電氣自動化在井下工具實驗室的應用策略

路明，吳雙亮，張凱軒，陳雷

(中國石油天然氣股份有限公司冀東油田分公司鉆采工藝研究院，河北 唐山 063200)

0 引言

在冀東油田鉆采院井下工具實驗室運行中，其電氣自動化系統可以提高運行效率，這是該研究院現代化科研生產的焦點。該院通過對井下工具實驗室中所需環境、壓力、溫度等的研究，設計相匹配的電氣自動化系統監控、操作、安全保護等，再利用獨特的網絡化、信息化和數字化這些優勢，保證了中控室、現場設備和防護系統的協調和統一。這有利于集控管理，實現共享和自動化交換全局數據[1-2]，還能減少工作人員的勞動量、簡化工作的復雜程度，在一定程度上提高井下工具實驗室的信息化發展和自動化水平，從而保證電氣控制生產可靠和安全的運行。所以，應該進一步的探討電氣自動化技術在冀東油田井下工具實驗室的應用和發展。

1 電氣自動化概述

電氣自動化技術包括儀表測量、可編程邏輯控制等多種內容，具備較強的綜合性和集成度，能夠滿足冀東油田現代化井下工具研發實驗的多種需求。井下工具的研發對技術標準的要求較高，在很多環節都已經用自動化運行代替了人工操作，因此其實驗過程中的很多環節對自動化的操作水平要求很高。提高冀東油田井下工具實驗室的電氣自動化水平，可以大大提高各種硬件設備的工作效率，并且有利于減少故障的幾率和破壞性，能夠整體提高井下工具研發的效率，通過深入挖掘電氣自動化技術的應用，提高實驗過程中的智能性，以此提高效率，保證安全性，為油田實現增儲創效奠定基礎。

2 電氣自動化在井下工具實驗室的主要應用

冀東油田鉆采院井下工具實驗室主要有配電室、動力泵房、輔助動力房、防砂試驗室、中控室以及試驗工房等組成。包括實尺寸模擬井系統、封隔器檢測系統、防砂管評價系統、數據采集系統、智能控制系統和視頻監控系統等，并擁有45 臺(套) 井下工具拆卸、裝配、檢測等輔助設備。

井下工具實驗室按照API Spec 11D1(ISO14310)V3 級別進行建造，可以開展油浸高溫高壓試驗、水浸高壓試驗、模擬井下工具試驗、拉壓扭試驗、防砂管評價試驗、抽油桿管防偏磨試驗等，能夠根據試驗要求為每一個試驗對象提供個性化試驗環境，開展全尺寸、全過程的功能試驗和工藝模擬試驗，是冀東油田井下工具研發、試驗、檢測的智能化平臺[3]。同時，還可以提供井下工具科研技術人員進行學習、培訓和技術交流。

2.1 井下工具主要實驗操作系統

2.1.1 水浸和油浸高壓實驗操作系統

水浸試驗裝置一套大型打壓試驗設備，該設備性能穩定，自動化程度高，適合石油天然氣生產的井口裝置、連接裝置及附件、套管懸掛器和油管懸掛器、閥門和節流器以及其他異徑連接裝置和封隔器的承壓完整性試驗，以及封隔器的坐封、解封、耐壓試驗及強度試驗，還有對膠筒、橡膠密封圈等井下用橡膠制品在高壓條件下進行老化、疲勞性能及壽命評估試驗。本系統以清水為試驗介質。包括高壓水加壓站一臺和三根立式水浸試驗套管。

該實驗操作系統能夠在控制臺的面板選擇“遠程控制”或者“現場手動”，非常便捷。操作界面，提供快速流程切換選項，能夠進行“一鍵”流程切換。在中控室遠程控制操作臺裝有嵌入式計算機，能夠根據指令和設定參數，自動完成試驗過程。計算機之間采用數據鏈進行信息交換，實時傳遞數據。上位計算機系統采用工藝流程化的信息界面，實時顯示試驗狀態和各點的實驗參數。上位計算機的強大繪圖和數據處理功能，能夠實時曲線化顯示試驗過程。遠程采集壓力數據，能夠在控制室計算機屏幕和控制儀表上，觀察現場的壓力，試驗完成后能夠進行試驗數據的曲線回放、數據查詢及報表打印。也可以選擇“現場手動”，控制、操作和觀察非常方便，對發現的問題能及時快速處理。遠程操作可以減少人員在高壓區停留的時間，更安全，是常用操作措施。

這臺操作系統在加壓時具有很高的安全性[4]。首先是三級過壓保護措施：第一級繼電過壓保護：當打壓超過系統設定壓力時，控制室的壓力處理系統發出報警，由壓力顯示儀表強制控制高壓泵停泵。第二級計算機過壓保護：當控制系統測量壓力超過極限壓力時，啟動快速泄壓通道快速泄壓。第三級本質安全保護：采用本質安全型的高壓加壓泵和可靠的高壓泵的輸出壓力控制技術，保證任何情況下，系統加壓不會超過設定值。再次，中控室操作面板和現場超高壓水加壓站操作面板都具備緊急關斷操作按鈕，緊急情況下按“急停”按鈕超高壓水加壓站迅速關斷高壓泵，同時對承受高壓的管路和腔體進行泄壓。同時高壓水加壓站設備具備操作“防呆”繼電保護回路，防止設備的誤操作發生意外。

