修井作業(yè)自動化技術(shù)現(xiàn)狀及勝利油田的創(chuàng)新

繆明才，郭子江，范新冉，張 杰

(中國石化股份勝利油田分公司 設(shè)備管理處，山東 東營 257001)

油田修井作業(yè)施工屬于勞動密集型行業(yè)，存在施工環(huán)境惡劣、流動性大、安全隱患多、勞動強(qiáng)度高等特點，決定了修井作業(yè)施工過程中的復(fù)雜性、多變性和危險性。同時，受油區(qū)施工環(huán)境、技術(shù)、投入能力及操作人員技能等制約，國內(nèi)常規(guī)修井作業(yè)的施工操作方式一直沒有太大進(jìn)步。修井作業(yè)設(shè)備的自動化程度落后于鉆井系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步，“安全發(fā)展、清潔生產(chǎn)、以人為本”已成為油田企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主旋律。修井作業(yè)施工機(jī)械化、自動化的呼吁越來越高。

近幾年來，工業(yè)自動化技術(shù)不斷發(fā)展，為油田修井作業(yè)實現(xiàn)自動化生產(chǎn)提供了條件。2006年，中國石油大學(xué)張寶增教授設(shè)計了新型管柱起下裝置。2008年，大慶石油學(xué)院常玉連教授等也提出了新型修井作業(yè)機(jī)械化系統(tǒng)方案設(shè)計的構(gòu)想。沈陽新松機(jī)器人有限公司與勝利油田勝機(jī)公司合作研制了一臺自動修井機(jī)。

筆者的專業(yè)團(tuán)隊在學(xué)習(xí)、吸收前人技術(shù)和成果的基礎(chǔ)上，與勝利油田石油工程研究院、機(jī)械制造公司等技術(shù)人員共同研究了新型管(桿)輸送機(jī)及配套測長技術(shù)、多功能自動吊卡技術(shù)、機(jī)械手技術(shù)、自動液壓鉗技術(shù)，改進(jìn)適應(yīng)井下作業(yè)的動力卡瓦結(jié)構(gòu)等，配套形成修井作業(yè)施工的半機(jī)械化、機(jī)械化、自動化的技術(shù)和裝置，但目前還無法解決抽油桿自動施工問題。

1 機(jī)械化自動化裝備研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外對修井井口操作機(jī)械化的研究起步較早，從20世紀(jì)50年代就開始推廣應(yīng)用各種機(jī)械化起下裝置，目前已具備一定規(guī)模，例如俄、美兩國分別研制出了ACrI綜合機(jī)械化裝置和Autorig修井機(jī)等[3]。圖1是典型的半自動化遙控修井機(jī)系統(tǒng)。

1—油管座；2—卡瓦；3—油管1；4—動力油管鉗；5—排管工；6—操作控制工；7—油管2；8—吊卡；9—游動系統(tǒng)；10—二層臺；11—立根排放器；12—井架；13—操作平臺；14—控制系統(tǒng)；15—車輛；16—井口。

圖2是20世紀(jì)90年代中期,美國懷特公司發(fā)明了一種半自動化遙控修井機(jī)。該修井機(jī)經(jīng)過試驗和改進(jìn)后,已經(jīng)在美國加州的Baker油田使用[1]。這種修井機(jī)的自動化程度高，減少了操作人員，提高了安全性和施工效率。

除自動化修井機(jī)以外，在國外一些油田應(yīng)用更多的是井口作業(yè)機(jī)械化裝置，基本上采用常規(guī)修井機(jī)和“閉式液壓大鉗+自動卡瓦+活門吊卡”組合方式。這種組合裝備不像自動化修井機(jī)那樣復(fù)雜，投資少，應(yīng)用普遍。國外一般是采用管柱立式排放修井模式，與國內(nèi)油田主要以管柱地面橫排的方式有很大區(qū)別，不能直接照搬應(yīng)用于國內(nèi)油田。

a 正視圖 b 側(cè)視圖

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)一些石油機(jī)械廠和石油院校也對修井作業(yè)機(jī)械化裝置進(jìn)行了研究。2006年，中國石油大學(xué)張寶增教授設(shè)計了新型管住起下裝置[4]，如圖3所示。

1—井架；2—吊鉤；3—吊環(huán)；4—筒式吊卡；5—管柱傳送機(jī)械手；6—管柱；7—卡瓦接箍定位器；8—防溢流罩；9—動力卡瓦；10—自封封井器；11—井口法蘭。圖3 中國石油大學(xué)的新型管住起下裝置

2008年，大慶石油學(xué)院常玉連教授等也提出了新型修井作業(yè)機(jī)械化系統(tǒng)方案設(shè)計的構(gòu)想[5]，如圖4所示。

1—井口法蘭；2—動力卡瓦；3—液壓大鉗；4—管柱拉排車；5—扶正機(jī)械手；6—自動吊卡；7—吊環(huán)；8—滑動載體；9—井架；10—自動吊卡導(dǎo)軌；11—底座。

