張喜慶，沈君芳，牟忠良，孫茂盛，王海強(qiáng)，于吉迪，付霽野

（1．勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司，山東　東營257067；2．沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司，沈　陽110000；3．中石化勝利油田分公司　東辛采油廠，山東　東營257095）①

油田修井作業(yè)自動化裝備研制

張喜慶1，沈君芳1，牟忠良2，孫茂盛3，王海強(qiáng)3，于吉迪1，付霽野2

（1．勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司，山東東營257067；2．沈陽新松機(jī)器人自動化股份有限公司，沈陽110000；3．中石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營257095）①

針對油田修井作業(yè)過程中勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、工作風(fēng)險(xiǎn)大等現(xiàn)狀，研制了油田修井作業(yè)自動化裝備。該裝備由管桿輸送裝置、自動吊卡裝置、井口多功能卡座裝置、大鉤導(dǎo)向裝置、液壓及自動化控制系統(tǒng)組成，解決了修井作業(yè)中管柱的自動抓取與排放、自動定位與對中、自動上卸扣以及廢液防噴濺與回收等技術(shù)難題。在勝利油田4口井的試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝備完全實(shí)現(xiàn)了井口作業(yè)的無人化操作，降低了工人的勞動強(qiáng)度及人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，減少井口周邊環(huán)境污染。

修井作業(yè)機(jī)；自動控制；管子排放裝置

隨著油田修井作業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，修井作業(yè)設(shè)備的安全、可靠、省力、環(huán)保等問題越來越受到人們的重視。國外對修井井口操作機(jī)械化裝置的研究起步較早，從20世紀(jì)50年代就開始推廣應(yīng)用各種機(jī)械化修井裝置［1］。國外機(jī)械化修井機(jī)主要以頂部驅(qū)動的方式為主，油管采用豎排放置，這種設(shè)備主要應(yīng)用于油井大修作業(yè)，適用范圍窄，不能滿足國內(nèi)修井市場的需求。國內(nèi)油田的修井作業(yè)依然普遍采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式，需要人工在井口進(jìn)行倒換搬運(yùn)吊卡、摘掛吊環(huán)、推拉液壓油管鉗、推放小滑車等繁重的工作，存在勞動強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、工作風(fēng)險(xiǎn)大等問題。

勝機(jī)石油裝備有限公司聯(lián)合沈陽新松機(jī)器人公司、勝利東辛采油廠共同研制的修井作業(yè)自動化裝備是一套集機(jī)械、液壓、電氣為一體的修井裝備，該裝備實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)突破，形成了多項(xiàng)自主知識產(chǎn)權(quán)及專利技術(shù)。

1　構(gòu)成與功能

該裝備與現(xiàn)有的作業(yè)井架、通井機(jī)配合作業(yè)，采用機(jī)械化的方式取代人工操作，其設(shè)計(jì)能夠滿足60～89 mm平式及加厚油管的作業(yè)要求，能夠完成油管及井下工具的起下、洗井、沖砂等多項(xiàng)修井作業(yè)。

該套裝備由管桿輸送裝置、自動吊卡裝置、井口多功能卡座裝置、大鉤導(dǎo)向裝置、動力控制系統(tǒng)組成。

1．1 管桿輸送裝置

管桿輸送裝置滿足60～89 mm油管的拉送排放，在下油管時實(shí)現(xiàn)從油管橋上舉升單根油管，并將油管輸送到預(yù)定位置；在起油管時，將起出來的管柱拉回到水平指定位置，然后將其運(yùn)移到油管橋上并排放好。作業(yè)過程中遇到稠油時，稠油易凝固，更不利于管柱的輸送，增加了管柱拉送和排放的難度［2］。該裝置結(jié)合了電氣控制和管子軸向滾動系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)油管的自動舉升和順利下放，代替了傳統(tǒng)作業(yè)中人工拉排油管的工作，如圖1所示。

圖1　管桿輸送裝置結(jié)構(gòu)

1．2 自動吊卡裝置

自動吊卡裝置主要由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、開鎖卡機(jī)構(gòu)、模塊化旋轉(zhuǎn)沖砂裝置及吊環(huán)等組成，如圖2所示。自動吊卡可以實(shí)現(xiàn)對管柱的自動抓取和松開，與井口液動卡盤配合完成傳統(tǒng)修井作業(yè)過程中人工倒換吊卡的工作。模塊化旋轉(zhuǎn)沖砂裝置集成在吊卡內(nèi)部，主要由修井用水龍頭、旋轉(zhuǎn)傳動箱、夾緊背鉗、導(dǎo)向裝置等組成。其功能是實(shí)現(xiàn)井內(nèi)管柱與水龍頭的對接以及完成沖砂過程中的管柱旋轉(zhuǎn)，取代了普通作業(yè)時倒單根的沖砂方式，可有效縮短沖砂作業(yè)時間。