油浸試驗裝置一套大型加熱打壓設備，自動化程度也很高，適合石油天然氣生產的井口裝置、連接裝置及附件、套管懸掛器和油管懸掛器、閥門和節流器以及其他異徑連接裝置和封隔器的承壓完整性試驗。以及封隔器的坐封、解封、耐壓試驗及強度試驗，還有對膠筒、橡膠密封圈等井下用橡膠制品在高溫高壓條件下進行老化、疲勞性能及壽命評估試驗。

油浸試驗井與水浸試驗井最大區別在于對下入罐中的試件可以同時加溫和打壓，測試試件的耐溫、承壓和密封性能，以柴油為試驗介質。包括高壓油加壓站一臺、加熱保溫裝置一套、三根立式油浸試驗套管。

油浸高溫高壓實驗操作系統在操作、數據監視記錄、安全防護等方面和水浸高壓實驗系統基本一樣。但是油浸系統又利用電氣自動化原理，設計了一套柴油的循環利用系統，將打壓泄掉的柴油收集到回油箱沉淀，再遠程啟動濾油機進行精細過濾，放入儲油箱備用，減少了柴油的浪費和污染，油浸和水浸實驗系統結構原理圖如圖1 所示。

2.1.2 模擬試驗井系統

模擬試驗井系統一套自動化程度高的打壓設備，可模擬7in、5.5in、4in (177.8 mm、139.7 mm、101.6 mm)等全尺寸工具的實驗，可以滿足絕大多數采油工具及工藝對工程實驗條件的要求；可進行單級或多級管柱的原理試驗，多級封隔器坐封、驗封、解封可靠性實驗和耐壓差實驗；以及井下工具水力試驗、分層注水、分層測試、測試工藝技術模擬試驗。能夠進行井下壓力計、流量計校正試驗。

該設備的主要特點：(1)流程元件部分：①流程切換閥門全部采用氣動控制閥。實現遠程的試驗流程的切換，為了安全起見每個閥門具備現場操作手柄。②試驗流程具備遠程泄壓控制閥，實現承壓流程的遠程泄壓，減少操作人員在高壓管匯區的停留。(2)操作控制部分：數據采集采用遠程壓力和流量測量，能夠在控制室計算機屏幕和控制儀表上，觀察現場的壓力和流量。(3)計算機顯示和控制部分：①計算機強大的繪圖和數據處理功能，能夠實時曲線化顯示試驗過程。②試驗完成后能夠進行試驗數據的曲線回放、數據查詢和報表打印。(4)安全防護控制部分：①控制臺具備“遠程控制”和“現場手動”切換功能。②主控室操作面板具備緊急關斷操作按鈕，緊急情況下迅速切斷電源和進行泄壓，模擬井試驗系統結構原理圖如圖2 所示。

圖2 模擬井試驗系統結構原理圖

2.1.3 防砂篩管評價實驗系統

防砂篩管評價實驗系統是一套針對防砂篩管擋砂性能和抗堵塞性能評價的實驗裝置。該系統可進行實尺寸室內防砂方法模擬試驗，可以檢測出各種防砂篩管的擋砂精度、抗堵塞性能、出砂粒徑、粒度分布等，通過測試分析它們性能的優缺點，為防砂的優化選擇提供依據，從而有效指導現場防砂設計和防砂施工作業。對于新開發的防砂技術和產品，也可在現場應用前，對其進行性能測試和分析研究。

防砂篩管評價實驗系統電氣控制柜包括JD-SCPT系統操作臺和JD-SCPT 系統現場控制臺。它們分別安裝了該系統遠程操作和現場操作用的所有電氣控制元件，包括刀開關、熔斷器、中間繼電器、旋鈕開關、控制按鈕等。還包括遠程壓力和流量測試儀表，計算機程控模塊，計算機及其測控系統軟件。

用多個遠傳壓力傳感器分別測量實驗井筒輸入和輸出壓力，并實時向測控系統發送測試數據。遠傳流量計測量試驗回路液體實際流量，并實時向測控系統發送測試數據。計算機程控模塊及計算機測控系統軟件配合，收集和處理壓力、流量等測試數據，并在計算機上實時顯示試驗情況，并能存儲、顯示和打印試驗結果圖表。該控制室具備緊急情況下的關斷控制，防砂篩管評價實驗系統結構原理圖如圖3 所示。

