海洋钻井多参数仪系统设计研究.pdf

2 0 1 0年 第 7 期 第 3 9卷 第 5 4页 石油 矿 场机 械 OI L F I E LD EQUI P ME NT 2 0 1 0 ， “ 3 9 7 5 4 ～ 5 9 文 章 编 号 1 0 0 1 3 4 8 2 2 0 1 0 0 7 0 0 5 4 0 6 海洋钻井多参数仪系统设计研究 邓忠彬 ， 王 涛 ， 王幼平 中海油能源发展股份有 限公司 油建渤海装 备分公 司， 天津 3 0 0 4 5 2 摘要 海洋钻井多参数仪是为海洋各类钻 修 机配套设计生产的多参数监测仪表 系统 ， 可测量显示 钻 修 机 作业过 程 中的 大钩 悬 重和钻 压、转盘 扭矩 、立 管压 力、 吊钳 动 力钳 或套 管钳扭 矩 、转盘 转速、泵冲速、 泥浆罐体积、 游车高度 、 井深、 钻头位置等 4 7个参数 的变化 情况， 帮助 司钻掌握钻 机 、 泥浆 泵和 防喷 器 的工作 状 态 以及 H S和 可燃 气体 浓度 。通 过 对钻 井过 程 的 实时监 控 ， 对预 测 预报工程事故、 提高工作效率、 安全生产 、 降低作业成本、 有效保护油气层等起重要作用， 为渤海地 区油田设备 远程数 据监控 提供 了较好 的范例 。 关键 词 海 洋钻 井 ； 多参 数仪 ； c AN 总线 ； 远程监 控 ； 研 发 中 图分 类号 T E 9 5 3 文献标 识码 A Re s e a r c h a nd De v e l o p me n t o f Of f s h o r e M u l t i p a r a me t e r Dr i l l i ng I n s t r u me nt a t i o n S y s t e m DENG Zh on g bi n， W ANG Ta o， W ANG Yo u p i ng Oi l f i e l d C o n s t r u c t i o n Bo h a i Eq u i pme n t Se r v i c e C o mp a n y， C NOOC， Ti a n j i n 3 0 0 4 5 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Of f s h or e M u l t i - pa r a m e t e r Dr i l l i ng I n s t r u me nt a t i on Sys t e m i s a n i ns t r u m e nt s ys t e m f o r v a r i o us o f f s ho r e dr i l l i ng r i gs a nd wo r k o v e r r i g．I t ’ S ma i n l y us e d t o t e s t a n d d i s pl a y va r i ou s pa r a me t e r s d u r i n g d r i l l i n g a n d h e l p t h e d r i l l e r t o j u d g e t h e o p e r a t i n g s i t u a t i o n o f d r i l l i n g r i g s ．Th e r e a l t i m e mo ni t or i n g o f i ns t r ume n t a t i on s y s t e m t o d r i l l i ng pr o c e s s i s i mpo r t a n t t o f or e c a s t e n g i - ne e r i n g a c c i d e nt s ， i mpr o ve wo r k e f f i c i e nc y， s a f e t y i n p r o duc t i on， r e d uc e o pe r a t i n g c o s t s ， a nd pr o t e c t r e s e r v o i r e f f e c t i v e l y ．