自動化智能液壓修井機結構設計

牛文杰白永濤余焱群王曉斌王運安閆成新. 中國石油大學（華東）機電工程學院；. 山東勝利石油裝備產業技術研究院

自動化智能液壓修井機結構設計

牛文杰1白永濤1余焱群1王曉斌1王運安2閆成新1
1. 中國石油大學（華東）機電工程學院；2. 山東勝利石油裝備產業技術研究院

針對目前傳統修井機小修作業存在的作業周期長、作業自動化程度低、人工勞動強度大、作業安全性差等問題，設計了一款新型自動化智能液壓修井機，通過“‘PLC程控/人控’多單元協調自動耦合控制+人機離線操控 ”的控制方式使修井機的各個關鍵系統相互協同作業，實現油田小型修井作業過程的自動化、無人化操作。該修井機改變了傳統修井作業過程中管柱地面臥排的放置方式，采用管柱井口立放、雙立根同時起下的工作模式，同時可以兼容單根起下、地面臥排的傳統作業工藝，與傳統作業相比縮短了近20%～30%的修井周期；采用全液壓驅動方式，增加液壓蓄能系統，通過變載荷變驅動方式的配置達到節能的目的，方便遠程控制，同時提高了修井作業的安全性。

修井作業；修井機；液壓控制；自動化；結構設計

目前，國內大部分油田已進入“高含水、高遞減、高投入”的“三高”開發時期，井下作業已成為油田穩產的重要措施。據統計，在修井作業中，小修作業施工約占整個井筒維護工作量的90%～95%［1］。然而目前國內使用較多的小型修井設備主要是結構簡陋的各種通井機，勞動強度大，生產效率低，自動化程度低［2］，而結構先進、效率較高的輕型修井機只有20%左右，這與修井作業的頻繁程度和作業強度極不協調，亟需一款高效安全的修井設備來改善修井作業的現狀。

針對上述修井作業中存在的問題，國內相關領域技術人員相繼研發了各種機械化井口操作裝置，如氣動卡盤、筒式吊卡、油管舉升器等［3-4］。但因其僅著眼于解決作業流程中某一方面的具體問題，具有很大的局限性，到現在未能形成系統的解決方案。

隨著科技的發展及環境保護意識的增強，國內外的修井設備主要朝著3個方向發展：（1）高性能、長壽命、高可靠性；（2）機械化、自動化和智能化，突出高效節能，降低修井成本；（3）功能多元化、強適應性［5］。2010年，遼河油田研制成功了國內第一臺自動化修井機，但由于該修井機結構復雜、運移性較差、作業成本高，因此未在油田上得到廣泛應用。筆者設計研發了一種定位于頻繁的小修作業的自動化智能液壓修井機，在兼容傳統修井作業工藝的基礎上，創新性地提出并實現了管柱的雙根提升和立式排放，通過減少起下油管過程中上卸扣次數以及改變修井過程中管柱的排放方式提高修井機的工作效率，且通過“‘PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）程控/人控’多單元協調自動耦合控制+人機離線操控”的控制方式使修井機的各個關鍵系統相互協同作業，實現油田小型修井作業過程的自動化、無人化操作。

1 設計定位及基本功能Design principles and basic functions

1.1設計定位

Design principles

該修井機定位于小噸位修井機，以油田小修作業為設計目標，最大作業井深為2 600 m（以?73 mm油管為設計依據）。主要設計技術指標見表1，修井機動力由油井網電驅動修井機上2臺額定功率45 kW的電機提供。

表1　自動化智能修井機技術指標Table 1 Technical specifications of the automatic smart workover rig

1.2基本功能模塊

Basic function modules

根據該修井機的設計定位與設計功能，其結構主要由5大系統組成：管柱自動提放系統、管柱自動運移排放系統、自動化井口系統、載車變幅-支撐系統和電液供-驅-操-控系統。在作業過程中，采用“‘PLC程控/人控’多單元協調自動耦合控制+人機離線操控”技術：PLC中設有小修作業的全套操作程控指令，可實現修井作業的無人化智能控制，亦可以通過控制臺或者離線操作手柄對其修井機的作業進行控制；其中離線操作手柄與PLC采用無線通信方式，在作業過程中可手動參與調控，亦可全程手動操控，使修井機的各個系統相互協同作業，實現小修作業的自動化。其主要控制原理如圖1所示。

圖1　修井機系統操控原理圖Fig.1 Work principles of the workover rig

該修井機采用載荷跟隨驅動技術，根據工作過程中的載荷變化規律，將修井作業提放管柱過程分為4個階段，每個階段采用不同的驅動方案：

（1）高壓階段（重載提升）：采用泵組供油驅動；

（2）中壓階段（中載提升）：采用泵組+蓄能器供油驅動；

（3）低壓階段（輕載提升）：采用泵組+蓄能器+差動回路供油驅動；

（4）蓄能階段（管柱下放）：將管柱的重力勢能轉化液壓能存儲于蓄能器。

通過變載荷變驅動方式可以有效地節省修井機的能耗，降低裝機功率［6-7］，其蓄能原理與現有常規液壓修井機的原理基本一致，此處不再贅述。產品樣機與現有修井機性能對比見表2。

