常規(guī)小修修井機(jī)的自動(dòng)化改造與配套

鄧世彪　王群章　宋華遠(yuǎn)　楊吉?jiǎng)佟⑷A雄

摘 要：目前油水井小修作業(yè)起下管柱主要依靠人工操作，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)效率低、安全風(fēng)險(xiǎn)高等問題。通過對(duì)現(xiàn)有常規(guī)小修修井機(jī)開展自動(dòng)化配套改造，完成修井作業(yè)時(shí)油管上下橋與上卸扣的自動(dòng)化操作，實(shí)現(xiàn)井口無人化作業(yè)，改善小修作業(yè)條件，削減安全風(fēng)險(xiǎn)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)小修作業(yè)安全、輕便、高效施工，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：小修;修井機(jī);自動(dòng)化;配套;改造

油水井小修作業(yè)主要是利用小修作業(yè)設(shè)備從事油水井的檢泵、換封、沖砂、打撈、措施增產(chǎn)、封堵封串、水井換封、油水井測(cè)試、調(diào)配、新投等，分為維護(hù)、措施和新投作業(yè)施工，特點(diǎn)是作業(yè)周期短、轉(zhuǎn)場(chǎng)頻繁。是保證油水井正常高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要措施。

常規(guī)小修修井機(jī)自動(dòng)化程度普遍較低，小修作業(yè)每班最少需4人，即：司鉆1人、井口工2人、地面工1人，作業(yè)時(shí)依靠工人操作，作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高，作業(yè)環(huán)境惡劣。隨著我國(guó)大多數(shù)的油田都已經(jīng)進(jìn)入中、后期開采階段，各類油水井維護(hù)和措施逐步增多，油田小修作業(yè)工作量的日益增加，人員老齡化日趨嚴(yán)重，施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)日益加大，因此，對(duì)常規(guī)修井機(jī)技術(shù)提升和自動(dòng)化改造配套越來越成為業(yè)界人士的共識(shí)。

河南油田在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，本著安全、高效、簡(jiǎn)單、實(shí)用的原則，對(duì)現(xiàn)有的1臺(tái)XJ250型修井機(jī)開展自動(dòng)化升級(jí)改造與配套，實(shí)現(xiàn)小修作業(yè)起下油管的井口無人操作作業(yè)，從而達(dá)到削減作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)、減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提升作業(yè)時(shí)效的目的。

1 自動(dòng)化改造與配套的原則

①不額外增加液壓動(dòng)力源;②滿足原修井機(jī)低井架作業(yè)空間;③集成于主機(jī)，周期短，設(shè)備安裝搬家方便;④自動(dòng)化與常規(guī)作業(yè)可相互切換，保持原機(jī)常規(guī)作業(yè)性能;⑤設(shè)備安全、可靠、簡(jiǎn)捷、實(shí)用;⑥自動(dòng)化作業(yè)起下油管桿速度達(dá)到25-30根/h。

2 自動(dòng)化改造與配套的總體方案

利用現(xiàn)有的常規(guī)XJ250修井機(jī)開展自動(dòng)化改造與配套，主要包括井口處理系統(tǒng)、地面輸送系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)三部分組成。

3 自動(dòng)化改造與配套

3.1 井口處理自動(dòng)化系統(tǒng)的改造與配套

主要是在現(xiàn)有的液壓鉗、吊卡、卡瓦等設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過研制開發(fā)配套自動(dòng)液壓鉗、扶正機(jī)械手、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、氣動(dòng)卡瓦等裝置，具備油管桿的自動(dòng)抱緊與釋放、自動(dòng)扶正、自動(dòng)上卸扣等功能，實(shí)現(xiàn)了井口的無人作業(yè)。

3.1.1 自動(dòng)液壓鉗

主要功能：用于實(shí)現(xiàn)油管桿的上卸扣作業(yè)，將管柱由單根連接為多根或由多根拆卸為單根。通過液壓控制來實(shí)現(xiàn)鉗體的前后、上下移動(dòng)，以及液壓鉗的正反轉(zhuǎn)與高低轉(zhuǎn)速切換，通過更換鉗牙可適應(yīng)不同規(guī)格的油管桿作業(yè)，并配套有自動(dòng)防噴桶，可滿足清潔生產(chǎn)的要求（見表1）。

