陳虹全 劉瑞紅

（①成都理工大學；②中國石油西部鉆探工程技術研究院）

0 引言

在石油鉆井工程中溢流是主要危害之一，溢流預警不及時，可能導致嚴重的井控風險，甚至井噴事故；硫化氫氣體是一種致命毒氣，預警不及時，可能導致人員中毒、設備損壞等嚴重事故。當鉆井過程中發(fā)生溢流和硫化氫險情時，采用報警裝置及時發(fā)出聲光報警，是傳達險情的一種快速有效方法。常規(guī)應用的溢流、硫化氫險情報警裝置功能單一，無法及時有效區(qū)分溢流和硫化氫井控險情，供電電壓為有線式AC 220 V，依靠手動撥動常規(guī)開關通電、斷電來實現報警，無法通過遠程操作報警和自動記錄報警時間及險情類型。通過改變常規(guī)聲光報警器供電方式和內部結構設計，基于自動化控制、無線控制和開關量監(jiān)測記錄等技術設計出一款工作電壓為DC 24 V 的石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)，實現報警系統(tǒng)遠程無線操作，根據不同險情發(fā)出不同警示聲光，提高鉆探險情報警精準性，及時識別溢流或硫化氫險情。此報警系統(tǒng)已獲2項國家專利[1-2]，目前處于推廣應用階段。

1 常規(guī)聲光報警器局限性分析

目前各錄井隊主要采用的是單一式聲光報警器（常規(guī)聲光報警器），這種報警器存在3個方面的局限。

1.1 功能單一

在鉆探生產現場發(fā)生溢流和硫化氫險情均需要及時報警，常規(guī)聲光報警器只能發(fā)出一種聲音和一種閃光，當險情發(fā)生時，不能有效區(qū)分是溢流險情還是硫化氫險情，給生產現場人員增加了辨識困難和一定的人身安全風險。同時，常規(guī)聲光報警器只能進行聲光報警，不能記錄報警啟停時間和報警類型，造成報警無數據記錄和依據，給事后查詢資料和實況追溯帶來較大難題。

1.2 供電模式簡單

常規(guī)聲光報警器采用有線式供電，在運行過程中，從錄井儀器房直接將電壓AC 220 V 供給聲光報警器，當電壓、電流、頻率不穩(wěn)定時容易造成聲光報警器燒壞或報警失效。該供電模式相對簡單，在使用中仍存在一定的觸電風險。

1.3 安裝和操作不便

常規(guī)聲光報警器的有線式供電，限制了聲光報警器的安裝位置，目前安裝在錄井儀器房頂架線桿上，不方便移動和進行多點安裝。工作時聲音和閃光不能覆蓋整個井場，存在一定弊端；啟動聲光報警器工作是采用簡易開關，通過通、斷電來實現聲光報警器啟動和關閉，受固定開關限制，操作時人員必須在儀器房內固定位置，遇離開關較遠處發(fā)現險情，或其他人員發(fā)現險情時，再到儀器房通電報警，存在一定的延遲，容易錯過險情最佳處理時間或有效撤離時間，使險情進一步升級，造成嚴重事故。

2 石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)設計

2.1 總體方案

石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)由主機、智能記錄儀、供電單元、無線控制單元[2]、多功能聲光預警單元[1]和擴展單元組成（圖1）。主機安裝在錄井儀機柜上，智能記錄儀和無線控制單元固定安裝在主機箱內部，配套一鍵報警操作按鈕、無線遙控裝置，以及相關數據實時瀏覽、查詢、導出PC 程序和功能擴展模塊。供電單元分為主機有線式供電和預警單元的離線式供電[2]。多功能聲光預警單元為便攜可移動式，無需拉線，根據現場實際情況同時安裝在駐井房、司控房、機房、營房等區(qū)域，不受環(huán)境、位置和數量的影響[3]。

圖1 石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)

在供電單元正常供電情況下，當發(fā)生溢流或硫化氫險情時，值班人員根據險情類型直接按下主機上相應按鈕或無線遙控裝置中的相應按鈕，主機內部無線控制單元接收到信號源并分析處理后，發(fā)出相應命令，由主控模塊通過無線和有線形式將命令發(fā)出，無線信號覆蓋范圍內所有對碼或連線[4-6]報警器接收命令并執(zhí)行相應險情報警，同時將正常工作信號反饋給主機，主機正常工作指示燈點亮，記錄儀開始記錄，停止時與啟動時除命令和工作狀態(tài)不同，其余流程相同。該設計可以解決常規(guī)聲光報警器功能、供電和操作所存在的局限，消除了安全隱患，達到提高險情報警精準性和及時性的目的。

2.2 主機結構

為滿足綜合錄井儀機柜安裝條件，主機采用19 in 2 U（1 in＝25.4 mm，1 U＝44.45 mm，即機箱寬482.6 mm，高88.9 mm）標準機箱，機箱正面安裝有智能記錄儀[5]，溢流、硫化氫報警按鈕和預警單元工作信號燈；機箱內部安裝有主控控制單元、無線及有線混合式傳輸單元和開關電源；機箱后端設置RS 485通信接口、預警單元有線式供電接口、傳感器接入預留接口和擴展單元。

