石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

陳虹全 劉瑞紅

（①成都理工大學(xué)；②中國石油西部鉆探工程技術(shù)研究院）

0 引言

在石油鉆井工程中溢流是主要危害之一，溢流預(yù)警不及時(shí)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的井控風(fēng)險(xiǎn)，甚至井噴事故；硫化氫氣體是一種致命毒氣，預(yù)警不及時(shí)，可能導(dǎo)致人員中毒、設(shè)備損壞等嚴(yán)重事故。當(dāng)鉆井過程中發(fā)生溢流和硫化氫險(xiǎn)情時(shí)，采用報(bào)警裝置及時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，是傳達(dá)險(xiǎn)情的一種快速有效方法。常規(guī)應(yīng)用的溢流、硫化氫險(xiǎn)情報(bào)警裝置功能單一，無法及時(shí)有效區(qū)分溢流和硫化氫井控險(xiǎn)情，供電電壓為有線式AC 220 V，依靠手動(dòng)撥動(dòng)常規(guī)開關(guān)通電、斷電來實(shí)現(xiàn)報(bào)警，無法通過遠(yuǎn)程操作報(bào)警和自動(dòng)記錄報(bào)警時(shí)間及險(xiǎn)情類型。通過改變常規(guī)聲光報(bào)警器供電方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于自動(dòng)化控制、無線控制和開關(guān)量監(jiān)測記錄等技術(shù)設(shè)計(jì)出一款工作電壓為DC 24 V 的石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)警系統(tǒng)遠(yuǎn)程無線操作，根據(jù)不同險(xiǎn)情發(fā)出不同警示聲光，提高鉆探險(xiǎn)情報(bào)警精準(zhǔn)性，及時(shí)識別溢流或硫化氫險(xiǎn)情。此報(bào)警系統(tǒng)已獲2項(xiàng)國家專利[1-2]，目前處于推廣應(yīng)用階段。

1 常規(guī)聲光報(bào)警器局限性分析

目前各錄井隊(duì)主要采用的是單一式聲光報(bào)警器（常規(guī)聲光報(bào)警器），這種報(bào)警器存在3個(gè)方面的局限。

1.1 功能單一

在鉆探生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)生溢流和硫化氫險(xiǎn)情均需要及時(shí)報(bào)警，常規(guī)聲光報(bào)警器只能發(fā)出一種聲音和一種閃光，當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，不能有效區(qū)分是溢流險(xiǎn)情還是硫化氫險(xiǎn)情，給生產(chǎn)現(xiàn)場人員增加了辨識困難和一定的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，常規(guī)聲光報(bào)警器只能進(jìn)行聲光報(bào)警，不能記錄報(bào)警啟停時(shí)間和報(bào)警類型，造成報(bào)警無數(shù)據(jù)記錄和依據(jù)，給事后查詢資料和實(shí)況追溯帶來較大難題。

1.2 供電模式簡單

常規(guī)聲光報(bào)警器采用有線式供電，在運(yùn)行過程中，從錄井儀器房直接將電壓AC 220 V 供給聲光報(bào)警器，當(dāng)電壓、電流、頻率不穩(wěn)定時(shí)容易造成聲光報(bào)警器燒壞或報(bào)警失效。該供電模式相對簡單，在使用中仍存在一定的觸電風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 安裝和操作不便

常規(guī)聲光報(bào)警器的有線式供電，限制了聲光報(bào)警器的安裝位置，目前安裝在錄井儀器房頂架線桿上，不方便移動(dòng)和進(jìn)行多點(diǎn)安裝。工作時(shí)聲音和閃光不能覆蓋整個(gè)井場，存在一定弊端；啟動(dòng)聲光報(bào)警器工作是采用簡易開關(guān)，通過通、斷電來實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警器啟動(dòng)和關(guān)閉，受固定開關(guān)限制，操作時(shí)人員必須在儀器房內(nèi)固定位置，遇離開關(guān)較遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，或其他人員發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，再到儀器房通電報(bào)警，存在一定的延遲，容易錯(cuò)過險(xiǎn)情最佳處理時(shí)間或有效撤離時(shí)間，使險(xiǎn)情進(jìn)一步升級，造成嚴(yán)重事故。

