油田修井作業(yè)自動(dòng)化裝備探究

左遠(yuǎn)濤

（大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著我國(guó)油田修井作業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)修井作業(yè)設(shè)備的安全性、環(huán)保性以及可靠性等問題也逐漸加大了重視程度。現(xiàn)如今，我國(guó)對(duì)油田修井井口的操作機(jī)械化裝置加大了研究力度，而國(guó)外也早在20世紀(jì)50年代便開始對(duì)各種機(jī)械化修井裝置進(jìn)行了推廣和應(yīng)用。針對(duì)國(guó)外機(jī)械化修井機(jī)進(jìn)行分析，其主要采用頂部驅(qū)動(dòng)方式，油管主要按照豎排放置，此設(shè)備主要在油井大修作業(yè)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，由于其適用范圍相對(duì)狹窄，因此，無法有效滿足國(guó)內(nèi)的修井市場(chǎng)需求。對(duì)于我國(guó)的油田修井作業(yè)，通常對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)方式進(jìn)行采用，需要以人工方式在井口開展摘掛吊環(huán)、倒換搬運(yùn)吊卡、推放小滑車以及推拉液壓油管鉗等工作，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度較大，而且還存在風(fēng)險(xiǎn)大和工作環(huán)境差等問題。對(duì)此，需要有效研制油田修井作業(yè)的自動(dòng)化裝備，以此來實(shí)現(xiàn)井口自動(dòng)化操作，緩解人員自身的工作壓力，并保證各項(xiàng)操作的準(zhǔn)確性和有效性，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。

1 影響修井質(zhì)量因素

1.1 材料因素

在油田修井作業(yè)開展過程中，需要對(duì)相關(guān)材料進(jìn)行使用，且材料質(zhì)量對(duì)修井工作質(zhì)量具有直接影響。一旦材料質(zhì)量存在問題，將會(huì)對(duì)油田修井作業(yè)的有效開展產(chǎn)生嚴(yán)重阻礙，無法有效保證油田修井作業(yè)質(zhì)量，進(jìn)而對(duì)油田的開采造成影響。

1.2 人為因素

在油田修井作業(yè)中，需要對(duì)人為因素進(jìn)行充分考慮。相關(guān)工作人員在油田修井作業(yè)中是十分重要的工作主體，尤其在對(duì)機(jī)械化修井機(jī)進(jìn)行使用時(shí)，需要由工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確操作。在此情況下，一旦專業(yè)人員缺乏或人員操作存在錯(cuò)誤問題，將會(huì)嚴(yán)重影響油田修井作業(yè)質(zhì)量。

1.3 技術(shù)因素

在油田修井作業(yè)過程中，還需要合理引進(jìn)和應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，以此有效保證各項(xiàng)工作的順利開展。如果相關(guān)技術(shù)的選用不夠正確，或者技術(shù)落后，將會(huì)直接影響油田修井作業(yè)的順利開展，進(jìn)而降低了油田修井作業(yè)質(zhì)量和效率。

2 油田修井作業(yè)自動(dòng)化裝備

2.1 液壓貓道

動(dòng)力貓道主要是指電控、機(jī)械以及液壓等的綜合體。現(xiàn)如今，我國(guó)液壓貓道具體包括鋼絲繩拉升式以及油缸舉升式兩種結(jié)構(gòu)。裝置具體包括液壓動(dòng)力系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)以及動(dòng)力貓道，可以對(duì)電氣和液路相結(jié)合的控制方式進(jìn)行采用，從而通過動(dòng)力貓道有效實(shí)現(xiàn)管具的上送以及下放等操作。控制系統(tǒng)具體對(duì)PLC邏輯控制方式進(jìn)行采用，可以使相關(guān)操作得到簡(jiǎn)化，并使工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低，使工人作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)得到降低，有效提升作業(yè)效率，使司鉆人員的可操作性與安全性得到提高，并在各油田廣泛進(jìn)行應(yīng)用。動(dòng)力貓道的組成部分具體包括液壓系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及電控系統(tǒng)等，其中機(jī)械結(jié)構(gòu)可以具體分為管排架、支撐臂總成、移送臂總成、坡道總成以及底座總成等部分。液壓系統(tǒng)的組成部分具體包括液壓油缸、液壓小絞車、電控比例閥、液壓管路以及獨(dú)立液壓站等。電控系統(tǒng)則具體包括面板操作系統(tǒng)、PLC控制板、信號(hào)轉(zhuǎn)接箱以及遠(yuǎn)程無線遙控系統(tǒng)等。動(dòng)力貓道的機(jī)械結(jié)構(gòu)具體包括移送臂、坡道總成、底座總成以及支撐臂等。

