鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)的研制

鄧忠彬,李 浩,鹿海田

(中海油能源發(fā)展油建渤海裝備分公司,天津300452)

鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)的研制

鄧忠彬,李 浩,鹿海田

(中海油能源發(fā)展油建渤海裝備分公司,天津300452)

鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)是石油鉆(修)井行業(yè)中一種非常重要的安全生產(chǎn)監(jiān)測設(shè)備,能準(zhǔn)確地監(jiān)測鉆(修)井過程中從井筒中返出的 H2S、可燃?xì)獾扔卸疽妆怏w的質(zhì)量濃度。當(dāng)氣體質(zhì)量濃度超過設(shè)定值時產(chǎn)生報警,便于司鉆和鉆(修)井監(jiān)督部及時采取措施。介紹了鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)的原理、組成、技術(shù)參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)。

鉆井氣體監(jiān)測儀;數(shù)據(jù)采集器;H2S;傳感器;技術(shù)參數(shù)

Abstract:Drilling gas monitoring system is an instrument for industry safety in the petroleum drilling.It can exactly measure the consistence of the H2S gas,combustible gas,and some other poisonous and explosion gas from the well.It can alarm based on the setting value of the gas,tell the drillers and the drilling supervisors the situations,and choose the correct way to solve the problems.The design theory and compose and technical parameter and the key technology of the drilling gas monitoring system is introduced.

Key words:drilling gas monitor;data acquisition;H2S;detector;technical parameter

在鉆井和修井的過程中,有大量氣體會伴隨著泥漿涌出地面。其中包含了可燃?xì)狻2S等有毒有害氣體,對人身安全形成了較大的威脅。為了防患于未然,需對這些氣體的質(zhì)量濃度進行實時監(jiān)測并自動報警,以便根據(jù)監(jiān)測的氣體質(zhì)量濃度情況,采取相應(yīng)的措施,杜絕安全事故的發(fā)生。目前,大多數(shù)鉆井氣體監(jiān)測儀都是國外的產(chǎn)品,價格高、維修成本高,不利于現(xiàn)場維護。

1 系統(tǒng)功能

鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)能實時監(jiān)控可燃?xì)怏w、H2S的氣體含量,含量超標(biāo)立即報警;實時監(jiān)控?zé)嵩春蜔熿F,發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患及時報警,以便采取相應(yīng)的措施。該系統(tǒng)既能應(yīng)用于陸地鉆井現(xiàn)場,又能應(yīng)用于海洋石油平臺鉆(修)井現(xiàn)場,故要求其滿足海洋環(huán)境的使用要求,能夠防塵、防腐、防爆。報警信號能傳入平臺中控室,任一探頭發(fā)生報警,聲光報警器即發(fā)出報警信號,同時傳至中控室。通過對鉆井現(xiàn)場有毒有害氣體監(jiān)測和報警,為鉆(修)井監(jiān)督人員準(zhǔn)確快速地調(diào)整鉆井參數(shù)、改變鉆(修)井方式、科學(xué)安全鉆(修)井提供實時依據(jù),從而達(dá)到科學(xué)安全無風(fēng)險鉆(修)井的目的[1]。

2 測量原理

鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)的測量采用CAN總線的數(shù)據(jù)采集方式。通過3個數(shù)據(jù)采集器對所有的傳感器的信號進行采集,并與計算機進行數(shù)據(jù)交換,完成計算、顯示和狀態(tài)指示,對超出技術(shù)指標(biāo)的信號實施聲光報警[2]。

CAN總線與計算機數(shù)據(jù)交換原理如圖1,與氣體探測器之間的數(shù)據(jù)交換原理如圖2。

圖1 CAN總線與計算機數(shù)據(jù)交換原理

圖2 CAN總線與氣體探測器數(shù)據(jù)交換原理

3 系統(tǒng)組成

鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)由鉆臺數(shù)據(jù)采集器、井口區(qū)數(shù)據(jù)采集器、泥漿池數(shù)據(jù)采集器、鉆井氣體監(jiān)測儀、聲光報警器和4種氣體探測器組成[3-4]。系統(tǒng)組成如圖3。

