多傳感器海洋鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉佳

（廣州南洋理工職業(yè)學(xué)院智能工程學(xué)院，廣東 廣州 510900）

中海石油“十四五”重點(diǎn)項(xiàng)目中啟動(dòng)碳中和規(guī)劃，提出維持石油產(chǎn)量增長(zhǎng)的同時(shí)，將大面積提升天然氣資源的供應(yīng)能力、以加快發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)布局為重點(diǎn)，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(duì)鉆井作業(yè)生產(chǎn)的安全性要求逐漸提升，為避免鉆井事故的發(fā)生，迫切需要逐步提高配套設(shè)備的智能化技術(shù)，從傳統(tǒng)的機(jī)械讀數(shù)和液壓表盤(pán)式測(cè)量朝著集成化、智能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[1-2]。

海洋模塊鉆井配套的鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)有美國(guó)的馬丁代克（Martin-Decker）公司，使用過(guò)程中存在維護(hù)成本高，參數(shù)擴(kuò)展難等問(wèn)題[3]，國(guó)內(nèi)的有上海神開(kāi)石油化工裝備股份有限公司、江儀股份等廠家。市場(chǎng)上采用單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)外圍電路的鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)可擴(kuò)展性、模塊化及靈活性不足，設(shè)備故障率高，嚴(yán)重影響了海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)的正常生產(chǎn)[4]。研發(fā)適用于海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)，操作簡(jiǎn)單方便、集中監(jiān)控、擴(kuò)展性強(qiáng)、兼容井場(chǎng)設(shè)備，適應(yīng)海洋氣候的鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)的環(huán)境溫度范圍：10～40 ℃，相對(duì)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合HSE 規(guī)范，暴露在戶(hù)外的監(jiān)控系統(tǒng)防爆等級(jí)要求大于或等于ExdⅡBT4,防護(hù)等級(jí)按照IEC 標(biāo)準(zhǔn)不低于IP56[5-6]。

針對(duì)目前鉆井參數(shù)監(jiān)控不足之處，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具有以下功能：1）系統(tǒng)硬件采用模塊化冗余設(shè)計(jì)，預(yù)留擴(kuò)展接口,提高可擴(kuò)展性；2）能夠快速準(zhǔn)確對(duì)大鉤懸重、轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速、游車(chē)高度、泵沖、立管壓力、泥漿罐體積等信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及反饋[7]；3）HMI 監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)人性化設(shè)計(jì)，可根據(jù)自己習(xí)慣自主選擇儀表表盤(pán)/數(shù)據(jù)顯示、故障診斷、曲線顯示等人機(jī)交互；4）遠(yuǎn)程無(wú)線收發(fā)，并能按照作業(yè)時(shí)間或鉆井深度實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)。技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 鉆井參數(shù)技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)海洋鉆井設(shè)備布局，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示，主要包括：現(xiàn)場(chǎng)鉆井參數(shù)傳感器單元、鉆井參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)采集單元和司鉆房HMI觸摸顯示單元等。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件選型

海洋平臺(tái)模塊鉆機(jī)監(jiān)控信號(hào)類(lèi)型有模擬量輸入/輸出信號(hào)：4～20mA 或1～5V DC，數(shù)字量輸入信號(hào)：帶電勢(shì)的自由觸點(diǎn)/成對(duì)脈沖，數(shù)字量輸出：24VDC/干觸點(diǎn)。鉆井監(jiān)控系統(tǒng)的硬件選型為S7-1500PLC 控制器、現(xiàn)場(chǎng)傳感器單元和SM1231 模塊等。

2.1 傳感器單元

監(jiān)控系統(tǒng)采集的信號(hào)主要包括壓力信號(hào)、接近開(kāi)關(guān)信號(hào)、編碼器信號(hào)、超聲波傳感器信號(hào)等。死繩錨的死繩拉力經(jīng)傳感器膜片上的液壓信號(hào)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(guò)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(jīng)壓電轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。吊鉗尾繩在鉆具上卸扣時(shí)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(jīng)壓力變送器測(cè)量。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)對(duì)鉆具施加扭矩時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)驅(qū)動(dòng)鏈條緊邊對(duì)傳感器的惰輪形成與轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩成正比例的作用力。泵沖及轉(zhuǎn)速傳感器采用非接觸式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)，輸出脈沖信號(hào)。當(dāng)絞車(chē)的滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝在滾筒軸上的增量式光電編碼器轉(zhuǎn)換成兩組相位差為90°的電脈沖信號(hào)。泥漿罐體積傳感器發(fā)射脈沖聲波，將泥漿液面高度轉(zhuǎn)換為發(fā)送和接收的時(shí)間差。泥漿回流采用槳板式工作原理，相對(duì)流量與槳板動(dòng)作的距離成正比。

