钻井安全监控智能防护系统的研制.pdf
◀钻井技术与装备▶ 钻井安全监控智能防护系统的研制 翟 群 林 (中原石油工程有限公司钻井一公司) 摘要 针对国内钻井安全防护装置和监控操作技术存在功能单一、 现场适应性差以及综合性 差等问题, 研制了钻井安全监控智能防护系统。 该系统集自动化、 智能化防护为一体, 现场应用 检测表明, 该系统实现了钻井泵泵压防护、 游车防护、 溢流与井漏实时监视与定性、 智能式自动 灌浆、 钻井参数及曲线实时显示等功能, 最大限度地降低了钻井泵异常高压造成的风险, 累计防 护游车碰撞 1 000 余次, 准确率达 100%, 避免了起钻因灌浆不及时造成溢流事故的发生。 该系统 的成功应用降低了石油钻井风险、 保障了生命财产安全, 标志着钻井安全防护技术进入了一个新 的可控阶段。 关键词 安全监控; 智能防护; 集成操作系统; 自动化; 智能化 中图分类号 TE927 文献标识码 A doi 10 16082/ j cnki issn 1001-4578 2015 08 012 Development of Intelligent Protection System for Drilling Safety Monitoring Zhai Qunlin (No 1 Drilling Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Co , Ltd ) Abstract In order to solve single function, low field adaptability, low integration level and other problems of the existing drilling safety protection device and monitoring operation technology in China, an intelligent protec⁃ tion system for drilling safety monitoring is developed. The system is integrated with automatic and intelligent protec⁃ tion Field application testing results show that, the system can perform drilling pump pressure protection, traveling block protection, real⁃time monitoring of overflow and lost circulation, qualitative and intelligent automatic mud injection, real⁃time display of drilling parameters and curves and other functions to minimize risks arising from ab⁃ normally high drilling pump pressure It has protected the travelling block from collision more than 1 000 times and reached the accuracy rate of 100% to avoid overflow accidents arising from failure of timely mud injection in the trip⁃out. Successful application of this system has reduced oil drilling risks to protect life and property safety, indi⁃ cating the drilling safety protection technology enters a new controllable stage Key words safety monitoring; intelligent protection; integrated operating system; automatic; intelligent 0 引 言 钻井行业是高危行业之一, 石油钻井发生的安 全事故不仅会造成经济上的重大损失, 更会带来巨 大的负面社会影响。 