電控型地面防噴器控制裝置研制

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(1.河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘 062552；2.中國石油物資公司，北京 1000293.中國石油西部鉆探工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834009)①

石油、地質、礦業等領域的鉆井作業中，當鉆柱中的鉆井液柱壓力低于地層流體壓力時，就有發生井涌、甚至井噴的危險。為了防止井涌和井噴的發生，井口的地面需安裝防噴器，通過地面防噴器控制裝置控制防噴器，使其及時關閉[1]。現有地面防噴器控制裝置一般由遠程控制臺、司鉆控制臺組成，其司鉆控制裝置與遠程控制裝置之間通過多條壓縮空氣管線相接，通過氣管線中的壓縮空氣驅動遠程控制臺上的轉閥動作，從而控制液壓油驅動防噴器動作[2-3]。由于氣管線的連接管路較為復雜，管路長度比較長，加之壓縮空氣流動較慢，導致控制的滯后時間比較長。

實際鉆井中對防噴器控制的主要要求為關閉響應時間，即從功能啟動到防噴器完全關閉的時間?，F行標準要求關閉閘板防噴器的時間不超過30 s，小于463.55 mm(18英寸)的環形防噴器的關閉時間不超過30 s，大于463.55 mm(18英寸)的環形防噴器關閉時間不超過45 s?，F有氣控型控制裝置的控制滯后時間約為3 s，占到了關閉響應時間的10%。因此，縮短控制滯后時間就成了提高地面防噴器控制裝置性能的有效途徑。

此外，其受環境溫度的影響較大，當溫度低于零度時，氣管線內凝結的水會結冰導致管線堵塞，致使控制失靈，威脅井控安全[4]。另外，采用氣控方式，在司鉆控制臺上不能及時且真實的顯示轉閥位置，影響操作人員對當前鉆井工況的判斷。

目前，已有其他廠家研發生產出電控型地面防噴器控制裝置。這些控制裝置在遠程控制臺和司鉆控制臺均安裝有PLC裝置，PLC之間使用通信電纜進行控制信號和狀態信號的傳輸，代替氣管纜實現遠程控制臺和司鉆控制臺之間的控制信號的傳輸。解決了控制氣管纜結冰堵塞導致控制失靈的問題[5]。但是，這些電控型液控裝置都使用電磁閥控制氣缸驅動轉閥動作，使用氣馬達驅動環形防噴器調壓閥調壓，依舊沒有完全擺脫對壓縮空氣的依賴，只是降低了因水汽凝結結冰造成裝置失效的幾率[6]。

針對以上問題，研發了由電磁鐵驅動轉閥，電動機驅動環形防噴器調壓閥，PLC控制的數字化純電控型地面防噴器控制裝置，完全不使用壓縮空氣，徹底消除了低溫對地面防噴器控制裝置使用的影響，拓展了地面防噴器控制裝置的使用時間和地理范圍。

1 系統組成

電控型地面防噴器控制裝置的結構組成如圖1所示。遠程控制臺主要由油箱及附件，高壓管匯及儀表、各種傳感器、“電磁鐵-轉閥組”、環形BOP電手動調壓閥、蓄能器、電控箱、電磁鐵驅動控制箱等系統組成，是完成防噴器控制的核心部分。司鉆臺由PLC、觸摸屏和按鈕指示燈等組成，現場操作人員使用司鉆臺來遠程操作地面防噴器控制裝置。電控箱內部的核心部件的核心為PLC，用來處理司鉆臺發出的操作指令和控制遠控臺上各部件的工作。電磁鐵驅動控制箱內部安裝電磁鐵的驅動器，按照電控箱發出的控制信號來驅動電磁鐵的動作。

1—遠程控制臺；2—電手動調壓閥；3—副司鉆面板；4—觸摸屏；5—電磁鐵驅動控制箱；6—電控箱；7—電磁鐵-轉閥組；8—主司鉆面板。

2 工作原理

電控型地面防噴器控制裝置的架構如圖2所示。司鉆臺安裝在鉆臺或司鉆室內，司鉆臺和遠程控制臺之間通過現場通信總線進行連接，用來在司鉆臺和遠控臺之間雙向傳輸控制信號和反饋信號。

當現場工作人員需要打開或關閉防噴器時，通過司鉆臺上的觸摸屏和按鈕發出指令，司鉆臺內的PLC采集到操作信號后，進行編碼后通過現場總線將操作指令傳輸至遠程控制臺的電控箱，線控箱內的PLC將指令解碼后按指令控制相關部件進行動作，來實現工作人員操作的功能。

