目前，国内外使用的防喷器远程控制装置主要分为液控液型、气控液型及电控液型。其中，气控液型使用最为广泛^[1–3]，其主要操作模式为手动控制，通过手动控制三位四通换向阀实现对液压油流向的控制^[4]，从而控制防喷器等井控控制对象的动作。传统的手动控制模式下，防喷器控制装置一次操作只能完成一个动作，在井控溢流等突发险情的情况下，要实现防喷器组的关闭，需要司钻、内钳工、场地工等多岗位人员配合分别操作节流管汇、控制装置和井口设备才能完成，整个关井过程中涉及人员多、动作复杂、速度慢，而且在人员高度紧张的情况下容易出现误操作等情况，存在很大的安全隐患^[5–6]。

随着现代通信技术、计算机网络技术及现场总线控制技术的飞速发展，国家大力提倡并支持传统装备的改造和升级。在石油钻井方面，自动化、智能化技术业发展迅速^[7–8]。截至目前，宝鸡石油机械有限责任公司研制的“一键式”人机交互7 000 m自动化钻机已经投入现场应用，中石化胜利石油工程有限公司研制的页岩油全自动钻机已经开始调试试验。要配合自动化钻井技术应用，井控装置自动化势在必行，而防喷器控制装置更是钻井现场实现井控装置自动化、智能化控制的核心设备^[9]。为此，笔者围绕防喷器控制装置的工作原理，结合钻井现场井控装置的安装使用工况，对主要关井动作进行了系列研究^[10–12]；在原有防喷器控制装置基础上，设计完成了具备远程遥控、自动控制及数据采集等功能的防喷器智能控制装置，并在现场50余口井进行了成功应用，为井控装置自动化、智能化升级和发展提供了支撑。

1.   设计思路及主要组成

1.1   防喷器智能控制装置设计思路

钻井过程中发生井喷等紧急情况时，需要快速控制井口。防喷器智能控制装置主要用来提高井口控制的自动化程度，其基本设计思路是：通过对装置硬件的改造升级及功能扩展，开发智能关井软件系统；通过硬软件结合实现钻井现场防喷器、管汇阀门等控制对象的统一联动，实现快速关井控制井口的要求。

防喷器智能控制装置包括硬件和软件2个方面。硬件方面，对控制装置进行电控化改造升级，将节流管汇和司钻控制台的控制功能集成设计，形成按钮式司钻台，使其功能更加强大；设计无线遥控的司钻台，以实现无线遥控关井。软件方面，开发井控装置控制界面，要具有根据钻井现场装置安装实际情况编辑控制界面的功能；根据钻井现场关井的“四七动作”，开发智能关井和一键关井程序，实现关井过程中软硬件统一联动、快速控制井口的井控目标（见图1）。

图  1  防喷器智能控制装置整体设计思路

Figure  1.  Overall design concept of intelligent control device for BOPs

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1.2   防喷器智能控制装置主要组成

防喷器智能控制装置主要由电控型控制装置、按钮式司钻台、触摸屏式司钻台、无线遥控式司钻台和液压油自净化系统等组成（见图2）。

图  2  防喷器智能控制装置组成示意

Figure  2.  Composition of intelligent control device for BOPs

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2.   硬件设计及功能改造

2.1   控制装置主体的电控化改造

远程控制台是泵注、储存与控制压力油流向的液压装置。泵组向蓄能器组注入液压油并储存于蓄能器组内，当需要控制防喷器关或开时，可手动控制或遥控三位四通转阀动作，将高压液压油输送至防喷器液缸，从而控制防喷器关闭或开启。为了实现控制装置自动化控制，在传统控制装置基础上增加了防爆PLC控制箱、防爆电磁阀箱、无线发射接收装置、无线放大器及节流管汇控制系统^[13–14]，并将各控制对象三位四通阀的控制由气控液改为电控液，使其具备自动控制的基础。该无线电控装置由节流管汇控制系统、PLC控制箱（逻辑控制器）和防爆电磁阀箱等组成（见图3）。

图  3  无线电控装置的组成

Figure  3.  Composition of radio control device

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节流管汇控制系统由隔离截止阀、高压过滤器、高压电磁阀、减压溢流阀、压力传感器、压力表、油路板、手动换向阀和防爆电磁比例换向阀等组成，其主要作用是替代原有的节流管汇控制箱，将节流阀的控制集成至防喷器智能控制装置上。远程控制软件可发出控制电磁比例换向阀动作的信号，控制节流阀的开启和关闭，通过节流阀上的传感器可以实现节流阀的精准控制。节流管汇控制系统的集成，实现了防喷器智能控制装置对现场井控装置的自动化控制、集中化管理，方便突发险情时的快速操作。

PLC控制箱（逻辑控制器）是控制调节智能控制装置的核心部件，其有2个作用：1）接收传感器数据，依据系统压力、环形压力、气源压力等参数，判断控制装置压力、液位、有害气体含量等主要参数是否正常，若出现问题及时预警，确保控制装置处于正常工作状态；2）与上位机进行通讯，接收并发出动作指令，实现远程智能控制。