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

數(shù)據(jù)采集單元以西門(mén)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(wú)線通信模塊和Profinet 工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊等組成。電路原理方框圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集單元電路原理框圖

鉆臺(tái)面的高壓泥漿立管管匯壓力、大鉗壓力、死繩錨膜片壓力、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩、頂驅(qū)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(jì)量罐體積等來(lái)自危險(xiǎn)區(qū)的電流信號(hào)，經(jīng)1#-11# 模擬量隔離式安全柵可靠隔離輸出電流信號(hào)連接到鉆臺(tái)偏房安全區(qū)，由數(shù)據(jù)采集單元的1#-3#模擬量模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)電源和信號(hào)輸入輸出隔離，增強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的抗干擾能力。

鉆臺(tái)面的轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速、下層甲板的泥漿泵泵沖NAMUR 接近開(kāi)關(guān)等本質(zhì)安全信號(hào)，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(hào)傳輸?shù)街鰿PU 模塊的輸入端，CPU 模塊經(jīng)信號(hào)處理、工程轉(zhuǎn)換為泵沖速和轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速。

安裝在鉆臺(tái)面的絞車(chē)滾筒編碼器信號(hào)經(jīng)頻率型隔離式安全柵使危險(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)回路與數(shù)據(jù)采集單元安全區(qū)的控制系統(tǒng)有效地隔離[8]。主CPU 模塊將編碼器信號(hào)經(jīng)換向判斷后轉(zhuǎn)換為游車(chē)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(shù)據(jù)采集單元采用Profinet 工業(yè)以太網(wǎng)通信。數(shù)據(jù)采集單元通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通信與第三方設(shè)備數(shù)據(jù)共享從而實(shí)現(xiàn)鉆井現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的互聯(lián)互通。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)軟件框圖設(shè)計(jì)如圖3。數(shù)據(jù)采集單元PLC 控制程序采用模塊化思路以提高系統(tǒng)可組合性，主要由初始化子程序、傳感器采集子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、報(bào)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(hào)通過(guò)SM 1231 模塊轉(zhuǎn)換為0～27648 的數(shù)字量信號(hào)，主CPU 模塊通過(guò)信號(hào)濾波、數(shù)據(jù)處理后保存在數(shù)據(jù)寄存器中，通過(guò)Profinet 工業(yè)以太網(wǎng)通信將鉆井參數(shù)值映射到司鉆房的HMI觸摸顯示單元。司鉆房觸摸顯示、隊(duì)長(zhǎng)辦公室遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)主要包括表盤(pán)/數(shù)據(jù)顯示界面、起下鉆切換界面、參數(shù)刻度、報(bào)警設(shè)置、曲線顯示、故障診斷、用戶(hù)登錄等操作界面。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

司鉆房的HMI 觸摸顯示界面選用TIA Portal V15 中的WinCC 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)工具箱中的圖形、文本、表盤(pán)、功能控件等可輕松實(shí)現(xiàn)HMI 界面的開(kāi)發(fā)。Portal Step7 的變量地址與Portal WinCC 平臺(tái)中設(shè)置的變量一一對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)HMI 觸摸界面的顯示。操作人員可根據(jù)自己習(xí)慣自主選擇儀表表盤(pán)/數(shù)據(jù)顯示、故障診斷、曲線顯示等人機(jī)交互界面。實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆井作業(yè)過(guò)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(chē)高度、大鉗扭矩、泥漿回流報(bào)警、立管壓力、轉(zhuǎn)盤(pán)/頂驅(qū)的轉(zhuǎn)速、噸公里設(shè)定/指示等參數(shù)[10-11]。隊(duì)長(zhǎng)辦公室遠(yuǎn)程監(jiān)控單元與數(shù)據(jù)采集單元無(wú)線長(zhǎng)距離通信，可選擇按照作業(yè)時(shí)間或鉆井深度通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程瀏覽鉆井參數(shù)。技術(shù)人員可隨時(shí)查詢(xún)鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)故障代碼信息，便于維護(hù)人員第一時(shí)間響應(yīng)進(jìn)行故障診斷[12]。