2 石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)由主機(jī)、智能記錄儀、供電單元、無線控制單元[2]、多功能聲光預(yù)警單元[1]和擴(kuò)展單元組成（圖1）。主機(jī)安裝在錄井儀機(jī)柜上，智能記錄儀和無線控制單元固定安裝在主機(jī)箱內(nèi)部，配套一鍵報(bào)警操作按鈕、無線遙控裝置，以及相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)瀏覽、查詢、導(dǎo)出PC 程序和功能擴(kuò)展模塊。供電單元分為主機(jī)有線式供電和預(yù)警單元的離線式供電[2]。多功能聲光預(yù)警單元為便攜可移動(dòng)式，無需拉線，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況同時(shí)安裝在駐井房、司控房、機(jī)房、營房等區(qū)域，不受環(huán)境、位置和數(shù)量的影響[3]。

圖1 石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)

在供電單元正常供電情況下，當(dāng)發(fā)生溢流或硫化氫險(xiǎn)情時(shí)，值班人員根據(jù)險(xiǎn)情類型直接按下主機(jī)上相應(yīng)按鈕或無線遙控裝置中的相應(yīng)按鈕，主機(jī)內(nèi)部無線控制單元接收到信號源并分析處理后，發(fā)出相應(yīng)命令，由主控模塊通過無線和有線形式將命令發(fā)出，無線信號覆蓋范圍內(nèi)所有對碼或連線[4-6]報(bào)警器接收命令并執(zhí)行相應(yīng)險(xiǎn)情報(bào)警，同時(shí)將正常工作信號反饋給主機(jī)，主機(jī)正常工作指示燈點(diǎn)亮，記錄儀開始記錄，停止時(shí)與啟動(dòng)時(shí)除命令和工作狀態(tài)不同，其余流程相同。該設(shè)計(jì)可以解決常規(guī)聲光報(bào)警器功能、供電和操作所存在的局限，消除了安全隱患，達(dá)到提高險(xiǎn)情報(bào)警精準(zhǔn)性和及時(shí)性的目的。

2.2 主機(jī)結(jié)構(gòu)

為滿足綜合錄井儀機(jī)柜安裝條件，主機(jī)采用19 in 2 U（1 in＝25.4 mm，1 U＝44.45 mm，即機(jī)箱寬482.6 mm，高88.9 mm）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，機(jī)箱正面安裝有智能記錄儀[5]，溢流、硫化氫報(bào)警按鈕和預(yù)警單元工作信號燈；機(jī)箱內(nèi)部安裝有主控控制單元、無線及有線混合式傳輸單元和開關(guān)電源；機(jī)箱后端設(shè)置RS 485通信接口、預(yù)警單元有線式供電接口、傳感器接入預(yù)留接口和擴(kuò)展單元。

主機(jī)工作原理（圖2）：在正常供電情況下，當(dāng)發(fā)生溢流或硫化氫險(xiǎn)情時(shí)（信號源），按下主機(jī)或遙控裝置上相應(yīng)按鈕，形成電信號傳送給控制器，由控制器分析處理后，控制驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)智能記錄儀和無線（有線）收發(fā)模塊工作，記錄儀開始記錄時(shí)間[7-8]和報(bào)警類型；無線收發(fā)模塊將信號發(fā)送給預(yù)警單元，當(dāng)預(yù)警單元開始工作時(shí)，反饋工作狀態(tài)信號經(jīng)天線由無線收發(fā)模塊接收并傳送給控制器驅(qū)動(dòng)工作指示燈工作。有線收發(fā)模塊的信號傳送通過信號線直接傳輸完成。

圖2 主機(jī)工作原理示意

2.3 供電單元

供電單元包括兩部分：第1 部分為主機(jī)有線式供電；第2 部分為預(yù)警單元的離線式供電。為保障生產(chǎn)用電安全，主機(jī)和預(yù)警單元各部件工作電壓均按國際持續(xù)接觸安全用電標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為DC 24 V。