表2　不同修井機性能對比Table 2 Performances of different workover rigs

2 結構設計Structural design

自動化智能液壓修井機的結構如圖2所示，包括載車變幅-支撐系統、管柱自動提放系統、管柱自動運移排放系統、自動化井口系統4部分。

圖2　自動化智能液壓修井機結構Fig.2 Structure of the automatic smart hydraulic workover rig

2.1載車變幅-支撐系統

Truck-load support system with variable amplitudes

載車采用WS5480油田專用底盤，該底盤動力系統選用達到國3排放的電控發動機。車架采用與車上設備一體化設計，集成了車上的各種接口，車身尺寸為14.1 m×3 m×2.88 m，載車的驅動方式采用8×8，增加修井機的越野與越障能力。

修井機的機架安裝于機車后部，可以通過變幅油缸實現機架的起升和整體工作狀態。機架上安裝有管柱自動提放系統和管柱自動運移排放系統，分別負責管柱的起升下放和運移排放工作，自動化井口設備在地面與井口相連，完成管柱的坐放和拆卸扣工作。機架的頂部安裝二層工作臺，配合地面的立根排放盒立式排放雙根的管柱。機架底部設計有井口自動對中的裝置，可以實現前后左右各±10 cm的對中調整。

2.2管柱自動提放系統

Automatic pipe-string tripping system

管柱自動提放系統采用液壓缸驅動，包括鋼絲換向輪、天輪、鋼絲繩、變幅油缸、液壓自動吊卡等部件（見圖3a）。起升管柱時，通過天輪、提升液壓缸與機架上的鋼絲換向輪實現了管柱的3倍增距提升方式，如圖3b，當提升液壓缸上升1 m時，鋼絲繩末端連接的液壓自動吊卡上升3 m，避免了由于提升雙根管柱而導致的液壓缸行程過大的問題。

圖3　管柱自動提放系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of the automatic pipe-string tripping system

提升液壓缸為該系統的關鍵部件，為河南汝陽液壓機械廠生產的ZQ型重型冶金設備液壓缸，型號為ZQ-320/220×7635G。液壓缸活塞桿直徑為220 mm，最大行程為7 635 mm。

圖4為液壓自動吊卡的設計結構。液壓自動吊卡用來抓住管柱并將其從油井中提取出來。吊卡采用了三片式的卡片結構，卡片置于錐形的卡瓦體中，靠自鎖原理將管柱卡緊［9-11］。該吊卡的作用位置是管柱本體，不同于傳統的卡接箍的工作方式，安全性、可靠性較高。

圖4　液壓自動吊卡結構總成Fig.4 Structural assembly of automatic hydraulic elevator

2.3管柱自動運移排放系統

Automatic pipe-string placement and conveying system

該裝置主要完成管柱的運移和排放工作，主要由管柱抓取機械手、導軌、平行四邊形橫梁、液壓缸等部分組成，結構如圖5所示。在修井作業中，該裝置可以實現管柱的自動運移排放，提高修井效率及作業自動化程度。

圖5　管柱自動運移排放系統總成Fig.5 Assembly of automatic pipe-string placement and conveying system

2.4自動化井口系統

Automatic wellhead system

自動化井口設備［11］主要由液壓動力油管鉗、導軌、導軌支撐架、管柱探傷設備、液壓自動卡瓦、接箍檢測設備和單閘板防噴器組成，負責管柱的自動拆卸扣和坐放井下管柱的工作。其結構如圖6所示。

圖6　自動化井口設備總成Fig.6 Automatic wellhead assembly

3 修井作業工序Workover procedures

修井機工作之前需要做一定的準備工作，包括載車固定、機架起升、井口對中等，完成準備工作后開始進行管柱的提放工作。

3.1提升管柱作業工序

Procedures for lifting of pipe string

提升管柱的過程中，先由管柱自動提放系統將管柱從油井中提升2根油管的高度，然后自動化井口系統進行管柱的卸扣工作。卸扣完成后，井下的管柱由自動化井口系統卡坐在井口，提升出井口的2根管柱交給管柱自動運移排放系統完成管柱的自動運移排放工作，最后將雙根管柱立放在指梁上完成一次起升管柱的操作。此過程不斷重復，直至將管柱全部從井中取出。

