DYJ80型自動化帶壓作業機研制及應用*

王 鑫 王豐良 趙志成 劉悅蕾 李 根

(天津渤海杰瑞石油裝備有限公司)

0 引 言

帶壓作業是一種不壓井、不放噴，在保持井筒內部高壓的情況下進行修完井作業的特種工藝技術，該工藝技術因作業效率高、環保性好，在各大油氣田得到廣泛應用[1-4]。但是現有帶壓作業機施工時，均需人員站在高壓井口上方的平臺上，作業人員不但要搬運數量多而重的油管，忍受不斷飛濺的污油污水和井內溢出的有害氣體，還面臨隨時可能發生的井噴風險，作業環境差[5]。因此，臺面無人、自動化帶壓作業機將是未來的發展方向。

隨著常規修井機自動化和智能化快速發展[6-7]，貓道機、排管架、自動上卸扣裝置等機械化管柱處理裝置[8-16]的開發和制造技術日趨成熟，這些自動化方面的技術成果積累為自動化帶壓作業機的開發奠定了良好基礎。為降低帶壓作業勞動強度和作業風險，部分帶壓作業機也開始配套一些輔助的管柱處理裝置[17]和監測、監控系統[18-19]。但這些裝置只是在局部環節降低了勞動強度和作業風險，像貓道機與絞車之間的油管交接、油管扶正對中、接箍高度定位、大鉗上卸扣控制、舉升機升降控制及卡瓦開關控制等諸多作業仍需要施工人員操作。由于缺少高精度的自動化管柱處理機具、可靠的數據采集和檢測網絡以及完善的控制系統，目前國內外還沒有全流程自動化帶壓作業的成套設備。可用于自動化帶壓作業的接箍檢測裝置現主要有如下2種：一種是安裝在高壓短節中前端帶有滾輪的機械式檢測裝置[20]，另一種是電磁式無接觸檢測裝置[21]，2種檢測方式均存在不同局限性[22]。機械式容易因油泥結焦硬化而卡滯，也容易因油管晃動、碰撞導輪而輸出錯誤的接箍檢測信號。電磁式則容易受到周圍鐵磁性物質等的干擾。為實現高精度接箍檢測，本文創新開發了復合勵磁接箍檢測技術，有效避免了上述問題。

為響應國家智能井場、綠色井場的戰略發展目標，天津渤海杰瑞石油裝備有限公司在大慶油田的支持下，通過長期的現場工藝學習和技術方案可行性論證，提出了全流程帶壓作業自動化解決方案，并于2020年進行樣機研制。通過創新開發和應用動力貓道機、動力管橋、提管滑車、緩沖機械手、液壓鉗滑車、復合勵磁接箍檢測裝置等多種自動化機具以及智能化控制系統，實現了油管輸送、油管翻轉、油管扶正及上卸扣、接箍識別、接箍定位、管柱起下、環空壓力控制、閘板防撞、鉆井液防濺等全部作業過程的自動檢測和控制，實現了“一鍵式”自動化帶壓作業，并于2022年應用于大慶油田，有效減輕了勞動強度，降低了安全風險。

1 自動化帶壓作業機

1.1 結構組成

DYJ80型自動化帶壓作業機成套裝備主要包括動力管橋、動力貓道機、帶壓作業機、提管滑車、液壓鉗滑車、緩沖機械手、伸縮桅桿、集中控制室及動力單元等。在帶壓作業過程中，系統自動檢測和自動控制，實現全流程帶壓作業自動化。其總體結構如圖1所示。

1—集中控制室；2—動力貓道機；3—動力管橋；4—油管；5—液壓鉗滑車；6—伸縮桅桿；7—帶壓作業機；8—緩沖機械手；9—動力單元；10—提管滑車。圖1 自動化帶壓作業機總體結構圖Fig.1 Overall structure of the automatic snubbing unit

集中控制室、動力貓道機、動力管橋和動力單元等根據井場情況布置在地面上；液壓鉗滑車、緩沖機械手和伸縮桅桿安裝在帶壓作業機上；提管滑車在伸縮桅桿自帶絞車的牽引作用下可上下提放單根油管。

