集成式修井机自动化控制过程探讨

寇斯奇

摘 要：本论文针对辽河油田石油的开采，研制了安全可靠的基于PID控制的修井机，提高了采油的自动化程度改善了传统技术的特点，使油田开采工作更加方便和高效。以不压井技术为基础，加入机械手装置，使开采设备的自动化水平更加安全高效。

关键词：PID；机械手；自动化；采油

一、课题研究背景

随着我国石油的消耗量逐年增加，对于非可再生资源的石油燃料，如何提高现有石油的开采效率，节省现有石油资源显得非常重要。为了解决这一问题，最有效最直接的方法是研制更高端、更高效的开采设备从而提高石油的开采效率。

本课题主要针对辽河油田地下油层的开采，根据辽河油田的油层特点，中深层的油普遍粘度较高而且凝固点也高于一般水平，所以对于此类稠油，在开采过程中很容易出现输油管受压力而变形的现象，所以泄露的情况常常发生。如果经常更换输油管会造成很大的经济消耗。由于设备比较落后，辽河油田传统的开采方式往往会消耗大量的人力物力财力，采用人工开采不仅效率不高而且很容易对人的安全造成危害。总体来说，辽河油田的现有的作业方式分为常温作业和高温作业两种。常温作业比较普遍且操作简单方便，对于高温作业，由于可以避免使用压井液，所以对井下工作区域具有减少污染的作用。同时，井下的高温环境能够得到保持，也起到了节约井下石油能源的作用。所以，针对这些因素的影响，提高开采过程中的效率，提高开采的稳定性，使工人的工作环境更加安全显得非常重要。

不压井修井机技术是美国最先提出来的，最近几年，在这一方面更是有了很大的突破。压井机的主要类型大体可分为独立运行型、与井架钻机相配合型和与液压式修井机配合型三种，每种类型都有其优点和特点。总体说来，国外的相关技术研制公司都以控制技术为基础，应用这一技术可以让采油技术更趋向于自动化从而使工人的操作环境更加安全、方便、可靠。在国内，大庆油田、四川石油管理局钻采工艺研究院、吉林油田先后研制出了相关设备，但研制结果在一定程度上存在不足，仍需改进。近几年，国内许多公司为了提高修井机的机动性能，都把控制技术作为研发的基础。湖北第四石油机械厂、华北石油荣盛机械制造有限公司、河北省任丘铁虎石油机械有限公司、阜新驰宇石油机械有限公司、江苏盘锦贵鑫石油机械制造有限公司、通化市中油机械厂都有了显著地研究成果。

二、修井机的总体方案设计与工作原理

所谓修井，就是当采油过程出现故障问题时，可以避免人工维修，自动排除故障的设备。一旦设备发生故障，采用机器暂停开采更换零件的方式会造成经济的损失，而且井下的工作环境相当复杂，人工维修难免有安全威胁。所以有必要研制一种即安全稳定，又能提高效率的自动化开采设备，来满足当今需要的开采要求。

集成式不压井修井设备的主要结构包括：井架系统、强制起下系统、接卸与上装管柱机械手、控制系统、液压系统与监测系统。井架系统主要起到了对设备的固定和支撑作用，强制起下系统能够通过链条减速器等一系列结构实现吊卡的起下作用。修井机的主要结构包括上链轮支架、导向支撑架、管柱、机械杆竖直位置、强制起下系统、井架系统、底拍、井架翻转平移系统、机械杆水平位置、接送料机械手、托举机械手、作业平台系统、控制室几部分构成，工作原理为：将井口与不压井设备连接，井架结构由于受到驱动作用会受到翻转，这种驱动是由控制液压系统完成的，最后将井口与井架相对接。过程控制的主要流程为：给入一个设定值，输入一个偏差量之后传给控制器，通过输入控制量u传给执行器，在有位移量的基础上传给控制阀，操控量通过被控对象输出被控量最后再由变送器输送到初始设定值。

