新型自動化修井工藝配套裝置研究*

李緯 孫連會 陳輝

(中國石油天然氣股份有限公司華北油田分公司)

0 引 言

近幾年來，國內(nèi)石油裝備制造企業(yè)及油田對與修井機(jī)配套的自動化設(shè)備開展了較為廣泛的研究[1-5]，研發(fā)了部分自動化裝置，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。但由于修井作業(yè)工況變化較大、作業(yè)周期短、搬遷頻繁、井內(nèi)管柱和工具種類繁雜，所以配套設(shè)備存在現(xiàn)場適用性差、效率低、成本高、故障率高等問題，如一般油井檢泵修井作業(yè)只需要3～4 d即可完成，但有的自動化裝備安裝調(diào)試就需要1 d，拆除該裝置又需要1 d，大大增加了占井周期和施工成本；有的裝置對井場條件要求高，難以在叢式井或較狹小井場使用；有的配套設(shè)備對清潔環(huán)保重視不夠，需配地面污染源處理材料、車輛，增加了施工費(fèi)用；大部分裝置價格較高，推廣難度大。

鑒于此，筆者研制了新型自動化修井工藝配套裝置。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)全過程控污，對管桿上部、下部、井口周圍、滑道下部所產(chǎn)生的污染點(diǎn)進(jìn)行控消，用自動化操作方式代替人工手動操作方式，安裝簡便，實(shí)現(xiàn)了井內(nèi)管柱定點(diǎn)卡持[6-11]，管柱自動輸送[12-14]，并滿足井控安全要求，實(shí)現(xiàn)了井口單人操作[15-18]，提高了作業(yè)效率，大幅減輕了工人勞動強(qiáng)度，集成了井下修井作業(yè)工藝方法，從本質(zhì)上改變了傳統(tǒng)井下作業(yè)工藝過程，實(shí)現(xiàn)了清潔環(huán)保高效作業(yè)，具有很高的現(xiàn)場推廣應(yīng)用價值。

1 修井配套裝置總成

1.1 總體結(jié)構(gòu)

新型自動化修井工藝配套裝置、作業(yè)工人操作分工及位置分別如圖1和圖2所示。配套裝置包括清潔作業(yè)平臺、管桿卡持對中及防污液噴濺裝置、液控旋轉(zhuǎn)吊臂、吊環(huán)擺幅、吊卡翻轉(zhuǎn)及自動開關(guān)裝置、環(huán)保管桿舉升輸送裝置等5個主要裝置。從修井機(jī)的發(fā)動機(jī)取力，利用優(yōu)化升級的液控、氣控和電控操作方式，達(dá)到了井口司鉆1人，平臺操作1人，場地取收管柱1人的單人操作目的。

圖1 修井機(jī)配套裝置現(xiàn)場布局Fig.1 On-site layout of auxiliary equipment of workover rig

圖2 作業(yè)工人操作分工及位置Fig.2 Operational division and location of workers

1.2 工作原理

新型自動化修井工藝配套裝置采用全過程控污技術(shù)，可使井內(nèi)起出油管和抽油桿帶出污液不落地。采用液控、氣控和電控操作方式，可縮短井控?fù)寚娍偝砂惭b時間，實(shí)現(xiàn)快速封井。實(shí)現(xiàn)井口單人操作，排除單吊環(huán)等安全事故隱患，降低安全風(fēng)險，減輕現(xiàn)場員工修井作業(yè)過程中的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)全過程的清潔環(huán)保高效作業(yè)。