主機工作原理（圖2）：在正常供電情況下，當發(fā)生溢流或硫化氫險情時（信號源），按下主機或遙控裝置上相應按鈕，形成電信號傳送給控制器，由控制器分析處理后，控制驅動器，驅動智能記錄儀和無線（有線）收發(fā)模塊工作，記錄儀開始記錄時間[7-8]和報警類型；無線收發(fā)模塊將信號發(fā)送給預警單元，當預警單元開始工作時，反饋工作狀態(tài)信號經天線由無線收發(fā)模塊接收并傳送給控制器驅動工作指示燈工作。有線收發(fā)模塊的信號傳送通過信號線直接傳輸完成。

圖2 主機工作原理示意

2.3 供電單元

供電單元包括兩部分：第1 部分為主機有線式供電；第2 部分為預警單元的離線式供電。為保障生產用電安全，主機和預警單元各部件工作電壓均按國際持續(xù)接觸安全用電標準設計為DC 24 V。

主機有線式供電：主機供電采用AC 220 V 主供電，在主機內部安裝有AC 220 V 轉DC 24 V 開關電源，主機內部其他電路均由DC 24 V 開關電源輸出供電，同時為離線式供電模塊進行充電。

預警單元離線式供電：應用防爆技術采用防爆箱、灌封膠、航空防爆插頭等將DC 24 V 電池密閉固封在內，形成與市電或發(fā)電機脫離的離線式供電模塊。為降低功耗，提高電池供電時長，將報警器內部控制電路和閃光、聲音模塊均設計為低功耗運行，離線式供電單元運行時長可達到1個月。

2.4 智能記錄儀

智能記錄儀采用全中文界面（圖3），800×480 分辨率高清觸摸液晶顯示屏，為獨立系統(tǒng)運行[9]，采用RS 485、網口等通信可與計算機進行共享并聯，實現數據實時同步瀏覽和導出，智能記錄儀實時監(jiān)測鉆探溢流和硫化氫險情報警情況。報警啟動時，記錄儀開始記錄險情類型和報警啟停時間；智能記錄儀不僅有記錄功能，還有獨立分析和處理功能[10]，在錄井未監(jiān)測時，可直接在記錄儀上連接傳感器，記錄儀通過采集數據進行分析，根據預設條件進行自動報警。

圖3 智能記錄儀主界面

2.5 無線控制單元

無線控制單元包括3 部分：一是主機內部無線控制模塊；二是無線遙控裝置[9]；三是報警器內部無線控制模塊。

主機內部無線控制模塊具有信號接收、放大和發(fā)送功能，信號接收是指接收無線遙控裝置所發(fā)出的信號，將該信號放大后經天線向外發(fā)送[7]，同時接收由報警器內部無線控制模塊反饋工作狀態(tài)信號，再傳遞給控制單元。無線控制模塊設置兩根天線，一根在室內主機箱后端，另一根在錄井儀器房頂部安裝的報警器內部。

為提高報警效率，保障險情處理的黃金時間，增加無線遙控裝置。當錄井值崗人員因工作需要，到錄井儀器房外井場內其他區(qū)域循環(huán)檢查或核對數據時，發(fā)現險情即可立即操作隨身攜帶的遙控器進行報警，遙控器的功能與主機上按鍵式按鈕功能相同[11-12]，不僅方便移動式操作，還能獨立使用，可作為主機出現故障時的一種替補裝置。

除錄井儀器房頂部安裝的報警器與主機同時采用有線控制和無線控制外，其余報警器內置無線控制模塊，不僅能直接接收主機、無線遙控裝置信號，還具有無線同步功能，當主機信號或無線遙控信號不能傳達到邊沿報警器時，已工作的報警器同步功能將使該報警器同步信號范圍內的報警器無條件同步工作，從而保障井場內各區(qū)域報警器均能正常工作。

為防止兩口井間距較近相互影響，導致報警器誤工作，可通過同一口井內報警器進行對碼，形成局域內獨立通信通道。

2.6 多功能聲光預警單元

根據安裝位置不同，多功能聲光報警器分為兩種型號（其聲音大小等配置可根據需求搭配，如單喇叭或多喇叭）：一種是安裝在錄井儀器房頂架線桿上或室外其他需要位置的180 dB報警器；另一種是安裝在鉆井司控房內的120 dB 報警器。兩種報警器除外觀和聲音大小不同外，其功能和結構完全相同，內部均固定安裝無線通信模塊、控制模塊、紅黃雙色閃光燈和雙聲道報警模塊[1]。

180 dB報警器主要安裝在室外，根據需求可安裝在井場內任何位置；120 dB報警器主要安裝在室內，根據需求可安裝在井場任何室內位置。為保障日常維護安全，錄井儀器房頂部或其他存在風險位置報警器采用主機有線式直接供電，其余采用離線式供電。

