井下工具实验室智能化建设与应用.pdf

井下工具实验室智能化建设与应用路明，吴双亮，张凯轩，陈雷（冀东油田钻采工艺研究院，河北唐山0 6 32 0 0)摘要：随着采油工程技术的不断发展，井下工具实验室科研检测工具的种类明显增加，同时对其进一步提升对QHSE安全标准的要求。经过多年应用，实验室现有的水浸和油浸远程控制实验系统、电动试压泵实验系统及视频监控辅助系统等，在安全和技术方面已经无法满足新研发井下工具的远程控制实验和现场安全管理需求。分析现有实验系统等存在的问题，研究完成井下工具实验室智能化建设优化升级改造方案，既满足封隔器、锚定器和配水器等多种井下工具对复杂的试验环境需求，又能保证室内实验数据的可靠性和试验环境的安全性。关键词：井下工具实验室；智能化建设；应用；安全中图分类号：TE9380引言井下工具实验室主要有配电室、动力泵房、辅助动力房、防砂试验室、中控室以及试验工房等组成。包括实尺寸模拟井系统、封隔器检测系统、防砂管评价系统、数据采集系统、智能控制系统和视频监控系统等。井下工具实验室按照API Spec 11D1一2014封隔器和桥塞（IS0143102021)V3级别进行建造，可以开展油浸高温高压试验、水浸高压试验、模拟井下工具试验、拉压扭试验、防砂管评价试验、抽油杆管防偏磨试验等，能够根据试验要求为每一个试验对象提供个性化试验环境，开展全尺寸、全过程的功能试验和工艺模拟试验，是井下工具研发、试验、检测的智能化平台。同时，还可以提供井下工具科研技术人员进行学习、培训和技术交流。水浸、油浸高压实验系统是大型打压试验设备，适合石油天然气生产的井口装置、连接装置及附件、套管悬挂器和油管悬挂器、阀门和节流器以及其他异径连接装置和封隔器的承压完整性试验，还有封隔器的坐封、解封、耐压试验及强度试验，另外可以对胶筒、橡胶密封圈等井下用橡胶制品在高压条件下进行老化、疲劳性能及寿命评估试验。油浸高温高压实验系统还可以对胶筒、橡胶密封圈等井下用橡胶制品在高温条件下进行老化、疲劳性能及寿命评估试验。1井下工具试验室存在的问题自2 0 10 年建设投产以来，井下工具试验室的水浸和油浸实验系统、电动试压泵实验系统以及视频辅助监控实验系统等，在多年运行后暴露出很多问题，主要表现为安全和技术方面的不足。(1)水浸和油浸远程控制系统存在的问题有：远程控制实验程序是单一针对封隔器类工具进行坐封、验封和解封等试验的固化模块化程序，无法满足现有的如逐级解卡锚定器、配水器、不压井洗井阀等工具多样性的性能检测需求；远程控制软件无法满足实验过程中调整、修改试验参数及步骤的需求，中断后只能停止试验，需要从初始状态重新启动试验，浪费时间；远程打压时，系统数据传输滞后易造成超压风险，而实验146设备管理与维修2 0 2 3No10（上）文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10.52人员在现场控制柜打压时，存在管线刺漏，配件崩飞等安全隐患，整个实验过程中人员受伤害风险明显增加；中控室紧急按钮程序设定不合理，急停后打压流程阀组部分开启，存在设备憋压风险，易产生人员高压刺伤等风险。(2)电动试压泵实验系统无远程控制，操作现场进行工具打压试验时缺少防护装置，试验过程中存在设备，工具刺漏伤人等风险。(3)井下工具试验室现有视频监控系统存在摄像头数量少、清晰度不高、盲区多的问题，远程操作时无法有效监控整个实验过程。通过对井下工具实验室远程控制系统现有功能、硬件配置以及控制思路等方面进行优化升级，并通过实际应用证明，本文设计的智能化远程控制实验系统和视频监控辅助实验系统等具有改造成本低、安全可靠、工作效率高等特点。