圖3 鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)

3.1 鉆臺數(shù)據(jù)采集器及氣體探測器

鉆臺數(shù)據(jù)采集器安裝在鉆臺上,能接收各種氣體探頭的信號,將它們以總線的方式與氣體監(jiān)測儀進行數(shù)據(jù)交換。工作溫度-25～60℃,防爆等級ExdIICT4,防護等級IP67。目前在鉆臺井口區(qū)附近安裝了1#H2S、1#可燃?xì)狻?#煙探頭和1#紫外線探頭4個氣體探測器。一旦在鉆井過程中有氣體、煙霧和明火產(chǎn)生,傳感器很快將信號傳到氣體監(jiān)測儀,并由氣體監(jiān)測儀產(chǎn)生報警信號。一路驅(qū)動聲光報警器工作,另一路傳到中控,由中控統(tǒng)一協(xié)調(diào),采取應(yīng)急措施。

3.2 井口區(qū)數(shù)據(jù)采集器及氣體探測器

井口數(shù)據(jù)采集器安裝在鉆臺下方,能接收從防噴器喇叭口泄露的各種氣體的信號,將它們以總線的方式與氣體監(jiān)測儀進行數(shù)據(jù)交換。工作溫度-25～60℃,防爆等級 ExdIICT4,防護等級 IP67。目前在鉆臺下方井口附近加裝了2#H2S、2#可燃?xì)狻?#煙探頭和2#紫外線探頭4個氣體探測器。一旦在鉆井過程中鉆臺下方出現(xiàn)有氣體、煙霧和明火產(chǎn)生,傳感器很快將信號傳到氣體監(jiān)測儀,并由氣體監(jiān)測儀產(chǎn)生報警信號。

3.3 泥漿池數(shù)據(jù)采集器及氣體探測器

泥漿池數(shù)據(jù)采集器安裝在泥漿池附近,能接收泥漿出口及泥漿池內(nèi)各種氣體探頭的信號,將它們以總線的方式與氣體監(jiān)測儀進行數(shù)據(jù)交換。工作溫度-25～60 ℃,防爆等級 ExdIICT4,防護等級IP67。目前在泥漿池上靠近泥漿出口的位置安裝了3#H2S、3#可燃?xì)狻?#煙探頭和3#紫外線探頭4個氣體探測器。一旦在鉆井過程中泥漿出口有 H2S、可燃?xì)鈿怏w、煙霧和明火產(chǎn)生,氣體探測器很快將信號傳到氣體監(jiān)測儀,并由氣體監(jiān)測儀產(chǎn)生報警信號。

3.4 鉆臺氣體監(jiān)測儀

鉆臺氣體監(jiān)測儀是1臺能進行數(shù)據(jù)采集、顯示并能實行聲光報警的PC104嵌入式計算機系統(tǒng),采用觸摸屏方式,可安裝在鉆臺上或司鉆操作房內(nèi),所有鉆臺氣體監(jiān)測儀設(shè)備均安裝在一個防爆箱內(nèi),由軍用級PC104嵌入式計算機系統(tǒng)、觸摸式液晶顯示器組成,能實時完成數(shù)據(jù)采集工作。

PC104嵌入式計算機系統(tǒng)由 PC104CPU板和非智能CAN卡組成。非智能CAN卡的功能為CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā),并與 PC104CPU板通訊,數(shù)據(jù)收發(fā)由CAN控制器和CAN收發(fā)器完成。主機通過ISA接口控制電路來訪問CAN控制器,完成數(shù)據(jù)通信。觸摸式液晶顯示器由防爆觸摸屏和 TFT液晶顯示器組成。