井口操作以清潔作業(yè)平臺為基礎(chǔ)，將起下作業(yè)帶出的液體回流至油套環(huán)空或輸送至井場液池，實(shí)現(xiàn)液體不落地。平臺上部安裝管桿卡持對中及防污液噴濺裝置、液控旋轉(zhuǎn)吊臂、搶噴總成等機(jī)構(gòu)，井口單人操作即可完成起下管柱及搶噴井控。場地安裝環(huán)保管桿舉升輸送裝置，通過無線遙控實(shí)現(xiàn)單根管柱的起下和輸送，管柱下部滴落液體全部回收至輸送裝置尾集液箱，可使滑道下部液體不落地。修井機(jī)游車大鉤安裝吊環(huán)擺幅、吊卡翻轉(zhuǎn)及自動開關(guān)裝置，自動完成吊環(huán)和吊卡的所有動作，配合井口操作工人完成起下管柱。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

(1)清潔作業(yè)平臺承載能力≥10 kN；中心連接短節(jié)承載能力≥600 kN，且適用油田250型、350型井口四通或SFZ18-21手動閘板防噴器法蘭安裝。

(2)井口4 m2范圍內(nèi)噴濺污液回收率≥95%，不會出現(xiàn)單根管柱卸扣后產(chǎn)生的液體噴濺污染。

(3)液壓鉗液壓旋轉(zhuǎn)吊臂承載能力≥3 kN。

(4)井口液體自動回收裝置的管柱內(nèi)液體回收率≥95%以上，回收能力≥30 L。

(5)管柱定點(diǎn)懸掛及吊環(huán)擺幅裝置的管柱卡持能力≥600 kN，吊環(huán)擺幅及吊卡翻轉(zhuǎn)裝置擺幅助力≥1 kN。

(6)環(huán)保油管、抽油桿自動輸送裝置具備液體回收功能，油管、抽油桿自動輸送裝置舉升能力≥2 kN，舉升高度≥3.5 m，推送長度≥3 m，滑道下部滴落液體回收率達(dá)到98%以上。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 清潔作業(yè)平臺

2.1.1 清潔作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)

清潔作業(yè)平臺主要作用是承載井口作業(yè)工，具有防污、起下、井控?fù)寚?、液壓鉗吊裝、油管和抽油桿上卸扣、管桿卡持等功能，滿足井口4 m2范圍內(nèi)的控污要求。液壓操作尺寸為2 200 mm×2 200 mm，井口中心承重區(qū)采用浮動設(shè)計(jì)，可圍繞井口中心半徑300 mm活動；液壓升降機(jī)構(gòu)高度方向活動范圍500～1 700 mm，可拆卸結(jié)構(gòu)可滿足任意井口高度作業(yè)要求；臺面上部預(yù)留安裝防噴總成放置架，平臺下部預(yù)留懸吊井口頂絲及防噴器開關(guān)工具，方便關(guān)閉頂絲和防噴器，提高搶噴效率；操作平臺配備上下扶梯和逃生滑道，保證操作工人安全。該平臺可在除修井機(jī)側(cè)的3個方向開展油管桿起升和下放作業(yè)，井場適應(yīng)性強(qiáng)，如圖3所示。

2.1.2 隨車托架

清潔作業(yè)平臺除了獨(dú)立吊裝，還可通過隨車托架運(yùn)輸并安裝。隨車托架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

隨車托架由固定連接板、懸掛軌道架、游動支撐架、水平軌道架、收起液缸、升降液缸、軸銷、鉸鏈、鏈條、鏈輪和螺栓等組成。

隨車托架水平軌道架上有兩根平移軌道梁,平移軌道梁通過軌道箍套能在水平軌道架上左、右水平移動，可使坐落在平移軌道梁上部的清潔作業(yè)平臺左、右平移調(diào)整位置，如圖5所示。當(dāng)水平軌道架向內(nèi)旋轉(zhuǎn)收起后，可帶著井口操作平臺固定在修井機(jī)的尾部，起到快速收起和方便運(yùn)輸?shù)淖饔谩?/p>

1—定位法蘭體；2—底法蘭盤；3—中心筒體；4—引流管；5—正方框體；6—第1銷座組；7—第1定位銷；8—圍欄；9—第2銷座組； 10—第3銷座組；11—網(wǎng)格踏板； 12—撐柱；13—第4定位銷；14—平臺法蘭盤。