2013年，沈陽新松機(jī)器人有限公司等研制了一臺自動修井機(jī)，利用自動修井裝置和機(jī)器人多動作協(xié)調(diào)控制技術(shù)，在井口無人自動化操作、人機(jī)同步控制等關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破[6]。

以上介紹的修井作業(yè)自動化設(shè)備和技術(shù)方案在理論上可滿足油田修井作業(yè)自動化施工要求，但因?qū)ΜF(xiàn)有作業(yè)設(shè)備改造工作量大，制造和維護(hù)成本高，搬遷、安裝復(fù)雜且周期長等，難以大量配置和推廣應(yīng)用。

近幾年，四機(jī)廠、三一集團(tuán)、濟(jì)南芯樂設(shè)備公司、杰瑞石油裝備公司等國內(nèi)企業(yè)均開發(fā)了不同模式的機(jī)械化作業(yè)裝置，進(jìn)行現(xiàn)場試驗和推廣應(yīng)用。

2 勝利油田修井作業(yè)機(jī)械化和自動化裝備研制情況

勝利油田一直致力于作業(yè)裝備的改造升級和研發(fā)工作，規(guī)?；茝V了不壓井作業(yè)設(shè)備、網(wǎng)電修井機(jī)、液壓蓄能修井機(jī)、快速修井機(jī)等多種新型設(shè)備，使作業(yè)裝備的技術(shù)狀況、安全性能、施工效率都有了很大提高，初步形成了門類齊全、配置合理的作業(yè)裝備體系，同時也積累了豐富的裝備研發(fā)和試驗應(yīng)用經(jīng)驗。

“十二五”初，在分析國內(nèi)外修井作業(yè)施工機(jī)械化、自動化裝置研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合勝利油田的開發(fā)特點、經(jīng)濟(jì)技術(shù)能力、員工技能等實際，成立了修井作業(yè)機(jī)械化、自動化技術(shù)設(shè)備攻關(guān)團(tuán)隊，通過廣泛調(diào)研和實地考察，以現(xiàn)有的修井設(shè)備為主，本著“技術(shù)先進(jìn)、本質(zhì)安全、適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、效益優(yōu)先”原則，開展了多種探索和現(xiàn)場試驗，研發(fā)配套了修井作業(yè)機(jī)械化、自動化技術(shù)系列裝置，探索出適應(yīng)本油田不同環(huán)境、工況、投資條件下修井作業(yè)施工半機(jī)械化、機(jī)械化、自動化裝置的低、中、高端配套標(biāo)準(zhǔn)和模式。目前，已推廣各類裝置150余套，逐步摸索出一套適合國內(nèi)油田實際情況的作業(yè)機(jī)械化、自動化裝置推廣之路。

2.1 修井作業(yè)半機(jī)械化裝置

2.1.1 技術(shù)路線

以“管(桿)輸送機(jī)(液壓動力貓道)+動力卡瓦+機(jī)械吊卡+常規(guī)液壓鉗+操作平臺”為重點內(nèi)容的設(shè)計方案。如圖5所示。

a 配置整體式操作平臺

b 配置自翻轉(zhuǎn)組合式操作平臺

2.1.2 關(guān)鍵技術(shù)及功能

在常規(guī)修井作業(yè)裝置的基礎(chǔ)上，配套管(桿)輸送機(jī)、動力卡瓦、操作平臺、自動排管模塊化裝置，形成了一套簡便實用的半機(jī)械化作業(yè)裝置。

攻關(guān)團(tuán)隊主要研發(fā)的技術(shù)和裝置：

1) 管(桿)輸送機(jī)技術(shù)。將井場油管排上的油管、抽油桿輸送到井口，或?qū)⒕畠?nèi)提出的油管、抽油桿排放至油管排，實現(xiàn)施工過程中油管、抽油桿的自動輸送、井口裝置就位等功能，如圖6所示[7]。

2) 自動排管模塊化技術(shù)。為實現(xiàn)油管的自動排放，進(jìn)行了自動排管模塊化技術(shù)研究，實現(xiàn)井內(nèi)提出油管的逐根自動排放和鉤取，通過具有一定角度的液壓升降排管架來實現(xiàn)油管的重力排放。自動排管模塊包括單根油管分離裝置和3個并列排放的升降式排管架，如圖7所示。