近年来, 起钻灌浆不及时、 溢 流与井漏监测不准确、 游车顶天车、 顿钻、 溜钻以 及井漏不能在第一时间发现等安全隐患依然存在, 导致人员伤亡、 财产损失的事故数不胜数, 所造成 的经济损失也无法统计[1]。 针对这些问题, 有关 生产和科研单位做了一些改进安全防护装置性能的 有益尝试, 如在防碰装置中增加了电子防碰系统, 在溢流与井漏监测中使用超声波液位传感器, 在起 钻灌浆时以小泵替代钻井泵灌浆等[2]。 但这些方 法存在功能单一、 现场适应性差以及综合性差等 缺陷。 因此, 针对钻井中的重点部位和关键装置开发 出一种集自动化与智能化防护为一体的安全防护集 成装置, 有效实时地监测和处理钻井作业中出现的 安全隐患具有重要意义。 65 石 油 机 械 CHINA PETROLEUM MACHINERY 2015 年 第 43 卷 第 8 期 1 流程设计 新技术新产品的不断涌现, 使得钻井安全防护 与监控操作技术也取得了长足进步, 但与钻井生产 技术的发展相比较, 其发展速度略显滞后。 原因既 有思想认识方面的 (如重显示、 轻控制, 重数量、 轻质量), 也有设计理念与工艺技术方面的问题 (如监测点多、 面广, 但缺少集成思路), 技术发 展上跟随模仿多、 自主研发少等[3]。 笔者依据 SY/ T 系列相关标准, 针对这些问题展开研究。 研发的石油钻井安全监控智能防护系统由 4 个 系统组成 数据采集系统、 分析处理系统、 控制显 示系统和操作执行系统。 图 1 是所创建的人机交互 的石油钻井智能防护监控操作系统的主要流程。 该 系统具有以下功能 ①钻井泵泵压防护功能; ②游 车防碰、 防顿和防溜功能; ③溢流与井漏实时监视 与定性判断功能; ④智能式自动灌浆功能; ⑤钻井 参数及曲线实时显示功能; ⑥历史数据查询与下载 功能等。 通过广泛调查研究, 笔者设计开发了 ZFJ -11A 型和 ZFJ-11C 型操作系统, 前者在户内、 户 外都可安装使用, 后者仅适用于户内。 图 1 钻井安全监控智能防护系统主要流程 Fig 1 Main process of intelligent protection system for drilling safety monitoring 2 系统构成及原理 2 1 系统构成 图 2 是整个智能防护系统的构成图。 从图可以 看出, 整个系统是一套基于智能仪表、 PLC 及计算 机控制技术的自动监控系统。 2 2 工作原理 安装在各专项系统的传感器负责捕捉和采集数 据, 并将数据实时传输给配电组合柜, 显示在触摸 显示屏上, 配电组合柜内的 PLC 对数据进行检测 分析, 并将分析结果传输给工控机, 工控机根据设 定的程序做出判断, 对控制柜发出指令, 执行不同 的操作程序[4-5]。 1回流槽; 2立管; 3立压传感器; 4泄 压阀;5灌浆阀;6灌浆管线;7单流阀; 8灌浆泵;9控制柜;10钻井泵;11 离合器;12高压阀;13低压阀;14钻井液罐。 图 2 钻井安全监控智能防护系统构成图 Fig 2 Structure diagram of intelligent protection system for drilling safety monitoring 3 技术特点与现场应用情况 自系统研发成功以来, 先后在 50493、 50710、 40449、 40610、 50607、 50753、 70161 和 70862 等 钻井队安装使用, 并分别应用于中原的文 72-431、 濮 7-59、 卫 360-平 2、 胡 2-侧 6 井, 湖南的延常 参 1 井, 陕北的 YB365-H05 井, 重庆的焦页 25- 1、 19-1、 18-2HF、 59-1 井以及四川的毛坝 501 井等井的作业过程。 经为期 3 年多的现场实际检 验, 各项技术指标均达到设计要求, 取得了良好的 使用效果。 现以文 72-431 井实时数据为例介绍系 统各专项装置的现场应用情况。 