自動化修井機(jī)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

李 龍

（大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

現(xiàn)今，我國的油田修井作業(yè)主要是小修作業(yè)，此項作業(yè)在所有作業(yè)的占比高達(dá)85%。進(jìn)行小修井作業(yè)方面，涉及最多的操作為起、下鉆操作。對于傳統(tǒng)修井機(jī)作業(yè)而言，需要4 名工作人員配合、輪流交換開展，從事此項工作的人員需要具備較高的技術(shù)水平，同時處于惡劣的工作環(huán)境內(nèi)，工作人員除了要面對高強(qiáng)度勞動，還要應(yīng)對高危險，所以，油田修井機(jī)的自動化以及機(jī)械化，被視為當(dāng)前與今后一段時期內(nèi)修井機(jī)領(lǐng)域研發(fā)的核心內(nèi)容。在油田修井機(jī)自動化與機(jī)械化發(fā)展方面，我國相較于大多數(shù)的國家發(fā)展較為滯后，我國現(xiàn)今的修井機(jī)絕大多數(shù)依然處在人工操作、半自動化水平。歷經(jīng)多年的積極研究和實踐，一些具備系統(tǒng)集成化、自動化與機(jī)械化的設(shè)備已開始被作為創(chuàng)新傳統(tǒng)修井機(jī)之用，同時逐漸推行于油田現(xiàn)場。

1 國外當(dāng)前自動化修井機(jī)發(fā)展?fàn)顩r分析

在傳統(tǒng)修井作業(yè)方面，管柱的起、下、卸操作所用時間在總作業(yè)時間中的占比為70%，這些作業(yè)都是在人工輔助下完成的，如此導(dǎo)致修井作業(yè)效率的大幅下降，所以，國內(nèi)與國外修井機(jī)在自動化發(fā)展方面將重點放在了管柱處理系統(tǒng)自動化發(fā)展上。在20 世紀(jì)中期，Louis Witte 與James Hansenyu 這兩位研究熱源研發(fā)出一類半自動化遙控修井機(jī)，此類修井機(jī)具備簡捷的構(gòu)造且自重相對減輕，但在作業(yè)范圍上較為有限，無法開展大修作業(yè)，僅可勝任小修作業(yè)。借助此類修井機(jī)實施修井作業(yè)時，只需要于井口處配制2 名工作人員就能夠完成整個修井任務(wù)。在之后的兩年內(nèi)，通過對此類修井機(jī)實施不斷優(yōu)化改進(jìn)，使其能夠于兩年后正式推行于油田機(jī)修中。美國Oilfield Innovators Limited 公司于1998年成功研發(fā)出PAL 管柱自動傳送系統(tǒng)，此系統(tǒng)以四邊形平行移動機(jī)構(gòu)原理為基礎(chǔ)，能夠成功完成管柱處理操作。此系統(tǒng)擁有諸多功能，包括管柱的撥動翻轉(zhuǎn)以及傳送舉升，同時再結(jié)合遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)對管柱的精準(zhǔn)化、快速化移運操作。受到管柱處理作業(yè)自動化與機(jī)械化的實現(xiàn)，鉆修井作業(yè)周期得以縮減，相關(guān)工作人員的勞動強(qiáng)度也有所下降，同時鉆修井作業(yè)的安全性也得以提升。1999年，美國Horizontal Well Drillers公司成功研發(fā)并制造出一類通過大型機(jī)械臂實施管柱抓取作業(yè)的大臂旋轉(zhuǎn)移送型管柱處理系統(tǒng)。因為此系統(tǒng)未設(shè)置滑輪以及吊升設(shè)備，當(dāng)進(jìn)行移送管柱操作時，一定要于井架一側(cè)留出一定高度的開口。但是，縱觀當(dāng)前國外自動化修井機(jī)狀況可以發(fā)現(xiàn)，研制的諸如鉆臺面擺管機(jī)器人、大修修井機(jī)二層臺自動排管設(shè)備等，此類自動化修井設(shè)備現(xiàn)今尚未實現(xiàn)規(guī)模性推行。

