海上平台模块钻机仪控系统设计

海上平台模块钻机仪控系统设计

陈建玲马金喜许晓英王万旭金秋

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中海石油（中国）有限公司天津分公司渤海石油研究院天津300452

摘要：本文对海上平台模块钻机仪控系统设计进行介绍，对司钻控制系统、钻井仪表系统、火气及ESD系统、灰罐仪表系统和就地检测和控制仪表设计方案分别进行了描述。

关键词：模块钻机；钻井仪表；司钻控制系统

引言

海上平台模块钻机仪控系统设计是模块钻机设计的重要组成部分，对模块钻机的安全性、稳定性、可操作性都具有至关重要的作用。安全可靠的设计理念，机械化和智能化水平的提高，可以提高司钻的操作效率，减少故障率，确保钻井作业的安全性和连续性，从而提高钻井时效，降低成本。模块钻机仪控系统设计包括司钻控制系统、钻井仪表系统、火气及ESD系统、灰罐仪表系统和就地检测和控制仪表这几部分。

1司钻控制系统

司钻控制系统用于控制整个司钻设备，司钻系统的变频及配电设备主要设置在DSM层VFD和MCC间，因此司钻控制的PLC控制柜也相应设置在DSMMCC间内，PLC采集泥浆泵、发电机以及辅助设备等的现场仪表信号，通过硬线或Profibus-DP采集VFD盘和MCC盘的状态、报警和启/停信号，并在司钻房和DESMCC间内设置PLC从站，即设置远程I/O和通讯，采集绞车、转盘、液压系统设备以及辅助设备等的现场仪表信号，通过硬线或Profibus-DP采集DESMCC盘的状态、报警和启/停信号，PLC通过信号处理来控制司钻设备，并可通过Profibus-DP或光纤远传至人机界面进行监控。

司钻控制系统应采用最新型的控制系统，控制器、电源、I/O、通讯采用冗余配置，高集成化，系统供电为UPS电制。司钻控制采集现场司钻设备的仪表信号多采用硬线传输；采集智能化的变频及配电系统信号多采用profibus-DP网络结构通讯；与司钻房和DESMCC间的I/O从站多采用光纤网络通讯。

在PLC系统盘上设置一套HMI，在司钻台上设置一套IPC，并可根据需求，在司钻房设置一套冗余的IPC可实现更可靠的实时监控。

顶驱控制系统采用独立的司钻控制，常规与顶驱配电及变频系统一起设置在独立的顶驱电控房内，便于信号传输与控制；也可根据用户需要，将顶驱控制与泥浆泵、发电机、绞车等司钻控制设置在一起，通过Profibus-DP与VFD之间进行信号传输。

2钻井仪表控制系统

钻井仪表是用于监测钻井过程中各种设备与工具的有关参数，以保证正常的钻井作业。主要参数包括大钩载荷、立管压力、泥浆泵冲、泥浆返回流量、顶驱/转盘扭矩、顶驱/转盘转速、井深、钻压、大钳拉力、泥浆池体积等相关参数显示、计算和记录。

钻井仪表系统主要包含三个组成部分：DAQ（数据采集单元）、钻台显示单元、传感器单元。

常规在DESMCC间设置钻井仪表数据采集器，DSM层和DES层的钻井仪表信号通过相应区域的接线箱送至数据采集器进行处理，并将信号送至司钻房钻井监视器（DrillWatch）、显示表头和远程服务器（Server）进行监控。

模块钻机常规采用一套数据采集器，DSM和DES模块的钻井仪表信号通过各自区域的接线箱传送至数据采集器集中处理，此方案系统集成度高，是模块钻机中广泛采用的一种方式。

3火气及ESD系统

火气探测系统（F&G）的功能是及时、准确地探测到可能发生或已经发生的火情或可燃气体泄漏，及时采取相应的安全措施（如报警、关断、消防等），以保护平台上人员和设备的安全。火气探测系统的控制逻辑由安全监控系统来实现。

火气探测系统包括火气探测系统、现场探测/报警设备以及该系统和其它系统如紧急关断、消防、配电设备、广播报警、HVAC等系统的接口。现场火气探测、报警设备包括：火焰探测器、热探测器、烟探测器、可燃气体探测器、氢气探测器、硫化氢探测器、手动报警站、平台状态灯、气体灭火系统手动按钮及报警灯铃等。

模块钻机火气系统是一个独立的系统，它可以自动处理和接收信号，并且能够发送和接收组块中控系统的信号。模块钻机火气系统包括火气盘、火气可寻址盘、现场火气探测及报警设备。火气盘常规布置在应急配电间或值班室，它的主要功能是实时监控所有火气探测设备信号，把报警信号传送到组块的中控室，并且启动相应的报警灯铃以及其它必要的设施。模块钻机中的火气探测及报警系统能够持续监测模块中每个区域的险情，能够及时对每个确认火或者确认气体泄漏信号作出反应，并触发相应的灭火装置以及关断系统同时启动报警装置。模块钻机火气系统与组块火气系统的信号传送分硬线传送和软线传送两种，硬线传送信号通过接线箱来连接，软线直接与火气盘连接。

在司钻房内设置一套火气系统监控盘，作为火气系统的远程监控站便于司钻操作者24小时监控。在火气监控盘上设置ESD按钮、消防系统启停按钮和报警灯，并设置一套显示屏监控火气系统状态报警信号。

可靠性设计上，火气系统外部电源采用双电源回路供电，控制系统的CPU模块、电源模块、通讯模块、数据通信总线和I/O模块等采用1：1冗余配置。依照IEC61508和IEC61511标准，火气系统的安全性等级至少满足SIL2级标准。

4灰罐仪表系统

灰罐仪表主要是用于监测灰罐及缓冲罐的料位及重量，从而来保证输灰系统中的高效性和可靠性。灰罐仪表数据采集器采用PLC进行数据采集。

常规的灰罐仪表可分为两类：液压式和电子式称重仪表。液压式通过测量支腿的受力测量出罐内材料的重量。此测量方式精度较高，但其安装维护困难。电子式是通过导波雷达料位传感器，通过测量料位的高度，计算得到灰罐重量。此传感器是根据水泥等粉尘大、干扰测量结果的介质而专门生产新型的一体化智能传感器此测量方式属于间接测量，存在测量盲区，精度相对较低，但属于智能化配置，操作维护方便，电子式测量是模块钻机中常规采用的测量方式。

4就地检测和控制仪表

现场仪表及辅件应尽量选用标准系列化产品，尽可能减少仪表品种、类型，以减少备品备件的种类，方便操作与维护。现场仪表的安装应满足有关规范及制造厂商的要求，同时考虑操作、维护、检修和更换的方便。现场仪表的防爆、防护等级应有权威机构的认可标准和认可证书。

模块钻机常规设置有司钻设备自带的压力、温度、流量、液位、分析仪表以及各种阀类仪表；公用及消防系统压力表、压力变送器、液位计、自力式调节阀、安全阀；泥浆控制系统关断阀等。仪表的选型和应用应满足模块钻机的特点要求，尤其是针对应用于泥浆介质的仪表应满足防堵塞防冲蚀等特点。

5总结

海上平台模块钻机仪控系统设计要充分考虑安全性和可操作性，与组块的接口界面要清晰，因果逻辑设计要合理。避免故障发生。保证钻井作业效率和人员操作的安全性。

参考文献：

[1]《海洋石油工程设计指南》编委会编著.海洋石油工程电气、仪控、通信设计[M]．北京：石油工业出版社，2007.6

第一作者简介：

陈建玲（1981-），女，高级工程师，现主要从事海上油气田开发工程仪控研究设计。