油田钻井设备监控系统设计.pdf

3 1 8 化工自动化及仪表第3 8 卷 油田钻井设备监控系统设计 任伟建刘世聪康朝海霍凤财董长义 ( 东北石油大学电气信息工程学院。黑龙江大庆1 6 3 3 1 8 ) 摘要开发了钻井设备监控系统，该系统采用P L C 、组态软件和触摸屏相结合的设计方法，模拟了溢 流、井漏、井涌和井喷4 种事故状况并用P L C 对其进行控制，组态监控系统与P L C 控制系统进行实时数 据交换，实现了在上位机对井场设备进行控制。应用情况表明，该系统操作安全可靠，能够及时有效控 制溢流、井漏、井涌及井喷等复杂情况。 关键词钻井P L C 监控组态 中图分类号T P 2 7 7文献标识码 A 文章编号1 0 0 0 3 9 3 2 ( 2 0 1 1 ) 0 3 - 0 3 1 8 - 0 5 在钻井过程中防止重大事故的发生是安全生 产的头等大事，是H S E 管理体系( H e a lt hS a f e t y a n dE n v ir o n m e n tM a n a g e m e n tS y s t e m ) 的基本要求。 井喷等事故是钻井过程中常见的重大事故，危害 性大。事故发生后，落地原油、泥浆、钻井污水等 在一定范围内会严重污染环境；产生的H ：s 等多 种有害气体会使一定范围内的人群产生中毒等影 响，直接威胁人体健康；更严重则会造成一定范围 内油井的停产和人员的伤亡 。要避免井喷等事 故的发生、保证H S E 管理体系更有效地实施，钻 井设备的正常运行是关键，因此设计安全可靠的 钻井设备监控系统十分重要。 为了提高钻井系统的自动化水平和预防钻井 事故的发生，东北石油大学与大庆钻探工程公司 合作，于2 0 0 9 年开发了溢流、井漏、井涌和井喷模 拟培训系统。系统下位机由P L C 实现对培训井 的控制功能，上位机由组态软件实现对井场的监 控管理功能，并配有触摸屏。该系统可靠性高，人 机界面友好，操作简便，实现了在钻井生产过程中 对钻井设备的实时监控，对溢流、井漏、井涌和井 喷4 种事故状况的模拟，以及钻井工人处理各种 事故的培训，解决了实际工作中钻井工人没有机 会学习事故处理，出现事故时无法发现征兆，处理 事故时无从下手，甚至违章操作并造成安全隐患 等问题，为油田提供一个预防钻井事故，确保健 康、安全和环保生产的有效平台。 1 控制要求及方案设计 1 1 控制要求 1 。1 1 系统环境 本系统包括自动控制单元( P L C ) 、气路控制 系统、溢流控制系统、电控柜、储液罐等，如图1 所 示。P L C 系统设备安装在井控间内，操作员工作 终端及其辅助设备安装在演练场。井控问室内温 度适中，保证监控机及相关设备正常工作。远程 I O 站的通讯采用以太网方式。 1 1 2 控制功能 本系统主要由流体运动模拟、流体检测计量、 监控软件设计与气侵压力模拟等部分组成。其中 流体运动模拟部分用于提供钻井过程中的溢流、井 漏、井涌及井喷所需的定量流体；流体检测计量部 分用于计量不同井况下井口所反应的流体体积变 化情况；监控软件用于监控井况及设置溢漏量等参 数的大小，自动控制液路及气路的开关；气侵压力 模拟部分用于模拟关井后气体滑脱上升的井口压 力变化。 该系统要求具有不同工况下溢流、井漏的发 现与检测训练等功能；具有发现不及时的井涌、井 喷情况，以及关井后，气体滑脱处理的训练等功 能。同时，系统保留手动控制功能，方便检修维护 及必要时的人工操作。 1 2 设计方案 1 2 1 系统分析 系统设备包括高压电动阀组4 套，高压截止 阀组1 套，气路压力变送器3 个；共有检测控制参 数7 个，其中气路压力检测3 个，流量检测点2 个，节流阀关闭信号检测点1 个，防喷阀关闭检测 信号1 个。 