油氣井井口智能控制系統(tǒng)研究與應用

蔣光強，劉夢祥，肖 磊，劉國華，張躍鋒

（1.塔里木油田公司工程技術部欠平衡服務中心，新疆庫爾勒 841000；

2.廣州東塑石油鉆采專用設備有限公司，廣州 511483）①

油氣井井口智能控制系統(tǒng)研究與應用

蔣光強1，劉夢祥2，肖 磊2，劉國華1，張躍鋒2

（1.塔里木油田公司工程技術部欠平衡服務中心，新疆庫爾勒 841000；

2.廣州東塑石油鉆采專用設備有限公司，廣州 511483）①

油氣井井口智能控制系統(tǒng)是以現(xiàn)有的電氣控制及無線遙控地面防噴器控制技術為基礎，硬件上增加1套觸摸屏式司鉆臺，同時把節(jié)流管匯控制箱集成在防噴器控制裝置之上；軟件上根據(jù)鉆井施工過程的工況，把開、關井程序植入控制系統(tǒng)之中，最大化地實現(xiàn)鉆井過程中防噴器、節(jié)流壓井管匯的智能化自動控制，提高了工作效率，降低了勞動強度，提升了鉆井施工的安全性能。觸摸屏式司鉆臺的操作界面具有自定義功能，可以根據(jù)鉆井現(xiàn)場防噴器及節(jié)流壓井管匯實際的排列布局，進行軟件界面的設置，保證界面和實物一致，提高控制的準確性和安全性。

智能關井；地面防噴器控制裝置；節(jié)流管匯；控制系統(tǒng)

地面防噴器控制裝置是控制液壓防噴器、液動壓井放噴閥開關動作的專用設備，是石油天然氣鉆井（或修井）過程防止井噴失控不可缺少的裝備［1］。其功用就是預先制備和儲存足量的壓力油并控制壓力油的流動方向，在需要的時候使防噴器迅速開關。當壓力油油量減少、油壓降低到一定程度時，控制裝置能自動補充儲油量，使液壓油始終保持在一定的壓力范圍內。

節(jié)流壓井管匯系統(tǒng)是整套井控裝置中重要的設施之一，是確保成功控制井涌，實施油氣井壓力控制的必要設備［2］。當發(fā)生溢流或井噴需循環(huán)出被浸污的鉆井液或泵入性能經(jīng)調整的加重泥漿，以便壓井或重建平衡關系時，在防噴器關閉的條件下，利用節(jié)流管匯的節(jié)流閥開啟和關閉，控制一定的套壓來維持穩(wěn)定井底壓力，避免底層流體進一步流入；除此之外，節(jié)流管匯裝置還可以用于洗井、放噴等。

隨著深井、超深井以及高壓、超高壓氣井的勘探開發(fā)日趨增多，鉆井工況更加復雜，這都對井控裝備提出了更高的要求。目前，國內的井隊實施開、關井作業(yè)時，需要多名施工人員協(xié)同工作才能有效完成。由于人員多、勞動強度大，導致容易出現(xiàn)差錯，有較大的安全隱患。本文研究的油氣井井口智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了將防噴器、節(jié)流壓井管匯的控制由人工向智能化、自動化方向發(fā)展的目標，將石油天然氣鉆井勘探現(xiàn)場實施井控的常規(guī)關井和應急關井操作程序化設計，在井口裝置布局安裝定位后由工程師預先設定，司鉆工1人實施操作，即可在最短的時間內自動、精準地完成常規(guī)關井或應急關井的工作。

