CN104879114B - 钻井安全监控与智能防护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻井安全技术领域。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，控制处理单元包括PLC以及工控机，PLC通过串口与工控机连接，数据采集单元的各类传感器实时采集现场作业数据传输给PLC及工控机，所述安全防护执行单元包括泵压防护机构以及游车防护机构：安装在立管或泥浆泵上的压力传感器、安装在绞车滚筒上的绞车传感器以及安装在死绳固定器上的悬重传感器输出信号连接PLC；所述PLC控制连接所述泵压防护机构以及游车防护机构。一种钻井安全监控与智能防护系统，安全防护执行单元包括泵压防护子系统，所述泵压防护子系统采用主动响应式安全防护方法，在泵压达到设定的保护值时，先停泵后泄压。

Description

钻井安全监控与智能防护系统

技术领域

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

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。

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。

目前钻机配备的钻井作业安全防护设施有以下几类：

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。

在钻井现场实际使用中，此种方法存在以下不足之处：

1)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；

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；

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；

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；

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。

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：

1)重锤式防碰天车装置使用中存在的问题和不足：

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。

2)过卷阀式防碰天车装置使用中存在的问题和不足：

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。

3)电子防碰天车装置使用中存在的问题和不足：

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。

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。

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(1)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屑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1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。

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。

1)用钻井泵进行灌浆，此种方法存在以下不足：

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。

2)用小泵进行灌浆，此种方法存在以下不足：

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。

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

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。

本发明所采用的技术方案：

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。

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：

1)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；

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；

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；

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。

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：

1)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；

2)对于机械式钻井泵，在钻井泵手动开关阀的出口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与钻井泵手动开关阀的出口相连，所述泵压防护电磁阀的常开式出口A与钻井泵控制气路相连，常闭式出口B堵住；在控制气源与泄压阀控制气路接口之间安装常开式泄压防护电磁阀，所述泄压防护电磁阀采用两位五通电磁阀，所述泄压防护电磁阀的进口P与气源相连，所述泄压防护电磁阀的常开式出口A与气动阀的关闭接口连接，所述泄压防护电磁阀的常闭式出口B与气动阀的启动接口连接；

3)所述泵压防护电磁阀和泄压防护电磁阀的控制电路连接PLC的控制输出端口；

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。

如上所述的钻井安全监控与防护装置，游车防护机构配置如下：

1)在总离合、高低速的开关控制气路上安装一个常开式游车防护电磁阀，所述游车防护电磁阀采用两位五通电磁阀，所述游车防护电磁阀的进口P与控制气源相连，所述游车防护电磁阀的常开式出口A与总离合、高低速的开关控制气路连接，所述游车防护电磁阀的常闭式出口B与绞车刹车气缸的控制气路连接；

2)所述游车防护电磁阀的控制电路连接PLC的控制输出端口。

所述的钻井安全监控与防护装置，所述安全防护执行单元包括与灌浆泵配套设置的灌浆控制机构，所述灌浆控制机构及数据采集单元的配置如下：

1)在喇叭口上安装溢流口液位传感器；所述溢流口液位传感器输出信号连接到PLC；

2)在低压回水管线与泥浆罐罐面管网的连接处，安装一个三通转换阀，所述三通转换阀的P-A通道连接低压回水管线与泥浆罐罐面管网，所述三通转换阀的P-B通道连接低压回水管线与灌浆泵；

3)所述PLC设有控制输出端口连接灌浆泵控制电路，所述浆泵控制电路控制连接所述三通转换阀及灌浆泵。

一种钻井安全监控与智能防护系统，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，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泵压防护子系统，安装在立管或泥浆泵上的压力传感器实时采集泵压数值传输给PLC，工控机通过PLC启动泵压防护系统，所述泵压防护子系统采用主动响应式安全防护方法，在泵压达到设定保护值时，先停泵后泄压。

所述的钻井安全监控与智能防护系统，泵压防护子系统实现泵压防护的过程如下：

1)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；

2)对于机械式钻井泵，在控制气源与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，将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，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；

