廖璘志，陳 琪

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，四川 宜賓 644003)

0 引言

由于不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造千變?nèi)f化，因此石油鉆探在施工過程中常會(huì)遇到易滲透地層、裂縫、溶洞及含油氣的地層，鉆探時(shí)會(huì)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(yán)重。

鉆進(jìn)時(shí)如發(fā)生了井漏或溢流，泥漿返回泥漿罐的量會(huì)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(shí)地預(yù)判和提示，進(jìn)而預(yù)防鉆井事故。

本文介紹了鉆井罐面監(jiān)測系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和傳感器的配置,利用該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)測量鉆井泥漿罐的液位、儲(chǔ)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(shí)預(yù)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(bào)警等外圍元件構(gòu)成。

圖1 罐面監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

液位傳感器檢測各罐體實(shí)時(shí)液位高度，采用浮球式液位深度儀，信號(hào)傳輸至控制器，經(jīng)程序運(yùn)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)井深，為系統(tǒng)計(jì)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(gòu)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(hào)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(gòu)架圖

無線通訊采用宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院專有通訊技術(shù)，避免了現(xiàn)場大功率電氣設(shè)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(qiáng)房間內(nèi)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(dǎo)致誤裝錯(cuò)裝浪費(fèi)工作量。

1.1 罐面控制器

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

控制器采用防爆設(shè)計(jì)，外殼同時(shí)兼顧防水防潮功能?？刂破魍庵眠\(yùn)行指示燈、啟動(dòng)開關(guān)、報(bào)警開關(guān)。電源輸入接口采用防水防爆插頭形式。

罐面控制器同時(shí)設(shè)置復(fù)位按鈕和點(diǎn)動(dòng)按鈕，以當(dāng)前罐內(nèi)介質(zhì)體積作為程序計(jì)算的基準(zhǔn)，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(jì)的原理智能在線密度計(jì)算，可根據(jù)介質(zhì)在一定垂直距離上的差壓值計(jì)算出密度值，并自動(dòng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償,精度高,可靠性好,安裝使用簡單。

在線密度計(jì)根據(jù)濃度與密度的大小產(chǎn)生相應(yīng)的4 mA～20 mA信號(hào)，可通過數(shù)字通訊進(jìn)行遠(yuǎn)程校準(zhǔn)與監(jiān)測。溫度和密度兩參數(shù)可同時(shí)顯示，便于進(jìn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)的復(fù)雜性，采用耐腐蝕材質(zhì)、浮球標(biāo)記方式的磁致伸縮式傳感器。該傳感器測量精度高，適應(yīng)溫度范圍廣，浮球方式保證測量液面的真實(shí)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(shí)實(shí)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(shè)計(jì)，外殼同時(shí)兼顧防水防潮?？刂破魍庵眠\(yùn)行指示燈、啟動(dòng)開關(guān)。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(jìn)行控制，人機(jī)界面采用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件生成。判斷需預(yù)設(shè)的參數(shù)可在界面上修改，預(yù)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(jìn)工況和下鉆工況同理。人機(jī)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(jī)交互界面

2 系統(tǒng)功能

(1)數(shù)據(jù)采集和處理功能：能實(shí)時(shí)測量鉆井泥漿罐的液位、儲(chǔ)液量、總儲(chǔ)液量、變化量、泥漿密度、溫度等參數(shù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(hào)自動(dòng)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(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

(3)顯示與報(bào)警功能：系統(tǒng)配備液晶顯示屏3個(gè)，分單元實(shí)時(shí)顯示各罐儲(chǔ)液量、泥漿特性、總液量變化等；顯示與報(bào)警可多處同時(shí)進(jìn)行。坐崗房、司鉆房、技術(shù)員遠(yuǎn)端監(jiān)控室各放置一臺(tái)顯示屏，并能進(jìn)行無線語音對(duì)講，實(shí)現(xiàn)高、中、低多崗位相互管控。

(4)報(bào)表和打印功能：能實(shí)時(shí)生成泥漿體積變化曲線及報(bào)表，判斷井涌、井漏是否異常，為預(yù)防發(fā)生安全事故提供真實(shí)的實(shí)時(shí)信息。

(5)遠(yuǎn)程監(jiān)視與數(shù)據(jù)傳輸功能：系統(tǒng)監(jiān)測信息在井隊(duì)監(jiān)控室反映的同時(shí)也可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程，可實(shí)時(shí)查看并保存數(shù)據(jù)，供上級(jí)機(jī)構(gòu)及人員抉擇、監(jiān)管使用。

3 結(jié)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(jī)，在絞車及懸重傳感器上設(shè)置監(jiān)測輸入點(diǎn)，適用于石油天然氣鉆探工程，可配置于各型鉆機(jī)、修井機(jī)和地礦探測鉆機(jī)上。系統(tǒng)產(chǎn)品采用防爆防水設(shè)計(jì)，適用于地面各種場合和全天候鉆井施工。