1 系統(tǒng)要求

1.1 性能要求

1） 功能齊全，操作與控制要方便。

2） 準確記錄壓力數(shù)據(jù)和操作信息。

3） 觸摸屏式司鉆控制臺的控制主界面實時顯示防噴器、節(jié)流管匯、壓井管匯的閥門狀態(tài)和壓力信息。

4） 可設計關井流程，并且在執(zhí)行過程中可以選擇遙控／自動控制模式。

5） 可設置節(jié)流管匯的節(jié)流通路并動態(tài)指示。

6） 關鍵的閥門應設置防止誤操作保護。

7） 遙控距離50 m以上，控制滯后時間小于500 ms。

8） 應具有一鍵應急關井功能（啟動點火裝置，關閉環(huán)形防噴器，打開放噴閥）。

1.2 權限要求

1） 對于工程師 ①根據(jù)現(xiàn)場井控裝備實際，在觸摸屏式司鉆控制臺進行防噴器組、節(jié)流管匯和壓井管匯的組圖；②根據(jù)配置預設的各工況關井程序，如：軟關井／硬關井、遙控／自動控制、緊急情況下實施一鍵關井操作／遠程無線遙控操作，并能設定當前工況；③對各個儀表進行設置與顯示校正。

2） 對于司鉆 ①根據(jù)工程師預設的工況選擇關井流程操作，系統(tǒng)具備實時提示當前步驟的操作信息，避免在緊急情況出錯；②具有可根據(jù)實際情況選擇關井流程（如：軟關井／硬關井）和選擇控制模式（遙控／自動控制）的權限；③緊急情況下可以實施一鍵關井操作／遠程無線遙控操作。

2 系統(tǒng)設計

為了滿足地面防噴器控制裝置智能關井控制系統(tǒng)的性能要求，采用模塊化設計思路，各模塊之間互相獨立，通過接口交換數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要由遠程控制臺、按鈕式司鉆臺、觸摸屏式司鉆臺、無線遙控臺和報警系統(tǒng)組成，系統(tǒng)結構如圖1。

圖1 系統(tǒng)結構

2.1 遠程控制臺設計

遠程控制臺是制備、儲存與控制壓力油流向的裝置［1］。泵組向蓄能器組充入油液使液壓能儲存于蓄能器組內，充壓至設定值時泵組自動停止。當需要控制防噴器關或開時，可手動控制或遙控三位四通轉閥動作，控制高壓油流輸送至防噴器液缸，從而達到控制防噴器關閉或開啟［3］。遠程控制臺儲能壓力下降至設定值時，泵組自動啟動充壓，使儲存的液壓能處于飽滿狀態(tài)，可隨時緊急關閉防噴器。

按照用液量與基本功能，參照美國石油學會API Spec 16D—2004《鉆井控制設備的控制系統(tǒng)》設計，增加無線遙控臺、觸摸屏司鉆臺、并集成節(jié)流管匯控制。

遠程控制臺的控制器主要采用PLC控制器為核心控制部件，與司鉆臺采用Interbus工業(yè)現(xiàn)場總線協(xié)議進行通信，電路如圖2所示。

圖2 PLC控制電路

節(jié)流管匯主要控制液動節(jié)流閥的開度，并記錄泵沖次數(shù)，當司鉆人員操作觸摸屏上的操作按鈕時，命令通過PLC控制器的DAC模塊，將開度設定信息轉換成4～20 m A的控制信號，由該信號控制一個帶閥芯位置反饋的直動式三位四通比例方向閥的開／關的比例，用戶可按照鉆井實際的控制液動閥速度的要求，操作該閥0～100%的開度，從而控制液動節(jié)流閥的控制液壓油的流量，最終實現(xiàn)液動節(jié)流閥開關速度的控制，電路如圖3所示。

圖3 節(jié)流管匯液動節(jié)流閥控制電路

2.2 觸摸屏式司鉆臺

觸摸屏式司鉆臺是實現(xiàn)智能關井的核心，由觸摸式電腦、I／O模塊、開關電源、一鍵應急關井按鈕、二次按鈕、蜂鳴器等組成，程序界面與結構如圖4～5所示。

該控制臺采用Interbus工業(yè)現(xiàn)場總線技術為基礎，通過帶屏蔽功能的控制電纜，控制距離達200 m，控制滯后時間小于0.5 s；可記錄遠程控制臺上所有壓力數(shù)據(jù)和操作信息；具有一鍵應急關井功能；界面顯示參數(shù)不僅具有必需的開關狀態(tài)指示和報警信息等指示，還新增了立管壓力、套管壓力、節(jié)流閥控制壓力以及3路泵沖記錄顯示。

