常規(guī)小修修井機的自動化改造與配套

鄧世彪　王群章　宋華遠(yuǎn)　楊吉勝　劉華雄

摘 要：目前油水井小修作業(yè)起下管柱主要依靠人工操作，存在勞動強度大、勞動效率低、安全風(fēng)險高等問題。通過對現(xiàn)有常規(guī)小修修井機開展自動化配套改造，完成修井作業(yè)時油管上下橋與上卸扣的自動化操作，實現(xiàn)井口無人化作業(yè)，改善小修作業(yè)條件，削減安全風(fēng)險，降低勞動強度，提高勞動效率，實現(xiàn)小修作業(yè)安全、輕便、高效施工，具有較好的推廣應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：小修;修井機;自動化;配套;改造

油水井小修作業(yè)主要是利用小修作業(yè)設(shè)備從事油水井的檢泵、換封、沖砂、打撈、措施增產(chǎn)、封堵封串、水井換封、油水井測試、調(diào)配、新投等，分為維護、措施和新投作業(yè)施工，特點是作業(yè)周期短、轉(zhuǎn)場頻繁。是保證油水井正常高效運轉(zhuǎn)的重要措施。

常規(guī)小修修井機自動化程度普遍較低，小修作業(yè)每班最少需4人，即：司鉆1人、井口工2人、地面工1人，作業(yè)時依靠工人操作，作業(yè)人員勞動強度大、安全風(fēng)險高，作業(yè)環(huán)境惡劣。隨著我國大多數(shù)的油田都已經(jīng)進(jìn)入中、后期開采階段，各類油水井維護和措施逐步增多，油田小修作業(yè)工作量的日益增加，人員老齡化日趨嚴(yán)重，施工人員的勞動強度和安全風(fēng)險日益加大，因此，對常規(guī)修井機技術(shù)提升和自動化改造配套越來越成為業(yè)界人士的共識。

河南油田在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，本著安全、高效、簡單、實用的原則，對現(xiàn)有的1臺XJ250型修井機開展自動化升級改造與配套，實現(xiàn)小修作業(yè)起下油管的井口無人操作作業(yè)，從而達(dá)到削減作業(yè)安全風(fēng)險、減輕操作人員勞動強度、提升作業(yè)時效的目的。

1 自動化改造與配套的原則

①不額外增加液壓動力源;②滿足原修井機低井架作業(yè)空間;③集成于主機，周期短，設(shè)備安裝搬家方便;④自動化與常規(guī)作業(yè)可相互切換，保持原機常規(guī)作業(yè)性能;⑤設(shè)備安全、可靠、簡捷、實用;⑥自動化作業(yè)起下油管桿速度達(dá)到25-30根/h。

2 自動化改造與配套的總體方案

利用現(xiàn)有的常規(guī)XJ250修井機開展自動化改造與配套，主要包括井口處理系統(tǒng)、地面輸送系統(tǒng)、集成控制系統(tǒng)三部分組成。

3 自動化改造與配套

3.1 井口處理自動化系統(tǒng)的改造與配套

主要是在現(xiàn)有的液壓鉗、吊卡、卡瓦等設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過研制開發(fā)配套自動液壓鉗、扶正機械手、液壓翻轉(zhuǎn)吊卡、氣動卡瓦等裝置，具備油管桿的自動抱緊與釋放、自動扶正、自動上卸扣等功能，實現(xiàn)了井口的無人作業(yè)。

3.1.1 自動液壓鉗

主要功能：用于實現(xiàn)油管桿的上卸扣作業(yè)，將管柱由單根連接為多根或由多根拆卸為單根。通過液壓控制來實現(xiàn)鉗體的前后、上下移動，以及液壓鉗的正反轉(zhuǎn)與高低轉(zhuǎn)速切換，通過更換鉗牙可適應(yīng)不同規(guī)格的油管桿作業(yè)，并配套有自動防噴桶，可滿足清潔生產(chǎn)的要求（見表1）。

