电气自动化在井下工具实验室的应用策略_路明.pdf

2023年05月|31经用自动化运行代替了人工操作，因此其实验过程中的很多环节对自动化的操作水平要求很高。提高冀东油田井下工具实验室的电气自动化水平，可以大大提高各种硬件设备的工作效率，并且有利于减少故障的几率和破坏性，能够整体提高井下工具研发的效率，通过深入挖掘电气自动化技术的应用，提高实验过程中的智能性，以此提高效率，保证安全性，为油田实现增储创效奠定基础。2 电气自动化在井下工具实验室的主要应用冀东油田钻采院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，并拥有 45 台(套)井下工具拆卸、装配、检测等辅助设备。井下工具实验室按照 API Spec 11D1(ISO14310)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、0 引言在冀东油田钻采院井下工具实验室运行中，其电气自动化系统可以提高运行效率，这是该研究院现代化科研生产的焦点。该院通过对井下工具实验室中所需环境、压力、温度等的研究，设计相匹配的电气自动化系统监控、操作、安全保护等，再利用独特的网络化、信息化和数字化这些优势，保证了中控室、现场设备和防护系统的协调和统一。这有利于集控管理，实现共享和自动化交换全局数据1-2，还能减少工作人员的劳动量、简化工作的复杂程度，在一定程度上提高井下工具实验室的信息化发展和自动化水平，从而保证电气控制生产可靠和安全的运行。所以，应该进一步的探讨电气自动化技术在冀东油田井下工具实验室的应用和发展。1 电气自动化概述电气自动化技术包括仪表测量、可编程逻辑控制等多种内容，具备较强的综合性和集成度，能够满足冀东油田现代化井下工具研发实验的多种需求。井下工具的研发对技术标准的要求较高，在很多环节都已电气自动化在井下工具实验室的应用策略路明*，吴双亮，张凯轩，陈雷(中国石油天然气股份有限公司冀东油田分公司钻采工艺研究院，河北 唐山 063200)摘要：随着冀东油田提质增效工作的开展，电气自动化被广泛应用在油田的各个领域，冀东油田分公司钻采工艺研究院井下工具实验室为了满足科研项目需求，不断提高自己的自动化水平，降低人员成本，将实验人员从繁琐复杂的体力劳动解放出来，使其掌握先进的现代科技，进一步优化实验方案，满足各类井下工具研发中对复杂环境的实验需求，同时又保证实验数据的可靠性和工作环境的安全性，为研发新的井下工具提供有力保障。目前，该院正积极研究探索更优的电气设计方案，使电气自动化技术更好的应用到井下工具研发当中。关键词：电气自动化；井下工具实验室；研究应用；安全管理中图分类号：TP29 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)14-0031-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.14.010Application Strategy of Electrical Automation in Downhole Tool LaboratoryLU Ming*,WU Shuang-liang,ZHANG Kai-xuan,CHEN Lei(Drilling and Production Technology Research Institute of Jidong Oilfield Branch of CNPC,Hebei,Tangshan 063200,China)Abstract:With the development of the work of improving quality and efficiency in Jidong Oilfield,electrical automation is widely used in various fields of the oilfield.In order to meet the needs of scientific research projects,the downhole tool laboratory of Drilling and Production Technology Research Institute continuously improves its automation level,reduces personnel costs,liberates the laboratory personnel from tedious and complex physical labor,enables them to master advanced modern technology,and further optimize the experimental scheme,To meet the experimental requirements for complex environments in the development of various downhole tools,and at the same time to ensure the reliability of experimental data and the safety of the working environment,providing a strong guarantee for the development of new downhole tools.We will also actively study and explore better electrical design schemes to better apply electrical automation technology to the development of downhole tools.Keywords:electrical automation;downhole tool laboratory;research and application;safety management质量与检测32|2023年05月输出压力控制技术，保证任何情况下，系统加压不会超过设定值。