3 1 泵压防护功能 笔者提出了全新的泵压安全防护设计理念 变 被动剪切式为主动响应式, 以报警、 停泵、 泄压三 级防护应对泵压的变化。 文 72-431 井泵压保护值 设置为 21 MPa。 该井 2011 年 7 月 30 日钻进过程 中, 844 时泵压突然异常, 泵压保护系统报警, 达到 21 MPa 后, 未等司钻做出反应, 系统开始工 作, 自动切断钻井泵离合器开关气路, 同时打开泄 压阀开始泄压, 压力从 21 MPa 降至 0, 泄压完毕 用时 8 s。 经检查, 地面系统未查出造成泵压升高 的原因。 847 重新开泵, 泵压正常, 钻进至 11 752015 年 第 43 卷 第 8 期翟群林 钻井安全监控智能防护系统的研制 42, 泵压又一次出现异常, 泵压保护系统报警并开 始工作, 系统自动切断钻井泵离合器开关气路, 同 时打开泄压阀开始泄压, 压力从 21 MPa 降至 0, 泄压完毕用时 8 s。 因检查地面系统未发现问题, 考虑到井下螺杆已工作超过 100 h, 可能存在问题, 决定起钻, 起钻完毕, 经检查发现螺杆损坏。 文 72-431 井自开钻安装安全防护集成装置以 来, 执行泵压防护作业达 20 余次, 只要泵压达到 设定的保护值, 防护系统都能及时准确地停泵泄 压, 准确率 100%。 上述工况充分体现了该系统的 准确性、 稳定性和可靠性, 最大限度地降低了钻井 泵异常高压造成的风险。 3 2 游车防护功能 游车防护系统研发中, 把单一的游车防碰观念 转变为复合的游车防护理念, 运用 ABS 的设计理 念防范游车行程的风险[6], 采用了一键设置、 一 键测试、 一键解锁、 二次防碰、 限时保护和 ABS 点刹降速等新技术来实现防碰、 防顿、 防溜钻, 以 确保游车的行程安全。 图 3 是 2011 年 8 月 8 日, 文 72-431 井起钻时 的游车防护记录。 1958 游车运行达到上限保护位 置, 图中红圈位置即为运行至 137 (绞车圈数) 时 因达到了设定的保护值 135 圈而发生保护。 从图可 以看出, 在 195813 游车到达上限预警提示位置, 然后继续上行, 在 195851 到达保护位置导致游 车被锁定, 在 19 58 58 操作人员进行解锁, 并 下放游车。 图 3 起钻时游车防护曲线及实时数据 Fig 3 Travelling block protection curve and real⁃time data for trip⁃out 在下钻过程中随着游车高度的降低其下放的速 度也应随之减小, 如果在规定的区间超过了该区间 允许的安全速度系统将自动进行减速保护。 图 4 为 其发生动作时的位置和速度与动作时间, 在高度为 12 (绞车圈数), 时间为 163542 时, 游车下行 速度仍然达到 5 81 圈/ s, 超过了该位置允许速度, 此时系统自动点刹减速, 从而达到防止超速下行, 预防事故发生的目的。 游车防护装置自开始使用以 来, 累计防护 1 000 余次, 准确率达 100%。 图 4 下钻时游车防护曲线及实时数据 Fig 4 Travelling block protection curve and real-time data for trip⁃in 3 3 智能灌浆功能 采用二元四步技术、 溢流口钻井液液位检测技 术和独特的灌浆路线, 开发了 “一根立柱灌浆一 次” 和 “334” 的灌浆模式, 实现了准确智能灌 浆[7-8]。 “334” 即每起出 3 根立柱, 系统自动灌浆 1 次, 起出 10 根立柱, 系统自动灌满 1 次。 文 72-431 井自开钻安装该系统以来, 使用完 全符合设计要求, 满足现场需要, 避免了起钻因灌 浆不及时造成的溢流事故发生。 3 4 自动监控功能 在溢流检测设计程序上, 采取 “先判断有无、 后判断大小” 的思路, 采用 2 点限位技术和信号 指示技术, 变间隔式观测为连续实时性监视, 再变 隐性信息为显性信息, 让司钻在第一时间做出准确 的判断[9]。 