1—固定連接板；2—懸掛軌道架；3—鏈輪；4—鏈條；5—游動支撐架；6、8、10、11—軸銷；7—水平軌道架；9—收起液缸；12—升降液缸；13—螺栓。

圖5 隨車托架控制清潔作業(yè)平臺效果圖Fig.5 The diagram of the mounting frame controlling the cleaning work platform

2.2 管桿卡持對中裝置

常規(guī)作業(yè)時起下每根管柱都需兩個操作工人同時搬抬吊卡，勞動強(qiáng)度非常大，并存在安全風(fēng)險。為解決此問題，特研制管桿卡持對中裝置，用于夾持油管、抽油桿和對中管柱，消除“單吊環(huán)”和油管起下過程中碰掛井口內(nèi)壁臺階引起重大安全事故的風(fēng)險。如圖6所示，管桿卡持對中裝置通過底部安裝座與清潔作業(yè)平臺上的法蘭盤相連接，由第1工作板、液壓缸、液缸座、扶正塊、扶正塊座、第2工作板、定位裝置、后支座、前支座、三位四通閥、電源開關(guān)、液壓管線、電纜和卡盤組成。

1—扶正塊；2—第1工作板；3—扶正塊座；4—液壓缸；5—液缸座；6—第2工作板；7—液壓管線；8—三位四通閥；9—前支座；10—卡盤；11—后支座；12—電源開關(guān)；13—電纜；14—定位裝置。

2.3 液壓旋轉(zhuǎn)吊臂

液壓動力鉗靠液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制和傳遞扭矩，配合背鉗上卸油管螺紋。常規(guī)作業(yè)需兩個人同時將液壓動力鉗拉向油管柱位置，到位后由1人操作上卸油管螺紋。但液壓動力鉗上下調(diào)整、左右擺動和上卸油管螺紋等由1人完成，存在安全問題，工人勞動強(qiáng)度大。

為此，特研制了液壓旋轉(zhuǎn)吊臂，結(jié)構(gòu)如圖7所示，主要由吊裝鋼絲繩、吊耳連接器、橫梁、尾鉗連接器、尾鉗連接桿、位置補(bǔ)償器、平衡塊、滑動銷、液壓缸、軸承底座和連接鉸鏈組成。

液壓旋轉(zhuǎn)吊臂通過液壓缸的伸縮來調(diào)節(jié)液壓動力鉗主、背鉗上下位置，比人工升降省時省力；通過位置補(bǔ)償器來保障液壓動力鉗因自身重力對油管螺紋旋轉(zhuǎn)時的負(fù)作用在1個可控區(qū)間內(nèi)，自動調(diào)節(jié)，無需人工；由于軸承底座內(nèi)有球軸承，所以液壓動力鉗左右擺動方便，一人可輕松拉推，減輕了勞動強(qiáng)度；吊臂設(shè)有連接鉸鏈，與配套設(shè)施的裝拆速度快。

1—第1滑輪擋板組；2—第1滑輪；3—吊裝鋼絲繩；4—吊耳連接器；5—橫梁；6—加強(qiáng)筋；7—尾鉗連接器；8—立柱；9—連接鉸鏈；10—軸承底座；11—液壓缸固定銷；12—液壓缸；13—滑動銷；14—尾鉗連接桿；15—平衡塊；16—滑軌組；17—位置補(bǔ)償器；18—連接鋼絲繩；19—第2滑輪擋板組；20—第2滑輪組；21—吊裝環(huán)。

2.4 氣控吊環(huán)擺幅、吊卡翻轉(zhuǎn)及自動開關(guān)裝置

在井口無論是二人操作還是一人操作，仍需人力頻繁外拉、回推吊環(huán)，勞動強(qiáng)度依然大。為解決這個問題特研制了氣控吊環(huán)擺幅裝置，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

