一种基于无线传感的井控与举升设备的自动控制方法与流程

本发明属于油气田开发技术领域，具体涉及一种基于无线传感的井控与举升设备的自动控制方法。

背景技术：

在油气田及煤层气开发行业中，国内带压作业装备(油气田向上升起/向下压入油气管)仍处于起步阶段，所引进的110吨左右的带压作业装备，采用液压控制，仅单根管柱的起或下就需涉及十多个控制单元开关，操作顺序严格，且不能出现顺序上的错误，否则会引发工程事故的发生，对操作人员素质要求很高，大多聘请国外专家进行设备操作，代价很高。

目前油气开采行业迫切希望实现带压作业装备操作流程的自动化控制，提高带压作业装备自动化操作水平，解决装备操作程序复杂、人员素质要求高的问题，摆脱对国外专家的技术依赖。

实现带压作业装备操作流程的自动化控制的前提是如何实现带压作业装备各项操作状态信息的实时、准确的采集。国外专家人工操作带压作业装备时，靠的是人体感官的观察(视力、听力)，通过对油管管节的位置、卡瓦开/关的状态、平衡/放喷阀实时压力数据快速做出操作判断。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于无线传感的井控与举升设备的自动控制方法，可以实现井控与举升设备的自动控制。

一种基于无线传感的井控与举升设备的自动控制方法，在油管(15)的游动承重卡瓦(2)、游动防顶卡瓦(1)、第一固定承重卡瓦(4)、第二固定承重卡瓦(6)以及固定防顶卡瓦(5)上各设置一个无线到位传感器；其中，各个无线到位传感器的两个探头沿卡瓦的卡瓦牙的移动方向上、下布置；当卡瓦牙向上移动到位时，上探头感应，无线到位传感器产生卡瓦打开到位信号，当卡瓦牙向下移动到位时，下探头感应，无线到位传感器产生卡瓦关闭到位信号；

所述自动控制方法包括：

a)第一固定承重卡瓦(4)、固定防顶卡瓦(5)、第二固定承重卡瓦(6)关闭，夹持油管(15)；

b)当第一固定承重卡瓦(4)、固定防顶卡瓦(5)、第二固定承重卡瓦(6)上安装的无线到位传感器均给出卡瓦出关闭到位信号后，打开游动防顶卡瓦(1)、游动承重卡瓦(2)；

c)当游动防顶卡瓦(1)、游动承重卡瓦(2)的无线到位传感器均给出卡瓦打开到位信号后，控制游动防顶卡瓦(1)和游动承重卡瓦(2)上升或者下降，并到达指定位置；

d)关闭游动防顶卡瓦(1)和游动承重卡瓦(2)；

e)当游动防顶卡瓦(1)和游动承重卡瓦(2)的无线到位传感器均给出卡瓦关闭到位信号后，打开第一固定承重卡瓦(4)、固定防顶卡瓦(5)和第二固定承重卡瓦(6)；

f)当第一固定承重卡瓦(4)、固定防顶卡瓦(5)和第二固定承重卡瓦(6)的无线到位传感器均给出卡瓦打开到位信号后，游动防顶卡瓦(1)和游动承重卡瓦(2)夹持油管(15)上升或者下降。

进一步的，油管(15)上设置的第一工作防喷器(7)、第二工作防喷器(9)、第一安全防喷器(10)、第二安全防喷器(11)中每个防喷器各设置两个无线到位传感器，防喷器每个单臂对应一个无线到位传感器；当单臂打开到位，该侧的无线到位传感器产生打开到位信号；当单臂关闭到位，该侧的无线到位传感器产生关闭到位信号；

当管节(3)向下通过第一工作防喷器(7)、第二工作防喷器(9)时，控制方法包括：

步骤1、第一工作防喷器(7)打开；当第一工作防喷器(7)的两个无线到位传感器给出打开到位信号后，第二工作防喷器(9)保持关闭；当第二工作防喷器(9)的两个无线到位传感器给出关闭到位信号后，第一安全防喷器(10)和第二安全防喷器(11)保持打开状态，第一安全防喷器(10)和第二安全防喷器(11)对应的所有无线到位传感器实时监测打开状态；

