多传感器海洋钻井参数监控系统研究

刘佳

（广州南洋理工职业学院智能工程学院，广东 广州 510900）

中海石油“十四五”重点项目中启动碳中和规划，提出维持石油产量增长的同时，将大面积提升天然气资源的供应能力、以加快发展新能源产业布局为重点，使清洁低碳能源的比例提高到百分之六十以上。随着海洋油气勘探的逐步深入，对钻井作业生产的安全性要求逐渐提升，为避免钻井事故的发生，迫切需要逐步提高配套设备的智能化技术，从传统的机械读数和液压表盘式测量朝着集成化、智能化、数字化和网络化的方向发展[1-2]。

海洋模块钻井配套的钻井参数监控系统有美国的马丁代克（Martin-Decker）公司，使用过程中存在维护成本高，参数扩展难等问题[3]，国内的有上海神开石油化工装备股份有限公司、江仪股份等厂家。市场上采用单片机为核心设计外围电路的钻井参数监控系统可扩展性、模块化及灵活性不足，设备故障率高，严重影响了海洋油气勘探开发的正常生产[4]。研发适用于海洋平台模块钻机，操作简单方便、集中监控、扩展性强、兼容井场设备，适应海洋气候的钻井参数监控系统是十分必要的。

海洋平台的环境温度范围：10～40 ℃，相对湿度范围：40%～100%，供电电源范围：220VAC±10%，电源频率范围：50Hz±10%。按照石油天然气行业标准应符合HSE 规范，暴露在户外的监控系统防爆等级要求大于或等于ExdⅡBT4,防护等级按照IEC 标准不低于IP56[5-6]。

针对目前钻井参数监控不足之处，设计时应具有以下功能：1）系统硬件采用模块化冗余设计，预留扩展接口,提高可扩展性；
2）能够快速准确对大钩悬重、转盘转速、游车高度、泵冲、立管压力、泥浆罐体积等信号的实时监测及反馈[7]；
3）HMI 监控软件实现人性化设计，可根据自己习惯自主选择仪表表盘/数据显示、故障诊断、曲线显示等人机交互；
4）远程无线收发，并能按照作业时间或钻井深度实时显示、存储。技术指标如表1 所示。

表1 钻井参数技术指标

根据海洋钻井设备布局，系统组成框图如图1所示，主要包括：现场钻井参数传感器单元、钻井参数远程监控单元、数据采集单元和司钻房HMI触摸显示单元等。

图1 系统组成框图

海洋平台模块钻机监控信号类型有模拟量输入/输出信号：4～20mA 或1～5V DC，数字量输入信号：带电势的自由触点/成对脉冲，数字量输出：24VDC/干触点。钻井监控系统的硬件选型为S7-1500PLC 控制器、现场传感器单元和SM1231 模块等。

2.1 传感器单元

监控系统采集的信号主要包括压力信号、接近开关信号、编码器信号、超声波传感器信号等。死绳锚的死绳拉力经传感器膜片上的液压信号传递连接的大钩悬重压力变送器。高压泥浆立管管汇压力通过液压传感器中的胶杯作用在液压油上，由耐水基和耐油基泥浆的压力变送器经压电转换为电流信号。吊钳尾绳在钻具上卸扣时形成与上卸扣扭矩成正比例的张力，由液压传感器中的活塞经压力变送器测量。当转盘对钻具施加扭矩时，转盘驱动链条紧边对传感器的惰轮形成与转盘扭矩成正比例的作用力。泵冲及转速传感器采用非接触式接近开关检测，输出脉冲信号。当绞车的滚筒旋转时，安装在滚筒轴上的增量式光电编码器转换成两组相位差为90°的电脉冲信号。泥浆罐体积传感器发射脉冲声波，将泥浆液面高度转换为发送和接收的时间差。泥浆回流采用桨板式工作原理，相对流量与桨板动作的距离成正比。

2.2 数据采集单元

数据采集单元以西门子PLC1500 为核心控制器，主要由主CPU 模块、隔离式安全栅、SM 1231 8x 模拟量输入模块、电源模块、无线通信模块和Profinet 工业以太网通信模块等组成。电路原理方框图如图2 所示。

图2 数据采集单元电路原理框图

钻台面的高压泥浆立管管汇压力、大钳压力、死绳锚膜片压力、转盘扭矩、顶驱扭矩，下层甲板的高压泥浆泵压、泥浆罐体积，中层甲板的泥浆回流、计量罐体积等来自危险区的电流信号，经1#-11# 模拟量隔离式安全栅可靠隔离输出电流信号连接到钻台偏房安全区，由数据采集单元的1#-3#模拟量模块进行数据预处理，实现电源和信号输入输出隔离，增强监控系统的抗干扰能力。

钻台面的转盘转速、下层甲板的泥浆泵泵冲NAMUR 接近开关等本质安全信号，由脉冲型隔离式安全栅给传感器提供8VDC 电源，隔离式安全栅隔离输出后将信号传输到主CPU 模块的输入端，CPU 模块经信号处理、工程转换为泵冲速和转盘转速。

