连续管作业机自动控制系统研究

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石油机械
CHINA PETROLEUM MACHINERY2017年第45卷第9期
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连续管作业机自动控制系统研究#
段文益1马青1孟繁强2罗刚1张富强1杨志敏1宋治国1
(1.中国石油集团钻井工程技术研究院江汉机械研究所2.河北省廊坊市百斯图工具制造有限公司）
摘要：为了改进连续管作业机液控或电控液的传统手动操作模式，提升连续管作业机的自动 化水平，提出连续管作业机自动控制系统。

分析了操作与工况之间的关联性，在电液控制基础上 引入逻辑判断和程序控制，并以气化采煤连续管装备为控制对象设计开发了一套应用样机。

样机 在模拟试验和现场应用中均取得了良好的效果。

研究结果表明：连续管作业机自动控制系统可体 现连续管作业机的自动化和信息化水平，解放劳动力的同时，操控更便捷。

该系统的成功开发为 复合连续管钻机控制系统的研发打下了基础。

关键词：连续管作业机；自动控制；逻辑判断；故障报警；自动化
中图分类号：TE928 文献标识码：A doi:10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2017.09.008
Research on Automatic Control System of Coiled Tubing Unit
Duan Wenyi1Ma Qing1Meng Fanqiang2Luo Gang1Zhang Fuqiang1Yang Zhimin1Song Zhiguo1 (1. Jianghan Machinery Research Institute, CNPC Drilling Research Institute\ 2. Langfang City Best Tools Manufactureing Co., Ltd.)
Abstract ：In order to improve the traditional manual operation mode of coiled tubing hydraulic control or elec­tro-hydraulic control,the automatic control system of coiled tubing unit is proposed to improve the unit9s automatic level.The relationship between the operation and the working condition has been analyzed.The logic judgment and program control are introduced on the basis of electro-hydraulic control.A set of control system prototype has been designed for the coiled tubing unit for gasification and coal mining.The prototype has achieved good results in both simulation and field applications.The research results show that the automatic control system can reflect the automa­tion and informatization level of coiled tubing unit,with minimized labor force and more convenient operation, which lays the foundation for the research and development of the control system of compound coiled tubing drilling rig.
Keywords：coiled tubing unit；automatic control；logic judgment;fault alarm；automation
0引言
随着连续管作业机在我国各大油田的推广应 用，连续管装备与技术得到全面发展，冲砂、洗 井、除蜡、压裂、酸化、射孔和测井等作业工艺百 花齐放，使连续管作业机作为“万能作业机”的 美誉得以全面展示[1_8]。

目前，市面上的连续管作业机控制系统绝大多 数为液压手动直接控制模式；少数进口作业机采用 *了电控液的手动或遥控间接控制模式，如加拿大 FOREMOST公司出口中国的门形井架式连续管作
业机就是采用的这种控制系统。

上述传统的液控及 经过改进的电液控制系统均是手动操作模式，即所 有动作都是由操作人员根据实时工况预先进行判 断，然后进行手动设定或操作，进而完成执行机构 的特定动作，考虑到操作人员对设备的认知水平参 差不齐，操控性能因人而异，增加了作业的风险。

同时，常规连续管钻机通常需要修井机和常规钻机 等进行配合作业，为了提高连续管钻井的效率，早
*基金项目：国家油气重大专项配套项目“致密油气连续管侧钻钻井技术与装备”（2016ZX05022-003)。

2017年第45卷第9期段文益等：连续管作业机自动控制系统研究—43 —
连续管入井后受力状态比较复杂，可能有连续 管段自身重力、套管摩擦力、井内高压上顶力和卡 阻力等，综合受力状态可归结为管柱重和管柱轻， 管柱重为试图使连续管下坠的力，提升力抗衡管柱 重；管柱轻为试图将连续管推出井口的力，注入力 抗衡管柱轻。

注入头起、下作业过程中，夹持块对连续管的 摩擦力决定了是否打滑，当摩擦力小于管柱重载或 管柱轻载荷时就会出现这种打滑的危险工况，而摩 擦力在很大程度上由夹紧压力决定，因此，夹紧压 力与提升（注入）力成正比，如图3所示。

