自動化智能化小修作業裝備設計開發探討

于振祥，曲永哲，聶永晉，張敬

（中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

關鍵字：自動化；智能化；小修作業；設計開發

0 引言

我國大部分油田已進入開發中后期，修井任務越來越繁重。提高修井作業效率，改變落后惡劣的工作條件，成為石油行業亟待解決的問題。以小修作業為例，完成一口2000 m 的修井作業，僅倒換吊卡一項就相當于裝卸40 t 重物的工作量。工人長期在惡劣環境中高強度勞動，極易發生安全事故。尤其在井壓變化、油套管有溢流的情況下，井口工人不僅無法對接油管，環境也會受到嚴重污染。國內許多企業致力于修井技術及作業方式的研究和探討，著手井口機械化、自動化裝置和工具的開發，如油管舉升裝置（自動化貓道）、二層臺管柱排放裝置、鐵鉆工、動力卡瓦、動力吊卡等[1-7]。相繼有井口自動化裝置和工具在現場應用，但當前主要應用在鉆機或大型修井機上進行鉆井或大修井作業[8-10]，而占絕大多數的小修作業的修井機、通井機配備量很少，自動化智能化小修作業裝備成套應用還處于發展階段。

1 小修作業裝備自動化智能化關鍵技術

要實現小修作業自動化智能化，需要充分考慮我國修井作業的特點、操作習慣及現場應用情況。目前，各裝備制造企業所做的修井自動化開發工作，要實現自動化智能化，應注重以下關鍵技術的研究和攻關。

（1）井口對中技術[11]。自動起下確保管柱精準對中是實施自動化的基礎，為保證上扣的順利進行，要求待下放管柱與井中管柱中心對中，這不僅要求采用精確的定位方式，還需要有扶正管柱精確定位的輔助設備，能夠將在井口附近搖擺不定或偏斜井口的待下放管柱扶正，并且能夠將管柱保持在扶正狀態，要求有盡可能大的管柱扶正范圍和良好的可靠性。

（2）自動上卸扣技術。常規小修作業液壓鉗需要人工拖動移出或移入井口，手動操作換擋手柄實現高低擋變速，操作換向閥手柄實現鉗頭正反轉。要實現井口自動化，液壓鉗必須能夠自動定位、自動換擋，開口鉗自動對缺口，通過遠程控制來完成管柱的上卸扣功能。同時液壓鉗體積小，能夠同時滿足抽油桿、油管的上卸扣扭矩，價格要低于鐵鉆工，適合小修井應用。

（3）自動懸吊技術。動力吊卡、卡瓦能夠協同工作，實現自動卡緊、松開管柱和起升、下放管柱。管柱卡緊可靠，懸吊裝置定位準確，保證到達預定的工作位置，通過遠程控制來完成高空順利抓取待上提管柱和釋放管柱。

（4）油管舉升技術。實現管柱的自動輸送、擺放，動作簡單，快速，保證管柱移送到指定位置，與自動懸吊系統協同完成接送管柱任務。

（5）集成化技術。修井機與井口自動化系統集成一體設計，實現模塊化，將各子系統連接成一個完整可靠、經濟有效的整體，能彼此協調工作，降低操作復雜程度，以實現修井作業集中、高效、便利的控制。

（6）系統輕量化技術。應盡可能減小修井井口自動化裝置的自重和安裝空間，整套裝置結構緊湊。盡量實現模塊與修井機的一體化，便于安裝、拆卸和運輸。

（7）環境適應性技術。作為野外作業設備，在風雨雪霧、軟地基條件下，自動化裝置能夠適應各種不確定環境，并能高可靠地工作。

（8）電驅動技術。通過電動伺服驅動能夠高精度控制各執行元件的工作速度和扭矩，是井口自動化設備和工具提高工作效率的有效途徑。

（9）井口防爆技術。井口自動化必須符合井控安全要求，電驅化井口工具應有嚴格的防爆要求，具有良好的防爆性能，不能存在安全隱患。

（10）智能化技術。智能化包括感知、監控和控制3 個方面，通過安裝各種傳感器，借助物聯網傳輸技術，實時發送作業信息到指揮中心，并建立修井作業基礎數據庫，開發井下作業遠程專家快速決策系統，最終通過系統完成修井作業的數據采集、傳輸和操作控制，實現工人遠離作業井場的無人化修井。

