智能全液壓修井機(jī)裝備自動(dòng)化控制淺析
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摘要：我國大部分油田已進(jìn)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(dòng)作業(yè)外，其余仍大量依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度很大。在當(dāng)今主要能源領(lǐng)域油田迫切需要設(shè)備的機(jī)械化、自動(dòng)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)的修井機(jī)裝備，有部分設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了機(jī)械化、半自動(dòng)化程度，但設(shè)備的智能化水平還很低，開發(fā)設(shè)計(jì)智能化的修井機(jī)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(jī)裝備的智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，工藝設(shè)計(jì)，安全設(shè)計(jì)，多變量控制設(shè)計(jì)，整套智能控制系統(tǒng)在國內(nèi)油田全液壓修井機(jī)上使用，能達(dá)到預(yù)期的技術(shù)和性能指標(biāo)，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(jī)；自動(dòng)化系統(tǒng)；模塊化設(shè)計(jì)；安全設(shè)計(jì)
智能液壓修井作業(yè)機(jī)要求實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)無人化作業(yè)，一鍵啟動(dòng)，按照預(yù)先設(shè)定的控制策略運(yùn)行，直到起管作業(yè)或下管作業(yè)完成后自動(dòng)停止。如果在運(yùn)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(yùn)行，改變運(yùn)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(jī)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(dòng)停止設(shè)備運(yùn)行，直到故障處理后從斷點(diǎn)恢復(fù)運(yùn)行，這就對控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了極大的挑戰(zhàn)性，因此，本文設(shè)計(jì)了全新的液壓智能修井機(jī)自動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)中，這是根據(jù)修井機(jī)機(jī)生產(chǎn)現(xiàn)場對控制系統(tǒng)統(tǒng)的要求而設(shè)計(jì)出來的。該設(shè)計(jì)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(dá)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(dá)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(jī)設(shè)備復(fù)雜性，該智能控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)理念，并具有可擴(kuò)展性、可調(diào)節(jié)性、自適應(yīng)性、人機(jī)交互性和靈活性的控制策略擇優(yōu)選擇性等特點(diǎn)。
1液壓智能修井機(jī)模塊化設(shè)計(jì)
液壓智能修井機(jī)裝備自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)分為以下七個(gè)模塊。接箍自動(dòng)檢測、自動(dòng)上卸扣系統(tǒng)、機(jī)械手自動(dòng)扶正對中系統(tǒng)、吊卡自動(dòng)抓松管系統(tǒng)、油管防風(fēng)系統(tǒng)、管桿自動(dòng)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(tái)系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)定2個(gè)總的目標(biāo)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(biāo)變量，整個(gè)系統(tǒng)在安全控制策略的貫穿下，圍繞目標(biāo)變量閉環(huán)運(yùn)行策略控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)修井機(jī)的整個(gè)無人化作業(yè)流程。七個(gè)控制系統(tǒng)模塊中1-5個(gè)模塊每個(gè)模塊成為一個(gè)小單元，由一個(gè)子系統(tǒng)控制，每個(gè)子模塊設(shè)定2個(gè)目標(biāo)變量，Ob1和Ob2，其中Ob1為主目標(biāo)變量，Ob2為輔助目標(biāo)變量，兩個(gè)變量協(xié)調(diào)統(tǒng)一，服從整個(gè)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(dá)到工藝流程要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)部件之間、運(yùn)動(dòng)部件與靜止模塊之間無干涉，在滿足流暢、實(shí)時(shí)運(yùn)行目的同時(shí)要達(dá)到可靠性，提升裝備運(yùn)行安全性，以提升運(yùn)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(dòng)尋箍、油管桿扶正和與井口油管
接箍對中自動(dòng)控制技術(shù)要保證箍接的自動(dòng)檢測，本系統(tǒng)采用了磁場—電場—接箍信號(hào)獲得控制電路，首先采集磁場信號(hào)，通過磁場—電場轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)磁電的轉(zhuǎn)換，通過接箍和油管磁場強(qiáng)度的不同來判斷信號(hào)，同時(shí)與提升速度匹配，找出適合油管接箍檢測的最佳運(yùn)行速度，從而即刻捕捉接箍信號(hào)，完成接箍的檢測環(huán)節(jié)。本子系統(tǒng)設(shè)定兩個(gè)目標(biāo)變量Obd和Obx，即對中精度目標(biāo)變量和尋箍精度目標(biāo)變量，采用尋箍模塊與子PC系統(tǒng)通訊的模式實(shí)時(shí)獲取接箍的位置和速度信號(hào)。
