一种抽汲作业自动下放控制系统及控制方法与流程

本发明属于油田设备与设施技术领域，具体涉及一种抽汲作业自动下放控制系统及控制方法。

背景技术：

传统抽汲排液方法是采用修井机或者通井机作动力源，通过在滚筒上缠绕的抽汲钢丝绳，带动井筒中抽子上下往复运动，实现抽汲作业。操作人员通过手动操作和刹把制动来实现抽汲工具的下放，抽汲深度和动液面深度则依靠操作者的经验来判断，自动化程度低，操作不方便，深度误差大，要时刻保持精神集中，作业工人的工作强度大；人工操作对操作人员的技术的水平要求较高，如果操作人员技术不熟练，在作业过程中发生抽子下放速度掌握不好、沉没度过深等造成抽子负荷过大，易导致钢丝绳打扭、跳槽、断丝等施工质量事故，也危及人身和设备的安全。

现有技术中，如公开号为cn101078338a，公开时间为2007年11月28日，名称为“一种自动间歇井口抽油方法及其装置”的中国发明专利文献，公开了一种井口抽油方法及其装置，装置主要包括各种传感器和钢丝过定滑轮与活塞连接；方法是自动控制系统与装置配合，主要步骤是电路控制板判断制动时间是否达到设置时间：若没有达到，制动器继续制动，否则解除制动，活塞下行；当重力传感器信号变化时，控制电路板对活塞下行深度设定深度进行比较，同时对强磁铁a是否过电磁传感器进行判断：若结果是小于且无强磁铁a经过；电路控制板将下行速度与设定速度比较：若结果是大于，电机减速下行，否则继续下行；直到活塞下行深度大于设定深度或强磁铁a过电磁传感器，制动器制动，电机上提活塞并停留在油管上方直到达到制动时间后，再开始下一轮抽汲并如此循环。

再如公开号为cn102305059a，公开时间为2012年01月04日，名称为“一种石油钻机的自动控制系统及其控制方法”的中国发明专利文献，公开了供一种石油钻机的自动控制系统及其控制方法，所述控制系统包括一个主站和多个从站；综合柜内plc控制器为整个控制系统主站，其模拟量输入模块采集整流柜直流电流和泥浆池的泥浆体积，数字量输入模块采集各执行机构运行状态及报警信号，数字量输出模块输出执行机构启停信号或报警输出信号；司钻房远程控制单元是整个控制系统的一个从站，其模拟量输入模块采集绞车手柄位置、转盘手柄位置、大钩位置、悬重、吊钳扭矩、绞车润滑油压、转盘润滑油压力、气源压力、盘刹安全钳压力、盘刹左、右工作钳压力、盘刹液压站压力、立管压力、返浆流量；数字量输入模块采集各执行机构运行状态及报警信号，数字量输出模块输出执行机构启停信号或报警输出信号；绞车、自动送钻、泥浆泵、转盘的变频器各自为控制系统的一个从站，主站读取各从站的相关数据，并输出控制信号至各从站；发电机组作为整个控制系统的一个从站，每个发电机组配备一个综合仪表，各仪表分配一个不同的地址，主站与各综合仪表通讯读取各发电机组的相关数据；司钻房配备两台hmi操作屏供操作员进行人机对话，输入各校准参数和作业设置参数，并根据工艺要求选择控制方式；综合柜和远程控制单元各配备一台pc机供相关人员监视作业情况，并进行故障诊断、数据存储及打印；综合柜内plc控制器和司钻房内远程控制单元均配备有一套冗余系统。

但是上述的现有技术方案中，实现方式相对复杂，并且其目的也不是为了解决在油田井的自动下放控制的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过采集分析下放设备地滑轮的转动脉冲信号以及缆绳的张力并通过中央控制单元实现油井设备自动下放的控制系统和控制方法。

一种抽汲作业自动下放控制系统，其特征在于：包括带有触摸式一体机的系统控制中心，抽汲张力计、抽汲编码器和手持操作器分别通过a/d输入模块、高速计数模块和数字信号输入模块与系统控制中心通信的输入端通信相连；系统控制中心的输出端通过d/a输出模块和数字输出模块分别与减速机构和报警器控制相连。