圖3 防砂篩管評價實驗系統結構原理圖

2.2 視頻監控系統

井下工具實驗室采用的是數字化高清視頻監控系統，主要有攝像機(鏡頭、云臺、防護罩)、視頻解碼器、控制臺切換裝置、監視設備、硬盤錄像機等設備組成[5]。

攝像機拍攝到的信號經過解碼器解碼，再傳到監視設備上供實時觀察和監視。實驗室配有15 臺高清數字攝像頭，可以實現對水浸、油浸系統和模擬井等遠程打壓實驗時，現場輔助監控，還可以實現對高風險設備的針對性監控，如高壓柱塞泵、地坑內高溫導熱油泵和加熱系統等巡檢監控，減少實驗人員在高溫高壓區停留的時間。同時錄像設備將視頻錄像記錄保存下來，供科研人員分析實驗過程細節，優化實驗方案，還可以在發生事故時調查取證使用。

2.3 通風系統

通風系統的工作性能好壞關系到井下工具實驗人員工作環境安全性高低。井下工作實驗室油浸高溫高壓實驗系統做實驗的頻次較多，溢出、殘留的柴油介質被加熱揮發到工房內，實驗室內相對密閉，需要就地啟動軸流風機將柴油蒸汽排出，減少柴油產生著火爆炸的風險，降低對人體健康產生的危害。實驗室地坑較為密閉，但做水浸、油浸實驗系統操作時，需要進入下面進行巡檢，這時就需要啟動軸流風機，先對地坑換氣，待氣體檢測合格后，才可以進入地坑進行巡檢和故障排查，通風系統的設置對保證室內工作環境安全和人身健康起到了重要作用。

2.4 配電系統

井下工具實驗室的配電系統有很大優勢，其中包括自動化有效提升電能質量、科學合理處理電網故障并實施隔離、有效保證電網的控制效率和供電穩定性。該配電系統可以劃分為若干個子系統，運用電氣自動化技術，可以科學的協調這些子系統之間的相互合作，有助于提高配電系統的穩定性。通過電子監測實現對井下工具實驗室的配電系統狀況進行實時監測以及一定的輔助控制功能，還能夠對配電系統的的運行數據進行采集和判斷，進而獲得運行情況。同時利用無功補償技術提高供電系統電網的功率因數，降低供電變壓器及輸送線路的損耗，提高供電效率，改善供電環境。

2.5 消防和應急照明系統

井下工具實驗室工房消防采用的是滅火器和室內消火栓系統組合。室內消火栓系統由消防水箱、管路管件、消防泵、消防水帶、水槍和遠程控制系統組成。它主要用于撲滅建筑物內的初期火災，避免重大火災事故的發生。這就對消防系統啟動的及時性提出了更高的要求，工房內設置了5 個消火栓，都通過電氣自動化原理，設置了遠程啟動，當火災發生時，可以快速啟動消火栓按鈕，實施滅火，將初期火災消滅在萌芽階段。室內消火栓系統加入了消防FEPS 應急電源和消防泵變頻控制，變頻啟動，可以有效降低應急電源所需容量，節約空間和成本，當市電故障和異常時，可保證室內消火栓系統正常使用多達1 個小時，降低了停電時發生火災的事故的風險。其中，實驗室內還配備了分散式應急照明系統，一方面可以保證夜間突然停電后緊急處理，另一方面還可以為夜間停電，同時發生火災事故，實施滅火時提供應急照明，以及人員在發生火災、爆炸等重大事故時安全逃生。

3 結果與討論

電氣自動化技術在井下工具實驗室的各個生產環節都發揮著重要的控制作用，大大提高了科研實驗的效率，有利于保障實驗過程中的穩定和安全。因此，關注電氣自動化技術的發展和進步，進一步加強其在科研實驗應用的廣度和深度。首先，對軟件和硬件進一步改進，增加一些易發事故的報警點監測，部分設備實現PID 閉環控制等等，增加設備運行和操作的安全性。其次，引入無人機技術，對實驗過程的高溫高壓現場進行輔助監測，代替實驗人員進行現場巡檢。還可以針對一些風險較高的設備和場所，人員進入不方便，發生風險不易躲避，但又必須進入現場勘察的場所，考慮利用無人機進行觀察，降低人員發生事故的風險，同時無人機還可以進行視頻監測存儲，為科研實驗提供影像參考[6]。為此，下一步還打算對配電系統進行進一步優化，對個別泵由工頻改為變頻控制，實現節能降耗的作用，積極創新，挖掘新的應用點。

4 結語

隨著冀東油田提質增效工作的開展，對井下工具的研發提出了更多的需求和更高的研發效率，電氣自動化技術將會在井下工具實驗室的應用會越來越廣泛。電氣自動化技術不僅能促進井下工具的研發效率，還能降低人工成本和勞動力，并盡快將科研成果轉化為生產力，為油田的開發降本增效，創造效益提供支撐。本文從井下工具實驗操作系統、視頻監控系統、通風系統、配電系統、消防和應急照明系統五個方面出發，剖析了電氣自動化技術在井下工具實驗中的具體應用，同時還對其將來的發展方向進行了一些探索，為相關實踐和科研提供一定的借鑒作用。