（1）坡道總成，其主要包括滑板、過輪總成以及起升絞車等組成。在實(shí)際工作過程中，起升絞車可以通過拉動(dòng)鋼絲繩，使移送臂能夠在滑板導(dǎo)軌上進(jìn)行移動(dòng)。在處于移動(dòng)狀態(tài)時(shí)，坡道總成可以在底座總成上翻折，保證了結(jié)構(gòu)的緊湊性，移動(dòng)也十分方便。

（2）底座總成。其具體包括液壓管排架、底座主體以及管具翻轉(zhuǎn)裝置等相關(guān)結(jié)構(gòu)。其中底座主體主要是采用高強(qiáng)度鋼型材進(jìn)行拼焊，具有緊湊的整體結(jié)構(gòu)，而且重量相對(duì)較輕。液壓管排架的兩端分別裝設(shè)了支腿油缸，可以通過油缸伸縮對(duì)傾斜度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使管具能夠?qū)崿F(xiàn)上下管工作。對(duì)于管具翻轉(zhuǎn)裝置，其可以通過一端的油缸伸縮，從而使管具完成相應(yīng)的翻進(jìn)動(dòng)作。

（3）移送臂。其具體由推進(jìn)小絞車、滑車、移送臂主體、翻轉(zhuǎn)裝置以及安全擋桿等組成。移送臂作為承載部件，可以是管具在管排架和鉆臺(tái)之間進(jìn)行雙向輸送，尾部托盤則可以進(jìn)行前后滑移，將管柱調(diào)整到移送臂位置。滑移托盤有著下壓裝置，通過鋼絲繩的牽引，可以使托盤向臂尾部進(jìn)行滑移。

（4）支撐臂，其主要采用工字鋼阻焊的方式制成，由于具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，可以在移送臂的起降過程中發(fā)揮重要支撐作用。

2.2 二層臺(tái)機(jī)械手

二層臺(tái)機(jī)械手主要對(duì)扶持式結(jié)構(gòu)進(jìn)行采用，同時(shí)，還包括全電驅(qū)結(jié)構(gòu)以及伺服控制系統(tǒng)，可以對(duì)智能路徑進(jìn)行預(yù)設(shè)，并采用一鍵式的操作方式，使用多重互鎖提供安全保護(hù)。而且還可以實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控，對(duì)工作動(dòng)態(tài)進(jìn)行全程掌控。對(duì)于二層臺(tái)高空排管，可以有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和無人化作業(yè)。二層臺(tái)機(jī)械手在鉆井作業(yè)中屬于自動(dòng)化專用胚胎設(shè)備，可以在起下鉆排管作業(yè)當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，其組成具體包括二層臺(tái)、機(jī)械手、電氣系統(tǒng)以及吊卡。

（1）機(jī)械手，具體包括抓手、臂架、平移機(jī)構(gòu)以及手指等組成部分，其中臂架可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和伸縮，抓手手指則可以進(jìn)行開和抓取，并向鉆桿進(jìn)行輸送。而且機(jī)械手具體由三個(gè)伺服電機(jī)和三個(gè)直流執(zhí)行器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，這三個(gè)伺服電機(jī)可以分別控制平移機(jī)構(gòu)在二層臺(tái)的猴道行走、機(jī)械手旋轉(zhuǎn)、前后伸縮。直流執(zhí)行器可以對(duì)抓手與手指開合進(jìn)行控制，各個(gè)驅(qū)動(dòng)具體包括行程開關(guān)、接近開關(guān)以及機(jī)械限位等，從而使機(jī)械手能夠在控制范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

（2）二層臺(tái)，其主要由導(dǎo)軌、指梁鎖、指梁、猴道以及圍欄等組成。具體來說，二層臺(tái)是井架高空處的裝置，帶有猴道，并安裝了3軸伺服機(jī)械手。伺服系統(tǒng)不僅具有良好的穩(wěn)定性，而且還能夠快速響應(yīng)，對(duì)負(fù)載變化具有良好的自適應(yīng)能力，可以使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)時(shí)由于機(jī)械負(fù)載慣量發(fā)生大范圍變化時(shí)產(chǎn)生的不良影響得到有效消除。