遠控臺電控箱內的PLC采集現場壓力傳感器信號和轉閥開關位置接近信號，編碼后通過現場總線反饋至司鉆臺，司鉆臺內的PLC將信息解碼后通過觸摸屏和指示燈等進行顯示，使工作人員能了解現場設備的實時參數和對操作指令的執行情況。

圖2 電控型地面防噴器控制裝置控制系統原理

3 電控系統設計

3.1 電控原理

電控系統分為遠程控制臺電控部分和司鉆臺(或輔助控制臺)電控部分，遠控臺電控部分采用西門子S7-200 型PLC作為核心，配備相應的數字量和模擬量I/O模塊和執行驅動電氣元件，實現對遠程控制臺上的推拉電磁鐵、環形BOP電手動調壓閥以及液壓油泵的控制，采集壓力傳感器及轉閥位置接近開關的信號。從而實現對兩位三通轉閥、三位四通轉閥的開關控制，環形BOP調壓控制，油泵自動起?？刂埔约盃顟B信號采集等功能。司鉆臺(或輔助控制臺)電控系統由S7-200型PLC和觸摸屏組成，負責采集操作信息及顯示系統狀態、報警信息。遠控臺PLC和司鉆臺(或輔助控制臺)PLC之間使用通信電纜連接，組成現場總線通訊系統(西門子S7通訊)，負責在遠控臺和司鉆臺(或輔助控制臺)之間傳輸操作及狀態信息[5]。當需要操作防噴器時，在司鉆面板上按下相應的按鈕或點擊觸摸屏，操作信息通過現場總線傳輸至遠控臺PLC，遠控臺PLC根據收到的操作指令執行相應的操作。遠控臺PLC采集當前系統的狀態信息，包括各轉閥的位置、蓄能器系統的壓力、匯流管壓力、環形壓力、溫度、電參數等信號，將這些狀態信號通過工業總線實時傳輸至司鉆臺(或輔助控制臺)，并在觸摸屏上顯示出來[7]。

司鉆臺(或輔助控制臺)上的觸摸屏除了能顯示系統的狀態及報警信息外，還具有設置系統參數的功能。通過觸摸屏上可以對當前使用的防噴器組的形式進行設定和修改，使用者可以根據不同鉆井階段防噴器的配置來選擇不同的組合，增加了系統使用的靈活性。設置主油泵的起停壓力值，實現油泵起停的自動控制，相比采用壓力控制器的方式，更加方便、快捷、準確。設置各壓力和溫度信號的報警值，實現系統狀態的超限報警，防止危險工況的發生。系統能記錄壓力和溫度值的實時趨勢曲線，通過曲線，可以觀察到蓄能器、匯流管壓力、環形壓力以及溫度的變化趨勢，幫助分析系統的工作狀況。系統具備用戶權限管理功能，不同級別的用戶可以有不同的操作權限，用戶使用自己的用戶名和密碼登錄后，可以進行自己權限內的操作，配置時增加了用戶密碼，確保了系統操作的安全性。電控系統架構如圖3所示。

圖3 電控系統原理

3.2 防爆牽引電磁鐵

本裝置采用防爆推拉式電磁鐵代替傳統的氣缸對轉閥進行操作，“電磁鐵-轉閥組”的結構如圖4所示。防爆推拉式牽引電磁鐵系專門為地面防噴器控制裝置的應用所研制，工作方式區別于傳統電磁鐵，工作模式為短時高輸出模式，特別適合于地面液控的控制要求。該電磁鐵由線圈、動鐵芯和靜鐵芯電源控制器等組成，應用了螺旋管的漏磁通原理，利用電磁鐵動鐵芯和靜鐵心長距離吸合來實現牽引桿的直線往復運動[8]，行程55 mm，牽引力800 N。電磁鐵的控制形式采用了交流-直流控制[9]，具有大功率啟動、小功率維持的特點，永不燒線圈的特點。當操作電磁鐵時，電磁鐵大功率輸出30 ms時間，將轉閥牽引到位，然后轉為小功率維持一定牽引力，保持當前的動作位置，操作頻次可達到60 min-1。 防爆牽引電磁鐵動鐵芯前端與三位四通轉閥手柄下端相連，當防爆牽引電磁鐵得到控制信號時，動鐵芯伸縮帶動轉閥轉動，實現相應的液壓管路通斷，轉閥的開關位置由接近開關反饋給主控制箱內的PLC可編程控制器，顯示在司鉆臺(或輔助操作臺)的觸摸屏上。電信號的傳輸延遲非常低，電磁鐵動作時間也非?？?，因此該控制方式大幅縮短了控制滯后時間，從傳統液控的3 s鐘左右降低為0.5 s左右。由于不使用壓縮空氣，從根本上解決了氣管可能因水氣凝結結冰而堵塞，導致控制失靈的問題。

