节流压井管汇控制系统设计应用

辛 鹏， 朱万军， 李亚东， 易继兵

(山东海洋工程装备有限公司， 山东 青岛 266555)



节流压井管汇控制系统设计应用

辛 鹏， 朱万军， 李亚东， 易继兵

(山东海洋工程装备有限公司， 山东 青岛 266555)

通过对节流压井管汇的结构组成及其工作原理进行分析后，认为传统人工控制的方式已经落后，有必要利用现代自动化控制原理对人工控制方式进行优化升级，力求形成一套集自动化控制及数据监控运行为一体的设计方案。此方案将采用电液控制相结合的设计理念，电气控制部分以PLC(可编程控制器)为控制中心，HMI(人机界面)为监控及操作中心，执行部分为液压控制，这样本系统将同时具备PLC响应快速以及液压系统工作稳定的双重优点，保证了系统快速平稳的运行。

节流压井管汇 可编程控制器 人机界面 自动化控制

0 引言

节流压井管汇控制系统作为井控系统重要的组成部分，将对整座平台的安全作业提供必要的保证。 管汇的传统控制方法是通过人工控制阀门的开启度实现压力的平衡控制或通过液动装置手工控制阀门的开启度，维持井内压力平衡关系，该方法的优点是设备简单，但控制精度取决于操作者的经验，控制过程比较缓慢，不能及时调整压力的变化。

该文将采用电液控制相结合的控制原理对节流压井管汇控制系统进行设计，形成一套先进的控制方案，并将此设计方案应用于WIV(可移动半潜式钻修井平台)平台中。

1 节流压井管汇

节流压井管汇的作用包括用于压井放喷期间控制井口回压和有节制地排放受侵钻井液，主要由高压阀门、高压管线、手动节流阀、液动节流阀、压力表、传感器等组成。节流压井管汇如图1所示。

图1 节流压井管汇

其中节流阀是节流管汇的关键部件。在正常压井过程中，可通过调节液动节流阀通道大小来控制套管压力和立管压力；也可通过节流阀泄压以实现软关井，从而防止井喷保护井口。手动节流阀则是在液动节流阀失效的情况下用于应急控制压力。

2 节流压井管汇控制系统

节流压井管汇控制系统的主要功能是为了控制节流压井管汇中的液动节流阀，这个看似非常简单的问题，但其实不然。从钻井工艺的角度来讲，开关阀门时是需要根据具体工况来作出判断的，这就决定了该系统需要采集相关参数让司钻作出及时准确的判断——是否需要节流或压井，因此该系统中必需集成必要设备的压力数据，并控制节流阀，这也是我们设计该系统的目的。从而实现数据采集。由于数据采集的任务属于电气控制范畴，而阀门关断是电液控制相结合实现的，因此此控制系统包括了液压控制部分与电气控制部分，同时它们之间又相互联系。

2.1 液压控制系统

2.1.1 液压控制系统的组成

液压控制系统主要由以下部件构成：

(1) 自带动力源的液压控制柜。

(2) 液压管线及气动管线。

其中液压控制柜主要包括：

(1) 气动液压泵1台，为产生系统液压压力来调节节流阀的主要液压动力源；

(2) 气体过滤器1个，用于过滤干燥压缩空气；

(3) 手动泵1台，如发生平台气源故障或液压泵故障，可用手动泵预充蓄能器，通过此应急系统，蓄能器可以调节液压节流阀；

(4) 空气调压器1个，安装于通往气动液压泵的气动管线上，用于调节输入液压泵的气体压力；

(5) 液压油过滤器1个，安装于液压泵入口处及邮箱的回流管线上，并用于保证液压油的品质；

(6) 蓄能器1个，需预充125 psi氮气，并作为备用动力源提供系统液压动力；

(7) 溢流阀1个，在液压回路中设置溢流阀防止液压系统压力过高。当压力高过系统设置压力330 psi时，液压油将通过溢流阀流回油箱；

(8) 液压油油箱1个，用于储存液压油；

(9) 手动换向电磁控制阀2个，分别控制节流阀与压井阀，并同时可由远程电控箱控制，从而实现对节流阀和压井阀的开关；

(10) 手动流量调节阀1个，用于控制流量从而控制阀的开关速度。

2.1.2 液压控制系统原理

此系统由气动液压泵作为动力源，在正常工况的情况下，需要从钻井平台上面提供一路压缩空气，压缩空气将经过过滤器除去杂质并做干燥处理，气源的压力为120 psi。为控制气体压力，压缩空气管线中设置一个空气压力调节阀。压缩空气驱动液压泵，液压泵将液压油从油箱中泵入液压回路，首先经过单向阀，再经过溢流阀。如压力大于设定压力值，液压油将溢流回到油箱，溢流阀对整个系统起到保护作用；在压力正常的情况下，将经过流速调节阀，再经过三位四通电磁控制阀。此阀可以手动控制，也可以电磁控制；既可以本地操作，也可以远程遥控。液压油通过节流压井阀实现对该阀的开关，然后通过三位四通阀流回油箱。

在液压泵故障或气源故障的情况下，将用手动泵将液压油泵入蓄能器，蓄能器需要先预充氮气压力达到125 psi，然后液压油再从蓄能器到速度控制阀，后续工作流程同上。

原理图如图2所示。

图2 液压控制系统原理图

2.2 电气控制系统

2.2.1 电气控制系统的组成

电气控制系统主要由PLC控制柜和它所控制的电磁阀、泵、冲传感器、各压力传感器、动力电缆、信号电缆、控制电缆、网线等组成；而PLC控制柜作为电气控制系统的核心组成部分，其由HMI、PLC单元、隔离栅、电源模块、开关、继电器等组成。