2智能化实验系统建设2.1远程控制系统软件优化将油浸、水浸远程控制实验系统升级为Labview2012,并对实验功能进行优化分区。水浸和油浸实验系统分别设计了远程手动、半自动和自动3种状态进行打压实验：在自动状态下，可以编写实验程序模板，随时调用，避免人员反复编写实验程序，大大提高工作效率；而手动和半自动状态实验，优先级高于自动状态，是对全自动实验程序的补充，在出现问题时做到及时干预，避免出现设备、工具等超压风险等。针对远程自动化实验控制程序进行优化。优化前自动实验程序是主要针对封隔器类工具进行坐封、验封和解封等实验的单一模块化程序，无法满足现有的如逐级解卡锚定器、配水器、不压井洗井阀等工具的性能检测需求。在充分考虑工具的实际试验需求之后，将单一的模块化固定程序变成开放式的实验程序，完善到15种实验状态阀组控制程序，包括中心管打压上下同开、中心管打压上开下关、中心管打压上关下开以及中心管打压上下同关等，还可以直接调用将这几种实验程序进行任意组合，以满足不同类井下工具的试验需求。优化后，操作软件的使技术与改造传感器输入用性能优于以前，控制软件能够方便灵活地进行设置，满足实验过程中调整和修改的需求，意外中断后可以从中断点继续进行试验；可在过程实验中设定试验参数，进行暂停、继续、跳过（下一步）跳到指定步、停止试验等操作；程序可调用、继续历史的未完成试验，满足长时间试验进行分时段进行试验，实现了出现意外状况试验必须终止但不影响用户的试验进度；当在中控室遇到紧急情况，触发远程急停按钮，升级后的实验系统会将所有实验流程控制阀打开1 0 s，保证系统完全泄压后再关闭，充分保证实验设备及人员安全。优化后的智能实验系统还匹配了配套设备其他相关实验参数：升级后油浸水浸系统压力可达到1 5 0 MPa，油浸高温试验温度2 0 0；软件控制系统匹配力加载装置控制载荷3 0 t;压力及温度控制采用PID进行控制，优化的PID参数使得整个系统具有鲁棒性。通过在中控室远程控制实验，既提高了工作效率，又保证了实验人员安全（图1）。油浸试验J5OMF5OVPa3LOMP33LOMP3中心款证上下光图1 优化后的油浸、水浸远程控制系统界面油浸高温高压实验系统的打压介质为0 号柴油。此柴油系统为封闭式循环系统，由储油箱、试验井筒、缓冲罐、回油箱和滤油机5 个部分组成。当进行手动试验打压时，柴油储油箱油量不足时需要手动启动滤油机，将回油箱的油加人储油箱，加满后才能继续进行打压试验，而在自动实验时会造成技术与改造试验终止，手动加油后需要初始化启动试验程序重新开始试验，浪费时间、降低工作效率。本次改造将滤油机启停改为储油罐液位连锁控制，当柴油储油罐液位将至低限位报警时，自动启动滤油机，无论在手动、半自动或者自动试验时，均会暂停试验，当储油罐液位加满时连锁滤油机停止工作，这时可以在当前实验状态下，点击继续试验，减少无效工作时间，大大提高工作效率。此外还优化完善这套实验系统的安全性能，在加压试验时具有很高的安全性。首先是三级过压保护措施：(1)第一级继电过压保护：当打压超过系统设定压力时，控制室的压力处理系统发出报警，由压力显示仪表强制控制高压泵停泵。(2)第二级计算机过压保护：当控制系统测量压力超过极限压力时，启动快速泄压通道快速泄压。（3)第三级本质安全保护：采用本质安全型的高压加压泵和可靠的高压泵的输出压力控制技术，保证任何情况下，系统加压不会超过设定值。其次，中控室操作面板和现场超高压加压站操作面板具备紧急关断操作按钮，紧急情况下按“急停”按钮超高压加压站迅LOVPa速关断高压泵，同时对承受高压的管路和腔体进行泄压。