图4
夹紧压力自动调节控制原理
Fig. 4 Automatic adjustment control principle of clamping force
1.2张紧压力与注入力关系
注入头在夹紧连续管起、下的过程中，非刚性 单元的链条夹持单元只可受拉不可受压，张紧力即 为保持链条绷紧的力，如果张紧力调定不合适，链 条在下注过程中就可能出现弯曲，而链条的弯曲极
其危险，容易造成连续管被挤瘪或夹断的事故，这 尤其容易发生在下管遇阻或由于井内高压上顶连续
注入头提升(注入)力
/kN
图3
夹紧压力与提升（注入）力关系曲线
Fig. 3 The relation of clamping force and lift (injection) force
注人头箱体一侧设置有双向载荷传感器监测连 续管入井后的提升（注入）力，该值作为
PLC 逻
辑运算的原始输入，通过程序写入的图3所示曲线 关系进行运算得出夹紧压力预期值，夹紧油缸设置 有
2个压力传感器监测夹紧压力实际值，转入图1
所示流程进行闭环控制运算，从而实现夹紧压力与 提升（注入）力的适应性自动调节，其原理如图4 所示。

擎
波
PLC
在20世纪90年代后期，人们就提出了将连续管钻 机和常规钻机复合的想法，即复合连续管钻 机[9-^。

“十三五”期间，依托国家油气重大专 项配套项目“致密油气连续管侧钻钻井技术与装 备”的支持，加快基于传感和数据采集、分析和 逻辑判断等技术的连续管作业机自动控制系统研 发，全面提升连续管装备的自动化水平，均具有迫 切的现实意义，同时也顺应复合连续管钻机的发展 趋势[11-12]〇
1关联性及逻辑判断
自动控制系统首先需理顺所有动作与控制之 间的关联性，然后将这种关联性通过线性运算及 程序编制来进行逻辑判断，从而实现自动调节和 控制。

工艺点预期值为关系曲线的理论值，工艺 点实际值为终端传感器的实测值，两者均作为输 入值在可编程逻辑控制器（
PLC )
内进行比对，
输出给电比例调压阀或电比例泵等执行机构电信 号，从而实现被控制对象的液压调节。

闭环控制 运算如图1
所示。

图
1闭环控制运算框架图
Fig. 1 Block diagram of closed-loop control operation
1.1夹紧压力与提升（注入）力关系
连续管作业过程中，注入头通过夹持块对连续 管横向夹持，即可产生纵向摩擦力[13]，并列反向 运转的马达和齿轮机构将液压力转换为注入头的提 升（注人）力，如图
2所示。

图中7V 为夹紧力，/
为摩擦力，F
为载荷。

图2
连续管注入头受力分析
Fig. 2 Force analysis on the coiled tubing injector head
If
08642086
2 1 11
1 1夹
力期一
际压预一 实紧达
一
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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
注入头提升(注入)力
/kN
图5
张紧压力与注入力关系曲线
Fig. 5 The relation of tensioning force and injection force
注入头箱体一侧的双向载荷传感器可监测连续
管入井后的注入力，张紧油缸入口处设置有一个压 力变送器，以实时监测链条的张紧压力实际值。

通 过程序写入的图5所示曲线关系进行运算得出张紧 压力预期值，转入图
1所示流程进行闭环控制运
算，从而实现张紧压力与注入力的适应性自动调 节，其原理如图6
所示。

管而出现严重管柱轻状态时，因此，张紧压力与注 入力成正比，如图5所示。

防喷盒压力依据连续管管径和井口压力来确 定，三者之间的关系如图7所示。

从图可以看出， 同样的井口压力下，连续管外径越大，密封该井压 所需的防喷盒压力越高；连续管外径确定后，防喷 盒压力与井口压力成正比。

1V 4 in PIPE
1V 2 in PIPE l 3/4 in PIPE —^ 2 in PIPE —
2 % in PIPE
2 % in PIPE —
2 7/8 in PIPE
井口压力
/MPa
图7
防喷盒压力、管径与井口压力关系曲线
Fig. 7 The relation of stripper pressure, tubing
diameter and wellhead pressure
井口防喷器上设置井口压力传感器，以监测井 口压力，该值作为
PLC 逻辑运算的原始输入；防
喷盒驱动回路设置压力传感器，以监测防喷盒压力
实际值，通过程序写入的图7所示曲线关系进行运 算得出防喷盒压力预期值，防喷盒压力传感器监测 防喷盒压力实际值，转入图1
所示流程进行闭环控 制运算，从而实现电比例负载敏感泵输出防喷盒压
力与井口压力的适应性自动调节，其原理如图8
所示。

