相恒富, 王龍庭， 張彥庭

(中國石油大學(xué)(華東) 機(jī)電工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引 言

在油氣井鉆采作業(yè)中，井控設(shè)備起到了預(yù)防事故發(fā)生以及處理事故的作用，而防噴器(Blowout Preventer,BOP)作為一種典型的井控設(shè)備，它必須配備控制裝置，在發(fā)生井噴、井涌等突發(fā)情況時，通過控制裝置提供的壓力油及時對防噴器開關(guān)動作進(jìn)行控制，若防噴器控制裝置不能及時對防噴器進(jìn)行控制或出現(xiàn)故障，后果將不堪設(shè)想。所以為了確保防噴器控制裝置在使用時的控制能力，在控制裝置使用前，或在使用一段時間后，對其進(jìn)行調(diào)試是非常重要的[1-2]。

防噴器控制裝置的調(diào)試試驗是指借助于防噴器控制裝置調(diào)試系統(tǒng)，對防噴器控制裝置進(jìn)行一系列的調(diào)試試驗，用于評判防噴器控制裝置的反應(yīng)速度、耐壓性和密封性等工作性能。包括：關(guān)閉時間試驗，蓄能器組充壓時間試驗，泵組自動啟停試驗，溢流閥超壓保護(hù)試驗，耐壓試驗和油密封試驗等。防噴器控制裝置的調(diào)試試驗是防噴器控制裝置正常使用的保證[3]。

現(xiàn)在市面上大多數(shù)是防噴器的調(diào)試系統(tǒng)，而關(guān)于防噴器控制裝置的調(diào)試產(chǎn)品很少，而且，大多數(shù)防噴器控制裝置的調(diào)試試驗是通過控制臺來進(jìn)行的，不但不利于試驗數(shù)據(jù)的處理和保存，而且對于那些沒有控制臺的手動控制的防噴器控制裝置來說進(jìn)行調(diào)試試驗非常不便[4-6]。

為了對防噴器控制裝置進(jìn)行調(diào)試，本文采用Matlab開發(fā)了一個防噴器控制裝置調(diào)試試驗的平臺，能夠?qū)崟r監(jiān)測防噴器控制裝置中蓄能器組的壓力，并可通過人機(jī)交互控制防噴器控制裝置里的電泵啟動和停止。

1 防噴器控制裝置調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 實(shí)驗系統(tǒng)基本功能要求

根據(jù)地面防噴器及控制裝置標(biāo)準(zhǔn)SYT5053.2-2001的規(guī)定[7]，防噴器控制裝置在使用前必須進(jìn)行一系列的調(diào)試試壓，才能投入生產(chǎn)使用，以保證防噴器控制裝置的安全性和可靠性。在廣泛調(diào)研國內(nèi)外防噴器控制裝置調(diào)試實(shí)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗室的實(shí)驗條件，設(shè)計防噴器控制裝置的調(diào)試實(shí)驗系統(tǒng)應(yīng)能完成如下幾個主要的調(diào)試試驗。

(1) 關(guān)閉時間試驗。在調(diào)壓閥出口壓力為10.5 MPa條件下，操作各操作閥，記錄關(guān)閉閘板防噴器和液動閥的時間。

(2) 蓄能器組充壓時間試驗。遠(yuǎn)程控制臺泄壓到7 MPa，各三位四通液轉(zhuǎn)閥位于“中位”的情況下，啟動泵組給蓄能器組充壓，記錄從充壓開始至壓力升高到21 MPa的時間。

(3) 泵組自動啟停試驗。試驗電泵，將蓄能器組壓力從(200±0.7) MPa緩慢下降18.9 MPa時，觀察泵是否能自動啟動；泵啟動后，當(dāng)壓力升到(200±0.7) MPa時，觀察泵能否自動停止。

(4) 溢流閥超壓保護(hù)試驗。在主令開關(guān)放在手動位置、切斷液氣開關(guān)的情況下，啟動泵組逐漸升壓，觀察溢流閥開始產(chǎn)生溢流的壓力，并且觀察隨著系統(tǒng)壓力降低，導(dǎo)致溢流閥關(guān)閉的壓力。