主機(jī)有線式供電：主機(jī)供電采用AC 220 V 主供電，在主機(jī)內(nèi)部安裝有AC 220 V 轉(zhuǎn)DC 24 V 開關(guān)電源，主機(jī)內(nèi)部其他電路均由DC 24 V 開關(guān)電源輸出供電，同時(shí)為離線式供電模塊進(jìn)行充電。

預(yù)警單元離線式供電：應(yīng)用防爆技術(shù)采用防爆箱、灌封膠、航空防爆插頭等將DC 24 V 電池密閉固封在內(nèi)，形成與市電或發(fā)電機(jī)脫離的離線式供電模塊。為降低功耗，提高電池供電時(shí)長，將報(bào)警器內(nèi)部控制電路和閃光、聲音模塊均設(shè)計(jì)為低功耗運(yùn)行，離線式供電單元運(yùn)行時(shí)長可達(dá)到1個(gè)月。

2.4 智能記錄儀

智能記錄儀采用全中文界面（圖3），800×480 分辨率高清觸摸液晶顯示屏，為獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行[9]，采用RS 485、網(wǎng)口等通信可與計(jì)算機(jī)進(jìn)行共享并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步瀏覽和導(dǎo)出，智能記錄儀實(shí)時(shí)監(jiān)測鉆探溢流和硫化氫險(xiǎn)情報(bào)警情況。報(bào)警啟動(dòng)時(shí)，記錄儀開始記錄險(xiǎn)情類型和報(bào)警啟停時(shí)間；智能記錄儀不僅有記錄功能，還有獨(dú)立分析和處理功能[10]，在錄井未監(jiān)測時(shí)，可直接在記錄儀上連接傳感器，記錄儀通過采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)預(yù)設(shè)條件進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

圖3 智能記錄儀主界面

2.5 無線控制單元

無線控制單元包括3 部分：一是主機(jī)內(nèi)部無線控制模塊；二是無線遙控裝置[9]；三是報(bào)警器內(nèi)部無線控制模塊。

主機(jī)內(nèi)部無線控制模塊具有信號接收、放大和發(fā)送功能，信號接收是指接收無線遙控裝置所發(fā)出的信號，將該信號放大后經(jīng)天線向外發(fā)送[7]，同時(shí)接收由報(bào)警器內(nèi)部無線控制模塊反饋工作狀態(tài)信號，再傳遞給控制單元。無線控制模塊設(shè)置兩根天線，一根在室內(nèi)主機(jī)箱后端，另一根在錄井儀器房頂部安裝的報(bào)警器內(nèi)部。

為提高報(bào)警效率，保障險(xiǎn)情處理的黃金時(shí)間，增加無線遙控裝置。當(dāng)錄井值崗人員因工作需要，到錄井儀器房外井場內(nèi)其他區(qū)域循環(huán)檢查或核對數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情即可立即操作隨身攜帶的遙控器進(jìn)行報(bào)警，遙控器的功能與主機(jī)上按鍵式按鈕功能相同[11-12]，不僅方便移動(dòng)式操作，還能獨(dú)立使用，可作為主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)的一種替補(bǔ)裝置。

除錄井儀器房頂部安裝的報(bào)警器與主機(jī)同時(shí)采用有線控制和無線控制外，其余報(bào)警器內(nèi)置無線控制模塊，不僅能直接接收主機(jī)、無線遙控裝置信號，還具有無線同步功能，當(dāng)主機(jī)信號或無線遙控信號不能傳達(dá)到邊沿報(bào)警器時(shí)，已工作的報(bào)警器同步功能將使該報(bào)警器同步信號范圍內(nèi)的報(bào)警器無條件同步工作，從而保障井場內(nèi)各區(qū)域報(bào)警器均能正常工作。

為防止兩口井間距較近相互影響，導(dǎo)致報(bào)警器誤工作，可通過同一口井內(nèi)報(bào)警器進(jìn)行對碼，形成局域內(nèi)獨(dú)立通信通道。

