小修自動化作業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀及發(fā)展

張 敬，聶永晉，徐連會，曲博林

（渤海裝備遼河鉆采裝備分公司，遼寧盤錦 124010）

0 引言

修井作業(yè)具有工作環(huán)境差、勞動強度大、流動性大、安全隱患多等特點，對井隊操作人員的身體和精神都是很大的考驗。我國目前主流修井作業(yè)仍然停留在人工操作階段，以雙吊卡起下、4 人協(xié)同、輪流交換的作業(yè)方式為主。據(jù)統(tǒng)計，我國油氣田修井作業(yè)中85%為小修作業(yè)，主要由管柱或抽油桿的抓取和擺放、起升和下放、上扣和卸扣等動作組成，其中管柱或抽油桿的起、下和上、卸扣等重復(fù)性動作均需要人工輔助完成。

近年來，國家科技部和工信部相繼出臺了關(guān)于智能制造、發(fā)展工業(yè)機器人等課題的專項規(guī)劃，提倡在重復(fù)勞動特征明顯、勞動強度大、有一定危險性的行業(yè)領(lǐng)域全面推進(jìn)實施“機器換人”，以加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，為修井作業(yè)實現(xiàn)自動化發(fā)展提供了政策引領(lǐng)。

1 我國小修自動化作業(yè)設(shè)備現(xiàn)狀

我國修井機自1980 年引進(jìn)美國IRI 公司技術(shù)，通過40 多年的發(fā)展創(chuàng)新，形成了完整的修井機生產(chǎn)制造和配套能力，但是修井機自動化作業(yè)設(shè)備發(fā)展相對滯后，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于鉆井作業(yè)設(shè)備的自動化程度。進(jìn)入21 世紀(jì)以后，隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步，油田對HSE 工作的高度重視，以及“人員短缺”問題日益凸顯，通過井口操作自動化，提高作業(yè)安全性，實現(xiàn)修井作業(yè)“省時、省力、省工”的要求成為必然趨勢。

從小修井作業(yè)起管工藝流程來看，主要由游鉤拖動油管上升、吊卡拖住油管接箍、液壓鉗沖扣卸扣、油管排放等重復(fù)性動作組成，要實現(xiàn)小修自動化作業(yè)模式，就必須對修井配套工具及修井工藝進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，以上卸扣系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、送管機構(gòu)等裝置為著力點，開展技術(shù)創(chuàng)新來實現(xiàn)修井作業(yè)自動化。

2000 年以后，國內(nèi)許多企業(yè)著手開展井口機械化、自動化裝置和工具的研發(fā)工作，經(jīng)過10 多年探索及應(yīng)用，部分機械化、半自動化、自動化等配套工具已經(jīng)應(yīng)用于常規(guī)修井作業(yè)，主要設(shè)備配置方案包括井口機器人、一體化平臺、翻轉(zhuǎn)液壓吊卡、氣動卡盤、動力貓道、動力排管架等（圖1）。通過實現(xiàn)自動起下鉆、推起單根、自動上卸扣等重復(fù)性動作，將修井作業(yè)的流程程序化，并在部分油氣田現(xiàn)場開展應(yīng)用，有效解決了操作工重復(fù)性勞動、作業(yè)安全性等問題。

圖1 小修自動化作業(yè)設(shè)備配置方案

比較有代表性的企業(yè)有勝利油田勝動機械廠、三一石油智能裝備有限公司、沈陽新松機器人有限公司等。其中：勝利油田勝動機械廠開發(fā)的修井自動化貓道，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，采用遠(yuǎn)程無線控制技術(shù)，實現(xiàn)油管自動舉升、下放、排管等功能，減輕了場地工的勞動強度，已在多個油田完成現(xiàn)場應(yīng)用；2013 年，沈陽新松機器人有限公司研制了一臺自動化修井機，利用自動修井裝置和機器人多動作協(xié)調(diào)控制技術(shù)，實現(xiàn)了井口無人化作業(yè)模式、人機同步控制等關(guān)鍵技術(shù)；2015 年，三一石油智能裝備有限公司推出了修井自動化裝置，小修井口自動化系統(tǒng)配套了自動吊卡、自動卡瓦、自動液壓鉗等自動化井口工具，修井自動化貓道、井口機械手、操作控制系統(tǒng)等，形成了完整的系統(tǒng)配套，在大慶油田完成12 井次小修作業(yè)現(xiàn)場試驗。部分廠家自動修井裝置功能對比見表1。

表1 部分廠家自動修井裝置功能對比

2 解決問題及技術(shù)難點分析

此類型設(shè)備目前已經(jīng)在大慶油田、中原油田、長慶油田、吉林油田、勝利油田等開展試點性應(yīng)用，雖然在一定程度上降低了勞動強度，但是也存在一些問題。

通過各種自動化設(shè)備的高效配合，修井作業(yè)自動化程度得到較大提升；修井作業(yè)由原4～5 人配合施工，縮減為1～2 人配合施工，初步實現(xiàn)了減員增效；設(shè)備配合完成了起下油管、上卸扣等重復(fù)性動作，降低了工人勞動強度；基本實現(xiàn)了井口無人化作業(yè)模式，提升了修井作業(yè)安全性。

現(xiàn)場的試驗情況也反映出一些問題，存在一些主要技術(shù)難點，如自動化設(shè)備未與修井機進(jìn)行一體化集成設(shè)計，動力分散，搬安工作量、能耗大，集中控制能力差；動力系統(tǒng)和控制單元多采用電液控制，運行速度慢，故障率高，現(xiàn)場維護(hù)困難；總體作業(yè)效率低，自動化設(shè)備出現(xiàn)故障后停休時間長；自動化設(shè)備兼容性差、配套性能差，未能達(dá)到“省時、省力、省工”的目的，還不能有效滿足自動化修井作業(yè)的需求。

3 小修作業(yè)自動化設(shè)備的發(fā)展趨勢

小修作業(yè)自動化設(shè)備發(fā)展將邁向人工智能領(lǐng)域，結(jié)合工業(yè)機器人技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，通過整機集成化設(shè)計，大幅提高作業(yè)系統(tǒng)的控制精度、可靠性及作業(yè)效率，突破小修自動化作業(yè)技術(shù)瓶頸。

同時，要更注重經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和節(jié)能性，利用清潔能源如電能、氫能等取代化石能源，持續(xù)攻關(guān)清潔作業(yè)技術(shù)及配套設(shè)備，全面實現(xiàn)清潔作業(yè)。

完全實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程信息傳輸、無人化修井作業(yè)施工模式，通過實現(xiàn)修井裝備數(shù)字化技術(shù)、在線診斷技術(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等新技術(shù)在修井裝備上的應(yīng)用，修井作業(yè)將實現(xiàn)井口無人化操作、智能化作業(yè)模式。