防爆电磁阀箱是智能控制装置的执行机构，其内部主要是电磁换向阀，通过电磁换向阀的换向，带动三位四通阀手柄动作，从而实现三位四通阀的开关。

另外，无线接收装置及无线放大器是接收无线遥控司钻台指令的功能部件，可以实现500 m范围内无线遥控，在发生井喷且井口失控情况下撤离人员时，可以有效执行井控装置的控制指令。

2.2   司钻控制台的设计

普通司钻控制台放置在钻台上或井队值班室，方便司钻或井队技术干部操作，以便在最短时间内控制防喷器开关。为此，设计了触摸屏式、按钮式和无线遥控式等3种司钻控制台，如图4所示。在功能方面，对原司钻控制台的防喷器控制功能和节流管汇控制箱功能进行了集成设计，主要集成了节流阀开启和开启度的显示功能，立压、套压、气源压力和泵冲等参数的显示功能。司钻控制台集成功能的控制原理如图5所示。

图  4  设计的3种司钻控制台

Figure  4.  Three types of driller consoles designed

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图  5  司钻控制台集成功能的控制原理

Figure  5.  Integrated function control principle of driller consoles

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触摸屏式、按钮式和无线遥控式3种司钻控制台各具特点。

1）触摸屏式司钻控制台。触摸屏计算机搭载防喷器智能控制系统软件，是现场人机交互的核心设备，主要由触摸屏计算机、IO模块、防爆型无线发射接收装置、UPS、电源适配器、蓄电池、控制按钮和蜂鸣器等组成，可根据现场井控装置配套和安装情况，建立整套井控系统的三维控制界面；实时显示防喷器、节流、压井管汇的压力和各阀门的开关状态；根据实际工况建立智能关井和一键关井程序，同时可以准确记录储存控制装置各项压力的变化曲线和阀件的动作信息，储存时间可达180 d。触摸屏式司钻控制台一般安装在井队值班房内。

2）按钮式司钻控制台。按钮式司钻控制台主要由防爆箱体、压力传感器专用数显表、防爆PLC、防爆控制按钮、防爆指示灯、防爆多芯插座和防爆蜂鸣器等组成，并与远程控制台通过电缆连接，实现对远程控制台的控制。按钮式司钻控制台主要有显示、操作和报警3方面的功能，具备对控制装置气源、储能器、汇管、环形压力，控制对象的开关状态，节流阀的开启油压，阀位开启度、立压、套压、泵冲等的显示功能。该控制台可以对控制装置实现转阀控制，进而控制防喷器、液动阀、节流阀及液压锁紧装置等；可实现控制装置油箱液位，储能器、汇管、环形压力和有害气体等的报警功能。按钮式司钻控制台的控制距离可达200 m，控制滞后时间短于0.5 s，不受环境影响，能实时反映防喷器的开关状态及各项钻井参数，防爆按钮操作方便可靠。按钮式司钻控制台一般安装在钻台上。

3）无线遥控式司钻控制台。无线遥控司钻台主要由15英寸触摸屏工控机搭载Windows XP操作系统、无线信号模块Client端、IO模块、蓄电池、UPS和电源适配器组成。电控箱由内置无线模块AP、PAC控制器（搭载Vxworks嵌入式操作系统）、PLC控制器等模块，以及电子压力控制器、磁力启动器等组成。其控制原理是，在井场建立一个小型WLAN网络，控制命令通过无线模块（Client端）发送至远程控制台电控箱的无线模块（AP端），PAC通过无线模块（AP端）获取到控制命令后，通过DO输出模块控制电磁阀/继电器实现对相应控制对象的转阀控制。司钻控制台可在500 m范围内实现防喷器等控制对象的无线控制。

触摸屏式、按钮式和无线遥控式等3种司钻控制台均设置了人员操作权限，具备防止误操作等保护功能。

2.3   液压油自净化系统的设计

远程控制装置的工作环境较为恶劣，且长期处于运转状态，为了使液压油保持洁净，保证该装置运行可靠，设计了液压油自净化系统。基本思路是，通过三级过滤实现液压油的净化^[15]，滤除液压油中的杂质、水分，保证远程控制装置在沙漠、海洋、寒冬等恶劣环境下正常使用。液压油自净化系统的工作流程如图6所示。

图  6  液压油自净化系统的工作流程

Figure  6.  Self-purification system workflow

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3.   软件设计与开发

通过对防喷器控制装置电控化改造和功能集成，控制装置已经具备了自动控制和远程控制的基础。为了实现智能控制目标，需要开发配套的智能控制软件，与硬件系统建立通讯。系统发出控制指令后，硬件系统能按照指令依次完成对各控制对象的动作。设计防喷器智能控制系统时，主要进行了控制界面的设计开发、智能关井及一键关井程序的开发与实现、主要参数及动作记录3个方面^[16]。

