石油钻探井控险情报警系统的研制与应用

陈虹全 刘瑞红

（①成都理工大学；②中国石油西部钻探工程技术研究院）

0 引言

在石油钻井工程中溢流是主要危害之一，溢流预警不及时，可能导致严重的井控风险，甚至井喷事故；硫化氢气体是一种致命毒气，预警不及时，可能导致人员中毒、设备损坏等严重事故。当钻井过程中发生溢流和硫化氢险情时，采用报警装置及时发出声光报警，是传达险情的一种快速有效方法。常规应用的溢流、硫化氢险情报警装置功能单一，无法及时有效区分溢流和硫化氢井控险情，供电电压为有线式AC 220 V，依靠手动拨动常规开关通电、断电来实现报警，无法通过远程操作报警和自动记录报警时间及险情类型。通过改变常规声光报警器供电方式和内部结构设计，基于自动化控制、无线控制和开关量监测记录等技术设计出一款工作电压为DC 24 V 的石油钻探井控险情报警系统，实现报警系统远程无线操作，根据不同险情发出不同警示声光，提高钻探险情报警精准性，及时识别溢流或硫化氢险情。此报警系统已获2项国家专利[1-2]，目前处于推广应用阶段。

1 常规声光报警器局限性分析

目前各录井队主要采用的是单一式声光报警器（常规声光报警器），这种报警器存在3个方面的局限。

1.1 功能单一

在钻探生产现场发生溢流和硫化氢险情均需要及时报警，常规声光报警器只能发出一种声音和一种闪光，当险情发生时，不能有效区分是溢流险情还是硫化氢险情，给生产现场人员增加了辨识困难和一定的人身安全风险。同时，常规声光报警器只能进行声光报警，不能记录报警启停时间和报警类型，造成报警无数据记录和依据，给事后查询资料和实况追溯带来较大难题。

1.2 供电模式简单

常规声光报警器采用有线式供电，在运行过程中，从录井仪器房直接将电压AC 220 V 供给声光报警器，当电压、电流、频率不稳定时容易造成声光报警器烧坏或报警失效。该供电模式相对简单，在使用中仍存在一定的触电风险。

1.3 安装和操作不便

常规声光报警器的有线式供电，限制了声光报警器的安装位置，目前安装在录井仪器房顶架线杆上，不方便移动和进行多点安装。工作时声音和闪光不能覆盖整个井场，存在一定弊端；启动声光报警器工作是采用简易开关，通过通、断电来实现声光报警器启动和关闭，受固定开关限制，操作时人员必须在仪器房内固定位置，遇离开关较远处发现险情，或其他人员发现险情时，再到仪器房通电报警，存在一定的延迟，容易错过险情最佳处理时间或有效撤离时间，使险情进一步升级，造成严重事故。

2 石油钻探井控险情报警系统设计

2.1 总体方案

石油钻探井控险情报警系统由主机、智能记录仪、供电单元、无线控制单元[2]、多功能声光预警单元[1]和扩展单元组成（图1）。主机安装在录井仪机柜上，智能记录仪和无线控制单元固定安装在主机箱内部，配套一键报警操作按钮、无线遥控装置，以及相关数据实时浏览、查询、导出PC 程序和功能扩展模块。供电单元分为主机有线式供电和预警单元的离线式供电[2]。多功能声光预警单元为便携可移动式，无需拉线，根据现场实际情况同时安装在驻井房、司控房、机房、营房等区域，不受环境、位置和数量的影响[3]。

图1 石油钻探井控险情报警系统

在供电单元正常供电情况下，当发生溢流或硫化氢险情时，值班人员根据险情类型直接按下主机上相应按钮或无线遥控装置中的相应按钮，主机内部无线控制单元接收到信号源并分析处理后，发出相应命令，由主控模块通过无线和有线形式将命令发出，无线信号覆盖范围内所有对码或连线[4-6]报警器接收命令并执行相应险情报警，同时将正常工作信号反馈给主机，主机正常工作指示灯点亮，记录仪开始记录，停止时与启动时除命令和工作状态不同，其余流程相同。该设计可以解决常规声光报警器功能、供电和操作所存在的局限，消除了安全隐患，达到提高险情报警精准性和及时性的目的。

2.2 主机结构

为满足综合录井仪机柜安装条件，主机采用19 in 2 U（1 in＝25.4 mm，1 U＝44.45 mm，即机箱宽482.6 mm，高88.9 mm）标准机箱，机箱正面安装有智能记录仪[5]，溢流、硫化氢报警按钮和预警单元工作信号灯；机箱内部安装有主控控制单元、无线及有线混合式传输单元和开关电源；机箱后端设置RS 485通信接口、预警单元有线式供电接口、传感器接入预留接口和扩展单元。

