新型自動化修井工藝配套裝置研究*

李緯 孫連會 陳輝

(中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司)

0 引 言

近幾年來，國內石油裝備制造企業及油田對與修井機配套的自動化設備開展了較為廣泛的研究[1-5]，研發了部分自動化裝置，并進行了現場試驗。但由于修井作業工況變化較大、作業周期短、搬遷頻繁、井內管柱和工具種類繁雜，所以配套設備存在現場適用性差、效率低、成本高、故障率高等問題，如一般油井檢泵修井作業只需要3～4 d即可完成，但有的自動化裝備安裝調試就需要1 d，拆除該裝置又需要1 d，大大增加了占井周期和施工成本；有的裝置對井場條件要求高，難以在叢式井或較狹小井場使用；有的配套設備對清潔環保重視不夠，需配地面污染源處理材料、車輛，增加了施工費用；大部分裝置價格較高，推廣難度大。

鑒于此，筆者研制了新型自動化修井工藝配套裝置。該裝置能夠實現作業全過程控污，對管桿上部、下部、井口周圍、滑道下部所產生的污染點進行控消，用自動化操作方式代替人工手動操作方式，安裝簡便，實現了井內管柱定點卡持[6-11]，管柱自動輸送[12-14]，并滿足井控安全要求，實現了井口單人操作[15-18]，提高了作業效率，大幅減輕了工人勞動強度，集成了井下修井作業工藝方法，從本質上改變了傳統井下作業工藝過程，實現了清潔環保高效作業，具有很高的現場推廣應用價值。

1 修井配套裝置總成

1.1 總體結構

新型自動化修井工藝配套裝置、作業工人操作分工及位置分別如圖1和圖2所示。配套裝置包括清潔作業平臺、管桿卡持對中及防污液噴濺裝置、液控旋轉吊臂、吊環擺幅、吊卡翻轉及自動開關裝置、環保管桿舉升輸送裝置等5個主要裝置。從修井機的發動機取力，利用優化升級的液控、氣控和電控操作方式，達到了井口司鉆1人，平臺操作1人，場地取收管柱1人的單人操作目的。

圖1 修井機配套裝置現場布局Fig.1 On-site layout of auxiliary equipment of workover rig

圖2 作業工人操作分工及位置Fig.2 Operational division and location of workers

1.2 工作原理

新型自動化修井工藝配套裝置采用全過程控污技術，可使井內起出油管和抽油桿帶出污液不落地。采用液控、氣控和電控操作方式，可縮短井控搶噴總成安裝時間，實現快速封井。實現井口單人操作，排除單吊環等安全事故隱患，降低安全風險，減輕現場員工修井作業過程中的勞動強度，提高生產效率，實現全過程的清潔環保高效作業。

井口操作以清潔作業平臺為基礎，將起下作業帶出的液體回流至油套環空或輸送至井場液池，實現液體不落地。平臺上部安裝管桿卡持對中及防污液噴濺裝置、液控旋轉吊臂、搶噴總成等機構，井口單人操作即可完成起下管柱及搶噴井控。場地安裝環保管桿舉升輸送裝置，通過無線遙控實現單根管柱的起下和輸送，管柱下部滴落液體全部回收至輸送裝置尾集液箱，可使滑道下部液體不落地。修井機游車大鉤安裝吊環擺幅、吊卡翻轉及自動開關裝置，自動完成吊環和吊卡的所有動作，配合井口操作工人完成起下管柱。

1.3 主要技術參數

(1)清潔作業平臺承載能力≥10 kN；中心連接短節承載能力≥600 kN，且適用油田250型、350型井口四通或SFZ18-21手動閘板防噴器法蘭安裝。

(2)井口4 m2范圍內噴濺污液回收率≥95%，不會出現單根管柱卸扣后產生的液體噴濺污染。

(3)液壓鉗液壓旋轉吊臂承載能力≥3 kN。

(4)井口液體自動回收裝置的管柱內液體回收率≥95%以上，回收能力≥30 L。

(5)管柱定點懸掛及吊環擺幅裝置的管柱卡持能力≥600 kN，吊環擺幅及吊卡翻轉裝置擺幅助力≥1 kN。

(6)環保油管、抽油桿自動輸送裝置具備液體回收功能，油管、抽油桿自動輸送裝置舉升能力≥2 kN，舉升高度≥3.5 m，推送長度≥3 m，滑道下部滴落液體回收率達到98%以上。