3.2下放管柱作業工序

Procedures for lowering of pipe string

完成對油井或設備的修復后需要將取出的管柱下放回油井中。此過程先由管柱自動運移排放系統從指梁上取下一組雙根立放的管柱，運移到井口正上方的位置，通過安裝于井架低端的對中機械手使懸吊在游吊系統中的油管對準井口，同時由自動化井口系統進行管柱的上扣操作。接扣結束后，將管柱交給管柱起升系統，將管柱下放至井內，下放的管柱上端再由自動化井口系統卡坐在井口，即完成一次下放管柱的操作。此過程不斷重復，直至將管柱全部下放到油井中，完成一次修井作業。圖7為修井機工作過程中的工序流程。

圖7　自動化智能液壓修井機提放管柱工序流程Fig.7 Work flow of pipe-string tripping operations by using the automatic smart hydraulic workover rig

該修井機的修井作業工序及提取雙根油管的作業模式，不僅減少了修井作業過程中的上卸扣次數，而且通過管柱自動排放裝置代替人工進行排管

作業，減少了人工排管作業時間。該修井機的提升雙立根的作業周期如表3所示，平均每小時能夠提取40～55根單根，與普通修井機作業時間（平均每小時提升30～40根油管）相比較，作業周期縮短了近20%～30%，提高了修井作業效率。

表3　油管起升周期Table 3 Tubing lifting operations

4 結論與建議Conclusions and suggestions

（1）針對現在修井作業中存在的問題，通過載車變幅-支撐系統、管柱自動提放系統、管柱自動運移排放系統、自動化井口系統等在“‘PLC程控/人控’多單元協調自動耦合控制+人機離線操控”的控制技術下，實現了修井作業的自動化、無人化操作。

（2）在兼容傳統單根起下、地面臥排的作業工藝基礎上，采用了管柱井口立放、雙立根同時起下的工作模式，不僅減少了上卸扣的次數，而且采用排管裝置代替人工進行甩管、排管等作業，提高了修井作業效率，縮短了修井作業周期，降低了作業工人的勞動強度。

（3）采用載荷跟隨驅動技術，根據工作過程中的載荷變化規律，采用不同的驅動方案，不僅降低了修井機的裝機功率，而且能夠實現蓄能、節能降耗，降低作業成本。

（4）下一步工作應對試驗樣機進行室內試驗和現場應用，分析試驗結果對結構及控制理論進行優化。

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（修改稿收到日期 2016-01-22）

〔編輯 朱 偉〕

Structural design for automatic smart hydraulic workover rig

NIU Wenjie1， BAI Yongtao1， YU Yanqun1， WANG Xiaobin1， WANG Yun’an2， YAN Chengxin1
1. College of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China；2. Shandong Shengli Petroleum Equipment Industry Technology Research Institute， Dongying， Shandong 257067， China

Conventional minor workover operations involving workover rigs are characterized by prolonged working durations， low degrees of automation， high labor intensities and poor operation safety performances. To solve these problems， an innovative automatic smart hydraulic workover rig was developed. With the control mode by combining “PLC/Manual automatic coupling control multiple components through coordination + man/machine offline operations”， all key systems of the workover rig can work in well-coordinated manner to facilitate automatic and unmanned minor workover operations in oilfields. Instead of horizontal arrangement of pipe-string on the ground in conventional workover operations， the new workover rig works in a mode that pipe-strings are placed vertically near the wellhead and two joints are tripped out simultaneously. Furthermore， the new workover rig may also be used for tripping of one joint in one trip with conventional horizontal placement of pipe string on the ground. Compared with conventional operations， the new workover rig can reduce the operation time by approximately 20%-30%. Fully driven by hydraulic system and with hydraulic accumulator system newly deployed， the new workover rig can save energy through configuration of driving modes with variable loads. In addition tofacilitate remote control， the new workover rig mcan effectively enhance safety performance of workover operations.

workover operation； workover rig； hydraulic control； automation； structural design

NIU Wenjie， BAI Yongtao， YU Yanqun， WANG Xiaobin， WANG Yun’an， YAN Chengxin. Structural design for automatic smart hydraulic workover rig［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 195-200.

TE935

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0195-06

10.13639/j.odpt.2016.02.013

山東省自然科學基金“海上稠油、邊際油田三抽人工舉升方式關鍵技術研究”（編號：ZR2014EL015）。

牛文杰（1967-），2002年畢業于北京航空航天大學，獲博士學位，主要從事石油鉆采機械設計方面的教學與科研工作，教授，碩士生導師。通訊地址：（266580）山東省青島市經濟技術開發區長江西路66號中國石油大學（華東）工科E樓823室。E-mail：niu_wj67@126.com

白永濤（1989-），中國石油大學（華東）機械設計及理論專業在讀碩士研究生，從事采油裝備設計及工藝研究。通訊地址：（266580）山東省青島市經濟技術開發區長江西路66號中國石油大學（華東）工科E樓816室。電話：18669755263。E-mail：baiyt1989@163.com

引用格式：牛文杰，白永濤，余焱群，王曉斌，王運安，閆成新. 自動化智能液壓修井機結構設計［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：195-200.