所述系统控制中心为写有控制程序的plc控制器。

所述触摸式一体机和手持操作器上均带有手动/自动切换键。

所述减速机构包括由刹车气路控制的刹车装置，所述刹车气路设置有带有快排阀的控制气缸。

其动力系统还包括由离合控制气路控制的离合器，所述离合控制气路上串联设置有一个用于实现松离合的常开电磁阀。

一种抽汲作业自动下放控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

初始化步骤，操作人员通过触摸式一体机或手持操作器选择确认机型，完成控制系统对应机型的初始化，初始化内容包括预设的恒速下放的速度值vs；

下放控制步骤，下放控制步骤包括深度及速度控制、缆绳张力控制和液面内的自动下放控制；

所述深度及速度控制，即在下放动作开始后，抽汲编码器收集安装在地滑轮上的光电编码器输出的脉冲信号并通过高速计数模块传回系统控制中心进行处理，计算出得到下放的实时深度h及速度v，通过比较实时速度v与恒速下放的速度值vs，当v>vs系统控制中心通过d/a输出模块控制减速机构进行减速；

所述缆绳张力控制，即在下放动作开始后，抽汲张力计收集安装在天滑轮上的张力传感器实时检测到的下放缆绳的张力并通过a/d输入模块传回系统控制中心进行处理，当检测到张力发生突变则判断为下放到达液面，系统控制中心控制动力系统刹车使滚筒停止下放；

所述液面内的自动下放控制，即在系统控制中心判断下放到达液面并控制动力系统刹车使滚筒停止下放时，由操作人员解除刹车继续下放，系统控制中心调用液面内的自动下放算法控制继续下放，当下放到液面下300米时系统控制中心控制动力系统刹车使滚筒停止下放并通过数字输出模块控制报警器报警，提示操作人员下放完成。

所述深度及速度控制和缆绳张力控制在下放到页面位置前是同时进行的。

所述深度及速度控制，当v>vs系统控制中心通过d/a输出模块控制减速机构进行减速，并且所述减速机构的刹车气路输出一个稳定气压使下放的实时速度v等于恒速下放的速度值vs。

所述缆绳张力控制，检测实时张力值fs与理论张力fl的比值r=fs/fl，当r>0.7时，系统认为为正常下放状态；当r<0.3时，系统认为到达液面，系统输出刹车信号，控制通井机刹车；待张力恢复，r>0.8时，系统输出解刹信号，解除刹车；所述理论张力fl=f1+ρ*g*h，其中，f1为抽汲工具在零点的张力，ρ为钢丝绳线密度，g为重力加速度，h为抽汲工具下放深度。

所述液面内的自动下放算法为，系统控制中心记录下放到达液面时的深度值，同时持续通过光电编码器输出的脉冲信号记录缆绳的下放的深度值，用下放的深度值减去达液面时的深度值的差值即为液面内的自动下放的深度，当液面内的自动下放的深度等于300米时自动刹车。

本发明的有益效果如下：

一、本发明提供的一种抽汲作业自动下放控制系统，抽汲张力计用于采集下放设备缆绳的张力变化数据，通过获取到达液面时的张力变化数据来判断下放状态实现现场实时控制；抽汲编码器用于采集缆绳下发数据，通过该数据计算可得下放的深度，触摸式一体机和手持操作器便于操作人选根据需求选择远程自动或现场手动控制，并且便于显示记录实时下放数据，报警器能够及时通知操作人员到位状态。

二、本发明提供的一种抽汲作业自动下放控制系统，plc控制器在自动化控制领域中运用成熟，实现容易，适应性强；手动/自动切换便于安全分段操作的实现；控制气路主要由刹车气路与离合控制气路，刹车气路主要实现在超限情况下，对系统实现减速、刹车的功能，防止发生安全事故，刹车气路主要由比例阀与常开电磁阀通过梭阀并联在一起，系统通过内部算法，针对下放过程中的运行速度、状态，输出电流信号，控制比例阀，实现控速的功能，由于现场为气动控速，气体执行存在较大的滞后性，为了减少滞后，提高控制精度，在刹车气路中增加快排阀，加快排气；离合控制气路在原有的离合控制气路中，串联一个常开的电磁阀，实现松离合的功能。

