集成式修井機自動化控制過程探討

寇斯奇

摘 要：本論文針對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，提高了采油的自動化程度改善了傳統技術的特點，使油田開采工作更加方便和高效。以不壓井技術為基礎，加入機械手裝置，使開采設備的自動化水平更加安全高效。

關鍵詞：PID；機械手；自動化；采油

一、課題研究背景

隨著我國石油的消耗量逐年增加，對于非可再生資源的石油燃料，如何提高現有石油的開采效率，節省現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、更高效的開采設備從而提高石油的開采效率。

本課題主要針對遼河油田地下油層的開采，根據遼河油田的油層特點，中深層的油普遍粘度較高而且凝固點也高于一般水平，所以對于此類稠油，在開采過程中很容易出現輸油管受壓力而變形的現象，所以泄露的情況常常發生。如果經常更換輸油管會造成很大的經濟消耗。由于設備比較落后，遼河油田傳統的開采方式往往會消耗大量的人力物力財力，采用人工開采不僅效率不高而且很容易對人的安全造成危害。總體來說，遼河油田的現有的作業方式分為常溫作業和高溫作業兩種。常溫作業比較普遍且操作簡單方便，對于高溫作業，由于可以避免使用壓井液，所以對井下工作區域具有減少污染的作用。同時，井下的高溫環境能夠得到保持，也起到了節約井下石油能源的作用。所以，針對這些因素的影響，提高開采過程中的效率，提高開采的穩定性，使工人的工作環境更加安全顯得非常重要。

不壓井修井機技術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。壓井機的主要類型大體可分為獨立運行型、與井架鉆機相配合型和與液壓式修井機配合型三種，每種類型都有其優點和特點。總體說來，國外的相關技術研制公司都以控制技術為基礎，應用這一技術可以讓采油技術更趨向于自動化從而使工人的操作環境更加安全、方便、可靠。在國內，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設備，但研制結果在一定程度上存在不足，仍需改進。近幾年，國內許多公司為了提高修井機的機動性能，都把控制技術作為研發的基礎。湖北第四石油機械廠、華北石油榮盛機械制造有限公司、河北省任丘鐵虎石油機械有限公司、阜新馳宇石油機械有限公司、江蘇盤錦貴鑫石油機械制造有限公司、通化市中油機械廠都有了顯著地研究成果。

二、修井機的總體方案設計與工作原理

所謂修井，就是當采油過程出現故障問題時，可以避免人工維修，自動排除故障的設備。一旦設備發生故障，采用機器暫停開采更換零件的方式會造成經濟的損失，而且井下的工作環境相當復雜，人工維修難免有安全威脅。所以有必要研制一種即安全穩定，又能提高效率的自動化開采設備，來滿足當今需要的開采要求。

集成式不壓井修井設備的主要結構包括：井架系統、強制起下系統、接卸與上裝管柱機械手、控制系統、液壓系統與監測系統。井架系統主要起到了對設備的固定和支撐作用，強制起下系統能夠通過鏈條減速器等一系列結構實現吊卡的起下作用。修井機的主要結構包括上鏈輪支架、導向支撐架、管柱、機械桿豎直位置、強制起下系統、井架系統、底拍、井架翻轉平移系統、機械桿水平位置、接送料機械手、托舉機械手、作業平臺系統、控制室幾部分構成，工作原理為：將井口與不壓井設備連接，井架結構由于受到驅動作用會受到翻轉，這種驅動是由控制液壓系統完成的，最后將井口與井架相對接。過程控制的主要流程為：給入一個設定值，輸入一個偏差量之后傳給控制器，通過輸入控制量u傳給執行器，在有位移量的基礎上傳給控制閥，操控量通過被控對象輸出被控量最后再由變送器輸送到初始設定值。