動力管橋具有造斜功能，即：遠離貓道機的一端升高時，傾斜橋面上的油管自動滾動到貓道機處；下降時，油管則自動滾動到遠離貓道機處。貓道機抓取動力管橋上的油管，并將其輸送到高達11.5 m的帶壓作業機平臺上。

帶壓作業機是成套裝備的關鍵組成部分，其核心結構如圖2所示。相對于常規帶壓作業機，其增設有上接箍檢測裝置和下接箍檢測裝置，其中：下接箍檢測裝置安裝在上閘板防噴器與下閘板防噴器中間；上接箍檢測裝置安裝在游動承重卡瓦上端，在舉升機的作用下與游動卡瓦一起上下運動。

1—下閘板防噴器；2—下接箍檢測裝置；3—平衡/放噴系統；4—上閘板防噴器；5—環形防噴器；6—固定承重卡瓦；7—固定下壓卡瓦；8—液壓舉升機；9—游動下壓卡瓦；10—游動承重卡瓦；11—上接箍檢測裝置。圖2 帶壓作業機核心結構示意圖Fig.2 Core structure of the automatic snubbing unit

接箍檢測裝置可以實時檢測其內部是否有接箍通過，控制系統根據檢測到的接箍位置，自動控制下閘板防噴器、平衡/放噴系統、上閘板防噴器、固定承重卡瓦、固定下壓卡瓦、游動下壓卡瓦、游動承重卡瓦以及液壓舉升機的自動開關或運行。這些部件的結構和功能與常規帶壓作業機[1-4]類似，此處不再贅述。液壓鉗滑車內部安裝有液壓鉗，其前端還安裝有鉆井液防濺盒和精準扶正器。精準扶正器可將油管單根與井內管柱精準扶正對中。液壓鉗滑車結構如圖3所示。

1—液壓鉗滑車底座；2—液壓鉗滑車；3—液壓鉗；4—鉆井液防濺盒；5—精準扶正器。圖3 液壓鉗滑車結構圖Fig.3 Structure of the power tong trolley

緩沖機械手前端設置有扶正導輪，在擺動臂和伸縮臂的作用下可以前后、左右移動，將油管推扶到或推離開井口中心。其結構如圖4所示。

1—緩沖機械手底座；2—擺動臂；3—伸縮臂；4—扶正導輪。圖4 緩沖機械手結構圖Fig.4 Structure of the assistant manipulator

提管滑車在桅桿自帶絞車的牽引作用下，沿兩側導向索上下提放油管；其機械抓手在擺動油缸和翻轉油缸的作用下可以前后擺動和上下翻轉；機械抓手在開關油缸的作用下可以自動關閉或打開；V形導向臂可將偏離的油管導入到機械抓手內部。多功能提管滑車結構如圖5所示。

1—導向索；2—提管滑車底座；3—擺動油缸；4—擺動臂；5—機械抓手開關油缸；6—機械抓手；7—V形導向臂；8—翻轉油缸。圖5 多功能提管滑車結構圖(提管狀態)Fig.5 Structure of the multifunctional tubing transfer trolley (at the tubing lifting state)

集中控制室內部的控制器實時采集舉升油缸活塞桿位移、防噴器開關狀態、卡瓦開關狀態、機械抓手開關狀態、抓手內部油管感知信號、接箍識別信號、系統壓力等關鍵參數，并控制成套裝備自動運行。其監控界面如圖6所示。

圖6 自動化控制系統監控界面Fig.6 Monitoring interface of the automatic control system

1.2 工作原理

自動化帶壓作業主要包括自動下入管柱和起出管柱2個過程。自動下入管柱的主要過程如下：

(1)動力管橋造斜后，油管在重力作用下沿管橋滾至貓道機處，貓道機抓取油管并輸送給提管滑車。

(2)提管滑車機械手抓取油管上部，上提油管；在油管下端脫離貓道機前，緩沖機械手的扶正導輪拖扶油管下端，將油管推扶至井口中心。在上提油管過程中，提管滑車和緩沖機械手協同配合，將油管從傾斜狀態翻轉到垂直狀態。