图8
防喷盒压力自动调节控制原理
Fig. 8 Automatic adjustment control
principle of stripper pressure
防喷盒对不同管径的连续管在防喷盒压力与井 口压力线性关系上对应着不同斜率，
PLC 程序控制
中将斜率定义为预设系数，输入作业用连续管管径 对应的系数，即可实现防喷盒压力随井口压力的适 应性自动调节。

1.4滚筒压力与注入头起、下管速度关系
滚筒与注入头之间有连续管作为载体，为了保 持两者之间连续管的合理张力且运转步调一致，必 须注入头处于主动，滚筒处于从动，因此，滚筒的
图6
张紧压力自动调节控制原理
Fig. 6 Automatic adjustment control principle of
tensioning force
连续管在井内运行过程中非正常受力时载荷传 感器采集值突变定义为卡阻因素之一，起管过程中 管柱重突然增加或下管过程中管柱重突然减小甚至 变为管柱轻均触发卡/阻报警，同时向注入头闭式 电比例泵发送信号，将泵的排量信号迅速归零，从 而实现遇阻/卡自动停机，可有效保护连续管，防 止连续管被拉伤或挤断。

1.3防喷盒压力、管径及井口压力关系
防喷盒是连续管带压作业过程中隔离井内、夕卜 压力的关键部件，防喷盒压力驱动防喷盒内部纵向 油缸对环柱形胶筒施加轴向压力，导致胶筒产生径 向收缩变形，抱紧连续管进行动态密封。

由于常规手动控制中的气/手动增压泵只能单 向增压，降压须靠手动操作防喷盒排压针阀开启才 能实施，因此，在研发自动控制系统过程中，选用 超高压电比例负载敏感泵来提供防喷盒压力。

注入头 载荷 (双向载 荷传感器)
086
42086
2 1 1 111d
PH s /-R H f l 鉍咏
张力期
际压预实紧
达
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在理顺了上述各种关联性后，尽可能列全所有 可能的工况并编制程序进行逻辑判断，连续管起、 下控制就变成了仅针对注人头的方向和速度的控 制，设备的操控便捷性和系统稳定性将得到极大的 提升。

2控制系统模块组成
电液比例控制技术是针对伺服控制在一般工业
应用中的不足发展而来，具有控制精度高和响应速
度快的特点。

电液伺服系统是电液控制技术最早出 现的一种应用形式，从其结构上来说，就是指以电
这种从动角色就决定了滚筒马达的2
种工况，即马 达工况和泵工况[14]。

起管时，滚筒必须能及时缠绕并收紧连续管， 滚筒马达处于马达工况，此时滚筒马达所提供的扭 矩需要克服载重滚筒的旋转摩擦力、将连续管从直 线段折弯成圆弧段缠绕在滚筒上的力以及保持连续 管合理的张力，因此调定的滚筒压力会高些。

下管 时，滚筒无需切换方向，由于注入头的拖拽，滚筒 马达变为泵工况，此时滚筒马达仅需提供一定的背 压保持连续管合理的张力，使连续管被平稳拖出而 不浮管即可，因此调定的滚筒压力会低些。

综上所 述，滚筒压力依据连续管张力来调定，但运转过程 中连续管张力的动态监测难以实现，因此可根据起 管或下管状态来进行间接关联。

起管过程中，滚筒随动注人头进行收管，滚筒 压力一定程度上决定了滚筒的收管速度，如果滚筒 收管速度低于注入头起管速度，就会浮管，需增加 滚筒压力来提高滚筒收管速度；下管过程中，滚筒 随动注入头进行放管，滚筒压力仅需保持滚筒具备 合适的背压即可，如果滚筒放管速度高于注入头下 管速度，就会浮管，需增加滚筒压力来提高背压， 降低放管速度，利用滚筒压力与注入头速度的这种 间接关联来进行逻辑判断。

