油田修井作業自動化裝備研制

張喜慶，沈君芳，牟忠良，孫茂盛，王海強，于吉迪，付霽野

（1．勝利油田勝機石油裝備有限公司，山東　東營257067；2．沈陽新松機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3，于吉迪1，付霽野2

（1．勝利油田勝機石油裝備有限公司，山東東營257067；2．沈陽新松機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

針對油田修井作業過程中勞動強度大、工作環境差、工作風險大等現狀，研制了油田修井作業自動化裝備。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、大鉤導向裝置、液壓及自動化控制系統組成，解決了修井作業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難題。在勝利油田4口井的試驗結果表明，該裝備完全實現了井口作業的無人化操作，降低了工人的勞動強度及人身傷害風險，減少井口周邊環境污染。

修井作業機；自動控制；管子排放裝置

隨著油田修井作業技術的不斷發展，修井作業設備的安全、可靠、省力、環保等問題越來越受到人們的重視。國外對修井井口操作機械化裝置的研究起步較早，從20世紀50年代就開始推廣應用各種機械化修井裝置［1］。國外機械化修井機主要以頂部驅動的方式為主，油管采用豎排放置，這種設備主要應用于油井大修作業，適用范圍窄，不能滿足國內修井市場的需求。國內油田的修井作業依然普遍采用傳統的作業方式，需要人工在井口進行倒換搬運吊卡、摘掛吊環、推拉液壓油管鉗、推放小滑車等繁重的工作，存在勞動強度大、工作環境差、工作風險大等問題。

勝機石油裝備有限公司聯合沈陽新松機器人公司、勝利東辛采油廠共同研制的修井作業自動化裝備是一套集機械、液壓、電氣為一體的修井裝備，該裝備實現了多項技術突破，形成了多項自主知識產權及專利技術。

1　構成與功能

該裝備與現有的作業井架、通井機配合作業，采用機械化的方式取代人工操作，其設計能夠滿足60～89 mm平式及加厚油管的作業要求，能夠完成油管及井下工具的起下、洗井、沖砂等多項修井作業。

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、大鉤導向裝置、動力控制系統組成。

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，在下油管時實現從油管橋上舉升單根油管，并將油管輸送到預定位置；在起油管時，將起出來的管柱拉回到水平指定位置，然后將其運移到油管橋上并排放好。作業過程中遇到稠油時，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］。該裝置結合了電氣控制和管子軸向滾動系統，能夠實現油管的自動舉升和順利下放，代替了傳統作業中人工拉排油管的工作，如圖1所示。

圖1　管桿輸送裝置結構

1．2 自動吊卡裝置

自動吊卡裝置主要由翻轉機構、開鎖卡機構、模塊化旋轉沖砂裝置及吊環等組成，如圖2所示。自動吊卡可以實現對管柱的自動抓取和松開，與井口液動卡盤配合完成傳統修井作業過程中人工倒換吊卡的工作。模塊化旋轉沖砂裝置集成在吊卡內部，主要由修井用水龍頭、旋轉傳動箱、夾緊背鉗、導向裝置等組成。其功能是實現井內管柱與水龍頭的對接以及完成沖砂過程中的管柱旋轉，取代了普通作業時倒單根的沖砂方式，可有效縮短沖砂作業時間。

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構、井口卡座本體、自動液壓鉗、接箍定位器、污水防濺回收裝置、油管導向對扣裝置、吊卡定位器及推管器等組成，如圖3所示。該裝置通過聯動自動控制技術，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，實現了井口無人化操作，徹底解決了傳統修井作業過程中井口依賴人工操作的現狀，降低了工人的勞動強度和人身傷害風險。通過對污水進行有效回收，達到了改善工人的工作環境、保護設備、降低環境污染的目的。

圖3　井口多功能裝置

1．4 大鉤導向裝置

大鉤導向主要由導向繩、導向滑車及調節支桿組成，如圖4所示。該裝置能夠保證自動吊卡在上提、下放的過程中準確地落進井口平臺的導向柱內，降低懸掛載荷以及風載對吊卡的影響，增強了修井裝置對環境的適應能力，同時在旋轉沖砂過程中承受管柱旋轉時的反轉矩。

