油田配水間機械手智能化調節

孟令尊 張旭 邊向南

1大慶油田有限責任公司第六采油廠

2大慶油田裝備制造集團

大慶油田采油六廠配注目前大部分處于日間人工調控、夜間無人管控的狀態，壓力波動大、流量不穩時調節次數多一些，配水流量控制不及時準確。配水間注水閥組數量多、流量計和壓力表均為就地顯示、沒有信號變送輸出，這些原因是影響油田精細注水、有效注水的不利因素。

在夜間管網壓力穩定的情況下，部分井的現場與報表注水量誤差、現場注水完成率兩項數據會出現不合格的情況，現場與報表注水量誤差不合格頻率為7.14%～13.95%，注水完成率不合格頻率為11.62%～42.86%。

在夜間管網壓力不穩定的情況下，大部分井現場油壓誤差、現場與報表注水量誤差、現場注水完成率會出現較大的波動，整體偏離配注要求。

在夏季夜間管網壓力下降的情況下，不能及時關閉油壓較高的井，保證油壓較低的井正常生產；在冬季夜間管網壓力下降的情況下，不能及時關小油壓較低的井，保證油壓較高的井管線不凍堵。

夜間管線穿孔，不能及時發現壓力變化并及時關井，導致污水泄漏，造成環境污染。人工手動調節高壓閥門存在安全隱患。

利用“工業機器人”技術概念開發的機械手調節裝置，具備常規技術（電動閥和SCADA）所沒有的諸多優勢，隨著科學技術的快速發展，完全可以成為配水間智能化調節的新型解決方案。

1 技術特點

工業機器人是先進制造技術和自動化裝備的典型代表，集機械、電子、自動控制、計算機、傳感器、人工智能、通信與網絡等多學科先進技術于一體。配水間機械手調節系統是在原有閥組工藝全部保留的情況下進行的無損化改造，現場實施簡單、費用低，安裝過程中無需關井停產，不影響注入時率，當有需要或必要時又可恢復為人工調節，相當于多了一套冗余設備（圖1）。

圖1 油田配水間智能化機械手控制過程流程圖Fig.1 Process flow diagram of intelligent manipulator control in oilfield water allocation room

一個機械手可以同時管理和調節幾十個閥組，設備利用率高，所配置的可編程邏輯控制器（PLC）功能強大，可完成數據采集、運算控制、伺服控制、報警提示功能等，根據整個配水間的壓力流量數據，進行智能化控制調節，通過優化算法和路徑，使調節更高效并降低成本。

現有配水間閥組為非線性閘閥，人工手動很難掌握好細微尺度，操作人員邊看水表邊調節，可能越調越亂。機械手調節系統把干線壓力信號、各支線壓力及流量信號引入，采用伺服控制，對速度和進程調節更精細，控制定位精度更高，效果是人手難以做到的。

在系統組態畫面上觀察整個配水間工藝動態一目了然，每口井什么時候調節，每天調節幾次，都有記錄并可生成多種運行曲線，并可在壓力異常時發送報警[1]。

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機械手配水調節系統集自動化、數字化、智能化一體，在保留原工藝基礎上，具有無損化改造、降低成本、調節精度更高、長期可靠運行的特點。

2 運行指標

采油六廠1-6配水間共有17口分層管柱井，相鄰間距580 mm，站內為水泥地面，閥門高度為720 m（圖2）。

圖2 配水間安裝平面圖Fig.2 Layout plan of water allocation room installation

使用一套機械手智能調節系統對其中10 口分層管柱井進行管控調節（圖3），2019年12月15日正式運行至今。具體性能指標如下：

圖3 機械手一天調節圖Fig.3 Manipulator adjustment in one day

（1）現場原有工藝不動，就地加裝一套機械手系統，運行軌道長度6 m，水平垂直旋轉三軸關節，采用浮動手指設計。

（2）機械手最大輸出扭矩達200 Nm，現場閥門平均扭力為30 Nm，最大扭力為80 Nm，可以完成全覆蓋調節。

（3）機械手運行啟動時，有燈光閃爍以及聲音提示，完成調節后返回初始位置待機，報警關閉。

（4）注水管理要求誤差不超過±15%，機械手調節達到±5%以內，在10～15 min內完成調整。

（5）設定壓力點，壓力在±1 MPa 區間內為正常，區間外視為壓力異常，觸發聲光和畫面報警。

（6）建立數據庫，存儲機械手系統運行數據，以日報表模式顯示，可生成各趨勢曲線。

3 比較優勢

采用常規技術也可以實現配水間自動調節流量，如在單井上加電動調節閥進行比例積分、微分（PID）調節，但配注工況很多時候是穩定狀態，并不需要頻繁調節。當干線壓力波動時，更需要做一個綜合考量，而不是各個單井就地進行PID閉環調節，而且高壓狀態下頻繁動作還容易造成閥門損壞，如某油田單井每年僅維修費編列預算6 000元，這是一筆不小的開支。全部改造加裝調節閥，設備利用率低，一次性投入大，現場改動量大，改造費用也大[2]。

機械手系統可以對幾十口井進行智能化調節，設備利用率高，運行可靠，同時PLC還有進行數據存儲處理、遠傳等功能，相當于給配水間加了一套可作為數字化基礎的PLC系統。在一次性投入方面要比常規技術方式節省三分之一左右的費用，現場改造費用低，在運行維護上定期搽油防銹即可，沒有其他費用[3-8]。

4 結束語

工業機器人是未來發展趨勢，在三種工況內最有發展潛力即：人不能干的、人干不好的和人不愿意干的。配水調節需要全天連續操作，夜間值班更辛苦，屬于后兩種情況兼而有之。

機器人不是簡單代替人工勞動，而是一種能夠結合人的優勢（即分析判斷、快速響應變化能力）以及機器優勢（即高精度、高穩定性、長時間運行和環境耐受能力強）的自動化設備，在調節過程中可以不停頓、不休息，讓工作變得更科學。

配水間機械手將工業機器人的概念應用到配注工藝領域，屬于業內首創，未來不會僅局限于配注工藝，在油田各生產環節中都會具有廣泛的應用前景[9-10]。