節(jié)流壓井管匯控制系統設計應用

辛 鵬， 朱萬軍， 李亞東， 易繼兵

(山東海洋工程裝備有限公司， 山東 青島 266555)

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節(jié)流壓井管匯控制系統設計應用

辛 鵬， 朱萬軍， 李亞東， 易繼兵

(山東海洋工程裝備有限公司， 山東 青島 266555)

通過對節(jié)流壓井管匯的結構組成及其工作原理進行分析后，認為傳統人工控制的方式已經落后，有必要利用現代自動化控制原理對人工控制方式進行優(yōu)化升級，力求形成一套集自動化控制及數據監(jiān)控運行為一體的設計方案。此方案將采用電液控制相結合的設計理念，電氣控制部分以PLC(可編程控制器)為控制中心，HMI(人機界面)為監(jiān)控及操作中心，執(zhí)行部分為液壓控制，這樣本系統將同時具備PLC響應快速以及液壓系統工作穩(wěn)定的雙重優(yōu)點，保證了系統快速平穩(wěn)的運行。

節(jié)流壓井管匯 可編程控制器 人機界面 自動化控制

0 引言

節(jié)流壓井管匯控制系統作為井控系統重要的組成部分，將對整座平臺的安全作業(yè)提供必要的保證。 管匯的傳統控制方法是通過人工控制閥門的開啟度實現壓力的平衡控制或通過液動裝置手工控制閥門的開啟度，維持井內壓力平衡關系，該方法的優(yōu)點是設備簡單，但控制精度取決于操作者的經驗，控制過程比較緩慢，不能及時調整壓力的變化。

該文將采用電液控制相結合的控制原理對節(jié)流壓井管匯控制系統進行設計，形成一套先進的控制方案，并將此設計方案應用于WIV(可移動半潛式鉆修井平臺)平臺中。

1 節(jié)流壓井管匯

節(jié)流壓井管匯的作用包括用于壓井放噴期間控制井口回壓和有節(jié)制地排放受侵鉆井液，主要由高壓閥門、高壓管線、手動節(jié)流閥、液動節(jié)流閥、壓力表、傳感器等組成。節(jié)流壓井管匯如圖1所示。

圖1 節(jié)流壓井管匯

其中節(jié)流閥是節(jié)流管匯的關鍵部件。在正常壓井過程中，可通過調節(jié)液動節(jié)流閥通道大小來控制套管壓力和立管壓力；也可通過節(jié)流閥泄壓以實現軟關井，從而防止井噴保護井口。手動節(jié)流閥則是在液動節(jié)流閥失效的情況下用于應急控制壓力。

2 節(jié)流壓井管匯控制系統

節(jié)流壓井管匯控制系統的主要功能是為了控制節(jié)流壓井管匯中的液動節(jié)流閥，這個看似非常簡單的問題，但其實不然。從鉆井工藝的角度來講，開關閥門時是需要根據具體工況來作出判斷的，這就決定了該系統需要采集相關參數讓司鉆作出及時準確的判斷——是否需要節(jié)流或壓井，因此該系統中必需集成必要設備的壓力數據，并控制節(jié)流閥，這也是我們設計該系統的目的。從而實現數據采集。由于數據采集的任務屬于電氣控制范疇，而閥門關斷是電液控制相結合實現的，因此此控制系統包括了液壓控制部分與電氣控制部分，同時它們之間又相互聯系。