2 關鍵技術

2.1 清潔作業平臺

2.1.1 清潔作業平臺結構

清潔作業平臺主要作用是承載井口作業工，具有防污、起下、井控搶噴、液壓鉗吊裝、油管和抽油桿上卸扣、管桿卡持等功能，滿足井口4 m2范圍內的控污要求。液壓操作尺寸為2 200 mm×2 200 mm，井口中心承重區采用浮動設計，可圍繞井口中心半徑300 mm活動；液壓升降機構高度方向活動范圍500～1 700 mm，可拆卸結構可滿足任意井口高度作業要求；臺面上部預留安裝防噴總成放置架，平臺下部預留懸吊井口頂絲及防噴器開關工具，方便關閉頂絲和防噴器，提高搶噴效率；操作平臺配備上下扶梯和逃生滑道，保證操作工人安全。該平臺可在除修井機側的3個方向開展油管桿起升和下放作業，井場適應性強，如圖3所示。

2.1.2 隨車托架

清潔作業平臺除了獨立吊裝，還可通過隨車托架運輸并安裝。隨車托架結構如圖4所示。

隨車托架由固定連接板、懸掛軌道架、游動支撐架、水平軌道架、收起液缸、升降液缸、軸銷、鉸鏈、鏈條、鏈輪和螺栓等組成。

隨車托架水平軌道架上有兩根平移軌道梁,平移軌道梁通過軌道箍套能在水平軌道架上左、右水平移動，可使坐落在平移軌道梁上部的清潔作業平臺左、右平移調整位置，如圖5所示。當水平軌道架向內旋轉收起后，可帶著井口操作平臺固定在修井機的尾部，起到快速收起和方便運輸的作用。

1—定位法蘭體；2—底法蘭盤；3—中心筒體；4—引流管；5—正方框體；6—第1銷座組；7—第1定位銷；8—圍欄；9—第2銷座組； 10—第3銷座組；11—網格踏板； 12—撐柱；13—第4定位銷；14—平臺法蘭盤。

1—固定連接板；2—懸掛軌道架；3—鏈輪；4—鏈條；5—游動支撐架；6、8、10、11—軸銷；7—水平軌道架；9—收起液缸；12—升降液缸；13—螺栓。

圖5 隨車托架控制清潔作業平臺效果圖Fig.5 The diagram of the mounting frame controlling the cleaning work platform

2.2 管桿卡持對中裝置

常規作業時起下每根管柱都需兩個操作工人同時搬抬吊卡，勞動強度非常大，并存在安全風險。為解決此問題，特研制管桿卡持對中裝置，用于夾持油管、抽油桿和對中管柱，消除“單吊環”和油管起下過程中碰掛井口內壁臺階引起重大安全事故的風險。如圖6所示，管桿卡持對中裝置通過底部安裝座與清潔作業平臺上的法蘭盤相連接，由第1工作板、液壓缸、液缸座、扶正塊、扶正塊座、第2工作板、定位裝置、后支座、前支座、三位四通閥、電源開關、液壓管線、電纜和卡盤組成。

1—扶正塊；2—第1工作板；3—扶正塊座；4—液壓缸；5—液缸座；6—第2工作板；7—液壓管線；8—三位四通閥；9—前支座；10—卡盤；11—后支座；12—電源開關；13—電纜；14—定位裝置。

2.3 液壓旋轉吊臂

液壓動力鉗靠液壓系統進行控制和傳遞扭矩，配合背鉗上卸油管螺紋。常規作業需兩個人同時將液壓動力鉗拉向油管柱位置，到位后由1人操作上卸油管螺紋。但液壓動力鉗上下調整、左右擺動和上卸油管螺紋等由1人完成，存在安全問題，工人勞動強度大。