三、本发明提供的一种抽汲作业自动下放控制方法，在自动下放模式下通过测量安装在地滑轮上的光电编码器输出的脉冲信号，系统采集与处理，计算出钢丝绳下放的深度及速度，通过计算速度值v与设定的恒速下放的速度值vs比较，当v>vs,系统控制执行机构，进行减速，当速度v接近vs，系统根据不同的深度，给一个稳定气压，控制滚筒的下放速度基本恒定，抽汲工具将会以一个较恒定的速度在井内运动；系统通过安装在天滑轮上的张力传感器，实时检测钢丝绳的张力，如果张力发生突变，接近钢丝绳在零点的张力，系统认为达到液面，将滚筒刹住，停止下放，待操作者解刹之后，系统会调用液面内的自动下放算法，继续运行，当运行到液面下300米的时候，系统自动将滚筒刹住并报警，提示操作者可以上提工具完成下放动作，实现了自动采集、实时安全控制的功能。

四、本发明提供的一种抽汲作业自动下放控制方法，利用缆绳张力数据变化和光电编码器输出的脉冲信号计算的到实时下放状态的位置和深度数据，通过控制中心准确的实现了自动下放控制。

附图说明

图1为本发明一种优选方案的结构示意图；

图2为本发明一种优选方案的流程示意图；

图3为本发明刹车气路一种优选方案的结构示意图；

图4为本发明离合控制气路一种优选方案的结构示意图。

具体实施方式

下面通过几个具体的实施例来进一步说明本发明的技术方案，但需要说明的是，本发明技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1

如图1，一种抽汲作业自动下放控制系统，包括带有触摸式一体机的系统控制中心，抽汲张力计、抽汲编码器和手持操作器分别通过a/d输入模块、高速计数模块和数字信号输入模块与系统控制中心通信的输入端通信相连；系统控制中心的输出端通过d/a输出模块和数字输出模块分别与减速机构和报警器控制相连。

这是本发明控制系统一种最基本的实施方案。抽汲张力计用于采集下放设备缆绳的张力变化数据，通过获取到达液面时的张力变化数据来判断下放状态实现现场实时控制；抽汲编码器用于采集缆绳下发数据，通过该数据计算可得下放的深度，触摸式一体机和手持操作器便于操作人选根据需求选择远程自动或现场手动控制，并且便于显示记录实时下放数据，报警器能够及时通知操作人员到位状态。

实施例2

如图1至图3，一种抽汲作业自动下放控制系统，包括带有触摸式一体机的系统控制中心，抽汲张力计、抽汲编码器和手持操作器分别通过a/d输入模块、高速计数模块和数字信号输入模块与系统控制中心通信的输入端通信相连；系统控制中心的输出端通过d/a输出模块和数字输出模块分别与减速机构和报警器控制相连；所述系统控制中心为写有控制程序的plc控制器；所述触摸式一体机和手持操作器上均带有手动/自动切换键；所述减速机构包括由刹车气路控制的刹车装置，所述刹车气路设置有带有快排阀的控制气缸；其动力系统还包括由离合控制气路控制的离合器，所述离合控制气路上串联设置有一个用于实现松离合的常开电磁阀。