3)PLC对泵压数值实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，如果泵压达到设定的压力报警值，工控机发出报警指令；如果泵压达到设定的防护值，工控机发出指令给泵压防护电磁阀，关掉常开式气路口A，切断钻井泵的控制气路和泄压阀的闭合气路，使钻井泵停止运行，同时打开常闭式气路出口B，打开泄压阀，从而实现停泵、泄压的目的；

对于电控式钻井泵，如果电动钻井泵的泵压达到设定的压力防护值，工控机发出指令，通过PLC和变频器控制电动钻井泵，并切断泵压防护电磁阀的常开式气路口A及泄压阀的闭合气路，使钻井泵停止运行；同时打开常闭式气路出口B，接通泄压阀的开启气路，打开泄压阀，从而实现停泵、泄压的目的。

所述的钻井安全监控与智能防护系统，安全防护执行单元包括多功能游车防护子系统，所述多功能游车防护子系统实现游车防护的过程如下：

1)在绞车滚筒的导气龙头上安装绞车传感器，在死绳固定器上安装悬重传感器；所述绞车传感器、悬重传感器输出信号连接到PLC；

2)在总离合、高低速的开关控制气路上安装一个常开式游车防护电磁阀，所述游车防护电磁阀采用两位五通电磁阀，所述游车防护电磁阀的进口P与控制气源相连，所述游车防护电磁阀的常开式出口A与总离合、高低速的开关控制气路连接，所述游车防护电磁阀的常闭式出口B与绞车刹车气缸的控制气路连接；

3)PLC对立管压力值和游车的高度、速度值进行实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，工控机根据设定的压力值、高度值、速度值以及悬重值判断是否报警、刹车、点刹降速；

4)如果游车上行高度和下行速度达到设定的防护值，工控机发出报警指令，同时也发送指令给游车防护电磁阀，切断总离合器和高低速气路，同时打开常闭式气路给气动刹车送气，达到上行刹车、下行点刹、减速之目的。

所述的钻井安全监控与智能防护系统，安全防护执行单元包括智能灌浆子系统，所述智能灌浆子系统实现智能灌浆的过程如下：

1)在喇叭口上安装溢流口液位传感器，所述溢流口液位传感器连接到PLC；

2)PLC设有相应的控制输出端口连接灌浆泵控制电路；

3)在低压回水管线与泥浆罐罐面管网的连接处，安装一个气动三通转换阀，将所述气动三通转换阀的P-A通道连接低压回水管线与泥浆罐罐面管网，将所述气动三通转换阀的P-B通道连接低压回水管线与灌浆泵；

4)PLC对溢流口液位值、游车的高度、大钩悬重值及时进行实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，工控机根据设定的液位值、高度值、悬重值数据，判断起出了多少个立柱，自动记录起钻柱数，自动判断灌浆时点，判断是否该灌浆以及灌浆是否到位。

所述的钻井安全监控与智能防护系统，安全防护执行单元包括溢流与井漏井口监视子系统，所述溢流与井漏井口监视子系统实现的过程如下：

1)在主控制柜面板上安装溢流口液位指示灯；

2)将声光报警器、溢流口液位指示灯的控制电路连接到PLC的输出端口；

3)溢流口液位传感器实时捕捉井筒内钻井液位的变化，并将捕捉到的液位变化值实时传输给PLC分析处理，PLC将分析结果传输给工控机，工控机根据起下钻、接单根及钻进的工作状况，判断是否有溢流与井漏的发生，在有溢流与井漏的情况发生时，启动声光报警器。

本发明的有益效果：

1、本发明钻井安全监控与防护装置及其智能防护系统，运用先进的传感技术、自动控制技术和集成技术，把分散独立的钻井泵泵压防护装置、游车防护装置集成创建为显示、控制、防护为一体的监控操作系统，可以从根本上消除蹩泵泄压所带来的安全隐患，也无需停钻整修，提高钻井时效，提升设备性能，满足油田勘探开发需求。实现了石油钻井安全防护的集成化、智能化和自动化，对于降低石油钻井风险、保障生命财产安全具有一定的现实意义。

