辛 鵬， 朱萬(wàn)軍， 李亞?wèn)|， 易繼兵

(山東海洋工程裝備有限公司， 山東 青島 266555)

?

節(jié)流壓井管匯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

辛 鵬， 朱萬(wàn)軍， 李亞?wèn)|， 易繼兵

(山東海洋工程裝備有限公司， 山東 青島 266555)

通過(guò)對(duì)節(jié)流壓井管匯的結(jié)構(gòu)組成及其工作原理進(jìn)行分析后，認(rèn)為傳統(tǒng)人工控制的方式已經(jīng)落后，有必要利用現(xiàn)代自動(dòng)化控制原理對(duì)人工控制方式進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，力求形成一套集自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)監(jiān)控運(yùn)行為一體的設(shè)計(jì)方案。此方案將采用電液控制相結(jié)合的設(shè)計(jì)理念，電氣控制部分以PLC(可編程控制器)為控制中心，HMI(人機(jī)界面)為監(jiān)控及操作中心，執(zhí)行部分為液壓控制，這樣本系統(tǒng)將同時(shí)具備PLC響應(yīng)快速以及液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定的雙重優(yōu)點(diǎn)，保證了系統(tǒng)快速平穩(wěn)的運(yùn)行。

節(jié)流壓井管匯 可編程控制器 人機(jī)界面 自動(dòng)化控制

0 引言

節(jié)流壓井管匯控制系統(tǒng)作為井控系統(tǒng)重要的組成部分，將對(duì)整座平臺(tái)的安全作業(yè)提供必要的保證。 管匯的傳統(tǒng)控制方法是通過(guò)人工控制閥門(mén)的開(kāi)啟度實(shí)現(xiàn)壓力的平衡控制或通過(guò)液動(dòng)裝置手工控制閥門(mén)的開(kāi)啟度，維持井內(nèi)壓力平衡關(guān)系，該方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，但控制精度取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)，控制過(guò)程比較緩慢，不能及時(shí)調(diào)整壓力的變化。

該文將采用電液控制相結(jié)合的控制原理對(duì)節(jié)流壓井管匯控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成一套先進(jìn)的控制方案，并將此設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于WIV(可移動(dòng)半潛式鉆修井平臺(tái))平臺(tái)中。

1 節(jié)流壓井管匯

節(jié)流壓井管匯的作用包括用于壓井放噴期間控制井口回壓和有節(jié)制地排放受侵鉆井液，主要由高壓閥門(mén)、高壓管線、手動(dòng)節(jié)流閥、液動(dòng)節(jié)流閥、壓力表、傳感器等組成。節(jié)流壓井管匯如圖1所示。

圖1 節(jié)流壓井管匯

其中節(jié)流閥是節(jié)流管匯的關(guān)鍵部件。在正常壓井過(guò)程中，可通過(guò)調(diào)節(jié)液動(dòng)節(jié)流閥通道大小來(lái)控制套管壓力和立管壓力；也可通過(guò)節(jié)流閥泄壓以實(shí)現(xiàn)軟關(guān)井，從而防止井噴保護(hù)井口。手動(dòng)節(jié)流閥則是在液動(dòng)節(jié)流閥失效的情況下用于應(yīng)急控制壓力。

2 節(jié)流壓井管匯控制系統(tǒng)

節(jié)流壓井管匯控制系統(tǒng)的主要功能是為了控制節(jié)流壓井管匯中的液動(dòng)節(jié)流閥，這個(gè)看似非常簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但其實(shí)不然。從鉆井工藝的角度來(lái)講，開(kāi)關(guān)閥門(mén)時(shí)是需要根據(jù)具體工況來(lái)作出判斷的，這就決定了該系統(tǒng)需要采集相關(guān)參數(shù)讓司鉆作出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷——是否需要節(jié)流或壓井，因此該系統(tǒng)中必需集成必要設(shè)備的壓力數(shù)據(jù)，并控制節(jié)流閥，這也是我們?cè)O(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目的。從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。由于數(shù)據(jù)采集的任務(wù)屬于電氣控制范疇，而閥門(mén)關(guān)斷是電液控制相結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，因此此控制系統(tǒng)包括了液壓控制部分與電氣控制部分，同時(shí)它們之間又相互聯(lián)系。