高压加压站设备还具备操作“防呆”继电保护回路，防止设备的误操作发生意外。2.2远程控制系统硬件配置优化上力A7MP.1.1MPO.0OM01a）油浸O.4MP2-a7LIMPS-O.6MPa5力TeEO.DOMPab）水浸-0.6MP5力-0.01MPa00X00.00O.O1MPa-O.O1MP00:00.00对远程控制系统每个细节进行认真分析讨论和优化，在尽可能利用现有控制柜、设备及管线等的前提下优化改造方案，避免盲目追求高大上，以实际工作需要作为方案优化的前提。将高压水浸和高温高压油浸实验系统原有升级了原有的PLC控制系统,通过对PLC与电路板的升级，将按钮与数码显示统一整合为计算机控制、简化处理流程，并将原来的通信方式由RS-485改为TCP/IP通信方式(图2)。TCP/IP图2 水浸和油浸实验系统升级后电气通信控制原理传统的RS-485通信采用的通信芯片，驱动能力有限，一条线路不能挂接过多的设备，工作效率较低。由于采用传统的转换电路来实现通信，部分RS-485的抗干扰能力差直接导致数据传输不够稳定，经常还会因为周围环境影响，导致两条传输线路存在电势差而发生不能通信甚至发生芯片被击穿而造成永久物理性损坏。由于标准的RS-485采用串联方式连接而非以太网的星形连接，所有设备要分享本身就很狭窄的传输带宽，当一条线路挂接设备较多时会经常导致轮询一圈已经是半分钟甚至是几分钟以后的状况，实时性较差。新升级的TCP/IP协议产品具备双工实时处理数据能力，能完全解决以上问题。基于TCP/IP以太网络通信的产品此通信方式是通过一种星形结构来实现的。此通信方式特点：系统管理设备管理与维修2 0 2 3 No10（上）147西门子PLC阀动作泵动作没有地域的限制，网络延伸到哪里就可以实现到哪里管理，无论是局域网络还是Internet，具有端口保护、通信数据加密、设备加密等功能；网络是采用星形结构，任何节点出现问题都不会给系统造成任何影响，而且故障容易查找排除；数据通信可靠稳定而且速度快；系统实时性好，不管是本地局域网络还是Internet宽带网络，永远实时通信；嵌人式数据库管理，通信速率的提升可以将系统所有数据库存储到设备当中，大大提高系统的安全性。在水浸和油浸控制柜上还分别安装了2 台微距摄像机（为200万像素），通过TCP/IP协议将现场压力表的画面实时传播到中控室远程控制电脑端，作为远程实验的辅助监控手段，这样可以避免由于压力传感器出现传输数据滞后或误报带来的超压风险。2.3电动试压泵实验系统改造井下工具试验室水浸实验系统从地面增加了3 0 m高压试压管线，连接至原有电动试压泵地面试压区实现远程控制打压，并对实验数据进行实时存储和记录，替代了原有的电动泵试压系统，减少工业机、控制软件等的采购费用。地面试压系统完全可以实现在中控室控制打压泄压和压力记录功能，符合井下工具实验室现在的QHSE(QualityHealth SafetyEnvironment,质量、健康、安全、环境管理体系）安全管理需求。2.4视频监控辅助实验系统优化并下工具实验室优化设计采用的是数字化高清视频监控系统，主要有摄像机（包括镜头、云台、防护罩）视频解码器、控制台切换装置、监视设备、硬盘录像机等设备组成。实验室原有的1 3 个摄像头，由模拟信号升级为数字信号传输，更换为一体化红外智能球型高清摄像机，提高拍摄清晰度，清晰地记录试验过程。试验地坑中安装有多组井筒，光线较暗、监控死角较多，安装了2 个高清摄像头、对角布局，同时改善照明系统、增加防爆照明灯1 盏，利于监控地坑情况。