圖4　大鉤導向裝置

1．5 動力及自動控制系統

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

圖5　室內操作面板

2　現場工作狀態

修井作業自動化裝備運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立，操作人員可點擊觸摸屏上的觸控按扭進行設備調試及特殊動作的操作。在自動操作流程中，整個起下管柱作業過程只需要2名操作人員參與，通井機室內操作人員通過控制游車大鉤的起落，并在一些關鍵的控制節點上，點擊觸控屏上的狀態“確認”按扭，就可順利完成管柱的起下、沖砂等工藝流程。現場工作狀態如圖6所示。

圖6　自動化修井裝置現場工作狀態示意

3　技術參數

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

液壓系統壓力14 MPa

單根起下管時間25～28根／min

適應環境溫度－20～40℃

裝機功率37 k W

裝備最小通徑184 mm

4　關鍵技術

4．1 自動吊卡和液動卡盤技術

設計的自動吊卡能夠實現對管柱的自動抓取，內部設有接箍檢測器，確保自動吊卡百分之百成功抓取油管。設計了液動卡盤，對井內管柱進行懸掛，卡盤結構可實現重力自鎖。自動吊卡與液動卡盤組合取代傳統月牙吊卡，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

設計了微電磁吸附扶正裝置以及雙級自動對中裝置，在進行管柱的對接時，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，確保上卸扣的順利進行，并保護管柱螺紋。

4．3 管柱自動上卸扣技術

設計了自動液壓鉗，可實現油管的自動上卸扣，并依據上卸扣狀態自動切換高低擋位，自動控制上扣的扭矩和圈數，確保管柱螺紋連接質量。

4．4 油管自動拉送和排放技術

設計了管桿輸送裝置，系統聯動控制。在下油管時實現從油管橋上舉升單根油管，并將油管輸送到預定位置；在起油管時，將起出來的管柱拉回到水平指定位置，然后將其運移到油管橋上并排放好。

4．5 自動控制技術

應用了工業自動化控制技術，采用PLC作為核心控制器，通過工業總線的方式將現場的傳感器、處理器、操作觸摸屏結合起來形成本裝備的控制系統，操作者只需在駕駛室里就能了解設備運行情況，通過點擊觸摸屏上的觸控按扭即可實現修井作業。

4．6 防噴濺及回收技術

在進行修井作業時，作業環境十分惡劣，管柱中流出來的油污、泥砂不僅會損害設備本身，同時也對井口周圍的環境造成污染。本裝備設計了防噴濺及回收裝置，對油水進行有效回收，達到了保護設備及環境的目的。

5　現場試驗

在勝利油田東辛采油廠營472、萊133斜22、營72XN52、營12126井進行了現場修井作業試驗，試驗的最大載荷330 k N，作業最大井深3 016 m，先后完成了檢管檢泵、洗井、沖砂、注水泥等修井工藝。通過現場作業試驗表明：該自動化修井作業裝備完全達到設計要求，整個作業過程實現了井口無人化操作，整套裝備性能可靠、運行平穩，能夠進行惡劣氣候下的修井作業。

6　結論

1） 油田修井作業自動化裝備實現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、搬運吊卡、推拉液壓鉗、拉排油管等繁重的工作，可使勞動強度降低80%以上，使用本裝備進行修井作業，可以減少操作人員40%。

2） 本裝備利用現代遠程控制與監控技術，實現井口操作無人化，操作者只需在通井機駕駛室內即可完成管柱起下、洗井沖砂等作業，工傷事故降低95%以上，降低了人身傷害風險。

3） 使用本裝備可改善現場工人的工作環境，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行有效地收集和密閉回收，從而達到保護井口周邊環境的目的。

4） 通過現場試驗及對比分析表明，該裝備的各項技術指標均達到設計要求，整機性能可靠，運行穩定，具有較好的市場前景。

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

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

［3］ 常玉連，姜開勛，樊巖松，等．鉆修井作業中管柱處理系統的技術發展［J］．石油機械，2012，40（1）：87－90．

［4］ 高勝，劉麗雪，張飄石，等．修井作業管柱機械化移運裝置設計與應用［J］．石油礦場機械，2013，42（8）：87－90．

［5］ 楊玉生．單吊卡起下油管作業工藝探討［J］．石油礦場機械，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，FU 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