1—卡鉤基座；2—鉤頭夾板；3—第1緊固件；4—第1頂絲；5—第2頂絲；6—外延支撐架；7—第1銷軸；8—伸縮缸系統(tǒng)；9—第2銷軸；10—吊環(huán)主夾板；11—第2緊固件；12—第3頂絲；13—第3緊固件。

氣控吊環(huán)擺幅裝置實(shí)物如圖9所示。牢固地連接在大鉤上部的卡鉤基座及外延支撐架為伸縮缸系統(tǒng)提供了穩(wěn)固的定位和支撐，吊環(huán)主夾板通過第2緊固件牢固把握吊環(huán)，當(dāng)遠(yuǎn)程氣體控制伸縮缸系統(tǒng)活塞伸出時，推動吊環(huán)前擺可以代替人工外拉；當(dāng)伸縮缸系統(tǒng)活塞收縮時，帶動吊環(huán)回復(fù)原垂直狀態(tài)同樣可以代替人工回推，從而實(shí)現(xiàn)了吊環(huán)在有限距離內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動，減輕了工人勞動強(qiáng)度。

圖9 氣控吊環(huán)擺幅裝置實(shí)物圖Fig.9 The hanging ring swing device

為代替油管吊卡翻轉(zhuǎn)和開關(guān)人工操作，提高自動化操作程度，特研制了油管吊卡翻轉(zhuǎn)及自動開關(guān)裝置，如圖10所示。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在吊環(huán)臂上，通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以使吊卡在30°～90°范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)，以滿足上油管單根的工況需求；吊卡設(shè)計(jì)氣動開關(guān)機(jī)構(gòu)，既提高了自動化操作水平，又解決了處理復(fù)雜作業(yè)時高空不能開關(guān)吊卡的難題，吊卡起下與開關(guān)功能互鎖保證了操作安全。

圖10 油管吊卡翻轉(zhuǎn)及自動開關(guān)裝置Fig.10 Tubing elevator turning and automatic switching device

2.5 防污液噴濺裝置

內(nèi)腔帶液油管在井口卸扣被提起時，管內(nèi)液體(油水混合物)在自重作用下會飛流直瀉，任其自然下落到清潔作業(yè)平臺上會反彈外濺，造成井口周圍污染，工人向外推送油管使管內(nèi)液體排向污液儲集筒再經(jīng)清潔作業(yè)平臺回流油套環(huán)空。但此種辦法存在以下缺點(diǎn)：一是雙手浸泡油水，對操作人員健康造成傷害，冬季傷害尤其大；二是污液四處飛濺，井口污染源只是減少并沒有完全控制。為解決上述問題，研制了液控防污液噴濺裝置，結(jié)構(gòu)如圖11所示。

1—四方平移總成；2—第1軸銷；3—液壓缸；4—第2軸銷；5—第3軸銷；6—組合臂；7—第4軸銷；8—控流筒；9—電控開關(guān)；10—電液換向閥。

防污液噴濺裝置在井口以外操作電控開關(guān)即可完成帶液油管在井口卸扣被提起時所產(chǎn)生液態(tài)污染源的控制和排放，減輕了工人勞動強(qiáng)度，提高了施工速度，避免了液態(tài)污染源對人體健康的損害；一個液壓缸的伸出就實(shí)現(xiàn)了控流筒所需的前進(jìn)、合圍、封閉3項(xiàng)關(guān)鍵功能，制作簡單，節(jié)約材料成本；四方平移總成下部一端有并列第1外聯(lián)銷和第2外聯(lián)銷，可在井口相應(yīng)鏈接點(diǎn)上隨時快速拆裝。