2.1 液壓控制系統(tǒng)

2.1.1 液壓控制系統(tǒng)的組成

液壓控制系統(tǒng)主要由以下部件構(gòu)成：

(1) 自帶動(dòng)力源的液壓控制柜。

(2) 液壓管線及氣動(dòng)管線。

其中液壓控制柜主要包括：

(1) 氣動(dòng)液壓泵1臺(tái)，為產(chǎn)生系統(tǒng)液壓壓力來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的主要液壓動(dòng)力源；

(2) 氣體過(guò)濾器1個(gè)，用于過(guò)濾干燥壓縮空氣；

(3) 手動(dòng)泵1臺(tái)，如發(fā)生平臺(tái)氣源故障或液壓泵故障，可用手動(dòng)泵預(yù)充蓄能器，通過(guò)此應(yīng)急系統(tǒng)，蓄能器可以調(diào)節(jié)液壓節(jié)流閥；

(4) 空氣調(diào)壓器1個(gè)，安裝于通往氣動(dòng)液壓泵的氣動(dòng)管線上，用于調(diào)節(jié)輸入液壓泵的氣體壓力；

(5) 液壓油過(guò)濾器1個(gè)，安裝于液壓泵入口處及郵箱的回流管線上，并用于保證液壓油的品質(zhì)；

(6) 蓄能器1個(gè)，需預(yù)充125 psi氮?dú)猓⒆鳛閭溆脛?dòng)力源提供系統(tǒng)液壓動(dòng)力；

(7) 溢流閥1個(gè)，在液壓回路中設(shè)置溢流閥防止液壓系統(tǒng)壓力過(guò)高。當(dāng)壓力高過(guò)系統(tǒng)設(shè)置壓力330 psi時(shí)，液壓油將通過(guò)溢流閥流回油箱；

(8) 液壓油油箱1個(gè)，用于儲(chǔ)存液壓油；

(9) 手動(dòng)換向電磁控制閥2個(gè)，分別控制節(jié)流閥與壓井閥，并同時(shí)可由遠(yuǎn)程電控箱控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)流閥和壓井閥的開(kāi)關(guān)；

(10) 手動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥1個(gè)，用于控制流量從而控制閥的開(kāi)關(guān)速度。

2.1.2 液壓控制系統(tǒng)原理

此系統(tǒng)由氣動(dòng)液壓泵作為動(dòng)力源，在正常工況的情況下，需要從鉆井平臺(tái)上面提供一路壓縮空氣，壓縮空氣將經(jīng)過(guò)過(guò)濾器除去雜質(zhì)并做干燥處理，氣源的壓力為120 psi。為控制氣體壓力，壓縮空氣管線中設(shè)置一個(gè)空氣壓力調(diào)節(jié)閥。壓縮空氣驅(qū)動(dòng)液壓泵，液壓泵將液壓油從油箱中泵入液壓回路，首先經(jīng)過(guò)單向閥，再經(jīng)過(guò)溢流閥。如壓力大于設(shè)定壓力值，液壓油將溢流回到油箱，溢流閥對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到保護(hù)作用；在壓力正常的情況下，將經(jīng)過(guò)流速調(diào)節(jié)閥，再經(jīng)過(guò)三位四通電磁控制閥。此閥可以手動(dòng)控制，也可以電磁控制；既可以本地操作，也可以遠(yuǎn)程遙控。液壓油通過(guò)節(jié)流壓井閥實(shí)現(xiàn)對(duì)該閥的開(kāi)關(guān)，然后通過(guò)三位四通閥流回油箱。

在液壓泵故障或氣源故障的情況下，將用手動(dòng)泵將液壓油泵入蓄能器，蓄能器需要先預(yù)充氮?dú)鈮毫_(dá)到125 psi，然后液壓油再?gòu)男钅芷鞯剿俣瓤刂崎y，后續(xù)工作流程同上。

