韓同方
(中石化勝利石油工程有限公司井下作業(yè)公司,山東 東營(yíng) 257100)
鉆機(jī)升降平臺(tái)是石油勘探中不可缺少的設(shè)備之一,整個(gè)平臺(tái)主要包括頂部驅(qū)動(dòng)器、移動(dòng)塊鉤、油井架和司鉆室,頂部驅(qū)動(dòng)器(頂驅(qū))帶動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn),循環(huán)泥漿、卸扣、接管[1-3]。輸油井架上放置頂塊,用于吊掛移動(dòng)塊鉤和頂部驅(qū)動(dòng)器,并存放鉆桿。司鉆室集各種電氣、機(jī)械、通信技術(shù)于一體,為司鉆提供了舒適的工作環(huán)境。鉆機(jī)提升平臺(tái)是鉆井作業(yè)的基石,由于實(shí)際工作條件和工作環(huán)境的復(fù)雜性,安全保障顯得尤為重要。解決鉆井過(guò)程中的安全隱患,妥善記錄事故造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失是當(dāng)務(wù)之急。
眾多科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)鉆機(jī)提升平臺(tái)安全監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究,取得了顯著成果。關(guān)于鉆井安全的研究主要利用互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、基于可編程控制器(PLC)技術(shù)的鉆井安全監(jiān)控、基于IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分發(fā)技術(shù)的實(shí)時(shí)顯示技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)采集等系統(tǒng)技術(shù)等[4-6]。本文利用羅克韋爾PLC系統(tǒng)和Profibus技術(shù),設(shè)計(jì)了一套較為完整的鉆機(jī)提升安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集鉆井作業(yè)參數(shù),通過(guò)采集數(shù)據(jù)分析頂驅(qū)工況和鉆井地層一般情況,特別是移動(dòng)塊鉤的自動(dòng)控制,系統(tǒng)將其移動(dòng)到默認(rèn)位置,以提高工作效率和安全性。設(shè)計(jì)了司鉆工作疲勞提醒和井架檢查定期提醒,減少了人為的安全隱患,將整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和運(yùn)行,驗(yàn)證該系統(tǒng)使用中提高鉆井的安全性和工作效率狀況。
鉆機(jī)提升平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)、可編程邏輯控制器PLC和設(shè)備層組成[7-8],整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)組成如圖1所示。鉆機(jī)提升平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)是傳輸所有類型數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的樞紐。可編程序控制器PLC具有許多優(yōu)點(diǎn),除石油化工領(lǐng)域外,在其他領(lǐng)域也廣泛使用。
圖1 整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
可編程邏輯控制器的主要優(yōu)點(diǎn)如下:
a.可靠性高,抗干擾能力強(qiáng)。
b.配套設(shè)施齊全,功能齊全,適用性強(qiáng)。
c.豐富的I/O接口模塊。
d.體積小、重量輕、能耗低。
e.通用性強(qiáng),控制程序可變,使用方便。
除了控制層,信息層和設(shè)備層都有自己的功能,信息層將數(shù)據(jù)顯示給用戶,使用戶能夠直觀地了解場(chǎng)景,并通過(guò)該層發(fā)送命令控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。設(shè)備層類似于人體皮膚組織,可以將現(xiàn)場(chǎng)情況轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程是:設(shè)備層將現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓或電流信號(hào),控制層采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)采集電壓或電流信號(hào),信息層作為最后一步,利用專門的處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并在屏幕上顯示場(chǎng)景的工作狀態(tài)。本文中使用RSLogix5000分析數(shù)據(jù)和力控監(jiān)視器配置。信息層根據(jù)控制層將控制信號(hào)傳輸?shù)皆O(shè)備層。
隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展,頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)[9-10]逐漸取代了旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)。在鉆井過(guò)程中,頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)提供鉆井動(dòng)力,使鉆井液不斷循環(huán),減少了單管連接的數(shù)量,在整個(gè)鉆井過(guò)程中起著重要的作用。因此,實(shí)時(shí)掌握頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)工作狀態(tài)是必要的。頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)主要由頂鉆電機(jī)組件、電機(jī)支架/導(dǎo)向塊組件、鉆桿組件的裝卸裝置以及其他輔助系統(tǒng)組成。頂鉆電動(dòng)機(jī)組件提供鉆孔動(dòng)力,并使電動(dòng)機(jī)速度和電動(dòng)機(jī)溫度能夠指示電動(dòng)機(jī)是否正常運(yùn)行。由于冷卻風(fēng)扇的風(fēng)壓也會(huì)影響電機(jī)溫度,因此需要對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控。在鉆進(jìn)過(guò)程中,如出現(xiàn)卡鉆等需要停止電機(jī)的事故,則應(yīng)控制制動(dòng)缸的壓力。改變制動(dòng)缸壓力可以實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的自動(dòng)起停電動(dòng)機(jī)控制。鉆桿總成的補(bǔ)裝或拆裝裝置為起下鉆提供服務(wù),它具有頂驅(qū)鉆井設(shè)備最大的優(yōu)點(diǎn),可以節(jié)省鉆井時(shí)間,降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此,該部位的監(jiān)測(cè)對(duì)鉆井作業(yè)至關(guān)重要。通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)塔頭電機(jī)的控制,可以實(shí)時(shí)掌握轉(zhuǎn)塔頭的位置;通過(guò)控制傾斜結(jié)構(gòu)的油缸壓力,可以確定傾斜位置結(jié)構(gòu)。更重要的是,能夠監(jiān)控井中的壓力并及時(shí)發(fā)出警報(bào)。頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)參數(shù)如圖2所示。本文對(duì)DQ-90型頂驅(qū)的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究,DQ-90型頂驅(qū)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
表1 DQ-90頂驅(qū)設(shè)計(jì)參數(shù)
圖2 頂驅(qū)系統(tǒng)參數(shù)
在鉆井過(guò)程中,移動(dòng)塊可以減輕絞車的工作負(fù)荷,是連接單根、鉆孔和跳閘時(shí)不可缺少的。在正常鉆井過(guò)程中,在連接一根管道時(shí),鉆孔是連續(xù)開(kāi)挖的,管柱應(yīng)始終連接。司鉆調(diào)整移動(dòng)塊吊鉤高度以適應(yīng)單根管道的連接操作。由于司鉆的角度有限,因此有必要監(jiān)視和控制移動(dòng)塊鉤的高度。除了增加冠塊保護(hù)器外,還在自動(dòng)按鈕控制中增加了1個(gè)特殊的掛鉤定位。在井架的默認(rèn)位置上安裝1個(gè)發(fā)射機(jī),在移動(dòng)塊上安裝光敏傳感器,對(duì)到達(dá)默認(rèn)位置的光敏傳感器信號(hào)進(jìn)行檢測(cè),系統(tǒng)判斷是停止還是繼續(xù)移動(dòng)。當(dāng)按下按鈕時(shí),掛鉤會(huì)自動(dòng)移動(dòng)到默認(rèn)高度,該機(jī)構(gòu)用于特殊緊急情況,而不是手動(dòng)控制。鉆井作業(yè)需要不同的鉆井壓力[11-12]。移動(dòng)塊吊鉤的高度根據(jù)井下作業(yè)的需要進(jìn)行調(diào)整。由于技術(shù)的限制,很難掌握地下的工作情況。所以增加了1個(gè)應(yīng)急裝置,當(dāng)卡鉆或鉆井過(guò)程中發(fā)生其他緊急情況時(shí),發(fā)出警報(bào),立即停止整個(gè)系統(tǒng)。移動(dòng)塊鉤的監(jiān)控參數(shù)如圖3所示,幾個(gè)參數(shù)之間沒(méi)有直接關(guān)系。應(yīng)急裝置為工作人員提供了一種處理突發(fā)事件的方式,警報(bào)設(shè)備則提醒員工系統(tǒng)已到達(dá)安全極限位置。
圖3 移動(dòng)塊鉤參數(shù)
