鉆井安全監(jiān)控與防護裝置及其智能防護系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及石油鉆井安全監(jiān)控及防護技術(shù)，尤其是涉及一種鉆井安全監(jiān)控與防護裝置及智能防護系統(tǒng)，應用于石油鉆井，對于降低石油鉆井風險、保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全具有一定的現(xiàn)實意義。
【背景技術(shù)】
[0002]石油鉆井行業(yè)是石油行業(yè)的高危子行業(yè)之一。歷史上石油鉆井發(fā)生過一些大的安全事故，不僅造成經(jīng)濟上的重大損失，而且產(chǎn)生了巨大的負面社會影響。特別是近年來，隨著國內(nèi)石油行業(yè)的快速發(fā)展，石油鉆井隊伍的迅速擴張，起鉆灌漿不及時，溢流與井漏監(jiān)測不準確，游車頂天車、頓鉆、溜鉆、井漏不能在第一時間發(fā)現(xiàn)等引發(fā)事故，導致人員傷亡、設(shè)備損壞的情況數(shù)不勝數(shù)，所造成的經(jīng)濟損失也非常巨大。
[0003]目前，人身、井下、設(shè)備安全愈來愈成為企業(yè)發(fā)展的重中之重，隨著石油勘探工程工作量的不斷增長，安全生產(chǎn)的壓力也越來越大。因此，如何運用現(xiàn)代化的高科技手段，改善現(xiàn)有安全防護設(shè)施狀況、提高安全設(shè)備性能與水平，已是減少事故隱患、提高鉆井作業(yè)的安全系數(shù)、提升安全工作的整體水平的當務之急。
[0004]目前鉆機配備的鉆井作業(yè)安全防護設(shè)施有以下幾類:
[0005]1、鉆井栗安全閥。目前國內(nèi)常用的防護裝置是機械銷釘剪切式安全閥，其工作原理是:鉆井栗里的高壓鉆井液作用于承載活塞而產(chǎn)生壓力，通過凡爾體傳到保險臂上，當栗內(nèi)鉆井液壓力超過規(guī)定的安全值時，安全銷便被剪斷，鉆井液通過排除聯(lián)接管排出閥外，從而起到泄壓、保護人身設(shè)備的安全作用。
[0006]在鉆井現(xiàn)場實際使用中，此種方法存在以下不足之處:
[0007]I)無自動停栗功能:當安全閥工作泄壓后鉆井栗仍處于運轉(zhuǎn)狀態(tài)，需要靠操作人員發(fā)現(xiàn)后才能停栗，造成大量泥漿溢出，可能對現(xiàn)場工作人員造成傷害并導致環(huán)境污染；
[0008]2)定位銷容易變形造成剪切力誤差增大，致使安全閥提前泄壓或者滯后泄壓而造成事故；
[0009]3)定位銷的標定值只有5-6個，滿足不了標準及現(xiàn)場實際工作要求；
[0010]4)安全閥保養(yǎng)不及時容易導致生銹卡死，栗壓失控時不能正常工作；
[0011]5)泄壓后重新開啟鉆井栗間隔時間長。安全閥泄壓后要重新開栗需要倒閘門、倒栗，并打開安全閥檢查活塞是否刺壞，如果刺壞需要更換活塞，安裝好后才能重新開栗，全部工序所需時間一般都在10分鐘以上。
[0012]2、游車防碰裝置。目前，石油鉆機上使用的防碰天車裝置主要有重錘式、過卷閥和電子防碰三種。在現(xiàn)場實際使用中存在以下的問題和不足:
[0013]I)重錘式防碰天車裝置使用中存在的問題和不足:
[0014]重錘式防碰天車安裝位置固定，不能調(diào)節(jié)高度，而在實際操作中工況不同對防碰裝置的要求也不同，比如起下鉆和鉆進時的要求就不同；在使用頂驅(qū)和組合鉆鋌時由于高度限制只有把防碰裝置停用才能進行下步操作，這時防碰裝置不能發(fā)揮作用。此時防碰裝置引繩如果沒有拉緊很容易纏繞進游車滑輪內(nèi)或者和大繩纏繞；游車碰撞限位繩之后依靠引繩傳遞動作，防碰裝置引繩長，動作不及時反應速度較慢。當游車碰到防碰繩子的時候再把引繩拉緊，然后再把重錘上的開口銷拉開然后重錘下落斷氣剎車，這時如果游車運行速度快可能已經(jīng)碰撞了天車；防碰引繩過長，當風力較大時容易把下面的開口銷拉開，造成誤剎車，引繩還會掛到井架上；防碰裝置作用后，要解除剎車，必須抬起剎把進行釋放，此時游車迅速下行，不利于安全操作。
