钻井气体监测仪系统的研制

邓忠彬,李 浩,鹿海田

(中海油能源发展油建渤海装备分公司,天津300452)

钻井气体监测仪系统的研制

邓忠彬,李 浩,鹿海田

(中海油能源发展油建渤海装备分公司,天津300452)

钻井气体监测仪系统是石油钻(修)井行业中一种非常重要的安全生产监测设备,能准确地监测钻(修)井过程中从井筒中返出的 H2S、可燃气等有毒易爆炸气体的质量浓度。当气体质量浓度超过设定值时产生报警,便于司钻和钻(修)井监督部及时采取措施。介绍了钻井气体监测仪系统的原理、组成、技术参数及关键技术。

钻井气体监测仪;数据采集器;H2S;传感器;技术参数

Abstract:Drilling gas monitoring system is an instrument for industry safety in the petroleum drilling.It can exactly measure the consistence of the H2S gas,combustible gas,and some other poisonous and explosion gas from the well.It can alarm based on the setting value of the gas,tell the drillers and the drilling supervisors the situations,and choose the correct way to solve the problems.The design theory and compose and technical parameter and the key technology of the drilling gas monitoring system is introduced.

Key words:drilling gas monitor;data acquisition;H2S;detector;technical parameter

在钻井和修井的过程中,有大量气体会伴随着泥浆涌出地面。其中包含了可燃气、H2S等有毒有害气体,对人身安全形成了较大的威胁。为了防患于未然,需对这些气体的质量浓度进行实时监测并自动报警,以便根据监测的气体质量浓度情况,采取相应的措施,杜绝安全事故的发生。目前,大多数钻井气体监测仪都是国外的产品,价格高、维修成本高,不利于现场维护。

1 系统功能

钻井气体监测仪系统能实时监控可燃气体、H2S的气体含量,含量超标立即报警;实时监控热源和烟雾,发现火灾隐患及时报警,以便采取相应的措施。该系统既能应用于陆地钻井现场,又能应用于海洋石油平台钻(修)井现场,故要求其满足海洋环境的使用要求,能够防尘、防腐、防爆。报警信号能传入平台中控室,任一探头发生报警,声光报警器即发出报警信号,同时传至中控室。通过对钻井现场有毒有害气体监测和报警,为钻(修)井监督人员准确快速地调整钻井参数、改变钻(修)井方式、科学安全钻(修)井提供实时依据,从而达到科学安全无风险钻(修)井的目的[1]。

2 测量原理

钻井气体监测仪系统的测量采用CAN总线的数据采集方式。通过3个数据采集器对所有的传感器的信号进行采集,并与计算机进行数据交换,完成计算、显示和状态指示,对超出技术指标的信号实施声光报警[2]。

CAN总线与计算机数据交换原理如图1,与气体探测器之间的数据交换原理如图2。

图1 CAN总线与计算机数据交换原理

图2 CAN总线与气体探测器数据交换原理

3 系统组成

钻井气体监测仪系统由钻台数据采集器、井口区数据采集器、泥浆池数据采集器、钻井气体监测仪、声光报警器和4种气体探测器组成[3-4]。系统组成如图3。

图3 钻井气体监测仪系统

3.1 钻台数据采集器及气体探测器

钻台数据采集器安装在钻台上,能接收各种气体探头的信号,将它们以总线的方式与气体监测仪进行数据交换。工作温度-25～60℃,防爆等级ExdIICT4,防护等级IP67。目前在钻台井口区附近安装了1#H2S、1#可燃气、1#烟探头和1#紫外线探头4个气体探测器。一旦在钻井过程中有气体、烟雾和明火产生,传感器很快将信号传到气体监测仪,并由气体监测仪产生报警信号。一路驱动声光报警器工作,另一路传到中控,由中控统一协调,采取应急措施。

3.2 井口区数据采集器及气体探测器

井口数据采集器安装在钻台下方,能接收从防喷器喇叭口泄露的各种气体的信号,将它们以总线的方式与气体监测仪进行数据交换。工作温度-25～60℃,防爆等级 ExdIICT4,防护等级 IP67。目前在钻台下方井口附近加装了2#H2S、2#可燃气、2#烟探头和2#紫外线探头4个气体探测器。一旦在钻井过程中钻台下方出现有气体、烟雾和明火产生,传感器很快将信号传到气体监测仪,并由气体监测仪产生报警信号。