Th e s u c c e s s f u l RD o f Of f s h o r e M u l t i p a r a me t e r Dr i l l i n g I n s t r u me n t a t i on S ys t e m pr o v i d e s a g oo d e x a mpl e f or r e mo t e d a t a mon i t o r i n g o f Bo ha i Oi l f i e l d． I t i s d e s i gn e d a n d ma nu f a c t u r e d f o r v a r i o us d r i l l i ng r i g s a nd wo r k ov e r r i gs t o t e s t a nd d i s pl a y ho o k l o a d， we i gh t o n b i t ， r ot a r y t o r q ue， s t a ndp i p e p r e s s u r e， t on g t o r q u e， p o we r t o ng t o r qu e， r o t a r y t a bl e RPM ， mud p i t v ol u me， po s i t i o n o f t r a v e l i n g bl o c k， we l l de p t h a nd o t h e r p a r a me t e r s d ur i n g d r i l l i ng， a nd he l p t h e d r i l l e r t o j u d g e t h e o p e r a t i n g s i t u a t i o n o f d r i l l i n g r i g s ， mu d p u mp s ， B OP a n d c o n t e n t o f t o t a l hy d r o c a r b o n， H2 S． K e y w o r d s o f f s h o r e mu l t i p a r a me t e r d r i l l i n g ； i n s t r u me n t a t i o n s y s t e m； C AN b u s ； r e mo t e mo n i t o r i ng； r e s e a r c h a nd de v e l op me nt 目前 ， 中国海洋石油渤海地 区的海洋修井机 、 模 块钻机和钻井船上大多数 已经安装了机械式钻井仪 表或电显式参数仪 ， 或正准备安装此类设备。但 目 前此类设备故障率高 ， 型 周期长等问题， 严重影响 的进行 。 号各异 ， 参数扩充难 ， 维修 了海上的正常生产和作业 收稿 日期 2 0 0 9 1 2 1 7 作者简介 邓忠彬 1 9 6 8 一 ， 男 ， 湖北钟祥人 ， 仪表首席工程师 ， 1 9 8 9年毕业于河北 承德 石油高等 技术专科 学校计算 机及应 用专业 ， 目前从事海洋钻修机设备的设计 及管 理工作 ， E - ma i l d e n g z h o n g b i n y a h o o ． c o rn． c n 。 第 3 9 卷第 7期 邓忠彬 ， 等 海洋钻井 多参数仪 系统设计研究 中海石油“ 十一五” 规划 中渤海地 区将有 4 0多 个新增平台投产 ， 海洋钻井多参数仪将会有大量需 求。为了降低平台钻修机多参数仪设备 的采购、 维 修成本， 提高竞争力， 开发适用于海上使用的结构简 单、 技术先进、 操作维护方便 、 参数易于扩展 、 适应海 洋恶劣气候的海洋钻 修 井多参数仪势在必行 。 