多傳感器海洋鉆井參數監控系統研究

劉佳

（廣州南洋理工職業學院智能工程學院，廣東 廣州 510900）

中海石油“十四五”重點項目中啟動碳中和規劃，提出維持石油產量增長的同時，將大面積提升天然氣資源的供應能力、以加快發展新能源產業布局為重點，使清潔低碳能源的比例提高到百分之六十以上。隨著海洋油氣勘探的逐步深入，對鉆井作業生產的安全性要求逐漸提升，為避免鉆井事故的發生，迫切需要逐步提高配套設備的智能化技術，從傳統的機械讀數和液壓表盤式測量朝著集成化、智能化、數字化和網絡化的方向發展[1-2]。

海洋模塊鉆井配套的鉆井參數監控系統有美國的馬丁代克（Martin-Decker）公司，使用過程中存在維護成本高，參數擴展難等問題[3]，國內的有上海神開石油化工裝備股份有限公司、江儀股份等廠家。市場上采用單片機為核心設計外圍電路的鉆井參數監控系統可擴展性、模塊化及靈活性不足，設備故障率高，嚴重影響了海洋油氣勘探開發的正常生產[4]。研發適用于海洋平臺模塊鉆機，操作簡單方便、集中監控、擴展性強、兼容井場設備，適應海洋氣候的鉆井參數監控系統是十分必要的。

1 系統方案設計

海洋平臺的環境溫度范圍：10～40 ℃，相對濕度范圍：40%～100%，供電電源范圍：220VAC±10%，電源頻率范圍：50Hz±10%。按照石油天然氣行業標準應符合HSE 規范，暴露在戶外的監控系統防爆等級要求大于或等于ExdⅡBT4,防護等級按照IEC 標準不低于IP56[5-6]。

針對目前鉆井參數監控不足之處，設計時應具有以下功能：1）系統硬件采用模塊化冗余設計，預留擴展接口,提高可擴展性；2）能夠快速準確對大鉤懸重、轉盤轉速、游車高度、泵沖、立管壓力、泥漿罐體積等信號的實時監測及反饋[7]；3）HMI 監控軟件實現人性化設計，可根據自己習慣自主選擇儀表表盤/數據顯示、故障診斷、曲線顯示等人機交互；4）遠程無線收發，并能按照作業時間或鉆井深度實時顯示、存儲。技術指標如表1 所示。

表1 鉆井參數技術指標

根據海洋鉆井設備布局，系統組成框圖如圖1所示，主要包括：現場鉆井參數傳感器單元、鉆井參數遠程監控單元、數據采集單元和司鉆房HMI觸摸顯示單元等。

圖1 系統組成框圖

2 監控系統硬件選型

海洋平臺模塊鉆機監控信號類型有模擬量輸入/輸出信號：4～20mA 或1～5V DC，數字量輸入信號：帶電勢的自由觸點/成對脈沖，數字量輸出：24VDC/干觸點。鉆井監控系統的硬件選型為S7-1500PLC 控制器、現場傳感器單元和SM1231 模塊等。

2.1 傳感器單元

監控系統采集的信號主要包括壓力信號、接近開關信號、編碼器信號、超聲波傳感器信號等。死繩錨的死繩拉力經傳感器膜片上的液壓信號傳遞連接的大鉤懸重壓力變送器。高壓泥漿立管管匯壓力通過液壓傳感器中的膠杯作用在液壓油上，由耐水基和耐油基泥漿的壓力變送器經壓電轉換為電流信號。吊鉗尾繩在鉆具上卸扣時形成與上卸扣扭矩成正比例的張力，由液壓傳感器中的活塞經壓力變送器測量。當轉盤對鉆具施加扭矩時，轉盤驅動鏈條緊邊對傳感器的惰輪形成與轉盤扭矩成正比例的作用力。泵沖及轉速傳感器采用非接觸式接近開關檢測，輸出脈沖信號。當絞車的滾筒旋轉時，安裝在滾筒軸上的增量式光電編碼器轉換成兩組相位差為90°的電脈沖信號。泥漿罐體積傳感器發射脈沖聲波，將泥漿液面高度轉換為發送和接收的時間差。泥漿回流采用槳板式工作原理，相對流量與槳板動作的距離成正比。

2.2 數據采集單元

數據采集單元以西門子PLC1500 為核心控制器，主要由主CPU 模塊、隔離式安全柵、SM 1231 8x 模擬量輸入模塊、電源模塊、無線通信模塊和Profinet 工業以太網通信模塊等組成。電路原理方框圖如圖2 所示。

圖2 數據采集單元電路原理框圖

鉆臺面的高壓泥漿立管管匯壓力、大鉗壓力、死繩錨膜片壓力、轉盤扭矩、頂驅扭矩，下層甲板的高壓泥漿泵壓、泥漿罐體積，中層甲板的泥漿回流、計量罐體積等來自危險區的電流信號，經1#-11# 模擬量隔離式安全柵可靠隔離輸出電流信號連接到鉆臺偏房安全區，由數據采集單元的1#-3#模擬量模塊進行數據預處理，實現電源和信號輸入輸出隔離，增強監控系統的抗干擾能力。

鉆臺面的轉盤轉速、下層甲板的泥漿泵泵沖NAMUR 接近開關等本質安全信號，由脈沖型隔離式安全柵給傳感器提供8VDC 電源，隔離式安全柵隔離輸出后將信號傳輸到主CPU 模塊的輸入端，CPU 模塊經信號處理、工程轉換為泵沖速和轉盤轉速。

