地面防噴器控制系統(tǒng)改進(jìn)方案探討

周宏宇，吳永良

（1.中石化海洋石油工程有限公司上海鉆井分公司，上海 201208；2.中石化海洋石油工程有限公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

在石油天然氣鉆井施工中，為防止井噴失控事故的發(fā)生，需在井口安裝一套井控裝置。在整套裝置中，防噴器控制裝置顯得尤為重要，它是控制井口防噴器組及液動節(jié)流閥、壓井閥的重要設(shè)備，是鉆井、修井施工作業(yè)中不可缺少的裝置。地面防噴器控制系統(tǒng)是鉆修井作業(yè)過程中不可缺少的安全設(shè)備，發(fā)生井噴或井涌時(shí)，一般是依靠地面防噴器控制裝置的遠(yuǎn)控系統(tǒng)控制防噴器動作，達(dá)到控制井噴的目的[1]。

近幾年來，隨著深水半潛式鉆井平臺（或鉆井船）的技術(shù)發(fā)展，對防噴器控制系統(tǒng)的研究也上了一個新的臺階。但是，針對地面防噴器控制系統(tǒng)研究的重視程度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，并未將水下防噴器控制系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化以進(jìn)一步提升地面防噴器控制系統(tǒng)的效能。雖然也有一些研究報(bào)告顯示，通過利用PLC和總線通訊技術(shù)對原有控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，系統(tǒng)效能得到一定的提升，但絕大部分系統(tǒng)的升級仍局限于原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上的局部改造，改造并不徹底，整體上仍然存在很多亟需解決的問題。譬如：動力液控制管匯及隨動管線密集，建造和維護(hù)成本高；控制系統(tǒng)混合油氣水控制，響應(yīng)速度慢；控制點(diǎn)需要排布大量的控制管線，安裝位置受限等諸多問題。

1 防噴器控制系統(tǒng)簡介

1.1 地面防噴器控制系統(tǒng)

地面防噴器控制系統(tǒng)一般由遠(yuǎn)程控制臺、司鉆控制臺和輔助控制臺組成。遠(yuǎn)程控制臺按規(guī)范應(yīng)安裝于遠(yuǎn)離井口25 m以上的安全處所，否則必須進(jìn)行防護(hù)以確保其滿足規(guī)范要求。遠(yuǎn)程控制臺由多個儲備壓力控制液的蓄能器組、電/氣動泵系統(tǒng)、控制閥件和動力液管匯（E/P控制箱）、動力液箱及底座等組成。司鉆控制臺位于司鉆操作臺附近，主要由各種控制按鈕、閥件及顯示裝置組成。輔助控制臺一般位于領(lǐng)班辦公室，當(dāng)鉆臺發(fā)生無法控制的狀態(tài)時(shí)，可作為應(yīng)急備用控制柜。一般來說，三處控制臺均能單獨(dú)實(shí)現(xiàn)全部功能及壓力調(diào)節(jié)操作（圖1）。

圖1 典型的地面防噴器控制系統(tǒng)基本組成

近年來，在一些實(shí)際應(yīng)用的案例中，也出現(xiàn)了一些采用PLC及總線技術(shù)的控制系統(tǒng)。其中最為常見的是利用西門子S7-300/400PLC、SM321/SM322等I/O模塊作為分布式外接設(shè)備的控制接口，通過PROFIBUS-DP通訊總線和分布式控制方式的技術(shù)方案，目前比較先進(jìn)的常規(guī)地面防噴器控制系統(tǒng)典型液壓原理見圖2。該系統(tǒng)使用了總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電磁閥控制先導(dǎo)液，先導(dǎo)液再控制三位四通閥的功能。具體控制原理是：該系統(tǒng)使用獨(dú)立的空氣或其它介質(zhì)作為先導(dǎo)液，在司鉆及輔助控制臺通過按壓功能按鈕，電信號即通過通訊光纜傳輸給位于遠(yuǎn)程控制臺處的E/P控制箱里的PLC控制中心，控制中心通過處理后對對應(yīng)的電磁閥進(jìn)行開關(guān)控制，從而控制先導(dǎo)液通斷來導(dǎo)通防噴器對應(yīng)的三位四通閥，從而實(shí)現(xiàn)動力液的通斷來實(shí)現(xiàn)防噴器各個功能的執(zhí)行。這些電磁閥和三位四通閥布置在原有的遠(yuǎn)程控制臺處，從控制臺到防噴器末端仍然需要大量的動力液管線來進(jìn)行一對一控制。PLC控制中心同時(shí)還負(fù)責(zé)將操作的相關(guān)信息和警報(bào)等信息反饋給各控制柜。