监控系统与试验设备控制系统一体化设计，将试验过程监控画面增加到试验系统计算机端，各摄像头能够随时更换，可以实现对高风险设备的针对性监控，如高压柱塞泵、地坑内高温导热油泵和加热系统等巡检，减少实验人员在高温高压区巡检的次数和停留时间。同时录像设备将视频录像记录保存下来，供科研实验人员分析试验过程细节，优化实验方案，在发生事故时还可以调查取证使用（图3）。3智能化控制实验系统应用效果本文优化设计的智能化控制实验系统已经在井下工具实验室应用了1 年多的时间，实际应用效果表明该系统投入运行后取得了良好的应用效果。(1)远程控制实验系统：通过对软件Labview2012的升级优化设计，实验人员通过在中控室电脑端编写实验程序，自动实验，目前已经完成了对封隔器、锚定器、不压井洗井阀等多种井下工具的性能检测试验，而且新替换的TCP/IP通信方式稳定可靠，既提高了工作效率，又保证了试验中人员安全。（2）电动试压泵实验系统：通过在水浸实验远程控制系统新增了地面试压模块，代替了原有的现场电动试压泵实验系统，运行稳定良好，现在已经开展了1 0 多次作业井问题工具的性能检148设备管理与维修2 0 2 3 No10（上）2823年0 1 月1 1 日星期三9 9：4 52823年0 1 月1 1 日星期三8 9:4 6:3 4图3 改造后现场摄像头监控实验画面测试验，为油田间接创效3 0 多万元。（3)视频监控辅助实验系统：视频系统能够将监控到现有所有风险设备和位置，具备高清监视和记录功能，可以在工具检测出现问题时进行泄漏点查找，辅助进行问题工具分析，提高了井下工具实验室的QHSE安全管理水平。（4）井下工具实验室远程控制系统优化升级改造后，自2021年1 0 月至今比改造前因意外中断造成的实验中止累计节约工时约 1 6 2 h。（5)井下工具实验室远程系统优化升级改造累计投资约73万元，自2 0 2 1 年1 0 月份完成项目改造以后，累计完成创造实验产值约2 0 5 万元，不仅完成了成本回收，还创造了利润约132万元。4结束语智能化建设应用在井下工具实验室的各个生产环节都发挥着重要的控制作用，既大大提高了科研实验的效率，又有利于保障实验过程中的安全性和可靠性。因此非常关注自动化技术的发展和进步，实现进一步加强其在科研实验应用的广度和深度。本文研究设计的智能化实验系统，在实际运行中稳定良好，希望可以为石油石化等行业实验系统智能化优化升级改造提供借鉴，未来还将在配电系统优化、设备运行方式节能等方面积极进行探索和创新，挖掘新的应用点。a)画面1b）画面2技术与改造关于凿井提升机深度指示器数字化的研究与应用周磊磊（山东华新建筑工程集团有限责任公司，山东泰安2 7 1 0 0 0）摘要：创新设计一款能够满足市场巫需的新型数字深度指示器，既具备传统深度指示器的优势功能，又具有安全、节能、高效、精准等功能。为保证凿并提升机的安全运行，实现提升过程自动化，达到准确地根据提升容器的运行位置发出各种自动化提升所需要的信号，要求有性能良好的深度指示器监测装置，确保指示的准确性和可靠性。关键词：数字化深度指示器；监测装置；准确性；可靠性中图分类号：TH711;TB4720引言随着国内提升机控制系统全数字化改造不断进行，企业对工程安全生产、生产效率、工程质量等要求的不断提高。传统机械传动的牌坊式和机电传动的圆盘式深度指示器已难以满足客户的要求，深度指示器的迭代更新已成为市场呕需。因此，创新设计一款能够满足市场呕需的新型数字深度指示器成为行业内的当务之急。