这是本发明控制系统一种优选的实施方案。抽汲张力计用于采集下放设备缆绳的张力变化数据，通过获取到达液面时的张力变化数据来判断下放状态实现现场实时控制；抽汲编码器用于采集缆绳下发数据，通过该数据计算可得下放的深度，触摸式一体机和手持操作器便于操作人选根据需求选择远程自动或现场手动控制，并且便于显示记录实时下放数据，报警器能够及时通知操作人员到位状态；plc控制器在自动化控制领域中运用成熟，实现容易，适应性强；手动/自动切换便于安全分段操作的实现；控制气路主要由刹车气路与离合控制气路，刹车气路主要实现在超限情况下，对系统实现减速、刹车的功能，防止发生安全事故，刹车气路主要由比例阀与常开电磁阀通过梭阀并联在一起，系统通过内部算法，针对下放过程中的运行速度、状态，输出电流信号，控制比例阀，实现控速的功能，由于现场为气动控速，气体执行存在较大的滞后性，为了减少滞后，提高控制精度，在刹车气路中增加快排阀，加快排气；离合控制气路在原有的离合控制气路中，串联一个常开的电磁阀，实现松离合的功能。

实施例3

如图1至4，一种抽汲作业自动下放控制方法，包括以下步骤：

初始化步骤，操作人员通过触摸式一体机或手持操作器选择确认机型，完成控制系统对应机型的初始化，初始化内容包括预设的恒速下放的速度值vs；

下放控制步骤，下放控制步骤包括深度及速度控制、缆绳张力控制和液面内的自动下放控制；

所述深度及速度控制，即在下放动作开始后，抽汲编码器收集安装在地滑轮上的光电编码器输出的脉冲信号并通过高速计数模块传回系统控制中心进行处理，计算出得到下放的实时深度h及速度v，通过比较实时速度v与恒速下放的速度值vs，当v>vs系统控制中心通过d/a输出模块控制减速机构进行减速；

所述缆绳张力控制，即在下放动作开始后，抽汲张力计收集安装在天滑轮上的张力传感器实时检测到的下放缆绳的张力并通过a/d输入模块传回系统控制中心进行处理，当检测到张力发生突变则判断为下放到达液面，系统控制中心控制动力系统刹车使滚筒停止下放；

所述液面内的自动下放控制，即在系统控制中心判断下放到达液面并控制动力系统刹车使滚筒停止下放时，由操作人员解除刹车继续下放，系统控制中心调用液面内的自动下放算法控制继续下放，当下放到液面下300米时系统控制中心控制动力系统刹车使滚筒停止下放并通过数字输出模块控制报警器报警，提示操作人员下放完成。

这是本发明控制方法一种最基本的实施方案。在自动下放模式下通过测量安装在地滑轮上的光电编码器输出的脉冲信号，系统采集与处理，计算出钢丝绳下放的深度及速度，通过计算速度值v与设定的恒速下放的速度值vs比较，当v>vs,系统控制执行机构，进行减速，当速度v接近vs，系统根据不同的深度，给一个稳定气压，控制滚筒的下放速度基本恒定，抽汲工具将会以一个较恒定的速度在井内运动；系统通过安装在天滑轮上的张力传感器，实时检测钢丝绳的张力，如果张力发生突变，接近钢丝绳在零点的张力，系统认为达到液面，将滚筒刹住，停止下放，待操作者解刹之后，系统会调用液面内的自动下放算法，继续运行，当运行到液面下300米的时候，系统自动将滚筒刹住并报警，提示操作者可以上提工具完成下放动作，实现了自动采集、实时安全控制的功能。

实施例4

如图1至4，一种抽汲作业自动下放控制方法，包括以下步骤：

初始化步骤，操作人员通过触摸式一体机或手持操作器选择确认机型，完成控制系统对应机型的初始化，初始化内容包括预设的恒速下放的速度值vs；

下放控制步骤，下放控制步骤包括深度及速度控制、缆绳张力控制和液面内的自动下放控制；

所述深度及速度控制，即在下放动作开始后，抽汲编码器收集安装在地滑轮上的光电编码器输出的脉冲信号并通过高速计数模块传回系统控制中心进行处理，计算出得到下放的实时深度h及速度v，通过比较实时速度v与恒速下放的速度值vs，当v>vs系统控制中心通过d/a输出模块控制减速机构进行减速；