2.6 多功能聲光預(yù)警單元

根據(jù)安裝位置不同，多功能聲光報(bào)警器分為兩種型號（其聲音大小等配置可根據(jù)需求搭配，如單喇叭或多喇叭）：一種是安裝在錄井儀器房頂架線桿上或室外其他需要位置的180 dB報(bào)警器；另一種是安裝在鉆井司控房內(nèi)的120 dB 報(bào)警器。兩種報(bào)警器除外觀和聲音大小不同外，其功能和結(jié)構(gòu)完全相同，內(nèi)部均固定安裝無線通信模塊、控制模塊、紅黃雙色閃光燈和雙聲道報(bào)警模塊[1]。

180 dB報(bào)警器主要安裝在室外，根據(jù)需求可安裝在井場內(nèi)任何位置；120 dB報(bào)警器主要安裝在室內(nèi)，根據(jù)需求可安裝在井場任何室內(nèi)位置。為保障日常維護(hù)安全，錄井儀器房頂部或其他存在風(fēng)險(xiǎn)位置報(bào)警器采用主機(jī)有線式直接供電，其余采用離線式供電。

多功能聲光預(yù)警單元工作原理（圖4）：在正常供電情況下，當(dāng)主機(jī)發(fā)出無線或有線控制信號時(shí)，預(yù)警單元經(jīng)天線由無線收發(fā)模塊接收[9]或經(jīng)信號線由有線收發(fā)模塊接收，并將信號傳輸給控制器，由控制器分析處理后，控制燈光和聲音驅(qū)動(dòng)器，發(fā)出紅色或黃色閃光，同時(shí)發(fā)出與燈光對應(yīng)的報(bào)警聲音[4]。閃光和聲音正常工作時(shí)發(fā)出的反饋信號由無線收發(fā)模塊經(jīng)天線傳出或有線收發(fā)模塊經(jīng)信號線傳出。

圖4 多功能聲光預(yù)警單元工作原理示意

2.7 擴(kuò)展單元

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和獨(dú)立運(yùn)行，擴(kuò)展單元主要分為3 部分：第1 部分為獨(dú)立連接傳感器采集、分析數(shù)據(jù)并自動(dòng)報(bào)警；第2 部分為報(bào)警系統(tǒng)與錄井儀采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享并聯(lián)；第3 部分為以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程控制。

為滿足鉆探各階段的溢流和硫化氫險(xiǎn)情報(bào)警需求，石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)內(nèi)設(shè)計(jì)有擴(kuò)展單元（圖2 藍(lán)色部分），通過擴(kuò)展單元將硫化氫等傳感器與智能記錄儀連接，實(shí)時(shí)采集、分析和存儲相關(guān)數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)曲線、歷史數(shù)據(jù)等方式展現(xiàn)在記錄儀中，方便數(shù)據(jù)導(dǎo)出和查閱。當(dāng)采集數(shù)據(jù)達(dá)到預(yù)設(shè)高低門限時(shí)，自動(dòng)發(fā)出命令給報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行和自動(dòng)報(bào)警功能，可安裝用于錄井待命、修井、試油等其他階段。

在錄井過程中，各數(shù)據(jù)已通過傳感器采集到錄井儀，通過擴(kuò)展單元中串口或網(wǎng)口等通信方式，將錄井儀采集系統(tǒng)所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)并聯(lián)共享給石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)險(xiǎn)情自動(dòng)識別和自動(dòng)報(bào)警，進(jìn)一步緩解人員工作強(qiáng)度，提高報(bào)警精準(zhǔn)性和及時(shí)性。同時(shí)記錄儀將數(shù)據(jù)再次存儲，保障險(xiǎn)情數(shù)據(jù)獨(dú)立分析和記錄（圖2藍(lán)色部分）。

為滿足后期遠(yuǎn)程錄井技術(shù)提升后的適用性，石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)通過擴(kuò)展單元以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，與遠(yuǎn)程錄井同步傳送，實(shí)現(xiàn)基地監(jiān)控中心或決策中心進(jìn)行遠(yuǎn)程報(bào)警操作和監(jiān)測[11]。

3 試驗(yàn)情況

3.1 室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)