滚筒排管器上设置摩擦轮式编码器，以监测滚 筒收、放管速度&，注入头被动轴上设置旋转编码 器，以监测注入头起、下管速度~，滚筒调压回路 设置有电比例调压阀和压力传感器，滚筒压力自动 调节流程如图9所示。

图9
滚筒压力自动调节流程图
Fig. 9 Automatic adjustment flow chart of the drum pressure
|发动机转速[■
图
11 注入头速度控制流程图
Fig. 11 Injector head speed control flow chart
1. 5滚筒刹车与注入头刹车互锁关系
滚筒随注入头运转，但从运转能力上对比而
言，注入头要远大于滚筒，为避免操作人员忘记解 除滚筒刹车而单方面启动注入头，使连续管硬拽造 成导向器或排管臂损坏，传统的手动控制系统在滚 筒刹车与注入头运转及刹车之间设置有互锁控制， 即滚筒刹车如果不解除，注入头将无法运转。

两者 的刹车互锁关系通过程序编制和逻辑判断非常容易 实现，控制流程如图
10所示。

图
10刹车互锁控制流程图
Fig. 10 Brake interlock control flow chart
1.6注入头速度调节
注入头闭式驱动回路采用闭式电比例变量泵提 供动力，泵的方向及排量由电比例手柄和电位旋钮 调节，采用电比例无级变量马达并联驱动链条夹持 系统，马达的排量/扭矩由电位旋钮进行控制。

注 入头速度调节关联点涉及到发动机转速、注入头泵 排量信号以及马达排量信号，注入头速度控制流程 如图
11所示。

注入头速
度
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液伺服阀（或伺服变量泵）为电液转换和放大元 件实现某种控制规律的系统。

电液比例控制结构如 图12所示。

图12电液比例控制结构示意图
Fig. 12 Structural schematic of electric proportional control 连续管作业机自动控制系统硬件部分包括前端
设备（压力变送器、电控阀和变频器等）、控制器 (PLC CPU、功能模块和通信模块等）、人机界面
(指示灯、触摸屏、开关按钮和电位器等）以及管 理后台几个部分。

2. 1前端设备
动力元件选用电比例变量泵，以提高电液控制 系统的响应速度；控制元件选用电比例调压阀、电比例调速阀及电磁换向阀；执行元件主要是注入头 马达，选用电比例变量马达；辅助元件选用液位液 温变送器、温度开关、带CMS型压差发讯器的过 滤器以及压力变送器等。

上述元件均为防爆型产 品，满足油气生产环境的安全要求。

2.2控制器
PLC控制技术作为替代基于继电器控制的传统 生产机械自动控制装置，是一套全数字运算操作的 电子系统，具有结构简单、编程方便、性能优越、可靠性高以及抗干扰能力强等一系列优点。

除此之 外，PLC系统最大的优点是数据采集和控制输出的 可调整性，能够根据作业工艺变化和配置规模无限 调整，扩容系统架构，从而实现工艺流程的监视、控制及通信远传等功能。

采用可编程存储器，用于其内部存储程序，执 行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等 面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出 控制各种类型的机械或生产过程。

PLC用存储逻辑 代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，维护也变得容易，更重要的是使同一设备经过改变 程序改变生产过程成为可能，因此非常适合连续管 作业机类的多品种、小批量设备。

2.3人机界面
相比传统液压系统需要将液压管路连接至控制室实现开度调节和压力指示的模式，自动控制系统 的前端设备只需要将信号通过电缆连接至控制器，即可在控制室采用指示灯、触摸屏、开关按钮和电 位计的方式实现可调整的监控画面，具备作业机各 部件实时状态的监控功能；同时，能够有效降低传 统操作面板的复杂程度和维护难度。

