智能全液壓修井機裝備自動化控制淺析
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摘要：我國大部分油田已進入開發(fā)中、后期，采油的難度越來越大，修井任務(wù)也愈加繁重。目前油田井下作業(yè)設(shè)備落后，除了管柱上卸扣使用液壓大鉗完成半自動作業(yè)外，其余仍大量依靠人工，勞動強度很大。在當今主要能源領(lǐng)域油田迫切需要設(shè)備的機械化、自動化、智能化、可視化、信息化，以減少井下作業(yè)的人工，減輕勞動強度，提高作業(yè)的安全性。近年來，國內(nèi)有些高校與油田合作研制出了半自動的修井機裝備，有部分設(shè)備已經(jīng)達到了機械化、半自動化程度，但設(shè)備的智能化水平還很低，開發(fā)設(shè)計智能化的修井機裝備以滿足油田修井的需求是技術(shù)發(fā)展的趨勢，也是我國油田智能裝備提升的迫切需求。對基于PC的液壓小修作業(yè)機裝備的智能監(jiān)控系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，工藝設(shè)計，安全設(shè)計，多變量控制設(shè)計，整套智能控制系統(tǒng)在國內(nèi)油田全液壓修井機上使用，能達到預(yù)期的技術(shù)和性能指標，滿足了作業(yè)工藝的要求和預(yù)期使用效果。
關(guān)鍵詞：智能全液壓修井機；自動化系統(tǒng)；模塊化設(shè)計；安全設(shè)計
智能液壓修井作業(yè)機要求實現(xiàn)修井作業(yè)無人化作業(yè)，一鍵啟動，按照預(yù)先設(shè)定的控制策略運行，直到起管作業(yè)或下管作業(yè)完成后自動停止。如果在運行過程中遇到參數(shù)的改變或環(huán)境的改變，設(shè)備自適應(yīng)運行，改變運行策略，滿足作業(yè)工藝的要求，在遇到緊急情況下（如遇阻，傳感器失靈，機械故障等緊急事件發(fā)生），人工干預(yù)設(shè)備停止或通過控制策略研判自動停止設(shè)備運行，直到故障處理后從斷點恢復(fù)運行，這就對控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)性，因此，本文設(shè)計了全新的液壓智能修井機自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)將多變量、安全互鎖以及精確閉環(huán)控制技術(shù)應(yīng)用到液壓智能修井機控制系統(tǒng)中，這是根據(jù)修井機機生產(chǎn)現(xiàn)場對控制系統(tǒng)統(tǒng)的要求而設(shè)計出來的。該設(shè)計方案滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的需要，提高了控制系統(tǒng)的可靠性，達到了智能控制的要求。其次，該系統(tǒng)將多變量、多策略控制技術(shù)應(yīng)用到智能控制系統(tǒng)，滿足智能化修井控制系統(tǒng)的要求，很好地滿足了油田修井作業(yè)的需求，達到了滿意的效果。此外，為適應(yīng)不同的油田工況、環(huán)境、人為操作因素、工藝流程的優(yōu)化和液壓智能修井機設(shè)備復(fù)雜性，該智能控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，并具有可擴展性、可調(diào)節(jié)性、自適應(yīng)性、人機交互性和靈活性的控制策略擇優(yōu)選擇性等特點。
1液壓智能修井機模塊化設(shè)計