圖4 主程序界面

在實施操作時，工程師可以根據(jù)國家／行業(yè)標準要求，根據(jù)鉆井作業(yè)的工況，設計／選擇關井流程。并由司鉆工根據(jù)鉆井作業(yè)的實際情況；在發(fā)現(xiàn)溢流或發(fā)現(xiàn)疑似溢流的情況時確認執(zhí)行關井操作。后續(xù)關井過程由控制器根據(jù)預先設定的開井／關井程序流程自動地對防噴器與節(jié)流管匯進行控制。

2.3 報警系統(tǒng)

遠程控制臺具有報警功能，對蓄能器壓力、氣源壓力、油箱液位、電動泵運轉以及甲烷體積分數(shù)進行監(jiān)視。當上述參數(shù)超出報警設定值時，可以在遠程控制臺、無線遙控臺、按鈕式司鉆臺與觸摸屏式司鉆臺發(fā)出報警信號，提示操作人員采取措施。操作人員可以根據(jù)報警裝置提示的信息來綜合分析設備的狀態(tài)和現(xiàn)場環(huán)境的狀態(tài)，以采取相應的處理措施來應對，電路如圖6所示。

圖5 智能關井控制系統(tǒng)程序結構

圖6 報警電路

3 現(xiàn)場應用

2013-03—10，智能關井系統(tǒng)分別在勝利油田和塔里木油田進行了415 d的上井作業(yè)，共進行智能關井作業(yè)和防噴演習操作75次。設備各項性能穩(wěn)定、動作精準、顯示精確、記錄詳盡，尤其是可進行自定義配置的防噴器、節(jié)流壓井管匯的組合界面，保證了顯示與實物一致性，可確保操作準確無誤。工程師根據(jù)實際情況預先配置的智能關井程序使用方便，提高了關井效率、降低了勞動強度。

4 結語

該設備投入使用后，經(jīng)實踐證明：系統(tǒng)達到了設計要求，減少了應用成本，操作控制比傳統(tǒng)的關井方式有很多優(yōu)越性。例如：減少關井過程的操作環(huán)節(jié)，明顯提高工作效率和降低勞動強度，不僅提高了控制速度和控制精度，而且提高了鉆井施工的安全性和可靠性，確保石油天然氣鉆井施工的安全。

［1］ API Spec 16D—2004，鉆井控制設備的控制系統(tǒng)［S］.

［2］ 王華.井控裝置實用手冊［J］.北京：石油工業(yè)出版社，2008.

［3］ 王曉穎，張立剛，陳慧慧，等.防噴器控制裝置三位四通轉閥手柄位置分析［J］.石油礦場機械，2013，42（2）：66-69.

Research and Application of Oil and Gas Well Wellhead Intelligent Control System

Intelligent control system for oil and gas wellbore is based on the research of the technology of electrical-pneumatic control and wireless remote control system for surface mounted BOP control device.About hardware，one set of touch screen on driller’s control panel is added and choke manifold control panel is also integrated in the BOP control system.About software，according to real working condition，well close procedures are embedded in the system in order to maximize the implementation of the BOP／choke manifold in the process of well drilling manifold of intelligent automatic control，which increases efficiency，reduces labor intensity and improves safety.The interface of touch screen can be self-set by the engineer according to the real installation of site BOP，kill and choke manifold to make sure the accordance between interface and real installation，this can improve the accuracy and safety of control.

intelligent well close；surface mounted BOP control device；throttle manifold；control system

TE921.5

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.020

1001-3482（2014）09-0074-04

2014-04-12

蔣光強（1969-），男，四川廣安人，工程師，主要從事石油天然氣井控設備的現(xiàn)場應用和管理工作，E-mail：jianggq＠sina.cn。