主机工作原理（图2）：在正常供电情况下，当发生溢流或硫化氢险情时（信号源），按下主机或遥控装置上相应按钮，形成电信号传送给控制器，由控制器分析处理后，控制驱动器，驱动智能记录仪和无线（有线）收发模块工作，记录仪开始记录时间[7-8]和报警类型；无线收发模块将信号发送给预警单元，当预警单元开始工作时，反馈工作状态信号经天线由无线收发模块接收并传送给控制器驱动工作指示灯工作。有线收发模块的信号传送通过信号线直接传输完成。

图2 主机工作原理示意

2.3 供电单元

供电单元包括两部分：第1 部分为主机有线式供电；第2 部分为预警单元的离线式供电。为保障生产用电安全，主机和预警单元各部件工作电压均按国际持续接触安全用电标准设计为DC 24 V。

主机有线式供电：主机供电采用AC 220 V 主供电，在主机内部安装有AC 220 V 转DC 24 V 开关电源，主机内部其他电路均由DC 24 V 开关电源输出供电，同时为离线式供电模块进行充电。

预警单元离线式供电：应用防爆技术采用防爆箱、灌封胶、航空防爆插头等将DC 24 V 电池密闭固封在内，形成与市电或发电机脱离的离线式供电模块。为降低功耗，提高电池供电时长，将报警器内部控制电路和闪光、声音模块均设计为低功耗运行，离线式供电单元运行时长可达到1个月。

2.4 智能记录仪

智能记录仪采用全中文界面（图3），800×480 分辨率高清触摸液晶显示屏，为独立系统运行[9]，采用RS 485、网口等通信可与计算机进行共享并联，实现数据实时同步浏览和导出，智能记录仪实时监测钻探溢流和硫化氢险情报警情况。报警启动时，记录仪开始记录险情类型和报警启停时间；智能记录仪不仅有记录功能，还有独立分析和处理功能[10]，在录井未监测时，可直接在记录仪上连接传感器，记录仪通过采集数据进行分析，根据预设条件进行自动报警。

图3 智能记录仪主界面

2.5 无线控制单元

无线控制单元包括3 部分：一是主机内部无线控制模块；二是无线遥控装置[9]；三是报警器内部无线控制模块。

主机内部无线控制模块具有信号接收、放大和发送功能，信号接收是指接收无线遥控装置所发出的信号，将该信号放大后经天线向外发送[7]，同时接收由报警器内部无线控制模块反馈工作状态信号，再传递给控制单元。无线控制模块设置两根天线，一根在室内主机箱后端，另一根在录井仪器房顶部安装的报警器内部。

为提高报警效率，保障险情处理的黄金时间，增加无线遥控装置。当录井值岗人员因工作需要，到录井仪器房外井场内其他区域循环检查或核对数据时，发现险情即可立即操作随身携带的遥控器进行报警，遥控器的功能与主机上按键式按钮功能相同[11-12]，不仅方便移动式操作，还能独立使用，可作为主机出现故障时的一种替补装置。

除录井仪器房顶部安装的报警器与主机同时采用有线控制和无线控制外，其余报警器内置无线控制模块，不仅能直接接收主机、无线遥控装置信号，还具有无线同步功能，当主机信号或无线遥控信号不能传达到边沿报警器时，已工作的报警器同步功能将使该报警器同步信号范围内的报警器无条件同步工作，从而保障井场内各区域报警器均能正常工作。

为防止两口井间距较近相互影响，导致报警器误工作，可通过同一口井内报警器进行对码，形成局域内独立通信通道。

2.6 多功能声光预警单元

根据安装位置不同，多功能声光报警器分为两种型号（其声音大小等配置可根据需求搭配，如单喇叭或多喇叭）：一种是安装在录井仪器房顶架线杆上或室外其他需要位置的180 dB报警器；另一种是安装在钻井司控房内的120 dB 报警器。两种报警器除外观和声音大小不同外，其功能和结构完全相同，内部均固定安装无线通信模块、控制模块、红黄双色闪光灯和双声道报警模块[1]。

180 dB报警器主要安装在室外，根据需求可安装在井场内任何位置；120 dB报警器主要安装在室内，根据需求可安装在井场任何室内位置。为保障日常维护安全，录井仪器房顶部或其他存在风险位置报警器采用主机有线式直接供电，其余采用离线式供电。

