長距離井下循環模擬試驗裝置控制系統的設計

□ 李正博 □ 王 輝□ 王軍偉□ 邵 樂□ 王宇歡□ 唐燕飛

1.寶雞石油機械有限責任公司 陜西寶雞 721000

2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司 陜西寶雞 721000

1 設計背景

采用新技術和新工藝可有效提升鉆、完井質量,助力高質量發展。國內油氣田目前大多處于勘探開發中后期,開采難度大、成本高,井下工具優質的性能可以提高效率,降低成本。長距離循環管匯橇裝試驗裝置通過在地面上建立有限面積內不同傳輸距離及環境,形成分段組合式長距離鉆井循環技術,解決旋轉導向工具、控壓鉆井等多種井下工具及儀器的長距離地面循環測試問題。筆者主要對最長距離達3 000 m的長距離井下循環模擬試驗裝置控制系統進行設計。

2 裝置概述

長距離井下循環模擬試驗裝置通過在地面上建立有限面積內不同傳輸距離及環境,形成分段組合式長距離鉆井液循環技術。泥漿泵從循環罐中吸入循環液體,循環液體進入連續管滾筒橇。根據不同試驗工具需要,可以在控制界面中輸入相關的程序指令來調整對應電動閥門的開關,實現對循環距離的控制。循環液通過連續管滾筒橇后進入地面測試工具,進行相應測試試驗,并通過后端管匯接回循環罐。試驗過程中,可實現分段壓力、流量、溫度等參數的實時在線監測與流程閥門的自動控制,達到試驗工具的測試要求。

長距離井下循環模擬試驗裝置總體結構主要包括連續管滾筒橇、現場閥組、泥漿泵系統、循環罐、設備配電房、控制系統等,總體布局如圖1所示。

控制系統主要包括硬件和軟件兩部分,對現場閥組進行控制,對試驗數據,如流量、壓力、溫度等進行監測和采集,以滿足試驗要求。

硬件主要包括控制單元、執行單元、人機界面。控制單元如可編程序控制器、ET200子站等,執行單元如泥漿泵組、現場閥組、傳感器等,人機界面如工控機、相關物理開關等。

軟件主要包括可編程序控制器程序、人機界面程序兩方面。

3 控制系統輸入與輸出分析

通過對長距離井下循環模擬試驗裝置控制系統的輸入輸出進行分析,可以明確控制系統的人機操作類型和監控狀態信息,還可以明確被控對象類型及期望的動作。

3.1 輸入分析

控制系統的輸入包括人機界面的輸入及傳感器狀態、現場閥組的狀態。

人機接口操作主要采用通過觸摸式一體機輸入命令方式,控制試驗裝置內泥漿泵系統運行、開關閥組的開合、比例閥開度命令的輸入,以及相關控制命令的輸入。物理開關主要采用對相關急停開關的輸入。

泥漿泵組控制系統通過PROFINET通信網絡與長距離井下循環模擬試驗裝置控制系統進行數據交互,將泥漿泵的相關信息輸入控制系統。控制系統內部傳感器輸入主要包括4～20 mA電流信號、試驗裝置內部閥組開關狀態輸入。

3.2 輸出分析

控制系統的輸出主要是控制單元泥漿泵組、閥組等命令的輸出。泥漿泵組的命令輸出可通過控制器的PROFINET通信相關協議來實現輸出。對于閥組命令的輸出,可以定義為模擬量及開關量,通過控制器的數字量輸出及模擬量輸出點進行輸出。

