油田修井作業(yè)自動(dòng)化裝備研制

張喜慶，沈君芳，牟忠良，孫茂盛，王海強(qiáng)，于吉迪，付霽野

（1．勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司，山東　東營(yíng)257067；2．沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈　陽(yáng)110000；3．中石化勝利油田分公司　東辛采油廠，山東　東營(yíng)257095）①

油田修井作業(yè)自動(dòng)化裝備研制

張喜慶1，沈君芳1，牟忠良2，孫茂盛3，王海強(qiáng)3，于吉迪1，付霽野2

（1．勝利油田勝機(jī)石油裝備有限公司，山東東營(yíng)257067；2．沈陽(yáng)新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司，沈陽(yáng)110000；3．中石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東東營(yíng)257095）①

針對(duì)油田修井作業(yè)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、工作風(fēng)險(xiǎn)大等現(xiàn)狀，研制了油田修井作業(yè)自動(dòng)化裝備。該裝備由管桿輸送裝置、自動(dòng)吊卡裝置、井口多功能卡座裝置、大鉤導(dǎo)向裝置、液壓及自動(dòng)化控制系統(tǒng)組成，解決了修井作業(yè)中管柱的自動(dòng)抓取與排放、自動(dòng)定位與對(duì)中、自動(dòng)上卸扣以及廢液防噴濺與回收等技術(shù)難題。在勝利油田4口井的試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝備完全實(shí)現(xiàn)了井口作業(yè)的無(wú)人化操作，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度及人身傷害風(fēng)險(xiǎn)，減少井口周邊環(huán)境污染。

修井作業(yè)機(jī)；自動(dòng)控制；管子排放裝置

隨著油田修井作業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，修井作業(yè)設(shè)備的安全、可靠、省力、環(huán)保等問(wèn)題越來(lái)越受到人們的重視。國(guó)外對(duì)修井井口操作機(jī)械化裝置的研究起步較早，從20世紀(jì)50年代就開始推廣應(yīng)用各種機(jī)械化修井裝置［1］。國(guó)外機(jī)械化修井機(jī)主要以頂部驅(qū)動(dòng)的方式為主，油管采用豎排放置，這種設(shè)備主要應(yīng)用于油井大修作業(yè)，適用范圍窄，不能滿足國(guó)內(nèi)修井市場(chǎng)的需求。國(guó)內(nèi)油田的修井作業(yè)依然普遍采用傳統(tǒng)的作業(yè)方式，需要人工在井口進(jìn)行倒換搬運(yùn)吊卡、摘掛吊環(huán)、推拉液壓油管鉗、推放小滑車等繁重的工作，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、工作風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。

勝機(jī)石油裝備有限公司聯(lián)合沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司、勝利東辛采油廠共同研制的修井作業(yè)自動(dòng)化裝備是一套集機(jī)械、液壓、電氣為一體的修井裝備，該裝備實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)突破，形成了多項(xiàng)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)及專利技術(shù)。

1　構(gòu)成與功能

該裝備與現(xiàn)有的作業(yè)井架、通井機(jī)配合作業(yè)，采用機(jī)械化的方式取代人工操作，其設(shè)計(jì)能夠滿足60～89 mm平式及加厚油管的作業(yè)要求，能夠完成油管及井下工具的起下、洗井、沖砂等多項(xiàng)修井作業(yè)。

該套裝備由管桿輸送裝置、自動(dòng)吊卡裝置、井口多功能卡座裝置、大鉤導(dǎo)向裝置、動(dòng)力控制系統(tǒng)組成。

1．1 管桿輸送裝置

管桿輸送裝置滿足60～89 mm油管的拉送排放，在下油管時(shí)實(shí)現(xiàn)從油管橋上舉升單根油管，并將油管輸送到預(yù)定位置；在起油管時(shí)，將起出來(lái)的管柱拉回到水平指定位置，然后將其運(yùn)移到油管橋上并排放好。作業(yè)過(guò)程中遇到稠油時(shí)，稠油易凝固，更不利于管柱的輸送，增加了管柱拉送和排放的難度［2］。該裝置結(jié)合了電氣控制和管子軸向滾動(dòng)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)油管的自動(dòng)舉升和順利下放，代替了傳統(tǒng)作業(yè)中人工拉排油管的工作，如圖1所示。