再次，中控室操作面板和现场超高压水加压站操作面板都具备紧急关断操作按钮，紧急情况下按“急停”按钮超高压水加压站迅速关断高压泵，同时对承受高压的管路和腔体进行泄压。同时高压水加压站设备具备操作“防呆”继电保护回路，防止设备的误操作发生意外。油浸试验装置一套大型加热打压设备，自动化程度也很高，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。以及封隔器的坐封、解封、耐压试验及强度试验，还有对胶筒、橡胶密封圈等井下用橡胶制品在高温高压条件下进行老化、疲劳性能及寿命评估试验。油浸试验井与水浸试验井最大区别在于对下入罐中的试件可以同时加温和打压，测试试件的耐温、承压和密封性能，以柴油为试验介质。包括高压油加压站一台、加热保温装置一套、三根立式油浸试验套管。油浸高温高压实验操作系统在操作、数据监视记录、安全防护等方面和水浸高压实验系统基本一样。但是油浸系统又利用电气自动化原理，设计了一套柴油的循环利用系统，将打压泄掉的柴油收集到回油箱沉淀，再远程启动滤油机进行精细过滤，放入储油箱备用，减少了柴油的浪费和污染，油浸和水浸实验系统结构原理图如图 1 所示。2.1.2 模拟试验井系统模拟试验井系统一套自动化程度高的打压设备，可模拟 7in、5.5in、4in(177.8 mm、139.7 mm、101.6 mm)等全尺寸工具的实验，可以满足绝大多数采油工具及工艺对工程实验条件的要求；可进行单级或多级管柱的原理试验，多级封隔器坐封、验封、解封可靠性实验和耐压差实验；以及井下工具水力试验、分层注水、分层测试、测试工艺技术模拟试验。能够进行井下压力计、流量计校正试验。该设备的主要特点：(1)流程元件部分：流程切换阀门全部采用气动控制阀。实现远程的试验流程的全过程的功能试验和工艺模拟试验，是冀东油田井下工具研发、试验、检测的智能化平台3。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。2.1 井下工具主要实验操作系统2.1.1 水浸和油浸高压实验操作系统水浸试验装置一套大型打压试验设备，该设备性能稳定，自动化程度高，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，以及封隔器的坐封、解封、耐压试验及强度试验，还有对胶筒、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。本系统以清水为试验介质。包括高压水加压站一台和三根立式水浸试验套管。该实验操作系统能够在控制台的面板选择“远程控制”或者“现场手动”，非常便捷。操作界面，提供快速流程切换选项，能够进行“一键”流程切换。在中控室远程控制操作台装有嵌入式计算机，能够根据指令和设定参数，自动完成试验过程。计算机之间采用数据链进行信息交换，实时传递数据。上位计算机系统采用工艺流程化的信息界面，实时显示试验状态和各点的实验参数。上位计算机的强大绘图和数据处理功能，能够实时曲线化显示试验过程。远程采集压力数据，能够在控制室计算机屏幕和控制仪表上，观察现场的压力，试验完成后能够进行试验数据的曲线回放、数据查询及报表打印。也可以选择“现场手动”，控制、操作和观察非常方便，对发现的问题能及时快速处理。远程操作可以减少人员在高压区停留的时间，更安全，是常用操作措施。这台操作系统在加压时具有很高的安全性4。首先是三级过压保护措施：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。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。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井 下 工 具 检 测 系 统图1 油浸和水浸实验系统结构原理图2023年05月|33制元件，包括刀开关、熔断器、中间继电器、旋钮开关、控制按钮等。还包括远程压力和流量测试仪表，计算机程控模块，计算机及其测控系统软件。用多个远传压力传感器分别测量实验井筒输入和输出压力，并实时向测控系统发送测试数据。远传流量计测量试验回路液体实际流量，并实时向测控系统发送测试数据。计算机程控模块及计算机测控系统软件配合，收集和处理压力、流量等测试数据，并在计算机上实时显示试验情况，并能存储、显示和打印试验结果图表。该控制室具备紧急情况下的关断控制，防砂筛管评价实验系统结构原理图如图 3 所示。2.2 视频监控系统井下工具实验室采用的是数字化高清视频监控系统，主要有摄像机(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5。摄像机拍摄到的信号经过解码器解码，再传到监视设备上供实时观察和监视。实验室配有 15 台高清数字摄像头，可以实现对水浸、油浸系统和模拟井等远程打压实验时，现场辅助监控，还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监控，减少实验人员在高温高压区停留的时间。同时录像设备将视频录像记录保存下来，供科研人员分析实验过程细节，优化实验方案，还可以在发生事故时调查取证使用。切换，为了安全起见每个阀门具备现场操作手柄。试验流程具备远程泄压控制阀，实现承压流程的远程泄压，减少操作人员在高压管汇区的停留。(2)操作控制部分：数据采集采用远程压力和流量测量，能够在控制室计算机屏幕和控制仪表上，观察现场的压力和流量。(3)计算机显示和控制部分：计算机强大的绘图和数据处理功能，能够实时曲线化显示试验过程。