井架和司鉆控制室是鉆井設(shè)備的重要組成部分。井架支撐著整個(gè)起重設(shè)備,是各種鉆具可以方便地升降或懸掛的地方。然而,石油鉆井是在困難的條件下進(jìn)行的,因此掌握井架的工作條件很重要。在野外作業(yè)中,經(jīng)常忽略井架狀態(tài)的定期檢查??删幊踢壿嬁刂破鱌LC需要一個(gè)定時(shí)提醒裝置,在系統(tǒng)定時(shí)發(fā)出報(bào)警指令的同時(shí),提供一個(gè)延時(shí)控制程序。與其他系統(tǒng)一樣,風(fēng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)也是必不可少的,當(dāng)風(fēng)達(dá)到預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí),將觸發(fā)報(bào)警。司鉆控制室是平臺(tái)的大腦,是司鉆所在的位置,顯示了許多儀器,進(jìn)行重要的鉆井作業(yè)。因此,司鉆的工作環(huán)境很重要,對(duì)司鉆控制室的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控是必要的。本文設(shè)計(jì)了司鉆工作疲勞提醒系統(tǒng),以考慮司鉆的疲勞。本文對(duì)A型井架監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究,鉆機(jī)提升平臺(tái)(A型井架)如圖4所示,A型井架參數(shù)如表2所示。
圖4 鉆機(jī)提升平臺(tái)(A型井架)
表2 A型(MA-250)井架參數(shù)
如上所述,通過(guò)對(duì)頂驅(qū)系統(tǒng)、吊鉤提升系統(tǒng)、井架系統(tǒng)、鉆井控制室等參數(shù)的監(jiān)控來(lái)確保鉆井操作的安全性。監(jiān)控系統(tǒng)的具體功能如下:
a.對(duì)頂驅(qū)系統(tǒng)工作參數(shù)、電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻風(fēng)扇壓力、減速箱油壓、制動(dòng)缸油壓、轉(zhuǎn)塔頭電機(jī)轉(zhuǎn)速、傾斜結(jié)構(gòu)油壓、井壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。
b.一旦檢測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào),受控行車鉤將自動(dòng)運(yùn)行到指定位置并啟動(dòng)緊急制動(dòng)。
c.對(duì)司鉆的工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)算和控制,避免過(guò)度疲勞。
d.提醒井架檢查人員定期對(duì)井架的工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。
e.監(jiān)測(cè)到危險(xiǎn)信號(hào)時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。
f.監(jiān)控歷史數(shù)據(jù),包括歷史曲線的存儲(chǔ)和顯示,并生成報(bào)告。
控制功能的軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用是整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)系統(tǒng)的核心?;诂F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù),傳感器模塊和可編程邏輯控制器PLC采集數(shù)據(jù),并利用工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。通過(guò)檢測(cè)信號(hào)和確定異常信號(hào),控制執(zhí)行器發(fā)出報(bào)警并運(yùn)行啟停電機(jī)等控制操作。整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)由力控組態(tài)軟件、RS5000編程軟件和RSLinx通信軟件組成。力控組態(tài)軟件是北京三維力控科技有限公司開(kāi)發(fā)的專業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件,可廣泛應(yīng)用于石油天然氣、化工、煤炭、電力、環(huán)保、能源管理、智能建筑等領(lǐng)域;RS5000編程軟件是美國(guó)羅克韋爾自動(dòng)化公司的PLC梯形編程軟件;RSLinx通信軟件是控制控制器與計(jì)算機(jī)之間通信的軟件,也是羅克韋爾自動(dòng)化公司的產(chǎn)品。