1—轉閥的油口；2—轉閥；3—牽引電磁鐵。

3.3 環形BOP防爆電手動調壓閥

傳統的地面防噴器控制裝置環形防噴器調壓是通過氣手動調壓閥或氣馬達驅動的調壓閥來實現的，調壓依賴壓縮空氣。本電控地面防噴器控制裝置為了能夠徹底擺脫對壓縮空氣的依賴，減少氣源對控制裝置的影響，并提高控制的響應速度，專門研制了由直流24 V防爆電機驅動的調壓閥來實現環形BOP開關壓力的調節，當電源失效時，調壓閥通過蝸輪蝸桿自鎖機構保持調定的壓力不變。

電手動調壓閥的結構如圖5所示。當司鉆臺發出調節BOP關閉壓力的指令后，電控系統驅動直流防爆電機旋轉，經過蝸輪蝸桿機構減速后帶動驅動套旋轉，驅動套帶動調節桿及手輪旋轉，達到調節閥芯的目的，實現BOP控制壓力的調節?？刂齐姍C的正反轉，可以實現升壓和降壓的調節。除了在司鉆臺上遠程電動調壓，該調壓閥同時具備手動調壓功能，可在遠控臺上人工手動旋轉手輪來調整環形BOP開關壓力。

1—防爆直流電機；2—調壓閥體；3—蝸輪蝸桿機構；4—調壓手輪。

3.4 防爆不間斷電源

電控地面防噴器控制裝置配備了防爆不間斷電源。當控制系統的外接主電源供應出現故障時，防爆不間斷電源系統將自動啟動，為電氣控制系統、防爆牽引電磁鐵和環形BOP電手動調壓閥提供備用電源，提供控制系統工作2 h以上的后備電能，保證井控系統的安全。

4 控制軟件的設計

4.1 PLC程序設計

PLC程序采用主從式工作模式，遠程控制臺PLC為主站，司鉆臺或輔助控制臺PLC為從站。

主站PLC負責采集當前系統的狀態信息，包括各轉閥的位置、蓄能器系統的壓力、匯流管壓力、環形壓力、溫度、電參量等參數，并通過現場總線發送至從站，顯示在從站的觸摸屏上。主站PLC負責根據監測到的蓄能系統壓力控制主油泵的起停，根據從總線上接收到的操作命令控制轉閥和調壓閥的動作。從站PLC負責從總線上接收主站發來的系統狀態參數并發送給觸摸屏進行顯示，采集操作信息并發送給主站。

總線上的通信傳輸都由主站發起，從站進行響應[10]。

主站和從站的PLC程序流程如圖6～7所示。

圖6 主站PLC程序流程

圖7 從站PLC程序流程

4.2 HMI程序設計

采用西門子的MP277，254 mm(10英寸)觸摸屏，為操作人員提供一個友好的操作界面。

程序設計可以顯示主站發送過來的系統狀態信息；畫面上有操作按鈕，通過操作按鈕可以控制防噴器的開關和調壓閥的調壓動作；通過觸摸屏可以設置系統的一些參數，如主油泵的起停壓力、報警值等；觸摸屏可以記錄系統參數的歷史信息，并以曲線的形式進行顯示，方便操作人員了解系統的工作狀態。

HMI畫面如圖8所示。

圖8 HMI畫面

5 樣機使用情況

根據以上的設計，試制了型號為FKD640-6的電控型地面防噴器控制裝置，如圖9所示。該裝置完全符合API16D標準，形式試驗合格。該裝置控制響應時間快，經過1 000次耐久性動作試驗，防爆牽引電磁鐵運行穩定可靠，完全可以替代氣缸使用，徹底解決了氣管纜可能因水氣凝結結冰而堵塞，導致控制失靈的問題。

圖9 FKD640-6樣機

6 結論

1) 電控型地面防噴器控制裝置的設計完全符合相應標準要求，適合鉆井工況使用，尤其是在我國東北地區以及俄羅斯高寒地區的使用優勢明顯。

2) 電控型地面防噴器控制裝置改變了傳統電控型地面防噴器控制裝置使用氣缸為中間執行元件的控制形式，控制滯后時間由原來的3 s左右縮短到0.5 s左右，提高了控制系統的響應速度，并解決了溫度低于0 ℃時，氣管可能因水氣凝結結冰而堵塞，導致控制失靈的問題。

3) 電控型地面防噴器控制裝置采用了先進的控制技術，不但應用HMI和信號電纜替代了氣控司鉆控制臺和氣管纜，方便了操作者的使用，而且該裝置的電控部分由于配置了PLC，還能對整套裝置的壓力數據和報警數據進行記錄，便于用戶的管理和使用。另外，該裝置具備進一步升級的能力，結合井控“四七”動作等井控要求，實現井控自動化。

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