圖2 比較先進(jìn)的常規(guī)地面防噴器控制系統(tǒng)典型液壓原理圖

1.2 水下防噴器控制系統(tǒng)

水下防噴器控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程控制臺（主控柜，它包括液壓和氣動泵站、控制液箱、配液裝置、混合控制液箱、儲能器組、雙UPS電源等）、司鉆控制臺（司控柜）、輔助控制控制臺（微控柜）、藍(lán)黃軟管絞車、藍(lán)黃控制盒（POD）、水下儲能器和若干梭子閥等組成。典型水下防噴器控制系統(tǒng)基本組成見圖3。

常規(guī)水深的防噴器控制系統(tǒng)大多采用典型的分離式先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)，即電-氣-液-液或多路傳輸、數(shù)字編碼控制的控制方式。圖4是某常規(guī)水深半潛式平臺的分離式先導(dǎo)液壓控制系統(tǒng)的工作原理示意圖[2]。當(dāng)需要執(zhí)行某個功能時(shí)，只要在司控柜或者微控柜上操作相應(yīng)的按鈕，對應(yīng)的電磁閥就會導(dǎo)通低壓空氣從而控制主控柜上的液壓四通閥氣缸的開閉，然后動力液通過對應(yīng)的先導(dǎo)管迅速傳遞到水下控制盒（POD）中，打開對應(yīng)的SPM閥，高壓動力液隨即進(jìn)入對應(yīng)的執(zhí)行液缸，完成相應(yīng)的開關(guān)動作。

圖3 典型的水下防噴器控制系統(tǒng)基本組成

圖4 常規(guī)水下防噴器控制系統(tǒng)工作原理

而深水防噴器的控制一般采用多路電液-MUX（Multiplex）控制系統(tǒng)（圖5）。平臺控制柜通過一根光纖電纜或者通訊電纜來傳輸全部的控制信號。多路電液（MUX）控制系統(tǒng)首先對操作指令進(jìn)行編碼，形成數(shù)字信號，然后經(jīng)由公用通訊線纜將其傳送到水下控制箱，水下控制箱內(nèi)的電子模塊將控制信號進(jìn)行解碼，在功能執(zhí)行前要將信息重新傳遞校驗(yàn)無誤后，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為具有一定功率的電流或電壓信號，觸發(fā)電磁先導(dǎo)閥動作，先導(dǎo)液壓信號驅(qū)動相應(yīng)的液壓控制閥動作，控制高壓動力液流向目標(biāo)液壓執(zhí)行元件，從而完成預(yù)期的控制動作。深水水下防噴器組控制系統(tǒng)原理見圖6。例如當(dāng)需要防噴器封井時(shí)，由平臺控制柜（如司鉆控制柜）發(fā)出封井控制信號，水下控制單元接收到控制信號后進(jìn)行解碼處理，解碼后的信號會使某電磁線圈通電，就可以操作水下的電磁閥動作，使高壓動力液打開相應(yīng)的 SPM（液壓控制閥）線圈向液壓先導(dǎo)閥發(fā)出先導(dǎo)信號，該先導(dǎo)信號驅(qū)動相應(yīng)的液壓閥閥芯動作，水下防噴器組上儲能瓶儲存的高壓液體就推動防噴器動作實(shí)現(xiàn)密封[3]。

圖5 多路電液控制系統(tǒng)示意圖

圖6 深水水下防噴器組控制系統(tǒng)原理圖

2 地面防噴器控制系統(tǒng)存在問題分析

事實(shí)上，在常規(guī)的地面防噴器控制系統(tǒng)中，從司鉆控制臺、輔助控制臺到遠(yuǎn)程控制臺的控制管匯，目前大部分仍然使用了空氣管束/電纜束，甚至在部分已使用了PLC中心控制站的控制系統(tǒng)中都沒有擺脫這一現(xiàn)狀。由于這些管束/電纜束很多，安裝檢查和日常維護(hù)都相當(dāng)困難，極易造成異常堵塞、斷線等故障，尤其冬季作業(yè)時(shí)，空氣管束很容易出現(xiàn)積水被凍住的情況。圖7是典型的氣缸及氣控管束示意圖。同時(shí)，空氣管束還存在著嚴(yán)重的反應(yīng)遲滯現(xiàn)象。而總線利用通訊電纜或光纜進(jìn)行通訊，一根電纜就能實(shí)現(xiàn)所有信息的雙向傳輸，安裝簡單，傳輸速度快，這種巨大優(yōu)勢對系統(tǒng)的安全性能提升極為重要。