2.6 環(huán)保管桿舉升輸送裝置

為達(dá)到綠色環(huán)保要求，特別設(shè)計(jì)了具有液體回收功能的環(huán)保管桿舉升輸送裝置。輸送裝置下部采用封閉設(shè)計(jì)，在后部設(shè)計(jì)集液盒，保證滑道下部液體不落地。該裝置操作工人只需遙控即可完成所有動作，實(shí)現(xiàn)油管和抽油桿的自動舉升輸送，無需人工搬抬油管和抽油桿，大大減輕了工人的勞動強(qiáng)度。如圖12所示，管桿舉升輸送裝置設(shè)計(jì)利用修井機(jī)提供液壓動力源和24 V電源，遠(yuǎn)程遙控器控制PLC發(fā)出電信號，轉(zhuǎn)化為液壓電磁閥通斷完成各項(xiàng)動作?？刂品绞娇梢赃x用控制柜手動操作或無線遙控器控制。上管由鉤管裝置完成，下管由V槽翻轉(zhuǎn)裝置控制，輸送由V槽下部3 500 mm長的液壓缸來完成，舉升由V槽中部3 000 mm升降液壓缸來完成?；老虏堪惭b集液槽，將油管下落過程中滴下的污液收集到整機(jī)尾部，污液不落地進(jìn)行環(huán)保處理。

1—底座總成；2—電液系統(tǒng)；3—頂管液缸；4—滑道支架；5—變幅液缸；6—底座橫梁；7—挑鉤；8—挑管液缸；9—隨動座滑道；10—V槽；11—平衡裝置；12—伸縮液缸；13—支腿機(jī)構(gòu)；14—集液槽。

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

新型自動化修井工藝配套裝置在華北油田進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)后投入正常井作業(yè)施工，并完成了3種類型修井機(jī)的配套定型。2020年1月18日，新型自動化修井工藝配套裝置在華北油田岔河集油田71-74井實(shí)施射孔作業(yè)，包括檢泵、通井和傳輸射孔等工序。該裝置整體拆裝時間2 h，安裝簡單，易于操作；井口及場地作業(yè)范圍內(nèi)基本未出現(xiàn)液體落地現(xiàn)象，噴濺污液回收率達(dá)到97%，未出現(xiàn)單根管柱卸扣后產(chǎn)生的液體噴濺污染；每小時平均起下單根50～60 根；起下抽油桿500根，油管1 300根，裝置整體運(yùn)行平穩(wěn)，操作靈活方便，部件動作配合到位，完全滿足現(xiàn)場井下作業(yè)需要，獲得了現(xiàn)場操作人員的認(rèn)可和好評。

目前采用該配套裝置已經(jīng)陸續(xù)施工113口作業(yè)井，整套裝置性能穩(wěn)定可靠，故障率低，減輕了工人勞動強(qiáng)度，提高了效率，降低了環(huán)保和安全風(fēng)險。該套裝置也減少了清蠟、材料、油管回收、場地清理、固廢處理及地面管線通掃等作業(yè)費(fèi)用。

4 結(jié) 論

(1)新型自動化修井工藝配套裝置消除了修井作業(yè)過程中的液體污染，實(shí)現(xiàn)了液體定向排放和不落地處理，滿足國家環(huán)保要求，實(shí)現(xiàn)了油田綠色作業(yè)。

(2)該修井配套裝置可實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)一人多崗，單人即可完成井口操作，作業(yè)自動化程度高，各裝置性能穩(wěn)定可靠，顯著減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，降低了操作安全風(fēng)險，節(jié)約了施工作業(yè)成本。

(3)該裝置既可單獨(dú)運(yùn)輸，又可與多種修井機(jī)配套安裝，安裝過程簡單方便。現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可有效解決井下作業(yè)中工況變化大以及配套現(xiàn)場適用性差等難題，適合于在油田井下作業(yè)推廣應(yīng)用。

(4)該裝置從根本上改變了傳統(tǒng)修井作業(yè)工藝，符合國家建設(shè)綠色礦山理念,開創(chuàng)了綠色環(huán)保作業(yè)工作新方向，在修井作業(yè)行業(yè)具有很好的示范作用和較高的推廣價值。