圖1　管桿輸送裝置結(jié)構(gòu)

1．2 自動(dòng)吊卡裝置

自動(dòng)吊卡裝置主要由翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、開鎖卡機(jī)構(gòu)、模塊化旋轉(zhuǎn)沖砂裝置及吊環(huán)等組成，如圖2所示。自動(dòng)吊卡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管柱的自動(dòng)抓取和松開，與井口液動(dòng)卡盤配合完成傳統(tǒng)修井作業(yè)過(guò)程中人工倒換吊卡的工作。模塊化旋轉(zhuǎn)沖砂裝置集成在吊卡內(nèi)部，主要由修井用水龍頭、旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)箱、夾緊背鉗、導(dǎo)向裝置等組成。其功能是實(shí)現(xiàn)井內(nèi)管柱與水龍頭的對(duì)接以及完成沖砂過(guò)程中的管柱旋轉(zhuǎn)，取代了普通作業(yè)時(shí)倒單根的沖砂方式，可有效縮短沖砂作業(yè)時(shí)間。

圖2　自動(dòng)吊卡裝置

1．3 井口多功能卡座裝置

井口多功能裝置主要由液動(dòng)卡盤機(jī)構(gòu)、井口卡座本體、自動(dòng)液壓鉗、接箍定位器、污水防濺回收裝置、油管導(dǎo)向?qū)垩b置、吊卡定位器及推管器等組成，如圖3所示。該裝置通過(guò)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)控制技術(shù)，可以完成油管的自動(dòng)對(duì)中和扶正、自動(dòng)上卸扣等多個(gè)自動(dòng)化任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了井口無(wú)人化操作，徹底解決了傳統(tǒng)修井作業(yè)過(guò)程中井口依賴人工操作的現(xiàn)狀，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度和人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)對(duì)污水進(jìn)行有效回收，達(dá)到了改善工人的工作環(huán)境、保護(hù)設(shè)備、降低環(huán)境污染的目的。

圖3　井口多功能裝置

1．4 大鉤導(dǎo)向裝置

大鉤導(dǎo)向主要由導(dǎo)向繩、導(dǎo)向滑車及調(diào)節(jié)支桿組成，如圖4所示。該裝置能夠保證自動(dòng)吊卡在上提、下放的過(guò)程中準(zhǔn)確地落進(jìn)井口平臺(tái)的導(dǎo)向柱內(nèi)，降低懸掛載荷以及風(fēng)載對(duì)吊卡的影響，增強(qiáng)了修井裝置對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)沖砂過(guò)程中承受管柱旋轉(zhuǎn)時(shí)的反轉(zhuǎn)矩。

圖4　大鉤導(dǎo)向裝置

1．5 動(dòng)力及自動(dòng)控制系統(tǒng)

液壓動(dòng)力與自控系統(tǒng)集成在同一撬塊上，各通訊電纜與液壓管線采用快插接頭連接，方便現(xiàn)場(chǎng)安裝和拆卸。現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)區(qū)域的傳感器都采用本安型傳感器，而放在安全區(qū)的控制柜采用正壓型防爆設(shè)計(jì)，在安全區(qū)與危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行能量交換時(shí)，采用安全柵進(jìn)行電氣隔離。設(shè)計(jì)了手動(dòng)和自動(dòng)2種操作模式，整個(gè)控制流程各動(dòng)作之間采用聯(lián)鎖與互鎖的方式，保證動(dòng)作安全可靠。人機(jī)接口部分采用觸摸屏技術(shù)并配合視頻監(jiān)控技術(shù)，操作簡(jiǎn)單可靠，自動(dòng)化程度高。操作面板如圖5所示。

圖5　室內(nèi)操作面板

2　現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)