[0015]2)過卷閥式防碰天車裝置使用中存在的問題和不足:
[0016]擋桿為絲扣連接，由于絞車振動較大很容易造成擋桿脫落而失去作用；檔桿松動退出會造成斷氣剎車，在操作人員不知情的情況下，剎把迅速下落容易對操作人員造成傷害；大繩纏亂時容易導致防碰裝置動作而剎車，或者是防碰天車不起作用(大繩纏繞到一頭)，原來的絞車安裝在鉆臺上，操作者能夠及時發(fā)現(xiàn)大繩纏亂而采取必要的措施?，F(xiàn)在的絞車都是低位安裝，司鉆不能直接看到滾筒，一旦措施不當，人身傷害事故就不可避免；防碰裝置執(zhí)行動作不準確，在游車高速上行時，大繩容易排亂，不能準確碰到過卷閥，防碰裝置無法執(zhí)行防碰動作，容易造成頂天車事故。
[0017]3)電子防碰天車裝置使用中存在的問題和不足:
[0018]不能自動識別工況，在鉆進和起下鉆時防護高度不同，起鉆時候設(shè)置是125圈剎車，而在鉆進時候是120圈剎車，當工況轉(zhuǎn)換的時候需要重新設(shè)置參數(shù)，而每次調(diào)整參數(shù)時候需要打開裝置后蓋才能進行調(diào)整，調(diào)整比較麻煩；只有防碰功能沒有防頓、防溜功能，一旦在下放游車過程中造成頓鉆和溜鉆很容易造成人員傷害和設(shè)備損壞并導致井下事故，造成鉆具落井、井下復雜；保護時防碰裝置一旦剎車，就需要斷電解鎖，才能進行下一步操作，此時游車處于失控狀態(tài)。
[0019]3、溢流與井漏監(jiān)視裝置。在石油勘探開發(fā)與鉆井過程中，及時、準確、穩(wěn)定、可靠地監(jiān)測泥漿流動的狀態(tài)，是分析判斷是否有井涌井漏的前提。井涌和井漏在其形成初期會有細小的變化，井涌井漏監(jiān)測最關(guān)鍵、最重要的就是在涌漏發(fā)生的第一時間發(fā)現(xiàn)這些細小的變化并及時預警報警，為消除隱患爭取時間，為安全鉆進提供可靠保障。
[0020]目前，國內(nèi)外常用的井涌井漏監(jiān)測方法主要有兩種類型:一是在高架回流槽上使用鴨舌板流量計或超聲波液位儀等探測儀器，其原理是通過對高架回流槽內(nèi)泥漿液面的探測，分析判斷是否有井涌井漏發(fā)生；二是在泥漿循環(huán)罐上通過人工間隔測量泥漿循環(huán)罐內(nèi)泥漿液面的變化，或是通過安裝浮球式液位計、超聲波液位儀等探測儀器來測量泥漿循環(huán)罐內(nèi)泥漿液位的變化，推導出泥漿方量的變化，以此分析判斷是否有井涌井漏發(fā)生。在實際使用過程中，以上兩種方法都不能在第一時間及時、準確、穩(wěn)定、可靠地判斷是否有井涌井漏發(fā)生，原因在于(I)回流槽內(nèi)泥漿的密度、粘度、溫度、流速等都隨鉆進而不斷變化，且泥漿中含有的泥沙鉆肩使泥漿的流動狀態(tài)成多相流，在如此復雜環(huán)境下鴨舌板流量計或超聲波液位儀無法做到穩(wěn)定可靠地測量。(2)國內(nèi)外通常的要求是涌漏量超出正常值1-2方就必須預警報警，而1-2方的變化量反映在回流槽的液面上僅有I毫米的變化，鴨舌板流量計或超聲波液位儀無法精確探測到回流槽的液面如此微小的變化量。(3)對井涌井漏的監(jiān)測，首先應該及時定性地判斷是否有井涌井漏的異常情況發(fā)生，其次才是準確計量、定量分析井涌井漏的程度。在泥漿循環(huán)罐上，無論是采用人工間隔測量還是使用浮球式液位計或超聲波液位儀測量泥漿循環(huán)罐內(nèi)泥漿液位方量的變化，都是要等到量的積累達到一定程度再來推斷是否有涌漏異常發(fā)生，即是一種定量的分析判斷方法，所以也不能在第一時間定性判斷是否有井涌井漏發(fā)生。