針對(duì)二層臺(tái)機(jī)械手的特點(diǎn)進(jìn)行分析，其可以有效完成高空二層臺(tái)無人化作業(yè)，使高空作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)和勞動(dòng)強(qiáng)度等得到降低。而且二層臺(tái)機(jī)械手還具有伺服驅(qū)動(dòng)、程序記憶、路徑預(yù)設(shè)以及一鍵操控等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)多重自鎖互鎖控制，具有較高的安全性和可靠性。除此之外，二層臺(tái)機(jī)械手還可以自動(dòng)折疊骨架，不需要進(jìn)行拆卸，因此運(yùn)輸十分方便。

2.3 液壓翻轉(zhuǎn)吊卡

對(duì)于液壓翻轉(zhuǎn)吊卡，其主要采用CDZY-150側(cè)開式液壓翻轉(zhuǎn)側(cè)擺吊卡，并在石油、天然氣鉆修井提升過程中進(jìn)行應(yīng)用，上部連接吊環(huán)，下部則連接管柱，可以在鉆修井作業(yè)當(dāng)中的懸掛和起下管柱當(dāng)中進(jìn)行使用。液壓翻轉(zhuǎn)吊卡的承載件需要采用高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行精制，不僅機(jī)械性能良好，而且還具有較強(qiáng)的承載能力。液壓翻轉(zhuǎn)吊卡的整機(jī)系統(tǒng)動(dòng)作十分高效和快捷，操作也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，具有較高的安全性、可靠性與自動(dòng)化程度，能夠遠(yuǎn)距離進(jìn)行監(jiān)控。

（1）針對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)吊卡的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，其具體由合頁、主體、卡頁、襯套、開合銷軸、側(cè)擺機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、機(jī)械鎖以及液壓系統(tǒng)等組成。液壓翻轉(zhuǎn)吊卡可以通過對(duì)襯套進(jìn)行更換，從而與不同規(guī)格管柱直徑相適應(yīng)。

（2）對(duì)于液壓翻轉(zhuǎn)吊卡的操作程序進(jìn)行分析，其可以通過對(duì)箱面板旋鈕操作進(jìn)行操控，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，而且自動(dòng)化鉆井設(shè)備還可以有效實(shí)現(xiàn)鉆井的自動(dòng)化控制。

①起單根。液壓翻轉(zhuǎn)吊卡可以在無自動(dòng)化鉆井設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)用，具體來說，需要旋轉(zhuǎn)開合按鈕，有序打開合頁和卡頁，并將翻轉(zhuǎn)按鈕旋轉(zhuǎn)，使液壓吊卡可以通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由原本的0度翻轉(zhuǎn)成為85度，使其開口朝上。使用小絞車或者通過人工方式，將鉆桿在液壓吊卡內(nèi)送入，對(duì)關(guān)閉按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而有序關(guān)閉合頁和卡頁。與此同時(shí)，液壓翻轉(zhuǎn)吊卡還可以在自動(dòng)化鉆井設(shè)備當(dāng)中進(jìn)行應(yīng)用，將開合按鈕旋轉(zhuǎn)，有序打開合頁和卡頁，之后將翻轉(zhuǎn)按鈕旋轉(zhuǎn)，使液壓吊卡翻轉(zhuǎn)到85度，之后通過自動(dòng)貓道將鉆桿送入到液壓吊卡內(nèi)，旋轉(zhuǎn)關(guān)閉按鈕，有序關(guān)閉合頁和卡頁。

②甩單根。將液壓翻轉(zhuǎn)吊卡在無自動(dòng)化鉆井設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)用，需要對(duì)開合按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，有序打開合頁和卡頁，之后旋轉(zhuǎn)側(cè)擺按鈕，使吊卡側(cè)擺10度，與油管接箍下端相接近，然后，將液壓吊卡移動(dòng)到鉆桿接箍下方，對(duì)關(guān)閉按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，有序關(guān)閉合頁和卡頁。而將液壓翻轉(zhuǎn)吊卡在自動(dòng)化鉆井設(shè)備中進(jìn)行運(yùn)用，同樣需要對(duì)以上步驟進(jìn)行有序操作，并要打開卡瓦或者卡盤，將游車大鉤提升到相應(yīng)位置，并將卡瓦或者卡盤關(guān)閉。游車大鉤需要下行50～100mm，打開機(jī)械鎖，使鉆桿進(jìn)行卸扣。