修井作業(yè)自動(dòng)化裝備運(yùn)行可分為手動(dòng)操作和自動(dòng)操作2種模式。在手動(dòng)操作模式下，各個(gè)單元?jiǎng)幼飨鄬?duì)獨(dú)立，操作人員可點(diǎn)擊觸摸屏上的觸控按扭進(jìn)行設(shè)備調(diào)試及特殊動(dòng)作的操作。在自動(dòng)操作流程中，整個(gè)起下管柱作業(yè)過(guò)程只需要2名操作人員參與，通井機(jī)室內(nèi)操作人員通過(guò)控制游車大鉤的起落，并在一些關(guān)鍵的控制節(jié)點(diǎn)上，點(diǎn)擊觸控屏上的狀態(tài)“確認(rèn)”按扭，就可順利完成管柱的起下、沖砂等工藝流程。現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)如圖6所示。

圖6　自動(dòng)化修井裝置現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài)示意

3　技術(shù)參數(shù)

適用油管尺寸

60、73、89 mm平式及加厚油管

額定載荷400 k N

最大載荷675 k N

液壓系統(tǒng)壓力14 MPa

單根起下管時(shí)間25～28根／min

適應(yīng)環(huán)境溫度－20～40℃

裝機(jī)功率37 k W

裝備最小通徑184 mm

4　關(guān)鍵技術(shù)

4．1 自動(dòng)吊卡和液動(dòng)卡盤技術(shù)

設(shè)計(jì)的自動(dòng)吊卡能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管柱的自動(dòng)抓取，內(nèi)部設(shè)有接箍檢測(cè)器，確保自動(dòng)吊卡百分之百成功抓取油管。設(shè)計(jì)了液動(dòng)卡盤，對(duì)井內(nèi)管柱進(jìn)行懸掛，卡盤結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)重力自鎖。自動(dòng)吊卡與液動(dòng)卡盤組合取代傳統(tǒng)月牙吊卡，解決了人工倒換吊卡的問(wèn)題。

4．2 管柱的自動(dòng)扶正和對(duì)中技術(shù)

設(shè)計(jì)了微電磁吸附扶正裝置以及雙級(jí)自動(dòng)對(duì)中裝置，在進(jìn)行管柱的對(duì)接時(shí)，對(duì)中扶正裝置保證在大鉤上懸掛的管柱與井口卡盤上懸掛的接箍精確對(duì)中，保證大鉤上懸掛的管柱與井口管柱在上卸扣時(shí)處于同軸狀態(tài)，確保上卸扣的順利進(jìn)行，并保護(hù)管柱螺紋。

4．3 管柱自動(dòng)上卸扣技術(shù)

設(shè)計(jì)了自動(dòng)液壓鉗，可實(shí)現(xiàn)油管的自動(dòng)上卸扣，并依據(jù)上卸扣狀態(tài)自動(dòng)切換高低擋位，自動(dòng)控制上扣的扭矩和圈數(shù)，確保管柱螺紋連接質(zhì)量。

4．4 油管自動(dòng)拉送和排放技術(shù)

設(shè)計(jì)了管桿輸送裝置，系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制。在下油管時(shí)實(shí)現(xiàn)從油管橋上舉升單根油管，并將油管輸送到預(yù)定位置；在起油管時(shí)，將起出來(lái)的管柱拉回到水平指定位置，然后將其運(yùn)移到油管橋上并排放好。

4．5 自動(dòng)控制技術(shù)

應(yīng)用了工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)，采用PLC作為核心控制器，通過(guò)工業(yè)總線的方式將現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、處理器、操作觸摸屏結(jié)合起來(lái)形成本裝備的控制系統(tǒng)，操作者只需在駕駛室里就能了解設(shè)備運(yùn)行情況，通過(guò)點(diǎn)擊觸摸屏上的觸控按扭即可實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)。

4．6 防噴濺及回收技術(shù)

在進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)，作業(yè)環(huán)境十分惡劣，管柱中流出來(lái)的油污、泥砂不僅會(huì)損害設(shè)備本身，同時(shí)也對(duì)井口周圍的環(huán)境造成污染。本裝備設(shè)計(jì)了防噴濺及回收裝置，對(duì)油水進(jìn)行有效回收，達(dá)到了保護(hù)設(shè)備及環(huán)境的目的。

