自動化修井機現狀及發展趨勢分析

李 龍

（大慶油田有限責任公司井下作業分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

現今，我國的油田修井作業主要是小修作業，此項作業在所有作業的占比高達85%。進行小修井作業方面，涉及最多的操作為起、下鉆操作。對于傳統修井機作業而言，需要4 名工作人員配合、輪流交換開展，從事此項工作的人員需要具備較高的技術水平，同時處于惡劣的工作環境內，工作人員除了要面對高強度勞動，還要應對高危險，所以，油田修井機的自動化以及機械化，被視為當前與今后一段時期內修井機領域研發的核心內容。在油田修井機自動化與機械化發展方面，我國相較于大多數的國家發展較為滯后，我國現今的修井機絕大多數依然處在人工操作、半自動化水平。歷經多年的積極研究和實踐，一些具備系統集成化、自動化與機械化的設備已開始被作為創新傳統修井機之用，同時逐漸推行于油田現場。

1 國外當前自動化修井機發展狀況分析

在傳統修井作業方面，管柱的起、下、卸操作所用時間在總作業時間中的占比為70%，這些作業都是在人工輔助下完成的，如此導致修井作業效率的大幅下降，所以，國內與國外修井機在自動化發展方面將重點放在了管柱處理系統自動化發展上。在20 世紀中期，Louis Witte 與James Hansenyu 這兩位研究熱源研發出一類半自動化遙控修井機，此類修井機具備簡捷的構造且自重相對減輕，但在作業范圍上較為有限，無法開展大修作業，僅可勝任小修作業。借助此類修井機實施修井作業時，只需要于井口處配制2 名工作人員就能夠完成整個修井任務。在之后的兩年內，通過對此類修井機實施不斷優化改進，使其能夠于兩年后正式推行于油田機修中。美國Oilfield Innovators Limited 公司于1998年成功研發出PAL 管柱自動傳送系統，此系統以四邊形平行移動機構原理為基礎，能夠成功完成管柱處理操作。此系統擁有諸多功能，包括管柱的撥動翻轉以及傳送舉升，同時再結合遠程控制系統的應用，可以實現對管柱的精準化、快速化移運操作。受到管柱處理作業自動化與機械化的實現，鉆修井作業周期得以縮減，相關工作人員的勞動強度也有所下降，同時鉆修井作業的安全性也得以提升。1999年，美國Horizontal Well Drillers公司成功研發并制造出一類通過大型機械臂實施管柱抓取作業的大臂旋轉移送型管柱處理系統。因為此系統未設置滑輪以及吊升設備，當進行移送管柱操作時，一定要于井架一側留出一定高度的開口。但是，縱觀當前國外自動化修井機狀況可以發現，研制的諸如鉆臺面擺管機器人、大修修井機二層臺自動排管設備等，此類自動化修井設備現今尚未實現規模性推行。

2 國內當前自動化修井機狀況分析

在常規修井機方面，我國在設計制造技術逐漸朝完善下發展，然而在自動化、節能環保、信息化以及人性化方面，相較于國外，我國依然停留于起步時期。在自動化修井機的研發和開發上，我國起步較晚，基礎較為薄弱，同時用于修井的設備更新速度較低，如此對我國現今油田修井機性能提升造成極大制約，同時也阻礙了我國石油開采進度。近幾年內，我國在修井用地面管柱處理技術方面取得了較大成果，已經實現了小規模推行。在二層臺管柱處理技術方面，成功研究并開始應用于實踐中，再加上配套的自動化修井工具的應用，表明我國自動化油田修井機現已邁入現代化修井作業的時期。具體發展現狀包括如下4 個方面。

2.1 修井機部件自動化發展現狀

近幾年，在修井機部件自動化研發與制造方面，我國部分廠家已實現了快速發展，集中顯示于管柱處理的自動化方面。當前致力于研發推廣二層臺自動排管設備的幾大廠家包括中石化四機石油機械有限公司、遼河新松機器人自動化股份有限公司、山東杰瑞有限公司以及三一重工有限公司等。在自動貓道生產方面，主要廠家有中石化四機石油機械有限公司、天津市東方先科石油機械有限公司、南陽二機石油裝備有限公司、中原銳實達石油裝備有限公司、中原特種車輛有限公司、三一重工有限公司以及勝利勝動集團等。這些廠家中，在油田修井用輕便型、小型管柱處理系統研究與開發領域，勝利勝動集團始終發揮著主導性作用，它比其他廠家較早開始進行修井作業用動力貓道的開發，并且已生產出系列產品，被廣泛用于我國各油田作業中。包括液壓油管鉗、自動吊卡等在內的其他自動化工具種類極為多樣，技術逐漸成熟，大量生產制造機構在生產方面已具備了相應條件。

