油气井井口智能控制系统研究与应用

蒋光强，刘梦祥，肖 磊，刘国华，张跃锋

（1.塔里木油田公司工程技术部欠平衡服务中心，新疆库尔勒 841000；

2.广州东塑石油钻采专用设备有限公司，广州 511483）①

油气井井口智能控制系统研究与应用

蒋光强1，刘梦祥2，肖 磊2，刘国华1，张跃锋2

（1.塔里木油田公司工程技术部欠平衡服务中心，新疆库尔勒 841000；

2.广州东塑石油钻采专用设备有限公司，广州 511483）①

油气井井口智能控制系统是以现有的电气控制及无线遥控地面防喷器控制技术为基础，硬件上增加1套触摸屏式司钻台，同时把节流管汇控制箱集成在防喷器控制装置之上；软件上根据钻井施工过程的工况，把开、关井程序植入控制系统之中，最大化地实现钻井过程中防喷器、节流压井管汇的智能化自动控制，提高了工作效率，降低了劳动强度，提升了钻井施工的安全性能。触摸屏式司钻台的操作界面具有自定义功能，可以根据钻井现场防喷器及节流压井管汇实际的排列布局，进行软件界面的设置，保证界面和实物一致，提高控制的准确性和安全性。

智能关井；地面防喷器控制装置；节流管汇；控制系统

地面防喷器控制装置是控制液压防喷器、液动压井放喷阀开关动作的专用设备，是石油天然气钻井（或修井）过程防止井喷失控不可缺少的装备［1］。其功用就是预先制备和储存足量的压力油并控制压力油的流动方向，在需要的时候使防喷器迅速开关。当压力油油量减少、油压降低到一定程度时，控制装置能自动补充储油量，使液压油始终保持在一定的压力范围内。

节流压井管汇系统是整套井控装置中重要的设施之一，是确保成功控制井涌，实施油气井压力控制的必要设备［2］。当发生溢流或井喷需循环出被浸污的钻井液或泵入性能经调整的加重泥浆，以便压井或重建平衡关系时，在防喷器关闭的条件下，利用节流管汇的节流阀开启和关闭，控制一定的套压来维持稳定井底压力，避免底层流体进一步流入；除此之外，节流管汇装置还可以用于洗井、放喷等。

随着深井、超深井以及高压、超高压气井的勘探开发日趋增多，钻井工况更加复杂，这都对井控装备提出了更高的要求。目前，国内的井队实施开、关井作业时，需要多名施工人员协同工作才能有效完成。由于人员多、劳动强度大，导致容易出现差错，有较大的安全隐患。本文研究的油气井井口智能控制系统实现了将防喷器、节流压井管汇的控制由人工向智能化、自动化方向发展的目标，将石油天然气钻井勘探现场实施井控的常规关井和应急关井操作程序化设计，在井口装置布局安装定位后由工程师预先设定，司钻工1人实施操作，即可在最短的时间内自动、精准地完成常规关井或应急关井的工作。

1 系统要求

1.1 性能要求

1） 功能齐全，操作与控制要方便。

2） 准确记录压力数据和操作信息。

3） 触摸屏式司钻控制台的控制主界面实时显示防喷器、节流管汇、压井管汇的阀门状态和压力信息。

4） 可设计关井流程，并且在执行过程中可以选择遥控／自动控制模式。

5） 可设置节流管汇的节流通路并动态指示。

6） 关键的阀门应设置防止误操作保护。

7） 遥控距离50 m以上，控制滞后时间小于500 ms。

8） 应具有一键应急关井功能（启动点火装置，关闭环形防喷器，打开放喷阀）。

1.2 权限要求

1） 对于工程师 ①根据现场井控装备实际，在触摸屏式司钻控制台进行防喷器组、节流管汇和压井管汇的组图；②根据配置预设的各工况关井程序，如：软关井／硬关井、遥控／自动控制、紧急情况下实施一键关井操作／远程无线遥控操作，并能设定当前工况；③对各个仪表进行设置与显示校正。

2） 对于司钻 ①根据工程师预设的工况选择关井流程操作，系统具备实时提示当前步骤的操作信息，避免在紧急情况出错；②具有可根据实际情况选择关井流程（如：软关井／硬关井）和选择控制模式（遥控／自动控制）的权限；③紧急情况下可以实施一键关井操作／远程无线遥控操作。

2 系统设计

为了满足地面防喷器控制装置智能关井控制系统的性能要求，采用模块化设计思路，各模块之间互相独立，通过接口交换数据。该系统主要由远程控制台、按钮式司钻台、触摸屏式司钻台、无线遥控台和报警系统组成，系统结构如图1。

图1 系统结构

2.1 远程控制台设计

远程控制台是制备、储存与控制压力油流向的装置［1］。泵组向蓄能器组充入油液使液压能储存于蓄能器组内，充压至设定值时泵组自动停止。当需要控制防喷器关或开时，可手动控制或遥控三位四通转阀动作，控制高压油流输送至防喷器液缸，从而达到控制防喷器关闭或开启［3］。远程控制台储能压力下降至设定值时，泵组自动启动充压，使储存的液压能处于饱满状态，可随时紧急关闭防喷器。