原理圖如圖2所示。

圖2 液壓控制系統(tǒng)原理圖

2.2 電氣控制系統(tǒng)

2.2.1 電氣控制系統(tǒng)的組成

電氣控制系統(tǒng)主要由PLC控制柜和它所控制的電磁閥、泵、沖傳感器、各壓力傳感器、動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜、控制電纜、網(wǎng)線等組成；而PLC控制柜作為電氣控制系統(tǒng)的核心組成部分，其由HMI、PLC單元、隔離柵、電源模塊、開(kāi)關(guān)、繼電器等組成。

2.2.2 電氣控制系統(tǒng)原理

節(jié)流壓井管匯控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原理是通過(guò)PLC控制達(dá)到快速靈敏地開(kāi)關(guān)節(jié)流閥的目的。而在什么狀態(tài)下需要對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行控制，則需要司鉆者綜合分析各種鉆井參數(shù)作出決定。故此系統(tǒng)中將相關(guān)設(shè)備的壓力參數(shù)進(jìn)行集成并顯示到HMI中，同時(shí)這也是CDS(美國(guó)船級(jí)社鉆井系統(tǒng)規(guī)范)中所嚴(yán)格要求的。

具體原理如下：

(1) 數(shù)字量輸入模塊(DI)采集泥漿泵泵沖信號(hào)，并將泵沖數(shù)集成到HMI，并可通過(guò)在觸摸屏將泵沖數(shù)清零。

(2) 數(shù)字量輸入模塊接收來(lái)自節(jié)流閥控制開(kāi)關(guān)或壓井閥控制開(kāi)關(guān)發(fā)出的節(jié)流壓井的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，并通過(guò)CPU內(nèi)部程序處理后，經(jīng)過(guò)數(shù)字量輸出模塊(DO)輸出信號(hào)控制電磁換向閥，從而對(duì)液動(dòng)節(jié)流閥進(jìn)行控制。

(3) 因各設(shè)備壓力傳感器均處于2類(lèi)危險(xiǎn)區(qū)域中，為保證此系統(tǒng)安全性，將選擇本質(zhì)安全型壓力傳感器，壓力傳感器與PLC控制柜組成本質(zhì)安全回路。所以在模擬量輸入模塊與壓力傳感器之間設(shè)置安全隔離柵，從而將處于現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)信號(hào)隔離開(kāi)并反饋安全信號(hào)到PLC；壓力傳感器輸出4 ma～20 ma信號(hào)至模擬量輸入模塊，經(jīng)CPU程序處理后，顯示到HMI中；其中4 ma信號(hào)對(duì)應(yīng)0 psi，20 ma信號(hào)將對(duì)應(yīng)各設(shè)備的額定最高壓力值，例如水泥管匯為15 000 psi；觸摸屏上將會(huì)設(shè)置壓力校準(zhǔn)界面，用以校準(zhǔn)壓力(同現(xiàn)場(chǎng)管匯中的壓力表對(duì)比)；同時(shí)會(huì)設(shè)置壓力低報(bào)警，當(dāng)壓力低于設(shè)定值時(shí)，觸摸屏上會(huì)顯示報(bào)警信息。

(4) HMI與CPU之間將通過(guò)網(wǎng)線進(jìn)行通訊。

(5) 節(jié)流閥與壓井閥的位置指示傳感器將傳輸4 ma～20 ma信號(hào)至模擬量輸入模塊，同樣為本質(zhì)安全型，工作原理同壓力傳感器。同時(shí)需要注意，節(jié)流閥與壓井閥的全開(kāi)或全關(guān)全程不能超過(guò)20 s。

(6) 氣動(dòng)壓力傳感器將氣動(dòng)回路壓力信號(hào)反饋至PLC控制柜，可用于遠(yuǎn)程觀察氣動(dòng)壓力是否為額定值，在操作失敗的情況下也可排除氣動(dòng)壓力不夠的因素。氣動(dòng)壓力傳感器工作電流為4 ma～20 ma，工作原理同上。

