孔永超 楊雙業(yè) 孟慶濱 夏 輝 李正博 冉 洋

(1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司 2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司 3.山東祺龍海洋石油鋼管股份有限公司)

0 引 言

在傳統(tǒng)機械鉆機起、下鉆作業(yè)中，需要井架工、鉆臺工、司鉆相互配合將立根從立根臺運送至井口，或?qū)⒘⒏鶑木谶\送至立根臺。隨著井眼不斷加深，清理井壁鉆屑、更換鉆具、排查井下故障等作業(yè)促使起、下鉆愈發(fā)頻繁，作業(yè)期間因溝通不暢或操作失誤都有可能引發(fā)安全事故[1-3]。隨著工業(yè)自動化的快速發(fā)展，在石油鉆井領(lǐng)域涌現(xiàn)出一批機械自動化設(shè)備，譬如動力貓道、鐵鉆工、二層臺機械手等，這些設(shè)備的引入大幅度減輕了井隊人員的作業(yè)強度。

用機械化裝備代替人力，采用新技術(shù)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本[4-6]是鉆機發(fā)展的必然趨勢。國內(nèi)近幾年掀起了使用鉆井自動化設(shè)備的浪潮，其中二層臺排管裝置因其環(huán)境適應(yīng)性強、作業(yè)效率高、安全性好，可替代井架工完成高空管柱排放作業(yè)，受到油田用戶的青睞，國內(nèi)外鉆井設(shè)備制造商紛紛研制出了形式各異的二層臺排管裝置。

NOV公司研制的STV自動排管系統(tǒng)[7]采用電液控方式可扶持外徑88.9～254 mm的油管、鉆桿、鉆鋌立根在井口與指梁間移動，設(shè)備配套的2個攝像頭可輔助井架工在司鉆房遠(yuǎn)程控制。Weatherford公司研制的Iron Derrickman[8]機械手懸掛于二層臺下方，具有上下2個鉗頭，可夾持立根實現(xiàn)立根的豎直移動；該機械手采用全液壓驅(qū)動，通過極坐標(biāo)復(fù)合運動完成立根的排放，具有效率高、運行平穩(wěn)等特點。Aker Kvaerner MH公司研制的雙臂系統(tǒng)[9]由上機械臂(URA)和中間機械臂(IRA)組成，上下配合完成管柱排放；IRA結(jié)構(gòu)與URA結(jié)構(gòu)類似，但鉗頭裝在一個5.48 m長的導(dǎo)軌上，用于提升立根時進(jìn)行垂直引導(dǎo)；URA和IRA均具有行走、伸縮、旋轉(zhuǎn)功能，旋轉(zhuǎn)角度為-90°～90°，伸縮最大速度為0.45 m/s，行走最大速度為0.5 m/s；雙臂系統(tǒng)最多可完成420柱鉆桿立根和14柱鉆鋌立根的排放。

國外的二層臺排管裝置大多適用于海洋平臺，使用液壓驅(qū)動。對于陸地鉆井而言，存在移植困難、成本高、維護(hù)不便、易造成環(huán)境污染等問題。因此國內(nèi)針對陸地鉆機的特殊要求也研制出了一系列二層臺排管裝置。

杰瑞裝備研制的推服式二層臺排管裝置[10]，可排放?114.3～?177.8 mm的管柱立根。系統(tǒng)采用全電驅(qū)動實現(xiàn)滑移、旋轉(zhuǎn)、伸縮三軸運動，全程配備可視化監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)二層臺無人化作業(yè)。三一集團研制的高空折臂式Z70RP280智能排管機械手[11]配套于7 000 m鉆機，能適應(yīng)管徑88.9～254.0 mm管柱排放；二層臺采用片彈簧緩沖鉆桿出入指梁，每行指梁配套一個指梁鎖，指梁鎖采用電推桿控制，系統(tǒng)支持手動、自動操作。寶雞石油機械有限責(zé)任公司2017年研制了首套全電動二層臺排管手[12-13]，適應(yīng)直徑73.0～203.2 mm的管柱，可完全替代人工實現(xiàn)管柱立根的扶持排放；電控系統(tǒng)基于CoDeSys和PORTAL平臺開發(fā)，可自主規(guī)劃運動軌跡并完成速度自調(diào)節(jié)，控制精度達(dá)到2 mm，運行周期低于43 s；全伺服系統(tǒng)杜絕了以往液壓油的跑冒滴漏問題，降低了維護(hù)和運輸成本。

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷革新以及鉆探公司對自動化設(shè)備在效率、安全、環(huán)保等方面的要求不斷提升，亟需研制一款智能二層臺排管裝置以適應(yīng)市場發(fā)展需求。

1 技術(shù)分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

寶雞石油機械有限責(zé)任公司研制的二層臺排管裝置主要由排管機械手和動力指梁組成，可滿足鉆桿、鉆鋌立根的排放，其機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。二層臺排管裝置通常用在鉆井過程中建立根、起、下鉆等作業(yè)中，它和游吊系統(tǒng)配合完成立根的排放。排管機械手有2種工作模式：在鉆鋌立根排放時使用扶持模式，通常與地面扶管機械手配合將鉆鋌立根送入吊卡或從吊卡扶進(jìn)指梁；在鉆桿立根排放時使用懸持模式，從地面抓起鉆桿立根送入吊卡或從吊卡抓取鉆桿立根送入指梁。