力控組態(tài)軟件包括人機(jī)界面視圖、項(xiàng)目經(jīng)理、I/O驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)DB、發(fā)電機(jī)控制策略以及其他Web服務(wù)組件。I/O驅(qū)動(dòng)程序[13]和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)DB可以實(shí)現(xiàn)變量配置和OPC數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接或強(qiáng)制控制配置。該軟件采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并控制系統(tǒng)過(guò)程,采用靈活的“配置方式”集成系統(tǒng)。設(shè)置預(yù)設(shè)軟件模塊以獲得簡(jiǎn)單的配置,并監(jiān)視控制層。該軟件使用方便,大大提高了集成系統(tǒng)的效率。監(jiān)視配置屏幕根據(jù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。登錄系統(tǒng)和操作系統(tǒng)需要專門的管理員,因此系統(tǒng)需要登錄權(quán)限管理,隨后構(gòu)建配置屏幕的每個(gè)部分。
a.頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)。頂驅(qū)鉆井系統(tǒng)包括許多監(jiān)視參數(shù),并且需要實(shí)際的工程應(yīng)用程序來(lái)簡(jiǎn)潔、直觀、方便地配置屏幕。由于頂驅(qū)系統(tǒng)多為液壓控制,所以油壓對(duì)頂驅(qū)非常重要。
b.井架和司鉆控制室。監(jiān)視配置屏幕考慮了鉆井工人的工作環(huán)境并降低了他們的工作強(qiáng)度。屏幕顯示司鉆控制吊鉤高度控制按鈕所需的便捷參數(shù),提醒燈設(shè)置在引人注目的位置。
RSLogix5000被應(yīng)用到程序中。該軟件為可編程控制器提供集成的編程環(huán)境,并考慮用戶的實(shí)際需要。用戶可以輸入和編輯可編程邏輯控制器PLC程序,對(duì)程序進(jìn)行注釋和檢查,管理文件等。
3.2.1 I/O配置到本地模塊
在編程之前,將I/O配置作為一個(gè)重要步驟添加到本地模塊??删幊踢壿嬁刂破鱌LC具有本地輸入和輸出模塊,分別為模擬輸入和模擬輸出以及數(shù)字輸入和數(shù)字輸出。選擇正確的連接模塊非常重要。
3.2.2 頂驅(qū)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
頂驅(qū)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)如下:?jiǎn)?dòng)可編程邏輯控制器PLC,并且初始化模塊,確定是否按下驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)按鈕;啟動(dòng)頂部驅(qū)動(dòng)器后,實(shí)時(shí)收集并處理冷卻風(fēng)扇的電動(dòng)機(jī)溫度、電動(dòng)機(jī)速度和風(fēng)壓,以確定溫度是否高于135 ℃和風(fēng)壓是否小于1 MPa;如果超過(guò)預(yù)設(shè)的溫度和風(fēng)壓,則電機(jī)將發(fā)出警報(bào)并制動(dòng),程序流程如圖5所示。其他采集模塊是對(duì)變速箱油壓降低的實(shí)時(shí)監(jiān)控,根據(jù)頂驅(qū)液壓設(shè)計(jì)手冊(cè),液壓系統(tǒng)的額定壓力為16 MPa,當(dāng)油壓超過(guò)系統(tǒng)額定壓力時(shí),系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并啟動(dòng)緊急制動(dòng),程序流程如圖6所示。
圖5 上位機(jī)程序流程
圖6 液壓系統(tǒng)程序流程
3.2.3 井架與司鉆室系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
圖7 移動(dòng)塊鉤程序流程
移動(dòng)塊鉤存在于井架中,在這個(gè)系統(tǒng)中,光敏傳感器[14]被用來(lái)確定移動(dòng)塊鉤是否到達(dá)指定的位置。模塊已初始化,確定是否按下絞車啟動(dòng)按鈕,確定是按下自動(dòng)按鈕還是按下手動(dòng)按鈕,確認(rèn)掛鉤是上升還是下降。當(dāng)自動(dòng)按鈕被按下,且當(dāng)掛鉤到達(dá)指定位置并檢測(cè)到光敏傳感器信號(hào)時(shí),掛鉤將停止在指定的工作位置。如果按下手動(dòng)按鈕,司鉆將手動(dòng)操作吊鉤的高度,程序流程如圖7所示。
延時(shí)程序中應(yīng)定期檢查井架和司鉆的疲勞工作情況,并提醒其注意事項(xiàng)。井架中裝有司鉆安裝保護(hù)按鈕和井架檢查按鈕,當(dāng)司鉆安裝護(hù)板按下安裝保護(hù)按鈕時(shí),系統(tǒng)開(kāi)始監(jiān)視時(shí)間。井架的定期檢查與司鉆安裝護(hù)罩的檢查相同,程序流程如圖8所示。
圖8 報(bào)警程序流程
該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和運(yùn)行中取得了成功。測(cè)試結(jié)果良好,各項(xiàng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和控制取得了成功。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試,該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也成功應(yīng)用于鉆井現(xiàn)場(chǎng)的相應(yīng)功能。
