袁 鑫

（大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

在石油工業(yè)中，修井機(jī)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(zhì)、輔助起重、裝設(shè)井口設(shè)備等，在穩(wěn)定生產(chǎn)過(guò)程、更高效的作業(yè)過(guò)程中，起到了重要作用。

在油田開(kāi)采的中、后期，往往很難測(cè)定井下的氣體介質(zhì)與土質(zhì)條件，而漸漸增大開(kāi)采的困難度，加之傳統(tǒng)的修井機(jī)普遍技術(shù)水平低、不夠自動(dòng)化、作業(yè)效率不高、工作量過(guò)大、安全性不好、較難維修等。集成式不壓井修井機(jī)是專門(mén)針對(duì)此種情形研制出的一種裝置，有自動(dòng)化程度高、專業(yè)技術(shù)先進(jìn)、控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，能提升鉆采過(guò)程的可靠性與安全性。另外，集成修井機(jī)與綠色節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)理念集為一致，尤其是其中的控制系統(tǒng)擁有諸多優(yōu)勢(shì)，如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制、及時(shí)反饋等，引起了人們的廣泛關(guān)注。

1 集成式油田修井機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

在不壓井集成式修井設(shè)備中，具有下面的結(jié)構(gòu)體系。

（1）作業(yè)平臺(tái)體系指的是連接著掛車(chē)，且有集成修井設(shè)備上存在的其他體系，能很便捷地操作運(yùn)輸。在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，經(jīng)由插槽結(jié)構(gòu)，作業(yè)平臺(tái)體系相連著掛車(chē)，以避免運(yùn)輸中遇到的顛簸而出現(xiàn)滑動(dòng)問(wèn)題；在工作的過(guò)程中，經(jīng)由6 個(gè)液壓支腳，作業(yè)平臺(tái)體系支起固定平臺(tái)，而掛車(chē)則可從作業(yè)平臺(tái)上駛離。

（2）井架平移體系一般包含諸多液壓油缸和組成機(jī)構(gòu)，支撐平臺(tái)是車(chē)體，并通過(guò)液壓裝置，來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)井架體系、發(fā)生橫縱平移動(dòng)，還能控制井架體系接上井口，以穩(wěn)定地進(jìn)行開(kāi)采。在這種修井設(shè)備內(nèi)，支撐體系中的井架發(fā)揮著關(guān)鍵性作用，主要涉及以下機(jī)構(gòu)：防噴體系、冷卻體系、井架、過(guò)渡管等。

（3）強(qiáng)制起下體系屬于修井機(jī)的關(guān)鍵性體系，經(jīng)由管柱重量改變、反推井內(nèi)介質(zhì)壓力形成的平衡，來(lái)強(qiáng)制起下系統(tǒng)中的管柱。而通過(guò)吊卡、卡瓦、鏈條鏈輪、馬達(dá)、緩速器等來(lái)形成這種強(qiáng)制起下修井機(jī)體系。在整個(gè)體系中，動(dòng)力主要源自液壓體系中的液壓馬達(dá)，并經(jīng)由減速器，來(lái)驅(qū)動(dòng)兩組鏈條快速移動(dòng)在支撐架上，而鏈條又驅(qū)動(dòng)橫梁及其上面的吊卡，并發(fā)生向上向下的運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)強(qiáng)制性起下管柱。在這種修井機(jī)工作的環(huán)節(jié)，通過(guò)相應(yīng)的機(jī)械手，來(lái)進(jìn)行無(wú)人接卸、管柱上裝工作，以確保安全生產(chǎn)過(guò)程的集成化、自動(dòng)化。當(dāng)卸下管柱時(shí)，由首組吊卡機(jī)械手把管柱承接，并輸送至下一組的修井機(jī)機(jī)械手中，并通過(guò)這組的機(jī)械手，為地面運(yùn)輸管柱。

（4）在修井設(shè)備中，控制體系屬于核心部位，能控制整個(gè)體系中的功能與每個(gè)部分發(fā)出的動(dòng)作，主要涉及元器件動(dòng)作、系統(tǒng)程序這兩項(xiàng)控制。在控制體系中有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種控制方式：自動(dòng)控制是指自動(dòng)實(shí)現(xiàn)每根油管的倒換防噴器、泄管壓、換流體等；手動(dòng)控制則是指控制操作，但程序控制中不可出現(xiàn)誤操作。在進(jìn)行管箍檢測(cè)時(shí)，由防噴器來(lái)自動(dòng)控制開(kāi)和關(guān)。

（5）液壓體系是指修井機(jī)中的執(zhí)行結(jié)構(gòu)與動(dòng)力輸出部分，且動(dòng)力經(jīng)由液壓馬達(dá)及其泵來(lái)供給。作為設(shè)備中的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，液壓缸中需要執(zhí)行的任務(wù)，一般有涉及掛車(chē)支撐、翻移井架、馬達(dá)、大鉗裝和卸、夾卡瓦、管柱機(jī)械手接送、防噴三閘板等。

