隨車式環保自動化施工系列配套裝置研發與應用

周恒倉 陳聰 李洪亮 朱慶 黃山（大慶油田有限責任公司試油試采分公司）

井下作業是石油系統最艱苦行業之一，員工是在極其惡劣的環境下工作的，對修井設備自動化有著強烈的要求。在井下作業發展過程中，實現修井設備環?；?、自動化、智能化[1]，能極大地提高生產效率，降低能耗，提升井下作業生產的安全性和可靠性，確保生產運行持續且高效地進行，解決以往工作中經常出現但難以處理的諸多問題，實現對自動化施工系列配套設備遠程控制[2]。

1 存在問題

目前國內外作業環保自動化工藝技術主要分兩類：

1）高度集成多模塊自動化工藝技術：包括作業平臺系統、自動吊卡系統、自動上卸扣系統、油管扶正推拉系統、油管舉升系統、環保地面排管控制等多系統高度集成配套應用。地面1人就可操作，自動化程度高，但成本高（一套系統上千萬元），對作業場地平整度要求高，搬運及組裝費用耗時長，國內油田應用較少。

2）多模塊半自動化工藝技術：包括作業平臺系統、管橋滑道舉升系統等不同多模塊的集成配套應用形式。施工時司鉆、井口、地面各1人即可實現管柱順利起下，作業安全性高，目前國內油田應用較多，但設備笨重，搬運繁瑣，安裝需吊車配合，同時需要上機械設備平作業場地。在實用性上存在不足。

深入了解國內外自動化工藝技術后，對比實際施工現場，通過走訪調查，開展PDCA循環，發現四個突出問題：一是井口操作臺控制、收集溢流效果存在不足，易污染井場及周邊環境，員工操作時易滑倒，存在安全隱患；二是作業管橋及滑道工藝技術落后，功能單一，機械自動化程度低，工作效率低；三是使用管柱液壓鉗上卸扣，需人工拉拽，易發生崩扣、夾斷手指等危害；四是修井機繃繩錨定時，打樁易損壞地下管線，造成人員傷害。地錨附著力小，樁眼強度低，需反復丈量調整，單井拆裝繩卡高達64次，耗時過長。

2 解決方案

結合井下作業環保自動化工藝技術和施工現場突出的問題，不斷創新研發四項技術。按照5W2H原則制定對策并實施：

1）研發隨車式環保操作平臺技術。利用平臺實現接液收集，平臺裝置安裝在自背井架尾部，機械牽引收放應用，立好井架后能夠自動化控制平臺與作業井口高度，將作業井口套裝在多功能環保操作臺裝置中央，連接好井控設備及井場污油回收設備，作業時產生的污油污水引入裝置后，用自吸罐回收處理，即可實現小修井起下管桿安全、環保、自動化高效施工的目的[3]。并與作業機一體裝配、隨作業機一體搬運；機械自動化升降調節作業高度；控制收集作業井口油管溢。隨車操作平臺裝置見圖1。

圖1 隨車操作平臺裝置Fig.1 Operating platform device with vehicle-mounted

2）研發隨車分體式油管貓道技術。利用修井機液壓為動力源，采用剪刀式舉升實現高度舉升下放，用液壓缸和滑輪組控制貓道對油管前后輸送[4]。利用液壓帶動四連桿控制推手和鉤臂實現管自動上下滑道，輔助無線控制，實現油管起下過程中的作業施工自動化，且收起時懸掛在平臺背部。隨車分體式油管貓道裝置見圖2。

圖2 隨車分體式油管貓道裝置Fig.2 Tubing catwalk device with vehicle-mounted separated type

3）研發隨車式管柱起下自動上卸扣技術。該裝置底部為管柱卡緊機構，利用修井機氣壓實現卡瓦抱卡油管本體，起下油管時減少一個油管吊卡的應用操作，并實現油管對中井口法蘭中心，可預防和消除油管起下過程中因油管不對中井口造成油管絲扣損傷。管柱卡緊機構上為管液壓上卸扣裝置運動的滑軌機構，實現液壓上卸扣裝置的進入與退出起下管柱，最上部為油管液壓上卸扣裝置。整個裝置輔助手動控制和無線控制裝置[5]，收起時置于井架底座中心空隙內一體搬運。從而提高了作業效率，減輕了員工勞動強度，預防了液壓鉗傷害員工手指的安全隱患。隨車式管柱起下自動上卸扣裝置見圖3。