试验完成后能够进行试验数据的曲线回放、数据查询和报表打印。(4)安全防护控制部分：控制台具备“远程控制”和“现场手动”切换功能。主控室操作面板具备紧急关断操作按钮，紧急情况下迅速切断电源和进行泄压，模拟井试验系统结构原理图如图 2 所示。2.1.3 防砂筛管评价实验系统防砂筛管评价实验系统是一套针对防砂筛管挡砂性能和抗堵塞性能评价的实验装置。该系统可进行实尺寸室内防砂方法模拟试验，可以检测出各种防砂筛管的挡砂精度、抗堵塞性能、出砂粒径、粒度分布等，通过测试分析它们性能的优缺点，为防砂的优化选择提供依据，从而有效指导现场防砂设计和防砂施工作业。对于新开发的防砂技术和产品，也可在现场应用前，对其进行性能测试和分析研究。防砂筛管评价实验系统电气控制柜包括 JD-SCPT系统操作台和 JD-SCPT 系统现场控制台。它们分别安装了该系统远程操作和现场操作用的所有电气控模 拟 井 试 验 系 统图2 模拟井试验系统结构原理图防 砂 筛 管 评 价 系 统图3 防砂筛管评价实验系统结构原理图质量与检测34|2023年05月的效率，有利于保障实验过程中的稳定和安全。因此，关注电气自动化技术的发展和进步，进一步加强其在科研实验应用的广度和深度。首先，对软件和硬件进一步改进，增加一些易发事故的报警点监测，部分设备实现 PID 闭环控制等等，增加设备运行和操作的安全性。其次，引入无人机技术，对实验过程的高温高压现场进行辅助监测，代替实验人员进行现场巡检。还可以针对一些风险较高的设备和场所，人员进入不方便，发生风险不易躲避，但又必须进入现场勘察的场所，考虑利用无人机进行观察，降低人员发生事故的风险，同时无人机还可以进行视频监测存储，为科研实验提供影像参考6。为此，下一步还打算对配电系统进行进一步优化，对个别泵由工频改为变频控制，实现节能降耗的作用，积极创新，挖掘新的应用点。4 结语随着冀东油田提质增效工作的开展，对井下工具的研发提出了更多的需求和更高的研发效率，电气自动化技术将会在井下工具实验室的应用会越来越广泛。电气自动化技术不仅能促进井下工具的研发效率，还能降低人工成本和劳动力，并尽快将科研成果转化为生产力，为油田的开发降本增效，创造效益提供支撑。本文从井下工具实验操作系统、视频监控系统、通风系统、配电系统、消防和应急照明系统五个方面出发，剖析了电气自动化技术在井下工具实验中的具体应用，同时还对其将来的发展方向进行了一些探索，为相关实践和科研提供一定的借鉴作用。参考文献1 吴克河，姚佳慧.火电厂配煤优化模型的研究与实现J.电力信息化，2009，7(4)：52-54.2 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)，2015，34(4)：201-203.3 顾国浩，邱骏.自动化流水线助推临床实验室数字化与信息化建设J.临床检验杂志，2012，30(11)：884.4 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面的应用J.高端装备制造，2013，168(12)：58-61.5 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，2006，17(3)：31-33.6 王志伟，魏军.实验室自动化系统在临床实验室的应用J.临床检验杂志，2013，31(11)：818-819作者简介：路明(1984-)，男，汉族，河北新乐人，工程师，本科，研究方向：油气田开发，E-mail：。2.3 通风系统通风系统的工作性能好坏关系到井下工具实验人员工作环境安全性高低。井下工作实验室油浸高温高压实验系统做实验的频次较多，溢出、残留的柴油介质被加热挥发到工房内，实验室内相对密闭，需要就地启动轴流风机将柴油蒸汽排出，减少柴油产生着火爆炸的风险，降低对人体健康产生的危害。实验室地坑较为密闭，但做水浸、油浸实验系统操作时，需要进入下面进行巡检，这时就需要启动轴流风机，先对地坑换气，待气体检测合格后，才可以进入地坑进行巡检和故障排查，通风系统的设置对保证室内工作环境安全和人身健康起到了重要作用。2.4 配电系统井下工具实验室的配电系统有很大优势，其中包括自动化有效提升电能质量、科学合理处理电网故障并实施隔离、有效保证电网的控制效率和供电稳定性。该配电系统可以划分为若干个子系统，运用电气自动化技术，可以科学的协调这些子系统之间的相互合作，有助于提高配电系统的稳定性。通过电子监测实现对井下工具实验室的配电系统状况进行实时监测以及一定的辅助控制功能，还能够对配电系统的的运行数据进行采集和判断，进而获得运行情况。同时利用无功补偿技术提高供电系统电网的功率因数，降低供电变压器及输送线路的损耗，提高供电效率，改善供电环境。2.5 消防和应急照明系统井下工具实验室工房消防采用的是灭火器和室内消火栓系统组合。室内消火栓系统由消防水箱、管路管件、消防泵、消防水带、水枪和远程控制系统组成。它主要用于扑灭建筑物内的初期火灾，避免重大火灾事故的发生。这就对消防系统启动的及时性提出了更高的要求，工房内设置了 5 个消火栓，都通过电气自动化原理，设置了远程启动，当火灾发生时，可以快速启动消火栓按钮，实施灭火，将初期火灾消灭在萌芽阶段。室内消火栓系统加入了消防 FEPS 应急电源和消防泵变频控制，变频启动，可以有效降低应急电源所需容量，节约空间和成本，当市电故障和异常时，可保证室内消火栓系统正常使用多达 1 个小时，降低了停电时发生火灾的事故的风险。其中，实验室内还配备了分散式应急照明系统，一方面可以保证夜间突然停电后紧急处理，另一方面还可以为夜间停电，同时发生火灾事故，实施灭火时提供应急照明，以及人员在发生火灾、爆炸等重大事故时安全逃生。3 结果与讨论电气自动化技术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，大大提高了科研实验