（6）監(jiān)測(cè)體系主要用于監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)的無(wú)人操作整個(gè)過(guò)程，以便設(shè)備正常完成修井工作。在利用監(jiān)視體系監(jiān)視設(shè)備配備過(guò)程中，主要的監(jiān)測(cè)參數(shù)有液壓體系中的溫度、壓力。在防噴體系，還會(huì)監(jiān)測(cè)過(guò)渡管中氣體介質(zhì)的溫度、壓力、實(shí)際含有的有毒氣體量。同時(shí)，還會(huì)檢測(cè)變徑體系的工況，在液壓式泵站中的壓力、溫度以及設(shè)備的實(shí)際作業(yè)工況、井口體系中的緊急關(guān)閉狀況等，以便于以后這些修井設(shè)備的檢查和維修。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

2.1 液壓控制

液壓系統(tǒng)是指為利用設(shè)備（裝置）完成要求下的工藝作業(yè)，連接多個(gè)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(shè)備，如調(diào)節(jié)閥等具有反饋?zhàn)饔玫拈]環(huán)體系，以及傳遞信息等。在這個(gè)過(guò)程中，一般輔助是傳遞動(dòng)作及其動(dòng)力，并在不斷完善控制體系。在這個(gè)系統(tǒng)中，通過(guò)各種精確性元件，來(lái)組合而形成檢測(cè)反饋體系，以監(jiān)控整個(gè)體系中的關(guān)鍵性參數(shù)，并實(shí)時(shí)檢測(cè)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(qū)動(dòng)裝置是液壓動(dòng)力下的元件。以一定的規(guī)律，輸入正在變化的信號(hào)，然后輸出量根據(jù)收到后的信號(hào)，來(lái)嚴(yán)格執(zhí)行與之對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，以組合而成一個(gè)良好的閉環(huán)反饋體系。在這些輸出量中，主要涉及以下參數(shù)，如速度、機(jī)械力、加速度等。這樣系統(tǒng)便能夠根據(jù)機(jī)械設(shè)備所使用的工藝要求，來(lái)以一定程度的變化，嚴(yán)格控制變量，如速度、力、加速度等，以便準(zhǔn)確、平穩(wěn)地操作設(shè)備，并完成特定的工作。

該液壓控制體系要擁有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）該液壓體系能夠迅速反應(yīng)，可以安全可靠地很快驅(qū)動(dòng)負(fù)載，并逐步增大調(diào)速的整個(gè)區(qū)間。

（2）功率相同時(shí)質(zhì)量輕、力矩大、慣量強(qiáng)。當(dāng)功率相同時(shí)，液壓元件具有更大的質(zhì)量比、更強(qiáng)的力矩、更大上慣量，能夠形成緊湊的構(gòu)成結(jié)構(gòu)、較大的力矩、加快控制系統(tǒng)的工作速度。

（3）系統(tǒng)負(fù)載具有大的剛度、高精度。在液壓控制體系中，負(fù)載變化產(chǎn)生的影響并不大，可以準(zhǔn)確定位、精度高控制作業(yè)。

2.2 電氣控制

拖動(dòng)體系是指在機(jī)械設(shè)備中，動(dòng)力裝置為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械零件拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)體系，而電氣控制則是指控制這個(gè)拖動(dòng)體系。其中的電力拖動(dòng)將原動(dòng)力用電機(jī)來(lái)替代，并驅(qū)動(dòng)機(jī)械零件的作業(yè)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)階段，結(jié)合機(jī)械設(shè)備的作業(yè)工藝要求，來(lái)把機(jī)械化作業(yè)中的原動(dòng)機(jī)用電機(jī)加以替代。同時(shí)，通過(guò)組合調(diào)節(jié)器、控制器、傳感器等，來(lái)自動(dòng)控制體系的啟停、反轉(zhuǎn)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(jiàn)的控制模式。該控制方式擁有諸多優(yōu)勢(shì)，如結(jié)構(gòu)單一、可便捷維修使用等，并直接決定著機(jī)械生產(chǎn)的可靠性。在電氣控制體系，電路通過(guò)繼電器、控制器、按鈕、接觸器、開(kāi)關(guān)等元件形成，且各電器元件作用也不盡相同。通過(guò)聯(lián)合多個(gè)電器元件，來(lái)控制電路的準(zhǔn)確與穩(wěn)定。