3.1   控制界面的设计开发

为了更好地适应钻井现场井控的直观、准确要求，开发的防喷器智能控制系统由防喷器组控制界面、井控数据实时显示和管汇组控制界面3个功能区组成，分别位于界面的左边、右上和右下，如图7所示。钻井工程师可以根据现场井控装置实际安装情况编辑与现场对应的井控控制界面。需要关井时可以点击界面上防喷器各控制对象的“开”“关”按钮来实现防喷器的开关。控制界面上防喷器等控制对象均采用三维模型显示，清晰明了，动作灵敏，“开”“关”过程有进度条显示，过程一目了然，提高了操作的准确性和直观性。井控数据实时显示区域及功能区，可以实时显示各项钻井参数及控制装置的状态，系统参数报警、智能关井提示、通讯状态等装置运行信息也可实时显示。

图  7  防喷器智能控制系统的主控界面

Figure  7.  Master control interface of intelligent control system for BOPs

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3.2   智能及一键关井程序的开发与实现

开发智能关井程序的主要目的是，提高紧急情况下关井的准确性和及时性。开发思路是，按照钻井现场井控装置的实际配置情况和关井的“四七动作”，编制钻进、起下钻、起下钻铤、空井等工况下的关井流程，开发相应的程序，其界面如图8所示。

图  8  智能关井程序界面

Figure  8.  Interface of intelligent shut-in program

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在井控突发应急状况下，可直接选择开发的相应关井程序，按照流程提示一步一步执行关井动作，直至关井成功。关井过程中无需人为干预，仅需监控各动作的执行是否完整到位、并确认执行下一步动作即可，可避免操作人员紧张情况下多岗位配合出现错误的关井动作，或误操作造成关井失败的情况。

一键应急关井功能主要用于紧急撤离情况下的关井操作，即打开放喷、关闭环形防喷器、点火等关井动作一键操作完成，可实现一键完成预先设定的所有关井流程，提高关井效率，充分保证人员撤离时间，确保安全。

3.3   主要参数及动作记录

在防喷器控制装置所有转阀上安装接近开关，当转阀动作时接近开关就可以采集转阀的开、关动作信息和时间，通过传感器采集各阀件的压力。当控制装置开始工作时，系统就自动记录控制装置的各种动作和数据（包括控制对象状态、当前时间、报警状态和压力等），并形成文件直接存储进系统，事后可以根据权限进行调阅，为设备状态监测和井控数据分析提供技术支撑。主要参数的记录曲线如图9所示。

图  9  主要参数的记录曲线

Figure  9.  Recording curve of main parameters

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4.   现场试验及应用

4.1   性能测试及现场试验

防喷器智能控制装置研制完成后，进行了安装和调试，并对其基本功能进行了多次试验。在调试期间，对防喷器智能控制装置的软硬件及可靠性进行了测试，测试结果均符合设计要求和相关标准。同时，对该装置进行了观摩和试验验证，通过验证，认为该装置完全实现了自动关井、一键关井功能，且不影响防喷器控制装置原有的所有手动控制功能，性能安全可靠，具备现场应用条件。

4.2   现场应用

截至目前，防喷器智能控制装置已经在胜利油田、新疆地区、川渝地区等地使用50余口井，特别在董11井、新10-2井、董深1井等中国石化重点探井进行了长时间现场应用。其中，董11井连续安全使用超过220 d；新10-2井打开油气层前的空气钻井过程中，设备具备的一键关井、远程操控等功能充分满足了复杂钻井工艺对控制装置的各项井控特殊要求^[17–18]。在现场安装使用期间，该装置进行过多次防喷演习和开关井动作，各项功能均使用良好，开关井速度和操作的便捷性比原有控制装置大幅提高。

4.3   关井效果对比

在董深1井钻井现场，进行了同等条件下传统“四七动作”关井模式和智能关井模式的防喷演习对比。普通的防喷器控制装置关井条件下，只能采用“四七动作”，需要司钻、副司钻、内钳工、外钳工、井架工、钻井液工、司机（发电工）等至少7人配合执行关井动作，在操作熟练、互相配合默契的情况下关井需要2.5～3.0 min；采用防喷器智能控制装置的智能关井模式时司钻一人即可完成关井动作，关井时间在1.5 min之内，从关井时间、需要人员和安全性方面均体现出很高的技术先进性。

5.   结论与建议

1）防喷器智能控制装置具有智能关井、一键关井和遥控关井等多种关井手段，提高了井控关井速度，丰富了控制手段。

2）防喷器智能控制装置可以有效解决钻井现场关井多岗位配合、易出错等问题，提高了井控关井的准确性。

3）通过现场应用，证明该装置设计合理、功能齐全、自动化程度高，可以有效提升井控安全，具备良好的推广应用前景。

4）建议结合防喷器智能控制装置的功能设计，持续推进防喷器、管汇等装置的自动化水平，深入开展各井控装置集成和联动方面的研究，为钻井现场井控装置的自动化、智能化发展提供思路和方向。