安装在钻台面的绞车滚筒编码器信号经频率型隔离式安全栅使危险区的现场回路与数据采集单元安全区的控制系统有效地隔离[8]。主CPU 模块将编码器信号经换向判断后转换为游车高度工程值。

司钻房触摸显示单元选用SIMATIC HMI 精智面板TP1500，与数据采集单元采用Profinet 工业以太网通信。数据采集单元通过工业以太网通信与第三方设备数据共享从而实现钻井现场设备的互联互通。

监控系统软件框图设计如图3。数据采集单元PLC 控制程序采用模块化思路以提高系统可组合性，主要由初始化子程序、传感器采集子程序、数据处理子程序、报警控制、信息处理等子程序组成；
传感器单元的压力[9]、泥浆罐体积等4mA～20mA 电流信号通过SM 1231 模块转换为0～27648 的数字量信号，主CPU 模块通过信号滤波、数据处理后保存在数据寄存器中，通过Profinet 工业以太网通信将钻井参数值映射到司钻房的HMI触摸显示单元。司钻房触摸显示、队长办公室远程监控设计主要包括表盘/数据显示界面、起下钻切换界面、参数刻度、报警设置、曲线显示、故障诊断、用户登录等操作界面。

图3 监控系统软件结构框图

司钻房的HMI 触摸显示界面选用TIA Portal V15 中的WinCC 软件进行设计，通过工具箱中的图形、文本、表盘、功能控件等可轻松实现HMI 界面的开发。Portal Step7 的变量地址与Portal WinCC 平台中设置的变量一一对应，从而实现HMI 触摸界面的显示。操作人员可根据自己习惯自主选择仪表表盘/数据显示、故障诊断、曲线显示等人机交互界面。实时监控钻井作业过程中1#-3#泥浆泵泵冲、泵压、泥浆的增益和漏失情况、泥浆回流、大钩速度、悬重、游车高度、大钳扭矩、泥浆回流报警、立管压力、转盘/顶驱的转速、吨公里设定/指示等参数[10-11]。队长办公室远程监控单元与数据采集单元无线长距离通信，可选择按照作业时间或钻井深度通过网络远程浏览钻井参数。技术人员可随时查询钻井参数监控系统故障代码信息，便于维护人员第一时间响应进行故障诊断[12]。

试验中的设备或装置包含：模拟滚筒、转盘扭矩试验台、数字万用表、转速校验台、活塞压力计、兆欧表等。

4.1 绝缘及系统状态检查

采用500V 兆欧表测量系统供电端的绝缘电阻应大于等于1MΩ。检验电缆屏蔽层是否连接牢靠，检查各部分是否良好接地。系统上电，顺序测量CPU 模块、接口模块、传感器单元、触摸显示单元的供电电源输出是否为稳定24VDC，各模块工作状态指示灯应正常显示。

4.2 钻井参数调试

监控系统各参数传感器安装在试验设备或装置上，传感器输出信号一路与系统采集显示单元连接，一路与试验设备连接，选定量程的30%、50%、80%为测试点，待读数稳定后，分别记录HMI触摸显示及试验设备的读数，连续测试次数不少于3 次，按照公式（1）计算各次行程的最大误差，记录并计算测试数据，如表2 所示。

其中δmax 为各参数测量行程中的最大误差，UCi为各测量点的实测数值，ULi为各测量点的理论数值，UFS 为各参数测量范围中的满量程。从表2测试数据分析，各参数显示误差均在表1 中的设计误差范围内，符合设计要求。

表2 钻井参数调试

4.3 游车防护调试

在触摸屏报警设置界面中，输入游车防碰和防砸的高度及游车上下移动速度预警值和防护值。进入游车防护设置界面如图4 所示，按下防碰测试按钮进行测试。

图4 游车防护设置界面

司钻操作游车向上或向下移动，当观察触摸显示屏及声光报警器时，提示操作人员注意减速缓行；
当游车运动到防碰或防砸防护位置时，系统输出游车防护控制信号使电磁阀失电（电磁阀为常开型），见图5，断开电磁阀与刹车放气通道，从刹车释放阀经由两位三通气控阀的气源断开，使主气源流经高低速控制阀及盘刹气源通道断开，进而达到游车防碰和防砸位置紧急刹车防护功能。

图5 游车防护控制示意图

本文提出的一种基于Siemens PLC 多传感器海洋钻井参数监控系统在中海油某模块钻机运行近一年，已完成两口钻井作业，实验表明该系统能够实现海洋钻井参数的实时监控，设计方案合理，运行流畅，操作方便快捷，具备扩展性强、可靠性高等特点。监控系统中还可以补充多传感器信息融合，结合钻井的地质条件，实现钻前预测，确保钻井作业的安全、高效、可靠稳定运行。