2 國內(nèi)當(dāng)前自動化修井機(jī)狀況分析

在常規(guī)修井機(jī)方面，我國在設(shè)計制造技術(shù)逐漸朝完善下發(fā)展，然而在自動化、節(jié)能環(huán)保、信息化以及人性化方面，相較于國外，我國依然停留于起步時期。在自動化修井機(jī)的研發(fā)和開發(fā)上，我國起步較晚，基礎(chǔ)較為薄弱，同時用于修井的設(shè)備更新速度較低，如此對我國現(xiàn)今油田修井機(jī)性能提升造成極大制約，同時也阻礙了我國石油開采進(jìn)度。近幾年內(nèi)，我國在修井用地面管柱處理技術(shù)方面取得了較大成果，已經(jīng)實現(xiàn)了小規(guī)模推行。在二層臺管柱處理技術(shù)方面，成功研究并開始應(yīng)用于實踐中，再加上配套的自動化修井工具的應(yīng)用，表明我國自動化油田修井機(jī)現(xiàn)已邁入現(xiàn)代化修井作業(yè)的時期。具體發(fā)展現(xiàn)狀包括如下4 個方面。

2.1 修井機(jī)部件自動化發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，在修井機(jī)部件自動化研發(fā)與制造方面，我國部分廠家已實現(xiàn)了快速發(fā)展，集中顯示于管柱處理的自動化方面。當(dāng)前致力于研發(fā)推廣二層臺自動排管設(shè)備的幾大廠家包括中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司、遼河新松機(jī)器人自動化股份有限公司、山東杰瑞有限公司以及三一重工有限公司等。在自動貓道生產(chǎn)方面，主要廠家有中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司、天津市東方先科石油機(jī)械有限公司、南陽二機(jī)石油裝備有限公司、中原銳實達(dá)石油裝備有限公司、中原特種車輛有限公司、三一重工有限公司以及勝利勝動集團(tuán)等。這些廠家中，在油田修井用輕便型、小型管柱處理系統(tǒng)研究與開發(fā)領(lǐng)域，勝利勝動集團(tuán)始終發(fā)揮著主導(dǎo)性作用，它比其他廠家較早開始進(jìn)行修井作業(yè)用動力貓道的開發(fā)，并且已生產(chǎn)出系列產(chǎn)品，被廣泛用于我國各油田作業(yè)中。包括液壓油管鉗、自動吊卡等在內(nèi)的其他自動化工具種類極為多樣，技術(shù)逐漸成熟，大量生產(chǎn)制造機(jī)構(gòu)在生產(chǎn)方面已具備了相應(yīng)條件。

2.2 自動化修井機(jī)集成控制系統(tǒng)研發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)狀

保守液壓控制系統(tǒng)實現(xiàn)途徑為繼電器—接觸器，不易維護(hù)，且不具備良好可靠性，自動化水平低。近幾年，液壓系統(tǒng)和PLC控制的聯(lián)合應(yīng)用，極大促進(jìn)了修井機(jī)自動化水平的提升，在修井機(jī)集成控制方面獲得大量推行。我國大部分自動化修井機(jī)升級改造自傳統(tǒng)修井機(jī)，在控制系統(tǒng)上，修井機(jī)自動化單元和修井機(jī)自身是獨立的，兩系統(tǒng)間無法進(jìn)行信息的傳遞，存在設(shè)備間發(fā)生碰撞可能性。所以，需要對諸多獨立的控制系統(tǒng)實施集成處理，使得各系統(tǒng)間能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享，進(jìn)而促進(jìn)自動修井機(jī)可靠性以及安全性的提升。在研發(fā)以及實踐推行自動化修井機(jī)整機(jī)集成控制系統(tǒng)方面，當(dāng)前國內(nèi)具備較高技術(shù)實力的企業(yè)為中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司、山東杰瑞有限公司以及三一重工有限公司。

2.3 當(dāng)前自動化修井機(jī)動力源選擇狀況

我國現(xiàn)今所應(yīng)用的修井機(jī)中90%者動力源選用的為柴油機(jī)，此動力源易導(dǎo)致環(huán)境污染，且投入資金較高。所以，研發(fā)在動力源方面具備節(jié)能性、環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)的修井機(jī)成為現(xiàn)今關(guān)注主流。我國先后研發(fā)出動力源為電力的網(wǎng)電修井機(jī)、動力源為電機(jī)驅(qū)動液壓泵的修井機(jī)，還有混合動力修井機(jī)。其中，早在1992年就提出了動力源為電機(jī)驅(qū)動液壓泵的修井機(jī)，此類修井機(jī)具備高效性、節(jié)能性、環(huán)保性以及安全性。但受到當(dāng)時制造技術(shù)較低的限制，直至2012年首代液壓蓄能修井機(jī)樣機(jī)方由孚瑞特石油裝備有限責(zé)任公司制造出來。同一時期，動力源為電力的修井機(jī)由于油田現(xiàn)場天氣與電網(wǎng)容量的不利影響，未實現(xiàn)廣泛應(yīng)用。鑒于以上諸多原因，在中原特車公司努力下，油—電混合動力修井機(jī)應(yīng)運而生，對比單一動力源類型的修井機(jī)，此類修井機(jī)擺脫了天氣、井場電網(wǎng)容量的約束，可基于工況進(jìn)行動力源的隨時切換。