靜態(tài)試驗(yàn)選擇在常溫、安靜的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)供電為穩(wěn)定市電，48 h通電運(yùn)轉(zhuǎn)無故障后，分別對溢流和硫化氫險(xiǎn)情進(jìn)行模擬試驗(yàn)。通過對主機(jī)上的按鈕和無線遙控裝置進(jìn)行操作，報(bào)警器根據(jù)險(xiǎn)情類型對等工作，聲音和閃光均達(dá)到預(yù)期效果，無線遙控裝置與主機(jī)配合使用空曠距離可達(dá)1 000 m。將主機(jī)關(guān)閉，模擬主機(jī)出現(xiàn)故障，對無線遙控裝置進(jìn)行獨(dú)立測試，有效距離可達(dá)600 m（表1），靜態(tài)試驗(yàn)成功。

表1 室內(nèi)靜態(tài)測試統(tǒng)計(jì)

3.2 現(xiàn)場動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)選擇位于火焰山下（高溫地區(qū)）的PT 1井，該井選用雪狼5型綜合錄井儀，將主機(jī)安裝在錄井儀機(jī)柜上，主供電為生產(chǎn)現(xiàn)場工業(yè)用電。180 dB報(bào)警器安裝在錄井儀器房頂部，由主機(jī)有線式供電，120 dB 報(bào)警器安裝在司控房內(nèi)，由離線式供電模塊供電。經(jīng)通電6 h 運(yùn)行無故障后，進(jìn)行模擬測試，效果較好，主機(jī)按鈕預(yù)警準(zhǔn)確無誤，無線遙控裝置在井場內(nèi)任意位置均可獨(dú)立操作（表2）。確保無誤后與鉆井隊(duì)聯(lián)合測試，模擬溢流和硫化氫險(xiǎn)情，駐井房、坐崗房、機(jī)房、鉆臺等各處施工人員根據(jù)報(bào)警聲音和閃光可精準(zhǔn)區(qū)分險(xiǎn)情類型，現(xiàn)場動(dòng)態(tài)試驗(yàn)成功。

表2 現(xiàn)場動(dòng)態(tài)測試統(tǒng)計(jì)

4 應(yīng)用效果

石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)研制成功后，分別在塔里木、吐哈等油氣田14口井推廣使用，累計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)2萬多小時(shí)（表3）。應(yīng)用表明，該報(bào)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制和供電無線化，方便現(xiàn)場安裝，不受環(huán)境影響，雙色雙聲道可有效區(qū)分溢流和硫化氫險(xiǎn)情。當(dāng)發(fā)生溢流時(shí)，報(bào)警器發(fā)出和“119”警報(bào)相似的聲音，閃黃色光；當(dāng)發(fā)生硫化氫險(xiǎn)情時(shí)，報(bào)警器發(fā)出和“110”警報(bào)相似的聲音，閃紅色光。消除了險(xiǎn)情誤判等難題，其功能和性能均得到了肯定。

表3 石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況

該報(bào)警系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)具有創(chuàng)新性，安裝運(yùn)移連接方便，無線控制程度和安全性能高，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是實(shí)現(xiàn)了施工現(xiàn)場安全電壓作業(yè)和解決了單一式聲光報(bào)警器難以區(qū)分溢流和硫化氫險(xiǎn)情導(dǎo)致誤判的難題，無線遠(yuǎn)程控制不僅消除了固定式開關(guān)的條件限制，還提高了險(xiǎn)情預(yù)警效率，獲得了油田建設(shè)方和錄井現(xiàn)場人員的高度認(rèn)可，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

5 結(jié)論

石油鉆探井控險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)的成功研制與應(yīng)用，解決了石油鉆探行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場井控險(xiǎn)情預(yù)警技術(shù)難題，改變了常規(guī)報(bào)警器功能單一的局限，提高了鉆探險(xiǎn)情報(bào)警效率，消除了安全隱患，完善了鉆探生產(chǎn)現(xiàn)場險(xiǎn)情報(bào)警系統(tǒng)，為單井安全提速創(chuàng)效提供了技術(shù)保障。根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場需要，可將該報(bào)警系統(tǒng)升級改進(jìn)，安裝應(yīng)用到鉆井、試油、射孔等石油開采的其他工序中。