文 72-431 井 2011 年 8 月 9 日下钻柱时 941 以前液面曲线显示正常, 自 943 到 1001 液 面曲线出现异常, 司钻发现连续下钻几个立柱, 系 统返浆液流指示灯不亮, 坐岗人员也到钻台报告司 钻 5 根立柱未返钻井液, 在起第 6 根立柱时, 安全 防护集成装置所设定的 “下钻 5 个立柱不返浆系 统自动灌浆” 程序启动, 灌浆泵自动灌浆一直到 钻井液从井口处返出, 灌浆自动停止。 此后继续下 钻, 在以后的下钻过程中, 系统又检测到 2 次返浆 异常情况, 均与现场实际相吻合, 判断井下有渗漏 现象。 4 结 论 (1) 钻井安全监控智能防护系统的研发与应 用, 使钻井安全防护由分散单一型向集成复合型 发展。 85 石 油 机 械2015 年 第 43 卷 第 8 期 (2) 电控式泵压防护装置的研发与应用, 使 泵压防护由机械化转变为电气化, 泵压防护更精 确、 反应更迅速。 (3) 多功能游车防护装置的研发与应用, 使 原来单一向上的防碰装置, 发展为不仅有向上防碰 功能, 而且具有向下防顿钻、 防溜钻、 自动识别工 况及全程监控游车行程的复合防护装置。 (4) 溢流与井漏井口监视装置的研发与应用, 实现了溢流与井漏监视的快速反应。 (5) 智能灌浆装置的研发与应用, 使起钻灌浆 作业实现了安全节能的目标。 (6) 该系统具有数据存储与下载功能, 能够 追溯历史数据, 分析原因和故障发生概率, 利于制 订相应的安全措施, 为今后工作提供了指导依据。 钻井安全监控智能防护系统不仅操作方便、 运 行稳定, 而且还降低了石油钻井风险、 保障了生命 财产安全, 该系统的成功应用标志着钻井安全防护 技术进入了一个新的可控阶段。 参 考 文 献 [1] 黄仁山, 苏勤 钻井工程事故例析与钻井安全对策 [J] 石油钻探技术, 1998, 26 (4) 54-57 [2] 高德利 钻井科技发展的历史回顾现状分析与建议 [J] 石油科技论坛, 2004 (2) 29-39 [3] 吴俊杰 钻井工程事故监测和预警方法研究 [J] 录井工程, 2006, 17 (1) 53-55, 70 [4] 李新, 龙婉艺 压力传感器混合信号调理电路的设 计 [J] 仪表技术与传感器, 2013 (10) 8-10 [5] 许翏, 王淑英 电器控制与 PLC 控制技术 [M] 北京 机械工业出版社, 2005 [6] 黄超, 张扬, 杨睿 防过冲游车防碰系统设计 [J] 石油矿场机械, 2011, 40 (8) 32-35 [7] 李凤玲 灌浆压力控制系统的关键技术研究 [D] 长沙 中南大学, 2009 [8] 彭环云 灌浆自动检测与记录关键技术的研究 [D] 长沙 中南大学, 2004 [9] 李治伟, 刘绘新, 徐朝阳, 等 深井早期微量溢流 监测技术 [J] 天然气技术与经济, 2011 (3) 16 -18 作者简介 翟群林, 生于 1969 年, 2006 年毕业于中 国石油大学 (华东) 石油工程专业, 现从事钻井生产安全 管理工作。 地址(457001) 河南省濮阳市。 电话(0393) 4809910。 E-mail651482866@ qq com。 收稿日期 2015-07-16 (本文编辑 刘 锋) 下期部分文章预告 涡轮钻具轴承磨损后力学性质的数值模拟研究于 浩 练章华 程兴莲等 新型井下可控套管整形装置的研究郑华林 余雄风 何玉辉等 全旋转推靠式自动垂直钻井工具现场试验分析王闻涛 王小通 杨晓勇等 PDC 钻头布齿计算方法的研究现状及发展牛世伟 杨迎新 牛永超 7 000 m 快速移运拖挂钻机设计李亚辉 侯文辉 刘志林等 卡箍式水下连接器着陆缓冲过程仿真分析姜 瑛 李忠庆 杨成鹏等 基于超声波测厚的海洋修井机井架强度分析华 剑 朱宏武 吴文秀 基于公共直流母线技术的智能抽油系统焦裕玺 郑炜博 刘向东等 压缩式封隔器射孔段坐封的有限元分析刘旭辉 李万斌 冯 定等 车装式大容量连续管作业机的研制张富强 刘 菲 杨志敏等 水平井作业机器人分布式控制系统设计刘明尧 杨 凯 岳 慧 电缆永置式井下测调技术研究与应用张凤辉 薛德栋 徐兴安等 页岩气压裂返排液处理装置的研制与应用许 剑 李文权 池胜高等 大牛地水平井速度管泡沫冲砂技术研究与分析罗 懿 周 舰 杨萍萍 套管压裂过程中射孔孔眼冲蚀数值模拟刘雁蜀 秦 龙 王治国等 952015 年 第 43 卷 第 8 期翟群林 钻井安全监控智能防护系统的研制