油田配水间机械手智能化调节

孟令尊 张旭 边向南

1大庆油田有限责任公司第六采油厂

2大庆油田装备制造集团

大庆油田采油六厂配注目前大部分处于日间人工调控、夜间无人管控的状态，压力波动大、流量不稳时调节次数多一些，配水流量控制不及时准确。配水间注水阀组数量多、流量计和压力表均为就地显示、没有信号变送输出，这些原因是影响油田精细注水、有效注水的不利因素。

在夜间管网压力稳定的情况下，部分井的现场与报表注水量误差、现场注水完成率两项数据会出现不合格的情况，现场与报表注水量误差不合格频率为7.14%～13.95%，注水完成率不合格频率为11.62%～42.86%。

在夜间管网压力不稳定的情况下，大部分井现场油压误差、现场与报表注水量误差、现场注水完成率会出现较大的波动，整体偏离配注要求。

在夏季夜间管网压力下降的情况下，不能及时关闭油压较高的井，保证油压较低的井正常生产；在冬季夜间管网压力下降的情况下，不能及时关小油压较低的井，保证油压较高的井管线不冻堵。

夜间管线穿孔，不能及时发现压力变化并及时关井，导致污水泄漏，造成环境污染。人工手动调节高压阀门存在安全隐患。

利用“工业机器人”技术概念开发的机械手调节装置，具备常规技术（电动阀和SCADA）所没有的诸多优势，随着科学技术的快速发展，完全可以成为配水间智能化调节的新型解决方案。

1 技术特点

工业机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，集机械、电子、自动控制、计算机、传感器、人工智能、通信与网络等多学科先进技术于一体。配水间机械手调节系统是在原有阀组工艺全部保留的情况下进行的无损化改造，现场实施简单、费用低，安装过程中无需关井停产，不影响注入时率，当有需要或必要时又可恢复为人工调节，相当于多了一套冗余设备（图1）。

图1 油田配水间智能化机械手控制过程流程图Fig.1 Process flow diagram of intelligent manipulator control in oilfield water allocation room

一个机械手可以同时管理和调节几十个阀组，设备利用率高，所配置的可编程逻辑控制器（PLC）功能强大，可完成数据采集、运算控制、伺服控制、报警提示功能等，根据整个配水间的压力流量数据，进行智能化控制调节，通过优化算法和路径，使调节更高效并降低成本。

现有配水间阀组为非线性闸阀，人工手动很难掌握好细微尺度，操作人员边看水表边调节，可能越调越乱。机械手调节系统把干线压力信号、各支线压力及流量信号引入，采用伺服控制，对速度和进程调节更精细，控制定位精度更高，效果是人手难以做到的。

在系统组态画面上观察整个配水间工艺动态一目了然，每口井什么时候调节，每天调节几次，都有记录并可生成多种运行曲线，并可在压力异常时发送报警[1]。

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机械手配水调节系统集自动化、数字化、智能化一体，在保留原工艺基础上，具有无损化改造、降低成本、调节精度更高、长期可靠运行的特点。

2 运行指标

采油六厂1-6配水间共有17口分层管柱井，相邻间距580 mm，站内为水泥地面，阀门高度为720 m（图2）。

图2 配水间安装平面图Fig.2 Layout plan of water allocation room installation

使用一套机械手智能调节系统对其中10 口分层管柱井进行管控调节（图3），2019年12月15日正式运行至今。具体性能指标如下：

图3 机械手一天调节图Fig.3 Manipulator adjustment in one day

（1）现场原有工艺不动，就地加装一套机械手系统，运行轨道长度6 m，水平垂直旋转三轴关节，采用浮动手指设计。

（2）机械手最大输出扭矩达200 Nm，现场阀门平均扭力为30 Nm，最大扭力为80 Nm，可以完成全覆盖调节。

（3）机械手运行启动时，有灯光闪烁以及声音提示，完成调节后返回初始位置待机，报警关闭。

（4）注水管理要求误差不超过±15%，机械手调节达到±5%以内，在10～15 min内完成调整。

（5）设定压力点，压力在±1 MPa 区间内为正常，区间外视为压力异常，触发声光和画面报警。

（6）建立数据库，存储机械手系统运行数据，以日报表模式显示，可生成各趋势曲线。

3 比较优势

采用常规技术也可以实现配水间自动调节流量，如在单井上加电动调节阀进行比例积分、微分（PID）调节，但配注工况很多时候是稳定状态，并不需要频繁调节。当干线压力波动时，更需要做一个综合考量，而不是各个单井就地进行PID闭环调节，而且高压状态下频繁动作还容易造成阀门损坏，如某油田单井每年仅维修费编列预算6 000元，这是一笔不小的开支。全部改造加装调节阀，设备利用率低，一次性投入大，现场改动量大，改造费用也大[2]。

机械手系统可以对几十口井进行智能化调节，设备利用率高，运行可靠，同时PLC还有进行数据存储处理、远传等功能，相当于给配水间加了一套可作为数字化基础的PLC系统。在一次性投入方面要比常规技术方式节省三分之一左右的费用，现场改造费用低，在运行维护上定期搽油防锈即可，没有其他费用[3-8]。

4 结束语

工业机器人是未来发展趋势，在三种工况内最有发展潜力即：人不能干的、人干不好的和人不愿意干的。配水调节需要全天连续操作，夜间值班更辛苦，属于后两种情况兼而有之。

机器人不是简单代替人工劳动，而是一种能够结合人的优势（即分析判断、快速响应变化能力）以及机器优势（即高精度、高稳定性、长时间运行和环境耐受能力强）的自动化设备，在调节过程中可以不停顿、不休息，让工作变得更科学。

配水间机械手将工业机器人的概念应用到配注工艺领域，属于业内首创，未来不会仅局限于配注工艺，在油田各生产环节中都会具有广泛的应用前景[9-10]。