1.2油管和油桿液壓工具上扣和卸扣多變量自動(dòng)化控制技術(shù)
油管桿在上卸扣之前，要準(zhǔn)確地自動(dòng)就位，在上扣和卸扣中要實(shí)現(xiàn)扭矩、電流、壓力、速度、圈數(shù)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)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(dòng)回位。實(shí)現(xiàn)柔性上卸扣，根據(jù)實(shí)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(gè)目標(biāo)變量Obn和Oby，即上卸扣扭矩變量和上卸扣壓力目標(biāo)變量，采用實(shí)時(shí)多路傳感器檢測的模式實(shí)時(shí)獲取液壓鉗、鉗口位置、扭矩、壓力和速度信號(hào)。
1.3自動(dòng)油管和油桿桿抓取和釋放、智能吊卡自動(dòng)化控制技術(shù)
自動(dòng)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(jī)構(gòu)、傾角機(jī)構(gòu)以及隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，每個(gè)機(jī)構(gòu)都使用油缸專用傳感器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的位置檢測。吊起下管過程中的死點(diǎn)檢測和控制。剛性設(shè)計(jì)的吊卡，隨桅桿上下運(yùn)動(dòng)，保證了對中的精度，吊卡可實(shí)現(xiàn)傾斜抓放管，適用不同的標(biāo)準(zhǔn)管柱的作業(yè)需求。本子系統(tǒng)設(shè)定兩個(gè)目標(biāo)變量Obj和Obz，即桅桿運(yùn)行速度變量和吊卡自動(dòng)抓放管速度目標(biāo)變量，采用實(shí)時(shí)多路傳感器檢測的模式實(shí)時(shí)獲取速度信號(hào)、組合動(dòng)作速度信號(hào)以及各機(jī)構(gòu)的動(dòng)作位置信號(hào)。
1.4管柱提升精確定位和調(diào)速自動(dòng)化控制檢測技術(shù)
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)油管桿的自動(dòng)測長，測長完后的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)在PC機(jī)內(nèi)，并自動(dòng)形成EXCEL報(bào)表，可通過網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)遠(yuǎn)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(diǎn)”不同，要保證裝備的智能化運(yùn)行，首要的是解決油管提升中“零位”準(zhǔn)確度的問題，故要實(shí)現(xiàn)起下油管桿整個(gè)行程中油管的位置跟蹤檢測，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行自動(dòng)變調(diào)速，和整個(gè)過程實(shí)施監(jiān)控和測定。本子系統(tǒng)設(shè)定兩個(gè)目標(biāo)變量Oba和Obt，即自動(dòng)管桿輸送機(jī)運(yùn)行速度變量和自動(dòng)管桿排放機(jī)速度目標(biāo)變量，采用多自由度的機(jī)械手位置檢測和機(jī)構(gòu)互鎖來控制其可靠安全運(yùn)行。
1.5油管和油桿排放和輸送、裝卸大型械手自動(dòng)化控制技術(shù)
實(shí)現(xiàn)油管桿排放機(jī)械化、自動(dòng)化，在下管柱時(shí)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(shí)，應(yīng)能將起出的管柱放到油管桿盒內(nèi)并排列好。機(jī)械手自動(dòng)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(dòng)吊卡抓管時(shí)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(gè)目標(biāo)變量Obs和Obp，即自動(dòng)管桿輸送機(jī)運(yùn)行速度變量和自動(dòng)管桿排放機(jī)速度目標(biāo)變量，采用多自由度的機(jī)械手位置檢測和機(jī)構(gòu)互鎖來控制其可靠安全運(yùn)行。
1.6自動(dòng)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(dāng)井下壓力過高時(shí)，油泥井噴會(huì)損害機(jī)械化自動(dòng)化設(shè)備快速運(yùn)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(yán)寒地帶的冬天季節(jié)作業(yè)，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無法工作。所以智能液壓修井機(jī)裝備設(shè)計(jì)了一套完整的自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)
在整個(gè)作業(yè)過程中，采用設(shè)計(jì)基于PC端平臺(tái)的控制監(jiān)控軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)修井機(jī)自動(dòng)控制功能。此外還可以實(shí)時(shí)監(jiān)視自動(dòng)修井機(jī)液壓控制系統(tǒng)運(yùn)行狀況，記錄修井機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)信息。該智能裝備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了各模塊的監(jiān)控、目標(biāo)參數(shù)的監(jiān)控、運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控、安全參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測、位置數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)跟蹤。危險(xiǎn)參數(shù)報(bào)警顯示、運(yùn)動(dòng)部件位置跟蹤，該模塊具有油管油桿自動(dòng)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(bào)警、故障自診斷、自修復(fù)等功能以及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸功能，還能在線自動(dòng)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(hào)的接收和顯示。