步骤2、控制油管(15)向下运动，油管管节(3)通过第一工作防喷器(7)；

步骤3、控制第一工作防喷器(7)关闭；

步骤4、当第一工作防喷器(7)的两个无线到位传感器给出关闭到位信号后，平衡阀(8)打开；

步骤5、第二工作防喷器(9)打开；

步骤6、第二工作防喷器(9)的两个无线到位传感器给出打开到位信号后，平衡阀(8)关闭；

步骤7、控制油管(15)向下运动，油管管节(3)通过第二工作防喷器(9)；

步骤8、第二工作防喷器(9)关闭；

步骤9、当第二工作防喷器(9)的两个无线到位传感器给出关闭到位信号后，放喷阀(14)打开，向空气中排放平衡阀(8)与放喷阀(14)之间的压力；

步骤10、放喷过程完成后，放喷阀(14)关闭，流程结束。

进一步的，游动承重卡瓦(2)底部设置无线载荷传感器(29)，当游动承重卡瓦(2)夹持油管(15)重量大于井内向上压力时，测量向下载荷；当井内向上压力大于游动承重卡瓦(2)夹持油管(15)重量时，测量向上载荷。

进一步的，平衡阀(8)和放喷阀(14)的压力管上分别设置一个压力传感器；当平衡阀(8)打开均压时，两个压力传感器监测值相同时，表示均压过程结束，平衡阀(8)两侧压力相同；放喷阀(14)打开放喷时，当平衡阀(8)的压力传感器监测的压力值为0时，表示放喷阀(14)排放压力结束。

本发明具有如下有益效果：

(1)本发明实现了带压作业装备各项操作状态信息的自动化采集和自动控制，不依赖人工干预，能够快速、准确的、完整的采集监测卡瓦打开/关闭、防喷器打开/关闭、平衡放喷管汇、卡瓦载荷的状态信息，为带压作业装备操作实现自动化控制，提供了必需的状态参数，系统以采集的状态参数作为依据，自动做出判决，从而解决带压作业装备操作程序复杂、对人员素质要求高的问题，为深层页岩气勘探开发提供技术支撑。

(2)以无线信道作为信息传输通道，降低设备安装、电缆铺设难度。解决电缆易于疲劳、损坏等特点。

附图说明

图1为井控与举升设备的结构图；

图2为传感器安装位置示意图；

图3(a)为卡瓦无线到位传感器组成示意图；

图3(b)为卡瓦关闭状态示意图；

图3(c)为卡瓦打开状态示意图；

图4为卡瓦打开/关闭状态监测及控制流程图；

图5(a)为防喷器无线到位传感器组成示意图；

图5(b)为防喷器打开状态示意图；

图5(c)为防喷器关闭状态示意图；

图6(a)为防喷器无线控制流程图；

图6(b)为油管的管节向下运动前防喷器的关闭状态；

图6(c)为油管的管节向下运动时防喷器的打开状态；

图6(d)为油管的管节向下运动通过防喷器后的打开状态；

图6(e)为油管的管节向下运动通过防喷器后的关闭状态；

图6(f)为油管的管节向下运动通过平衡阀前的打开状态；

图6(g)为油管的管节向下运动通过平衡阀前工作防喷器2打开状态；

图6(h)为油管的管节向下运动通过平衡阀前关闭状态；

图6(i)为油管的管节向下运动通过工作防喷器2的状态；

图6(j)为油管的管节向下运动通过工作防喷器2后关闭的状态；

图6(k)为放喷阀打开状态；

图6(l)为放喷阀关闭状态。

其中，1-游动防顶卡瓦；2-游动称重卡瓦；3-管节；4-上部固定称重卡瓦；5-固定防顶卡瓦；6-下部固定称重卡瓦；7-第一工作防喷器；8-平衡阀；9-第二工作防喷器；10-第一安全防喷器；11-第二安全防喷器；12-第一应急防喷器，13-第二应急防喷器，14-放喷阀；15-油管；16～28-无线到位传感器；29-无线载荷传感器；30,31-压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的一种基于无线传感的井控与举升设备的自动控制方法，主要应用于油气田及煤层气开发行业中。以带压作业装备多工艺作业操作流程为指导，研究装置的控制机理，通过在带压作业装备关键部位设置无线传感单元，以关键装置位置状态的判断为反馈信号，实现对带压作业装置操作流程的实时状态监测，采集的监测数据作为带压作业装备自动化操作的判断依据。