2.2 自動化修井機集成控制系統研發生產現狀

保守液壓控制系統實現途徑為繼電器—接觸器，不易維護，且不具備良好可靠性，自動化水平低。近幾年，液壓系統和PLC控制的聯合應用，極大促進了修井機自動化水平的提升，在修井機集成控制方面獲得大量推行。我國大部分自動化修井機升級改造自傳統修井機，在控制系統上，修井機自動化單元和修井機自身是獨立的，兩系統間無法進行信息的傳遞，存在設備間發生碰撞可能性。所以，需要對諸多獨立的控制系統實施集成處理，使得各系統間能夠實現信息共享，進而促進自動修井機可靠性以及安全性的提升。在研發以及實踐推行自動化修井機整機集成控制系統方面，當前國內具備較高技術實力的企業為中石化四機石油機械有限公司、山東杰瑞有限公司以及三一重工有限公司。

2.3 當前自動化修井機動力源選擇狀況

我國現今所應用的修井機中90%者動力源選用的為柴油機，此動力源易導致環境污染，且投入資金較高。所以，研發在動力源方面具備節能性、環保性以及經濟性標準的修井機成為現今關注主流。我國先后研發出動力源為電力的網電修井機、動力源為電機驅動液壓泵的修井機，還有混合動力修井機。其中，早在1992年就提出了動力源為電機驅動液壓泵的修井機，此類修井機具備高效性、節能性、環保性以及安全性。但受到當時制造技術較低的限制，直至2012年首代液壓蓄能修井機樣機方由孚瑞特石油裝備有限責任公司制造出來。同一時期，動力源為電力的修井機由于油田現場天氣與電網容量的不利影響，未實現廣泛應用。鑒于以上諸多原因，在中原特車公司努力下，油—電混合動力修井機應運而生，對比單一動力源類型的修井機，此類修井機擺脫了天氣、井場電網容量的約束，可基于工況進行動力源的隨時切換。

2.4 自動化修井機當前研制推廣狀況分析

2010年，我國首臺自動化修井機在遼河油田興隆臺工程技術處努力下研制成功，此修井機的重大突破體現在控制、人機同步運動這兩個方面，可實現搶噴、甩管、自主上卸扣作業。然而由于在成本、安全性以及技術等方面有所不足，導致其尚沒有廣泛推行。2016年，通過模塊化設計方法，山東勝利石油裝備產業技術研究院成功研制出型號為XJ300/600 DYZ 的全自動智能液壓修井機，此修井機對小噸位修井作業適用。ZXJ-675 是當前我國最具現代化的全自動修井機，其首次應用是2018年在江蘇油田，極大地推動了國內自動化修井機研制發展。2019年，第一臺智能自動化修井機于中石化西北油田投入現場應用。

3 自動化修井機的未來發展趨勢

3.1 對于節能性、環保性以及經濟性的重視程度更高

鑒于我國逐漸重視節能減排，同時國際油價一直不斷波動，如果油田用修井機的驅動方式選擇液壓動力式、純電力式與油電雙驅式，能夠獲得確切的節能效果，同時不會造成明顯污染。

3.2 更加追求機械化、模塊化、智能化以及自動化

對于常規修井機而言，其每個部位均是互相獨立的，無法實現信息共享與流通，在修井機技術日漸提升背景下，集合現代機械設備、數據分析技術、監控儀表，由此構建一個標準系統成為今后的發展方向。機械作業取代人工作業，依托計算機達成各部位信息共享和整合目的，促進修井機智能化操作目標的實現，由此提升作業效能，同時使作業成本減少。此外，通過模塊化設計的應用，能夠提升運移速度，使裝卸操作簡單化。

3.3 逐步實現遠程、無人修井

在人工智能、計算機技術、物聯網技術大幅發展背景下，各個領域均開始大量推行智能化技術。今后油田自動化修井機技術日漸完善后，得益于諸多創新型技術在修井設備上積極推行，包括修井裝備數字化技術、遠程操控技術、在線診斷技術等，未來修井作業會實現井口智能化、無人化作業。

4 結論

進入21 世紀后，世界范圍內的經濟呈高速式發展，對于石油能源的需求逐漸增大，油氣資源儲量卻在逐漸下降，同時作業機構人工成本與減員增效要求逐漸提升，世界范圍內的各大石油企業隨之加大了石油勘探和開采力度，修井作業市場前景良好，全球修井數量以及修井機應用量等均呈上升式發展。現今，各油田在井下作業員工數量方面普遍存在不足問題，減少單臺作業裝置操作人員，除了可使設備使用成本下降，還可使設備的實際開工率得到保障，對于油田井下作業質量也起到積極作用。作為一類新型修井機技術，自動化修井機能夠促進修井工作人員作業安全性提升，還可以減少工作人員的勞動強度。此外，自動化修井機憑借自身可靠性、技術先進性、經濟性以及高效運移性方面的突出表現，在當前倡導清潔生產、安全生產、以人為本的社會背景下，必然會在未來石油開采領域占據核心地位。