3.1.2 扶正機(jī)械手

主要功能：用于實(shí)現(xiàn)管柱的精確對(duì)中及將管柱平穩(wěn)推送至動(dòng)力貓道上。通過控制系統(tǒng)對(duì)液壓缸的精確控制，確保機(jī)械手在井口、動(dòng)力貓道位置的定位，實(shí)現(xiàn)油管在井口附近的無人化傳遞（見表2）。

3.1.3 液壓翻轉(zhuǎn)吊卡

主要功能：用于管柱的提升與下放作業(yè)，卡是一種側(cè)開式、主體可翻轉(zhuǎn)、補(bǔ)芯可更換的全自動(dòng)翻轉(zhuǎn)吊卡，采用電氣與液壓控制，吊卡本體可實(shí)現(xiàn)0-90°范圍內(nèi)的自由旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同油管角度吊卡的扣合。同時(shí)采用機(jī)械、液壓自鎖和電液互鎖等多種安全措施，可滿足自動(dòng)化作業(yè)、遠(yuǎn)程操控的安全要求（見表3）。

3.1.4 氣動(dòng)卡瓦

主要功能：用于實(shí)現(xiàn)管柱在井口的自動(dòng)卡持。通過法蘭連接在卡瓦座上，通過支撐板支撐卡瓦本體，氣缸活塞桿及導(dǎo)向桿與支撐盤固定連接，通過氣體控制按鈕控制氣缸的伸縮從而達(dá)到控制卡瓦體沿卡瓦座錐面運(yùn)動(dòng)，下行為抱管，上行為松開。達(dá)到油管抱緊與釋放的目的，氣動(dòng)卡瓦與大鉤、液壓鉗工作時(shí)連鎖，保證施工安全（見表4）。

3.2 地面輸送自動(dòng)化系統(tǒng)的改造與配套

傳統(tǒng)的修井作業(yè)井場(chǎng)設(shè)置有管橋架作為放置油管桿的支架，油管桿的運(yùn)移及上下管橋依靠人工操作，工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。通過液壓自動(dòng)貓道等裝置，解決油管桿移運(yùn)、上下管橋的問題，實(shí)現(xiàn)油管桿自動(dòng)上下橋等作業(yè)。

主要功能：實(shí)現(xiàn)油管桿的自動(dòng)上料、自動(dòng)輸送及油管桿的回接、下料等作業(yè)工序。其中自動(dòng)上下料工序通過自動(dòng)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械抓手與液壓頂升缸實(shí)現(xiàn)，通過隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的油管小滑車實(shí)現(xiàn)油管桿的前后自動(dòng)傳輸，油管桿的送料主要通過抬升機(jī)構(gòu)的起升進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)與井口自動(dòng)化裝置的銜接與配合;配有遠(yuǎn)程操控遙控器，可實(shí)現(xiàn)100m內(nèi)的遙控操作，同時(shí)通過集成相關(guān)傳感器，可實(shí)現(xiàn)油管自動(dòng)測(cè)長(zhǎng)，且具備自動(dòng)計(jì)數(shù)、修改參數(shù)、打印報(bào)表等功能（見表5）。

3.3 集成自動(dòng)化控制系統(tǒng)的改造與配套

為了實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)的一體化自動(dòng)操控，在原主機(jī)液氣電控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)司鉆臺(tái)進(jìn)行改造。利用主機(jī)集成的優(yōu)勢(shì)，將自動(dòng)液壓鉗、扶正機(jī)械手集成于主機(jī)，液壓自動(dòng)貓道與主機(jī)聯(lián)動(dòng)，操作系統(tǒng)采用圖形化界面、流程化操作，具有一鍵操作、自動(dòng)定位等功能，自動(dòng)化程度高，安全可靠。

集成控制系統(tǒng)主要由司鉆操作臺(tái)、管桿控制箱與貓道控制箱組成，采用Profinet總線將3個(gè)1200PLC和HMI聯(lián)接起來實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。其同時(shí)具備綜合監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)報(bào)警與安全防護(hù)等功能，有效確保了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