為此，特研制了液壓旋轉吊臂，結構如圖7所示，主要由吊裝鋼絲繩、吊耳連接器、橫梁、尾鉗連接器、尾鉗連接桿、位置補償器、平衡塊、滑動銷、液壓缸、軸承底座和連接鉸鏈組成。

液壓旋轉吊臂通過液壓缸的伸縮來調節液壓動力鉗主、背鉗上下位置，比人工升降省時省力；通過位置補償器來保障液壓動力鉗因自身重力對油管螺紋旋轉時的負作用在1個可控區間內，自動調節，無需人工；由于軸承底座內有球軸承，所以液壓動力鉗左右擺動方便，一人可輕松拉推，減輕了勞動強度；吊臂設有連接鉸鏈，與配套設施的裝拆速度快。

1—第1滑輪擋板組；2—第1滑輪；3—吊裝鋼絲繩；4—吊耳連接器；5—橫梁；6—加強筋；7—尾鉗連接器；8—立柱；9—連接鉸鏈；10—軸承底座；11—液壓缸固定銷；12—液壓缸；13—滑動銷；14—尾鉗連接桿；15—平衡塊；16—滑軌組；17—位置補償器；18—連接鋼絲繩；19—第2滑輪擋板組；20—第2滑輪組；21—吊裝環。

2.4 氣控吊環擺幅、吊卡翻轉及自動開關裝置

在井口無論是二人操作還是一人操作，仍需人力頻繁外拉、回推吊環，勞動強度依然大。為解決這個問題特研制了氣控吊環擺幅裝置，結構如圖8所示。

1—卡鉤基座；2—鉤頭夾板；3—第1緊固件；4—第1頂絲；5—第2頂絲；6—外延支撐架；7—第1銷軸；8—伸縮缸系統；9—第2銷軸；10—吊環主夾板；11—第2緊固件；12—第3頂絲；13—第3緊固件。

氣控吊環擺幅裝置實物如圖9所示。牢固地連接在大鉤上部的卡鉤基座及外延支撐架為伸縮缸系統提供了穩固的定位和支撐，吊環主夾板通過第2緊固件牢固把握吊環，當遠程氣體控制伸縮缸系統活塞伸出時，推動吊環前擺可以代替人工外拉；當伸縮缸系統活塞收縮時，帶動吊環回復原垂直狀態同樣可以代替人工回推，從而實現了吊環在有限距離內的往復運動，減輕了工人勞動強度。

圖9 氣控吊環擺幅裝置實物圖Fig.9 The hanging ring swing device

為代替油管吊卡翻轉和開關人工操作，提高自動化操作程度，特研制了油管吊卡翻轉及自動開關裝置，如圖10所示。翻轉機構安裝在吊環臂上，通過調節機構可以使吊卡在30°～90°范圍內翻轉，以滿足上油管單根的工況需求；吊卡設計氣動開關機構，既提高了自動化操作水平，又解決了處理復雜作業時高空不能開關吊卡的難題，吊卡起下與開關功能互鎖保證了操作安全。

圖10 油管吊卡翻轉及自動開關裝置Fig.10 Tubing elevator turning and automatic switching device

2.5 防污液噴濺裝置

內腔帶液油管在井口卸扣被提起時，管內液體(油水混合物)在自重作用下會飛流直瀉，任其自然下落到清潔作業平臺上會反彈外濺，造成井口周圍污染，工人向外推送油管使管內液體排向污液儲集筒再經清潔作業平臺回流油套環空。但此種辦法存在以下缺點：一是雙手浸泡油水，對操作人員健康造成傷害，冬季傷害尤其大；二是污液四處飛濺，井口污染源只是減少并沒有完全控制。為解決上述問題，研制了液控防污液噴濺裝置，結構如圖11所示。