2、本发明钻井安全监控与防护装置及其智能防护系统，完全符合钻井现场安全防爆要求，且自身没有安全隐患，不影响钻机原有设施的使用。泵压防护系统及装置可以全程监控泵压的变化情况，通过系统设置可以使泵压达到第一限值报警，泵压达到第二限值，停泵、泄压。可以任意设定报警值和泄压保护值，可以在任意时间点击泄压键泄压，满足特殊作业需要，具有报警停泵泄压三重防护，有效降低井下风险。

3、本发明钻井安全监控与防护装置及其智能防护系统，游车防护装置能够实现自动识别工况，并根据游车的高度与运行方向、滚筒实时转速等不同的工况采取不同的防护动作，达到报警、减速、刹车的目的。游车上行到第一限位报警、第二限位时锁住游车，游车高位解锁后，系统设有15s限时和二次防碰保护，若超时或上行，系统都会再次锁住游车，游车只能选择下行游车下行超速，点刹降速，防顿、防溜钻。下行速度正常后，自动解锁，能设限任意设定报警值和保护值。

4、本发明钻井安全监控与防护装置及其智能防护系统，把分散独立的钻井泵泵压防护装置、游车防护装置、溢流与井漏监测装置、起下钻自动灌浆装置以及钻井参数显示装置，集成创建为显示、控制、防护为一体的监控操作系统，给司钻提供了一个安全可靠、性能稳定、自动化程度较高的人机交互式集成化监控操作平台，提高了钻井设备本质安全水平，大大降低事故的发生几率。彻底根除了钻井泵瞬间蹩压后安全阀销钉剪切不及时可能引发的人身伤亡和设备损坏事故隐患；在溢流与井漏监测中，第一时间准确地做出定性判断；在游车上升与下行过程中，有效地防止顶天车以及顿钻、溜钻等事故发生；在起下钻作业中，不仅能及时准确地自动灌浆，而且还能对灌浆状况及漏失情况及时做出判断。

5、本发明钻井安全监控与防护装置及其智能防护系统的运用，不仅降低了劳动强度，使设备控制更加统一化和集约化，而且有利于提高钻井时效。系统的自动记录功能保证了原始资料的真实、可靠，进一步提高了人员操作和设备运转的可追溯性，十分方便对作业中存在的问题进行数据分析，也可为后续的钻井生产提供分析依据。该系统设计可以包括6大功能：钻井泵泵压防护功能；游车防碰、防顿、防溜功能；溢流与井漏实时监视与定性判断功能；智能式自动灌浆功能；钻井参数及曲线实时显示功能；历史数据查询与下载功能。主要技术指标达到或超过国内现行SY/T系列标准，核心技术指标达到世界领先水平。

6、本发明钻井安全监控与防护装置及其智能防护系统，安全、节能与环保。采用先进、成熟、可靠的工艺和设备，提高了系统的本质安全性。系统自身不产生安全隐患，系统故障时不影响钻机原有安全防护设施作用的发挥；不仅可以提升钻井工作的本质安全水平，更能够节约能源、降低能耗，而且该系统的实施无三废的产生和排放。具有较好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1是本发明钻井安全监控与防护装置(系统)方框结构示意图；

图2是本发明钻井安全监控与智能防护系统整体结构示意图之一；

图3是本发明钻井安全监控与智能防护系统整体结构示意图之二；

图4是电控式泵压防护机构的配置结构示意图之一；

图5是电控式泵压防护机构的配置结构示意图之二；

图6是本发明钻井安全监控与智能防护系统游车防护机构结构示意图；

图7是电控式泵压防护机构电控式钻井泵的控制方法示意图。

图中各标号代表意义分别为：

1、悬重传感器，2、溢流口液位传感器，3、液位传感器，4、压力传感器，5、绞车传感器，6、立管，7、绞车滚筒，8、灌浆阀，9、泄压阀，10、钻井泵，11、离合，12、高压阀，13、低压阀，14、三通阀，15、灌浆泵，16、灌浆泵控制柜，17、游车防护电磁阀，18、泵压防护电磁阀，19、泄压防护电磁阀，20、钻井泵离合器控制开关；图7中：标号21表示钻井泵手轮调节开关，22表示2选1转换开关，23表示变频控制器，24表示变频电机。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图1、图2或图3，本发明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，工控机按照事先设定的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多功能游车防护机构，对应的数据采集单元的配置包括：安装在立管6(图2)或泥浆泵10(图3)上的压力传感器4；安装在绞车滚筒7的导气龙头上的绞车传感器5；安装在死绳固定器上的悬重传感器1；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多功能游车防护机构。