(5) 耐壓試驗。油管末端用絲堵堵嚴(yán)，關(guān)閉蓄能器截止閥，開啟旁通閥。高壓溢流閥調(diào)定在34.5 MPa，啟動電泵，使壓力升至地面防噴器控制裝置標(biāo)稱壓力的1.5倍。將各三位四通液轉(zhuǎn)閥放在“中位”，停泵保壓10 min后，檢查各個部件有無明顯泄漏，有無明顯變形、裂紋等缺陷，并檢查3 min內(nèi)的壓力降。管排架和高壓軟管單獨(dú)進(jìn)行1.5倍標(biāo)稱壓力的耐壓試驗，保壓10 min，檢查各部位有無泄漏，有無明顯變形、裂紋等缺陷。

(6) 油密封試驗。在蓄能器壓力為21 MPa、調(diào)壓閥出口壓力為10.5 MPa和管匯壓力為21 MPa的情況下，用絲堵封嚴(yán)油管末端，并使各三位四通閥分別在“中位”“開位”和“關(guān)位”換向5 min后，觀測轉(zhuǎn)閥在中位、開位或關(guān)位時3 min的壓力降。

1.2 調(diào)試系統(tǒng)總體方案設(shè)計

防噴器控制裝置的調(diào)試試壓系統(tǒng)應(yīng)具備壓力數(shù)據(jù)的實(shí)時采集與顯示，并能夠?qū)Ψ绹娖骺刂蒲b置的電泵進(jìn)行控制，是因為通過調(diào)試系統(tǒng)能對防噴器控制裝置的電泵實(shí)現(xiàn)控制，可在極大程度上方便試驗人員進(jìn)行試驗，并且有些試驗例如電泵啟停試驗，需要測試防噴器控制裝置對控制的反應(yīng)能力，這時候便用到了調(diào)試系統(tǒng)的功能。

為實(shí)現(xiàn)防噴器調(diào)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制功能，采用PC上位機(jī)和單片機(jī)下位機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計方案，通過使用Matlab上位機(jī)軟件進(jìn)行圖形用戶界面程序的編寫，程序能夠?qū)崟r采集電子壓力傳感器的壓力信號，與試驗壓力進(jìn)行比較，然后將分析結(jié)果反饋到防爆磁力啟動器上來控制防噴器電泵的自動運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集與控制信號與計算機(jī)的通信均采用串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。防噴器控制裝置調(diào)試系統(tǒng)的建立可使學(xué)生掌握防噴器控制系統(tǒng)的基本操作規(guī)程，并完成控制裝置的整套調(diào)試試驗系統(tǒng)的設(shè)計，從而能夠完整掌握鉆井井控原理及重要意義。系統(tǒng)的功能框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)試系統(tǒng)的總體方案設(shè)計

2 防噴器控制裝置調(diào)試系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)實(shí)時采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)實(shí)時采集是通過壓力變送器檢測壓力值，然后傳到采集卡將壓力信號轉(zhuǎn)化為一個電壓的數(shù)值，接著采集卡通過串口通信將電壓值傳到上位計算機(jī)上，最后通過上位計算機(jī)上的應(yīng)用程序?qū)㈦妷褐缔D(zhuǎn)換為壓力值顯示在用戶界面上。如圖1所示，數(shù)據(jù)采集卡選用研華公司生產(chǎn)的16位A/D、8通道的模擬量輸入模塊的ADAM4117[8]，壓力變送器選用廣州施氏有限公司所生產(chǎn)的SDD602-B-1-35M-I-S-ZC，其工作原理是：壓力變送器里面有測量膜片，當(dāng)它的表面受壓時，膜片會產(chǎn)生微小的形變，壓力變送器里的高精度電路會把此微小的形變進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換出的信號和壓力成正比且與激勵電壓成正比，接著內(nèi)部芯片可以把這個電壓信號輸出[9]。由于ADAM4117采集卡是以RS-485接口輸出信號，而大多數(shù)計算機(jī)的接口為RS-232，為了讓采集卡和計算機(jī)進(jìn)行通信，需在兩者之間加入一個UT-218轉(zhuǎn)換器，UT-218是由UOTEK公司生產(chǎn)的RS232/RS485/RS422轉(zhuǎn)換器，其工作方式為異步半雙工或異步全雙工。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