1结构设计及原理 海洋钻井多参数仪系统由传感器、 数据采集器、 钻台监 视仪 含 P C 1 0 4嵌入 式计 算机 、 液 晶显 示 器 、 队长 办公 室监 控 系 统 、 远 程监 督 办公 室监 控 系 统组 成 ， 如 图 1 。 C A N l l 开关 l I 触摸 屏 适配卡l l 电源 l l 液晶显示器 P C 1 0 4 嵌入式计算 钻台监测仪 C A N 总线 显 示 器 l I 便携式工控机 队长办公室监控 系统 匿 鲟 窿 显 示 器 I l 便携式 工控机 远程监督办公室监控系统 泥浆池数据采集器 l 气体数据采集器 总线T _ ] T 广 _ T 丁总 线 r] T ]1 一总线 茎 I鸯 I曩 I薹 I薹 J I I哥 I霉 l l I J翼 I l l I 图 1 海洋钻井多参数 仪系统 1 ． 1 钻 台监 视仪 钻 台监视 仪 如 图 2 是 一 台能 进 行数 据 采集 和 显 示 的 P C 1 0 4嵌 入 式 计 算 机 系 统 ， 采 用 触 摸 屏 方 式 ， 可安 装在钻 台 上 或 司钻 操 作 房 内 ， 有 直 立 式 、 吊 装式和后背式等多种安装方式 ， 用户可根据钻机 的 实 际情况 选择合 适 的安装 方式 。所有 设备 均安装 在 一 个 防爆 箱 内 ， 由军 用 级 P C 1 0 4嵌 入 式 计 算 机 系 统 、 触 摸式 液 晶显 示器 组成 。能独 立完 成数 据采集 、 也能 与后 台计算 机相 连 ， 实 现数据 采集 控制 。 图 2 钻台监视 仪 防喷控制采集器 孽 f l霎 』雾 l雾 I孳 P C 1 0 4嵌入式计算机系统 由 P C 1 0 4 C P U板 和 智 能 C AN卡 组成 。智 能 C AN 卡为 C AN 总线数据 收发 ， 并 与 P C1 0 4 C P U 板 通 讯 。数 据 收 发 由 C AN 控 制器 和 C AN收 发器完 成 。主机 通过 I S A 接 口控 制电路来访问 C AN控制器， 完成数据通信 。 触 摸式液 晶显 示 器 由 防爆 触 摸屏 和 T F T液 晶 显示 器组 成显 示 系统 。 1 ． 1 ． 1数 据 采集 原 理 [ ] 为方便设备安装 ， 该参数 仪采用 C AN 总线传 输数 据 ， 所 有节 点 串联在 C AN 总线 主 干 电缆 上 ， 每 个节点都有唯一的 I D号 ， 节点发送数据时数据包内 含有 该节点 的 I D号 ， 司钻 台计算 机 根 据 I D号 判 断 接 收数 据 ， 并 做 相关 的处 理 。 司钻 台 数据 采 集 器 选 用 P C 1 0 4总线 接 口的 双路 C A N 总 线适 配卡 ， 钻 台 监 视仪 数据采 集原 理如 图 3 。 图 3 钻 台监视仪数据采集原理 石 油 矿 场 机 械 2 0 1 0 年 7 月 1 ． 1 ． 2 软件界面 钻台监视仪软件界面包括钻井屏、 泥浆屏 、 气体 屏 、 防喷 控 制 屏 、 曲线 屏 、 修 井 屏 6个 监 控 界 面 ， 共 4 7个参数， 界面如图 4 。 图 4 钻台监视仪软件界 面 a 钻井屏有 1 8个参数 ， 包括悬重、 钻压、 转 盘转速 、 泵冲速 1 、 泵冲速 2 、 累积泵冲、 大钩高度 、 转 盘扭矩 、 吊钳扭矩 、 立管压力 、 套管压力 、 入 口流量 、 出口流量、 泥浆池总体积 、 泥浆池体积差、 井深、 钻井 用 时 、 钢 丝绳 拉 力 k N／ m。 司钻 可通 过 钻 井 屏 了 解在钻井或修井过程 中所需要的钻井参数。 b 泥浆屏 有 2 1个参数 ， 包括 1 泥浆池体 积 、 2 泥浆池体积、 3 泥浆池体积 、 4 泥浆池体积 、 5 泥浆池体积、 6 泥浆池体积、 补偿池体积、 泥浆池 总体积 、 泥浆池体积差 、 泵冲 1 、 泵冲 2 、 泵冲速总和、 累积泵 冲、 入 口流量、 出口流量、 人 口密度、 出 口密 度 、 人 口电导 、 出 口电导 、 入 口温 度 、 出 口温度 。