智能全液壓修井機裝備自動化控制系統設計

張建軍，劉 顥

（江蘇賽瑞機器人裝備有限公司，江蘇常州 213000）

智能液壓修井作業機要求實現修井作業無人化作業，一鍵啟動，按照預先設定的控制策略運行，直到起管作業或下管作業完成后自動停止。如果在運行過程中遇到參數的改變或環境的改變，設備自適應運行，改變運行策略，滿足作業工藝的要求，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生），人工干預設備停止或通過控制策略研判自動停止設備運行，直到故障處理后從斷點恢復運行，這就對控制系統的設計帶來了極大的挑戰性，因此，本文設計了全新的液壓智能修井機自動化控制系統。該系統將多變量、安全互鎖以及精確閉環控制技術應用到液壓智能修井機控制系統中，這是根據修井機機生產現場對控制系統統的要求而設計出來的。該設計方案滿足生產現場的需要，提高了控制系統的可靠性，達到了智能控制的要求。其次，該系統將多變量、多策略控制技術應用到智能控制系統，滿足智能化修井控制系統的要求，很好地滿足了油田修井作業的需求，達到了滿意的效果。此外，為適應不同的油田工況、環境、人為操作因素、工藝流程的優化和液壓智能修井機設備復雜性，該智能控制系統采用模塊化設計理念，并具有可擴展性、可調節性、自適應性、人機交互性和靈活性的控制策略擇優選擇性等特點。

1 液壓智能修井機模塊化設計

液壓智能修井機裝備自動控制系統設計時分為以下七個模塊。接箍自動檢測、自動上卸扣系統、機械手自動扶正對中系統、吊卡自動抓松管系統、油管防風系統、管桿自動輸送系統、污水收集系統、安全互鎖系統、遙控及監控系統、可調式井口作業平臺 系統。

整個系統設定2個總的目標變量，OBj和OBw。 其中OBj為起下管節拍，本系統設定為40根/h，OBw為桅桿變速調整目標變量，整個系統在安全控制策略的貫穿下，圍繞目標變量閉環運行策略控制，實現自動修井機的整個無人化作業流程。

七個控制系統模塊中1-5個模塊每個模塊成為一個小單元，由一個子系統控制，每個子模塊設定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，兩個變量協調統一，服從整個系統變量的控制策略要求。子模塊變量與子模塊變量之間做優化選擇，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，提高作業的產量，滿足OBj起下管節拍。

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

要保證箍接的自動檢測，本系統采用了磁場—電場—接箍信號獲得控制電路，首先采集磁場信號，通過磁場—電場轉換模塊，實現磁電的轉換，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，完成接箍的檢測環節。

本子系統設定兩個目標變量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

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扭矩、電流、壓力、速度、圈數參數的實時監控，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。

實現柔性上卸扣，根據實際情況判斷上卸扣的扭矩、螺紋的圈數以及壓力，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。

本子系統設定兩個目標變量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

自動吊卡起下管過程中起到油管的夾持、上提、下放作用，吊卡上設定鎖定安全機構、傾角機構以及隨動機構，每個機構都使用油缸專用傳感器，實現動作的位置檢測。吊起下管過程中的死點檢測和控制。

剛性設計的吊卡，隨桅桿上下運動，保證了對中的精度，吊卡可實現傾斜抓放管，適用不同的標準管柱的作業需求。

本子系統設定兩個目標變量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的動作位置信號。

1.4 管柱提升精確定位和調速自動化控制檢測技術

本系統實現油管桿的自動測長，測長完后的數據直接存儲在PC機內，并自動形成EXCEL報表，可通過網絡后臺遠程瀏覽或用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，故要實現起下油管桿整個行程中油管的位置跟蹤檢測，實現運行自動變調速，和整個過程實施監控和測定。

本子系統設定兩個目標變量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

實現油管桿排放機械化、自動化，在下管柱時應能從油管盒內抓取單根管柱，并將管柱輸送到指定位置；在起管柱時，應能將起出的管柱放到油管桿盒內并排列好。

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。解決了傳統此類設備扶正對中問題、絲扣磨損問題、效率低問題等。

本子系統設定兩個目標變量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

在修井作業中，作業環境非常惡劣。當井下壓力過高時，油泥井噴會損害機械化自動化設備快速運行精度，以及控制策略選擇的正確性，甚至會損壞設備或模塊。特別是在北方嚴寒地帶的冬天季節作業，可能會導致設備無法工作。所以智能液壓修井機裝備設計了一套完整的自動帶壓作業模塊、油污處理模塊、并配套了防凍技術，使其能夠適應惡劣的工作環境。