(3)液壓鉗滑車移向井口中心，精準扶正器中心與井口中心同軸時，滑車停止移動；關閉精準扶正器，其下部抱住下方油管的接箍；提管滑車下放油管，油管沿精準扶正器喇叭口導向裝置插入到接箍內部，完成對扣。

(4)打開精準扶正器，液壓鉗滑車前移；液壓鉗移動到井口中心時自動上扣；上扣完成后，液壓鉗滑車回到初始位置。

(5)控制器根據防噴器和卡瓦的安裝位置、識別的接箍信號以及舉升機液壓缸位移傳感器實時反饋的位置信號，自動控制液壓舉升機上下運動、防噴器和卡瓦開關，并以翻轉的方式將油管下入到井筒中，以避免接箍撞擊防噴器閘板或停置在卡瓦內部。

(6)上接箍檢測裝置上行通過油管接箍時，將識別到的接箍信號發送給控制器；控制器瞬時采集舉升油缸活塞桿伸出高度，根據預設程序將油管接箍定位在適合液壓鉗上卸扣的位置高度。然后，開始下一個循環。

自動起出油管與自動下入油管的過程基本相反，主要不同點有如下2個方面：①起出油管前，需使用耐井筒內部高壓的下接箍檢測裝置，檢測出接箍在密閉井筒中的位置，防止起出油管過程中，接箍撞擊閘板或停置在卡瓦內部；油管接箍上升到作業臺面以上時，再通過上接箍檢測裝置將接箍定位在滿足液壓鉗上卸扣的位置高度。②對于油水井作業，液壓鉗卸扣后，需先將上面油管內的油水泄放到鉆井液防濺盒中，再將油管輸送到地面。

此外，井內壓力低于7 MPa時，可不采用交替開關閘板防噴器的方式密封井內流體，只使用環形防噴器密封即可，讓油管接箍直接通過處于密封狀態的環形防噴器膠芯，提高作業效率。

1.3 主要技術參數

發動機功率：298 kW；

額定舉升載荷：750 kN；

額定下壓載荷：450 kN；

液壓舉升機行程：3.5 m；

最大通徑：186 mm；

額定井口壓力：34.5MPa；

額定液壓壓力：20.7 MPa；

桅桿額定載荷：50 kN；

提管滑車絞車額定載荷：6 kN；

備用絞車額定載荷：6 kN；

適用管柱外徑：60.3～89 mm。

1.4 主要技術特點

(1)該帶壓作業機成套裝備，實現了油管取放、輸送、翻轉、扶正、上卸扣、接箍識別、接箍高度定位、管柱起下、環空壓力控制、閘板防撞、鉆井液防濺等全部作業過程的自動檢測和控制，實現了自動化連續作業，配合精度高，性能穩定。

(2)貓道機輸送管柱最大長度可達12 m，輸送臺面高度可達11.5 m；與多功能提管滑車配合，可在提升油管的過程中同步實現油管翻轉，輸送效率高。

(3)接箍檢測裝置采用復合勵磁檢測技術，無接觸式檢測，不受井筒內部油泥和結蠟物影響，不受油管晃動影響，準確率高；本體嚴格按照API 6A標準設計，耐壓等級34.5 MPa，通徑186 mm，在承受井內高壓的同時，允許接箍和大直徑井下工具直接通過。

(4)滑車柔性導向裝置，能夠有效限制多功能提管滑車在高空中的擺動幅度，增強了其抗風載作業能力，6級風力下可正常作業。

(5)采用提管滑車和緩沖機械手一級扶正，精準扶正器二級扶正的復合油管扶正方式，實現100%對扣成功率。

(6)傳感檢測系統直接檢測防噴器、卡瓦、平衡/放噴閥、機械抓手等部件的物理開關狀態，不通過油壓高低進行間接式測量判斷，結果準確可靠；關聯操作進行邏輯互鎖，有效防止部件之間干涉、碰撞，降低作業風險。

(7)控制器能夠將采集的舉升機位移，動態跟蹤的接箍態位置等實時地顯示在監控界面上，并能自動控制帶壓作業機運行。

2 關鍵技術

2.1 多功能提管滑車集成技術

多功能提管滑車集成有油管抓放、翻轉、提放、避讓等諸多功能，是自動化管柱處理機具中關鍵的設備之一。其設計有多種工作狀態，以滿足不同階段的功能需要，如圖7所示。

圖7 多功能提管滑車不同工作狀態示意圖Fig.7 Schematic diagram of the multifunctional tubing transfer trolley at different states