安裝在鉆臺面的絞車滾筒編碼器信號經頻率型隔離式安全柵使危險區的現場回路與數據采集單元安全區的控制系統有效地隔離[8]。主CPU 模塊將編碼器信號經換向判斷后轉換為游車高度工程值。

司鉆房觸摸顯示單元選用SIMATIC HMI 精智面板TP1500，與數據采集單元采用Profinet 工業以太網通信。數據采集單元通過工業以太網通信與第三方設備數據共享從而實現鉆井現場設備的互聯互通。

3 監控系統軟件設計

監控系統軟件框圖設計如圖3。數據采集單元PLC 控制程序采用模塊化思路以提高系統可組合性，主要由初始化子程序、傳感器采集子程序、數據處理子程序、報警控制、信息處理等子程序組成；傳感器單元的壓力[9]、泥漿罐體積等4mA～20mA 電流信號通過SM 1231 模塊轉換為0～27648 的數字量信號，主CPU 模塊通過信號濾波、數據處理后保存在數據寄存器中，通過Profinet 工業以太網通信將鉆井參數值映射到司鉆房的HMI觸摸顯示單元。司鉆房觸摸顯示、隊長辦公室遠程監控設計主要包括表盤/數據顯示界面、起下鉆切換界面、參數刻度、報警設置、曲線顯示、故障診斷、用戶登錄等操作界面。

圖3 監控系統軟件結構框圖

司鉆房的HMI 觸摸顯示界面選用TIA Portal V15 中的WinCC 軟件進行設計，通過工具箱中的圖形、文本、表盤、功能控件等可輕松實現HMI 界面的開發。Portal Step7 的變量地址與Portal WinCC 平臺中設置的變量一一對應，從而實現HMI 觸摸界面的顯示。操作人員可根據自己習慣自主選擇儀表表盤/數據顯示、故障診斷、曲線顯示等人機交互界面。實時監控鉆井作業過程中1#-3#泥漿泵泵沖、泵壓、泥漿的增益和漏失情況、泥漿回流、大鉤速度、懸重、游車高度、大鉗扭矩、泥漿回流報警、立管壓力、轉盤/頂驅的轉速、噸公里設定/指示等參數[10-11]。隊長辦公室遠程監控單元與數據采集單元無線長距離通信，可選擇按照作業時間或鉆井深度通過網絡遠程瀏覽鉆井參數。技術人員可隨時查詢鉆井參數監控系統故障代碼信息，便于維護人員第一時間響應進行故障診斷[12]。

4 調試及分析

試驗中的設備或裝置包含：模擬滾筒、轉盤扭矩試驗臺、數字萬用表、轉速校驗臺、活塞壓力計、兆歐表等。

4.1 絕緣及系統狀態檢查

采用500V 兆歐表測量系統供電端的絕緣電阻應大于等于1MΩ。檢驗電纜屏蔽層是否連接牢靠，檢查各部分是否良好接地。系統上電，順序測量CPU 模塊、接口模塊、傳感器單元、觸摸顯示單元的供電電源輸出是否為穩定24VDC，各模塊工作狀態指示燈應正常顯示。

4.2 鉆井參數調試

監控系統各參數傳感器安裝在試驗設備或裝置上，傳感器輸出信號一路與系統采集顯示單元連接，一路與試驗設備連接，選定量程的30%、50%、80%為測試點，待讀數穩定后，分別記錄HMI觸摸顯示及試驗設備的讀數，連續測試次數不少于3 次，按照公式（1）計算各次行程的最大誤差，記錄并計算測試數據，如表2 所示。

其中δmax 為各參數測量行程中的最大誤差，UCi為各測量點的實測數值，ULi為各測量點的理論數值，UFS 為各參數測量范圍中的滿量程。從表2測試數據分析，各參數顯示誤差均在表1 中的設計誤差范圍內，符合設計要求。

表2 鉆井參數調試

4.3 游車防護調試

在觸摸屏報警設置界面中，輸入游車防碰和防砸的高度及游車上下移動速度預警值和防護值。進入游車防護設置界面如圖4 所示，按下防碰測試按鈕進行測試。

圖4 游車防護設置界面

司鉆操作游車向上或向下移動，當觀察觸摸顯示屏及聲光報警器時，提示操作人員注意減速緩行；當游車運動到防碰或防砸防護位置時，系統輸出游車防護控制信號使電磁閥失電（電磁閥為常開型），見圖5，斷開電磁閥與剎車放氣通道，從剎車釋放閥經由兩位三通氣控閥的氣源斷開，使主氣源流經高低速控制閥及盤剎氣源通道斷開，進而達到游車防碰和防砸位置緊急剎車防護功能。

圖5 游車防護控制示意圖

5 結語

本文提出的一種基于Siemens PLC 多傳感器海洋鉆井參數監控系統在中海油某模塊鉆機運行近一年，已完成兩口鉆井作業，實驗表明該系統能夠實現海洋鉆井參數的實時監控，設計方案合理，運行流暢，操作方便快捷，具備擴展性強、可靠性高等特點。監控系統中還可以補充多傳感器信息融合，結合鉆井的地質條件，實現鉆前預測，確保鉆井作業的安全、高效、可靠穩定運行。