鉆井罐面監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計

廖璘志，陳 琪

(宜賓職業(yè)技術學院 智能制造學院，四川 宜賓 644003)

0 引言

由于不同地區(qū)的地質構造千變萬化，因此石油鉆探在施工過程中常會遇到易滲透地層、裂縫、溶洞及含油氣的地層，鉆探時會發(fā)生不同程度的溢流或井噴事故，特別是新區(qū)域由于原始地層壓力不明，情況更嚴重。

鉆進時如發(fā)生了井漏或溢流，泥漿返回泥漿罐的量會發(fā)生變化，由此，監(jiān)測鉆井過程中泥漿總體積的變化就能在井漏或溢流現(xiàn)象產(chǎn)生初期及時地預判和提示，進而預防鉆井事故。

本文介紹了鉆井罐面監(jiān)測系統(tǒng)的方案設計和傳感器的配置,利用該系統(tǒng)可實時測量鉆井泥漿罐的液位、儲液量、泥漿的密度、溫度等參數(shù)，分析這些參數(shù)的變化并及時預警。

1 罐面監(jiān)測系統(tǒng)組成

如圖1所示，罐面監(jiān)測系統(tǒng)由液位、密度、流量等傳感器以及PLC主控元件、顯示和報警等外圍元件構成。

圖1 罐面監(jiān)測系統(tǒng)構成原理圖

液位傳感器檢測各罐體實時液位高度，采用浮球式液位深度儀，信號傳輸至控制器，經(jīng)程序運算生成各罐液體體積；泥漿密度傳感器及溫度傳感器檢測泥漿實時特性，為鉆井過程提供輔助信息；流量傳感器主要檢測新配比泥漿或人為加入新增體積。絞車傳感器與懸重傳感器配合使用，信息綜合到控制器經(jīng)過軟件判斷生成鉆井實時井深，為系統(tǒng)計算增加環(huán)空體積提供依據(jù)。

圖2為罐面監(jiān)測系統(tǒng)構架圖。罐面液位控制器采用220 V直接供電，與司鉆房監(jiān)控顯示器通訊采用無線方式。浮球式液位儀、溫度密度儀與罐面控制器直接相連，由后者供電。其他傳感器采用無線方式將信號傳輸?shù)焦廾婵刂破?。罐面泥漿值班房也可配置監(jiān)視器，與司鉆房中配置一致。

圖2 罐面監(jiān)測系統(tǒng)構架圖

無線通訊采用宜賓職業(yè)技術學院專有通訊技術，避免了現(xiàn)場大功率電氣設備電磁干擾影響。天線采用螺紋接口形式，可直接接于控制器殼體，在無線屏蔽功能較強房間內可外置吸盤式天線，天線與控制器間通過線纜連接，避免了線路的損壞和安裝導致誤裝錯裝浪費工作量。

1.1 罐面控制器

罐面控制器為本系統(tǒng)核心，內置單片機控制器，可實時接收罐面液位高度、泥漿密度、泵速等信息，按設定程序判斷井漏或溢流，并且自帶高低音報警喇叭。與遠端監(jiān)控顯示器的鏈接采用無線方式，可遠端設置復位罐體體積初始值、報警上下限值；向遠端同時發(fā)送液位、密度、泵速等信息。

控制器采用防爆設計，外殼同時兼顧防水防潮功能。控制器外置運行指示燈、啟動開關、報警開關。電源輸入接口采用防水防爆插頭形式。

罐面控制器同時設置復位按鈕和點動按鈕，以當前罐內介質體積作為程序計算的基準，用以判斷井漏或溢流。圖3為罐面控制器電路框圖。

圖3 罐面控制器電路框圖

1.2 密度溫度儀

采用差壓式密度計的原理智能在線密度計算，可根據(jù)介質在一定垂直距離上的差壓值計算出密度值，并自動進行溫度補償,精度高,可靠性好,安裝使用簡單。

在線密度計根據(jù)濃度與密度的大小產(chǎn)生相應的4 mA～20 mA信號，可通過數(shù)字通訊進行遠程校準與監(jiān)測。溫度和密度兩參數(shù)可同時顯示，便于進行行業(yè)標準密度換算。

1.3 液位傳感器

圖4為浮球式液位儀，液位測量考慮鉆井介質的復雜性，采用耐腐蝕材質、浮球標記方式的磁致伸縮式傳感器。該傳感器測量精度高，適應溫度范圍廣，浮球方式保證測量液面的真實性。

圖4 浮球式液位儀

1.4 配電通訊柜

配電通訊柜主要為監(jiān)控顯示器供電，同時實現(xiàn)監(jiān)控顯示與罐面監(jiān)測控制部分的無線通訊中繼功能。圖5為配電通訊柜電路框圖。

圖5 配電通訊柜電路框圖

配電通訊柜采用防爆設計，外殼同時兼顧防水防潮。控制器外置運行指示燈、啟動開關。電源輸入接口采用防水防爆插頭形式。

1.5 監(jiān)測系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)采用PLC邏輯控制程序進行控制，人機界面采用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件生成。判斷需預設的參數(shù)可在界面上修改，預警提醒等可在界面解除?？刂瞥绦蜻壿嬋鐖D6所示，其為起鉆工況下的控制判斷邏輯，其他正常鉆進工況和下鉆工況同理。人機交互界面如圖7所示。

圖6 控制程序邏輯框圖

圖7 監(jiān)測系統(tǒng)人機交互界面

2 系統(tǒng)功能

(1)數(shù)據(jù)采集和處理功能：能實時測量鉆井泥漿罐的液位、儲液量、總儲液量、變化量、泥漿密度、溫度等參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理。

(2)溢流與井漏判斷功能：控制程序根據(jù)各檢測信號自動分析，判斷出是否有溢流或井漏發(fā)生，如發(fā)生則馬上輸出相應的報警信號。

(3)顯示與報警功能：系統(tǒng)配備液晶顯示屏3個，分單元實時顯示各罐儲液量、泥漿特性、總液量變化等；顯示與報警可多處同時進行。坐崗房、司鉆房、技術員遠端監(jiān)控室各放置一臺顯示屏，并能進行無線語音對講，實現(xiàn)高、中、低多崗位相互管控。

(4)報表和打印功能：能實時生成泥漿體積變化曲線及報表，判斷井涌、井漏是否異常，為預防發(fā)生安全事故提供真實的實時信息。

(5)遠程監(jiān)視與數(shù)據(jù)傳輸功能：系統(tǒng)監(jiān)測信息在井隊監(jiān)控室反映的同時也可通過Internet網(wǎng)絡傳輸至遠程，可實時查看并保存數(shù)據(jù)，供上級機構及人員抉擇、監(jiān)管使用。

3 結語

本罐面監(jiān)測系統(tǒng)配備了數(shù)據(jù)處理及邏輯控制主機，在絞車及懸重傳感器上設置監(jiān)測輸入點，適用于石油天然氣鉆探工程，可配置于各型鉆機、修井機和地礦探測鉆機上。系統(tǒng)產(chǎn)品采用防爆防水設計，適用于地面各種場合和全天候鉆井施工。