天然气循环钻井是气体钻井技术的改进,通过回收循环设备实现对天然气钻井中使用过的天然气的回收和重新利用,实现节约成本、减少环境污染的目的。为了实现天然气循环钻井工艺,确保工艺过程的安全操作,创造预期的效益,论文对天然气循环钻井工艺的安全控制系统进行了设计和分析。论文首先设计了以PLC为架构的过程控制系统,实现了连续排料工艺和系统的集中监控。通过试验证明了该控制系统满足天然气循环钻井工艺要求。论文进行了天然气回收工艺的模拟试验,通过模拟试验研究了回收循环工艺的可行性和关键技术。试验结果表明回收气能够在系统内建立稳定循环,达到节省钻井用气的目的。循环系统损失的天然气可通过补气工艺适时进行补充。为了获得系统的过程风险指标,论文采用故障模式与影响分析和蒙特卡罗方法对控制系统进行了可靠性分析,对过程风险给出了定量评价。系统工作4320小时内发生天然气泄漏事故的概率为6.56%。不考虑安全阀的保护功能,系统工作8760小时内发生超压爆炸事故的概率为1.29%。为了实现更高的系统安全性,论文根据国际安全功能标准IEC61508的要求,设计了安全仪表系统。评价结果表明安全功能设计合理,将过程风险降低到期望的水平。