收稿日期：2 0 1 1 - 0 1 4 ) 1 ( 修改稿) * 4 m * ”iB * 口” 喘a t * 自自_ - 。b H * u 州 霈 纛 l呻“l I 泣漉、牛* 、井* 盛井喷棰瓤培训 统闺 需要动卷设定滥捕量等摩数的大小，检测分 析漶坩1 1 蜃情哔与井n 关闭信号，并椎据信号 控制相戈离心策启停与截止阀开是。如需扩展检 测点，只要增加I O # 件就晚实现幕个对程的控 制和检测功脆。控制幕统儿村中I I 通讯功能，通 汛协泌为M 砌b u s 通讯接u 为R s 4 R 5 ；寓现滤世 厦压山在屏幕L 的# 不和数据的E 采；镒流量等 参数的设E 和其它主要参数的监说。 22 硬件选型 P I 选用S ie n + e n s 公耐的计 3 0 0 米完成自动 控制功能。丰要包括电源、C P U 、模拟城辘 懂 块、散字虽输 模块模拟罱辅出模块、模拟毋输 出艇块等群分蛆成，P L c蚺构如幽2 所示。 田2lI # 构目 由于缘彖坑的t 路最统j 【有高压的特点因 此哥选戢耐高堆的压力变迸器并在选择壁送器 时蔓充分考虑雎力抱嘲和精度引对谈项U 选取 北京捌特矗M s N 0 0 系列的力尘送器。 系统采用H s 4 8 5 中打通讯进行数据采艇和 挖埘通讯协议采用M 枷b u s 此协议为众寥I n 控制器r 亲所接受如M 叫ico n ，S ie m e n s 、台达 等7 ，考虑每条总线“段I ：艟多允许3 2 台议 击岿颠谢有2 0 缶用所m 设计8 十接r 】扦为 “后的扩充留下余量。 齄摸* 选样D e lt 的D O P A I O T H T D I 它摺打 2 5 6 色盯N 膨色鼎示。 123 戟件选择 P L C 程序采用s le s 公司帕S t e p 7 M icr o w in 3 2V 52 软件编写缩程谮盲为梯形I 淆t T 。 P L c翱L 位帆的数据通信采川R s 4 8 s 串 r 通信分 时偌式港衙M b u s 排议使用if 算机自带的 C O M 端u 。P I c程序完成彖统的幸群逻辑控制， 戢姑采集功能。 l：佗机组卷采川R cH 】ln 纽态软件主要完 成井场监测、数据雄管坪与储存、报表乍成、气路 牲制组卷和历业越井、报警保护等。 融填腓的肝发软卅为s ng d it o rl0 58 2 ， 触摸屏通iR 秉用R 钳8 5 把D O P A I O T I I T I ) l与s 7 - 3 0 0 联饥米赏现数据传输通过宏指令米完成在 此系统中编写t ：I m k 班束宜现联机通讯，触摸腓 L 蛰功能姥完成谥谶射，井潮量、井锕量供气 腻山F 降矾等棚* 鸯数的设窟这些各戤恤传递 给P L C 和上位帆P L c更新相* 数据进 T 自动 控制；I + 位机根据新的世定参散执行监控、保护 功能，块、执行机掏模块鸯数设定模块、上位机监控系 124 总体设计 统、通信接u 模块和千动控耕模块等J L 十部分组 井控系统由数据自动采集模块n 动柠制填成如幽3 所不。 婴臁丽础圈 匦砸刮幽型菡羔iI P I 。C 与r 位凯进行通信赏现上伸机的远程 监控系统设计有自动，现场半自动手动两种L 作方式，n 动方式：由压力、流盛，液位等传感器 连续掩测钻井运行状况，根据检洲f 0 息，由P L C 自动判断开i停水采投并嗍等执行机构动作情 况现场 自动手动方式：操作T 。人根据鬟酥情 况通过触摸辨髓定溢流艟，j l：甜苗井涌帚、供气 压力下降值等参数可避打凡I + I 。域即人I 手动 iF 停执行机掏。