1—單根油管分離裝置；2—升降式排管架。

3) 動力卡瓦技術(shù)?？ㄍ叩膽?yīng)用實現(xiàn)管柱自動卡持懸掛，由常規(guī)作業(yè)中“兩卡一環(huán)”改進(jìn)為“一卡一環(huán)”，改變了井口必須兩人倒換吊卡的傳統(tǒng)操作模式。實際應(yīng)用中，針對常規(guī)動力卡瓦牙對油管本體傷害等問題，優(yōu)化增長了卡瓦本體、改進(jìn)了卡瓦牙結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了卡持能力，降低對油管的傷害。

4) 新型操作平臺技術(shù)。設(shè)計開發(fā)了整體式和自翻轉(zhuǎn)兩類操作平臺。整體式平臺(如圖8a)，安裝在井口大法蘭上，平臺自帶廢液收集裝置(積液排污盒)，回收井口溢流出的油水液，減少環(huán)境污染。自翻轉(zhuǎn)組合式平臺(如圖8b)，整個平臺安裝在作業(yè)井架上，高度可調(diào)，搬家時可隨井架一起搬走，方便快捷。底部設(shè)有集液槽。

a 整體式平臺 b 自翻轉(zhuǎn)組合式平臺

2.1.3 主要優(yōu)勢及存在不足

主要優(yōu)勢：①管(桿)輸送機(jī)，實現(xiàn)管、桿的自動輸送，消除操作人員管(桿)推送、搬運繁重體力勞動；②實現(xiàn)井口施工1人操作(原2人操作)，操作人員僅負(fù)責(zé)吊卡、液壓鉗推送、扶管對中等工作，消除操作人員頻繁更換油管吊卡的工作；③充分利用現(xiàn)有裝備，投入和維護(hù)成本低。對工人技能水平要求不苛刻，適應(yīng)施工簡單、周期短的修井作業(yè)。

存在不足：自動化水平偏低，未能實現(xiàn)井口操作無人化。

2.1.4 應(yīng)用情況

半機(jī)械化作業(yè)裝置2013年初在勝利油田開始現(xiàn)場試驗。截止2018年底，該裝置在勝利油田累計投產(chǎn)150多套，并且已推廣到大慶、遼河、江蘇等國內(nèi)多個油田企業(yè)。

從現(xiàn)場應(yīng)用情況看，該裝置設(shè)計合理、實用性強(qiáng)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了施工安全性?，F(xiàn)場只需進(jìn)行1～2 d的培訓(xùn)工作，即可實現(xiàn)熟練的操控，起下管柱的速度達(dá)40～50根/h，可滿足常規(guī)修井作業(yè)需要。

2.2 修井作業(yè)機(jī)械化裝置

2.2.1 技術(shù)路線

以“管(桿)輸送機(jī)+動力卡瓦+液壓翻轉(zhuǎn)吊卡+液壓鉗+操作平臺” 為重點內(nèi)容的設(shè)計方案。該系統(tǒng)是在原半機(jī)械化裝置基礎(chǔ)上，配套增液壓翻轉(zhuǎn)吊卡，對管(桿)輸送機(jī)技術(shù)升級等。

2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)及功能

液壓翻轉(zhuǎn)吊卡技術(shù)：內(nèi)部裝有一套封閉系統(tǒng)來驅(qū)動吊卡自動打開與關(guān)閉，可實現(xiàn)擺臂功能及90°翻轉(zhuǎn)，通過自動翻轉(zhuǎn)吊卡的方式替代人工推送吊卡實現(xiàn)起下油管。攻關(guān)團(tuán)隊主要開發(fā)第2代管(桿)輸送機(jī)技術(shù)，增加了管(桿)測長、油管絲扣涂潤滑油、絲扣保護(hù)等功能。

2.2.3 主要優(yōu)勢及存在不足

主要優(yōu)勢：①應(yīng)用液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、新型管(桿)輸送機(jī)，實現(xiàn)吊卡自動抓取油管，井口1名操作人員僅負(fù)責(zé)液壓鉗推送、扶管對中等即可完成油管的起、下施工任務(wù)，勞動強(qiáng)度進(jìn)一步降低；②投入低、維護(hù)成本低。該裝置適合各類油水井常規(guī)作業(yè)要求。

存在不足：自動化水平稍低，未能實現(xiàn)井口操作無人化。

2.2.4 應(yīng)用情況

機(jī)械化作業(yè)裝置2017年在勝利油田開始現(xiàn)場試驗，經(jīng)過1 a多應(yīng)用，證明技術(shù)成熟、設(shè)備可靠，已經(jīng)在勝利油田推廣應(yīng)用。

2.3 自動化修井作業(yè)裝置

2.3.1 技術(shù)路線

以“自動管(桿)輸送機(jī)+動力卡瓦+液壓翻轉(zhuǎn)吊卡+自動液壓鉗(鐵鉆工)+扶管對中機(jī)械手+操作平臺” 為重點內(nèi)容的設(shè)計方案。該系統(tǒng)是在修井作業(yè)機(jī)械化基礎(chǔ)上，配套增加自動液壓鉗、扶管對中機(jī)械手等裝置，通過集中操作控制，實現(xiàn)井口無人自動化施工。