不壓修井機的控制系統主要包括液壓控制系統、電氣控制系統與PLC控制系統。液壓控制系統可以產生很大的力矩和慣量從而可以使控制系統加速比其他控制系統快。液壓系統高剛度使其在定位過程中可以實現高精度定位并且其反應快速的特點使其在負載驅動過程中更加安全。電氣控制的原理是以電動機作為動力源，帶動其他零件進行控制工作。以電動機動力為基礎，通過控制器的控制作用、調節器的調節作用以及傳感器的傳感原理相結合，組成了整個控制系統。將電氣控制系統與液壓控制系統結合起來可以使控制更趨向于自動化和智能化。PLC控制是通過計算機編程來實現控制，優點是：可靠性高，控制功能強，組成靈活，操作方便。

三、不壓井修井機的作業控制與機械手控制

不壓井修井機是以液壓泵、繼電器、電機、傳感器、PLC為控制基礎，以不壓井修水機控制系統、液壓電氣控制與機械手控制為中心，傳輸到起升系統、強制起下系統與井架系統的控制過程。起升系統包括工作平臺支撐油缸、井架舉升缸及井架移動油缸、等部分。強制起下系統包括卡瓦夾緊油缸、液壓大鉗和電機傳動系統。井架系統的主要系統包括環形防噴器及固定卡瓦、三閘板防噴器、監測系統，液壓泵站主要起供油作用。

PID控制方便簡單，并且其參數容易調節，所以應用非常廣泛，常規控制可分為比例控制、比例微分控制和積分控制，而將三者結合起來稱為PID控制。

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

托舉機械手翻轉液壓缸、機械手A旋轉馬達、油箱。

機械手的操作過程：通過啟動卸載按鈕和上裝按鈕可以分別實現機械手A和機械手B的夾緊，當機械手A夾緊時，逐步實現吊卡松開、機械桿擺動、機械手A翻轉、機械手B夾緊、機械手A松開、機械手B翻轉、機械手B松開一系列過程。當機械手B夾緊時，逐步實現機械手B翻轉、機械手A夾緊、機械手B松開、機械手A翻轉、機械桿擺動、吊卡夾緊和機械手A松開直至停止過程。

對于液壓缸內油體的運動規律采用Simulink進行仿真，通過對活塞運動的仿真來得出最佳的運行效果。

四、修井機控制室設計

修井機的控制室是整個修井設備最關鍵的部分，相當于人的大腦的作用。控制室的總體布局包括控制室、座椅、升降油缸、顯示臺、支撐缸、工作平臺和油箱等。對于修井機控制室的總體布局包括房體系統結構、顯示控制系統和輔助設備系統三個部分。首先，房體結構系統包括房體整體結構設計、座椅結構設計和隔熱保溫設計。顯示控制系統包含操縱手柄、儀表顯示板、參數觸屏顯示器和開關面板幾部分，輔助設備系統包括室內照明設備、空調、雨刮器和信息通訊設備幾個部分。控制椅的設計對于工作人員來說很重要。好的工作環境能夠使操縱人員的工作效率和工作心情大大提高。由于油田多處在環境惡劣的田地深山中，所以對房體的材料要求相當高。采用不銹鋼作為主要材質并渡上防腐材料可以防止腐蝕。雨刮器可以在雨天及時清理玻璃上的雨滴，防止由于遮擋工人的視線而造成操作失誤和出現意外的情況。

控制操作系統的設計是控制室設計中很重要的設計步驟，控制手柄是工人操作時最主要使用的工具，操作系統的控制面板包括電氣控制、啟動控制、動力控制和液壓控制等，啟動控制大多數通過開關來作用。

五、結束語

本課題首先分析了修井設備的工作原理，對控制系統進行了分類研究，結合和液壓控制系統原理，運用PID控制方法理論來對其控制進行分析設計，得到合適的PID參數，從而達到滿足系統性能的作用。接下來對修井機進行了總體方案設計，指出了其工作原理，并專門進行機械手與控制室的設計。為了適應遼河油田的開采難度，提出了高自動化和高集成的方案來應對復雜的工作環境。

參考文獻

[1]江濤.集成式修井機自動化控制過程研究[D].碩士學位論文，2017年6月.

（作者單位：盤錦市政建設集團有限責任公司）