3.3 泥浆池数据采集器及气体探测器

泥浆池数据采集器安装在泥浆池附近,能接收泥浆出口及泥浆池内各种气体探头的信号,将它们以总线的方式与气体监测仪进行数据交换。工作温度-25～60 ℃,防爆等级 ExdIICT4,防护等级IP67。目前在泥浆池上靠近泥浆出口的位置安装了3#H2S、3#可燃气、3#烟探头和3#紫外线探头4个气体探测器。一旦在钻井过程中泥浆出口有 H2S、可燃气气体、烟雾和明火产生,气体探测器很快将信号传到气体监测仪,并由气体监测仪产生报警信号。

3.4 钻台气体监测仪

钻台气体监测仪是1台能进行数据采集、显示并能实行声光报警的PC104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,所有钻台气体监测仪设备均安装在一个防爆箱内,由军用级PC104嵌入式计算机系统、触摸式液晶显示器组成,能实时完成数据采集工作。

PC104嵌入式计算机系统由 PC104CPU板和非智能CAN卡组成。非智能CAN卡的功能为CAN总线数据收发,并与 PC104CPU板通讯,数据收发由CAN控制器和CAN收发器完成。主机通过ISA接口控制电路来访问CAN控制器,完成数据通信。触摸式液晶显示器由防爆触摸屏和 TFT液晶显示器组成。

钻台气体监测仪具备以下功能及特点:

a) 工作温度-40～70℃。

b) 采用PC104嵌入式计算机,能独立完成数据采集,又能与后台计算机或中控实现数据通讯。通过CAN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。钻井气体监测常用的参数有:硫化氢、可燃气、烟探头和紫外线探头。

c) TFT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ID的设置。

d) 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。

e) 任意设置各参数的报警门限,并提供声光报警。

f) 安装方便,适用性强,适合安装不同类型的钻机。

g) 满足防爆、防淋、防冻、抗震、抗干扰的要求。

h) 对外接口为 CAN总线、电源线。简单方便。

3.5 气体探测器技术指标

3.5.1 烟感探测器

3.5.2 紫红外线复合火焰探测器

3.5.3 硫化氢探测器

3.5.4 可燃气探测器

3.5.5 声光报警器

4 关键技术

4.1 抗高低温措施

由于仪器工作在野外或海上平台,冬天温度达到-25℃,夏天温度达60℃,昼夜温差较大,因此必须采取抗高、低温措施,控制措施主要在于电子元器件和传感器的选型。在设计电路时,全部采用宽温型低功耗电子元器件,特别是选择宽温液晶显示器至关重要,它能保证在低温状态下能够正常显示。电源模块的选用也很重要,它的工作稳定性决定着其他电子元器件能否正常运行。

4.2 抗振动措施

为了提高系统的抗振动性能,首先从电路板的安装入手,采用了抗振动结构,并对液晶显示器进行了有效地加固。这样即使有较大的机械振动,该系统也能正常、稳定地工作。

4.3 防护性能

采用隔爆型设计,满足防爆等级:ExdⅡCT4,防护等级:IP67。

5 结语

由于采用了高性能的军用级 PC104嵌入式计算机作为系统核心,并采用了贴片元器件,使其系统结构变得紧凑,进一步提高了可靠性和抗干扰能力。该系统经过海上1 a多时间使用,用户反映效果良好。

该系统能实时显示并记录钻井时井筒内冒出的气体状态,实现现场声光报警,是一套非常实用的钻井气体监测系统。实验证明,该系统测量精度高、可靠性好,值得推广应用。

[1] 王银生,杨锦舟.井下工程参数随钻测量仪的研制[J].石油仪器,2009,23(1):35-36.

[2] 中海油能源发展油建渤海装备分公司.钻井气体监测仪系统操作手册[K].2009.

[3] 邓忠彬,王 涛,王幼平.海洋钻井多参数仪系统的研究[J].石油矿场机械,2010,39(7):54-59.

[4] 张东旭,齐明侠.基于现场总线的钻机工作参数监视系统的设计[J].石油矿场机械,2009,38(2):52-54.

Design of Drilling Gas Monitoring System

DENG Zhong-bin,LI Hao,LU Hai-tian
(Field Construction Bohai Equipment Service Company,CNOOC,Tianjin300452,China)

TE927.9

A

1001-3482(2010)11-0029-04

2010-05-12

邓忠彬(1968-),男,湖北钟祥人,工程师,1989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,现从事海洋钻修机设备的设计及管理工作,E-mail:deng_zhongbin@yahoo.com.cn。