2.1 液壓控制系統

2.1.1 液壓控制系統的組成

液壓控制系統主要由以下部件構成：

(1) 自帶動力源的液壓控制柜。

(2) 液壓管線及氣動管線。

其中液壓控制柜主要包括：

(1) 氣動液壓泵1臺，為產生系統液壓壓力來調節(jié)節(jié)流閥的主要液壓動力源；

(2) 氣體過濾器1個，用于過濾干燥壓縮空氣；

(3) 手動泵1臺，如發(fā)生平臺氣源故障或液壓泵故障，可用手動泵預充蓄能器，通過此應急系統，蓄能器可以調節(jié)液壓節(jié)流閥；

(4) 空氣調壓器1個，安裝于通往氣動液壓泵的氣動管線上，用于調節(jié)輸入液壓泵的氣體壓力；

(5) 液壓油過濾器1個，安裝于液壓泵入口處及郵箱的回流管線上，并用于保證液壓油的品質；

(6) 蓄能器1個，需預充125 psi氮氣，并作為備用動力源提供系統液壓動力；

(7) 溢流閥1個，在液壓回路中設置溢流閥防止液壓系統壓力過高。當壓力高過系統設置壓力330 psi時，液壓油將通過溢流閥流回油箱；

(8) 液壓油油箱1個，用于儲存液壓油；

(9) 手動換向電磁控制閥2個，分別控制節(jié)流閥與壓井閥，并同時可由遠程電控箱控制，從而實現對節(jié)流閥和壓井閥的開關；

(10) 手動流量調節(jié)閥1個，用于控制流量從而控制閥的開關速度。

2.1.2 液壓控制系統原理

此系統由氣動液壓泵作為動力源，在正常工況的情況下，需要從鉆井平臺上面提供一路壓縮空氣，壓縮空氣將經過過濾器除去雜質并做干燥處理，氣源的壓力為120 psi。為控制氣體壓力，壓縮空氣管線中設置一個空氣壓力調節(jié)閥。壓縮空氣驅動液壓泵，液壓泵將液壓油從油箱中泵入液壓回路，首先經過單向閥，再經過溢流閥。如壓力大于設定壓力值，液壓油將溢流回到油箱，溢流閥對整個系統起到保護作用；在壓力正常的情況下，將經過流速調節(jié)閥，再經過三位四通電磁控制閥。此閥可以手動控制，也可以電磁控制；既可以本地操作，也可以遠程遙控。液壓油通過節(jié)流壓井閥實現對該閥的開關，然后通過三位四通閥流回油箱。

在液壓泵故障或氣源故障的情況下，將用手動泵將液壓油泵入蓄能器，蓄能器需要先預充氮氣壓力達到125 psi，然后液壓油再從蓄能器到速度控制閥，后續(xù)工作流程同上。

原理圖如圖2所示。

圖2 液壓控制系統原理圖

2.2 電氣控制系統

2.2.1 電氣控制系統的組成

電氣控制系統主要由PLC控制柜和它所控制的電磁閥、泵、沖傳感器、各壓力傳感器、動力電纜、信號電纜、控制電纜、網線等組成；而PLC控制柜作為電氣控制系統的核心組成部分，其由HMI、PLC單元、隔離柵、電源模塊、開關、繼電器等組成。

2.2.2 電氣控制系統原理

節(jié)流壓井管匯控制系統的總體設計原理是通過PLC控制達到快速靈敏地開關節(jié)流閥的目的。而在什么狀態(tài)下需要對節(jié)流閥進行控制，則需要司鉆者綜合分析各種鉆井參數作出決定。故此系統中將相關設備的壓力參數進行集成并顯示到HMI中，同時這也是CDS(美國船級社鉆井系統規(guī)范)中所嚴格要求的。

具體原理如下：

(1) 數字量輸入模塊(DI)采集泥漿泵泵沖信號，并將泵沖數集成到HMI，并可通過在觸摸屏將泵沖數清零。

(2) 數字量輸入模塊接收來自節(jié)流閥控制開關或壓井閥控制開關發(fā)出的節(jié)流壓井的開關量信號，并通過CPU內部程序處理后，經過數字量輸出模塊(DO)輸出信號控制電磁換向閥，從而對液動節(jié)流閥進行控制。

(3) 因各設備壓力傳感器均處于2類危險區(qū)域中，為保證此系統安全性，將選擇本質安全型壓力傳感器，壓力傳感器與PLC控制柜組成本質安全回路。所以在模擬量輸入模塊與壓力傳感器之間設置安全隔離柵，從而將處于現場的危險信號隔離開并反饋安全信號到PLC；壓力傳感器輸出4 ma～20 ma信號至模擬量輸入模塊，經CPU程序處理后，顯示到HMI中；其中4 ma信號對應0 psi，20 ma信號將對應各設備的額定最高壓力值，例如水泥管匯為15 000 psi；觸摸屏上將會設置壓力校準界面，用以校準壓力(同現場管匯中的壓力表對比)；同時會設置壓力低報警，當壓力低于設定值時，觸摸屏上會顯示報警信息。

