢流、井涌等突發(fā)情況時可快速、及時地關(guān)閉井口,防止井噴等事故的發(fā)生。
防噴器試壓泵是用于試油、修井、完井等作業(yè)過程中關(guān)閉井口,防止井噴事故發(fā)生,將全封和半封兩種功能合為一體,具有結(jié)構(gòu)簡單,易操作,耐壓高等特點(diǎn),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(nèi)油氣壓力超標(biāo)時,從鉆桿內(nèi)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(nèi)液柱的壓力,以壓住高壓油氣的噴出,把井口封閉(關(guān)死)。
防噴器的控制有兩種方式,現(xiàn)場的機(jī)械控制需要旋轉(zhuǎn)手輪完成(僅在防噴器控制裝置失效時緊急使用),遠(yuǎn)程控制通過地面防噴器控制裝置的液壓系統(tǒng)驅(qū)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(yuǎn)程控制,本地控制在控制裝置本體上,通過兩位三通閥實(shí)現(xiàn)液路的通斷,再驅(qū)動防噴器動作。
遠(yuǎn)程控制是通過電控氣,氣路的通斷可以實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(jié)流閥、壓井閥的重要設(shè)備,是鉆井、修井作業(yè)中不可缺少的裝置。地面防噴器控制裝置是鉆修井作業(yè)過程中不可缺少的安全設(shè)備,發(fā)生井噴或井涌時,一般是依靠地面防噴器控制裝置的遠(yuǎn)控系統(tǒng)控制防噴器動作,達(dá)到控制井噴的目的[1]。若遠(yuǎn)控系統(tǒng)不能對防噴器進(jìn)行操作,則應(yīng)在就地操作防噴器控制裝置。
當(dāng)防噴器控制裝置失效時,只能通過機(jī)械手段手動關(guān)閉防噴器。而手動控制需要在危險區(qū)操作,安全性難以到的保障。因此,設(shè)計(jì)研發(fā)一套安全可靠、方便快捷的地面防噴器控制裝置的遠(yuǎn)控系統(tǒng)就顯得尤為重要。防噴器控制遠(yuǎn)程的遠(yuǎn)程電控系統(tǒng)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(yuǎn)控系統(tǒng)完全具備了以上這些特點(diǎn)。
2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
防噴器地面控制裝置遠(yuǎn)控系統(tǒng)包括各類傳感器、信號處理系統(tǒng)、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(guān)、數(shù)碼管、聲光報警器等。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地面防噴器控制裝置的遠(yuǎn)程電控氣控液,對防噴器動作進(jìn)行控制。
3.1 電氣控司鉆控制系統(tǒng)工作原理[2]
電氣控司鉆控制系統(tǒng)主要是采用SIEMENS S7-300系列PLC控制器、 Profibus-DP擴(kuò)展模塊和Profibus-DP總線網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)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(jìn)行換向,該動作使得壓縮空氣進(jìn)入對應(yīng)控制回路的控制氣缸,從而以達(dá)到控制三位四通轉(zhuǎn)閥換向的目的。另外該系統(tǒng)還通過PLC控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)使用備用電源的聲、光報警功能。電氣控司鉆控制系統(tǒng)的工作原理如圖2～3。
3.2 報警系統(tǒng)電氣原理
本次報警系統(tǒng)共有7個數(shù)字量輸入點(diǎn)和9個數(shù)字量輸出點(diǎn)。每當(dāng)一路報警開關(guān)閉合后,司鉆控制系統(tǒng)上相應(yīng)的報警燈即亮,同時電鈴響。當(dāng)按下消音鍵后,司鉆控制系統(tǒng)上電鈴?fù)Ｖ鬼?而相應(yīng)的報警燈仍然保持亮的狀態(tài),直到報警的原因消除后,報警燈才滅。當(dāng)按下測試按鈕時,報警燈、電鈴都將動作,以檢驗(yàn)報警系統(tǒng)是否處于正常的工作狀態(tài)。報警系統(tǒng)電氣原理如圖4。
報警系統(tǒng)數(shù)字量輸入點(diǎn):
(1)-氣源壓力開關(guān)量,(2)-蓄能器壓力開關(guān)量,(3)-油箱液位開關(guān)量,(4)-備用電源使用開關(guān)量;
地面防噴器控制裝置上的數(shù)字量輸出點(diǎn):
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(tǒng)上的數(shù)字量輸出點(diǎn):
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(jì)1個、氣馬達(dá)調(diào)壓閥1個(及相關(guān)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(huán)形壓力、氣源壓力)、隔爆微動開關(guān)(即位置傳感器)八個(包含旁通上的兩支);
b) 設(shè)計(jì)、安裝三位四通電磁閥(氣控閥),并進(jìn)行控制電纜和信號氣管線的連接;
c) 設(shè)計(jì)、制造、安裝備用電源箱、EXd隔爆型組合控制柜(內(nèi)安裝PLC控制器、擴(kuò)展模塊等),并分別進(jìn)行電源線、信號線的連接;
d) 設(shè)計(jì)、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(hù)鎧四芯電纜和標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng),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(shí)現(xiàn)了地面防噴器控制裝置的本地控制、司鉆控制及監(jiān)督值班室控制的三地控制。安裝遠(yuǎn)控系統(tǒng)后的地面防噴器控制裝置如圖5。
4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
SIEMENS S7-300PLC是地面防噴器控制裝置遠(yuǎn)控系統(tǒng)的核心器件,它是遠(yuǎn)控系統(tǒng)軟件的載體。本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用西門子可編程邏輯控制器通用梯形圖語言編寫。監(jiān)控系統(tǒng)軟件的主要功能包括傳感器數(shù)據(jù)的讀取、信號采集處理、輸出開關(guān)信號、信息儲存及通信等。
本監(jiān)控系統(tǒng)的軟件主程序流程如圖7所示。開機(jī)初始化后,即循環(huán)執(zhí)行功能模塊。此流程中只列出了一些主要的軟件結(jié)構(gòu)模塊,詳細(xì)的軟件組織在此不再贅述[3]。
5 電控氣遠(yuǎn)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)
a) 該系統(tǒng)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(wěn)定、可靠。
b) 該系統(tǒng)的控制速度較氣控遠(yuǎn)程司鉆控制系統(tǒng)有了很大的提高。改為電控后,閥體相應(yīng)動作時間不c) 超過1秒,可在最短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對防噴器的控制,保障現(xiàn)場設(shè)備和人員的安全。
d) 實(shí)現(xiàn)了聲、光報警功能:通過隔爆型壓力傳感器及液位傳感器設(shè)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(shí)現(xiàn)了蓄能器壓力與液位報警上、下限的關(guān)聯(lián),使得報警點(diǎn)的選取更趨合理。
e) 遠(yuǎn)程控制臺、司鉆控制臺和輔助控制臺均可顯示控制狀態(tài)和壓力值,有狀態(tài)指示燈,可以明確指示各開關(guān)的狀態(tài)。
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(tǒng)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(qiáng)了其可靠性和防誤動作性。
n) 環(huán)形防噴器的控制壓力實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程調(diào)節(jié),可在遠(yuǎn)程控制臺上通過電子按鈕實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié),從10-15MPa。
6 結(jié)束語
在現(xiàn)場使用中,該系統(tǒng)安全可靠、工作穩(wěn)定、操作便捷,得到了現(xiàn)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(tǒng)進(jìn)行升級改造,表明了本次改造是成功的。因此,利用科學(xué)的方法對設(shè)備進(jìn)行改造,使老設(shè)備煥發(fā)新的生命力,是油田降本增效的一個有效途徑。
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