1—滑車；2—旋轉(zhuǎn)機構(gòu)；3—擺臂；4—扶持鉗；5—傾斜臂；6—夾持鉗。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)特點

(1)主執(zhí)行機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動，控制精度高、響應(yīng)速度快。

(2)液缸配備蓄能器確保在斷電斷液的情況下，可靠夾持管柱保障安全作業(yè)。

(3)采用idriller?集成控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作，司鉆房低位操作減輕勞動強度。

(4)多重安全保護(hù)機制加持，確保設(shè)備安全運行。

2 電控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 控制對象

為了完成立根的豎直排放與精準(zhǔn)定位，對擺臂、傾斜臂、滑車、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等執(zhí)行要求較高機構(gòu)采用伺服電機驅(qū)動，確保控制機構(gòu)具有高響應(yīng)速度的同時，能夠精準(zhǔn)定位；夾持鉗和伸縮臂采用液壓驅(qū)動，保證機構(gòu)運行平穩(wěn)，同時具有大扭矩夾持力；為了滿足散熱和空間安裝尺寸要求，將運動控制箱和驅(qū)動控制箱分離設(shè)計，并在箱內(nèi)配備冷卻風(fēng)機，當(dāng)系統(tǒng)運行溫度高于報警值時，自動開啟，以避免溫度過高引發(fā)的故障。

2.2 硬件系統(tǒng)架構(gòu)

整個電控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管控，各子單元部件之間通過PN網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，以確保系統(tǒng)具有高動態(tài)響應(yīng)能力。二層臺運動控制器采用西門子S7系列CPU實現(xiàn)工藝對象控制，指梁遠(yuǎn)程IO模塊作為運動控制器的子站，負(fù)責(zé)指梁擋桿控制和狀態(tài)檢測。變頻器包括整流和逆變部分，與伺服控制單元建立連接以控制伺服電機的運行。機械手配備了攝像頭，司鉆通過監(jiān)控畫面觀察設(shè)備的運行狀況。idriller?集成控制系統(tǒng)是一個人機交互的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，其與運動控制器實時通信，從而實現(xiàn)對二層臺排管裝置的整體管控。

圖2 二層臺排管裝置系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.2 Network diagram of the monkey-board pipe racking system

電控系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)組成，PLC系統(tǒng)電氣原理如圖3所示。該系統(tǒng)主要包括傳感器單元、運動控制箱、液壓系統(tǒng)。傳感器單元包括檢測執(zhí)行機構(gòu)是否到位的限位信號、檢測執(zhí)行機構(gòu)長度的位移信號、檢測有無管柱的管柱檢測信號等。傳感器單元通過信號線將檢測信號傳遞到信號隔離模塊，信號隔離模塊完成采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理，再將信號發(fā)送至運動控制器，運動控制器完成信號深處理及邏輯運算后將執(zhí)行結(jié)果輸出至液壓系統(tǒng)，控制液壓機構(gòu)動作。

圖3 PLC系統(tǒng)電氣原理圖Fig.3 Electrical schematic diagram of the PLC system

伺服系統(tǒng)電氣原理如圖4所示。該系統(tǒng)完成頻率轉(zhuǎn)換及功率分配，實現(xiàn)伺服電機的位置/速度控制。配電單元為系統(tǒng)提供動力電源，電源隔離裝置包括進(jìn)線濾波器和進(jìn)線電抗器，進(jìn)線濾波器能夠提升功率模塊的抗無線電干擾能力，進(jìn)線電抗器通過減少電流諧波可以降低整流器中的功率部件及直流母線電容上的熱負(fù)載，并且減小對電網(wǎng)的諧波影響。整流模塊將電網(wǎng)交流電能轉(zhuǎn)化到直流母排上，然后傳遞到電機模塊上，整流模塊配套的能耗制動模塊用于在高轉(zhuǎn)動慣量轉(zhuǎn)動的負(fù)載制動時將產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為熱能并消耗掉。伺服控制單元是伺服系統(tǒng)的中央控制模塊，其與運動控制器通過PN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對驅(qū)動軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩控制。電機模塊是逆變器，為已連接的電機提供交流電，它從直流母線中為相連的電機提供配套的電壓和可變頻率，電機模塊和伺服電機之間通過功率電纜和信號電纜連接，電機的轉(zhuǎn)速、扭矩及位置等信號通過信號電纜傳輸至電機模塊。

圖4 伺服系統(tǒng)電氣原理圖Fig.4 Electrical schematic diagram of the servo system

3 軟件設(shè)計

3.1 工作原理

基于運動控制器和伺服控制器實現(xiàn)二層臺排管裝置的一體化控制，執(zhí)行過程主要有2種：一種是送管操作，即將立根盒內(nèi)的鉆具移運到井口中心交給吊卡或?qū)@桿立根移運到中間鼠洞交給提管機械手；另一種是排管操作，即從井口中心吊卡處抓取鉆具立根或從中間鼠洞抓取鉆桿立根移運到立根盒內(nèi)。