圖7 典型的氣缸及氣控管束示意圖

圖8 是典型的常規(guī)地面防噴器控制系統(tǒng)管路原理圖。從遠(yuǎn)程控制站到控制設(shè)備，包括防噴器和導(dǎo)流器以及壓井節(jié)流閥之間，需一對一大量布置高壓動力液管線，數(shù)量多，距離遠(yuǎn)，尤其在懸臂梁自升式鉆井平臺上，受其安裝距離的限制和懸臂梁的移動特征等因素的影響，還需增加大量的隨動管線，造成了控制系統(tǒng)等設(shè)備在建造和作業(yè)期間的安裝工作異常復(fù)雜。

圖8 典型的地面防噴器控制系統(tǒng)管路原理圖

3 改進(jìn)方案探討

3.1 基本控制方案

針對以上現(xiàn)狀，提出了利用西門子S7-300/400PLC作為PLC控制中心、ET 200iSP 作為分布式外接設(shè)備的控制從站，通過PROFIBUS-DP的控制方式，并結(jié)合深水控制系統(tǒng)的電液-MUX復(fù)合控制方法，提出如下改進(jìn)方案，基本架構(gòu)和原理見圖9和圖10。

（1）在地面防噴器組近端的框架兩端分別安裝功能相同且獨(dú)立的ET 200iSP分布式從站控制盒，控制盒內(nèi)組合安裝分布式I/O接口的電液-MUX復(fù)合先導(dǎo)閥模塊。

圖9 控制系統(tǒng)總線和動力管線電纜連接原理圖

（2）根據(jù)API規(guī)范配套相應(yīng)的液壓泵站及儲能器組，可考慮將一部分儲能瓶移動至防噴器近端，以便加快防噴器控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

（3）用固定動力液管線分別將控制盒的各進(jìn)回油口連接至防噴器組各功能接口。

（4）用固定動力液管線將液壓儲能瓶組進(jìn)回油總管分別連接至各控制盒進(jìn)回油總接口。因控制盒安裝于防噴器處，且先導(dǎo)控制采用了電液-MUX復(fù)合控制，故不再需要安裝獨(dú)立的先導(dǎo)液管路，動力液管線也僅需布置2根，當(dāng)然也可根據(jù)需要適當(dāng)增加備用冗余管線。

圖10 PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

（5）配備兩套獨(dú)立且可自動切換的不間斷電源UPS，并與外接電源連接，其功率根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)滿足2個小時(shí)的正常操作[4]，給系統(tǒng)供電時(shí)可與外接電源自動互換備用。

（6）安裝兩根獨(dú)立的動力電纜作為先導(dǎo)電磁閥控制的動力傳輸電纜，同時(shí)與外接電源和UPS系統(tǒng)進(jìn)行連接。

（7）使用西門子S7-300/400PLC作為PLC控制中心、采用雙光纖或者雙絞線將各主站、從站控制盒等進(jìn)行連接（最少兩根，一用一備）。若利用光纖OLM（Optical Link Module）作為總線通訊電纜，建議選取OLM/G12-EEC，其工作環(huán)境溫度范圍-25 ～ 60 ℃，環(huán)境濕度可達(dá)到100%，更加適用于鉆井現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境。

（8）將輔助控制臺和司鉆控制臺人機(jī)接口（HMI）、液壓站處的PLC控制中心、裝于安全區(qū)域的備用PLC控制中心及外接PLC程序編譯設(shè)備PG等連接于PROFIBUS-DP總線。