液壓智能修井機裝備自動控制系統(tǒng)設(shè)計時分為以下七個模塊。接箍自動檢測、自動上卸扣系統(tǒng)、機械手自動扶正對中系統(tǒng)、吊卡自動抓松管系統(tǒng)、油管防風(fēng)系統(tǒng)、管桿自動輸送系統(tǒng)、污水收集系統(tǒng)、安全互鎖系統(tǒng)、遙控及監(jiān)控系統(tǒng)、可調(diào)式井口作業(yè)平臺系統(tǒng)。整個系統(tǒng)設(shè)定2個總的目標變量，OBj和OBw。其中OBj為起下管節(jié)拍，本系統(tǒng)設(shè)定為40根/h，OBw為桅桿變速調(diào)整目標變量，整個系統(tǒng)在安全控制策略的貫穿下，圍繞目標變量閉環(huán)運行策略控制，實現(xiàn)自動修井機的整個無人化作業(yè)流程。七個控制系統(tǒng)模塊中1-5個模塊每個模塊成為一個小單元，由一個子系統(tǒng)控制，每個子模塊設(shè)定2個目標變量，Ob1和Ob2，其中Ob1為主目標變量，Ob2為輔助目標變量，兩個變量協(xié)調(diào)統(tǒng)一，服從整個系統(tǒng)變量的控制策略要求。子模塊變量與子模塊變量之間做優(yōu)化選擇，不同位置，不同情況使用不同的控制策略，達到工藝流程要求的同時，實現(xiàn)各運動部件之間、運動部件與靜止模塊之間無干涉，在滿足流暢、實時運行目的同時要達到可靠性，提升裝備運行安全性，以提升運行速度，提高作業(yè)的產(chǎn)量，滿足OBj起下管節(jié)拍。
1.1油管桿的自動尋箍、油管桿扶正和與井口油管
接箍對中自動控制技術(shù)要保證箍接的自動檢測，本系統(tǒng)采用了磁場—電場—接箍信號獲得控制電路，首先采集磁場信號，通過磁場—電場轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)磁電的轉(zhuǎn)換，通過接箍和油管磁場強度的不同來判斷信號，同時與提升速度匹配，找出適合油管接箍檢測的最佳運行速度，從而即刻捕捉接箍信號，完成接箍的檢測環(huán)節(jié)。本子系統(tǒng)設(shè)定兩個目標變量Obd和Obx，即對中精度目標變量和尋箍精度目標變量，采用尋箍模塊與子PC系統(tǒng)通訊的模式實時獲取接箍的位置和速度信號。
1.2油管和油桿液壓工具上扣和卸扣多變量自動化控制技術(shù)
油管桿在上卸扣之前，要準確地自動就位，在上扣和卸扣中要實現(xiàn)扭矩、電流、壓力、速度、圈數(shù)參數(shù)的實時監(jiān)控，進行多變量綜合判斷絲扣是否上緊或卸開，上卸扣完畢后卸扣裝置能快速自動回位。實現(xiàn)柔性上卸扣，根據(jù)實際情況判斷上卸扣的扭矩、螺紋的圈數(shù)以及壓力，合理的輸出上卸扣扭矩，并防止背鉗的卡殼，從而造成安全事故。本子系統(tǒng)設(shè)定兩個目標變量Obn和Oby，即上卸扣扭矩變量和上卸扣壓力目標變量，采用實時多路傳感器檢測的模式實時獲取液壓鉗、鉗口位置、扭矩、壓力和速度信號。
1.3自動油管和油桿桿抓取和釋放、智能吊卡自動化控制技術(shù)
自動吊卡起下管過程中起到油管的夾持、上提、下放作用，吊卡上設(shè)定鎖定安全機構(gòu)、傾角機構(gòu)以及隨動機構(gòu)，每個機構(gòu)都使用油缸專用傳感器，實現(xiàn)動作的位置檢測。吊起下管過程中的死點檢測和控制。剛性設(shè)計的吊卡，隨桅桿上下運動，保證了對中的精度，吊卡可實現(xiàn)傾斜抓放管，適用不同的標準管柱的作業(yè)需求。本子系統(tǒng)設(shè)定兩個目標變量Obj和Obz，即桅桿運行速度變量和吊卡自動抓放管速度目標變量，采用實時多路傳感器檢測的模式實時獲取速度信號、組合動作速度信號以及各機構(gòu)的動作位置信號。
1.4管柱提升精確定位和調(diào)速自動化控制檢測技術(shù)
本系統(tǒng)實現(xiàn)油管桿的自動測長，測長完后的數(shù)據(jù)直接存儲在PC機內(nèi)，并自動形成EXCEL報表，可通過網(wǎng)絡(luò)后臺遠程瀏覽或用U盤COPY存貯。由于油管桿的長度不同，帶來了每次提升或下放管柱的“零位置點”不同，要保證裝備的智能化運行，首要的是解決油管提升中“零位”準確度的問題，故要實現(xiàn)起下油管桿整個行程中油管的位置跟蹤檢測，實現(xiàn)運行自動變調(diào)速，和整個過程實施監(jiān)控和測定。本子系統(tǒng)設(shè)定兩個目標變量Oba和Obt，即自動管桿輸送機運行速度變量和自動管桿排放機速度目標變量，采用多自由度的機械手位置檢測和機構(gòu)互鎖來控制其可靠安全運行。
