钻井安全监控与防护装置及其智能防护系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油钻井安全监控及防护技术，尤其是涉及一种钻井安全监控与防护装置及智能防护系统，应用于石油钻井，对于降低石油钻井风险、保障人民群众的生命财产安全具有一定的现实意义。
【背景技术】
[0002]石油钻井行业是石油行业的高危子行业之一。历史上石油钻井发生过一些大的安全事故，不仅造成经济上的重大损失，而且产生了巨大的负面社会影响。特别是近年来，随着国内石油行业的快速发展，石油钻井队伍的迅速扩张，起钻灌浆不及时，溢流与井漏监测不准确，游车顶天车、顿钻、溜钻、井漏不能在第一时间发现等引发事故，导致人员伤亡、设备损坏的情况数不胜数，所造成的经济损失也非常巨大。
[0003]目前，人身、井下、设备安全愈来愈成为企业发展的重中之重，随着石油勘探工程工作量的不断增长，安全生产的压力也越来越大。因此，如何运用现代化的高科技手段，改善现有安全防护设施状况、提高安全设备性能与水平，已是减少事故隐患、提高钻井作业的安全系数、提升安全工作的整体水平的当务之急。
[0004]目前钻机配备的钻井作业安全防护设施有以下几类:
[0005]1、钻井泵安全阀。目前国内常用的防护装置是机械销钉剪切式安全阀，其工作原理是:钻井泵里的高压钻井液作用于承载活塞而产生压力，通过凡尔体传到保险臂上，当泵内钻井液压力超过规定的安全值时，安全销便被剪断，钻井液通过排除联接管排出阀外，从而起到泄压、保护人身设备的安全作用。
[0006]在钻井现场实际使用中，此种方法存在以下不足之处:
[0007]I)无自动停泵功能:当安全阀工作泄压后钻井泵仍处于运转状态，需要靠操作人员发现后才能停泵，造成大量泥浆溢出，可能对现场工作人员造成伤害并导致环境污染；
[0008]2)定位销容易变形造成剪切力误差增大，致使安全阀提前泄压或者滞后泄压而造成事故；
[0009]3)定位销的标定值只有5-6个，满足不了标准及现场实际工作要求；
[0010]4)安全阀保养不及时容易导致生锈卡死，泵压失控时不能正常工作；
[0011]5)泄压后重新开启钻井泵间隔时间长。安全阀泄压后要重新开泵需要倒闸门、倒泵，并打开安全阀检查活塞是否刺坏，如果刺坏需要更换活塞，安装好后才能重新开泵，全部工序所需时间一般都在10分钟以上。
[0012]2、游车防碰装置。目前，石油钻机上使用的防碰天车装置主要有重锤式、过卷阀和电子防碰三种。在现场实际使用中存在以下的问题和不足:
[0013]I)重锤式防碰天车装置使用中存在的问题和不足:
[0014]重锤式防碰天车安装位置固定，不能调节高度，而在实际操作中工况不同对防碰装置的要求也不同，比如起下钻和钻进时的要求就不同；在使用顶驱和组合钻铤时由于高度限制只有把防碰装置停用才能进行下步操作，这时防碰装置不能发挥作用。此时防碰装置引绳如果没有拉紧很容易缠绕进游车滑轮内或者和大绳缠绕；游车碰撞限位绳之后依靠引绳传递动作，防碰装置引绳长，动作不及时反应速度较慢。当游车碰到防碰绳子的时候再把引绳拉紧，然后再把重锤上的开口销拉开然后重锤下落断气刹车，这时如果游车运行速度快可能已经碰撞了天车；防碰引绳过长，当风力较大时容易把下面的开口销拉开，造成误刹车，引绳还会挂到井架上；防碰装置作用后，要解除刹车，必须抬起刹把进行释放，此时游车迅速下行，不利于安全操作。
[0015]2)过卷阀式防碰天车装置使用中存在的问题和不足:
[0016]挡杆为丝扣连接，由于绞车振动较大很容易造成挡杆脱落而失去作用；档杆松动退出会造成断气刹车，在操作人员不知情的情况下，刹把迅速下落容易对操作人员造成伤害；大绳缠乱时容易导致防碰装置动作而刹车，或者是防碰天车不起作用(大绳缠绕到一头)，原来的绞车安装在钻台上，操作者能够及时发现大绳缠乱而采取必要的措施。现在的绞车都是低位安装，司钻不能直接看到滚筒，一旦措施不当，人身伤害事故就不可避免；防碰装置执行动作不准确，在游车高速上行时，大绳容易排乱，不能准确碰到过卷阀，防碰装置无法执行防碰动作，容易造成顶天车事故。
[0017]3)电子防碰天车装置使用中存在的问题和不足:
[0018]不能自动识别工况，在钻进和起下钻时防护高度不同，起钻时候设置是125圈刹车，而在钻进时候是120圈刹车，当工况转换的时候需要重新设置参数，而每次调整参数时候需要打开装置后盖才能进行调整，调整比较麻烦；只有防碰功能没有防顿、防溜功能，一旦在下放游车过程中造成顿钻和溜钻很容易造成人员伤害和设备损坏并导致井下事故，造成钻具落井、井下复杂；保护时防碰装置一旦刹车，就需要断电解锁，才能进行下一步操作，此时游车处于失控状态。
[0019]3、溢流与井漏监视装置。在石油勘探开发与钻井过程中，及时、准确、稳定、可靠地监测泥浆流动的状态，是分析判断是否有井涌井漏的前提。井涌和井漏在其形成初期会有细小的变化，井涌井漏监测最关键、最重要的就是在涌漏发生的第一时间发现这些细小的变化并及时预警报警，为消除隐患争取时间，为安全钻进提供可靠保障。