(4) HMI與CPU之間將通過網線進行通訊。

(5) 節(jié)流閥與壓井閥的位置指示傳感器將傳輸4 ma～20 ma信號至模擬量輸入模塊，同樣為本質安全型，工作原理同壓力傳感器。同時需要注意，節(jié)流閥與壓井閥的全開或全關全程不能超過20 s。

(6) 氣動壓力傳感器將氣動回路壓力信號反饋至PLC控制柜，可用于遠程觀察氣動壓力是否為額定值，在操作失敗的情況下也可排除氣動壓力不夠的因素。氣動壓力傳感器工作電流為4 ma～20 ma，工作原理同上。

(7) 液壓回路壓力傳感器將反饋系統工作壓力，在壓力值低于300 psi時將輸出蜂鳴報警，同時HMI將出現報警提示。液壓回路壓力傳感器工作電流4 ma～20 ma，工作原理同上。

(8) 油箱液位開關將反饋液位低信號至數字量輸入模塊，并在HMI上顯示報警提示。

電氣控制系統示意圖如圖3所示。

圖3 電氣控制系統示意圖

2.2.3 觸摸屏

(1) 主屏。

主屏可監(jiān)控節(jié)流壓力、壓井壓力、立管1和立管2壓力、泥漿泵泵沖、油箱液位、節(jié)流閥位置、壓井閥位置。界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏主屏顯示界面

(2) 副屏。

副屏可監(jiān)控水泥壓力、泥氣分離器壓力、套管壓力、氣路壓力、液壓回路壓力。界面如圖5所示。

(3) 校準屏。

校準方法在原理中已介紹，此處不再贅述。校準屏界面如圖6所示。

圖5 觸摸屏副屏顯示界面

圖6 校準屏

3 結語

老舊平臺中依靠手動關斷節(jié)流閥和壓井閥的方式已經落后，液動控制節(jié)流閥已成為先進鉆井平臺所必備的系統。此設計采取了當前最先進的PLC控制及觸摸屏顯示，利用西門子step-7軟件及WINCC(觸摸屏組態(tài)軟件)進行了編程。同時此系統的執(zhí)行部分采取了液壓控制的方式，液壓控制具有動態(tài)性能好，運動平穩(wěn)等特點。電氣控制系統具有快速精準的特點。特別是運用PLC控制后，與傳統繼電器控制相比顯著降低了故障率。電液控制相結合的方式，使節(jié)流壓井管匯控制系統能兼具運行平穩(wěn)、響應迅速、安全可控等多種優(yōu)點。將此系統運用于WIV鉆修井平臺中，進一步提升了平臺的安全性能，也成為了平臺整體優(yōu)化設計的重要組成部分。

[1] 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計指南[M]. 北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 李誠銘.石油鉆井工程實用技術手冊[M]. 北京：中國知識出版社，2006.

Design and Application of Choke and Kill Manifold Control System

XIN Peng, ZHU Wan-jun, LI Ya-dong, YI Ji-bing

(Shandong Offshore Equipment Co., Ltd., Qingdao Shandong 266555, China)

Through analyzing the choke and manifold structure constitution and its working principle, the traditional manual control mode is lagged behind, it is necessary to exert modern automatic control to upgrade and optimize the manual control mode, and try to achieve a set of design scheme which include automatic control and data monitoring. This design scheme combine electrical and hydraulic control together, electric control part based on PLC (Programmable Logic Controller) as the control center. HMI (Human Machine Interface) was used for the monitoring and operation center. Hydraulic control was used as execution part. In this way, the system will have the advantages of instant response and stable working, which ensure the system work fast and stable.

Choke and kill manifold PLC HMI Automatic control

青島市黃島區(qū)海洋科技專項項目：新型可移動鉆修井單元(平臺)WIV研發(fā)，編號： 2014-4-7。

辛 鵬(1985-)，男，技術經理,研究方向為鉆井平臺系統原理設計及新船型研發(fā)工作。

U662

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