圖2　自動吊卡裝置

1．3 井口多功能卡座裝置

井口多功能裝置主要由液動卡盤機(jī)構(gòu)、井口卡座本體、自動液壓鉗、接箍定位器、污水防濺回收裝置、油管導(dǎo)向?qū)垩b置、吊卡定位器及推管器等組成，如圖3所示。該裝置通過聯(lián)動自動控制技術(shù)，可以完成油管的自動對中和扶正、自動上卸扣等多個自動化任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了井口無人化操作，徹底解決了傳統(tǒng)修井作業(yè)過程中井口依賴人工操作的現(xiàn)狀，降低了工人的勞動強(qiáng)度和人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。通過對污水進(jìn)行有效回收，達(dá)到了改善工人的工作環(huán)境、保護(hù)設(shè)備、降低環(huán)境污染的目的。

圖3　井口多功能裝置

1．4 大鉤導(dǎo)向裝置

大鉤導(dǎo)向主要由導(dǎo)向繩、導(dǎo)向滑車及調(diào)節(jié)支桿組成，如圖4所示。該裝置能夠保證自動吊卡在上提、下放的過程中準(zhǔn)確地落進(jìn)井口平臺的導(dǎo)向柱內(nèi)，降低懸掛載荷以及風(fēng)載對吊卡的影響，增強(qiáng)了修井裝置對環(huán)境的適應(yīng)能力，同時在旋轉(zhuǎn)沖砂過程中承受管柱旋轉(zhuǎn)時的反轉(zhuǎn)矩。

圖4　大鉤導(dǎo)向裝置

1．5 動力及自動控制系統(tǒng)

液壓動力與自控系統(tǒng)集成在同一撬塊上，各通訊電纜與液壓管線采用快插接頭連接，方便現(xiàn)場安裝和拆卸。現(xiàn)場危險(xiǎn)區(qū)域的傳感器都采用本安型傳感器，而放在安全區(qū)的控制柜采用正壓型防爆設(shè)計(jì)，在安全區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行能量交換時，采用安全柵進(jìn)行電氣隔離。設(shè)計(jì)了手動和自動2種操作模式，整個控制流程各動作之間采用聯(lián)鎖與互鎖的方式，保證動作安全可靠。人機(jī)接口部分采用觸摸屏技術(shù)并配合視頻監(jiān)控技術(shù)，操作簡單可靠，自動化程度高。操作面板如圖5所示。

圖5　室內(nèi)操作面板

2　現(xiàn)場工作狀態(tài)

修井作業(yè)自動化裝備運(yùn)行可分為手動操作和自動操作2種模式。在手動操作模式下，各個單元動作相對獨(dú)立，操作人員可點(diǎn)擊觸摸屏上的觸控按扭進(jìn)行設(shè)備調(diào)試及特殊動作的操作。在自動操作流程中，整個起下管柱作業(yè)過程只需要2名操作人員參與，通井機(jī)室內(nèi)操作人員通過控制游車大鉤的起落，并在一些關(guān)鍵的控制節(jié)點(diǎn)上，點(diǎn)擊觸控屏上的狀態(tài)“確認(rèn)”按扭，就可順利完成管柱的起下、沖砂等工藝流程?，F(xiàn)場工作狀態(tài)如圖6所示。

圖6　自動化修井裝置現(xiàn)場工作狀態(tài)示意

3　技術(shù)參數(shù)

適用油管尺寸

60、73、89 mm平式及加厚油管

額定載荷400 k N

最大載荷675 k N

液壓系統(tǒng)壓力14 MPa

單根起下管時間25～28根／min

適應(yīng)環(huán)境溫度－20～40℃

裝機(jī)功率37 k W

裝備最小通徑184 mm

4　關(guān)鍵技術(shù)

4．1 自動吊卡和液動卡盤技術(shù)

設(shè)計(jì)的自動吊卡能夠?qū)崿F(xiàn)對管柱的自動抓取，內(nèi)部設(shè)有接箍檢測器，確保自動吊卡百分之百成功抓取油管。設(shè)計(jì)了液動卡盤，對井內(nèi)管柱進(jìn)行懸掛，卡盤結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)重力自鎖。自動吊卡與液動卡盤組合取代傳統(tǒng)月牙吊卡，解決了人工倒換吊卡的問題。

4．2 管柱的自動扶正和對中技術(shù)

設(shè)計(jì)了微電磁吸附扶正裝置以及雙級自動對中裝置，在進(jìn)行管柱的對接時，對中扶正裝置保證在大鉤上懸掛的管柱與井口卡盤上懸掛的接箍精確對中，保證大鉤上懸掛的管柱與井口管柱在上卸扣時處于同軸狀態(tài)，確保上卸扣的順利進(jìn)行，并保護(hù)管柱螺紋。

4．3 管柱自動上卸扣技術(shù)

設(shè)計(jì)了自動液壓鉗，可實(shí)現(xiàn)油管的自動上卸扣，并依據(jù)上卸扣狀態(tài)自動切換高低擋位，自動控制上扣的扭矩和圈數(shù)，確保管柱螺紋連接質(zhì)量。

4．4 油管自動拉送和排放技術(shù)