3.2 工作原理

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的流程圖和液壓原理見圖11 、圖12和 圖13。圖11是基本的PROFIBUS-DP架構(gòu)圖；圖12為無中位液壓控制原理圖，適合萬能防噴器及節(jié)流壓井閥門的控制；圖13為有中位的液壓控制原理圖，適合于一般閘板的控制。其基本原理如下：由PLC控制中心發(fā)出指令給地面防噴器近端的從站控制盒，從站控制盒在收到PLC控制中心的指令后，將指令返回PLC控制中心進(jìn)行再次確認(rèn)；一經(jīng)確認(rèn)，則控制盒就會按照指令控制電液-MUX復(fù)合先導(dǎo)閥中相對應(yīng)的電磁閥執(zhí)行開關(guān)動作來導(dǎo)通或者關(guān)斷經(jīng)調(diào)壓的動力液，控制各功能先導(dǎo)閥（SPM閥）的開啟和關(guān)閉，從而控制儲能瓶組的壓力液進(jìn)入或排出對應(yīng)的液缸，實(shí)現(xiàn)防噴器及閥門的開啟和關(guān)閉功能。同時(shí)，從站控制盒還可將外接的分布式I/O接口設(shè)備、按鈕、傳感器等狀態(tài)和故障診斷等信息返回給PLC控制中心，從而實(shí)現(xiàn)對儲能器壓力過低、空氣壓力過低、油箱液位過低和控制系統(tǒng)使用備用電源的聲、光報(bào)警功能[5]。

圖11 PROFIBUS-DP控制系統(tǒng)控制流程圖

圖 12 無中位控制盒液壓系統(tǒng)原理圖

圖13 有中位控制盒液壓系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)論

（1）該改進(jìn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠，因總線技術(shù)的引入，為實(shí)現(xiàn)后續(xù)與鉆井系統(tǒng)的總線連接奠定了基礎(chǔ)。

（2）采用西門子PLC及類似于水下防噴器的POD遠(yuǎn)程控制模式，簡化了動力液控制管線的布置，動力液總管到從站控制盒液壓總管僅需安裝最少兩根（可增加1根備用）；從站控制盒至防噴器各控制功能則采用類似于水下防噴器組的固定連接，減小了設(shè)備占用空間；加快了系統(tǒng)響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)了多個控制臺的同步顯示，拆裝方便。

（3）采用電液-MUX復(fù)合控制模式和PROFIBUS-DP總線技術(shù)，以電纜代替水下防噴器控制系統(tǒng)的藍(lán)、黃軟管束模式，簡化了先導(dǎo)液控制管束和先導(dǎo)儲能器組的配置。

（4）司鉆控制臺及輔助控制臺則采用人機(jī)界面及按鈕模式，結(jié)構(gòu)輕便，標(biāo)識清晰，具有自診斷狀態(tài)提示及報(bào)警等功能，操作便捷、可靠，極大簡化了控制氣/電管纜的安裝。

（5）PROFIBUS-DP既適合于自動化系統(tǒng)與現(xiàn)場信號單元的通訊，也可用于直接連接帶有接口的變送器、執(zhí)行器、傳動裝置和其它現(xiàn)場儀表及設(shè)備，對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集和監(jiān)控，并且用一對雙絞線或者光纖電纜線替代了傳統(tǒng)的大量的傳輸管線/電纜，節(jié)省了大量費(fèi)用，也相應(yīng)節(jié)省了施工調(diào)試以及系統(tǒng)投運(yùn)后的維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。

（6）在輔助控制臺和司鉆控制臺處分別安裝S7-300/400PLC模塊，中間用PROFIBUS-DP雙總線連接來實(shí)現(xiàn)了冗余，可確保系統(tǒng)的可靠操作。

（7）西門子公司主流的S7-300/400PLC，ET 200iSP 以及PROFIBUS-DP總線系統(tǒng)，已得到廣泛應(yīng)用，深受國內(nèi)用戶的歡迎，操作維護(hù)成本和技術(shù)門檻較低。ET 200iSP適用于直接安裝到有氣體或粉塵爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域中，但在有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域，需要通過核實(shí)現(xiàn)場總線隔離變壓器（RS 485IS 耦合器）的方式進(jìn)行本質(zhì)安全性管理[6]。

（8）該改進(jìn)方案僅作為一種技術(shù)層面的探討，具體實(shí)施則應(yīng)全面考慮API RP 16E等相關(guān)井控規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行必要的技術(shù)評估和經(jīng)濟(jì)評價(jià)。