所述缆绳张力控制，即在下放动作开始后，抽汲张力计收集安装在天滑轮上的张力传感器实时检测到的下放缆绳的张力并通过a/d输入模块传回系统控制中心进行处理，当检测到张力发生突变则判断为下放到达液面，系统控制中心控制动力系统刹车使滚筒停止下放；

所述液面内的自动下放控制，即在系统控制中心判断下放到达液面并控制动力系统刹车使滚筒停止下放时，由操作人员解除刹车继续下放，系统控制中心调用液面内的自动下放算法控制继续下放，当下放到液面下300米时系统控制中心控制动力系统刹车使滚筒停止下放并通过数字输出模块控制报警器报警，提示操作人员下放完成；

所述深度及速度控制和缆绳张力控制在下放到页面位置前是同时进行的。

所述深度及速度控制，当v>vs系统控制中心通过d/a输出模块控制减速机构进行减速，并且所述减速机构的刹车气路输出一个稳定气压使下放的实时速度v等于恒速下放的速度值vs。

所述缆绳张力控制，检测实时张力值fs与理论张力fl的比值r=fs/fl，当r>0.7时，系统认为为正常下放状态；当r<0.3时，系统认为到达液面，系统输出刹车信号，控制通井机刹车；待张力恢复，r>0.8时，系统输出解刹信号，解除刹车；所述理论张力fl=f1+ρ*g*h，其中，f1为抽汲工具在零点的张力，ρ为钢丝绳线密度，g为重力加速度，h为抽汲工具下放深度。

所述液面内的自动下放算法为，系统控制中心记录下放到达液面时的深度值，同时持续通过光电编码器输出的脉冲信号记录缆绳的下放的深度值，用下放的深度值减去达液面时的深度值的差值即为液面内的自动下放的深度，当液面内的自动下放的深度等于300米时自动刹车。

这是本发明控制方法一种优选的实施方案。在自动下放模式下通过测量安装在地滑轮上的光电编码器输出的脉冲信号，系统采集与处理，计算出钢丝绳下放的深度及速度，通过计算速度值v与设定的恒速下放的速度值vs比较，当v>vs,系统控制执行机构，进行减速，当速度v接近vs，系统根据不同的深度，给一个稳定气压，控制滚筒的下放速度基本恒定，抽汲工具将会以一个较恒定的速度在井内运动；系统通过安装在天滑轮上的张力传感器，实时检测钢丝绳的张力，如果张力发生突变，接近钢丝绳在零点的张力，系统认为达到液面，将滚筒刹住，停止下放，待操作者解刹之后，系统会调用液面内的自动下放算法，继续运行，当运行到液面下300米的时候，系统自动将滚筒刹住并报警，提示操作者可以上提工具完成下放动作，实现了自动采集、实时安全控制的功能；利用缆绳张力数据变化和光电编码器输出的脉冲信号计算的到实时下放状态的位置和深度数据，通过控制中心准确的实现了自动下放控制。

实施例5

如图1至4，将抽汲张力计、抽汲编码器等深度测量仪安装到位，接好线路，通电，选择工作的通井机/修井机，在一体机上对参数进行初始化,设置编码器的分辨率、自动下放控制表。

将抽汲工具下放到井口，点击触摸式一体机上或手操器上的的【脉冲置零】按钮，将当前的井深置零。然后点击【手动/自动】按钮，选择下放模式。

当脉冲置零后，系统会记录钢丝绳在零点的处的张力，并在下放过程中实时监测钢丝绳的张力。

在手动模式下，系统通过显示器实时显示抽汲深度、速度、钢丝绳张力等作业参数。并且只在抽汲工具到达液面时报警，不会干预操作者正常操作。

在自动下放模式中，抽汲工具到达液面时，系统会将滚筒刹住并报警，停止下放。操作者再通过点击触摸屏【到达液面】，或者点击手操器上的【确定】键，确定工具已经液面，解刹，抽汲工具会调用液面内的控制算法，在液面内自动下放。当运行到液面下300米的时候，系统自动将滚筒刹住并报警，提示操作者可以上提工具了。