司钻 通过泥浆屏可了解在钻井或修井过程中所需要 的泥 浆参数。 c 气体监测屏有 9个参数 ， 包括 1 可燃气 探头、 2 可燃气探头、 3 可燃气探头 、 4 可燃气探 头 、 5 可燃气 探 头 、 6 可 燃气 探 头 、 1 H S探 头 、 2 H。 S探头、 3 H。 S探头 。司钻可通过气体监测屏 了 解 在 钻 井 或 修 井 过 程 中 井 内 的 H S和 可 燃 气 的 情 况 。 d 防喷控制屏有 6个参数 ， 包括储能压力、 环形压力、 双闸板压力 、 管汇压力、 气源压力、 液控压 力。司钻可通过防喷控制屏了解在钻井或修井过程 中的放喷控制器系统的工作情况。 e 曲线屏 有 l 8条曲线 。司钻通过 曲线屏 能了解在钻井或修井过程中每个参数的情况 ， 为分 析事故原因提供数据支持 。 f 修井屏有 6个参数 。司钻通过修井屏能 了解在修井过程中设备的工作状况。 1 ． 1 ． 3功 能及 特 点 a 工 作温 度 一4 O ～7 0℃ 。 b 采用 P C 1 0 4嵌入式计算机 ， 能独立完成数 据采集 ， 还能与后台计算机实现数据通讯。钻井 常 用的参数包 括悬 重、 钻压 、 转盘扭矩／ 转速、 游车高 度 、 泵冲、 泵压和泥浆罐体积等 4 7个参数， 衍生测量 参数 包括井深 、 钻 头位置、 累计泵 冲、 排量 等相关 参数 。 c 通过 C AN总线实时采集各路参数原始数 字值 ， 通过计算转换成工程值 ， 显示存储 。 d T F T液晶显示器和触摸屏操作简捷， 软件 界面直观、 实用 ， 方便操作 ， 能完成所有标配参数的 刻度 、 节点 I D的设 置 。 e 能 将数 据 通 过 局 域 网传 送 至基 地 指 挥 中 心 ， 方 便指挥 中心 实时监 控现 场工 作情况 。 f 任意设置各参数的报警门限， 并提供声光 报警。 g 钻机 。 h 要求 。 i 方便 。 安装方便 ， 适用性强， 适合安装不同类型的 满 足 防爆、 防淋、 防冻、 抗震 、 抗 干扰 的 对 外 接 口为 C AN 总 线 、 电 源 线 。简 单 1 ． 2 传 感器 选型 系统使用的传感器分为模拟、 单脉冲信号、 双脉 冲信号 、 开关信号和频率信号 5大类 。 a 模拟传感器包括大钩悬重和钻压、转盘 扭矩、立管压力、吊钳动力钳或套管钳扭矩、泥浆 罐体积、 泥浆密度 、 泥浆 回流、 H。 S质量浓度、 全烃 含量等 包括有毒气体和全烃可选 ， 得到这些信号 后可将其转换为相应的模拟信号 ， 通过传感器电缆 送 人总线 节点 。 b 单脉冲信号传感器 包括转盘转速、 泵冲 等 ， 可直接感应得到数字脉冲信号 电平信号 ， 通过 传感器电缆送人总线节点 。 c 双脉冲信号传感器包括钻深和游车高度 传感器等 ， 可直接感应得到数字脉 冲信 号 电平信 号 ， 通过传感器 电缆送入总线节点。 d 开关信号传感器 主要通过继电器来控制 警笛报警和关闭报警 。 e 频率信号传感器 主要是传动轴式的电子 转盘扭矩传感器 。 第 3 9卷第 7 期 邓忠彬 ， 等 海洋钻井多参数仪系统设计研究 1 ． 3 C A N总线 数据 采集箱 C AN总线数据采集器包括钻台数据采集器、 泥 浆池数据采集器、 气 体数据采集器和防喷数据采集 器 。C AN总线节点 即 C AN 总线 采集模块安装在 数据采集箱 内， 是传感器 和 C AN总线适配卡连接 的桥梁 ， 也是一个集变送 、 控制和通讯功能为一体的 现场设备 ， 是传统模 拟量传感器 升级为智能传感器 的理想接 口， 可使以前采用点到点式 的信号传输变 为多点一线的串行数字式传输 。 1 ． 3 ． 1 节点分类 根据现场传感器信号 的不 同， 将 C AN 总线节 点 分为 A、 B 、 C 、 D、 E五类 节点 。 