1—四方平移總成；2—第1軸銷；3—液壓缸；4—第2軸銷；5—第3軸銷；6—組合臂；7—第4軸銷；8—控流筒；9—電控開關；10—電液換向閥。

防污液噴濺裝置在井口以外操作電控開關即可完成帶液油管在井口卸扣被提起時所產生液態污染源的控制和排放，減輕了工人勞動強度，提高了施工速度，避免了液態污染源對人體健康的損害；一個液壓缸的伸出就實現了控流筒所需的前進、合圍、封閉3項關鍵功能，制作簡單，節約材料成本；四方平移總成下部一端有并列第1外聯銷和第2外聯銷，可在井口相應鏈接點上隨時快速拆裝。

2.6 環保管桿舉升輸送裝置

為達到綠色環保要求，特別設計了具有液體回收功能的環保管桿舉升輸送裝置。輸送裝置下部采用封閉設計，在后部設計集液盒，保證滑道下部液體不落地。該裝置操作工人只需遙控即可完成所有動作，實現油管和抽油桿的自動舉升輸送，無需人工搬抬油管和抽油桿，大大減輕了工人的勞動強度。如圖12所示，管桿舉升輸送裝置設計利用修井機提供液壓動力源和24 V電源，遠程遙控器控制PLC發出電信號，轉化為液壓電磁閥通斷完成各項動作。控制方式可以選用控制柜手動操作或無線遙控器控制。上管由鉤管裝置完成，下管由V槽翻轉裝置控制，輸送由V槽下部3 500 mm長的液壓缸來完成，舉升由V槽中部3 000 mm升降液壓缸來完成。滑道下部安裝集液槽，將油管下落過程中滴下的污液收集到整機尾部，污液不落地進行環保處理。

1—底座總成；2—電液系統；3—頂管液缸；4—滑道支架；5—變幅液缸；6—底座橫梁；7—挑鉤；8—挑管液缸；9—隨動座滑道；10—V槽；11—平衡裝置；12—伸縮液缸；13—支腿機構；14—集液槽。

3 現場應用情況

新型自動化修井工藝配套裝置在華北油田進行現場試驗后投入正常井作業施工，并完成了3種類型修井機的配套定型。2020年1月18日，新型自動化修井工藝配套裝置在華北油田岔河集油田71-74井實施射孔作業，包括檢泵、通井和傳輸射孔等工序。該裝置整體拆裝時間2 h，安裝簡單，易于操作；井口及場地作業范圍內基本未出現液體落地現象，噴濺污液回收率達到97%，未出現單根管柱卸扣后產生的液體噴濺污染；每小時平均起下單根50～60 根；起下抽油桿500根，油管1 300根，裝置整體運行平穩，操作靈活方便，部件動作配合到位，完全滿足現場井下作業需要，獲得了現場操作人員的認可和好評。

目前采用該配套裝置已經陸續施工113口作業井，整套裝置性能穩定可靠，故障率低，減輕了工人勞動強度，提高了效率，降低了環保和安全風險。該套裝置也減少了清蠟、材料、油管回收、場地清理、固廢處理及地面管線通掃等作業費用。

4 結 論

(1)新型自動化修井工藝配套裝置消除了修井作業過程中的液體污染，實現了液體定向排放和不落地處理，滿足國家環保要求，實現了油田綠色作業。

(2)該修井配套裝置可實現修井作業一人多崗，單人即可完成井口操作，作業自動化程度高，各裝置性能穩定可靠，顯著減輕了工人的勞動強度，提高了工作效率，降低了操作安全風險，節約了施工作業成本。

(3)該裝置既可單獨運輸，又可與多種修井機配套安裝，安裝過程簡單方便。現場試驗結果表明，該裝置可有效解決井下作業中工況變化大以及配套現場適用性差等難題，適合于在油田井下作業推廣應用。

(4)該裝置從根本上改變了傳統修井作業工藝，符合國家建設綠色礦山理念,開創了綠色環保作業工作新方向，在修井作業行業具有很好的示范作用和較高的推廣價值。