无论哪种上作方式上位机部将 宴时监控系统，显月i系统运行隋况井记录所史数 据，H 便报警或预测， 2 功能实现 率系统的主要功能是对溢流、并诵、井涌厦井 喷等情况进行模拟和控制。HP L C 为控制巾心， 井j 有上擅机组志和触摸屏骞敷设口功能。 2 1 系统程序结掏 巾于钻井控制分为4 十部分每部分x 牵涉 到很多阀门的控制所以采1 1r 捌分为丰程序目 多十，程序竹编碰结约模式。整个税件井为“下 几十部分：土鞴序、模拟厨# 数宁研转换枉序溢 流模拟予程序井俪模拟子稚序卅澜模拟于程 序蚪喷横拟r 程序。另外迁设计了模拟虽数据 模块开戈量数据模块，量张& 设定教据模块。程 序结构挂图如图4 所示。 困4 杜序# 椅框目 22 敞据横轶 程序其涉及几十十数据字段共分为3 类：榆 恻点采集模拟数据，模数转换各散I 艺模拟设定 能。数据拿 ；| i存储在P u 内存k 内，J 一位机和触 摸蚌渊川、型新存储 ：内数据，确保程序迅速执 行。拴侧点采集模拟散据为辑设需的鹾力、流鬻 等信息凹5 所示为部分梭测点数据。 圜5 牲点* 据 23 溢漉子程序 溢瓶子程序流程如图6 所示：溢流模拟涉及 流量压力等参数检测许需要进行气略系统控制。 谥流模拟时首先在触摸屏幕输 溢流量设置值 P L C 按榉序启动溢流离一0 泵慌蟮计计母流体量 并将数据恃辖! P L C 与漉件体 # 二日* * 十f im 、：m q r m 5P ) 燃1 it lll“iii“1 0 R 篙馨瓣搿 L 苎U 6 滥a 拉 # 序漉程目 霞 一R $ 一 第3 期任伟建等油田钻井设备监控系统设计 3 2 1 积达到预先设置值时程序控制停泵。随后控制 5 0 0 m 管线电磁阀开启，向井内供气，模拟气侵发 生，此时程序调用5 0 0 m 井喷气路控制子程序完 成气侵模拟。当P L C 检测到井口开始关闭的信 号时，控制关闭5 0 0 m 管线电磁阀，停止供气，以 确保求取套压准确与井口安全。 2 4 井涌子程序 井涌程序执行时首先要在触摸屏输入井涌量 设置值( 或时间量) ，程序自动检测各电磁阀后启 动井涌离心泵，同时开启O m 管线电磁阀，向井口 供气，模拟喷出井口2 m 以内的井涌态势。当计 量达到预先设置值时P L C 控制停泵。程序流程 如图7 所示。 输入：井涌量大小( 1 0 m 。 I 各电磁阀阀位自检正常后启动 I 1 打开C 2 、F 阀； 2 通过低压控柜启动井涌模拟泵； 3 打开Q K D C 一0 1 阀，向井口供气。 I 1 井涌模拟泵通过套管头向井口泵入液体；L 一 2 流量计1 计量信号反馈至自动控制单元。l I 是 匦萎画鸾 否 一停井涌模拟泵、关闭c2 与F 阀 1 墼 遨逦垂涉 是I 关闭Q K D C 一0 1 阀。停止供气 图7井涌控制程序流程图 2 5 井漏子程序 井漏模拟时，首先要在触摸屏输入井漏量设 置值及井漏后的溢流量大小，否则程序将按默认 值进行控制。然后在检测各电磁阀正常后启动井 漏离心泵，流量计计量流体量并将数据传输至 P L C ，此时上位机实时更新数据并做动态显示，当 流体体积达到预先设置值时P L C 控制停泵，此时 模拟井漏发生，并自动进入溢流模拟显示流程，此 处溢流模拟是P L C 直接调用溢流子程序实现的。 程序流程如图8 所示。 输入：溢流量大小( 1m ；溢流量大小( 2 m 3 ) ； 供气压下降值( 5 M P a ) 。 各电磁阀阀位自检正常后启动 1 打开D 1 、F 阀； 2 通过低压电控柜启动井漏模拟泵。 1 井漏模拟泵通过套管头从井口抽出液体； 2 流量计2 计量信号反馈至自动控制单元。 I 停井漏模拟泵： 2 关闭D I 开B 2 阀； 3 通过低电压控柜启动井漏模拟泵。 