4 硬件設計

4.1 框架

在長距離井下循環模擬試驗裝置控制系統的輸入與輸出已確定的情況下,對控制單元、執行單元、人機接口進行設計,組成完整的硬件系統。硬件系統框架如圖2所示。

圖2 硬件系統框架

4.2 控制單元

控制單元的設計主要包括集成控制的設計和遠程輸入輸出控制箱的設計。

將西門子可編程序控制器作為核心控制器,通過PROFINET通信網絡與人機界面系統、遠程輸入輸出控制箱、泥漿泵系統進行數據交互,實現對人機界面命令的發送、現場閥組及傳感器數據的采集,通過邏輯運算實現自動化、智能化控制,以及壓力、流量的智能化調節。以西門子遠程輸入輸出系統為機構控制及信號采集核心,通過PROFINET通信網絡與集成控制系統主可編程序控制器進行數據交互,實現對傳感器信號的采集,對閥組的控制及狀態監測。

4.3 執行單元

執行單元的設計主要包括電磁閥的設計、傳感器的設計及泥漿泵系統的設計。

系統配置27個開關閥及一個比例閥,通過控制開關閥的開關及比例閥的開度來改變循環管道的長度及系統的壓力,達到測試工具的試驗要求。

系統配置八個壓力傳感器、四個流量傳感器、兩個液位傳感器、兩個溫度傳感器,主要用于檢測系統壓力、流量、液位、溫度,通過控制系統的邏輯運算達到自動智能調節。

系統配置兩個泥漿泵及泥漿泵運轉所需的變頻系統,主要為長距離循環系統提供循環動力。

4.4 人機接口

在控制系統操作臺設計兩個急停物理開關,主要完成設備緊急情況下的動力急停和設備急停。

控制系統操作臺配置一臺一體式工控機和一臺顯示器,人機界面主要完成閥組、泥漿泵、工藝流程的控制及狀態顯示。

5 軟件設計

5.1 框架

控制系統主要按照長距離井下循環模擬試驗裝置的測試流程和試驗產品的測試需求來設計軟件,軟件測試流程如圖3所示。軟件設計主要包括可編程序控制器程序設計和人機界面程序設計。軟件系統框架如圖4所示。

圖3 軟件測試流程

圖4 軟件系統框架

5.2 可編程序控制器程序

可編程序控制器程序設計采用自頂向下、逐級細化的方法,主要分為輸入處理、功能處理、輸出處理三大部分。

輸入處理主要指處理接收可編程序控制器外部數據,包括閥組狀態、傳感器數據、泥漿泵狀態等。

功能處理主要指按照長距離井下循環模擬試驗裝置的功能需求,對閥組、傳感器、泥漿泵的狀態和數據進行控制和處理,通過邏輯運算,達到對泥漿泵的閉環控制,來滿足井下工具的試驗要求。

輸出處理主要指將功能處理程序的結果通過輸入輸出或PROFINET通信網絡傳輸至控制對象。

5.3 人機界面程序

人機界面程序設計主要配合可編程序控制器程序,完成長距離井下循環模擬試驗裝置控制系統的功能。人機界面主要有五個畫面,方案如圖5所示。

圖5 人機界面方案

一體式工控機主要有四個畫面,每個畫面可以通過切換進行顯示,具體功能如下:

(1) 畫面一為泥漿泵控制,實現兩個泥漿泵的命令發送和泥漿泵狀態顯示;

(2) 畫面二為閥組控制,實現閥組獨立開關命令發送,以及閥組部分狀態顯示;

(3) 畫面三為工藝流程控制,實現工藝聯動控制,按照設計的工藝流程進行工藝流程控制,共分為指令A、指令B、指令C、指令D、指令E、指令F、指令G;

(4) 畫面四為附屬功能,實現對壓力監測單元、流量監測單元、溫度監測單元、液位監測單元數據進行監測,并對以上參數進行存儲、歷史數據查詢及生成曲線報表。

顯示器主要進行閥組流程狀態的顯示,該畫面在系統運行過程中無論是單獨閥體操作還是工藝聯動操作,始終保持不變,無法進行切換。

6 結束語

筆者通過對長距離井下循環模擬試驗裝置控制系統的功能流程設計、輸入與輸出分析,使控制系統的硬件和軟件達到試驗功能的要求。通過軟件和硬件相結合,最終得到功能相對完善、配置相對合理的長距離井下循環模擬試驗裝置控制系統方案。