集成式修井機(jī)自動(dòng)化控制過程探討

寇斯奇

摘 要：本論文針對(duì)遼河油田石油的開采，研制了安全可靠的基于PID控制的修井機(jī)，提高了采油的自動(dòng)化程度改善了傳統(tǒng)技術(shù)的特點(diǎn)，使油田開采工作更加方便和高效。以不壓井技術(shù)為基礎(chǔ)，加入機(jī)械手裝置，使開采設(shè)備的自動(dòng)化水平更加安全高效。

關(guān)鍵詞：PID；機(jī)械手；自動(dòng)化；采油

一、課題研究背景

隨著我國石油的消耗量逐年增加，對(duì)于非可再生資源的石油燃料，如何提高現(xiàn)有石油的開采效率，節(jié)省現(xiàn)有石油資源顯得非常重要。為了解決這一問題，最有效最直接的方法是研制更高端、更高效的開采設(shè)備從而提高石油的開采效率。

本課題主要針對(duì)遼河油田地下油層的開采，根據(jù)遼河油田的油層特點(diǎn)，中深層的油普遍粘度較高而且凝固點(diǎn)也高于一般水平，所以對(duì)于此類稠油，在開采過程中很容易出現(xiàn)輸油管受壓力而變形的現(xiàn)象，所以泄露的情況常常發(fā)生。如果經(jīng)常更換輸油管會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)消耗。由于設(shè)備比較落后，遼河油田傳統(tǒng)的開采方式往往會(huì)消耗大量的人力物力財(cái)力，采用人工開采不僅效率不高而且很容易對(duì)人的安全造成危害?？傮w來說，遼河油田的現(xiàn)有的作業(yè)方式分為常溫作業(yè)和高溫作業(yè)兩種。常溫作業(yè)比較普遍且操作簡單方便，對(duì)于高溫作業(yè)，由于可以避免使用壓井液，所以對(duì)井下工作區(qū)域具有減少污染的作用。同時(shí)，井下的高溫環(huán)境能夠得到保持，也起到了節(jié)約井下石油能源的作用。所以，針對(duì)這些因素的影響，提高開采過程中的效率，提高開采的穩(wěn)定性，使工人的工作環(huán)境更加安全顯得非常重要。

不壓井修井機(jī)技術(shù)是美國最先提出來的，最近幾年，在這一方面更是有了很大的突破。壓井機(jī)的主要類型大體可分為獨(dú)立運(yùn)行型、與井架鉆機(jī)相配合型和與液壓式修井機(jī)配合型三種，每種類型都有其優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)?？傮w說來，國外的相關(guān)技術(shù)研制公司都以控制技術(shù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用這一技術(shù)可以讓采油技術(shù)更趨向于自動(dòng)化從而使工人的操作環(huán)境更加安全、方便、可靠。在國內(nèi)，大慶油田、四川石油管理局鉆采工藝研究院、吉林油田先后研制出了相關(guān)設(shè)備，但研制結(jié)果在一定程度上存在不足，仍需改進(jìn)。近幾年，國內(nèi)許多公司為了提高修井機(jī)的機(jī)動(dòng)性能，都把控制技術(shù)作為研發(fā)的基礎(chǔ)。湖北第四石油機(jī)械廠、華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司、河北省任丘鐵虎石油機(jī)械有限公司、阜新馳宇石油機(jī)械有限公司、江蘇盤錦貴鑫石油機(jī)械制造有限公司、通化市中油機(jī)械廠都有了顯著地研究成果。

二、修井機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)與工作原理

所謂修井，就是當(dāng)采油過程出現(xiàn)故障問題時(shí)，可以避免人工維修，自動(dòng)排除故障的設(shè)備。一旦設(shè)備發(fā)生故障，采用機(jī)器暫停開采更換零件的方式會(huì)造成經(jīng)濟(jì)的損失，而且井下的工作環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，人工維修難免有安全威脅。所以有必要研制一種即安全穩(wěn)定，又能提高效率的自動(dòng)化開采設(shè)備，來滿足當(dāng)今需要的開采要求。