1.7 信息管理自動化技術

在整個作業過程中，采用設計基于PC端平臺的控制監控軟件，能夠實現修井機自動控制功能。此外還可以實時監視自動修井機液壓控制系統運行狀況，記錄修井機控制系統參數信息。該智能裝備的控制系統設計了各模塊的監控、目標參數的監控、運行參數監控、安全參數的實時檢測、位置數據的實時跟蹤。危險參數報警顯示、運動部件位置跟蹤，該模塊具有油管油桿自動測長記錄、操作數據記錄、作業數據記錄、安全數據監控記錄、修井過程監測、安全報警、故障自診斷、自修復等功能以及遠距離數據傳輸功能，還能在線自動尋箍定零位，檢測油管磨損等。

視頻監控系統配有工業電腦觸摸顯示屏，可以連接視頻信號的接收和顯示。

1.8 遠程監控和手機端監控

在修井作業過程中，能夠實現移動端監控，并成為數字化油田系統的子系統，信息共享，達到高效率、高安全性及井口無人化作業要求。

通過4G，5G通訊模塊，可在授權權限的情況下，檢測裝備的位置信息、作業數據信息、作業情況信息、工作狀態信息可方便真實地反映作業裝備的情況和現場作業人員的作業情況，為作業隊的修井作業任務安排、調度、設備的維護等提供了決策的數據支撐。

2 基于PC的智能全液壓修井機自動化系統設計參數

鑒于井場的復雜性，環境的惡劣性，油泥，磁性，磁化，不可預估的因素和環境溫度的影響，系統設計時以可靠性、安全性、先進性為主，同時滿足HSE的要求。

2.1 系統設計參數

溫度：-30～55℃；風力：≤6級；雨雪：＜中級；電源：24VDC，波動范圍±10%（車載發動機供電或蓄電池供電）；供電能力：≥15kW；油壓：32MPa；

2.2 總線結構設計

充分利用現代先進技術，如現場總線技術、智能控 制技術、機器人控制技術、現代檢測技術、優化控制技術、專家系統等實現該控制系統的實用性和智能性。

本系統控制總線使用工業控制成熟PROFInet總線，后臺監控和數據傳輸使用工業以太網總線，并配置了遠程無線數據傳輸模塊，可以使用4G，5G手機卡的流量實現數據的無線遠程傳輸。

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，準確的作業工藝過程是控制系統的關鍵。圖1為全液壓修井機的作業的工藝流程。

圖1 智能全液壓修井機作業流程

3 操作模式設計

為了便于操作，便于維修，提高作業機的作業效率，并滿足不同工況，不同環境的需求，本智能全液壓修井機裝備的控制系統設計了三種模式，即單步、單鍵、三次“三單”操作模式。

即實現遙控、半自動、一鍵啟動智能作業模式。

一鍵作業模式也就是只按 “啟動”鍵一次，即可完成起管或下管自動化作業智能化作業，設備根據預先設定的控制策略來運行，達到最佳的作業工藝要求。

4 智能控制和安全設計

4.1 智能多控制參數設計

根據作業流程的要求、提升和下放管柱載荷變化的規律、各模塊目標變量的預設值，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各種傳感器數據的實時監測值的監控和分析，預先根據專家系統推理機編制一套適合智能全液壓修井機裝備運行的優化擬合控制算法，在此算法的控制下，通過對液壓系統泵組和控制閥回路的優化控制，使按照計算機智能速度載荷擬合曲線的運動方程運行，實現全液壓修井機的最優化智能控制。

4.2 安全設計

4.2.1 安全電氣互鎖設計

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 機械模塊互鎖設計

各子設備和機械模塊之間的防碰聯鎖控制，避免設備損壞和由此產生人員傷害的可能性。位置互鎖：自動模式下防止設備之間碰撞，防止設備在高速運動下與其他設備碰撞，視線不好的區域防止碰撞。握手互鎖：自動吊卡，自動卡瓦，自動管桿輸送機構等防止油管墜落。

4.2.3 緊急情況處理設計

傳感器失靈、機械卡死，以及遇阻情況下，設備鎖死在當前位置，同時自動切換到安全運行模式，警示鈴聲響起，等待作業人員查看故障，保證安全運行。

5 結論

智能全液壓修井機在自動控制系統運行，無人工干預的情況下，能獨立完成油管的連續起下工作，勞動強度極低，井口、井場15m范圍內無需操作工，機械傷害隱患大幅降低，安全系數大幅提高，作業效率得到很大提升。控制程序設計合理，傳感器靈敏，機械部件動作精確，達到了設計的要求。