5　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在勝利油田東辛采油廠營(yíng)472、萊133斜22、營(yíng)72XN52、營(yíng)12126井進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)修井作業(yè)試驗(yàn)，試驗(yàn)的最大載荷330 k N，作業(yè)最大井深3 016 m，先后完成了檢管檢泵、洗井、沖砂、注水泥等修井工藝。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)表明：該自動(dòng)化修井作業(yè)裝備完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整個(gè)作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了井口無(wú)人化操作，整套裝備性能可靠、運(yùn)行平穩(wěn)，能夠進(jìn)行惡劣氣候下的修井作業(yè)。

6　結(jié)論

1） 油田修井作業(yè)自動(dòng)化裝備實(shí)現(xiàn)了油管的自動(dòng)輸送與排放、自動(dòng)上卸扣等功能，省去了人工摘掛吊環(huán)、搬運(yùn)吊卡、推拉液壓鉗、拉排油管等繁重的工作，可使勞動(dòng)強(qiáng)度降低80%以上，使用本裝備進(jìn)行修井作業(yè)，可以減少操作人員40%。

2） 本裝備利用現(xiàn)代遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)井口操作無(wú)人化，操作者只需在通井機(jī)駕駛室內(nèi)即可完成管柱起下、洗井沖砂等作業(yè)，工傷事故降低95%以上，降低了人身傷害風(fēng)險(xiǎn)。

3） 使用本裝備可改善現(xiàn)場(chǎng)工人的工作環(huán)境，使整個(gè)修井過(guò)程變得更加地清潔、安全、省力。在修井過(guò)程中對(duì)油水的噴灑進(jìn)行有效地收集和密閉回收，從而達(dá)到保護(hù)井口周邊環(huán)境的目的。

4） 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及對(duì)比分析表明，該裝備的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，整機(jī)性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，具有較好的市場(chǎng)前景。

［1］ 常玉連，肖易萍，高勝，等．修井井口機(jī)械化自動(dòng)化裝置的研究進(jìn)展［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（5）：62－67．

［2］ 綦耀光，何金平，謝莫華．影響油田小修作業(yè)效率的原因分析［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（4）：8486．

［3］ 常玉連，姜開勛，樊巖松，等．鉆修井作業(yè)中管柱處理系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展［J］．石油機(jī)械，2012，40（1）：87－90．

［4］ 高勝，劉麗雪，張飄石，等．修井作業(yè)管柱機(jī)械化移運(yùn)裝置設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2013，42（8）：87－90．

［5］ 楊玉生．單吊卡起下油管作業(yè)工藝探討［J］．石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（1）：90－91．

The Research and Field Test for Oilfield Workover Automation Equipment

ZHANG Xiqing1，SHEN Junfang1，MU Zhongliang2，SUNMaosheng3，
WANG Haiqiang3，YU Jidi1，F(xiàn)U Jiye2
（1．Shengji Petroleum Equipment Co．，Ltd．，Dongying 257067，China；2．SIASUN Robot and Automation Co．，Ltd．，Shenyang 110000，China；3．Dongxin Oil Production Plant．Shengli Oilfiled，Dongying 257095，China）

For the situation of labor－intensive，poor working environment and large work risk during workover operation，the oil workover has been successfully developed．The oil workover automation consists of tube rod conveying device，automatic elevator device，wellhead multifunctiondevice，hook guide device，hydraulic and automation control systems．In the development process of equipment，the technical problem of automatically grab and emission column，automatic alignment and positioning，automatic screw or discharge screw and waste preventer were solved．The test results of Shengli Oilfield’s four wells show that this automation equipment is fully achieved work unmanned wellhead and to reduce labor intensity and the risk of personal injury and environmental pollution surrounding the wellhead purpose．

workover rig；automatic control；pipe racking device

TE935

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．09．016

1001－3482（2015）09－0064－04