通过测量安装在地滑轮上的光电编码器输出的脉冲信号，系统采集与处理，计算出钢丝绳下放的深度及速度。通过计算速度值v与设定的恒速下放的速度值vs比较，当v>vs,系统控制执行机构，进行减速，当速度v接近vs，系统根据不同的深度，给一个稳定气压，控制滚筒的下放速度基本恒定。

系统通过安装在天滑轮上的张力传感器，实时检测钢丝绳的张力。如果张力发生突变，接近钢丝绳在零点的张力，系统认为达到液面，将滚筒刹住，停止下放。待操作者解刹之后，系统会调用液面内的自动下放算法，继续运行。当运行到液面下300米的时候，系统自动将滚筒刹住并报警，提示操作者可以上提工具。

由于气路在降气的过程中时间比较长，系统给定控制信号存在较大的滞后性，对下放控制干预过大，导致减速过快，引起井架产生明显的晃动。因此在控制气缸处加一个快排阀加快排气，并且在降压的过程中，将气路先排气，再充气，避免了控制的滞后性。

随着下放的深度不断增加，控制的力度必然增加，因此将刹车力关联到比例阀的气压比例。先设定钢丝绳在不同的深度，对应的最少刹车气压比例。将速度进行分段，不同的速度区间对应不同的减速气压比例。将深度进行划分区间，不同的区间，相同速度对应不同的气压比例。

控制气路的功能：1、控制气路主要由刹车气路与离合控制气路。刹车气路主要实现在超限情况下，对系统实现减速、刹车的功能，防止发生安全事故。刹车气路主要由比例阀与常开电磁阀通过梭阀并联在一起。系统通过内部算法，针对下放过程中的运行速度、状态，输出电流信号，控制比例阀，实现控速的功能。由于现场为气动控速，气体执行存在较大的滞后性，为了减少滞后，提高控制精度，在刹车气路中增加快排阀，加快排气。

离合控制气路：在原有的离合控制气路中，串联一个常开的电磁阀，实现松离合的功能。

由于通井机在工作过程中，存在带动力下放的情况，为了防止控制系统在刹车之后，动力依然存在，将通井机憋熄火的情况，我们设置了离合控制气路，在系统刹车的情况下，将离合松掉。

自动下放过程中，系统实时对比钢丝绳实际张力与理论张力的比值。正常情况下，实际张力接近理论张力，实际张力通过安装在抽汲天滑轮上的张力传感器测得。理论张力为抽汲工具在零点是的张力加上钢丝绳的线密度与深度的乘积

第一次下放时，先将抽汲工具放到井口，点击触摸屏上的脉冲置零按钮，将当前深度清为零，系统会记录下此时的张力值f1，然后，系统可以选择自动、手动下放，在选择手动下放，系统具有超速报警、超速减速等功能。

自动下放时，系统通过实时对比钢丝绳张力变化。系统定义比值r=fs/fl，其中

fs为抽汲张力传感器实时监测

fl为理论计算fl=f1+ρ*g*h

f1为抽汲工具在零点的张力

ρ为钢丝绳线密度

g为重力加速度，一般为9.8米每二次方秒

h为抽汲工具下放深度。

抽汲工具在井内通过系统控速自动下放，当遇阻或者突然接触水面时，抽汲工具的速度减少。但是钢丝绳放绳速度未下降，导致钢丝绳松弛。从而使钢丝绳张力减少。当r>0.7时，系统认为为正常下放状态。只做控制下放速度。

当r<0.3时，系统认为到达液面，系统输出刹车信号，控制通井机刹车。待张力恢复，r>0.8时，系统输出解刹信号，解除刹车。系统再调用液面下自动下放程序。当下放到液面下300米时，系统控制中心控制动力系统刹车使滚筒停止下放并通过数字输出模块控制报警器报警，提示操作人员自动下放完成。

抽汲工具在自动下放过程中，全部是通过系统控制速度，实现恒速稳定下放。当下放到液面下300米时，系统输出刹车信号，控制刹车。表示一次下放结束。如果操作员认为仍然需要继续下放，必须手动解除刹车，手动下放。