擺動油缸和翻轉油缸內部安裝有高精度油缸位移傳感器，通過傳感器實時反饋的數據，精準控制擺動油缸和翻轉油缸活塞桿的伸出長度，實現不同工作狀態變換。提管滑車機械抓手下部設計的V形導向臂，可以將偏離抓手中心的油管順利導入抓手內部。V形導向臂底部安裝有油管感應傳感器，傳感器可以檢測抓手內部是否存在油管，并將檢測到的信號反饋給控制器，控制器根據檢測到的油管信號自動控制抓手開關以及滑車提放。

抓取油管前，控制器調節機械抓手擺動油缸和翻轉油缸活塞桿的伸出長度，使抓手處于油管的底部，并保持抓手傾斜角度與油管傾斜角度一致，便于順利抓取油管，如圖7a所示。

機械抓手上提油管過程中，油管逐漸從傾斜狀態翻轉到垂直狀態，控制器同步調整擺動油缸和翻轉油缸活塞桿的伸出長度，使抓手傾斜角度始終與油管傾斜角度相匹配，直到油管翻轉到正常的提管狀態(見圖5)。在等待抓取油管期間，控制器同樣通過調節擺動油缸和翻轉油缸活塞桿伸出的長度，收起擺動臂，上翻機械抓手，避開舉升機位移空間，防止與其碰撞(見圖7b)。

2.2 接箍高度精確定位技術

液壓鉗上卸扣時，其背鉗夾持下方油管的接箍，主鉗夾持上方油管的下端。受限于接箍和備鉗牙板高度，接箍中心與備鉗牙板中心最大允許偏差只有±40 mm，因此需要有一種精度極高的接箍高度定位方法，將油管接箍定位在恒定的高度上。

該帶壓作業機通過綜合應用接箍檢測技術和舉升油缸位移實時檢測技術，在起下管柱的作業過程中，同步實現接箍高度的精確定位，無需調整液壓鉗高度即可快速進行上卸扣，極大地提高了作業效率。

該定位技術采用的全通徑無接觸式電磁接箍檢測裝置，允許大直徑井下工具直接通過，與機械式接箍檢測裝置相比，其檢測精度不受油管晃動和表面油泥影響，準確度高。

接箍高度定位示意如圖8所示。

圖8 接箍高度定位示意圖Fig.8 Schematic diagram of coupling locating

圖8中：P為活塞桿伸出高度(變量)，m；L為理論計算所需接箍高度定位點至接箍信號識別點之間的距離(定值)，m；M為液壓鉗上卸扣時，舉升機的基準停止高度(定值)，m；K為滿足液壓鉗上卸扣需求時，接箍高度定位點相對于活塞桿起升原點的高度(定值)，m。

接箍高度定位主要過程如下：舉升機空載上行過程中(見圖8a)，當上接箍檢測裝置的接箍信號識別點到達接箍上端面時，檢測裝置將識別到接箍信號即時反饋給控制器，控制器瞬時采集此時舉升油缸位移傳感器反饋的活塞桿伸出高度P(見圖8b)；舉升機反向下行過程中，控制器實時采集舉升油缸活塞桿位移高度，控制舉升機停止在活塞桿伸出高度為P-L處，并關閉游動卡瓦組(見圖8c)。其中L是根據帶壓作業機結構計算出的接箍高度定位點至接箍信號識別點之間的距離，該距離是滿足液壓鉗上卸扣需求時，由產品結構特性確定的固定高度，為定值。

打開固定卡瓦組后，舉升機帶動管柱下行，并停止在活塞桿伸出高度M處(見圖8d)，高度M是液壓鉗上卸扣時，舉升機的基準停止高度，該高度也是由產品結構特性確定的定值。

通過精準控制L和M，間接實現了對定位高度K的控制，距離K是滿足液壓鉗上卸扣需求時接箍高度定位點相對于活塞桿起升原點的高度。

2.3 接箍動態跟蹤技術

自動化施工過程中，如果不能準確判斷接箍在帶壓作業機內部的動態位置，很容易導致油管接箍撞擊防噴器閘板，或停置在卡瓦內部導致卡瓦夾持失效，繼而引發油管飛出井口或墜落井底等安全事故，因此需要有一種能夠準確判斷和動態跟蹤接箍位置的技術。

