海洋石油钻机智能防喷器系统研究

高 强，田 媛，李宏婧，高俊微，杨松山

(东北石油大学 机械学院，大庆 163318 )

随着陆地资源的日益枯竭，石油天然气开采已经逐渐由陆地转移到海洋。海洋钻井与陆地钻井相比，环境更加艰苦，技术要求更高。海洋钻采漏油事件频繁发生，对人身财产照成巨大损失，并且造成了环境污染与油气资源的浪费［1］。通过分析墨西哥湾漏油事件可知，造成事故主要原因是人为关闭防喷阀不及时。造成巨大人员伤亡，针对这种现象我们提出智能防喷系统。现在防喷器多采用液压控制，为了确保使用要求，我们采用电-液控制系统。通过PLC 对井口实现控制与监测。海洋石油钻机如图1 所示。

图1 深水钻井防喷器

1 防喷器结构

防喷器组由环形防喷器与闸板防喷器组成。防喷器主要由壳体、油箱、活塞和闸板总成组成［2］。安装时使用螺栓将防喷器底部的法兰与井口的套管头法兰连接在一起。

1.1 环形防喷器

环形防喷器又称万能防喷器［3］，其工作原理为:关闭井口时，高压的动力液进入到防喷器的关闭腔，液体压力推动活塞向上运动，迫使密封胶芯封着管子外围;当高压动力液进入打开腔时，液压力推动力推动活塞向下运动，让密封胶芯回到原位置，防喷器被打开。环形防喷器如图2 所示。

图2 球形胶芯环形防喷器

1.2 闸板防喷器

双闸板防喷器工作原理:对于收缩位置的两个闸板通过液压力同时向内推移，使他卡紧在管柱外面而实现封闭井口。双闸板防喷器有两个油路，每个油路控制一个闸板总成，两套闸板也不会同时工作。闸板总成也是可以替换的，安装时不能上下倒置，因为闸板芯只能承受向上的压力，特殊情况下，闸板关闭后，钻杆接头可以坐在闸板上。闸板防喷器如图3 所示。

图3 双闸板防喷器

2 液压防喷系统组成

2.1 单回路液压控制系统

单路液压控制系统如图4 所示。所谓的单路控制是指每一个水下电磁阀在平台控制柜上都有一个与其对应的独立的电信号传输路径［4］。一个多芯的电缆可以提供多个信号传输路径，而电缆的铠装就作为通常的接地回路。如果水下的需求功能点特别多的话，就需要有足够多的电缆来传输控制信号。功能越多，控制电缆的直径越大，缠绕电缆的滚筒的直径就会越大，生产制造的成本也就越高。

液压泵站的主要作用是提供工作所需的压力油，主要由两台可靠性较高的液压变量泵、限压阀和各类液压辅助元件组成。液压控制元件包括各种所需的开关式压力控制阀、流量控制阀、方向控制阀等，其作用是接收控制信号，从而控制执行元件按要求完成各种动作。井口防喷装置是该系统的执行元件，它以液压防喷器为主，由密封液压缸驱动密封胶心实现对管柱的密封。图4 为液压系统原理图，系统由动力装置和四个执行单元组成。1 为电控电磁阀控制的双闸板防喷器的驱动液压缸;2 为举升油缸;3 为控制油路油压的液压马达;4 为控制环形防喷器通压力油。

2.2 多回路液压控制系统

多路液压控制系统如图5 所示。平台控制柜通过一根光缆或者通讯电缆来传输全部的控制信号。控制信号经过平台上的多路控制系统连续化和编码后，通过光缆或者电缆传输到水下控制箱，水下控制箱内的电子模块将控制信号进行解码，在功能执行前要将信息重新传递校验无误后，控制相应的电磁阀执行功能。与单路电液控制系统相比，控制电缆或者光缆的数量减少许多，下放电缆的滚筒的体积也相应的减少，从而能节约一定的成本，此外多路控制系统的逻辑电路还可以增加系统额外的安全性。

图4 防喷器控制系统液压原理图

图5 多路电液控制系统示意图

3 防喷器组智能控制装置

本课题的研究核心是人工智能装置，我们可将CPU226 作为一个控制站，通过在井口处安装甲烷气体浓度传感器、压力传感器、温度传感器等实现对井口危险信号的实时检测，并将其检测信号输入PLC 中，PLC 通过程序运算的结果来驱动防喷器，通过HMI 面板的实时显示信息，实现远程监控。

PLC 可编程控制器是一种运算操作的电子系统［5］。它采用一类可编程的储存器，用于内部储存程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术等面向对象的控制指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。PLC 是控制的核心部分，PLC 控制系统中的控制软件具有编程灵活、容易修改，而且功能易于扩展，是一种柔性控制系统［6］。此外，其具有适应能力强，抗干扰能力强，可靠性高的优点。所以更适宜用于深水作业的恶劣环境。西门子S7 -200PLC 输入输出分配图与程序控制梯形图如图6 和图7 所示。

4 实验室模拟运行

4.1 按设计进行接线

PLC 选用CPU 226 交流电源，扩展模块选用EM231 RTD 模块。首先将PLC 电源端口接入220v 交流电源，扩展模块24 伏电源接入PLC;输入端接入压力传感器，电源正极接PLC 的L+，负极接PLC 的M 端口。温度传感器接法是将EM231 的A +端子和a-端子相连，B+和b-端子相连，然后将温度传感器和甲烷气体浓度传感器的三线按照红线接A +端子，蓝线接B +端子，黑线接地连接。输出端是三个电磁阀，分别接Q0.5、Q0.6、Q0.7 端口，另一端接交流电源一端，交流电源另一端接2L端口。

4.2 PLC 程序调试及运行

PLC［7］通过EM231 采集温度信号和甲烷气体浓度信号的模拟信号转换为数字信号，通过AIW0 和AIW2 两个地址传给PLC，将采集来的数字信号和标定值比较，当温度、甲烷浓度或压力达到第一标定温度值时Q0.5 导通常规闸板防喷器和环形防喷器关闭;当温度、甲烷浓度或压力到达第二标定值时，剪切闸板防喷器、常规闸板防喷器和环形防喷器都关闭。

5 结束语

与常规式防喷器组相比，智能防喷器组具有以下优点:①由于智能防喷器控制系统利用PLC 作为控制器，响应速度快，关闭及时，控制方便灵活;②智能防喷系统采用了甲烷气体浓度传感器，温度传感器，压力传感器作为控制信号采集装置，可使系统控制准确、可靠;③智能防喷器系统采用远程组态监控，操作人员可远离控制现场，并可做到提前预警，控制更加安全可靠。

［1］李博，张作龙.深水防喷器组控制系统的发展［J］.流体传动与控制，2008(4):39.

［2］李诚铭.新编石油钻井工程实用技术手册［K］. 中国知识出版社，2006(8):737 -738.

［3］海洋钻井手册编审组.海洋钻井手册(下册)［K］.北京:中国海洋石油总公司，1996.

［4］Stivers G S.Cameron Iron Works，Inc.Electro-Hydraulic Control Sysrems for Subsea Applications，SPE-European Spring Meeting，SPE3762，1972，3:1 -2.

［5］高鸿斌，孔美静，赫孟合. 西门子PLC 与工业控制网络应用［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［6］任伟红，周洪，谢国胜，等. 基于西门子S7—226 PLC 分布式海关条码监控系统［J］. 微计算机信息，2001，17(4):10-11.

［7］陈新岗，彭杰，李树仿.基于PLC 的XLPE 电缆在线监测与故障诊断［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2011(5):95 -99.