(7) 液壓回路壓力傳感器將反饋系統(tǒng)工作壓力，在壓力值低于300 psi時(shí)將輸出蜂鳴報(bào)警，同時(shí)HMI將出現(xiàn)報(bào)警提示。液壓回路壓力傳感器工作電流4 ma～20 ma，工作原理同上。

(8) 油箱液位開(kāi)關(guān)將反饋液位低信號(hào)至數(shù)字量輸入模塊，并在HMI上顯示報(bào)警提示。

電氣控制系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 電氣控制系統(tǒng)示意圖

2.2.3 觸摸屏

(1) 主屏。

主屏可監(jiān)控節(jié)流壓力、壓井壓力、立管1和立管2壓力、泥漿泵泵沖、油箱液位、節(jié)流閥位置、壓井閥位置。界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏主屏顯示界面

(2) 副屏。

副屏可監(jiān)控水泥壓力、泥氣分離器壓力、套管壓力、氣路壓力、液壓回路壓力。界面如圖5所示。

(3) 校準(zhǔn)屏。

校準(zhǔn)方法在原理中已介紹，此處不再贅述。校準(zhǔn)屏界面如圖6所示。

圖5 觸摸屏副屏顯示界面

圖6 校準(zhǔn)屏

3 結(jié)語(yǔ)

老舊平臺(tái)中依靠手動(dòng)關(guān)斷節(jié)流閥和壓井閥的方式已經(jīng)落后，液動(dòng)控制節(jié)流閥已成為先進(jìn)鉆井平臺(tái)所必備的系統(tǒng)。此設(shè)計(jì)采取了當(dāng)前最先進(jìn)的PLC控制及觸摸屏顯示，利用西門(mén)子step-7軟件及WINCC(觸摸屏組態(tài)軟件)進(jìn)行了編程。同時(shí)此系統(tǒng)的執(zhí)行部分采取了液壓控制的方式，液壓控制具有動(dòng)態(tài)性能好，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)。電氣控制系統(tǒng)具有快速精準(zhǔn)的特點(diǎn)。特別是運(yùn)用PLC控制后，與傳統(tǒng)繼電器控制相比顯著降低了故障率。電液控制相結(jié)合的方式，使節(jié)流壓井管匯控制系統(tǒng)能兼具運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)迅速、安全可控等多種優(yōu)點(diǎn)。將此系統(tǒng)運(yùn)用于WIV鉆修井平臺(tái)中，進(jìn)一步提升了平臺(tái)的安全性能，也成為了平臺(tái)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要組成部分。

[1] 海洋石油工程設(shè)計(jì)指南編委會(huì).海洋石油工程設(shè)計(jì)指南[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 李誠(chéng)銘.石油鉆井工程實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)知識(shí)出版社，2006.

Design and Application of Choke and Kill Manifold Control System

XIN Peng, ZHU Wan-jun, LI Ya-dong, YI Ji-bing

(Shandong Offshore Equipment Co., Ltd., Qingdao Shandong 266555, China)

Through analyzing the choke and manifold structure constitution and its working principle, the traditional manual control mode is lagged behind, it is necessary to exert modern automatic control to upgrade and optimize the manual control mode, and try to achieve a set of design scheme which include automatic control and data monitoring. This design scheme combine electrical and hydraulic control together, electric control part based on PLC (Programmable Logic Controller) as the control center. HMI (Human Machine Interface) was used for the monitoring and operation center. Hydraulic control was used as execution part. In this way, the system will have the advantages of instant response and stable working, which ensure the system work fast and stable.

Choke and kill manifold PLC HMI Automatic control

青島市黃島區(qū)海洋科技專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目：新型可移動(dòng)鉆修井單元(平臺(tái))WIV研發(fā)，編號(hào)： 2014-4-7。

辛 鵬(1985-)，男，技術(shù)經(jīng)理,研究方向?yàn)殂@井平臺(tái)系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及新船型研發(fā)工作。

U662

A