中国石油新型储能技术进展与前景展望

全球能源领域正在发生巨大变革,传统国际油公司纷纷布局新能源,向绿色低碳方向转型。储能具有能量存储与灵活调度等功能,在油气田风光发电的电源侧、电力输送的电网侧以及油气行业上中下游的用户侧存在众多应用场景,将发挥重要作用。文章研究梳理了储能行业发展态势及各类先进储能技术的特点与成熟度,探讨了油气行业所需的低成本、高安全、耐宽温、大容量等先进储能技术类型,提出了当前在技术成本、容量和规模、循环寿命和可靠性、地理限制和环境影响、法规和政策支持等方面面临的挑战。在对国际油气与能源公司的储能布局调研分析的基础上,按小规模(<1MW/1MW·h)、中等规模(1MW/1MW·h~100MW/100MW·h)、大规模(>100MW/100MW·h)对油气行业储能需求进行分类。“十三五”以来,中国石油储能在钛酸锂电池、水系锌离子电池、液流电池等电化学储能技术以及盐穴压缩空气、飞轮储能为主的物理储能技术等方面取得了系列创新成果。面对储能技术路线多样、迭代迅速和产业链长等特点,油气企业需依托自身需求与特色应用场景以推动储能业务发展。具体建议:发挥储能的纽带作用,加速油气行业与新能源融合发展;发展符合油气行业需求的特色储能技术,快速形成标准体系;加强跨学科人才培养力度,培养适应油气行业储能技术发展的工程技术人才;发挥储能在未来综合能源系统中的核心作用,支撑油气企业向综合性能源公司转型。

基于状态变换的测井车永磁同步电机梯度下降法控制

测井车在石油勘探过程中起到了至关重要的作用,其中的永磁同步电机是控制测井设备的关键部件。提出一种针对测井车中永磁同步电机的鲁棒控制策略,这种策略基于状态变换技术,通过采用正切函数变换,将永磁同步电机的输出有效地限制在所需的范围内。基于此变换,构建了全新的永磁同步电机动力学模型,并利用模糊集理论处理系统中的参数不确定性。为进一步提高系统性能,采用求解Riccati方程的方式设计控制器,并成功地实现了对永磁同步电机的精确位置控制。在整个控制策略中,引入代价函数,并在其中加入一个正则化项。对代价函数进行优化,采用梯度下降法来调整控制参数,以提高系统的性能指标并降低控制成本。试验结果表明,与目前最常用的控制策略相比,本研究方法在实现高性能、稳定性、可靠性的同时,降低了控制成本,可应用于电驱动装置。

钻机司钻集成控制系统技术现状及发展建议

当今的钻机司钻功能较传统钻机司钻大为增加,并可实时监测所有设备状态参数和钻井工艺参数。介绍了国外公司司钻集成控制系统的性能特点,包括NOV公司的Cyberbase系统和AMPHION系统、AXON公司的RigScope系统、CAMERON公司的OnTrack系统、JELEC公司的DID系统及BENTEC公司的infoDRILL系统。之后简要分析了我国司钻集成控制系统的发展现状和技术特点,就我国的司钻集成控制系统发展提出了3点建议,即应用物联网技术、大数据后台计算技术和"一健式"智能控制技术,使我国的司钻集成控制系统性能达到或超过国外同类产品。

管柱自动化处理系统在钻机改造升级中的应用

针对钻井作业过程中人员劳动强度大、危险系数高、作业环境恶劣等问题,提出适用于改造钻机的管柱自动化处理系统解决方案。主要包括:动力猫道、铁钻工、二层台机械手、液压吊卡、集成司钻等多个设备。为实现管柱处理全过程的远程自动化控制,解决多设备联动、防碰和互锁等问题,开发集成司钻控制系统(简称集控)。通过集控实现作业人员远离井口、二层台无人值守,确保人员本质安全。最后结合该系统的现场应用情况,提出改造钻机增加管柱自动化处理系统需要解决的主要问题。

电动钻机电网有源电力滤波技术

分析和论述了电动钻机电网谐波的特点,应用并联型有源电力滤波器(SAPF)抑制电动钻机动力系统工作过程中电流谐波分量,使系统工作更趋安全稳定。在SAPF设计中,根据电动钻机电网三相四线制的供电方式,采用d-q-0谐波电流检测方法;由于起下钻工况时电网谐波电流变化速率较快,选用跟踪性强的滞环电流控制法;对SAPF容量的确定和电容器参数选择进行数学优化计算。仿真和试验结果证明,在电动钻机电网谐波电流动态抑制方面,SAPF取得了较好的效果。