2 小修作業自動化智能化技術現狀

我國在小修裝備自動化、智能化研究起步較晚，經過數年探索及應用，部分自動化、信息化及系統集成化裝備已經用于常規修井作業，通過實現自動起下鉆、推起單根、自動上卸扣等，將井下作業井口操作的流程程序化，實現操作簡單化、效益化和控制精準化的有機統一，并在部分油氣田現場開展了應用[12]。

2.1 模塊化升級改造技術

該類型自動化智能化技術主要是圍繞常規修井機升級改造而開展，采用模塊化設計單元，各模塊單元與修井機分屬獨立的控制系統（圖1）。在小修作業自動化智能化研發和應用上，中石化四機石油機械有限公司、三一重工有限公司和山東杰瑞有限公司具備較高的技術實力。主要設備配置方案是井口機器人、一體化平臺、翻轉液壓吊卡、氣動卡盤、動力貓道、管柱測長系統、司鉆遠程控制系統等。

圖1 模塊化升級改造技術產品

（1）井口機器人：模塊化獨立成橇，運輸方便、快捷；多功能集成，滿足井口油管的對扣、上扣、卸扣、泥漿收集等作業；配合液壓吊卡、動力貓道等設備一鍵自動化完成管柱的輸送。

（2）一體化平臺：模塊化運輸，簡單、方便、快捷；分離式液相、固相排污裝置，安全環保；導流式集污結構設計，集中收集。

（3）翻轉液壓吊卡：使用主機液壓系統驅動；可實現自動開合、自動翻轉、自動側擺、自動避讓油管接箍；配備機械鎖、液壓鎖、管柱到位傳感器、閉合傳感器等多重安全保護，杜絕誤操作。

（4）氣動卡盤：居中力大、垂直升降、安裝方便；三瓣臺階式卡瓦體組成，支撐盤同時與驅動機構機械同步連接；浮動式刮泥機構，可以在起抽油桿時清除浮著在抽油桿上的泥漿油污等。

（5）動力貓道：按需配置動力排管架，進行管柱造斜；自動化液壓系統由動力貓道集成；動力貓道外接動力總電源，通過電控箱向外配置所有自動化用電單元；快速安裝與拆卸，運輸方便、快捷。

（6）管柱測長系統：管柱測長設備為選配設備，可單獨配置；滿足作業在需要測長功能時使用；系統測完長度后可以進行記錄并導出數據進行存儲。

（7）司鉆遠程控制系統：小修管柱自動化所有設備控制系統于修井機主機控制室集成控制；小修機器人具有本地及遠程兩種控制模式；自動化作業一鍵式操作；井口交接設備程序互鎖，避免誤操作，安全可靠。

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，但是也普遍存在一些問題。

（1）優勢：①通過各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；②修井作業實現1～2 人操作，初步實現了減員增效、降低工人勞動強度；③井口無人化作業模式，提升了修井作業安全性。

（2）劣勢：①設備作業效率低，平均作業效率還達不到人工作業效率，影響現場修井作業進度；②設備作業可靠性差，由于采用液壓、電氣控制系統，控制系統出現故障不易排除，影響修井作業進度；③模塊之間缺乏信息傳遞，設備間存在碰撞隱患。

2.2 集成化自動控制技術

該類型技術采用集成化設計理念，各動作單元集成設計在一個底撬上，實現了功能設備整體移運和搬安（圖2）。設備控制上突出全部動作數控、智能。在總裝的思路上突出功能分塊，方便設備批量生產組裝。設備結構為一體化設計，實現設備進入現場30 min 安裝就位，方便車輛轉運。該型號設備的研制以濟南芯樂科技發展有限公司為代表，主要設備配置方案是：大臂機械手、油管輥道、管鉗平臺、設備底座、電氣系統、液壓系統等。

圖2 集成化自動控制技術產品

（1）大臂機械手：由立柱、機械手組件、平移底座組成。

（2）油管輥道：油管輥道以設備中心左右對稱分布，油管上下位置處于設備前端中心。

（3）管鉗平臺：由水平移動平臺、前后移動平臺、下導正機構、動力鉗組成。

（4）設備底座：設備由基礎底座、支腿機構組成。

（5）電氣系統：配備人機交互界面，實現自動、遙控和手動操作。

（6）液壓系統：液壓系統主要動力源分兩部分，由主泵站和汽油機泵組成。

此類型設備目前已經在遼河油田、長慶油田、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，但是也普遍存在一些問題。