圖3 隨車式管柱起下自動上卸扣裝置Fig.3 Automatic buckle loading and unloading device with vehicle-mounted pipe string

4）研發隨車式鉆孔繃繩錨定技術。裝置由鉆孔旋樁、螺旋地錨及固定機構組成。鉆孔旋樁裝置以修井機的液壓動力為動力原，利用液壓馬達旋轉的帶動鉆頭旋轉和驅動頭升降，實現鉆孔和旋入螺旋地錨。利用固定環套將繃繩和地錨快速連接實現繃繩錨定[6]。隨車式鉆孔繃繩錨定裝置見圖4。

圖4 隨車式鉆孔繃繩錨定裝置Fig.4 Drilling guy line anchoring device with vehicle-mounted

3 關鍵技術與參數

3.1 關鍵技術

針對研發過程中出現的技術難題，通過創新四項技術，找到了有效的解決途徑。技術難題解決途徑見表1。

表1 技術難題解決途徑Tab.1 Solutions of technical difficult problems

3.2 關鍵參數及特點

1）隨車多功能環保操作平臺裝置技術參數：平臺可調節升降高度1.1～2.0 m；平臺允許井口與車輛偏差度，前后28 cm，左右17 cm；平臺規格2.87 m×2.4 m×0.25 m；平臺最大儲液量400 L，平臺承載重量2 000 kg。其特點：與車輛連接固定，隨修井機一體搬運；游動密封，污油污水導流收集接液；折疊收起，施工操作空間大；護欄采用鋼鏈掛接，拆卸快速，安全性能好。

2）隨車分體式油管貓道裝置技術參數：前舉升起升重量500 kg，后舉升起升重量400 kg；前舉升高度0.7～2.3 m，后舉升高度0.50～1.65 m；油管前后輸送距離1.4 m；油管自動上下滑道裝置的單向，向上舉升重力300 kg、向橫向推送力100 kg；無線遙控距離50～100 m。其特點：油管氣動鎖緊機構卡緊油管；液壓滑軌機構控制進退；采用電磁控制機構[7]。

3）隨車式管柱起下自動上卸扣裝置技術參數：控制方式為電控/液控；最大扭矩4 kN·m；最高額定轉速100 r/min；最低額定轉速30 r/min；開口尺寸180 mm；系統額定壓力16 MPa；設備質量小于或等于680 kg；控制電壓：DC24 V；外形尺寸1 366 mm×600 mm×962 mm。其特點：油管舉升前后輸送系統懸掛在平臺上，隨車搬運；舉升系統前部與油管滑道固定行走，后舉升與滑道滑動固定；液壓缸與滑輪組配合實現液壓缸單倍行走，輸送雙倍距離；連接模塊化組裝，井場適應性強。

4）隨車式鉆孔繃繩錨定裝置技術參數：設備高度2.2 m；旋轉扭矩718 N·m；鉆樁上下行程1.85 m；液壓馬達轉速30～120 r/min；螺旋地錨高度2 m；固定環套固定銷直徑28 mm。其特點：模塊化組裝，適應性強；油管上滑道系統采用液壓推動連桿機構實現上管；油管上、下滑道裝置與滑道快速安裝固定。

4 試驗與應用

井下作業環保自動化施工配套裝置研發成功后，通過了質量健康安全環保體系相關認證，在中小修井作業施工現場試驗，解決了作業施工中井口溢流污染環境難題，消除安全隱患，減輕員工勞動強度，提高了施工效率，降低了燃油等能源損耗[8-9]。通過試驗，月施工井數雖然由10口增加到13口，但施工效率確提高了30%，燃油費用降低了29.7%。

配套裝置累計推廣應用5 500口井，節省成本2 777.5萬元。其中節省各種車輛燃料能源成本費用4 500元/d，減少人工費用550元/d，實現凈利潤1 361萬元。

5 結論

推廣應用的隨車式環保自動化施工系列配套裝置，實現了環保接液，其接液效率達到98%，提高作業效率30.3%，大幅降低能源損耗，創效1 300余萬元，燃油費同期對比降低了29.7%，在現場應用中見到了良好的節能效果，為今后井下作業自動化設備提供有力的借鑒作用。目前井下作業自動化設備應用和發展前景，急需各類技術人員進行更深入的探索與研究[10]。例如完成油管舉升集成一鍵操作，井口油管的自動接送，油管上扣時自動對中，自動吊卡控制起下油管，及油管卸扣后的液體防飛濺技術和油管自動轉運定位技術，從而實現井口無人操作，推動自動化技術和水平的長遠發展。