3.1.2 扶正機械手

主要功能：用于實現(xiàn)管柱的精確對中及將管柱平穩(wěn)推送至動力貓道上。通過控制系統(tǒng)對液壓缸的精確控制，確保機械手在井口、動力貓道位置的定位，實現(xiàn)油管在井口附近的無人化傳遞（見表2）。

3.1.3 液壓翻轉(zhuǎn)吊卡

主要功能：用于管柱的提升與下放作業(yè)，卡是一種側(cè)開式、主體可翻轉(zhuǎn)、補芯可更換的全自動翻轉(zhuǎn)吊卡，采用電氣與液壓控制，吊卡本體可實現(xiàn)0-90°范圍內(nèi)的自由旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同油管角度吊卡的扣合。同時采用機械、液壓自鎖和電液互鎖等多種安全措施，可滿足自動化作業(yè)、遠(yuǎn)程操控的安全要求（見表3）。

3.1.4 氣動卡瓦

主要功能：用于實現(xiàn)管柱在井口的自動卡持。通過法蘭連接在卡瓦座上，通過支撐板支撐卡瓦本體，氣缸活塞桿及導(dǎo)向桿與支撐盤固定連接，通過氣體控制按鈕控制氣缸的伸縮從而達(dá)到控制卡瓦體沿卡瓦座錐面運動，下行為抱管，上行為松開。達(dá)到油管抱緊與釋放的目的，氣動卡瓦與大鉤、液壓鉗工作時連鎖，保證施工安全（見表4）。

3.2 地面輸送自動化系統(tǒng)的改造與配套

傳統(tǒng)的修井作業(yè)井場設(shè)置有管橋架作為放置油管桿的支架，油管桿的運移及上下管橋依靠人工操作，工作效率低、勞動強度大。通過液壓自動貓道等裝置，解決油管桿移運、上下管橋的問題，實現(xiàn)油管桿自動上下橋等作業(yè)。

主要功能：實現(xiàn)油管桿的自動上料、自動輸送及油管桿的回接、下料等作業(yè)工序。其中自動上下料工序通過自動翻轉(zhuǎn)機構(gòu)的機械抓手與液壓頂升缸實現(xiàn)，通過隨動機構(gòu)的油管小滑車實現(xiàn)油管桿的前后自動傳輸，油管桿的送料主要通過抬升機構(gòu)的起升進(jìn)行，實現(xiàn)與井口自動化裝置的銜接與配合;配有遠(yuǎn)程操控遙控器，可實現(xiàn)100m內(nèi)的遙控操作，同時通過集成相關(guān)傳感器，可實現(xiàn)油管自動測長，且具備自動計數(shù)、修改參數(shù)、打印報表等功能（見表5）。

3.3 集成自動化控制系統(tǒng)的改造與配套

為了實現(xiàn)修井作業(yè)的一體化自動操控，在原主機液氣電控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點對司鉆臺進(jìn)行改造。利用主機集成的優(yōu)勢，將自動液壓鉗、扶正機械手集成于主機，液壓自動貓道與主機聯(lián)動，操作系統(tǒng)采用圖形化界面、流程化操作，具有一鍵操作、自動定位等功能，自動化程度高，安全可靠。

集成控制系統(tǒng)主要由司鉆操作臺、管桿控制箱與貓道控制箱組成，采用Profinet總線將3個1200PLC和HMI聯(lián)接起來實現(xiàn)協(xié)同工作。其同時具備綜合監(jiān)控、聯(lián)動報警與安全防護等功能，有效確保了系統(tǒng)的可靠運行。