多功能声光预警单元工作原理（图4）：在正常供电情况下，当主机发出无线或有线控制信号时，预警单元经天线由无线收发模块接收[9]或经信号线由有线收发模块接收，并将信号传输给控制器，由控制器分析处理后，控制灯光和声音驱动器，发出红色或黄色闪光，同时发出与灯光对应的报警声音[4]。闪光和声音正常工作时发出的反馈信号由无线收发模块经天线传出或有线收发模块经信号线传出。

图4 多功能声光预警单元工作原理示意

2.7 扩展单元

为实现自动报警和独立运行，扩展单元主要分为3 部分：第1 部分为独立连接传感器采集、分析数据并自动报警；第2 部分为报警系统与录井仪采集系统数据共享并联；第3 部分为以物联网为基础实现的远程控制。

为满足钻探各阶段的溢流和硫化氢险情报警需求，石油钻探井控险情报警系统主机内设计有扩展单元（图2 蓝色部分），通过扩展单元将硫化氢等传感器与智能记录仪连接，实时采集、分析和存储相关数据，以实时曲线、历史数据等方式展现在记录仪中，方便数据导出和查阅。当采集数据达到预设高低门限时，自动发出命令给报警系统，实现独立运行和自动报警功能，可安装用于录井待命、修井、试油等其他阶段。

在录井过程中，各数据已通过传感器采集到录井仪，通过扩展单元中串口或网口等通信方式，将录井仪采集系统所采集的相关数据并联共享给石油钻探井控险情报警系统，实现险情自动识别和自动报警，进一步缓解人员工作强度，提高报警精准性和及时性。同时记录仪将数据再次存储，保障险情数据独立分析和记录（图2蓝色部分）。

为满足后期远程录井技术提升后的适用性，石油钻探井控险情报警系统通过扩展单元以物联网为基础，与远程录井同步传送，实现基地监控中心或决策中心进行远程报警操作和监测[11]。

3 试验情况

3.1 室内静态试验

静态试验选择在常温、安静的实验室内进行，试验供电为稳定市电，48 h通电运转无故障后，分别对溢流和硫化氢险情进行模拟试验。通过对主机上的按钮和无线遥控装置进行操作，报警器根据险情类型对等工作，声音和闪光均达到预期效果，无线遥控装置与主机配合使用空旷距离可达1 000 m。将主机关闭，模拟主机出现故障，对无线遥控装置进行独立测试，有效距离可达600 m（表1），静态试验成功。

表1 室内静态测试统计

3.2 现场动态试验

现场试验选择位于火焰山下（高温地区）的PT 1井，该井选用雪狼5型综合录井仪，将主机安装在录井仪机柜上，主供电为生产现场工业用电。180 dB报警器安装在录井仪器房顶部，由主机有线式供电，120 dB 报警器安装在司控房内，由离线式供电模块供电。经通电6 h 运行无故障后，进行模拟测试，效果较好，主机按钮预警准确无误，无线遥控装置在井场内任意位置均可独立操作（表2）。确保无误后与钻井队联合测试，模拟溢流和硫化氢险情，驻井房、坐岗房、机房、钻台等各处施工人员根据报警声音和闪光可精准区分险情类型，现场动态试验成功。

表2 现场动态测试统计

4 应用效果

石油钻探井控险情报警系统研制成功后，分别在塔里木、吐哈等油气田14口井推广使用，累计运转2万多小时（表3）。应用表明，该报警系统实现控制和供电无线化，方便现场安装，不受环境影响，双色双声道可有效区分溢流和硫化氢险情。当发生溢流时，报警器发出和“119”警报相似的声音，闪黄色光；当发生硫化氢险情时，报警器发出和“110”警报相似的声音，闪红色光。消除了险情误判等难题，其功能和性能均得到了肯定。

表3 石油钻探井控险情报警系统运转情况

该报警系统整体设计具有创新性，安装运移连接方便，无线控制程度和安全性能高，符合行业标准，尤其是实现了施工现场安全电压作业和解决了单一式声光报警器难以区分溢流和硫化氢险情导致误判的难题，无线远程控制不仅消除了固定式开关的条件限制，还提高了险情预警效率，获得了油田建设方和录井现场人员的高度认可，具有较好的推广应用前景。

5 结论

石油钻探井控险情报警系统的成功研制与应用，解决了石油钻探行业生产现场井控险情预警技术难题，改变了常规报警器功能单一的局限，提高了钻探险情报警效率，消除了安全隐患，完善了钻探生产现场险情报警系统，为单井安全提速创效提供了技术保障。根据生产现场需要，可将该报警系统升级改进，安装应用到钻井、试油、射孔等石油开采的其他工序中。