如圖1所示，控制系統(tǒng)將控制的指令通過串口通信從上位計算機(jī)傳輸?shù)较挛粏纹瑱C(jī)中，單片機(jī)根據(jù)指令控制防噴器電泵的磁力啟動器，從而實(shí)現(xiàn)對防噴器的控制。由于單片機(jī)是弱電，而防噴器的磁力啟動器為380 V的強(qiáng)交流電，單片機(jī)不能直接控制強(qiáng)電，需要接一個光電耦合裝置，光電耦合裝置選擇美格爾公司生產(chǎn)的MGR-1 D4810固態(tài)繼電器，它是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)，用隔離器件實(shí)現(xiàn)控制端與負(fù)載端的隔離[10]，固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達(dá)到直接驅(qū)動大電流負(fù)載。為保護(hù)單片機(jī)，采用單片機(jī)接弱電繼電器，再接固態(tài)繼電器的方案，以防電路出現(xiàn)異常，燒毀單片機(jī)。所用的單片機(jī)是STC89C52RC單片機(jī)，是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB系統(tǒng)可編程Flash存儲器[11]。

防噴器控制裝置調(diào)試系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖如圖2所示，主要部件為ADAM4117采集卡、STC89C52RC單片機(jī)模塊和MGR-1 D4810固態(tài)繼電器之外，還有配電箱、DZ47LE-32空氣開關(guān)、T-100D變壓器、UT-218轉(zhuǎn)換器，RS-232串口通信線等。

圖2 防噴器控制裝置調(diào)試系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖

3 防噴器控制裝置的調(diào)試系統(tǒng)軟件設(shè)計

防噴器控制裝置調(diào)試試壓的軟件程序主要包括壓力數(shù)據(jù)采集程序和防噴器控制程序的編寫。壓力采集程序采用Matlab語言編寫，主要分為串口通信、實(shí)時采集、壓力轉(zhuǎn)換三部分。要想采集卡與計算機(jī)進(jìn)行通信，必須在應(yīng)用程序里編寫串口通信的程序，串口通信程序包括創(chuàng)建串口、設(shè)置串口參數(shù)、打開串口、讀取串口信號、關(guān)閉串口、刪除串口等內(nèi)容[12-14]。實(shí)時采集的程序采用for循環(huán)查詢，讓串口在循環(huán)周期內(nèi)讀取信號，所設(shè)的時間間隔為0.5 s，當(dāng)需要停止采集時，通過break函數(shù)跳出讀取信號的循環(huán)即可。計算機(jī)從采集卡里讀取到的壓力信號是以電壓值表示的數(shù)字信號，由于壓力變送器的量程是0～35 MPa，而輸出電壓范圍是0～5 V，所以實(shí)際的壓力值是其對應(yīng)的電壓值的7倍。

控制程序主要分為兩大部分：一個是應(yīng)用程序里的控制程序，采用Matlab語言進(jìn)行編寫，與采集程序一樣，具有與單片機(jī)進(jìn)行串口通信的功能；另外一個是單片機(jī)里的程序，采用C語言進(jìn)行編寫，主要設(shè)置串口通信，以及設(shè)置單片機(jī)控制管腳[15]。

采用Matlab GUI界面編程語言對防噴器控制裝置的軟件進(jìn)行了功能設(shè)計[16-17]，該應(yīng)用程序的功能框圖如圖3所示，主要由主界面，試驗內(nèi)容界面，相關(guān)人員介紹界面，選擇控制裝置類型界面，試驗項目界面，關(guān)閉時間試驗界面，蓄能器組充壓時間試驗界面，泵組自動啟停試驗界面，溢流閥超壓保護(hù)試驗界面，耐壓試驗界面，油密封試驗界面，計時器界面等組成，每個界面的功能和內(nèi)容都不一樣。

