集成式修井機自動化控制過程研究

袁 鑫

（大慶油田有限責任公司井下作業分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

在石油工業中，修井機大多用于提放石油各類鉆具、解排工作故障、檢修抽油泵、撈起落到油井底部的物質、輔助起重、裝設井口設備等，在穩定生產過程、更高效的作業過程中，起到了重要作用。

在油田開采的中、后期，往往很難測定井下的氣體介質與土質條件，而漸漸增大開采的困難度，加之傳統的修井機普遍技術水平低、不夠自動化、作業效率不高、工作量過大、安全性不好、較難維修等。集成式不壓井修井機是專門針對此種情形研制出的一種裝置，有自動化程度高、專業技術先進、控制系統功能強大等特點，能提升鉆采過程的可靠性與安全性。另外，集成修井機與綠色節能減排、環境保護理念集為一致，尤其是其中的控制系統擁有諸多優勢，如實時監測和控制、及時反饋等，引起了人們的廣泛關注。

1 集成式油田修井機的基本結構

在不壓井集成式修井設備中，具有下面的結構體系。

（1）作業平臺體系指的是連接著掛車，且有集成修井設備上存在的其他體系，能很便捷地操作運輸。在運輸的過程中，經由插槽結構，作業平臺體系相連著掛車，以避免運輸中遇到的顛簸而出現滑動問題；在工作的過程中，經由6 個液壓支腳，作業平臺體系支起固定平臺，而掛車則可從作業平臺上駛離。

（2）井架平移體系一般包含諸多液壓油缸和組成機構，支撐平臺是車體，并通過液壓裝置，來轉動井架體系、發生橫縱平移動，還能控制井架體系接上井口，以穩定地進行開采。在這種修井設備內，支撐體系中的井架發揮著關鍵性作用，主要涉及以下機構：防噴體系、冷卻體系、井架、過渡管等。

（3）強制起下體系屬于修井機的關鍵性體系，經由管柱重量改變、反推井內介質壓力形成的平衡，來強制起下系統中的管柱。而通過吊卡、卡瓦、鏈條鏈輪、馬達、緩速器等來形成這種強制起下修井機體系。在整個體系中，動力主要源自液壓體系中的液壓馬達，并經由減速器，來驅動兩組鏈條快速移動在支撐架上，而鏈條又驅動橫梁及其上面的吊卡，并發生向上向下的運動，以此來強制性起下管柱。在這種修井機工作的環節，通過相應的機械手，來進行無人接卸、管柱上裝工作，以確保安全生產過程的集成化、自動化。當卸下管柱時，由首組吊卡機械手把管柱承接，并輸送至下一組的修井機機械手中，并通過這組的機械手，為地面運輸管柱。

（4）在修井設備中，控制體系屬于核心部位，能控制整個體系中的功能與每個部分發出的動作，主要涉及元器件動作、系統程序這兩項控制。在控制體系中有自動控制和手動控制兩種控制方式：自動控制是指自動實現每根油管的倒換防噴器、泄管壓、換流體等；手動控制則是指控制操作，但程序控制中不可出現誤操作。在進行管箍檢測時，由防噴器來自動控制開和關。

（5）液壓體系是指修井機中的執行結構與動力輸出部分，且動力經由液壓馬達及其泵來供給。作為設備中的執行結構，液壓缸中需要執行的任務，一般有涉及掛車支撐、翻移井架、馬達、大鉗裝和卸、夾卡瓦、管柱機械手接送、防噴三閘板等。

（6）監測體系主要用于監測設備狀態的無人操作整個過程，以便設備正常完成修井工作。在利用監視體系監視設備配備過程中，主要的監測參數有液壓體系中的溫度、壓力。在防噴體系，還會監測過渡管中氣體介質的溫度、壓力、實際含有的有毒氣體量。同時，還會檢測變徑體系的工況，在液壓式泵站中的壓力、溫度以及設備的實際作業工況、井口體系中的緊急關閉狀況等，以便于以后這些修井設備的檢查和維修。

2 自動化控制系統

2.1 液壓控制

液壓系統是指為利用設備（裝置）完成要求下的工藝作業，連接多個液壓元件而組合形成的一種體系。這種液壓控制體系一般用于控制輔助設備，如調節閥等具有反饋作用的閉環體系，以及傳遞信息等。在這個過程中，一般輔助是傳遞動作及其動力，并在不斷完善控制體系。在這個系統中，通過各種精確性元件，來組合而形成檢測反饋體系，以監控整個體系中的關鍵性參數，并實時檢測工作變化，具體影響其中控制量的狀況。

在液壓控制體系中，驅動裝置是液壓動力下的元件。以一定的規律，輸入正在變化的信號，然后輸出量根據收到后的信號，來嚴格執行與之對應的運動，以組合而成一個良好的閉環反饋體系。在這些輸出量中，主要涉及以下參數，如速度、機械力、加速度等。這樣系統便能夠根據機械設備所使用的工藝要求，來以一定程度的變化，嚴格控制變量，如速度、力、加速度等，以便準確、平穩地操作設備，并完成特定的工作。