[0021]4、在起鉆灌漿方面，大部分鉆井隊習慣性用鉆井栗灌漿，有的嘗試以小栗自動灌漿替代手動鉆井栗灌漿。
[0022]I)用鉆井栗進行灌漿，此種方法存在以下不足:
[0023]無法準確計量鉆井液灌入量，只能通過觀察架空槽出口是否有泥漿返出來判斷是否灌滿井筒；安全系數(shù)低。實際工作中，鉆井隊都要利用起下鉆的時間檢修鉆井栗，如果開栗時司鉆和修栗人員配合不當，容易發(fā)生事故，司鉆一旦誤操作，很容易導致修栗人員受到人身傷害；浪費能源。鉆井栗功率很大，啟動時必須由柴油機提供動力，消耗柴油較多。測試結(jié)果表明，使用鉆井栗灌漿比使用5KW小栗灌漿，每個鉆機月多耗柴油1-2噸。
[0024]2)用小栗進行灌漿，此種方法存在以下不足:
[0025]需單獨在循環(huán)罐上分割出灌漿罐，壓縮了循環(huán)罐的有效使用空間，且灌漿罐內(nèi)的鉆井液不能得到攪拌；要單獨鋪設(shè)灌漿管線，工序繁瑣；不能實現(xiàn)自動灌漿、不能實時監(jiān)控、記錄與校核，仍然為手動操作，存在失誤的可能性。
[0026]5、鉆井多參數(shù)儀。鉆井多參數(shù)儀彌補了機械式鉆井儀表的不足，使鉆井參數(shù)的顯示更加全面，為鉆井安全提供保障。但當出現(xiàn)安全隱患時，它不能做到有效的控制。
【實用新型內(nèi)容】
[0027]本實用新型針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提出了一種鉆井安全監(jiān)控與防護裝置及其智能防護系統(tǒng)，為石油鉆井創(chuàng)建了一個集栗壓防護、游車防護于一體的自動化操作平臺及監(jiān)控系統(tǒng)。
[0028]本實用新型所采用的技術(shù)方案:
[0029]—種鉆井安全監(jiān)控與防護裝置，包括數(shù)據(jù)采集單元、控制處理單元、安全防護執(zhí)行單元，所述控制處理單元包括PLC以及工控機，所述PLC通過串口與工控機連接，數(shù)據(jù)采集單元的各類傳感器對現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)實時采集后通過AD模塊轉(zhuǎn)換后傳輸給PLC及工控機，工控機按照設(shè)定程序判斷是否采取安全防護措施，并通過PLC啟動安全防護執(zhí)行單元，所述安全防護執(zhí)行單元包括電控式栗壓防護機構(gòu)以及游車防護機構(gòu)，對應的數(shù)據(jù)采集單元的配置包括:安裝在立管或泥漿栗上的壓力傳感器；安裝在絞車滾筒的導氣龍頭上的絞車傳感器；安裝在死繩固定器上的懸重傳感器；所述壓力傳感器、絞車傳感器、懸重傳感器輸出信號連接到PLC ;所述PLC設(shè)有對應的輸出端口分別控制連接所述電控式栗壓防護機構(gòu)以及游車防護機構(gòu)。
[0030]所述的鉆井安全監(jiān)控與防護裝置，電控式栗壓防護機構(gòu)的配置如下:
[0031]I)在高壓管線的灌漿閥或低壓回水閥的下游安裝一個常閉式氣動閥；
[0032]2)對于機械式鉆井栗，鉆井栗控制開關(guān)之間的氣路上安裝常開式栗壓防護電磁閥，所述栗壓防護電磁閥采用兩位五通電磁閥，所述栗壓防護電磁閥的進口 P與控制氣源相連，所述栗壓防護電磁閥的常開式出口 A分成兩路，一路與鉆井栗手動開關(guān)閥的進口氣路連接，另一路與氣動閥的關(guān)閉接口連接；所述栗壓防護電磁閥的常閉式出口 B與氣動閥的啟動接口連接；
[0033]3)所述栗壓防護電磁閥的控制電路連接PLC的控制輸出端口；
[0034]4)對于電控式鉆井栗，在電動鉆井栗的變頻控制器與其控制轉(zhuǎn)換開關(guān)之間安裝模擬信號源，所述模擬信號