（1）優勢：①集成化設計方案，實現快速搬運，節約修井作業準備時間；②通過各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；③修井作業實現1～2 人操作，初步實現了減員增效、降低工人勞動強度；④井口無人化作業模式，提升了修井作業安全性。

（2）劣勢：①設備作業效率低，平均作業效率還達不到人工作業效率，影響現場修井作業進度；②設備作業可靠性差，由于采用液壓、電氣控制系統，控制系統出現故障不易排除，影響修井作業進度；③設備成本投入高，市場銷售價格嚴重影響到市場推廣。

2.3 小結

近年來，國內一些廠家在修井機部件自動化開發方面發展迅速，尤其是在管柱處理、自動化貓道、自動吊卡、液壓油管鉗等設計制造技術日趨成熟，許多廠家已具備生產能力，相關技術已形成系列產品并初步在國內各油田推廣開來。

3 技術成熟度評估

工程技術的發展一般要經歷探索研究、技術開發、工程研制和生產銷售4 個階段，不同階段對技術的成熟度有不同的要求，而技術處于某一發展階段，并不代表就達到了該階段所要求的技術成熟度，在關鍵技術不完全成熟的情況下轉入工程研制，甚至轉化到產品階段，必然會造成產品性能下降、項目進度延期和費用超出預算等開發風險。

英美在國防采辦中推行9 級技術成熟度評價（Technology Readiness Level，TRL）。由于國內具體情況和管理方式不同，結合國情和國內的研發特點，逐漸形成了技術成熟度等級模型（Technology Maturity Level，TML），將技術成熟度從低級到高級劃分為9 個等級[13]。根據當前自動化智能化小修作業裝備技術發展狀況，借助TML 模型工具，對自動化智能化系統進行技術分解，得出關鍵技術評價等級（圖3）。

圖3 自動化智能化小修作業裝備成熟度評估表

按照技術成熟度評價（Technology Maturity Assessment，TMA）方法要求，在探索研究階段，技術成熟度一般要達到TML3；技術開發階段，要求達到TML5～TML6；工程研制階段，應該達到TML8；生產銷售階段，必須達到TML9。作為復雜的系統集成技術，各關鍵技術要達到TML6 可以認為技術基本成熟。

從上述自動化智能化小修作業裝備10 項關鍵技術來看，除井口對中、自動化上卸扣、自動懸吊、油管舉升4 個單項技術達到TML6 等級外，其他6 項技術均未達到技術基本成熟。其中油管舉升技術成熟度最高，產品通過實際應用；智能化技術成熟度最低，還處于探索研究階段；集成化、輕量化、環境適用性、電驅動和井口防爆技術都處于技術開發階段。綜合10 項關鍵技術整體來看，自動化智能化小修作業裝備還沒有達到技術基本成熟，需要通過“頂層設計”，增加科技投入，加強技術攻關，逐項攻克關鍵技術，促進系統成套技術成熟。

4 自動化智能化小修作業裝備設計開發思路

鑒于目前國內自動化智能化小修作業裝備技術成熟度水平，建議自動化智能化小修裝備的設計開發應分2 個階段實施：①第1 階段進行小修裝備井口作業自動化技術提升，實現井口減人、無人化；②第2 階段進行修井作業智能化開發，通過物聯網遠程傳輸系統，修井作業基礎數據庫和遠程修井專家決策系統提高井下作業水平，實現修井作業智能化。

第1 階段小修裝備井口作業自動化技術提升要尋求2 個主要方面的技術突破，即井口自動化系統工作效率和工作可靠性的突破。通過加強系統各部件協同工作，結合井口自動化工具和設備的設計，對傳統修井工藝改進、調整，達到人工修井起下相近的工作時效；通過修井機與井口自動化裝置的一體化開發，以電驅動和伺服驅動器為主要發展方向，實現集成化、一體化，提高系統的持續工作能力，提升自動化裝置的維護性、運移性、環境適應性等。

第2 階段修井作業智能化開發要做好2 項基礎研究和2 項技術開發。2 項基礎研究包括修井作業基礎數據庫和遠程專家快速決策系統的研究；2 項開發工作一是井口自動化采集系統的開發，一是自動化智能化遠程傳輸系統的開發。基于遠程遙控作業技術，通過采集修井全過程作業參數，經大數據處理，建立修井作業基礎數據庫，形成遠程修井專家決策系統，通過小修裝備和井口一體化智能作業系統，實現工人遠離作業井場的無人化修井。