不压修井机的控制系统主要包括液压控制系统、电气控制系统与PLC控制系统。液压控制系统可以产生很大的力矩和惯量从而可以使控制系统加速比其他控制系统快。液压系统高刚度使其在定位过程中可以实现高精度定位并且其反应快速的特点使其在负载驱动过程中更加安全。电气控制的原理是以电动机作为动力源，带动其他零件进行控制工作。以电动机动力为基础，通过控制器的控制作用、调节器的调节作用以及传感器的传感原理相结合，组成了整个控制系统。将电气控制系统与液压控制系统结合起来可以使控制更趋向于自动化和智能化。PLC控制是通过计算机编程来实现控制，优点是：可靠性高，控制功能强，组成灵活，操作方便。

三、不压井修井机的作业控制与机械手控制

不压井修井机是以液压泵、继电器、电机、传感器、PLC为控制基础，以不压井修水机控制系统、液压电气控制与机械手控制为中心，传输到起升系统、强制起下系统与井架系统的控制过程。起升系统包括工作平台支撑油缸、井架举升缸及井架移动油缸、等部分。强制起下系统包括卡瓦夹紧油缸、液压大钳和电机传动系统。井架系统的主要系统包括环形防喷器及固定卡瓦、三闸板防喷器、监测系统，液压泵站主要起供油作用。

PID控制方便简单，并且其参数容易调节，所以应用非常广泛，常规控制可分为比例控制、比例微分控制和积分控制，而将三者结合起来称为PID控制。

机械手液压系统包括液压泵，电磁溢流阀，三位四通电磁换向阀、单向阀、单向调速阀、压力继电器与压差控制表、机械手A中夹持液压缸、机械手B夹持液压缸、机械手A中托举液压缸、机械杆翻转液压缸、机械手B翻转液压缸、

托举机械手翻转液压缸、机械手A旋转马达、油箱。

机械手的操作过程：通过启动卸载按钮和上装按钮可以分别实现机械手A和机械手B的夹紧，当机械手A夹紧时，逐步实现吊卡松开、机械杆摆动、机械手A翻转、机械手B夹紧、机械手A松开、机械手B翻转、机械手B松开一系列过程。当机械手B夹紧时，逐步实现机械手B翻转、机械手A夹紧、机械手B松开、机械手A翻转、机械杆摆动、吊卡夹紧和机械手A松开直至停止过程。

對于液压缸内油体的运动规律采用Simulink进行仿真，通过对活塞运动的仿真来得出最佳的运行效果。

四、修井机控制室设计

修井机的控制室是整个修井设备最关键的部分，相当于人的大脑的作用。控制室的总体布局包括控制室、座椅、升降油缸、显示台、支撑缸、工作平台和油箱等。对于修井机控制室的总体布局包括房体系统结构、显示控制系统和辅助设备系统三个部分。首先，房体结构系统包括房体整体结构设计、座椅结构设计和隔热保温设计。显示控制系统包含操纵手柄、仪表显示板、参数触屏显示器和开关面板几部分，辅助设备系统包括室内照明设备、空调、雨刮器和信息通讯设备几个部分。控制椅的设计对于工作人员来说很重要。好的工作环境能够使操纵人员的工作效率和工作心情大大提高。由于油田多处在环境恶劣的田地深山中，所以对房体的材料要求相当高。采用不锈钢作为主要材质并渡上防腐材料可以防止腐蚀。雨刮器可以在雨天及时清理玻璃上的雨滴，防止由于遮挡工人的视线而造成操作失误和出现意外的情况。

控制操作系统的设计是控制室设计中很重要的设计步骤，控制手柄是工人操作时最主要使用的工具，操作系统的控制面板包括电气控制、启动控制、动力控制和液压控制等，启动控制大多数通过开关来作用。

五、结束语

本课题首先分析了修井设备的工作原理，对控制系统进行了分类研究，结合和液压控制系统原理，运用PID控制方法理论来对其控制进行分析设计，得到合适的PID参数，从而达到满足系统性能的作用。接下来对修井机进行了总体方案设计，指出了其工作原理，并专门进行机械手与控制室的设计。为了适应辽河油田的开采难度，提出了高自动化和高集成的方案来应对复杂的工作环境。

参考文献

[1]江涛.集成式修井机自动化控制过程研究[D].硕士学位论文，2017年6月.

（作者单位：盘锦市政建设集团有限责任公司）