1.5油管和油桿排放和輸送、裝卸大型械手自動化控制技術(shù)
實現(xiàn)油管桿排放機械化、自動化，在下管柱時應(yīng)能從油管盒內(nèi)抓取單根管柱，并將管柱輸送到指定位置；在起管柱時，應(yīng)能將起出的管柱放到油管桿盒內(nèi)并排列好。機械手自動在管排架上抓取油管或油桿，抓取油管桿后翻轉(zhuǎn)直立，并推送到井口等待位，在自動吊卡抓管時伸出手臂喂入吊卡卡爪中，然后，扶管對中。解決了傳統(tǒng)此類設(shè)備扶正對中問題、絲扣磨損問題、效率低問題等。本子系統(tǒng)設(shè)定兩個目標變量Obs和Obp，即自動管桿輸送機運行速度變量和自動管桿排放機速度目標變量，采用多自由度的機械手位置檢測和機構(gòu)互鎖來控制其可靠安全運行。
1.6自動化裝置防污防凍技術(shù)
在修井作業(yè)中，作業(yè)環(huán)境非常惡劣。當井下壓力過高時，油泥井噴會損害機械化自動化設(shè)備快速運行精度，以及控制策略選擇的正確性，甚至?xí)p壞設(shè)備或模塊。特別是在北方嚴寒地帶的冬天季節(jié)作業(yè)，可能會導(dǎo)致設(shè)備無法工作。所以智能液壓修井機裝備設(shè)計了一套完整的自動帶壓作業(yè)模塊、油污處理模塊、并配套了防凍技術(shù)，使其能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。
1.7信息管理自動化技術(shù)
在整個作業(yè)過程中，采用設(shè)計基于PC端平臺的控制監(jiān)控軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)修井機自動控制功能。此外還可以實時監(jiān)視自動修井機液壓控制系統(tǒng)運行狀況，記錄修井機控制系統(tǒng)參數(shù)信息。該智能裝備的控制系統(tǒng)設(shè)計了各模塊的監(jiān)控、目標參數(shù)的監(jiān)控、運行參數(shù)監(jiān)控、安全參數(shù)的實時檢測、位置數(shù)據(jù)的實時跟蹤。危險參數(shù)報警顯示、運動部件位置跟蹤，該模塊具有油管油桿自動測長記錄、操作數(shù)據(jù)記錄、作業(yè)數(shù)據(jù)記錄、安全數(shù)據(jù)監(jiān)控記錄、修井過程監(jiān)測、安全報警、故障自診斷、自修復(fù)等功能以及遠距離數(shù)據(jù)傳輸功能，還能在線自動尋箍定零位，檢測油管磨損等。視頻監(jiān)控系統(tǒng)配有工業(yè)電腦觸摸顯示屏，可以連接視頻信號的接收和顯示。
1.8遠程監(jiān)控和手機端監(jiān)控
在修井作業(yè)過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)移動端監(jiān)控，并成為數(shù)字化油田系統(tǒng)的子系統(tǒng)，信息共享，達到高效率、高安全性及井口無人化作業(yè)要求。通過4G，5G通訊模塊，可在授權(quán)權(quán)限的情況下，檢測裝備的位置信息、作業(yè)數(shù)據(jù)信息、作業(yè)情況信息、工作狀態(tài)信息可方便真實地反映作業(yè)裝備的情況和現(xiàn)場作業(yè)人員的作業(yè)情況，為作業(yè)隊的修井作業(yè)任務(wù)安排、調(diào)度、設(shè)備的維護等提供了決策的數(shù)據(jù)支撐。
2基于PC的智能全液壓修井機自動化系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)
鑒于井場的復(fù)雜性，環(huán)境的惡劣性，油泥，磁性，磁化，不可預(yù)估的因素和環(huán)境溫度的影響，系統(tǒng)設(shè)計時以可靠性、安全性、先進性為主，同時滿足HSE的要求。
2.1系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)
溫度：-30～55℃；風(fēng)力：≤6級；雨雪：＜中級；電源：24VDC，波動范圍±10％（車載發(fā)動機供電或蓄電池供電）；供電能力：≥15kW；油壓：32MPa；