所述控制处理单元的PLC以及工控机安装在主控制柜内，与主控制柜连接设有灌浆泵控制柜以及电气控制柜，分别控制连接所述电控式泵压防护机构以及多功能游车防护机构。

实施例2

参见图1、图2或图3、图4。本实施例的钻井安全监控与防护装置，与实施例1的不同之处在于：电控式泵压防护机构的配置如下：

1)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；

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18，所述泵压防护电磁阀18采用两位五通电磁阀，所述泵压防护电磁阀18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；

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。

如图7所示，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。

其中，钻井泵手轮调节开关21的作用类似于一个可调电阻器，接入系统后，通过AD模块可以测试出可调电阻器不同的电压值(例如：0-10V)，同时，AD模块实时监测压力传感器4的压力值，当压力值小于设定值时，PLC通过控制Y0使单刀双制开关(2选1转换开关22)打到1处，由手轮调节开关通过调节电压来控制变频电机24的功率。此时AD模块实时监测手轮调节开关的电压值和压力传感器检测的压力值。当压力值大于设定值时，PLC通过控制Y0使单刀双制开关打到2处，并且把AD模块实时监测到的手轮调节开关的某一个电压值，通过DA模块发送给变频控制器23的控制器，和控制器的一个数值形成一对一的关系。例如，手轮调节是2.5V，那么就通过DA模块给变频控制器23发送一个130的值(假设2.5V对应变频器给定值130)，并且在设定的时间内，PLC通过给变频控制器不同的数值，达到控制变频电机24的功率，并使其功率最小。若压力值恢复到设定值以下时，只有当PLC检测到手轮调节开关21的某一个电压值符合程序设定的要求时，PLC方可通过控制Y0使单刀双制开关恢复到1处。

图2中，压力传感器4(采集泵压)安装在立管6的上部，泄压阀9安装在灌浆管道中；图3中泵压传感器(压力传感器4)安装在钻井泵上泵压表的上游、泄压阀9安装在低压回水阀的下游。

实施例3

参见图1、图2或图3、图5。本实施例的钻井安全监控与防护装置，与实施例2的不同之处在于：电控式泵压防护机构的配置如下：

对于机械式钻井泵，在钻井泵手动开关阀的出口气路上安装常开式泵压防护电磁阀18，所述泵压防护电磁阀18采用两位五通电磁阀，所述泵压防护电磁阀18的进口P与钻井泵手动开关阀的出口相连，所述泵压防护电磁阀18的常开式出口A与钻井泵控制气路相连，常闭式出口B堵住；在控制气源与泄压阀控制气路接口之间安装常开式泄压防护电磁阀19，所述泄压防护电磁阀19采用两位五通电磁阀，所述泄压防护电磁阀19的进口P与气源相连，所述泄压防护电磁阀的常开式出口A与气动阀的关闭接口连接，所述泄压防护电磁阀的常闭式出口B与气动阀的启动接口连接；所述泵压防护电磁阀18和泄压防护电磁阀19的控制电路连接PLC的控制输出端口。

实施例4

参见图1～图6，本实施例的钻井安全监控与防护装置，与实施例2或实施例3的不同之处在于：进一步公开了一种游车防护机构的具体结构。

所述游车防护机构的配置如下：

1)在总离合、高低速的开关控制气路上安装一个常开式游车防护电磁阀，所述游车防护电磁阀采用两位五通电磁阀，所述游车防护电磁阀的进口P与控制气源相连，所述游车防护电磁阀的常开式出口A与总离合、高低速的开关控制气路连接，所述游车防护电磁阀的常闭式出口B与绞车刹车气缸的控制气路连接；

2)所述游车防护电磁阀的控制电路连接PLC的控制输出端口。

实施例5

参见图1～图6。本实施例的钻井安全监控与防护装置，与实施例3的不同之处在于：所述安全防护执行单元包括与灌浆泵配套设置的灌浆控制机构，所述灌浆控制机构及数据采集单元的配置如下：