1.8遠(yuǎn)程監(jiān)控和手機(jī)端監(jiān)控
在修井作業(yè)過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)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(dá)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(shí)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(duì)的修井作業(yè)任務(wù)安排、調(diào)度、設(shè)備的維護(hù)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(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)時(shí)以可靠性、安全性、先進(jìn)性為主，同時(shí)滿足HSE的要求。
2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
溫度：-30～55℃；風(fēng)力：≤6級(jí)；雨雪：＜中級(jí)；電源：24VDC，波動(dòng)范圍±10％（車載發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)
充分利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，如現(xiàn)場總線技術(shù)、智能控制技術(shù)、機(jī)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(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)的實(shí)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(tái)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(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，可以使用4G，5G手機(jī)卡的流量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸。
2.3智能全液壓修井機(jī)控制流程
要滿足修井機(jī)的智能控制，準(zhǔn)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(jī)的作業(yè)的工藝流程。
3操作模式設(shè)計(jì)
為了便于操作，便于維修，提高作業(yè)機(jī)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(jī)裝備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種模式，即單步、單鍵、三次“三單”操作模式。即實(shí)現(xiàn)遙控、半自動(dòng)、一鍵啟動(dòng)智能作業(yè)模式。一鍵作業(yè)模式也就是只按“啟動(dòng)”鍵一次，即可完成起管或下管自動(dòng)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(yùn)行，達(dá)到最佳的作業(yè)工藝要求。
4智能控制和安全設(shè)計(jì)
4.1智能多控制參數(shù)設(shè)計(jì)
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(biāo)變量的預(yù)設(shè)值，以及不同工況、不同步驟時(shí)情況的策略制定，通過計(jì)算機(jī)對液壓系統(tǒng)各種傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(jī)編制一套適合智能全液壓修井機(jī)裝備運(yùn)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(jì)算機(jī)智能速度載荷擬合曲線的運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)全液壓修井機(jī)的最優(yōu)化智能控制。
4.2安全設(shè)計(jì)
4.2.1安全電氣互鎖設(shè)計(jì)。各模塊之間的電氣互鎖，動(dòng)作之間的電氣互鎖，手動(dòng)、遙控、自動(dòng)之間的模式互鎖。4.2.2機(jī)械模塊互鎖設(shè)計(jì)各子設(shè)備和機(jī)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(dòng)模式下防止設(shè)備之間碰撞，防止設(shè)備在高速運(yùn)動(dòng)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(dòng)吊卡，自動(dòng)卡瓦，自動(dòng)管桿輸送機(jī)構(gòu)等防止油管墜落。4.2.3緊急情況處理設(shè)計(jì)。傳感器失靈、機(jī)械卡死，以及遇阻情況下，設(shè)備鎖死在當(dāng)前位置，同時(shí)自動(dòng)切換到安全運(yùn)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(yùn)行。
5結(jié)論
智能全液壓修井機(jī)在自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行，無人工干預(yù)的情況下，能獨(dú)立完成油管的連續(xù)起下工作，勞動(dòng)強(qiáng)度極低，井口、井場15m范圍內(nèi)無需操作工，機(jī)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。控制程序設(shè)計(jì)合理，傳感器靈敏，機(jī)械部件動(dòng)作精確，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。
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作者:張建軍 劉顥 單位:江蘇賽瑞機(jī)器人裝備有限公司