2.2總線結(jié)構(gòu)設(shè)計
充分利用現(xiàn)代先進技術(shù)，如現(xiàn)場總線技術(shù)、智能控制技術(shù)、機器人控制技術(shù)、現(xiàn)代檢測技術(shù)、優(yōu)化控制技術(shù)、專家系統(tǒng)等實現(xiàn)該控制系統(tǒng)的實用性和智能性。本系統(tǒng)控制總線使用工業(yè)控制成熟PROFInet總線，后臺監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸使用工業(yè)以太網(wǎng)總線，并配置了遠程無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以使用4G，5G手機卡的流量實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠程傳輸。
2.3智能全液壓修井機控制流程
要滿足修井機的智能控制，準確的作業(yè)工藝過程是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。圖1為全液壓修井機的作業(yè)的工藝流程。
3操作模式設(shè)計
為了便于操作，便于維修，提高作業(yè)機的作業(yè)效率，并滿足不同工況，不同環(huán)境的需求，本智能全液壓修井機裝備的控制系統(tǒng)設(shè)計了三種模式，即單步、單鍵、三次“三單”操作模式。即實現(xiàn)遙控、半自動、一鍵啟動智能作業(yè)模式。一鍵作業(yè)模式也就是只按“啟動”鍵一次，即可完成起管或下管自動化作業(yè)智能化作業(yè)，設(shè)備根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制策略來運行，達到最佳的作業(yè)工藝要求。
4智能控制和安全設(shè)計
4.1智能多控制參數(shù)設(shè)計
根據(jù)作業(yè)流程的要求、提升和下放管柱載荷變化的規(guī)律、各模塊目標變量的預(yù)設(shè)值，以及不同工況、不同步驟時情況的策略制定，通過計算機對液壓系統(tǒng)各種傳感器數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測值的監(jiān)控和分析，預(yù)先根據(jù)專家系統(tǒng)推理機編制一套適合智能全液壓修井機裝備運行的優(yōu)化擬合控制算法，在此算法的控制下，通過對液壓系統(tǒng)泵組和控制閥回路的優(yōu)化控制，使按照計算機智能速度載荷擬合曲線的運動方程運行，實現(xiàn)全液壓修井機的最優(yōu)化智能控制。
4.2安全設(shè)計
4.2.1安全電氣互鎖設(shè)計。各模塊之間的電氣互鎖，動作之間的電氣互鎖，手動、遙控、自動之間的模式互鎖。4.2.2機械模塊互鎖設(shè)計各子設(shè)備和機械模塊之間的防碰聯(lián)鎖控制，避免設(shè)備損壞和由此產(chǎn)生人員傷害的可能性。位置互鎖：自動模式下防止設(shè)備之間碰撞，防止設(shè)備在高速運動下與其他設(shè)備碰撞，視線不好的區(qū)域防止碰撞。握手互鎖：自動吊卡，自動卡瓦，自動管桿輸送機構(gòu)等防止油管墜落。4.2.3緊急情況處理設(shè)計。傳感器失靈、機械卡死，以及遇阻情況下，設(shè)備鎖死在當前位置，同時自動切換到安全運行模式，警示鈴聲響起，等待作業(yè)人員查看故障，保證安全運行。
5結(jié)論
智能全液壓修井機在自動控制系統(tǒng)運行，無人工干預(yù)的情況下，能獨立完成油管的連續(xù)起下工作，勞動強度極低，井口、井場15m范圍內(nèi)無需操作工，機械傷害隱患大幅降低，安全系數(shù)大幅提高，作業(yè)效率得到很大提升?？刂瞥绦蛟O(shè)計合理，傳感器靈敏，機械部件動作精確，達到了設(shè)計的要求。
參考文獻
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作者:張建軍 劉顥 單位:江蘇賽瑞機器人裝備有限公司