按照用液量与基本功能，参照美国石油学会API Spec 16D—2004《钻井控制设备的控制系统》设计，增加无线遥控台、触摸屏司钻台、并集成节流管汇控制。

远程控制台的控制器主要采用PLC控制器为核心控制部件，与司钻台采用Interbus工业现场总线协议进行通信，电路如图2所示。

图2 PLC控制电路

节流管汇主要控制液动节流阀的开度，并记录泵冲次数，当司钻人员操作触摸屏上的操作按钮时，命令通过PLC控制器的DAC模块，将开度设定信息转换成4～20 m A的控制信号，由该信号控制一个带阀芯位置反馈的直动式三位四通比例方向阀的开／关的比例，用户可按照钻井实际的控制液动阀速度的要求，操作该阀0～100%的开度，从而控制液动节流阀的控制液压油的流量，最终实现液动节流阀开关速度的控制，电路如图3所示。

图3 节流管汇液动节流阀控制电路

2.2 触摸屏式司钻台

触摸屏式司钻台是实现智能关井的核心，由触摸式电脑、I／O模块、开关电源、一键应急关井按钮、二次按钮、蜂鸣器等组成，程序界面与结构如图4～5所示。

该控制台采用Interbus工业现场总线技术为基础，通过带屏蔽功能的控制电缆，控制距离达200 m，控制滞后时间小于0.5 s；可记录远程控制台上所有压力数据和操作信息；具有一键应急关井功能；界面显示参数不仅具有必需的开关状态指示和报警信息等指示，还新增了立管压力、套管压力、节流阀控制压力以及3路泵冲记录显示。

图4 主程序界面

在实施操作时，工程师可以根据国家／行业标准要求，根据钻井作业的工况，设计／选择关井流程。并由司钻工根据钻井作业的实际情况；在发现溢流或发现疑似溢流的情况时确认执行关井操作。后续关井过程由控制器根据预先设定的开井／关井程序流程自动地对防喷器与节流管汇进行控制。

2.3 报警系统

远程控制台具有报警功能，对蓄能器压力、气源压力、油箱液位、电动泵运转以及甲烷体积分数进行监视。当上述参数超出报警设定值时，可以在远程控制台、无线遥控台、按钮式司钻台与触摸屏式司钻台发出报警信号，提示操作人员采取措施。操作人员可以根据报警装置提示的信息来综合分析设备的状态和现场环境的状态，以采取相应的处理措施来应对，电路如图6所示。

图5 智能关井控制系统程序结构

图6 报警电路

3 现场应用

2013-03—10，智能关井系统分别在胜利油田和塔里木油田进行了415 d的上井作业，共进行智能关井作业和防喷演习操作75次。设备各项性能稳定、动作精准、显示精确、记录详尽，尤其是可进行自定义配置的防喷器、节流压井管汇的组合界面，保证了显示与实物一致性，可确保操作准确无误。工程师根据实际情况预先配置的智能关井程序使用方便，提高了关井效率、降低了劳动强度。

4 结语

该设备投入使用后，经实践证明：系统达到了设计要求，减少了应用成本，操作控制比传统的关井方式有很多优越性。例如：减少关井过程的操作环节，明显提高工作效率和降低劳动强度，不仅提高了控制速度和控制精度，而且提高了钻井施工的安全性和可靠性，确保石油天然气钻井施工的安全。

［1］ API Spec 16D—2004，钻井控制设备的控制系统［S］.

［2］ 王华.井控装置实用手册［J］.北京：石油工业出版社，2008.

［3］ 王晓颖，张立刚，陈慧慧，等.防喷器控制装置三位四通转阀手柄位置分析［J］.石油矿场机械，2013，42（2）：66-69.

Research and Application of Oil and Gas Well Wellhead Intelligent Control System

Intelligent control system for oil and gas wellbore is based on the research of the technology of electrical-pneumatic control and wireless remote control system for surface mounted BOP control device.About hardware，one set of touch screen on driller’s control panel is added and choke manifold control panel is also integrated in the BOP control system.About software，according to real working condition，well close procedures are embedded in the system in order to maximize the implementation of the BOP／choke manifold in the process of well drilling manifold of intelligent automatic control，which increases efficiency，reduces labor intensity and improves safety.The interface of touch screen can be self-set by the engineer according to the real installation of site BOP，kill and choke manifold to make sure the accordance between interface and real installation，this can improve the accuracy and safety of control.

intelligent well close；surface mounted BOP control device；throttle manifold；control system

TE921.5

B

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.09.020

1001-3482（2014）09-0074-04

2014-04-12

蒋光强（1969-），男，四川广安人，工程师，主要从事石油天然气井控设备的现场应用和管理工作，E-mail：jianggq＠sina.cn。