2.2.2 电气控制系统原理

节流压井管汇控制系统的总体设计原理是通过PLC控制达到快速灵敏地开关节流阀的目的。而在什么状态下需要对节流阀进行控制，则需要司钻者综合分析各种钻井参数作出决定。故此系统中将相关设备的压力参数进行集成并显示到HMI中，同时这也是CDS(美国船级社钻井系统规范)中所严格要求的。

具体原理如下：

(1) 数字量输入模块(DI)采集泥浆泵泵冲信号，并将泵冲数集成到HMI，并可通过在触摸屏将泵冲数清零。

(2) 数字量输入模块接收来自节流阀控制开关或压井阀控制开关发出的节流压井的开关量信号，并通过CPU内部程序处理后，经过数字量输出模块(DO)输出信号控制电磁换向阀，从而对液动节流阀进行控制。

(3) 因各设备压力传感器均处于2类危险区域中，为保证此系统安全性，将选择本质安全型压力传感器，压力传感器与PLC控制柜组成本质安全回路。所以在模拟量输入模块与压力传感器之间设置安全隔离栅，从而将处于现场的危险信号隔离开并反馈安全信号到PLC；压力传感器输出4 ma～20 ma信号至模拟量输入模块，经CPU程序处理后，显示到HMI中；其中4 ma信号对应0 psi，20 ma信号将对应各设备的额定最高压力值，例如水泥管汇为15 000 psi；触摸屏上将会设置压力校准界面，用以校准压力(同现场管汇中的压力表对比)；同时会设置压力低报警，当压力低于设定值时，触摸屏上会显示报警信息。

(4) HMI与CPU之间将通过网线进行通讯。

(5) 节流阀与压井阀的位置指示传感器将传输4 ma～20 ma信号至模拟量输入模块，同样为本质安全型，工作原理同压力传感器。同时需要注意，节流阀与压井阀的全开或全关全程不能超过20 s。

(6) 气动压力传感器将气动回路压力信号反馈至PLC控制柜，可用于远程观察气动压力是否为额定值，在操作失败的情况下也可排除气动压力不够的因素。气动压力传感器工作电流为4 ma～20 ma，工作原理同上。

(7) 液压回路压力传感器将反馈系统工作压力，在压力值低于300 psi时将输出蜂鸣报警，同时HMI将出现报警提示。液压回路压力传感器工作电流4 ma～20 ma，工作原理同上。

(8) 油箱液位开关将反馈液位低信号至数字量输入模块，并在HMI上显示报警提示。

电气控制系统示意图如图3所示。

图3 电气控制系统示意图

2.2.3 触摸屏

(1) 主屏。

主屏可监控节流压力、压井压力、立管1和立管2压力、泥浆泵泵冲、油箱液位、节流阀位置、压井阀位置。界面如图4所示。

图4 触摸屏主屏显示界面

(2) 副屏。

副屏可监控水泥压力、泥气分离器压力、套管压力、气路压力、液压回路压力。界面如图5所示。

(3) 校准屏。

校准方法在原理中已介绍，此处不再赘述。校准屏界面如图6所示。

图5 触摸屏副屏显示界面

图6 校准屏

3 结语

老旧平台中依靠手动关断节流阀和压井阀的方式已经落后，液动控制节流阀已成为先进钻井平台所必备的系统。此设计采取了当前最先进的PLC控制及触摸屏显示，利用西门子step-7软件及WINCC(触摸屏组态软件)进行了编程。同时此系统的执行部分采取了液压控制的方式，液压控制具有动态性能好，运动平稳等特点。电气控制系统具有快速精准的特点。特别是运用PLC控制后，与传统继电器控制相比显著降低了故障率。电液控制相结合的方式，使节流压井管汇控制系统能兼具运行平稳、响应迅速、安全可控等多种优点。将此系统运用于WIV钻修井平台中，进一步提升了平台的安全性能，也成为了平台整体优化设计的重要组成部分。

[1] 海洋石油工程设计指南编委会.海洋石油工程设计指南[M]. 北京：石油工业出版社，2007.

[2] 李诚铭.石油钻井工程实用技术手册[M]. 北京：中国知识出版社，2006.

Design and Application of Choke and Kill Manifold Control System

XIN Peng, ZHU Wan-jun, LI Ya-dong, YI Ji-bing

(Shandong Offshore Equipment Co., Ltd., Qingdao Shandong 266555, China)

Through analyzing the choke and manifold structure constitution and its working principle, the traditional manual control mode is lagged behind, it is necessary to exert modern automatic control to upgrade and optimize the manual control mode, and try to achieve a set of design scheme which include automatic control and data monitoring. This design scheme combine electrical and hydraulic control together, electric control part based on PLC (Programmable Logic Controller) as the control center. HMI (Human Machine Interface) was used for the monitoring and operation center. Hydraulic control was used as execution part. In this way, the system will have the advantages of instant response and stable working, which ensure the system work fast and stable.

Choke and kill manifold PLC HMI Automatic control

青岛市黄岛区海洋科技专项项目：新型可移动钻修井单元(平台)WIV研发，编号： 2014-4-7。

辛 鹏(1985-)，男，技术经理,研究方向为钻井平台系统原理设计及新船型研发工作。

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