1)在喇叭口上安装溢流口液位传感器；所述溢流口液位传感器输出信号连接到PLC；

2)在低压回水管线与泥浆罐罐面管网的连接处，安装一个三通转换阀，所述三通转换阀的P-A通道连接低压回水管线与泥浆罐罐面管网，所述三通转换阀的P-B通道连接低压回水管线与灌浆泵；

3)所述PLC设有控制输出端口连接灌浆泵控制电路，所述浆泵控制电路控制连接所述三通转换阀及灌浆泵。

实施例6

参见图1～图6，本实施例的钻井安全监控与防护装置，与前述各实施例的不同之处在于：所述安全防护执行单元包括溢流与井漏监视机构，所述溢流与井漏监视机构及数据采集单元配置如下：

1)在喇叭口上安装溢流口液位传感器，所述溢流口液位传感器输出信号连接到PLC；

2)超限报警电路；

3)所述超限报警电路受控连接PLC的控制输出端口。

溢流与井漏的监视方法：喇叭口内的液位高于溢流口底边时液位传感器指示灯亮，低于溢流口底边时液位传感器指示灯不亮。

①起钻时，若未灌浆而溢流口传感器指示灯亮，表示有溢流发生；灌浆时灌浆量小于排代量，溢流口传感器指示灯亮，也表示有溢流发生；若未起出立柱而液位传感器无信号，表示有井漏发生；或在灌浆时灌浆量大于排代量，液位传感器指示灯仍然不亮，也表示有井漏发生。

②下钻时，溢流口传感器指示灯不亮，表示有井漏发生；若溢流口传感器指示灯长亮不灭，表示有溢流发生。

③接单根时若溢流口传感器指示灯亮，表示有溢流发生；若液位传感器无信号，表示有井漏发生。

采用信号指示技术，变间隔式观测为连续实时性监视，在变隐性信息为显性信息，让司钻在第一时间做出准确的判断。

实施例7

参见图1、图2或图3，本实施例公开了一种钻井安全监控与智能防护系统。

所述钻井安全监控与智能防护系统包括数据采集单元、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，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模块传输给PLC及工控机，工控机按照事先设定的程序，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泵压防护子系统，安装在立管或泥浆泵上的压力传感器实时采集泵压数值传输给PLC，工控机通过PLC启动泵压防护系统，所述泵压防护子系统采用主动响应式安全防护方法，在泵压达到设定保护值时，先停泵后泄压。

实施例8

参见图1、图2或图3、图4，本实施例的钻井安全监控与智能防护系统，与实施例7的不同之处在于：进一步详细公开了所述泵压防护子系统实现泵压防护的过程：

1)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；

2)对于机械式钻井泵，在控制气源与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18，所述泵压防护电磁阀18采用两位五通电磁阀，所述泵压防护电磁阀18的进口P与控制气源相连，将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，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；前述描述见图4；所述泵压防护电磁阀18的控制电路连接PLC的控制输出端口；

3)PLC对泵压数值实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，如果泵压达到设定的压力报警值，工控机发出报警指令；如果泵压达到设定的防护值，工控机发出指令给泵压防护电磁阀，关掉常开式气路口A，切断钻井泵的控制气路和泄压阀的闭合气路，使钻井泵停止运行，同时打开常闭式气路出口B，打开泄压阀，从而实现停泵、泄压的目的。

参见图7，对于电控式钻井泵，在电动钻井泵的变频控制器23与其控制转换开关22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。如果电动钻井泵的泵压达到设定的压力防护值，工控机发出指令，通过PLC和变频控制器23控制电动钻井泵，并切断泵压防护电磁阀的常开式气路口A及泄压阀的闭合气路，使钻井泵停止运行；同时打开常闭式气路出口B，接通泄压阀的开启气路，打开泄压阀，从而实现停泵、泄压的目的。