現(xiàn)階段，伴隨先進(jìn)科技的快速進(jìn)步，元器件設(shè)備也變得愈發(fā)智能、性能優(yōu)異、可靠性高、自動(dòng)化程度高等。而傳統(tǒng)的單獨(dú)控制體系現(xiàn)已無(wú)法滿足設(shè)備的需要，所以，通過(guò)結(jié)合液壓、電氣控制而形成的先進(jìn)電液控制體系，則可以提高設(shè)備的自動(dòng)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(jì)算機(jī)專業(yè)技術(shù)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(shù)，如計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化、電子通信等技術(shù)的，自動(dòng)控制工業(yè)生產(chǎn)的一種裝置。通過(guò)I/O 擴(kuò)展單元、中央處理器、外接設(shè)備、儲(chǔ)存器等組合形成的PLC 控制器，優(yōu)點(diǎn)很多，主要有以下4 個(gè)。

（1）控制性能優(yōu)異：既能控制線路，又能運(yùn)算、調(diào)節(jié)PID、傳輸信號(hào)、中斷作業(yè)等。

（2）可靈活組合而成、品種多，可以根據(jù)用戶的特定要求來(lái)選取功能。

（3）優(yōu)異的可靠性：在控制工業(yè)制造的過(guò)程時(shí)，集成度高、元件性能好等，整體控制既可靠又準(zhǔn)確。

（4）可便捷操作，面向用戶有多種語(yǔ)言。

在PLC 控制器中，所用的梯形圖語(yǔ)言既簡(jiǎn)單又易懂，且操作人員能夠便捷操作、快速編輯。通過(guò)應(yīng)用PLC 控制器，相應(yīng)的設(shè)備發(fā)展得越來(lái)越集成化、輕質(zhì)化、便捷化、適應(yīng)性好、自動(dòng)化、智能化等。各種設(shè)備均進(jìn)行無(wú)人化操作，且作業(yè)效率高、員工在現(xiàn)場(chǎng)能安全作業(yè)。

3 控制過(guò)程

控制過(guò)程指的是自動(dòng)控制壓力、溫度、液位、流量、組成等參數(shù)變量的整個(gè)過(guò)程（圖1）：經(jīng)由控制器，接受從變送器或傳感器發(fā)出的參數(shù)或者被控變量，經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)量值的更改和設(shè)定值后，借助偏差值來(lái)有效控制這些對(duì)象。當(dāng)這個(gè)偏差值與工藝要求相符后，維持控制器輸出固定的數(shù)據(jù)；在執(zhí)行操作的過(guò)程中，執(zhí)行器以測(cè)量值和原設(shè)定值相距的差值，并由控制器以某種運(yùn)算控制規(guī)律來(lái)實(shí)施；在控制體系中，控制閥屬于調(diào)節(jié)元件，能更改體系的大小、方向等；這里的被控對(duì)象指的是受控制的執(zhí)行設(shè)備與生產(chǎn)裝置。為了在生產(chǎn)作業(yè)時(shí)獲取可靠、準(zhǔn)確的控制信息，體現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的狀態(tài)，一般情況下要求使用性能不一樣的傳感器檢測(cè)，再由變送器或者傳感器，獲得的輸出值和計(jì)算被控量后得出的值，就是測(cè)定值。

圖1 控制過(guò)程

其實(shí)，控制過(guò)程在具體的操作中所發(fā)揮的作用大體一致，主要的特點(diǎn)有：①當(dāng)作業(yè)中所用工藝的基本要求、規(guī)模不一樣時(shí)，相應(yīng)的被控量也會(huì)呈現(xiàn)出諸多形式；②豐富的控制方案，且以過(guò)程參數(shù)為被控目標(biāo)；③系統(tǒng)多使用控制給定值的方式。

為了高集成、更加自動(dòng)化、更快作業(yè)、更可靠安全、更便捷操作等，修井機(jī)應(yīng)使用可靠、穩(wěn)定的控制體系，以此來(lái)自動(dòng)控制各系統(tǒng)中設(shè)備、機(jī)構(gòu)的操作。在控制體系有結(jié)構(gòu)操作和體系程序這兩種控制，前者多通過(guò)液壓、電氣這兩項(xiàng)控制來(lái)供給動(dòng)力輸出；后者則多數(shù)情況下通過(guò)PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。在控制的整個(gè)過(guò)程中，通過(guò)協(xié)同電氣、液壓、PLC 這三項(xiàng)控制，來(lái)穩(wěn)定修井機(jī)運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

目前傳統(tǒng)修井機(jī)已經(jīng)無(wú)法滿足油田開(kāi)采的要求，而集成式修井機(jī)很好地彌補(bǔ)了傳統(tǒng)修井機(jī)的弊端。其中的控制過(guò)程具有諸多優(yōu)勢(shì)，如高集成度、更自動(dòng)化、安全可靠、可便捷操作等，整個(gè)控制系統(tǒng)能高效作業(yè)，且性能優(yōu)異可靠。所以，集成式修井工作設(shè)備，可以很好地滿足現(xiàn)代油氣田開(kāi)采工作的要求，并已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)成本投入小、工作效率高的全新自動(dòng)化修井模式。