1项目立项的背景及意义1.1 项目背景1.1.1国内行业趋势分析用于矿井提升机的深度指示器是提升机的一个重要附属装置。它能够向提升司机指示提升容器在井筒的相对位置。近代提升机控制系统的设计特别强调安全可靠性，所以提升过程监视和安全回路是现代提升机控制系统的重要环节。在国内建井行业中我国矿井提升机应用的深度指示器有圆盘式、牌坊式、数字式3 种。其中，KT系列提升机采用机械牌坊式深度指示器，这类产品目前仍然使用较多，优点是指示清楚、工作可靠，缺点是体积大、指示精度不高、不便于实现提升机远距离控制。JK系列提升机采用圆盘式深度指示器，也有牌坊式，还有两种同时使用的，由于传统的矿井提升机的深度指示器存在的技术缺陷，给企业生产效率造成了一定的影响和经济浪费损失。1.1.2实现提升过程节能化数字深度指示器在实际工作过程中的投人，不仅大大提高了提升机工作效率、吊桶过吊盘的效率，节约时间，每月可节电约4 万余千瓦时，并且还可减少两名井下信号工的用工需求。1.1.3实现提升过程自动化数字深度指示器能够准确地根据提升容器的运行位置发出文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10.53各种自动化提升所需要的信号，根据信号，显示屏显示吊桶实时位置，特殊位置阶段还可以自动放大画面，使其精密度显示更高。1.2项目实施意义目前国内矿井提升机采用机械传动的牌坊式和机电传动的圆盘式两种深度指示器，由于误差大、精度低、灵敏度低、维护量大，而且其显示方式在精确性和直观性方面不能兼顾；不利于自动化运行，操作工人劳动强度大、精神紧张，生产效率低。2数字深度指示器的系统探讨2.1工作原理凿井提升机数字深度指示器由博斯特绝对值编码器和PLC，配合西门子WINCC7.0组态软件使用。绝对值编码器装在滚筒主轴末侧，实时测定提升容器的位置及速度，PLC通过现场通讯线与绝对值编码器连接，作为数据采集运算的核心，为提升机控制系统提供减速点和加速起始点的位置开关量信号，也可以通过现场总线与提升机电控系统主控装置实现数据交换以实现提升容器实际位置、速度的高精度显示及位置保护（图1）。立式工业触摸一体计算机用来显示提升容器的位置、提升速度，以及一切提升工艺过程和电控系统维修有关的参数。2.2功能概述凿井提升机数字深度指示器采用绝对值编码器和PLC配合立式工业触摸一体电脑，利用组态软件在液晶显示器模拟显示提升容器的位置并数字显示打点信号、提升速度、加速段、深指行程、距离井口、距离吊盘、距离井底等相关信息数据。利用软件编程可以在距离提升终点6 0 m范围内显示器画面自动放大化，实现精确显示。齿轮传动的牌坊式深度指示器受齿轮传动比的限制无法做到不同深度的凿井工程使用同一台牌坊式深度指示器，该装置则可以适用不同的提升深度。参考文献1朱小娟，顾新宇.现代火电厂智能输煤控制系统研究与应用 J.煤矿现代化，2 0 0 8（2）：4 7-4 8.2赵小聪，顾卫东，金耀良.火电厂自动配煤系统的设计及优化 J.电站辅机，2 0 0 7(2)：3 5-3 8.3赵峰,梁启武,马倬，等.自动化技术在提高油田海管运行安全性方技术与改造面的应用 J.高端装备制造，2 0 1 3(1 2)：5 8-6 1.【4 郭旭，闫博.中国石油冀东油田公司岩心自动化立体仓库的应用研究 J.物流技术（装备版）,2 0 1 5,3 4（4）：2 0 1-2 0 3.5荣博香，李建华，廖志斌.冀东油田井网自动化设计技术与应用 J.石油规划设计，2 0 0 6,1 7(3）：3 1-3 3.149【编辑吴建卿】设备管理与维修2 0 2 3 No10（上）