针对运动部件电缆铺设难度高，电缆易于疲劳、损坏等特点，以无线信道作为信息传输通道，降低设备安装、电缆铺设难度。

如图1所示，带压作业装备主要包括游动卡瓦(包括游动承重卡瓦2、游动防顶卡瓦1)、固定卡瓦(包括第一固定承重卡瓦4、第二固定承重卡瓦6和固定防顶卡瓦5)、工作防喷器7,8、安全防喷器10,11、应急防喷器12,13、放喷阀14、平衡阀8。

游动卡瓦完成打开/关闭动作，可上下移动。移动卡瓦打开，松开油管15，移动卡瓦关闭，夹持油管15向上或向下移动。

固定卡瓦完成打开/关闭动作，不可移动。固定卡瓦打开，松开油管15，固定卡瓦关闭，夹持油管15。

移动卡瓦与固定卡瓦轮流交替夹持油管15，完成油管15的上升/下降工作流程。固定卡瓦关闭，夹持油管15时，移动卡瓦打开，向上/向下运动到位；移动卡瓦关闭，夹持油管15后，固定卡瓦松开油管15，移动卡瓦夹持油管15做向上/向下运动。

一种基于无线传感的井控与举升设备的自动控制方法，如图2所示。

工作防喷器、安全防喷器、应急防喷器保证油管管节3通过时，井口始终为密封状态，井内压力不会外泄(井内压力外泄会引发井喷、井涌事故)。

本发明需要检测的状态信息主要包括如下几类：

一、在游动卡瓦、固定卡瓦上设置专用的无线到位传感器，实现卡瓦打开/关闭状态的实时监测。

1)游动卡瓦、固定卡瓦无线状态监测

游动卡瓦、固定卡瓦上设置的无线到位传感器相同，包括天线、无线模块、两个到位探头，组成如图3(a)所示。一个到位探头布置于卡瓦上部，用于监测卡瓦开到位状态；另一个探头布置于卡瓦下部，用于监测卡瓦关到位状态。

卡瓦处于关闭状态时，卡瓦牙下滑至底部位置，将油管夹紧固定。此时，无线到位传感器两个探头均没有卡瓦牙到位信号，如图3(b)所示。

卡瓦处于打开状态时，卡瓦牙上升至底部位置，将油管松开。此时，无线到位传感器两个探头均探测到卡瓦牙到位信号，如图3(c)所示。

2)游动卡瓦、固定卡瓦无线到位传感器配置方案

游动防顶卡瓦1上设置无线到位传感器1，游动承重卡瓦2上设置无线到位传感器2，固定承重卡瓦1设置无线到位传感器3，固定防顶卡瓦2设置无线到位传感器4，固定承重卡瓦3设置无线到位传感器5。

3)游动卡瓦、固定卡瓦打开/关闭控制流程

卡瓦打开/关闭的状态监测及控制流程如图4所示。卡瓦上升/下降过程中，游动卡瓦与固定卡瓦交替打开/关闭。保证两者互锁功能，即游动卡瓦打开时，固定卡瓦保证处于关闭状态，固定卡瓦打开时，游动卡瓦保证处于关闭状态。

具体方法总结如下：

a)第一固定承重卡瓦4、固定防顶卡瓦5、第二固定承重卡瓦6关闭，夹持油管15；

b)当第一固定承重卡瓦4、固定防顶卡瓦5、第二固定承重卡瓦6上安装的无线到位传感器18,19和20均给出卡瓦出关闭到位信号后，打开游动防顶卡瓦1、游动承重卡瓦2；

c)当游动防顶卡瓦1、游动承重卡瓦2的无线到位传感器16和17均给出卡瓦打开到位信号后，控制游动防顶卡瓦1和游动承重卡瓦2上升或者下降，并到达指定位置；

d)关闭游动防顶卡瓦1和游动承重卡瓦2；

e)当游动防顶卡瓦1和游动承重卡瓦2的无线到位传感器16和17均给出卡瓦关闭到位信号后，打开第一固定承重卡瓦4、固定防顶卡瓦5和第二固定承重卡瓦6；

f)当第一固定承重卡瓦4、固定防顶卡瓦5和第二固定承重卡瓦6的无线到位传感器18,19和20均给出卡瓦打开到位信号后，游动防顶卡瓦1和游动承重卡瓦2夹持油管15上升或者下降。