該帶壓作業機通過綜合應用上接箍檢測裝置、下接箍檢測裝置和舉升油缸位移傳感器，實現了接箍信號即時識別和動態位置實時跟蹤。

下油管過程中，上接箍檢測裝置識別到接箍信號后，控制器實時采集舉升油缸位移傳感器反饋的位移數據，動態計算出接箍在帶壓作業機內部的位置，控制整機各部件協同運行，并將接箍動態位置同步顯示在控制系統的監控界面上(見圖6)。起油管過程中的接箍動態跟蹤原理與下油管過程基本一致，但是起油管過程中，由于需要在高壓密閉井筒中提前識別出接箍，這就需要一套能夠承受井內高壓且不受井內流體干擾的下接箍檢測裝置。

該下接箍檢測裝置創新采用大功率、全通徑、耐高壓的特殊設計方案，通過復合勵磁檢測技術，實現高精度、無接觸遙感檢測。檢測系統采用多重勵磁繞組和信號繞組，電磁信號在穿過27 mm壁厚的短節后仍能保持足夠的信號強度；同時，復合采用磁敏感檢測元件進行信號提取，提高了檢測的準確性和可靠性。

下接箍檢測裝置承壓本體嚴格按照API 6A標準生產制造，選用4 130合金鋼材料，壁厚27 mm，可承受井內34.5 MPa高壓。裝置采用與井口設備一致的外徑186 mm大通徑設計方案，可允許接箍和大直徑井下工具直接通過。

2.4 油管精準扶正對中技術

液壓鉗上扣前，需要將上方油管末端的外螺紋插入到下方油管接箍的內螺紋中，并保持上方油管中心與下方油管中心對中。以外徑73 mm油管上扣為例，接箍大端內孔直徑80 mm，與之相連的油管小端直徑68 mm，油管末端能夠插入到接箍內部的最大允許同心度誤差只有6 mm。然而，在自由提放油管時，由于風載、設備震動等各種干擾因素，對扣誤差可高達1 m以上，遠超過6 mm。因此，在沒有高精度扶正對中裝置的作用下，很難將油管扶正到接箍內部。

為實現油管精準扶正對中，本套裝備創新開發了雙級油管扶正對中技術。在第一級油管扶正對中系統中，為提高其抗風載能力，在提管滑車兩側設置防風導向索，限制滑車抓手的水平自由度，只允許提管滑車及其機械手沿導向索上下運動。

油管扶正對中示意圖如圖9所示。

1—液壓鉗滑車；2—油管；3—緩沖機械手；4—喇叭口導向裝置；5—精準扶正器；6—油管接箍。圖9 油管扶正對中示意圖Fig.9 Schematic diagram of tubing centralization

在第一級油管扶正對中系統中，通過油缸位移傳感器的實時反饋，精準控制提管滑車擺動臂和機械抓手的位移和角度，使其機械手中心與井口中心重合，繼而使所提油管上端處于井口中心位置；也通過油缸位移傳感器的實時反饋，精準控制緩沖機械手擺動臂和伸縮臂的位移和角度，使扶正導輪與井口中心重合，繼而使所扶油管下端處于井口中心位置。通過提管滑車和緩沖機械手的高精度協同配合，實現了油管一級扶正，將油管扶正對中誤差限制在20 mm以內。一級油管扶正后，液壓鉗滑車前端的精準扶正器環抱住油管接箍，使精準扶正器中心與接箍中心重合；提管滑車下放油管時，油管在喇叭口導向裝置的作用下直接插入到接箍的內部，實現二級精準扶正對中，如圖9所示。