实施例9

参见图1、图2或图3、图5，本实施例的钻井安全监控与智能防护系统，与实施例8的不同之处在于：所述电控式泵压防护机构的配置如下：

1)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；

2)对于机械式钻井泵，在钻井泵手动开关阀的出口气路上安装常开式泵压防护电磁阀18，所述泵压防护电磁阀18采用两位五通电磁阀，所述泵压防护电磁阀18的进口P与钻井泵手动开关阀的出口相连，所述泵压防护电磁阀18的常开式出口A与钻井泵控制气路相连，常闭式出口B堵住；在控制气源与泄压阀控制气路接口之间安装常开式泄压防护电磁阀19，所述泄压防护电磁阀19采用两位五通电磁阀，所述泄压防护电磁阀19的进口P与气源相连，所述泄压防护电磁阀19的常开式出口A与气动阀的关闭接口连接，所述泄压防护电磁阀19的常闭式出口B与气动阀的启动接口连接；

3)所述泵压防护电磁阀和泄压防护电磁阀的控制电路连接PLC的控制输出端口；

实施例10

参见图1～图6，本实施例的钻井安全监控与智能防护系统，与实施例7或实施例8的不同之处在于：所述安全防护执行单元包括多功能游车防护子系统，所述多功能游车防护子系统实现游车防护的过程如下：

1)在绞车滚筒的导气龙头上安装绞车传感器，在死绳固定器上安装悬重传感器；所述绞车传感器、悬重传感器输出信号连接到PLC；

2)在总离合、高低速的开关控制气路上安装一个常开式游车防护电磁阀，所述游车防护电磁阀采用两位五通电磁阀，所述游车防护电磁阀的进口P与控制气源相连，所述游车防护电磁阀的常开式出口A与总离合、高低速的开关控制气路连接，所述游车防护电磁阀的常闭式出口B与绞车刹车气缸的控制气路连接；

3)PLC对立管压力值和游车的高度、速度值进行实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，工控机根据设定的压力值、高度值、速度值以及悬重值判断是否报警、刹车、点刹降速；

4)如果游车上行高度和下行速度达到设定的防护值，工控机发出报警指令，同时也发送指令给游车防护电磁阀，切断总离合器和高低速气路，同时打开常闭式气路给气动刹车送气，达到上行刹车、下行点刹、减速之目的。

现场使用中，安装在导气龙头上的绞车传感器实时检测大钩高度和运行速度，控制中心分析判断是否达到报警值和保护值，若达到报警值则以声光报警提醒司钻；若达到保护值，则在游车上行时启动刹车装置锁住游车使其停止，防止顶天车事故发生。若要使其重新运行，司钻只需点击解锁键即可解锁，而无需系统断电。这就确保游车防护系统始终处于运行状态。刹车装置在第二高位解锁后，如果司钻在设定的时间内未采取措施，系统判断司钻尚未考虑好解决问题的方案，会再次锁住游车。刹车装置在第二高位解锁后，如果司钻采取了错误的操作使游车继续上行，系统判断司钻解决问题的方案错误，也会再次锁住游车。刹车装置在第二高位解锁后，只有司钻选择游车下行，系统判断司钻解决问题的方案正确，才不会再次锁住游车。

在游车下行过程中，系统全程监控游车的运行高度与速度，在不同的高度都对应有规定的速度范围，且随着游车从上到下的滑行，系统的保护密度逐渐增大，允许游车下行的速度值会越来越小。如果游车的运行速度超过了设定的速度或意外失控，系统会通过一系列的点刹动作降低游车的下行速度。当游车的下行速度回归到正常范围后，系统会自动解锁。如此设计的目的就是始终控制游车在正常的速度范围内运行。

目前的电子防碰装置仅有单一的向上防碰功能。

实施例11

参见图1～图6，本实施例的钻井安全监控与智能防护系统，与实施例9的不同之处在于：所述安全防护执行单元包括智能灌浆子系统。

所述智能灌浆子系统实现智能灌浆的过程如下：

1)在喇叭口上安装溢流口液位传感器，所述溢流口液位传感器连接到PLC；

2)PLC设有相应的控制输出端口连接灌浆泵控制电路；

3)在低压回水管线与泥浆罐罐面管网的连接处，安装一个三通转换阀，将所述三通转换阀的P-A通道连接低压回水管线与泥浆罐罐面管网，将所述三通转换阀的P-B通道连接低压回水管线与灌浆泵；