1 溢流模拟泵通过套管头向井口供液； 2 流量计1 计量信号反馈至自动控制单元。 是 递墨苎至兰翌望墨箜 、 一 是0 1 停溢流模拟泵，关闭B 2 、F 阀。 2 打开Q K D C 一0 2 ，向井底5 0 0 m 处供气 亘：= 二主鲤蔓鎏望墨至差旦臣二= = 一 是I 叫关f f f J Q K D C 0 2 阀停止供气I ( 、竺壅) 图8井漏控制程序流程图 2 6 井喷子程序 井喷模拟时先要在触摸屏输入注气的压力降 设置值及选择供气井深( 5 0 0 m 或9 0 0 m ) ，程序根 据设置值开启5 0 0 m 或9 0 0 m 管线电磁阀，向井内 供气，当压力降达到预设值时P L C 控制关闭相应 管线电磁阀，此时气体滑脱上升形成井喷态势。 当计量达到预先设置值时P L C 控制关闭阀门。 程序流程如图9 所示。 3 2 2 化工自动化及仪表第3 8 卷 图9井喷控制程序流程图 3结束语 设计并实现了油田钻井设备监控系统，该系 统能够及时可靠地控制井场设备，产生溢流、井 漏、井涌及井喷的事故状态，为面向油田开展防喷 演习与坐岗训练打下良好基础。 参考文献 1 周凤石岩屑沉降速度的理论计算及其在钻井中的 2 3 应用 c 中国石油学会石油工程学会钻井论文集 2 0 0 2 ：1 4 1 9 贺光琳，张光新，包金明等基于M o d b u s 协议的过 程监控仪表的设计与实现 J 化工自动化及仪表， 2 0 0 7 ，3 4 ( 4 ) ：7 2 7 5 中达电通D O P 系列人机界面使用手册 K 2 0 0 7 ： 】3 M o n it o r in gS y s t e mf o rO ilD r illin gU n it s R E NW e i j ia n ，L I U S h i co n g ，K A N GC h a o h a i，H U OF e n g - ca i，D O N GC h a n g - y i ( E le ct r ic a n dI n f o r m a t io nE n g in e e r in g ，N o r t h e a s tP e t r o le u mU n iv e r s it y ，D a q in g1 6 3 318 ，C h in a ) A b s t r a ct ：T or e d u cea ccid e n t sa n ds t a n d a r d iz et h eo p e r a t io n ，t h em o n it o r in gs y s t e mf o rd r illin gu n it sw a sd e v e lo p e dw it hP L C ，co n f ig u r a t io ns o f t w a r ea n dt o u chs cr e e n T h es y s t e ms im u la t e dt h eo v e r f lo w ，le a k a g e ，w e ll k icka n db lo w o u tint h ed r illin gp r o ce s sa n dt h e nh a dt h e mco n t r o lle dw it hP L C T h r o u g he x ch a n g in gd a t ab e - t w e e nco n f ig u r a t io ns o f t w a r ea n dt h eP L C ，t h eh o s tco m p u t e rc