a A 类节点 负责处理现场模拟类 传感器 的信 号 ， 通 过节 点 AD转 换成 数 字 量 ， 输 人 C AN 总 线进行传输 。节点电路具有输入电流短路、 过流保 护 ， 输出电压短路保护， 宽电压工作 1 5 4 0 V 。 b B类节点 负责处理现场单脉冲信号类传 感器的信号 ， 输入 C AN总线进行传输。 c C类节点 负责处理现场双脉冲信号类传 感器的信号 ， 经过节点单片机判向处理计算后 ， 输入 C AN总线进行传输。 d D类节点 负责处理现场开关类传感器的 信号 ， 输入 C AN总线进行传输 。 e E类节点 负责处理现场频率类传感器的 信号， 输入 C AN总线进行传输 。 各类 总线 节点 I D号设 置 由司钻 台软件 确定 ， 常 规 情况下 用户 不做 更 改 ， 只 有 在某 个 节 点 损坏 更 换 时需 重新 设置 。 1 ． 3 ． 2 工 作 原 理 C AN总线 5 类 节点 工作原 理 如 图 5 。 a A类节点 b B类节点 C C类节点 d D类节点 e E类节点 图 5 C AN总线 5 类节点工作原理 1 ． 3 ． 3特 性 a 采 用 防爆 电路 电 源 ， AD 及 C AN 隔 离 保 护 ， 具 备短路 后 自动恢 复功 能 ， 抗 强 电雷 击 。 b 集 成数 字滤波 器抗 干扰 能力强 ， 抗震 性好 。 c 全密封结构 ， I P 6 7等级防护， 防水防腐 ， 可 用于露天及野外环境。 1 ． 4队长 办公 室监控 系统 1 ． 4 ． 1系统 组成及功 能 队长办公 室监 控系统 安装 在远 离钻 台的钻井 监 视房 内， 用于远程监控钻台监视仪的数据采集 ， 由便 携式 工控 机 、 无 线接 收装 置 、 队长办公 室监 控软件 组 成 ， 如 图 6 。功能与钻台监视仪一样 ， 具有更大容量 数据的存储 、 打印、 回放及资料处理功能 ， 与钻 台监 视仪 进行实 时无 线数据 传输 ] 。队长办 公室监 控 软 件界 面如 图 7 。 1 ． 4 ． 2主要特点 a 以Wi n d o ws X P为操作系统的工控机和无 线接收装置为硬件系统 ； 队长办公室监控软件为软 件 系统 。 b 具有钻 井屏、 泥浆 屏、 气 体屏 、 防喷控制 屏 、 曲线 屏 、 修 井屏 等多 种钻机 状态 监控 画面 。 石油 矿 场机 械 2 0 1 0年 7月 图 6 队长办公室监控系统 图 7 队 长 办公 室监 控 软 件 界 面 c 具有 中、 英 文切 换功 能 。 d 可实现公 、 英制单位切换。 e 所有参 数可实时声光报警 ， 可任意设置报 警 门限。 f 井场数 据可 实时远 程传 输 。 g 具 备 网站发布 功能 。 1 ． 5远 程监控 系统 1 ． 5 ． 1系统 组 成 及 功 能 远程 监督 办公 室监控 系统是 一套在 局域 网 内可 以浏览的网页软件 ， 只要经过授权 ， 输入相应 的 I P 地 址 即可 随 时浏 览 现 场发 回的 实 时数 据 ， 用 于 远 程 监 控现场 的数 据 采 集 ] 。其 通讯 链 路 是 局 域 网 ， 由 商用台式计算机 、 局域 网和远程监督 办公室监控软 件组成， 与钻台监视仪一样具有更大容量数据的存 储 、 打印、 回放和资料处理功能 ， 与队长办公室工控 机进行实时数据传输， 将钻 台的数据实时呈现在指 挥 中心人 员面前 。远 程监控 系统 软件界 面如 图 8 。 1 ． 5 ． 2主 要 特 点 a 以 Wi n d o ws X P为 操作 系统 。 b 具有 中 、 英 文切换 功能 。 c 实现公 、 英制单位切换。 d 具有 钻井屏 、 泥浆 屏、 气体屏 、 防喷控制 屏 、 曲线屏、 修井屏等多种钻机状态监控画面。 e 所有 参 数 实 时声 光 报警 ， 可 任 意设 置 报 警 门 限。 