4)PLC对溢流口液位值、游车的高度、大钩悬重值及时进行实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，工控机根据设定的液位值、高度值、悬重值数据，判断起出了多少个立柱，自动记录起钻柱数，自动判断灌浆时点，判断是否该灌浆以及灌浆是否到位。

实施例12

参见图1～图6，本实施例的钻井安全监控与智能防护系统，与实施例10的不同之处在于：所述安全防护执行单元包括溢流与井漏井口监视子系统，所述溢流与井漏井口监视子系统实现的过程如下：

1)在主控制柜面板上安装溢流口液位指示灯；

2)将声光报警器、溢流口液位指示灯的控制电路连接到PLC的输出端口；

3)溢流口液位传感器实时捕捉井筒内钻井液位的变化，并将捕捉到的液位变化值实时传输给PLC分析处理，PLC将分析结果传输给工控机，工控机根据起下钻、接单根及钻进的工作状况，判断是否有溢流与井漏的发生，在有溢流与井漏的情况发生时，启动声光报警器。

本发明钻井安全监控与智能防护系统，数据采集单元，主要由绞车传感器、压力传感器、悬重传感器、液流传感器及数据采集卡构成。数据采集方式为实时获取，数据存储量在128M以上，满足连续工作100h。

控制处理单元由触摸屏、PLC、一体化工控机以及灌浆控制柜等构成，司钻操作部分为触摸屏式控制面板，方便人机对话。

安全防护执行单元由泄压阀、灌浆泵、电气控制柜内的电磁阀组等构成。

主控制柜安装在控制室内，电气控制柜安装在控制室内司控操作台下，在司控操作台上与工控机连接安装触摸显示屏。泄压阀安装在高压管线上的灌浆阀或低压回水阀下游，且与灌浆阀或低压回水阀紧固密封连接；与泄压阀连接的管线其承压能力大于35MPa。管线与泄压阀连接的一端以地锚固定。压力传感器安装在泵压表的上游，且与安装底座紧固密封连接。绞车传感器安装在绞车低速档中间轴，且与导气龙头紧固密封连接。悬重传感器安装在死绳固定器的液压传感系统上。溢流口传感器安装在喇叭口套管的侧壁上。灌浆泵安装在钻井液循环罐的罐面网板上，灌浆泵控制柜安装在距灌浆泵较近的罐面网板上。三通阀安装在低压回水管线与钻井液循环罐面管网连接处，三通阀的接口1与低压回水管线紧固连接，接口2与罐面管网紧固连接，接口3与灌浆泵的出口管线紧固连接。

气控单元操作系统安全技术要求：

①气控系统的气动元件工作条件及对气源的要求应符合SY/T 5027-2006的规定，气路系统在气源压力大于或等于0.9MPa下，持续3min，压力降应不超过0.1MPa，不得影响其他气动单元正常工作；

②控制系统设置的防碰天车单元，其气路应与绞车滚筒离合器气路联锁，控制系统在故障状态下能够保证绞车极限安全位置系统工作可靠；

③控制系统设置的防顿钻单元，其气路应与绞车滚筒离合器气路联锁，控制系统在故障状态下能够保证司钻有效控制绞车动作，不影响工作的进行；

④控制系统设置的泵压防护单元，其气路应与钻井泵的控制气路联锁，控制系统在故障状态下能够保证司钻有效控制钻井泵动作，不影响工作的进行。

Claims (4)

1.一种钻井安全监控与智能防护系统，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，PLC通过串口与工控机连接，数据采集单元的各类传感器实时采集现场作业数据传输给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泵压防护子系统，安装在立管或泥浆泵上的压力传感器实时采集泵压数值传输给PLC，工控机通过PLC启动泵压防护子系统，所述泵压防护子系统采用主动响应式安全防护方法，在泵压达到设定的保护值时，先停泵后泄压；