2.3.2 關(guān)鍵技術(shù)及功能

1) 多功能自動吊卡技術(shù)[8]。主要由多功能吊卡、井架天車、剛性導(dǎo)軌、游車大鉤等組成的多功能自動吊卡技術(shù)，實現(xiàn)作業(yè)過程中吊卡自動懸吊油管、起下過程中油管自動扶正、對中以及沖砂、鉆磨銑作業(yè)過程中的管柱旋轉(zhuǎn)及井液循環(huán)等功能。

2) 自動液壓鉗技術(shù)。引進(jìn)與研發(fā)結(jié)合，開發(fā)形成了自動液壓鉗技術(shù)和裝置，包括液壓鉗總成、能移動的擺送總成和支撐所需擺送總成的卡裝機(jī)構(gòu)。

3) 接送扶管機(jī)械手技術(shù)。為了實現(xiàn)油管的接送及高效，精準(zhǔn)地完成機(jī)械化井口扶正對中工作，開發(fā)了接送管機(jī)械手。包括鉸接支架、扶正臂、電磁頭、液壓缸。

勝利油田研發(fā)的自動化修井裝置主要由管(桿)輸送系統(tǒng)、自動吊卡、井口多功能卡座(鐵鉆工)、大鉤導(dǎo)向裝置、液壓及自動化監(jiān)控系統(tǒng)等組成。如圖9所示。

圖9 自動化修井裝置主要組成部件

2.3.3 主要優(yōu)勢及存在不足

主要優(yōu)勢：①自動化水平高，可實現(xiàn)井口無人化操作；②可大大降低操作人員勞動強(qiáng)度和用工量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

存在不足：①投入高；②設(shè)備安裝、維護(hù)、保養(yǎng)工作量大；③未能解決抽油桿無人化施工問題。

2.3.4 應(yīng)用情況

該裝置于2018年在勝利油田多井進(jìn)行了現(xiàn)場修井作業(yè)試驗，試驗的最大載荷330 kN，作業(yè)最大井深3 000 m以上，先后完成了檢管、檢泵、洗井、沖砂、注水泥等多種油水井修井工藝。

通過現(xiàn)場作業(yè)試驗表明，本裝備利用遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控技術(shù)，操作者只需在作業(yè)機(jī)駕駛室內(nèi)即可實現(xiàn)整個作業(yè)過程油管的自動輸送與排放、自動上卸扣等功能，省去了大量繁重的操作工序，實現(xiàn)設(shè)備本質(zhì)安全。適合長周期、復(fù)雜工序修井作業(yè)施工。

勝利油田經(jīng)過近5 a多的不斷研發(fā)、推廣和規(guī)模現(xiàn)場應(yīng)用，形成了修井作業(yè)低、中、高端配套標(biāo)準(zhǔn)和模式，初步實現(xiàn)“以機(jī)替人”工作目標(biāo)。

1) 減輕職工勞動強(qiáng)度。全面推廣修井作業(yè)“以機(jī)替人”工程，消除常規(guī)修井作業(yè)施工中油管(套)桿的抬、拉、送、排放、上卸扣等施工過程人工勞動強(qiáng)度。

2) 提高生產(chǎn)率。常規(guī)修井作業(yè)施工，一個班組需要4～6人。全面推廣修井作業(yè)“以機(jī)替人”工程，可降低30%以上勞動用工，勞動生產(chǎn)率提高30%以上。

3) 提升作業(yè)現(xiàn)場HSE管理水平。全面推廣修井作業(yè)“以機(jī)替人”工程，施工過程中重點安全隱患環(huán)節(jié)依靠機(jī)械設(shè)備完成，最大程度避免人與機(jī)械裝置、管柱等直接接觸，提高安全保障能力。配備平臺排污積液收集裝置，實現(xiàn)了對修井過程中油水污液的收集與排出，機(jī)械化作業(yè)系統(tǒng)配備有整體式管柱排放裝置，可以自行收集管柱中的廢油、廢液，避免環(huán)境污染，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

3 結(jié)語

修井作業(yè)是油田開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，全面實施修井作業(yè)“以機(jī)替人”工程，對改善修井工人遠(yuǎn)離惡劣的工作環(huán)境，提高作業(yè)施工安全性和修井效率，減輕工人勞動強(qiáng)度、提高效益必將發(fā)揮巨大作用。勝利油田將在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升設(shè)備的技術(shù)水平和運行質(zhì)量，力爭“十三五”末為油田所有作業(yè)隊配齊各類型作業(yè)機(jī)械化裝置，為今后實現(xiàn)修井作業(yè) “以機(jī)替人”目標(biāo)奠定了堅實的基礎(chǔ)。