3 性能測試

2022年2—12月，先后在大慶油田試驗井完成DYJ80型帶壓作業機性能測試驗證。

3.1 舉升機性能

在5、8、10、12、15、18和20 MPa不同液壓油供油壓力下，測試舉升機載荷數據，如圖10所示。從圖10可看出，在20 MPa下，舉升試驗載荷和下壓試驗載荷分別為763和452 kN，滿足額定載荷750和450 kN的設計要求。

圖10 舉升載荷和下壓載荷測試數據Fig.10 Test dada of lifting and pushing load

3.2 接箍高度定位性能

使用外徑73 mm油管，測試上接箍檢測裝置識別到油管接箍后接箍高度定位的精度。

在舉升機最高區間速度達到0.1～0.8 m/s之間的8個不同速度時，測量下入油管和起出油管過程中接箍定位的偏差值，如圖11所示。

圖11 接箍高度定位偏差值統計數據Fig.11 Statistics of coupling locating deviations

從圖11可看出，接箍高度定位偏差在±40 mm 之間，滿足液壓大鉗上卸扣需求。

3.3 接箍識別和動態跟蹤性能

測試前，首先對每根油管進行編號，并測量其有效油管長度。

下入油管過程中，測試接箍動態跟蹤的檢測精度：上接箍檢測裝置識別到接箍后，控制器自動記錄此時活塞桿伸出長度，并將油管下入9 450 mm。停止運行后，測量并計算接箍實際下入的深度，并與控制系統自動下入深度對比，測試的8組數據如圖12所示。從圖12可以看出，下入油管過程中，動態跟蹤接箍位置的最大偏差小于±40 mm。

圖12 接箍實際下入深度與設定下入深度對比Fig.12 Comparison between the actual and specified coupling running depths

起出油管過程中，測試接箍動態跟蹤的檢測精度：試驗過程基本與下入過程類似，考慮到手動測量方便性，在下接箍檢測到裝置并識別到油管接箍后，程序控制油管繼續上行5 900 mm，測試的8組數據如圖13所示。從圖13可以看出，起出油管過程中，動態跟蹤接箍位置的最大偏差小于±50 mm。

圖13 接箍實際起出高度與設定起出高度對比Fig.13 Comparison between the actual and specified coupling lifting heights

根據防噴器組、卡瓦組之間的結構關系，接箍不碰撞防噴器閘板和不停留在卡瓦內部所允許的接箍動態跟蹤偏差值為±100 mm。從上述測試數據可知，下入和起出油管過程中的動態跟蹤偏差值均小于允許偏差值，滿足帶壓作業自動控制的精度要求。

3.4 油管扶正對中性能

使用直徑73 mm油管，在0～3級、3～4級、4～5級和5～6級4種不同風速范圍下，分別測試只使用1級扶正系統和同時使用1級扶正系統及2級精準扶正器時，油管下端中心與接箍中心之間的偏差值。在每個風速范圍測試2次，測試數據如圖14所示。

圖14 不同風速范圍下油管扶正對中偏差值Fig.14 Deviations of tubing centralization within different wind speed ranges

從圖14可以看出，只使用1級扶正系統時，油管下端中心與接箍中心的偏差值最大為16 mm，8組數據中只有2組的偏差值小于允許偏差值6 mm，扶正對中概率只有25%。但是，當同時使用1級扶正系統和2級精準扶正器時，油管下端中心與接箍中心的偏差值最大為5 mm，所有測試數據均小于6 mm，扶正對中可靠度高達100%。由此可見，雙級扶正對中技術的扶正精度完全滿足自動化帶壓作業機連續運行的精度要求。

4 結 論

(1)DYJ80型帶壓作業機達到預期設計要求，實現了帶壓工況下自動連續起下油管作業，臺面作業無人化，有效減輕了勞動強度，降低了安全風險。

(2)接箍高度定位偏差值小于液壓大鉗上卸扣所允許的偏差值，滿足自動化上卸扣需求。

(3)雙級油管扶正對中裝置的扶正對中偏差值小于允許偏差值，滿足自動化上扣需求。

(4)接箍檢測裝置識別接箍信號準確、可靠。

(5)接箍位置動態跟蹤系統的偏差值小于自動化控制所允許偏差值，滿足自動化開關防噴器和卡瓦的需求。

(6)成套裝備抗風載作業能力強，能夠在6級風下穩定、可靠作業。