所述泵压防护子系统实现泵压防护的过程如下：

1)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；

2)对于机械式钻井泵，在控制气源与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I，所述泵压防护电磁阀I采用两位五通电磁阀，所述泵压防护电磁阀I的进口P与控制气源相连，将所述泵压防护电磁阀I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，泵压防护电磁阀I的常闭式出口B与气动阀的启动接口连接；或者，同时在钻井泵手动开关阀的出口气路上安装常开式泵压防护电磁阀II，所述泵压防护电磁阀II采用两位五通电磁阀，所述泵压防护电磁阀II的进口P与钻井泵手动开关阀的出口相连，所述泵压防护电磁阀II的常开式出口A与钻井泵控制气路相连，泵压防护电磁阀II的常闭式出口B堵住；在控制气源与泄压阀控制气路接口之间安装常开式泄压防护电磁阀，所述泄压防护电磁阀采用两位五通电磁阀，所述泄压防护电磁阀的进口P与气源相连，所述泄压防护电磁阀的常开式出口A与气动阀的关闭接口连接，所述泄压防护电磁阀的常闭式出口B与气动阀的启动接口连接；所述泵压防护电磁阀I、泵压防护电磁阀II和泄压防护电磁阀的控制电路连接PLC的控制输出端口；

3)PLC对安装在立管或泥浆泵上的压力传感器实时采集的泵压数值实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，如果泵压达到设定的压力报警值，工控机发出报警指令；如果泵压达到设定的防护值，工控机发出指令给泵压防护电磁阀，关掉常开式出 口A，切断钻井泵的控制气路和泄压阀的闭合气路，使钻井泵停止运行，同时打开常闭式出口B，打开泄压阀，从而实现停泵、泄压的目的。

2.根据权利要求1所述的钻井安全监控与智能防护系统，其特征在于：所述安全防护执行单元包括多功能游车防护子系统，所述多功能游车防护子系统实现游车防护的过程如下：

1)在绞车滚筒的导气龙头上安装绞车传感器，在死绳固定器上安装悬重传感器；所述绞车传感器、悬重传感器输出信号连接到PLC；

2)在总离合器、高低速的开关控制气路上安装一个常开式游车防护电磁阀，所述游车防护电磁阀采用两位五通电磁阀，所述游车防护电磁阀的进口P与控制气源相连，所述游车防护电磁阀的常开式出口A与总离合器、高低速的开关控制气路连接，所述游车防护电磁阀的常闭式出口B与绞车刹车气缸的控制气路连接；

3)PLC对立管压力值和游车的高度、速度值进行实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，工控机根据设定的压力值、高度值、速度值以及悬重值判断是否报警、刹车、点刹降速；

4)如果游车上行高度和下行速度达到设定的防护值，工控机发出报警指令，同时也发送指令给游车防护电磁阀，切断总离合器和高低速气路，同时打开常闭式气路给气动刹车送气，达到上行刹车、下行点刹、减速之目的。

3.根据权利要求1所述的钻井安全监控与智能防护系统，其特征在于：所述安全防护执行单元包括智能灌浆子系统，所述智能灌浆子系统实现智能灌浆的过程如下：

1)在喇叭口上安装溢流口液位传感器，所述溢流口液位传感器连接到PLC；

2)PLC设有相应的控制输出端口连接灌浆泵控制电路；

3)在低压回水管线与泥浆罐罐面管网的连接处，安装一个气动三通转换阀，将所述气动三通转换阀的P-A通道连接低压回水管线与泥浆罐罐面管网，将所述气动三通转换阀的P-B通道连接低压回水管线与灌浆泵；

4)PLC对溢流口液位值、游车的高度、大钩悬重值及时进行实时检测分析，并将检测分析结果传输给工控机，工控机根据设定的液位值、高度值、悬重值数据，判断起出了多少个立柱，自动记录起钻柱数，自动判断灌浆时点，判断是否该灌浆以及灌浆是否到位。

4.根据权利要求2或3所述的钻井安全监控与智能防护系统，其特征在于：所述安全防护执行单元包括溢流与井漏井口监视子系统，所述溢流与井漏井口监视子系统实现的过程如下：1)在主控制柜面板上安装溢流口液位指示灯；

2)将声光报警器、溢流口液位指示灯的控制电路连接到PLC的输出端口；

3)溢流口液位传感器实时捕捉井筒内钻井液位的变化，并将捕捉到的液位变化值实时传输给PLC分析处理，PLC将分析结果传输给工控机，工控机根据起下钻、接单根及钻进的工作状况，判断是否有溢流与井漏的发生，在有溢流与井漏的情况发生时，启动声光报警器。