頂驅(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在四川井場(chǎng)成功應(yīng)用。系統(tǒng)操作過(guò)程如下:安裝相應(yīng)的傳感器和可編程控制器PLC,連接信號(hào)線,啟動(dòng)系統(tǒng)。分析參數(shù)形成報(bào)表,并接收一段時(shí)間內(nèi)的鉆井情況。例如,所分析的電機(jī)轉(zhuǎn)速和溫度可以解釋主電機(jī)的性能、鉆井液的不同性能、電機(jī)電源是否穩(wěn)定以及地層條件。最重要的是,這些數(shù)據(jù)可以用來(lái)確定頂驅(qū)的工作狀態(tài),并及時(shí)發(fā)出警告進(jìn)行檢修,避免鉆井安全事故的發(fā)生。
該移動(dòng)塊鉤監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在四川某井場(chǎng)成功應(yīng)用。移動(dòng)塊鉤顯著降低了鉆井工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),自動(dòng)按鈕使吊鉤自動(dòng)升至當(dāng)前高度,吊鉤準(zhǔn)確達(dá)到預(yù)設(shè)高度,進(jìn)行脫扣作業(yè)。在實(shí)際測(cè)試中,設(shè)置移動(dòng)塊鉤的默認(rèn)高度為24 m,分別記錄手動(dòng)操作和自動(dòng)操作時(shí),移動(dòng)塊鉤的高度變化。比較人工和自動(dòng)操作的時(shí)間變化,鉤的運(yùn)動(dòng)曲線如圖9所示??紤]到手動(dòng)操作中的其他不可控因素,自動(dòng)操作比手動(dòng)操作更快、更平穩(wěn)地達(dá)到默認(rèn)點(diǎn)。
圖9 移動(dòng)塊鉤提升運(yùn)動(dòng)曲線
司鉆工作時(shí)間不超過(guò)4 h,井架定期檢查不超過(guò)1個(gè)月。風(fēng)速對(duì)鉆井作業(yè)是安全的,司鉆室的環(huán)境對(duì)司鉆是舒適的。
將測(cè)試樣本輸入安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試,得出診斷結(jié)果,表3為選取的部分測(cè)試樣本、輸出結(jié)果及鉆井過(guò)程狀態(tài)。
由表3可以看出,當(dāng)輸出端小于0.45時(shí),系統(tǒng)的鉆井過(guò)程狀態(tài)正常,沒(méi)有發(fā)生卡鉆事故,可繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)輸出端高于0.65時(shí),存在卡鉆事故,此時(shí)應(yīng)立即報(bào)警并顯示故障類型,并通知停止,同時(shí)進(jìn)行維修處理。當(dāng)輸出端在0.45和0.65之間時(shí),可能會(huì)發(fā)生卡鉆事故,此時(shí)也要給出報(bào)警及顯示故障預(yù)測(cè)類型,并根據(jù)故障類型調(diào)節(jié)鉆井過(guò)程的相關(guān)參數(shù)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出,所設(shè)計(jì)的鉆機(jī)提升安全監(jiān)控系統(tǒng)具有一般性,能夠從各個(gè)方面反映設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),且準(zhǔn)確度和可靠性較高。
表3 部分測(cè)試樣本、輸出結(jié)果及鉆井過(guò)程狀態(tài)
建立了一個(gè)安全監(jiān)控系統(tǒng),以提供用于鉆井安全的實(shí)時(shí)參數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)可以提高鉆井的安全性和工作效率,并已成功應(yīng)用于油田中。所提出的鉆機(jī)提升安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)頂驅(qū)、移動(dòng)塊鉤、井架、司鉆室等參數(shù)進(jìn)行采集和控制,并成功應(yīng)用于鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。自主開(kāi)發(fā)了基于力控的軟件系統(tǒng)RSLogic5000軟件。該軟件可以實(shí)時(shí)顯示各部分參數(shù),并實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能,生成報(bào)告,繪制相關(guān)參數(shù)。收集的參數(shù)用于確定頂驅(qū)的工作狀態(tài),并及時(shí)發(fā)出警告進(jìn)行檢修,以免發(fā)生鉆井安全事故。自動(dòng)控制移動(dòng)塊鉤移動(dòng)到默認(rèn)位置比手動(dòng)控制更高效、更安全。每次自動(dòng)控制行程,塊鉤可節(jié)省5~10 s。工作疲勞提醒司鉆和井架檢查定期提醒,可盡可能減少安全事故。系統(tǒng)每連續(xù)工作4 h向司鉆發(fā)送一次工作疲勞報(bào)警信號(hào),每個(gè)月發(fā)送一次井架檢查信號(hào)。