集成式不壓井修井設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)包括：井架系統(tǒng)、強(qiáng)制起下系統(tǒng)、接卸與上裝管柱機(jī)械手、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。井架系統(tǒng)主要起到了對(duì)設(shè)備的固定和支撐作用，強(qiáng)制起下系統(tǒng)能夠通過鏈條減速器等一系列結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吊卡的起下作用。修井機(jī)的主要結(jié)構(gòu)包括上鏈輪支架、導(dǎo)向支撐架、管柱、機(jī)械桿豎直位置、強(qiáng)制起下系統(tǒng)、井架系統(tǒng)、底拍、井架翻轉(zhuǎn)平移系統(tǒng)、機(jī)械桿水平位置、接送料機(jī)械手、托舉機(jī)械手、作業(yè)平臺(tái)系統(tǒng)、控制室?guī)撞糠謽?gòu)成，工作原理為：將井口與不壓井設(shè)備連接，井架結(jié)構(gòu)由于受到驅(qū)動(dòng)作用會(huì)受到翻轉(zhuǎn)，這種驅(qū)動(dòng)是由控制液壓系統(tǒng)完成的，最后將井口與井架相對(duì)接。過程控制的主要流程為：給入一個(gè)設(shè)定值，輸入一個(gè)偏差量之后傳給控制器，通過輸入控制量u傳給執(zhí)行器，在有位移量的基礎(chǔ)上傳給控制閥，操控量通過被控對(duì)象輸出被控量最后再由變送器輸送到初始設(shè)定值。

不壓修井機(jī)的控制系統(tǒng)主要包括液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)與PLC控制系統(tǒng)。液壓控制系統(tǒng)可以產(chǎn)生很大的力矩和慣量從而可以使控制系統(tǒng)加速比其他控制系統(tǒng)快。液壓系統(tǒng)高剛度使其在定位過程中可以實(shí)現(xiàn)高精度定位并且其反應(yīng)快速的特點(diǎn)使其在負(fù)載驅(qū)動(dòng)過程中更加安全。電氣控制的原理是以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，帶動(dòng)其他零件進(jìn)行控制工作。以電動(dòng)機(jī)動(dòng)力為基礎(chǔ)，通過控制器的控制作用、調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用以及傳感器的傳感原理相結(jié)合，組成了整個(gè)控制系統(tǒng)。將電氣控制系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)結(jié)合起來可以使控制更趨向于自動(dòng)化和智能化。PLC控制是通過計(jì)算機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)控制，優(yōu)點(diǎn)是：可靠性高，控制功能強(qiáng)，組成靈活，操作方便。

三、不壓井修井機(jī)的作業(yè)控制與機(jī)械手控制

不壓井修井機(jī)是以液壓泵、繼電器、電機(jī)、傳感器、PLC為控制基礎(chǔ)，以不壓井修水機(jī)控制系統(tǒng)、液壓電氣控制與機(jī)械手控制為中心，傳輸?shù)狡鹕到y(tǒng)、強(qiáng)制起下系統(tǒng)與井架系統(tǒng)的控制過程。起升系統(tǒng)包括工作平臺(tái)支撐油缸、井架舉升缸及井架移動(dòng)油缸、等部分。強(qiáng)制起下系統(tǒng)包括卡瓦夾緊油缸、液壓大鉗和電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)。井架系統(tǒng)的主要系統(tǒng)包括環(huán)形防噴器及固定卡瓦、三閘板防噴器、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，液壓泵站主要起供油作用。

PID控制方便簡單，并且其參數(shù)容易調(diào)節(jié)，所以應(yīng)用非常廣泛，常規(guī)控制可分為比例控制、比例微分控制和積分控制，而將三者結(jié)合起來稱為PID控制。