結(jié)構(gòu)組成：集成司鉆箱主要有主滾筒控制閥、自動液壓鉗控制組合閥組、氣動卡瓦控制閥、扶正機械手控制閥、自動翻轉(zhuǎn)吊卡控制閥組等控制裝置組成，并在上部安裝有綜合監(jiān)控屏、電子指重表、發(fā)動機溫度表和系統(tǒng)氣壓表等，便于對整套裝置進(jìn)行監(jiān)控、設(shè)置等，實現(xiàn)安全生產(chǎn)。

主要功能：根據(jù)液氣壓傳動原理、電氣控制原理、電磁感應(yīng)原理及人體結(jié)構(gòu)學(xué)原理，司鉆操控集成化的司鉆控制箱，可實現(xiàn)作業(yè)過程的自動化操控。

操作主滾筒控制閥可實現(xiàn)提升系統(tǒng)的提升、下放、緊急剎車的工作與釋放，防碰裝置的工作與復(fù)位等。

操作自動翻轉(zhuǎn)吊卡控制旋鈕，通過電磁閥動作帶動相應(yīng)液壓閥桿的運動，閥件工作使翻轉(zhuǎn)液缸伸縮，帶動拉桿及拐臂，可實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)吊卡的翻轉(zhuǎn)，司鉆操作吊卡活門控制旋鈕，通過電磁閥動作帶動相應(yīng)液壓閥桿的運動，閥件工作使活門液缸伸縮，帶動活門轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)吊卡活門的打開與關(guān)閉，由順序閥工作，帶動安全門液缸伸縮，可實現(xiàn)安全門的關(guān)閉與打開，確?；铋T在承載情況下不被打開，實現(xiàn)本質(zhì)安全。

操作氣動卡盤旋鈕通過氣壓傳動，帶動氣缸連桿聯(lián)動卡瓦抱緊裝置的舉升和降落，可實現(xiàn)鉆桿釋放、利用鉆桿自重實現(xiàn)抱緊功能。

操作自動液壓鉗控制手柄，通過電磁閥動作帶動相應(yīng)液壓閥桿的運動，可實現(xiàn)液壓鉗伸縮和高低調(diào)整。

操作扶正機械手控制踏板，通過電磁閥動作帶動相應(yīng)液壓閥桿的運動，可實現(xiàn)扶正機械手伸縮缸伸縮。配合監(jiān)控參數(shù)設(shè)置，可實現(xiàn)一鍵到位功能。

4 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

4.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

河南油田于2019年7月完成1臺XJ250修井機的自動化改造與配套，通過對該機的現(xiàn)場使用，不斷整改和完善其配套裝置、操控性能、安全性能、作業(yè)效率及人機操控適應(yīng)性等性能，截止2020年7月，已連續(xù)施工3個月，累計完成油水井作業(yè)22井次，整機性能穩(wěn)定，運行安全可靠（見表6）。

4.2 應(yīng)用效果

①實現(xiàn)井口無人化操作，大大降低作業(yè)人員的安全風(fēng)險和勞動強度;②起下管柱速度達(dá)30-45根/h，滿足作業(yè)工藝技術(shù)和井控安全要求;③班組直接作業(yè)人員由4人減少至2人。

5 結(jié)論與認(rèn)識

①通過對現(xiàn)有修井機實施改造與配套，實現(xiàn)了油管桿的自動起下和傳送等工序，通過液壓及電、氣系統(tǒng)控制，集中設(shè)置控制平臺來達(dá)到了平臺管理，自動化操作的目的;②自動化改造配套后的修井機經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用驗證，可滿足常規(guī)油水作業(yè)工藝、安全操控及井控安全要求，同時可減輕人員勞動強度，提高勞動效率，具備較好的經(jīng)濟效益與社會效益;③該套自動化裝置具有投資少，見效快的特點，在不影響其他功能的情況下，可充分利用現(xiàn)有常規(guī)小修修井機開展自動化升級改造與配套，提升修井裝備進(jìn)行技術(shù)性能。

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作者簡介：

鄧世彪（1967- ），男，高級工程師，從事采油機械技術(shù)研究與應(yīng)用工作。