小修自動化作業設備現狀及發展

張 敬，聶永晉，徐連會，曲博林

（渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

修井作業具有工作環境差、勞動強度大、流動性大、安全隱患多等特點，對井隊操作人員的身體和精神都是很大的考驗。我國目前主流修井作業仍然停留在人工操作階段，以雙吊卡起下、4 人協同、輪流交換的作業方式為主。據統計，我國油氣田修井作業中85%為小修作業，主要由管柱或抽油桿的抓取和擺放、起升和下放、上扣和卸扣等動作組成，其中管柱或抽油桿的起、下和上、卸扣等重復性動作均需要人工輔助完成。

近年來，國家科技部和工信部相繼出臺了關于智能制造、發展工業機器人等課題的專項規劃，提倡在重復勞動特征明顯、勞動強度大、有一定危險性的行業領域全面推進實施“機器換人”，以加快產業轉型升級，為修井作業實現自動化發展提供了政策引領。

1 我國小修自動化作業設備現狀

我國修井機自1980 年引進美國IRI 公司技術，通過40 多年的發展創新，形成了完整的修井機生產制造和配套能力，但是修井機自動化作業設備發展相對滯后，并遠遠落后于鉆井作業設備的自動化程度。進入21 世紀以后，隨著社會經濟的發展和進步，油田對HSE 工作的高度重視，以及“人員短缺”問題日益凸顯，通過井口操作自動化，提高作業安全性，實現修井作業“省時、省力、省工”的要求成為必然趨勢。

從小修井作業起管工藝流程來看，主要由游鉤拖動油管上升、吊卡拖住油管接箍、液壓鉗沖扣卸扣、油管排放等重復性動作組成，要實現小修自動化作業模式，就必須對修井配套工具及修井工藝進行適當的改進，以上卸扣系統、懸吊系統、送管機構等裝置為著力點，開展技術創新來實現修井作業自動化。

2000 年以后，國內許多企業著手開展井口機械化、自動化裝置和工具的研發工作，經過10 多年探索及應用，部分機械化、半自動化、自動化等配套工具已經應用于常規修井作業，主要設備配置方案包括井口機器人、一體化平臺、翻轉液壓吊卡、氣動卡盤、動力貓道、動力排管架等（圖1）。通過實現自動起下鉆、推起單根、自動上卸扣等重復性動作，將修井作業的流程程序化，并在部分油氣田現場開展應用，有效解決了操作工重復性勞動、作業安全性等問題。

圖1 小修自動化作業設備配置方案

比較有代表性的企業有勝利油田勝動機械廠、三一石油智能裝備有限公司、沈陽新松機器人有限公司等。其中：勝利油田勝動機械廠開發的修井自動化貓道，結構緊湊，重量輕，采用遠程無線控制技術，實現油管自動舉升、下放、排管等功能，減輕了場地工的勞動強度，已在多個油田完成現場應用；2013 年，沈陽新松機器人有限公司研制了一臺自動化修井機，利用自動修井裝置和機器人多動作協調控制技術，實現了井口無人化作業模式、人機同步控制等關鍵技術；2015 年，三一石油智能裝備有限公司推出了修井自動化裝置，小修井口自動化系統配套了自動吊卡、自動卡瓦、自動液壓鉗等自動化井口工具，修井自動化貓道、井口機械手、操作控制系統等，形成了完整的系統配套，在大慶油田完成12 井次小修作業現場試驗。部分廠家自動修井裝置功能對比見表1。

表1 部分廠家自動修井裝置功能對比

2 解決問題及技術難點分析

此類型設備目前已經在大慶油田、中原油田、長慶油田、吉林油田、勝利油田等開展試點性應用，雖然在一定程度上降低了勞動強度，但是也存在一些問題。

通過各種自動化設備的高效配合，修井作業自動化程度得到較大提升；修井作業由原4～5 人配合施工，縮減為1～2 人配合施工，初步實現了減員增效；設備配合完成了起下油管、上卸扣等重復性動作，降低了工人勞動強度；基本實現了井口無人化作業模式，提升了修井作業安全性。

現場的試驗情況也反映出一些問題，存在一些主要技術難點，如自動化設備未與修井機進行一體化集成設計，動力分散，搬安工作量、能耗大，集中控制能力差；動力系統和控制單元多采用電液控制，運行速度慢，故障率高，現場維護困難；總體作業效率低，自動化設備出現故障后停休時間長；自動化設備兼容性差、配套性能差，未能達到“省時、省力、省工”的目的，還不能有效滿足自動化修井作業的需求。

3 小修作業自動化設備的發展趨勢

小修作業自動化設備發展將邁向人工智能領域，結合工業機器人技術、人工智能技術、物聯網技術等，通過整機集成化設計，大幅提高作業系統的控制精度、可靠性及作業效率，突破小修自動化作業技術瓶頸。

同時，要更注重經濟性、環保性和節能性，利用清潔能源如電能、氫能等取代化石能源，持續攻關清潔作業技術及配套設備，全面實現清潔作業。

完全實現遠程監控、遠程信息傳輸、無人化修井作業施工模式，通過實現修井裝備數字化技術、在線診斷技術、遠程監控技術等新技術在修井裝備上的應用，修井作業將實現井口無人化操作、智能化作業模式。