結(jié)構(gòu)組成：集成司鉆箱主要有主滾筒控制閥、自動(dòng)液壓鉗控制組合閥組、氣動(dòng)卡瓦控制閥、扶正機(jī)械手控制閥、自動(dòng)翻轉(zhuǎn)吊卡控制閥組等控制裝置組成，并在上部安裝有綜合監(jiān)控屏、電子指重表、發(fā)動(dòng)機(jī)溫度表和系統(tǒng)氣壓表等，便于對(duì)整套裝置進(jìn)行監(jiān)控、設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

主要功能：根據(jù)液氣壓傳動(dòng)原理、電氣控制原理、電磁感應(yīng)原理及人體結(jié)構(gòu)學(xué)原理，司鉆操控集成化的司鉆控制箱，可實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程的自動(dòng)化操控。

操作主滾筒控制閥可實(shí)現(xiàn)提升系統(tǒng)的提升、下放、緊急剎車的工作與釋放，防碰裝置的工作與復(fù)位等。

操作自動(dòng)翻轉(zhuǎn)吊卡控制旋鈕，通過電磁閥動(dòng)作帶動(dòng)相應(yīng)液壓閥桿的運(yùn)動(dòng)，閥件工作使翻轉(zhuǎn)液缸伸縮，帶動(dòng)拉桿及拐臂，可實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)吊卡的翻轉(zhuǎn)，司鉆操作吊卡活門控制旋鈕，通過電磁閥動(dòng)作帶動(dòng)相應(yīng)液壓閥桿的運(yùn)動(dòng)，閥件工作使活門液缸伸縮，帶動(dòng)活門轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)吊卡活門的打開與關(guān)閉，由順序閥工作，帶動(dòng)安全門液缸伸縮，可實(shí)現(xiàn)安全門的關(guān)閉與打開，確保活門在承載情況下不被打開，實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全。

操作氣動(dòng)卡盤旋鈕通過氣壓傳動(dòng)，帶動(dòng)氣缸連桿聯(lián)動(dòng)卡瓦抱緊裝置的舉升和降落，可實(shí)現(xiàn)鉆桿釋放、利用鉆桿自重實(shí)現(xiàn)抱緊功能。

操作自動(dòng)液壓鉗控制手柄，通過電磁閥動(dòng)作帶動(dòng)相應(yīng)液壓閥桿的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)液壓鉗伸縮和高低調(diào)整。

操作扶正機(jī)械手控制踏板，通過電磁閥動(dòng)作帶動(dòng)相應(yīng)液壓閥桿的運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)扶正機(jī)械手伸縮缸伸縮。配合監(jiān)控參數(shù)設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)一鍵到位功能。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

4.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

河南油田于2019年7月完成1臺(tái)XJ250修井機(jī)的自動(dòng)化改造與配套，通過對(duì)該機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)使用，不斷整改和完善其配套裝置、操控性能、安全性能、作業(yè)效率及人機(jī)操控適應(yīng)性等性能，截止2020年7月，已連續(xù)施工3個(gè)月，累計(jì)完成油水井作業(yè)22井次，整機(jī)性能穩(wěn)定，運(yùn)行安全可靠（見表6）。

4.2 應(yīng)用效果

①實(shí)現(xiàn)井口無人化操作，大大降低作業(yè)人員的安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度;②起下管柱速度達(dá)30-45根/h，滿足作業(yè)工藝技術(shù)和井控安全要求;③班組直接作業(yè)人員由4人減少至2人。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

①通過對(duì)現(xiàn)有修井機(jī)實(shí)施改造與配套，實(shí)現(xiàn)了油管桿的自動(dòng)起下和傳送等工序，通過液壓及電、氣系統(tǒng)控制，集中設(shè)置控制平臺(tái)來達(dá)到了平臺(tái)管理，自動(dòng)化操作的目的;②自動(dòng)化改造配套后的修井機(jī)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，可滿足常規(guī)油水作業(yè)工藝、安全操控及井控安全要求，同時(shí)可減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率，具備較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益;③該套自動(dòng)化裝置具有投資少，見效快的特點(diǎn)，在不影響其他功能的情況下，可充分利用現(xiàn)有常規(guī)小修修井機(jī)開展自動(dòng)化升級(jí)改造與配套，提升修井裝備進(jìn)行技術(shù)性能。

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作者簡(jiǎn)介：

鄧世彪（1967- ），男，高級(jí)工程師，從事采油機(jī)械技術(shù)研究與應(yīng)用工作。