圖3 調(diào)試系統(tǒng)的功能框圖

調(diào)試系統(tǒng)應(yīng)用程序主界面如圖4所示，這個界面主要說明了整個應(yīng)用程序的名稱“防噴器控制裝置的調(diào)試系統(tǒng)”，還有一個“進(jìn)入”的按鈕，點(diǎn)擊該按鈕可進(jìn)入到下一個界面。在界面左上方的菜單欄里有四個子菜單，分別是“文件”“試驗裝置”“關(guān)于”“退出”，若按下“文件”菜單，將會彈出一個名為“數(shù)據(jù)”的文件夾，里面將保存著每次調(diào)試試驗的數(shù)據(jù)。若按下“試驗裝置”子菜單，則會彈出下級子菜單，分別為“FK普通防噴器控制裝置”“FKQ氣控防噴器控制裝置”“FKDQ電氣控防噴器控制裝置”“FKWDQ無線遙控防噴器控制裝置”，該子菜單作用是讓試驗人員選擇所要進(jìn)行試驗的防噴器控制裝置的類型。例如點(diǎn)擊“FK普通防噴器控制裝置”會彈出試驗項目及基本參數(shù)設(shè)置如圖5所示，提供了6個試驗項目，分別為“關(guān)閉時間試驗”“蓄能器組充壓時間試驗”“泵組自動啟停試驗”“溢流閥超壓保護(hù)試驗”“耐壓試驗”和“油密封試驗”。

圖4 防噴器控制裝置調(diào)試系統(tǒng)軟件主界面

(a) 關(guān)閉時間試驗

(b) 蓄能器組充壓時間試驗

(c) 泵組自動啟停試驗

(d) 溢流閥超壓保護(hù)試驗

(e) 耐壓試驗

(f) 油密封試驗

圖5 防噴器控制裝置試驗項目界面圖

為了保證試驗人員能有序地完成調(diào)試試驗，剛進(jìn)入試驗項目界面時，只有第1個試驗項目的按鈕可點(diǎn)擊，其余試驗項目按鈕為灰色且不可選，等做完第1個試驗時，第2個試驗的按鈕才可用，以此類推。界面底下有“保存數(shù)據(jù)”和“返回”的按鈕，在試驗未完成時點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”會彈出一個窗口，詢問你試驗未完成是否保存數(shù)據(jù)，點(diǎn)“是”的話，將數(shù)據(jù)存入名為“數(shù)據(jù)”的文件夾中；點(diǎn)“否”的話，則留在試驗項目界面。在試驗完成之后點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”，直接將數(shù)據(jù)存入名為“數(shù)據(jù)”的文件夾中。點(diǎn)擊“返回”按鈕會返回到主界面上。

以“蓄能器組充壓時間試驗”為例，如圖5(b)所示，試驗時先將蓄能器組泄壓和升壓的數(shù)值填入相應(yīng)位置，然后點(diǎn)擊“采集”按鈕，進(jìn)行壓力信號的采集，此時觀察蓄能器組從泄壓值升到規(guī)定壓力上限的情況，并用上述計時器進(jìn)行計時，并將時間值填入相應(yīng)位置，完成試驗之后，點(diǎn)擊“保存數(shù)據(jù)”，數(shù)據(jù)會保存到創(chuàng)建的Excel表格里。試驗后必須點(diǎn)擊“停止”，不然在點(diǎn)擊“返回”時，會彈出警示窗口，提示試驗人員停止采集，只有保存完數(shù)據(jù)以及停止采集之后，點(diǎn)擊“返回”才能退出返回試驗項目界面。

4 結(jié) 語

對防噴器控制裝置的調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和控制兩個功能。數(shù)據(jù)采集通過傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號傳到采集卡中，然后通過串口通信將采集卡中的電信號傳到計算機(jī)中，最后通過調(diào)試系統(tǒng)的應(yīng)用程序進(jìn)行處理，并將采集到的壓力值顯示在用戶界面上；而控制功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過調(diào)試系統(tǒng)的應(yīng)用程序發(fā)出指令，然后通過串口通信將指令傳到單片機(jī)上，單片機(jī)通過繼電器來控制防噴器控制裝置中的防爆磁力啟動器，進(jìn)而控制防噴器電泵的運(yùn)行。

該調(diào)試系統(tǒng)的主體功能是能為防噴器控制裝置進(jìn)行一系列的調(diào)試試驗，該調(diào)試系統(tǒng)具備了數(shù)據(jù)實(shí)時采集與顯示、程序執(zhí)行控制及串口通信等功能，并對用戶界面的操作進(jìn)行了說明。

該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，裝配和拆裝方便，占用實(shí)驗空間小。通過模擬實(shí)驗表明實(shí)驗運(yùn)行可靠，可信度高。