該液壓控制體系要擁有以下優勢：

（1）該液壓體系能夠迅速反應，可以安全可靠地很快驅動負載，并逐步增大調速的整個區間。

（2）功率相同時質量輕、力矩大、慣量強。當功率相同時，液壓元件具有更大的質量比、更強的力矩、更大上慣量，能夠形成緊湊的構成結構、較大的力矩、加快控制系統的工作速度。

（3）系統負載具有大的剛度、高精度。在液壓控制體系中，負載變化產生的影響并不大，可以準確定位、精度高控制作業。

2.2 電氣控制

拖動體系是指在機械設備中，動力裝置為原動機的機械零件拖動運動體系，而電氣控制則是指控制這個拖動體系。其中的電力拖動將原動力用電機來替代，并驅動機械零件的作業運動。現階段，結合機械設備的作業工藝要求，來把機械化作業中的原動機用電機加以替代。同時，通過組合調節器、控制器、傳感器等，來自動控制體系的啟停、反轉等，這樣便組合而形成了電氣控制。

在電氣控制體系，繼電接觸式屬于常見的控制模式。該控制方式擁有諸多優勢，如結構單一、可便捷維修使用等，并直接決定著機械生產的可靠性。在電氣控制體系，電路通過繼電器、控制器、按鈕、接觸器、開關等元件形成，且各電器元件作用也不盡相同。通過聯合多個電器元件，來控制電路的準確與穩定。

現階段，伴隨先進科技的快速進步，元器件設備也變得愈發智能、性能優異、可靠性高、自動化程度高等。而傳統的單獨控制體系現已無法滿足設備的需要，所以，通過結合液壓、電氣控制而形成的先進電液控制體系，則可以提高設備的自動化、智能化程度。

2.3 PLC 控制

PLC 控制器又叫可編程控制器，指的是基于計算機專業技術與繼電器控制原理而形成的、中心是微處理器的，集合諸多技術，如計算機、自動化、電子通信等技術的，自動控制工業生產的一種裝置。通過I/O 擴展單元、中央處理器、外接設備、儲存器等組合形成的PLC 控制器，優點很多，主要有以下4 個。

（1）控制性能優異：既能控制線路，又能運算、調節PID、傳輸信號、中斷作業等。

（2）可靈活組合而成、品種多，可以根據用戶的特定要求來選取功能。

（3）優異的可靠性：在控制工業制造的過程時，集成度高、元件性能好等，整體控制既可靠又準確。

（4）可便捷操作，面向用戶有多種語言。

在PLC 控制器中，所用的梯形圖語言既簡單又易懂，且操作人員能夠便捷操作、快速編輯。通過應用PLC 控制器，相應的設備發展得越來越集成化、輕質化、便捷化、適應性好、自動化、智能化等。各種設備均進行無人化操作，且作業效率高、員工在現場能安全作業。

3 控制過程

控制過程指的是自動控制壓力、溫度、液位、流量、組成等參數變量的整個過程（圖1）：經由控制器，接受從變送器或傳感器發出的參數或者被控變量，經過對比測量值的更改和設定值后，借助偏差值來有效控制這些對象。當這個偏差值與工藝要求相符后，維持控制器輸出固定的數據；在執行操作的過程中，執行器以測量值和原設定值相距的差值，并由控制器以某種運算控制規律來實施；在控制體系中，控制閥屬于調節元件，能更改體系的大小、方向等；這里的被控對象指的是受控制的執行設備與生產裝置。為了在生產作業時獲取可靠、準確的控制信息，體現整個生產環節的狀態，一般情況下要求使用性能不一樣的傳感器檢測，再由變送器或者傳感器，獲得的輸出值和計算被控量后得出的值，就是測定值。

圖1 控制過程

其實，控制過程在具體的操作中所發揮的作用大體一致，主要的特點有：①當作業中所用工藝的基本要求、規模不一樣時，相應的被控量也會呈現出諸多形式；②豐富的控制方案，且以過程參數為被控目標；③系統多使用控制給定值的方式。

為了高集成、更加自動化、更快作業、更可靠安全、更便捷操作等，修井機應使用可靠、穩定的控制體系，以此來自動控制各系統中設備、機構的操作。在控制體系有結構操作和體系程序這兩種控制，前者多通過液壓、電氣這兩項控制來供給動力輸出；后者則多數情況下通過PLC 來實現控制。在控制的整個過程中，通過協同電氣、液壓、PLC 這三項控制，來穩定修井機運行。

4 結語

目前傳統修井機已經無法滿足油田開采的要求，而集成式修井機很好地彌補了傳統修井機的弊端。其中的控制過程具有諸多優勢，如高集成度、更自動化、安全可靠、可便捷操作等，整個控制系統能高效作業，且性能優異可靠。所以，集成式修井工作設備，可以很好地滿足現代油氣田開采工作的要求，并已經發展成為一個成本投入小、工作效率高的全新自動化修井模式。