f 井 场数 据实 时远程 传输 。 图 8远程监 控系统软件界 面 2 主要技术指标 海洋钻井多参数仪系统主要技术指标如表 1 。 表 1 海洋钻井多参数仪系统 主要技术指标 3 现场安装布线 海洋钻井多参数仪系统现场布线如图 9 。 第 3 9 卷第 7 期 邓忠彬 ， 等 海洋钻井多参数 仪系统设 计研究 图 9 海洋 钻井 多参数仪 系统 现场 布线 4 设计特点 a 钻台监视仪能实时采集并监控钻机在作业 过程 中所有参数的变化情况 ， 前 台监控软件可采集 处理 4 7 个 参数 。 b 采 用 P C ／ 1 0 4嵌 入 式 计 算 机 技 术 和 防 爆 C AN总线技术进行数据采集和处理， 结构简单 ， 可 靠性 高 ， 安 装 和拆 卸方 便 。 c 采用 液 晶显 示 屏触 摸 屏 技 术 ， 人 机 对 话 操 作 ， 视觉效果 好 。 司钻 可 根据 个 人 习 惯 自主 选 择 钻 井屏 、 泥浆屏 、 气体屏、 防喷控制屏 、 曲线屏 、 修井屏 6个监控 界 面 。 d 实现 了模 块 化 结构 设 计 ， 易 于 扩 充 。根 据 不 同的钻井 工 艺需 要 ， 可 配 置各 种 不 同的参 数 。系 统各 部分之 间均 采 用 C AN 总 线 连 接 ， 现场 安 装 调 试简 单 ， 更 易维护 。 e 队长和现 场监 督通 过 队长 办公 室监 控 系统 能实 时监控 井场 的数 据 。 f 陆地指 挥 中心能通 过远 程监 督 办公 室 监控 系统查看 钻 修 井 现场 的数据 。 g 整套 系 统 防腐 、 防爆， 安全 性好 ， 适 用于 一 4 0 ～ 6 0℃的各种恶 劣环 境 ， 实 时监 测 有毒 有 害 气体及地层异常压力 ， 提高作业安全性 。 5 设计创新点 a 海 洋钻井 多参 数仪 采用 了世 界上最先 进 的 P C ／ 1 0 4 嵌人式计算机为核心 的 C AN 总线 数据采 集 系统 ， 具 有数 据采集 、 存储 、 远 程传输 的功 能 ， 适 用 于各种类型的钻机和修井机 。 b 钻 台监 控软 件可测 量 4 7个参数 ， 并可 设置 相关参数报警 门限， 实现实时声光报警。 c 采用特殊外型结构， 使之更适用于海上使用。 d 监 控 软 件 实 现 人 性 化 设 计 ， 非 常 实用 ； 司 钻 可根据 个人 习惯 自主选 择钻 井屏 、 泥浆屏 、 可燃 气 硫化氢屏 、 防喷控制屏、 曲线屏等界面； 软件结构简 单 ， 操作方 便 。 e 能 自动判别传感器和节点是否正常工作 ， 相同信号之间的节点可任意更改， 便于维修 。 f 钻 台检 测仪 与队长 办公 室之 问 的通讯 采 用 无线 通讯 。 g 局 域 网上 的任 意 一 台 电脑 均可 通 过 I E浏 览器 的地 址输入 栏 输 入 队 长办 公 室 电脑 的 I P地址 来对现场数据进行浏览。 6 结 语 海洋钻 修 井 多 参数仪 的研 制标志 着 中海油海 洋钻 修 井 机 设 备 的数 字 化 进 程 向前 迈 进 了一 大 步 ， 同时也 为建设 海 洋数 字 化 油 田打下 了坚 实 的理 论 和实 践基 础 。 参考 文献 [ 1 ] 北京 市康迪 思创科 技有 限责任公 司． P C 1 0 4双路非 智 能 C A N卡用户手册Lr - ． J1 ．2 0 0 5 ． 2 张东旭 ， 齐明侠． 基 于现场总线的钻机工作参数 临视 系 统设计 l_ J ] ． 石油矿场 机械 ， 2 0 0 9 ， 3 8 2 5 2 5 4 ． [ 3 ] 吴九辅 ， 吴尽， 李化龙． 现场总线在油 田注水监控系统 中的应用研 究[ -1 ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 8 ． 3 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