鉆臺氣體監(jiān)測儀具備以下功能及特點:

a) 工作溫度-40～70℃。

b) 采用PC104嵌入式計算機,能獨立完成數(shù)據(jù)采集,又能與后臺計算機或中控實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。通過CAN總線實時采集各路參數(shù)原始數(shù)字值,通過計算轉(zhuǎn)換成工程值,顯示存儲。鉆井氣體監(jiān)測常用的參數(shù)有:硫化氫、可燃?xì)?、煙探頭和紫外線探頭。

c) TFT液晶顯示器和觸摸屏操作簡捷,軟件界面直觀、實用,方便操作。能完成所有標(biāo)配參數(shù)的刻度、節(jié)點ID的設(shè)置。

d) 能將數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)傳送至基地指揮中心,方便指揮中心實時監(jiān)控現(xiàn)場工作情況。

e) 任意設(shè)置各參數(shù)的報警門限,并提供聲光報警。

f) 安裝方便,適用性強,適合安裝不同類型的鉆機。

g) 滿足防爆、防淋、防凍、抗震、抗干擾的要求。

h) 對外接口為 CAN總線、電源線。簡單方便。

3.5 氣體探測器技術(shù)指標(biāo)

3.5.1 煙感探測器

3.5.2 紫紅外線復(fù)合火焰探測器

3.5.3 硫化氫探測器

3.5.4 可燃?xì)馓綔y器

3.5.5 聲光報警器

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 抗高低溫措施

由于儀器工作在野外或海上平臺,冬天溫度達(dá)到-25℃,夏天溫度達(dá)60℃,晝夜溫差較大,因此必須采取抗高、低溫措施,控制措施主要在于電子元器件和傳感器的選型。在設(shè)計電路時,全部采用寬溫型低功耗電子元器件,特別是選擇寬溫液晶顯示器至關(guān)重要,它能保證在低溫狀態(tài)下能夠正常顯示。電源模塊的選用也很重要,它的工作穩(wěn)定性決定著其他電子元器件能否正常運行。

4.2 抗振動措施

為了提高系統(tǒng)的抗振動性能,首先從電路板的安裝入手,采用了抗振動結(jié)構(gòu),并對液晶顯示器進行了有效地加固。這樣即使有較大的機械振動,該系統(tǒng)也能正常、穩(wěn)定地工作。

4.3 防護性能

采用隔爆型設(shè)計,滿足防爆等級:ExdⅡCT4,防護等級:IP67。

5 結(jié)語

由于采用了高性能的軍用級 PC104嵌入式計算機作為系統(tǒng)核心,并采用了貼片元器件,使其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得緊湊,進一步提高了可靠性和抗干擾能力。該系統(tǒng)經(jīng)過海上1 a多時間使用,用戶反映效果良好。

該系統(tǒng)能實時顯示并記錄鉆井時井筒內(nèi)冒出的氣體狀態(tài),實現(xiàn)現(xiàn)場聲光報警,是一套非常實用的鉆井氣體監(jiān)測系統(tǒng)。實驗證明,該系統(tǒng)測量精度高、可靠性好,值得推廣應(yīng)用。

[1] 王銀生,楊錦舟.井下工程參數(shù)隨鉆測量儀的研制[J].石油儀器,2009,23(1):35-36.

[2] 中海油能源發(fā)展油建渤海裝備分公司.鉆井氣體監(jiān)測儀系統(tǒng)操作手冊[K].2009.

[3] 鄧忠彬,王 濤,王幼平.海洋鉆井多參數(shù)儀系統(tǒng)的研究[J].石油礦場機械,2010,39(7):54-59.

[4] 張東旭,齊明俠.基于現(xiàn)場總線的鉆機工作參數(shù)監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計[J].石油礦場機械,2009,38(2):52-54.

Design of Drilling Gas Monitoring System

DENG Zhong-bin,LI Hao,LU Hai-tian
(Field Construction Bohai Equipment Service Company,CNOOC,Tianjin300452,China)

TE927.9

A

1001-3482(2010)11-0029-04

2010-05-12

鄧忠彬(1968-),男,湖北鐘祥人,工程師,1989年畢業(yè)于河北承德石油高等技術(shù)?？茖W(xué)校計算機及應(yīng)用專業(yè),現(xiàn)從事海洋鉆修機設(shè)備的設(shè)計及管理工作,E-mail:deng_zhongbin@yahoo.com.cn。