□ 李正博 □ 王 輝□ 王軍偉□ 邵 樂(lè)□ 王宇歡□ 唐燕飛

1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 陜西寶雞 721000

2.中油國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 陜西寶雞 721000

1 設(shè)計(jì)背景

采用新技術(shù)和新工藝可有效提升鉆、完井質(zhì)量,助力高質(zhì)量發(fā)展。國(guó)內(nèi)油氣田目前大多處于勘探開(kāi)發(fā)中后期,開(kāi)采難度大、成本高,井下工具優(yōu)質(zhì)的性能可以提高效率,降低成本。長(zhǎng)距離循環(huán)管匯橇裝試驗(yàn)裝置通過(guò)在地面上建立有限面積內(nèi)不同傳輸距離及環(huán)境,形成分段組合式長(zhǎng)距離鉆井循環(huán)技術(shù),解決旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具、控壓鉆井等多種井下工具及儀器的長(zhǎng)距離地面循環(huán)測(cè)試問(wèn)題。筆者主要對(duì)最長(zhǎng)距離達(dá)3 000 m的長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 裝置概述

長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置通過(guò)在地面上建立有限面積內(nèi)不同傳輸距離及環(huán)境,形成分段組合式長(zhǎng)距離鉆井液循環(huán)技術(shù)。泥漿泵從循環(huán)罐中吸入循環(huán)液體,循環(huán)液體進(jìn)入連續(xù)管滾筒橇。根據(jù)不同試驗(yàn)工具需要,可以在控制界面中輸入相關(guān)的程序指令來(lái)調(diào)整對(duì)應(yīng)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān),實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)距離的控制。循環(huán)液通過(guò)連續(xù)管滾筒橇后進(jìn)入地面測(cè)試工具,進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試試驗(yàn),并通過(guò)后端管匯接回循環(huán)罐。試驗(yàn)過(guò)程中,可實(shí)現(xiàn)分段壓力、流量、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)與流程閥門(mén)的自動(dòng)控制,達(dá)到試驗(yàn)工具的測(cè)試要求。

長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)主要包括連續(xù)管滾筒橇、現(xiàn)場(chǎng)閥組、泥漿泵系統(tǒng)、循環(huán)罐、設(shè)備配電房、控制系統(tǒng)等,總體布局如圖1所示。

控制系統(tǒng)主要包括硬件和軟件兩部分,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)閥組進(jìn)行控制,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù),如流量、壓力、溫度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和采集,以滿足試驗(yàn)要求。

硬件主要包括控制單元、執(zhí)行單元、人機(jī)界面。控制單元如可編程序控制器、ET200子站等,執(zhí)行單元如泥漿泵組、現(xiàn)場(chǎng)閥組、傳感器等,人機(jī)界面如工控機(jī)、相關(guān)物理開(kāi)關(guān)等。

軟件主要包括可編程序控制器程序、人機(jī)界面程序兩方面。

3 控制系統(tǒng)輸入與輸出分析

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的輸入輸出進(jìn)行分析,可以明確控制系統(tǒng)的人機(jī)操作類(lèi)型和監(jiān)控狀態(tài)信息,還可以明確被控對(duì)象類(lèi)型及期望的動(dòng)作。

3.1 輸入分析

控制系統(tǒng)的輸入包括人機(jī)界面的輸入及傳感器狀態(tài)、現(xiàn)場(chǎng)閥組的狀態(tài)。

人機(jī)接口操作主要采用通過(guò)觸摸式一體機(jī)輸入命令方式,控制試驗(yàn)裝置內(nèi)泥漿泵系統(tǒng)運(yùn)行、開(kāi)關(guān)閥組的開(kāi)合、比例閥開(kāi)度命令的輸入,以及相關(guān)控制命令的輸入。物理開(kāi)關(guān)主要采用對(duì)相關(guān)急停開(kāi)關(guān)的輸入。

泥漿泵組控制系統(tǒng)通過(guò)PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)與長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,將泥漿泵的相關(guān)信息輸入控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)內(nèi)部傳感器輸入主要包括4～20 mA電流信號(hào)、試驗(yàn)裝置內(nèi)部閥組開(kāi)關(guān)狀態(tài)輸入。

3.2 輸出分析

控制系統(tǒng)的輸出主要是控制單元泥漿泵組、閥組等命令的輸出。泥漿泵組的命令輸出可通過(guò)控制器的PROFINET通信相關(guān)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出。對(duì)于閥組命令的輸出,可以定義為模擬量及開(kāi)關(guān)量,通過(guò)控制器的數(shù)字量輸出及模擬量輸出點(diǎn)進(jìn)行輸出。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 框架

在長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的輸入與輸出已確定的情況下,對(duì)控制單元、執(zhí)行單元、人機(jī)接口進(jìn)行設(shè)計(jì),組成完整的硬件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框架

4.2 控制單元

控制單元的設(shè)計(jì)主要包括集成控制的設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程輸入輸出控制箱的設(shè)計(jì)。