SAPF两种谐波检测方法的分析和应用

介绍了基于瞬时功率理论的静止坐标和旋转坐标下的p-q法和ip-iq法两种谐波检测方法。通过matlab7.0建立仿真模型,并结合有电动钻机的电网中SAPF的试验加以分析。结果表明,p-q法只在电源电压无畸变情况下才能有效的检测电流谐波,而ip-iq法在电源电压有无畸变情况下都能准确的检测出谐波分量。

idriller石油钻机集成控制系统研制概要

随着石油钻机自动化控制技术的发展,司钻需要操作和监视的设备越来越多。现有常规钻机中将各个设备操作按钮、手柄以及控制箱在司钻房内进行"堆积木式"拼装的模式,存在着安全性差,布局混乱等缺点,已经无法满足未来钻机的操作要求,成为制约国产钻机整体技术水平提升的瓶颈。国外为解决此类问题已开发出多种石油钻机集成控制系统,并进行商业化应用。国内目前尚处于起步阶段。该文从系统网络架构、多级急停机制、司钻操作终端理念、防碰撞机制与轨迹规划、人机界面程序以及历史记录功能开发等方面介绍了国内研制的首套钻机集成控制系统——"idriller"。该系统已经实现了在多套钻机中的工业化应用,提升了国产钻机自动化、智能化、信息化水平。

基于S7-400PLC钻柱升沉补偿装置控制系统的应用

采用西门子公司的S7-400PLC做主站,ET200M做从站通过PROFIBUS-DP组成控制系统,完成钻柱补偿系统中的信号的采集、处理及控制功能。上位机采用触摸式工控机,完成系统的状态监控、参数设置及故障报警功能。系统基于实时操作系统,可以很好的保证系统的控制周期及稳定性。

电液复合式二层台排管装置电控系统研制

为满足油田现场对自动化设备在效率、安全、环保等方面不断提升的要求,研制了一套二层台排管装置电控系统。该系统采用以太网将PLC、伺服、视频监控、司钻终端进行互联,实现数据传输与访问;将运动控制系统和伺服驱动系统进行分离设计,以保证系统在良好散热的基础上安全运行;基于钻井工艺,通过TIA平台,用模块化编程方法开发了运动控制软件。现场应用结果表明:电控系统硬件设计合理,在司钻操作、信息显示、故障追踪及安全保护等方面功能完善;系统响应时间短于1 s,定位精度小于1 mm,排管手从待命位到达井口完成管柱交接并返回,用时不超过34 s。配套该电控系统的二层台排管装置,可满足油田现场起、下钻使用要求,适用于二层台无人化、自动化作业。

石油钻机人机交互系统技术现状及发展趋势

针对石油钻机中司钻控制房内人机交互系统和控制系统展开论述,分析了国外HMHW、NOV和斯伦贝谢(SLB)公司在司钻操作座椅、钻井参数优化、工况判别、风险分析、人机交互、安全监测等方面的技术现状及代表产品。建议国内应在司钻信息抬头显示(HUD)、司钻房内主动降噪(ANC)、操作人员疲劳监测与提醒、自动辅助钻井等几方面进行技术突破,以缩小与国外差距,应用新技术快速提升产品性能,构建环境友好型钻机人机交互系统,提升司钻作业人员体验感和现场作业的安全性。

钻机变频器干扰问题的分析与处理

针对钻机电控系统变频器工作时产生的干扰引起发电机组故障、钻井仪表显示不正确的现象,通过进一步试验分析找到了变频器产生干扰的原因,并给出了相应的解决办法,从而有效地解决了变频器对发电机组、钻井仪表的干扰问题,确保了钻井作业的正常进行。

伺服驱动技术及其在钻修井装备中的应用研究

针对钻修井装备中对降低人员劳动强度、提高作业安全性、提高装备自动化程度等要求的提高,提出了基于交流永磁同步伺服电机(PMSSM)驱动的钻修井装备解决方案,详细阐述了PMSSM的基本原理、主要特点、适用于钻修井装备的PID三闭环控制策略,并针对钻修井装备的工况特点提出了PMSSM的选型方法。最后,分析了基于防爆型PMSSM驱动的机械臂在油田的应用情况,结果表明,该驱动方式达到现场防爆、防护和连续作业的要求,可满足钻修井装备作业工艺需求,具有一定的应用前景。

新型自动化技术在钻机及钻井中的应用展望

随着“中国制造2025”宏伟目标的提出和生产需要,我国对石油钻探装备的自动化、智能化需求日益迫切,减轻工人劳动强度和提高作业安全性成为今后追求的目标。针对几种典型的智能控制技术在石油行业的应用进行了介绍,包括VR技术在钻采装备操作培训中的应用,AI技术在钻井作业和装备中的应用,ROV新技术的应用,以及大数据和物联网在钻井及装备中的应用。分析得出新型自动化技术在该领域的应用效果较好,起到了降低成本、提高效率和安全性、提升行业自动化和智能化水平的作用。但该技术尚属起步阶段,应学习借鉴已有成功经验,并结合自身特点发展专项技术。与此同时,该技术在助力行业提质增效保安全方面仍有巨大的发展空间,还应解决伴随信息技术而产生的数据安全问题。

自升式钻井平台的技术现状和发展趋势

自升式钻井平台是深海油气勘探开发的重要装备之一。在对自升式钻井平台的结构形式进行分析和归纳之后,介绍和讨论了自升式钻井平台的国内外技术现状,重点对当前占技术领先地位的Le Tourneau公司、Friede&Goldman公司和MSC公司的典型产品进行了分析研究,并对该项技术的国内现状做了简要说明,最后指出自升式钻井平台将向作业走向深水化、性能趋向自动化和智能化、功能实现多样化等方向发展。