[0020]目前，国内外常用的井涌井漏监测方法主要有两种类型:一是在高架回流槽上使用鸭舌板流量计或超声波液位仪等探测仪器，其原理是通过对高架回流槽内泥浆液面的探测，分析判断是否有井涌井漏发生；二是在泥浆循环罐上通过人工间隔测量泥浆循环罐内泥浆液面的变化，或是通过安装浮球式液位计、超声波液位仪等探测仪器来测量泥浆循环罐内泥浆液位的变化，推导出泥浆方量的变化，以此分析判断是否有井涌井漏发生。在实际使用过程中，以上两种方法都不能在第一时间及时、准确、稳定、可靠地判断是否有井涌井漏发生，原因在于(I)回流槽内泥浆的密度、粘度、温度、流速等都随钻进而不断变化，且泥浆中含有的泥沙钻肩使泥浆的流动状态成多相流，在如此复杂环境下鸭舌板流量计或超声波液位仪无法做到稳定可靠地测量。(2)国内外通常的要求是涌漏量超出正常值1-2方就必须预警报警，而1-2方的变化量反映在回流槽的液面上仅有I毫米的变化，鸭舌板流量计或超声波液位仪无法精确探测到回流槽的液面如此微小的变化量。(3)对井涌井漏的监测，首先应该及时定性地判断是否有井涌井漏的异常情况发生，其次才是准确计量、定量分析井涌井漏的程度。在泥浆循环罐上，无论是采用人工间隔测量还是使用浮球式液位计或超声波液位仪测量泥浆循环罐内泥浆液位方量的变化，都是要等到量的积累达到一定程度再来推断是否有涌漏异常发生，即是一种定量的分析判断方法，所以也不能在第一时间定性判断是否有井涌井漏发生。
[0021]4、在起钻灌浆方面，大部分钻井队习惯性用钻井泵灌浆，有的尝试以小泵自动灌浆替代手动钻井泵灌浆。
[0022]I)用钻井泵进行灌浆，此种方法存在以下不足:
[0023]无法准确计量钻井液灌入量，只能通过观察架空槽出口是否有泥浆返出来判断是否灌满井筒；安全系数低。实际工作中，钻井队都要利用起下钻的时间检修钻井泵，如果开泵时司钻和修泵人员配合不当，容易发生事故，司钻一旦误操作，很容易导致修泵人员受到人身伤害；浪费能源。钻井泵功率很大，启动时必须由柴油机提供动力，消耗柴油较多。测试结果表明，使用钻井泵灌浆比使用5KW小泵灌浆，每个钻机月多耗柴油1-2吨。
[0024]2)用小泵进行灌浆，此种方法存在以下不足:
[0025]需单独在循环罐上分割出灌浆罐，压缩了循环罐的有效使用空间，且灌浆罐内的钻井液不能得到搅拌；要单独铺设灌浆管线，工序繁琐；不能实现自动灌浆、不能实时监控、记录与校核，仍然为手动操作，存在失误的可能性。
[0026]5、钻井多参数仪。钻井多参数仪弥补了机械式钻井仪表的不足，使钻井参数的显示更加全面，为钻井安全提供保障。但当出现安全隐患时，它不能做到有效的控制。
【发明内容】
[0027]本发明针对现有技术不足，提出了一种钻井安全监控与防护装置及其智能防护系统，为石油钻井创建了一个集泵压防护、游车防护于一体的自动化操作平台及监控系统。
[0028]本发明所采用的技术方案:
[0029]一种钻井安全监控与防护装置，包括数据采集单元、控制处理单元、安全防护执行单元，所述控制处理单元包括PLC以及工控机，所述PLC通过串口与工控机连接，数据采集单元的各类传感器对现场作业数据实时采集后通过AD模块转换后传输给PLC及工控机，工控机按照设定程序判断是否采取安全防护措施，并通过PLC启动安全防护执行单元，所述安全防护执行单元包括电控式泵压防护机构以及游车防护机构，对应的数据采集单元的配置包括:安装在立管或泥浆泵上的压力传感器；安装在绞车滚筒的导气龙头上的绞车传感器；安装在死绳固定器上的悬重传感器；所述压力传感器、绞车传感器、悬重传感器输出信号连接到PLC ;所述PLC设有对应的输出端口分别控制连接所述电控式泵压防护机构以及游车防护机构。
[0030]所述的钻井安全监控与防护装置，电控式泵压防护机构的配置如下:
[0031]I)在高压管线的灌浆阀或低压回水阀的下游安装一个常闭式气动阀；
[0032]2)对于机械式钻井泵，钻井泵控制开关之间的气路上安装常开式泵压防护电磁阀，所述泵压防护电磁阀采用两位五通电磁阀，所述泵压防护电磁阀的进口 P与控制气源相连，所述泵压防护电磁阀的常开式出口 A分成两路，一路与钻井泵手动开关阀的进口气路连接，另一路与气动阀的关闭接口连接；所述泵压防护电磁阀的常闭式出口 B与气动阀的启动接口连接；
[0033]3)所述泵压防护电磁阀的控制电路连接PLC的控制输出端口 ；
[0034]4)对于电控式钻井泵，在电动钻井泵的变频控制器与其控制转换开关之间安装模拟信号源，所述模拟信号源输出信号通过所述转换开关连接变频控制器的控制信号输入端，所述模拟信号源受控连接所述PLC。
[0035]或者，所述的钻井安全监控与防护装置，电控式泵压防护机构的配置如下:
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