將西門(mén)子可編程序控制器作為核心控制器,通過(guò)PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)與人機(jī)界面系統(tǒng)、遠(yuǎn)程輸入輸出控制箱、泥漿泵系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)對(duì)人機(jī)界面命令的發(fā)送、現(xiàn)場(chǎng)閥組及傳感器數(shù)據(jù)的采集,通過(guò)邏輯運(yùn)算實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化控制,以及壓力、流量的智能化調(diào)節(jié)。以西門(mén)子遠(yuǎn)程輸入輸出系統(tǒng)為機(jī)構(gòu)控制及信號(hào)采集核心,通過(guò)PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)與集成控制系統(tǒng)主可編程序控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器信號(hào)的采集,對(duì)閥組的控制及狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

4.3 執(zhí)行單元

執(zhí)行單元的設(shè)計(jì)主要包括電磁閥的設(shè)計(jì)、傳感器的設(shè)計(jì)及泥漿泵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)配置27個(gè)開(kāi)關(guān)閥及一個(gè)比例閥,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)關(guān)及比例閥的開(kāi)度來(lái)改變循環(huán)管道的長(zhǎng)度及系統(tǒng)的壓力,達(dá)到測(cè)試工具的試驗(yàn)要求。

系統(tǒng)配置八個(gè)壓力傳感器、四個(gè)流量傳感器、兩個(gè)液位傳感器、兩個(gè)溫度傳感器,主要用于檢測(cè)系統(tǒng)壓力、流量、液位、溫度,通過(guò)控制系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算達(dá)到自動(dòng)智能調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)配置兩個(gè)泥漿泵及泥漿泵運(yùn)轉(zhuǎn)所需的變頻系統(tǒng),主要為長(zhǎng)距離循環(huán)系統(tǒng)提供循環(huán)動(dòng)力。

4.4 人機(jī)接口

在控制系統(tǒng)操作臺(tái)設(shè)計(jì)兩個(gè)急停物理開(kāi)關(guān),主要完成設(shè)備緊急情況下的動(dòng)力急停和設(shè)備急停。

控制系統(tǒng)操作臺(tái)配置一臺(tái)一體式工控機(jī)和一臺(tái)顯示器,人機(jī)界面主要完成閥組、泥漿泵、工藝流程的控制及狀態(tài)顯示。

5 軟件設(shè)計(jì)

5.1 框架

控制系統(tǒng)主要按照長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置的測(cè)試流程和試驗(yàn)產(chǎn)品的測(cè)試需求來(lái)設(shè)計(jì)軟件,軟件測(cè)試流程如圖3所示。軟件設(shè)計(jì)主要包括可編程序控制器程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖3 軟件測(cè)試流程

圖4 軟件系統(tǒng)框架

5.2 可編程序控制器程序

可編程序控制器程序設(shè)計(jì)采用自頂向下、逐級(jí)細(xì)化的方法,主要分為輸入處理、功能處理、輸出處理三大部分。

輸入處理主要指處理接收可編程序控制器外部數(shù)據(jù),包括閥組狀態(tài)、傳感器數(shù)據(jù)、泥漿泵狀態(tài)等。

功能處理主要指按照長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置的功能需求,對(duì)閥組、傳感器、泥漿泵的狀態(tài)和數(shù)據(jù)進(jìn)行控制和處理,通過(guò)邏輯運(yùn)算,達(dá)到對(duì)泥漿泵的閉環(huán)控制,來(lái)滿足井下工具的試驗(yàn)要求。

輸出處理主要指將功能處理程序的結(jié)果通過(guò)輸入輸出或PROFINET通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制對(duì)象。

5.3 人機(jī)界面程序

人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)主要配合可編程序控制器程序,完成長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的功能。人機(jī)界面主要有五個(gè)畫(huà)面,方案如圖5所示。

圖5 人機(jī)界面方案

一體式工控機(jī)主要有四個(gè)畫(huà)面,每個(gè)畫(huà)面可以通過(guò)切換進(jìn)行顯示,具體功能如下:

(1) 畫(huà)面一為泥漿泵控制,實(shí)現(xiàn)兩個(gè)泥漿泵的命令發(fā)送和泥漿泵狀態(tài)顯示;

(2) 畫(huà)面二為閥組控制,實(shí)現(xiàn)閥組獨(dú)立開(kāi)關(guān)命令發(fā)送,以及閥組部分狀態(tài)顯示;

(3) 畫(huà)面三為工藝流程控制,實(shí)現(xiàn)工藝聯(lián)動(dòng)控制,按照設(shè)計(jì)的工藝流程進(jìn)行工藝流程控制,共分為指令A(yù)、指令B、指令C、指令D、指令E、指令F、指令G;

(4) 畫(huà)面四為附屬功能,實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力監(jiān)測(cè)單元、流量監(jiān)測(cè)單元、溫度監(jiān)測(cè)單元、液位監(jiān)測(cè)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢及生成曲線報(bào)表。

顯示器主要進(jìn)行閥組流程狀態(tài)的顯示,該畫(huà)面在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中無(wú)論是單獨(dú)閥體操作還是工藝聯(lián)動(dòng)操作,始終保持不變,無(wú)法進(jìn)行切換。

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者通過(guò)對(duì)長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)的功能流程設(shè)計(jì)、輸入與輸出分析,使控制系統(tǒng)的硬件和軟件達(dá)到試驗(yàn)功能的要求。通過(guò)軟件和硬件相結(jié)合,最終得到功能相對(duì)完善、配置相對(duì)合理的長(zhǎng)距離井下循環(huán)模擬試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)方案。