二、在工作防喷器、安全防喷器、应急防喷器设置专用的无线到位传感器，实现防喷器打开/关闭状态的实时监测。

1)工作防喷器、安全防喷器无线状态监测

工作防喷器、安全防喷器设置相同的无线到位传感器，包括天线、无线模块、两个到位探头，组成如图5(a)所示。每个防喷器的设置两个无线到位传感器，每个单臂对应一个无线到位传感器；无线到位传感器的两个探头分别布置在单臂的一侧，监测防喷器开关到位状态：当单臂打开到位，该侧的无线到位传感器产生打开到位信号；当单臂关闭到位，该侧的无线到位传感器产生关闭到位信号；防喷器处于打开状态时，防喷器轴向两侧打开，密封圈松开油管15，油管管节3可以通过防喷器。此时，无线到位传感器两个探头均探测到防喷器轴到位信号，给出防喷器打开到位信号，打开如图5(b)所示。

防喷器处于关闭状态时，防喷器轴向中间闭合，密封圈将油管15夹紧，井内压力密封。此时，无线到位传感器两个探头均没有防喷器轴到位信号，给出防喷器关闭到位信号，如图5(c)所示。

2)工作防喷器、安全防喷器无线到位传感器配置方案

工作防喷器1上设置无线到位传感器6、7；工作防喷器2上设置无线到位传感器8、9；安全防喷器1上设置无线到位传感器10、11；安全防喷器2上设置无线到位传感器12、13。

3)工作防喷器、安全防喷器打开/关闭控制流程

如图6(a)所示，当管节3通过防喷器时，控制工作防喷器1、工作防喷器2、平衡阀8、放喷阀14打开/关闭。通过过程中，保证防喷器两臂打开/关闭到位。防喷器打开/关闭到位信息通过两臂上配置的非接触式传感器，测量开/关到位状态。平衡阀平衡状态、放喷阀放喷状态信息通过液压管路上配置的压力传感器进行测量和判断。每个执行步骤之间保证互锁，下一步骤的执行以采集的状态信息为准。

如图6(b)和图6(c)所示，以油管管节3向下通过防喷器为例：

步骤1、如图6(d)所示，第一工作防喷器7打开，无线到位传感器21,22给出打开到位信号。第二工作防喷器9保持关闭，无线到位传感器23和24监测关闭状态。第一安全防喷器10和第二安全防喷器11保持打开状态，无线到位传感器25、26、27和28实时监测打开状态。

步骤2、如图6(e)所示，油管管节3通过第一工作防喷器7；

步骤3、如图6(f)所示，第一工作防喷器7关闭，无线到位传感器21,22给出关闭到位信号。

步骤4、如图6(g)所示，平衡阀8打开，完成阀两侧均压，保证平衡阀两侧压力一致。

步骤5、如图6(h)所示，第二工作防喷器9打开，无线到位传感器23和24给出打开到位信号。

步骤6、如图6(i)所示，平衡阀8关闭。

步骤7、如图6(j)所示，油管管节3通过第二工作防喷器9。

步骤8、如图6(k)所示，第二工作防喷器9关闭，无线到位传感器23和24给出关闭到位信号。

步骤9、如图6(l)所示，放喷阀14打开，向空气中排放平衡阀8与放喷阀14之间的压力。

步骤10、放喷过程完成后，放喷阀14关闭。油管管节3通过第二工作防喷器9，流程结束。

三、在游动卡瓦上设置专用的无线载荷传感器29，实现卡瓦载荷状态(游动卡瓦提升/下压的整体受力情况)的实时监测。

游动承重卡瓦2底部设置无线载荷传感器29，具备同时测量卡瓦举升设备的向上、向下载荷能力。当游动卡瓦夹持油管15重量大于井内向上压力时，测量向下载荷。当井内向上压力大于游动卡瓦夹持油管重量时，测量向上载荷。载荷传感器配置两个无线模块，通过无线形式监测载荷状态。

载荷传感器上、下端面为法兰结构，上端与游动承重卡瓦2下板面连接，下端与加高座上部相连接，中心部位中空。载荷传感器上法兰由全螺纹螺杆配套两个螺母通过φ38通孔进行固定；载荷传感器下法兰由带螺栓螺杆及配套螺母通过φ38通孔进行固定。

四、平衡阀8、放喷阀14压力传感器，实现平衡放喷状态的实时监测。

平衡阀8、放喷阀14分别设置压力传感器30和31，平衡阀8打开均压时，当压力传感器30和31监测值相同时，表示均压过程结束，平衡阀8两侧压力相同。放喷阀14打开放喷时，当压力传感器30监测的压力值为0时，表示放喷阀14排放压力结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。