2.4 自動化修井機(jī)當(dāng)前研制推廣狀況分析

2010年，我國首臺自動化修井機(jī)在遼河油田興隆臺工程技術(shù)處努力下研制成功，此修井機(jī)的重大突破體現(xiàn)在控制、人機(jī)同步運動這兩個方面，可實現(xiàn)搶噴、甩管、自主上卸扣作業(yè)。然而由于在成本、安全性以及技術(shù)等方面有所不足，導(dǎo)致其尚沒有廣泛推行。2016年，通過模塊化設(shè)計方法，山東勝利石油裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院成功研制出型號為XJ300/600 DYZ 的全自動智能液壓修井機(jī)，此修井機(jī)對小噸位修井作業(yè)適用。ZXJ-675 是當(dāng)前我國最具現(xiàn)代化的全自動修井機(jī)，其首次應(yīng)用是2018年在江蘇油田，極大地推動了國內(nèi)自動化修井機(jī)研制發(fā)展。2019年，第一臺智能自動化修井機(jī)于中石化西北油田投入現(xiàn)場應(yīng)用。

3 自動化修井機(jī)的未來發(fā)展趨勢

3.1 對于節(jié)能性、環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)性的重視程度更高

鑒于我國逐漸重視節(jié)能減排，同時國際油價一直不斷波動，如果油田用修井機(jī)的驅(qū)動方式選擇液壓動力式、純電力式與油電雙驅(qū)式，能夠獲得確切的節(jié)能效果，同時不會造成明顯污染。

3.2 更加追求機(jī)械化、模塊化、智能化以及自動化

對于常規(guī)修井機(jī)而言，其每個部位均是互相獨立的，無法實現(xiàn)信息共享與流通，在修井機(jī)技術(shù)日漸提升背景下，集合現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、監(jiān)控儀表，由此構(gòu)建一個標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)成為今后的發(fā)展方向。機(jī)械作業(yè)取代人工作業(yè)，依托計算機(jī)達(dá)成各部位信息共享和整合目的，促進(jìn)修井機(jī)智能化操作目標(biāo)的實現(xiàn)，由此提升作業(yè)效能，同時使作業(yè)成本減少。此外，通過模塊化設(shè)計的應(yīng)用，能夠提升運移速度，使裝卸操作簡單化。

3.3 逐步實現(xiàn)遠(yuǎn)程、無人修井

在人工智能、計算機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大幅發(fā)展背景下，各個領(lǐng)域均開始大量推行智能化技術(shù)。今后油田自動化修井機(jī)技術(shù)日漸完善后，得益于諸多創(chuàng)新型技術(shù)在修井設(shè)備上積極推行，包括修井裝備數(shù)字化技術(shù)、遠(yuǎn)程操控技術(shù)、在線診斷技術(shù)等，未來修井作業(yè)會實現(xiàn)井口智能化、無人化作業(yè)。

4 結(jié)論

進(jìn)入21 世紀(jì)后，世界范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)呈高速式發(fā)展，對于石油能源的需求逐漸增大，油氣資源儲量卻在逐漸下降，同時作業(yè)機(jī)構(gòu)人工成本與減員增效要求逐漸提升，世界范圍內(nèi)的各大石油企業(yè)隨之加大了石油勘探和開采力度，修井作業(yè)市場前景良好，全球修井?dāng)?shù)量以及修井機(jī)應(yīng)用量等均呈上升式發(fā)展。現(xiàn)今，各油田在井下作業(yè)員工數(shù)量方面普遍存在不足問題，減少單臺作業(yè)裝置操作人員，除了可使設(shè)備使用成本下降，還可使設(shè)備的實際開工率得到保障，對于油田井下作業(yè)質(zhì)量也起到積極作用。作為一類新型修井機(jī)技術(shù)，自動化修井機(jī)能夠促進(jìn)修井工作人員作業(yè)安全性提升，還可以減少工作人員的勞動強(qiáng)度。此外，自動化修井機(jī)憑借自身可靠性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性以及高效運移性方面的突出表現(xiàn)，在當(dāng)前倡導(dǎo)清潔生產(chǎn)、安全生產(chǎn)、以人為本的社會背景下，必然會在未來石油開采領(lǐng)域占據(jù)核心地位。