地面防喷器控制装置远控系统原理

1  引言
在石油天然气钻井和修井施工作业过程中,为避免发生井喷等失控事故,需要在作业的井口上安装一套防喷器组,当井内出现溢流、井涌等突发情况时可快速、及时地关闭井口,防止井喷等事故的发生。
防喷器试压泵是用于试油、修井、完井等作业过程中关闭井口,防止井喷事故发生,将全封和半封两种功能合为一体,具有结构简单,易操作,耐压高等特点,是油田常用的防止井喷的安全密封井口装置。 
石油钻井时,防喷器安装在井口套管头上,用来控制高压油、气、水的井喷装置。在井内油气压力超标时,从钻杆内压入重泥浆,利用闸板下四通阀门,替换出气侵泥浆,增加井内液柱的压力,以压住高压油气的喷出,把井口封闭(关死)。
防喷器的控制有两种方式,现场的机械控制需要旋转手轮完成(仅在防喷器控制装置失效时紧急使用),远程控制通过地面防喷器控制装置的液压系统驱动防喷器的闸板动作。地面防喷器控制装置的动作也分本地和远程控制,本地控制在控制装置本体上,通过两位三通阀实现液路的通断,再驱动防喷器动作。

远程控制是通过电控气,气路的通断可以实现两位三通阀连接气缸的动作,气缸带动两位三通阀的动作,从而实现对防喷器的控制。地面防喷器控制装置是控制井口防喷器组及液动节流阀、压井阀的重要设备,是钻井、修井作业中不可缺少的装置。地面防喷器控制装置是钻修井作业过程中不可缺少的安全设备,发生井喷或井涌时,一般是依靠地面防喷器控制装置的远控系统控制防喷器动作,达到控制井喷的目的[1]。若远控系统不能对防喷器进行操作,则应在就地操作防喷器控制装置。

当防喷器控制装置失效时,只能通过机械手段手动关闭防喷器。而手动控制需要在危险区操作,安全性难以到的保障。因此,设计研发一套安全可靠、方便快捷的地面防喷器控制装置的远控系统就显得尤为重要。防喷器控制远程的远程电控系统要求工作可靠,控制动作时间短,具备各级报警和压力显示,控制手柄的位置指示等,本文论述的地面防喷器控制装置远控系统完全具备了以上这些特点。

2  系统总体设计
防喷器地面控制装置远控系统包括各类传感器、信号处理系统、西门子S7-300PLC及ET200M、输入输出模块、PROFIBUS-DP总线、电磁线圈、气控阀件、按钮开关、数码管、声光报警器等。

3  系统硬件设计
该系统可实现地面防喷器控制装置的远程电控气控液,对防喷器动作进行控制。
3.1  电气控司钻控制系统工作原理[2]
电气控司钻控制系统主要是采用SIEMENS S7-300系列PLC控制器、 Profibus-DP扩展模块和Profibus-DP总线网络通讯协议,使得信号通过PLC控制位于地面防喷器控制装置上的三位四通电磁阀(气控阀)进行换向,该动作使得压缩空气进入对应控制回路的控制气缸,从而以达到控制三位四通转阀换向的目的。另外该系统还通过PLC控制技术实现对储能器压力过低、空气压力过低、油箱液位过低和控制系统使用备用电源的声、光报警功能。电气控司钻控制系统的工作原理如图2～3。

3.2  报警系统电气原理
本次报警系统共有7个数字量输入点和9个数字量输出点。每当一路报警开关闭合后,司钻控制系统上相应的报警灯即亮,同时电铃响。当按下消音键后,司钻控制系统上电铃停止响,而相应的报警灯仍然保持亮的状态,直到报警的原因消除后,报警灯才灭。当按下测试按钮时,报警灯、电铃都将动作,以检验报警系统是否处于正常的工作状态。报警系统电气原理如图4。

报警系统数字量输入点:
(1)-气源压力开关量,(2)-蓄能器压力开关量,(3)-油箱液位开关量,(4)-备用电源使用开关量;
地面防喷器控制装置上的数字量输出点:
①-油箱液位低报警灯,②-蓄能器压力低报警灯,③-气源压力低报警灯,④-备用电源(UPS)使用指示灯,⑤-报警电铃;
司钻控制系统上的数字量输出点:
⑥-油箱液位低报警灯,⑦-蓄能器压力低报警灯,⑧-气源压力低报警灯,⑨-报警电铃
3.3  在地面防喷器控制装置上需要安装的硬件
a)   在地面防喷器控制装置的本体上安装装油箱液位计1个、气马达调压阀1个(及相关配套的快速排气阀、消声器)、压力传感器4个(分别为蓄能器压力、管汇压力、环形压力、气源压力)、隔爆微动开关(即位置传感器)八个(包含旁通上的两支);
b)   设计、安装三位四通电磁阀(气控阀),并进行控制电缆和信号气管线的连接;
c)   设计、制造、安装备用电源箱、EXd隔爆型组合控制柜(内安装PLC控制器、扩展模块等),并分别进行电源线、信号线的连接;
d)  设计、制造、安装电气控司钻控制台和辅助控制台,并采用船用双护铠四芯电缆和标准西门子FC信号电缆与EXd隔爆型组合控制柜相连接;
电气控司钻控制系统,不仅大大缩短了控制时间,而且具备了声、光报警功能,同时增配了辅助控制台,实现了地面防喷器控制装置的本地控制、司钻控制及监督值班室控制的三地控制。安装远控系统后的地面防喷器控制装置如图5。

4  软件系统设计
SIEMENS S7-300PLC是地面防喷器控制装置远控系统的核心器件,它是远控系统软件的载体。本系统软件设计采用西门子可编程逻辑控制器通用梯形图语言编写。监控系统软件的主要功能包括传感器数据的读取、信号采集处理、输出开关信号、信息储存及通信等。
本监控系统的软件主程序流程如图7所示。开机初始化后,即循环执行功能模块。此流程中只列出了一些主要的软件结构模块,详细的软件组织在此不再赘述[3]。

5 电控气远控系统的主要特点
a)   该系统主要是采用SIEMENS PLC控制,各个控制台之间采用专用信号电缆连接,工作稳定、可靠。
b)   该系统的控制速度较气控远程司钻控制系统有了很大的提高。改为电控后,阀体相应动作时间不c) 超过1秒,可在最短时间内实现对防喷器的控制,保障现场设备和人员的安全。
d)   实现了声、光报警功能:通过隔爆型压力传感器及液位传感器设置了蓄能器压力低、气源压力低、油箱液位高和油箱液位低、备用电源(UPS)使用报警。其中对油箱液位的报警,实现了蓄能器压力与液位报警上、下限的关联,使得报警点的选取更趋合理。
e)   远程控制台、司钻控制台和辅助控制台均可显示控制状态和压力值,有状态指示灯,可以明确指示各开关的状态。
f) 配有备用电源(UPS),即使在断电的情况下,在大容量后备l) 电源的支持下,系统控制部分仍然可以工作2小时以上。
m)  避免了手柄误动作的可能性,使用连锁按钮,增强了其可靠性和防误动作性。
n)   环形防喷器的控制压力实现了远程调节,可在远程控制台上通过电子按钮实现压力的调节,从10-15MPa。

6  结束语
在现场使用中,该系统安全可靠、工作稳定、操作便捷,得到了现场使用人员的好评,并于2011年4月份要求对QK17-2、SZ36-1B等6个平台的地面防喷器控制装置的气控司钻控制系统进行升级改造,表明了本次改造是成功的。因此,利用科学的方法对设备进行改造,使老设备焕发新的生命力,是油田降本增效的一个有效途径。

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