2.4 氣動(dòng)卡瓦

氣動(dòng)卡盤主要在石油和天然氣修井作業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用，可以卡持鉆桿和油管。對(duì)于相關(guān)產(chǎn)品，需要嚴(yán)格按照鉆修井的設(shè)備規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。相關(guān)卡盤均可以進(jìn)行液動(dòng)、氣動(dòng)以及手動(dòng)等操作，從而使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得到減輕，進(jìn)一步提升工作效率。此液動(dòng)卡盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，在操作上也十分方便，具有較高的安全性和可靠性，是修井作業(yè)中的一項(xiàng)理想工具。針對(duì)氣動(dòng)卡盤的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行分析，其中E型氣動(dòng)卡盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是指曲柄連桿機(jī)構(gòu)，包括對(duì)分的兩個(gè)卡瓦組件，而且每個(gè)卡瓦組件是由在轉(zhuǎn)動(dòng)臂上連接的卡瓦所組成，轉(zhuǎn)動(dòng)臂的另外一端則在右曲軸與左曲軸上所連接，對(duì)于左右兩個(gè)曲軸主要是通過連桿進(jìn)行連接。在液缸驅(qū)動(dòng)連桿時(shí)，曲軸會(huì)繞中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來實(shí)現(xiàn)卡瓦的提升，并松開管柱。當(dāng)止退塊和連桿臺(tái)肩相嚙合時(shí)，可以使曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)停止。而在卡瓦本體內(nèi)咬緊管柱，而且止退塊和連桿臺(tái)肩相嚙合后，可以對(duì)管柱意外松動(dòng)進(jìn)行有效預(yù)防。

針對(duì)氣動(dòng)卡瓦的使用方法進(jìn)行分析，其首先需要使用螺釘，將其在液動(dòng)卡盤的卡瓦座底板長(zhǎng)孔內(nèi)進(jìn)行插入，使液動(dòng)卡盤能夠在修井機(jī)井口平臺(tái)上得到固定。之后，則需要同過管線將液壓源在液缸進(jìn)出液管接頭上進(jìn)行連接。在實(shí)際使用之前，需要有效進(jìn)行空載運(yùn)行試驗(yàn)，在對(duì)卡盤各個(gè)部件的靈活性和可靠性進(jìn)行觀察后，檢查卡瓦提升和放下等過程是否存在卡阻。在進(jìn)行卡持鉆桿、套管以及油管等操作前，需要對(duì)卡瓦體進(jìn)行檢查，判斷裝配的牙板規(guī)格是否和外徑尺寸保持相同，并要對(duì)牙板裝配方向進(jìn)行檢查。在對(duì)液動(dòng)卡盤進(jìn)行使用時(shí)，往往會(huì)有泥水、油污等雜物在卡瓦體背面椎體上濺入，此時(shí)，無法通過液缸推力使卡瓦體頂出卡瓦座。在進(jìn)行修井機(jī)開鉆之前，首先，需要將卡瓦體提起，而當(dāng)卡瓦體在卡瓦座內(nèi)時(shí)不能進(jìn)行開鉆，避免有安全事故發(fā)生。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)油田修井作業(yè)自動(dòng)化裝備進(jìn)行運(yùn)用，可以有效實(shí)現(xiàn)油管的自動(dòng)化輸送和排放，并具有自動(dòng)上卸扣功能，可以使人工摘掛吊環(huán)、推拉液壓鉗、搬運(yùn)吊卡以及拉排油管等工作得到有效節(jié)省，并降低勞動(dòng)強(qiáng)度，有效開展修井作業(yè)，使操作人員得到減少。該裝備具體需要對(duì)現(xiàn)代遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)井口的無人化操作。相關(guān)操作者只需要在通井機(jī)駕駛室完成具體的洗井沖砂、管柱起下等作業(yè)，并降低工傷事故的發(fā)生概率，使操作人員的人身傷害風(fēng)險(xiǎn)得到降低。除此之外，通過對(duì)該裝備進(jìn)行應(yīng)用，可以使現(xiàn)場(chǎng)人員的工作環(huán)境得到改善，從而保證修井過程的清潔、省力與安全。在實(shí)際修井過程中，需要有效收集和密閉回收油水噴灑，使井口周邊環(huán)境得到有效保護(hù)。