參照圖5所示鉆具排布示意圖，可進(jìn)行送/排管過程輔助說明。送管流程：排管手運行到目標(biāo)管柱指梁位，抓取立根后返回到指梁口，然后運行至待命位，當(dāng)游車到達(dá)交接高度后，排管手去井口中心完成管柱交接；排管流程：排管手在待命位等待，當(dāng)游車提升立根到達(dá)交接位后，排管手去井口中心完成管柱交接，然后運行至目標(biāo)指梁管柱排放位后，釋放管柱。

圖5 二層臺鉆具排布示意圖Fig.5 Layout of pipes on the monkey-board

3.2 控制程序設(shè)計

二層臺排管裝置系統(tǒng)軟件基于TIA平臺開發(fā)，采用模塊化編程方法對排管手、指梁等機構(gòu)進(jìn)行程序設(shè)計。具體設(shè)計步驟如下：

(1)對傳感器數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，形成結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

(2)實現(xiàn)擺臂、傾斜臂、伸縮臂、滑車、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等機構(gòu)的運行軌跡規(guī)劃、空間位置解算、多軸復(fù)合聯(lián)動等功能，最終完成送/排管的自動過程控制。

(3)進(jìn)行驅(qū)動機構(gòu)的輸出控制，完成伺服機構(gòu)和液壓部件的動作執(zhí)行任務(wù)。

二層臺排管裝置軟件控制流程如圖6所示。系統(tǒng)設(shè)有手動、自動操作模式。自動模式按照起、下鉆作業(yè)工藝流程而設(shè)計了起鉆自動流程和下鉆自動流程，操作人員只需按下“確認(rèn)”鍵，系統(tǒng)將按照規(guī)劃好的作業(yè)流程自動執(zhí)行，手動模式用于機構(gòu)的微調(diào)整。

圖6 二層臺排管裝置軟件控制流程圖Fig.6 Software control workflow of the monkey-board pipe racking device

在操作過程中若發(fā)現(xiàn)有異常情況，人為可介入觸發(fā)中斷，設(shè)備立即停止運行，待異常情況解除后，可繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)流程，該操作模式極大降低了操作人員的操作難度。

人機界面如圖7所示。圖7的可視化人機界面展示了設(shè)備運行操作的關(guān)鍵信息，使設(shè)備運行過程可觀可控。人機界面還可主動向司鉆推送故障信息，包括故障原因及推薦處理措施，從而降低了現(xiàn)場故障排查難度。

圖7 二層臺排管裝置人機界面Fig.7 HMI of the monkey-board pipe racking device

3.3 安全功能設(shè)計

二層臺排管裝置安裝在井架高位區(qū)域，存在運行空間小、限制條件多、檢修不便等問題，因此必須全面考慮系統(tǒng)安全。為實現(xiàn)系統(tǒng)可靠的安全機制，軟件上重點梳理了如表1所示的二層臺排管裝置主要的安全保護(hù)機制，對每一種風(fēng)險都開發(fā)了相應(yīng)的保護(hù)程序，通過現(xiàn)場重復(fù)性驗證進(jìn)行優(yōu)化完善，進(jìn)而提升設(shè)備現(xiàn)場使用安全性。

表1 二層臺排管裝置主要安全保護(hù)機制Table 1 Main safety protection mechanisms of the monkey-board pipe racking device

4 應(yīng)用情況

目前該類型產(chǎn)品已在國內(nèi)外多個油田進(jìn)行了應(yīng)用。2021年開始進(jìn)行工業(yè)性試驗，2022年在國家級某頁巖油重點項目上配套該產(chǎn)品進(jìn)行作業(yè)，2023年在非洲某油氣勘探井上配套了該產(chǎn)品進(jìn)行作業(yè)。到目前為止，在役設(shè)備均運行正?！，F(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：電控系統(tǒng)硬件設(shè)計合理，系統(tǒng)響應(yīng)時間短于1 s，定位精度小于1 mm，排管手從待命位到達(dá)井口完成管柱交接并返回，用時不大于34 s，該產(chǎn)品各項技術(shù)指標(biāo)均滿足油田現(xiàn)場作業(yè)要求，具有較高推廣價值。

5 結(jié) 論

(1)寶雞石油機械有限責(zé)任公司研制的二層臺排管裝置采用電、液復(fù)合控制方式，使系統(tǒng)在響應(yīng)速度、控制精度、安全性、時效性等方面能夠良好滿足現(xiàn)場使用要求。

(2)油田現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明：二層臺排管裝置電控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、信號隔離、功率分配、電機選型等硬件設(shè)計上合理可靠；控制箱滿足高溫、防水、防腐等戶外環(huán)境使用要求，對外電氣連接全部使用接插件，以滿足現(xiàn)場快速拆裝需要。

(3)在界面布局、操作模式、運行效率、安全保護(hù)、故障排查等軟件設(shè)計上功能完善易于使用，整個裝置的使用徹底解放了二層臺井架工這種高風(fēng)險工種，實現(xiàn)了二層臺無人化、自動化作業(yè)。