4 調(diào)試及分析

試驗(yàn)中的設(shè)備或裝置包含：模擬滾筒、轉(zhuǎn)盤(pán)扭矩試驗(yàn)臺(tái)、數(shù)字萬(wàn)用表、轉(zhuǎn)速校驗(yàn)臺(tái)、活塞壓力計(jì)、兆歐表等。

4.1 絕緣及系統(tǒng)狀態(tài)檢查

采用500V 兆歐表測(cè)量系統(tǒng)供電端的絕緣電阻應(yīng)大于等于1MΩ。檢驗(yàn)電纜屏蔽層是否連接牢靠，檢查各部分是否良好接地。系統(tǒng)上電，順序測(cè)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(wěn)定24VDC，各模塊工作狀態(tài)指示燈應(yīng)正常顯示。

4.2 鉆井參數(shù)調(diào)試

監(jiān)控系統(tǒng)各參數(shù)傳感器安裝在試驗(yàn)設(shè)備或裝置上，傳感器輸出信號(hào)一路與系統(tǒng)采集顯示單元連接，一路與試驗(yàn)設(shè)備連接，選定量程的30%、50%、80%為測(cè)試點(diǎn)，待讀數(shù)穩(wěn)定后，分別記錄HMI觸摸顯示及試驗(yàn)設(shè)備的讀數(shù)，連續(xù)測(cè)試次數(shù)不少于3 次，按照公式（1）計(jì)算各次行程的最大誤差，記錄并計(jì)算測(cè)試數(shù)據(jù)，如表2 所示。

其中δmax 為各參數(shù)測(cè)量行程中的最大誤差，UCi為各測(cè)量點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)值，ULi為各測(cè)量點(diǎn)的理論數(shù)值，UFS 為各參數(shù)測(cè)量范圍中的滿(mǎn)量程。從表2測(cè)試數(shù)據(jù)分析，各參數(shù)顯示誤差均在表1 中的設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

表2 鉆井參數(shù)調(diào)試

4.3 游車(chē)防護(hù)調(diào)試

在觸摸屏報(bào)警設(shè)置界面中，輸入游車(chē)防碰和防砸的高度及游車(chē)上下移動(dòng)速度預(yù)警值和防護(hù)值。進(jìn)入游車(chē)防護(hù)設(shè)置界面如圖4 所示，按下防碰測(cè)試按鈕進(jìn)行測(cè)試。

圖4 游車(chē)防護(hù)設(shè)置界面

司鉆操作游車(chē)向上或向下移動(dòng)，當(dāng)觀察觸摸顯示屏及聲光報(bào)警器時(shí)，提示操作人員注意減速緩行；當(dāng)游車(chē)運(yùn)動(dòng)到防碰或防砸防護(hù)位置時(shí)，系統(tǒng)輸出游車(chē)防護(hù)控制信號(hào)使電磁閥失電（電磁閥為常開(kāi)型），見(jiàn)圖5，斷開(kāi)電磁閥與剎車(chē)放氣通道，從剎車(chē)釋放閥經(jīng)由兩位三通氣控閥的氣源斷開(kāi)，使主氣源流經(jīng)高低速控制閥及盤(pán)剎氣源通道斷開(kāi)，進(jìn)而達(dá)到游車(chē)防碰和防砸位置緊急剎車(chē)防護(hù)功能。

圖5 游車(chē)防護(hù)控制示意圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出的一種基于Siemens PLC 多傳感器海洋鉆井參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)在中海油某模塊鉆機(jī)運(yùn)行近一年，已完成兩口鉆井作業(yè)，實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)海洋鉆井參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)方案合理，運(yùn)行流暢，操作方便快捷，具備擴(kuò)展性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)中還可以補(bǔ)充多傳感器信息融合，結(jié)合鉆井的地質(zhì)條件，實(shí)現(xiàn)鉆前預(yù)測(cè)，確保鉆井作業(yè)的安全、高效、可靠穩(wěn)定運(yùn)行。