2.4管理后台
SCADA(监视与数据采集）后台是实现过程 控制的专用软件。

软件在底层平台的支持下，根据 工程实际二次开发用户的HMI(人机界面），主要 包括显示功能、报警功能、记录/打印功能和数据 通信功能几个方面。

由于PLC系统具有通信能力，所以通过局域网和GPRS模块等能够将现场数据的 信号远传，此类后台主要用于用户组建有内部网 络，实现连续管作业机的集中运行管理及远程运行 监控，为连续管作业机的远程专家诊断和工况(生产运行记录和异常报警）智能分析提供可行 性，确保“互联网+”发展趋势下的管理模式升级。

3保障措施
基于逻辑判断的全方位状态监测、故障报警以 及冗余配置对于自动控制系统的安全性和稳定性至 关重要。

3. 1冗余配置
必要的冗余配置对自动控制系统的安全性和稳 定性非常重要，如井控部分的防喷器和防喷盒压力 状态检测，驱动控制方面在自动控制之余还需设置 手动操作，确保井控模块的绝对安全和可靠，并且 手动操作设置为优先越权控制；注入头部分的夹 紧、张紧和刹车等关键回路设置双回路状态监测及 报警，杜绝因为单一压力变送器故障而发生自动控 制系统误判，保障井口重载的悬挂安全。

3.2清洁度监测及报警
液压系统80%的故障都是由于油品清洁度不 达标而造成，连续管作业机这种大型控制系统尤其 如此。

为保证系统的稳定性，回路中设置有大量的 过滤器，如吸油过滤器、回油过滤器和高压过滤 器，为实现对这些过滤器的过滤拦截性能及状态监 测，全部选用带CMS型压差发讯器的过滤器。

过滤器运行状态表编入状态监测及故障报警系 统，当吸油回路真空度或压油回路滤阻超标时，预 警工人及时对过滤状态欠佳的过滤器进行维护和
检查。

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3.3热平衡自动控制
为实现液控系统的发热与冷却热平衡自动控
制，液压油箱设置液温液位变送器，对系统油源的
温度和油位进行实时监测，并在油温过高或油位过
低时触发报警。

冷却器风扇马达驱动回路设置电磁阀，回油回
路设置温度开关为电磁阀的通断发送信号，冷却器
进口设置恒温阀，确保冷态油不经过冷却器而直接
回油箱，此时温度开关不发送信号，冷却器不运
转；当油温上升，恒温阀逐渐切换回油走冷却器的
散热板，同时温度开关发送信号，电磁阀得电接
通，驱动冷却器风扇运转，对回油进行冷却；待油
温下降到低点，温度开关失电，风扇停止运转，回
油走恒温阀旁通直接回油箱，如此周而复始实现液
压系统油温的自动控制。

4试验情况
基于自动控制技术研发的气化采煤连续管样机
于2015年底在江汉机械研究所生产基地试制完成，
厂内调试期间曾出现过压力调节滞后、动作反应迟
钝、冗余设置欠考虑导致安全系数不高等问题，但
通过高精度电比例元器件的选用、采集与反馈频率
优化调整以及控制系统流程简化，问题逐步得到解
决。

该样机在乌兰察布新奥气化采煤基地井深300
m试验井的实况模拟试验中，整套设备运行平
稳[15]，各项性能指标基本达到预期设计。

5结论
(1)研发的连续管作业机自动控制系统仅需 xt注人头方向进行控制，其他的压力设定及动作控
制交给逻辑判断，设备的便捷性和稳定性将得到极
大的提升。

(2)防爆型电气元件的选用更加符合油气生 产环境的安全要求，结合PLC控制技术实现人机
界面操控，通过SCADA后台进行过程控制，可实
现连续管作业机的集中运行管理和远程状态监控。

(3)基于传感技术、数据采集和逻辑控制开 发的自动控制系统，提升了连续管作业机的自动化
7JC平，顺应复合连续管钻机的发展趋势。

(4)基于逻辑判断的全方位状态监测、报警 及冗余设置对连续管作业机自动控制系统的安全性
和稳定性至关重要。

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第一作者简介：段文益，工程师，生于1984年，2009 年毕业于中国石油大学（华东）化工过程机械专业，获硕 士学位，现从事连续管技术与装备的研究工作。

地址: (434000)湖北省荆州市。

E-mail: duanwydr@cnpc_ com cn。

收稿日期：2017-05-19
(本文编辑刘峰）。