機(jī)械手液壓系統(tǒng)包括液壓泵，電磁溢流閥，三位四通電磁換向閥、單向閥、單向調(diào)速閥、壓力繼電器與壓差控制表、機(jī)械手A中夾持液壓缸、機(jī)械手B夾持液壓缸、機(jī)械手A中托舉液壓缸、機(jī)械桿翻轉(zhuǎn)液壓缸、機(jī)械手B翻轉(zhuǎn)液壓缸、

托舉機(jī)械手翻轉(zhuǎn)液壓缸、機(jī)械手A旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、油箱。

機(jī)械手的操作過程：通過啟動(dòng)卸載按鈕和上裝按鈕可以分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械手A和機(jī)械手B的夾緊，當(dāng)機(jī)械手A夾緊時(shí)，逐步實(shí)現(xiàn)吊卡松開、機(jī)械桿擺動(dòng)、機(jī)械手A翻轉(zhuǎn)、機(jī)械手B夾緊、機(jī)械手A松開、機(jī)械手B翻轉(zhuǎn)、機(jī)械手B松開一系列過程。當(dāng)機(jī)械手B夾緊時(shí)，逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械手B翻轉(zhuǎn)、機(jī)械手A夾緊、機(jī)械手B松開、機(jī)械手A翻轉(zhuǎn)、機(jī)械桿擺動(dòng)、吊卡夾緊和機(jī)械手A松開直至停止過程。

對(duì)于液壓缸內(nèi)油體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律采用Simulink進(jìn)行仿真，通過對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的仿真來得出最佳的運(yùn)行效果。

四、修井機(jī)控制室設(shè)計(jì)

修井機(jī)的控制室是整個(gè)修井設(shè)備最關(guān)鍵的部分，相當(dāng)于人的大腦的作用。控制室的總體布局包括控制室、座椅、升降油缸、顯示臺(tái)、支撐缸、工作平臺(tái)和油箱等。對(duì)于修井機(jī)控制室的總體布局包括房體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、顯示控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備系統(tǒng)三個(gè)部分。首先，房體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括房體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和隔熱保溫設(shè)計(jì)。顯示控制系統(tǒng)包含操縱手柄、儀表顯示板、參數(shù)觸屏顯示器和開關(guān)面板幾部分，輔助設(shè)備系統(tǒng)包括室內(nèi)照明設(shè)備、空調(diào)、雨刮器和信息通訊設(shè)備幾個(gè)部分?？刂埔蔚脑O(shè)計(jì)對(duì)于工作人員來說很重要。好的工作環(huán)境能夠使操縱人員的工作效率和工作心情大大提高。由于油田多處在環(huán)境惡劣的田地深山中，所以對(duì)房體的材料要求相當(dāng)高。采用不銹鋼作為主要材質(zhì)并渡上防腐材料可以防止腐蝕。雨刮器可以在雨天及時(shí)清理玻璃上的雨滴，防止由于遮擋工人的視線而造成操作失誤和出現(xiàn)意外的情況。

控制操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是控制室設(shè)計(jì)中很重要的設(shè)計(jì)步驟，控制手柄是工人操作時(shí)最主要使用的工具，操作系統(tǒng)的控制面板包括電氣控制、啟動(dòng)控制、動(dòng)力控制和液壓控制等，啟動(dòng)控制大多數(shù)通過開關(guān)來作用。

五、結(jié)束語

本課題首先分析了修井設(shè)備的工作原理，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分類研究，結(jié)合和液壓控制系統(tǒng)原理，運(yùn)用PID控制方法理論來對(duì)其控制進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，得到合適的PID參數(shù)，從而達(dá)到滿足系統(tǒng)性能的作用。接下來對(duì)修井機(jī)進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)，指出了其工作原理，并專門進(jìn)行機(jī)械手與控制室的設(shè)計(jì)。為了適應(yīng)遼河油田的開采難度，提出了高自動(dòng)化和高集成的方案來應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]江濤.集成式修井機(jī)自動(dòng)化控制過程研究[D].碩士學(xué)位論文，2017年6月.

（作者單位：盤錦市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司）