設(shè)計(jì)了管桿輸送裝置，系統(tǒng)聯(lián)動控制。在下油管時實(shí)現(xiàn)從油管橋上舉升單根油管，并將油管輸送到預(yù)定位置；在起油管時，將起出來的管柱拉回到水平指定位置，然后將其運(yùn)移到油管橋上并排放好。

4．5 自動控制技術(shù)

應(yīng)用了工業(yè)自動化控制技術(shù)，采用PLC作為核心控制器，通過工業(yè)總線的方式將現(xiàn)場的傳感器、處理器、操作觸摸屏結(jié)合起來形成本裝備的控制系統(tǒng)，操作者只需在駕駛室里就能了解設(shè)備運(yùn)行情況，通過點(diǎn)擊觸摸屏上的觸控按扭即可實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)。

4．6 防噴濺及回收技術(shù)

在進(jìn)行修井作業(yè)時，作業(yè)環(huán)境十分惡劣，管柱中流出來的油污、泥砂不僅會損害設(shè)備本身，同時也對井口周圍的環(huán)境造成污染。本裝備設(shè)計(jì)了防噴濺及回收裝置，對油水進(jìn)行有效回收，達(dá)到了保護(hù)設(shè)備及環(huán)境的目的。

5　現(xiàn)場試驗(yàn)

在勝利油田東辛采油廠營472、萊133斜22、營72XN52、營12126井進(jìn)行了現(xiàn)場修井作業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)的最大載荷330 k N，作業(yè)最大井深3 016 m，先后完成了檢管檢泵、洗井、沖砂、注水泥等修井工藝。通過現(xiàn)場作業(yè)試驗(yàn)表明：該自動化修井作業(yè)裝備完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整個作業(yè)過程實(shí)現(xiàn)了井口無人化操作，整套裝備性能可靠、運(yùn)行平穩(wěn)，能夠進(jìn)行惡劣氣候下的修井作業(yè)。

6　結(jié)論

1） 油田修井作業(yè)自動化裝備實(shí)現(xiàn)了油管的自動輸送與排放、自動上卸扣等功能，省去了人工摘掛吊環(huán)、搬運(yùn)吊卡、推拉液壓鉗、拉排油管等繁重的工作，可使勞動強(qiáng)度降低80%以上，使用本裝備進(jìn)行修井作業(yè)，可以減少操作人員40%。

2） 本裝備利用現(xiàn)代遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井口操作無人化，操作者只需在通井機(jī)駕駛室內(nèi)即可完成管柱起下、洗井沖砂等作業(yè)，工傷事故降低95%以上，降低了人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。

3） 使用本裝備可改善現(xiàn)場工人的工作環(huán)境，使整個修井過程變得更加地清潔、安全、省力。在修井過程中對油水的噴灑進(jìn)行有效地收集和密閉回收，從而達(dá)到保護(hù)井口周邊環(huán)境的目的。

4） 通過現(xiàn)場試驗(yàn)及對比分析表明，該裝備的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整機(jī)性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的市場前景。

［1］ 常玉連，肖易萍，高勝，等．修井井口機(jī)械化自動化裝置的研究進(jìn)展［J］．石油礦場機(jī)械，2008，37（5）：62－67．

［2］ 綦耀光，何金平，謝莫華．影響油田小修作業(yè)效率的原因分析［J］．石油礦場機(jī)械，2006，35（4）：8486．

［3］ 常玉連，姜開勛，樊巖松，等．鉆修井作業(yè)中管柱處理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展［J］．石油機(jī)械，2012，40（1）：87－90．

［4］ 高勝，劉麗雪，張飄石，等．修井作業(yè)管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．石油礦場機(jī)械，2013，42（8）：87－90．

［5］ 楊玉生．單吊卡起下油管作業(yè)工藝探討［J］．石油礦場機(jī)械，2008，37（1）：90－91．

The Research and Field Test for Oilfield Workover Automation Equipment

ZHANG Xiqing1，SHEN Junfang1，MU Zhongliang2，SUNMaosheng3，
WANG Haiqiang3，YU Jidi1，F(xiàn)U Jiye2
（1．Shengji Petroleum Equipment Co．，Ltd．，Dongying 257067，China；2．SIASUN Robot and Automation Co．，Ltd．，Shenyang 110000，China；3．Dongxin Oil Production Plant．Shengli Oilfiled，Dongying 257095，China）

For the situation of labor－intensive，poor working environment and large work risk during workover operation，the oil workover has been successfully developed．The oil workover automation consists of tube rod conveying device，automatic elevator device，wellhead multifunctiondevice，hook guide device，hydraulic and automation control systems．In the development process of equipment，the technical problem of automatically grab and emission column，automatic alignment and positioning，automatic screw or discharge screw and waste preventer were solved．The test results of Shengli Oilfield’s four wells show that this automation equipment is fully achieved work unmanned wellhead and to reduce labor intensity and the risk of personal injury and environmental pollution surrounding the wellhead purpose．

workover rig；automatic control；pipe racking device

TE935

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．09．016

1001－3482（2015）09－0064－04