多功能聲光預警單元工作原理（圖4）：在正常供電情況下，當主機發(fā)出無線或有線控制信號時，預警單元經天線由無線收發(fā)模塊接收[9]或經信號線由有線收發(fā)模塊接收，并將信號傳輸給控制器，由控制器分析處理后，控制燈光和聲音驅動器，發(fā)出紅色或黃色閃光，同時發(fā)出與燈光對應的報警聲音[4]。閃光和聲音正常工作時發(fā)出的反饋信號由無線收發(fā)模塊經天線傳出或有線收發(fā)模塊經信號線傳出。

圖4 多功能聲光預警單元工作原理示意

2.7 擴展單元

為實現自動報警和獨立運行，擴展單元主要分為3 部分：第1 部分為獨立連接傳感器采集、分析數據并自動報警；第2 部分為報警系統(tǒng)與錄井儀采集系統(tǒng)數據共享并聯；第3 部分為以物聯網為基礎實現的遠程控制。

為滿足鉆探各階段的溢流和硫化氫險情報警需求，石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)主機內設計有擴展單元（圖2 藍色部分），通過擴展單元將硫化氫等傳感器與智能記錄儀連接，實時采集、分析和存儲相關數據，以實時曲線、歷史數據等方式展現在記錄儀中，方便數據導出和查閱。當采集數據達到預設高低門限時，自動發(fā)出命令給報警系統(tǒng)，實現獨立運行和自動報警功能，可安裝用于錄井待命、修井、試油等其他階段。

在錄井過程中，各數據已通過傳感器采集到錄井儀，通過擴展單元中串口或網口等通信方式，將錄井儀采集系統(tǒng)所采集的相關數據并聯共享給石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)，實現險情自動識別和自動報警，進一步緩解人員工作強度，提高報警精準性和及時性。同時記錄儀將數據再次存儲，保障險情數據獨立分析和記錄（圖2藍色部分）。

為滿足后期遠程錄井技術提升后的適用性，石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)通過擴展單元以物聯網為基礎，與遠程錄井同步傳送，實現基地監(jiān)控中心或決策中心進行遠程報警操作和監(jiān)測[11]。

3 試驗情況

3.1 室內靜態(tài)試驗

靜態(tài)試驗選擇在常溫、安靜的實驗室內進行，試驗供電為穩(wěn)定市電，48 h通電運轉無故障后，分別對溢流和硫化氫險情進行模擬試驗。通過對主機上的按鈕和無線遙控裝置進行操作，報警器根據險情類型對等工作，聲音和閃光均達到預期效果，無線遙控裝置與主機配合使用空曠距離可達1 000 m。將主機關閉，模擬主機出現故障，對無線遙控裝置進行獨立測試，有效距離可達600 m（表1），靜態(tài)試驗成功。

表1 室內靜態(tài)測試統(tǒng)計

3.2 現場動態(tài)試驗

現場試驗選擇位于火焰山下（高溫地區(qū)）的PT 1井，該井選用雪狼5型綜合錄井儀，將主機安裝在錄井儀機柜上，主供電為生產現場工業(yè)用電。180 dB報警器安裝在錄井儀器房頂部，由主機有線式供電，120 dB 報警器安裝在司控房內，由離線式供電模塊供電。經通電6 h 運行無故障后，進行模擬測試，效果較好，主機按鈕預警準確無誤，無線遙控裝置在井場內任意位置均可獨立操作（表2）。確保無誤后與鉆井隊聯合測試，模擬溢流和硫化氫險情，駐井房、坐崗房、機房、鉆臺等各處施工人員根據報警聲音和閃光可精準區(qū)分險情類型，現場動態(tài)試驗成功。

表2 現場動態(tài)測試統(tǒng)計

4 應用效果

石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)研制成功后，分別在塔里木、吐哈等油氣田14口井推廣使用，累計運轉2萬多小時（表3）。應用表明，該報警系統(tǒng)實現控制和供電無線化，方便現場安裝，不受環(huán)境影響，雙色雙聲道可有效區(qū)分溢流和硫化氫險情。當發(fā)生溢流時，報警器發(fā)出和“119”警報相似的聲音，閃黃色光；當發(fā)生硫化氫險情時，報警器發(fā)出和“110”警報相似的聲音，閃紅色光。消除了險情誤判等難題，其功能和性能均得到了肯定。

表3 石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)運轉情況

該報警系統(tǒng)整體設計具有創(chuàng)新性，安裝運移連接方便，無線控制程度和安全性能高，符合行業(yè)標準，尤其是實現了施工現場安全電壓作業(yè)和解決了單一式聲光報警器難以區(qū)分溢流和硫化氫險情導致誤判的難題，無線遠程控制不僅消除了固定式開關的條件限制，還提高了險情預警效率，獲得了油田建設方和錄井現場人員的高度認可，具有較好的推廣應用前景。

5 結論

石油鉆探井控險情報警系統(tǒng)的成功研制與應用，解決了石油鉆探行業(yè)生產現場井控險情預警技術難題，改變了常規(guī)報警器功能單一的局限，提高了鉆探險情報警效率，消除了安全隱患，完善了鉆探生產現場險情報警系統(tǒng)，為單井安全提速創(chuàng)效提供了技術保障。根據生產現場需要，可將該報警系統(tǒng)升級改進，安裝應用到鉆井、試油、射孔等石油開采的其他工序中。