液压勘察船钻机电液复合集成控制系统研制与应用

设计开发了一种全液压勘察船钻机,该钻机采用电液复合驱动控制技术,实现了整套钻探系统的集成化操控。举升系统、顶驱、管子处理系统等主要设备均采用液压控制,功率利用率高,钻井成本低,防爆、安全性好。通过开发电液复合集成控制系统,利用举升油缸取代了传统绞车来完成钻具提升/下放作业,简化了天车,取消了传统绞车和游车,简化了机械传动流程;通过电液控制,实现液压顶驱的无级调速;开发的自动化管柱处理系统,实现机械化工具代替人工进行作业,降低人工成本,减少工人劳动强度;通过配套集成化司钻操控终端,实现多个被控设备的远程监视和操作。该钻机已完成多次海试,并进行了项目的验收,目前正在南海进行取样作业。集成控制系统的研制,实现了勘察船液压钻机装备的国产化,提高了我国在勘察船钻机领域设计和制造水平。

基于软-硬逻辑相结合的钻杆盒电控系统开发

为解决常规钻杆盒电控系统资源浪费严重、人员就近操作危险性高的问题,提出了一种软-硬逻辑相结合的钻杆盒自动控制方案。该方案以西门子S7-1200 PLC控制器为核心,由4级继电器开关触点级联的方式实现钻杆盒的选择,用8个DO通道和2个AI通道以软-硬逻辑相结合方式实现最多64个DO通道控制和32个AI通道数据采集,配合防爆型无线遥控器实现对该产品的远程操作。现场应用结果表明:基于软-硬逻辑相结合的钻杆盒电控系统提升单层钻杆平均用时8 s,滚出/滚入单层钻杆平均用时2 s,处理整盒钻杆平均用时45 s,全过程无需其他辅助设备,也无需人员直接接触钻杆。因此,该控制方案可以提高钻杆盒电控系统资源利用率和操作人员安全性。

二层台机械手伺服驱动和控制系统开发

为解决极寒地区石油钻机二层台机械手液压驱动装置控制精度低、响应滞后、系统运行特性易受外界环境影响及维护成本高等问题,全新开发了一种二层台机械手伺服驱动和控制系统代替常规液压驱动装置。基于CoDeSys平台开发了伺服装置的多机构协同运动控制程序,并基于常规钻机控制系统所用的PORTAL软件平台开发了上位机操作系统,实现了对外数据的无缝对接和内部变量的实时处理。应用PROFINET总线网络实现了所有控制模块的数据实时、稳定传输。在油田现场应用过程中,安装该系统的二层台机械手加、减速操作与设备动作呈线性关系,动作响应时间短于1 s,控制精度达到±2 mm,完成一个循环周期的工作时间短于43 s,无噪声、无污染。该伺服驱动和控制系统的研发满足了二层台机械手的使用需求,适用于油田作业工况,达到现场工艺要求。

电驱动测井绞车电缆张力模糊控制方法研究

电驱动测井绞车采用独立设置张力传感器进行张力反馈的全闭环自动控制系统。建立并分析了电缆张力控制系统动态性能的数学模型,设计模糊逻辑算法对电缆张力PID控制器参数进行自适应整定,解决绞车在电缆缠绕过程中张力控制的多变量时变问题。在Simulink中建立张力控制系统模型,仿真结果表明:模糊PID控制算法在性能上要优于常规PID控制算法,响应性更快、稳定性更好、精确性更高,满足测井车电缆恒张力控制要求。控制算法以PLC语言的形式写入S7-1200型PLC,为电缆张力的智能控制系统工程应用奠定基础。

石油钻机集成化操作系统研究与工业应用

随着钻机自动化程度的提高,为克服常规钻机垒积木式的操作模式,对钻机操作集成化提出了更高的要求。在对操作集成化的总体规划下,提出了一体化集成椅座模式以实现操作集成化方案。借助于星型或环形工业态网通信网络,使各自动化的设备能集中管理。此方案可以解决各设备单独操作,布局凌乱等问题;提高了钻机操作效率,为以后钻机智能化打下基础。

基于idriller■双司钻操作的盘刹控制系统研制及应用

为实现绞车盘刹系统在自动化钻机的安全可靠操作,开发了基于idriller■双司钻操作的盘刹控制系统。该系统采用冗余的双司钻操作终端,基于操作元件功能复用的概念,取消原有司钻操作工位的开关、电位计、仪表盘等,通过多功能手柄、多功能键盘完成操作命令的分发,实现盘刹工作钳刹车、盘刹急停、盘刹液压站远程启动等功能的集成化操作与显示。通过厂内实验表明,该系统通过总线传输的控制信号减少了操作元件数量,提高了设备的可靠性和稳定性,在保证钻机游吊系统操作安全的同时,提升了设备的自动化水平。目前该系统已经应用在国内各大油田。