油田修井作业自动化装备研制

张喜庆，沈君芳，牟忠良，孙茂盛，王海强，于吉迪，付霁野

（1．胜利油田胜机石油装备有限公司，山东　东营257067；2．沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈　阳110000；3．中石化胜利油田分公司　东辛采油厂，山东　东营257095）①

油田修井作业自动化装备研制

张喜庆1，沈君芳1，牟忠良2，孙茂盛3，王海强3，于吉迪1，付霁野2

（1．胜利油田胜机石油装备有限公司，山东东营257067；2．沈阳新松机器人自动化股份有限公司，沈阳110000；3．中石化胜利油田分公司东辛采油厂，山东东营257095）①

针对油田修井作业过程中劳动强度大、工作环境差、工作风险大等现状，研制了油田修井作业自动化装备。该装备由管杆输送装置、自动吊卡装置、井口多功能卡座装置、大钩导向装置、液压及自动化控制系统组成，解决了修井作业中管柱的自动抓取与排放、自动定位与对中、自动上卸扣以及废液防喷溅与回收等技术难题。在胜利油田4口井的试验结果表明，该装备完全实现了井口作业的无人化操作，降低了工人的劳动强度及人身伤害风险，减少井口周边环境污染。

修井作业机；自动控制；管子排放装置

随着油田修井作业技术的不断发展，修井作业设备的安全、可靠、省力、环保等问题越来越受到人们的重视。国外对修井井口操作机械化装置的研究起步较早，从20世纪50年代就开始推广应用各种机械化修井装置［1］。国外机械化修井机主要以顶部驱动的方式为主，油管采用竖排放置，这种设备主要应用于油井大修作业，适用范围窄，不能满足国内修井市场的需求。国内油田的修井作业依然普遍采用传统的作业方式，需要人工在井口进行倒换搬运吊卡、摘挂吊环、推拉液压油管钳、推放小滑车等繁重的工作，存在劳动强度大、工作环境差、工作风险大等问题。

胜机石油装备有限公司联合沈阳新松机器人公司、胜利东辛采油厂共同研制的修井作业自动化装备是一套集机械、液压、电气为一体的修井装备，该装备实现了多项技术突破，形成了多项自主知识产权及专利技术。

1　构成与功能

该装备与现有的作业井架、通井机配合作业，采用机械化的方式取代人工操作，其设计能够满足60～89 mm平式及加厚油管的作业要求，能够完成油管及井下工具的起下、洗井、冲砂等多项修井作业。

该套装备由管杆输送装置、自动吊卡装置、井口多功能卡座装置、大钩导向装置、动力控制系统组成。

1．1 管杆输送装置

管杆输送装置满足60～89 mm油管的拉送排放，在下油管时实现从油管桥上举升单根油管，并将油管输送到预定位置；在起油管时，将起出来的管柱拉回到水平指定位置，然后将其运移到油管桥上并排放好。作业过程中遇到稠油时，稠油易凝固，更不利于管柱的输送，增加了管柱拉送和排放的难度［2］。该装置结合了电气控制和管子轴向滚动系统，能够实现油管的自动举升和顺利下放，代替了传统作业中人工拉排油管的工作，如图1所示。

图1　管杆输送装置结构

1．2 自动吊卡装置

自动吊卡装置主要由翻转机构、开锁卡机构、模块化旋转冲砂装置及吊环等组成，如图2所示。自动吊卡可以实现对管柱的自动抓取和松开，与井口液动卡盘配合完成传统修井作业过程中人工倒换吊卡的工作。模块化旋转冲砂装置集成在吊卡内部，主要由修井用水龙头、旋转传动箱、夹紧背钳、导向装置等组成。其功能是实现井内管柱与水龙头的对接以及完成冲砂过程中的管柱旋转，取代了普通作业时倒单根的冲砂方式，可有效缩短冲砂作业时间。

图2　自动吊卡装置

1．3 井口多功能卡座装置

井口多功能装置主要由液动卡盘机构、井口卡座本体、自动液压钳、接箍定位器、污水防溅回收装置、油管导向对扣装置、吊卡定位器及推管器等组成，如图3所示。该装置通过联动自动控制技术，可以完成油管的自动对中和扶正、自动上卸扣等多个自动化任务，实现了井口无人化操作，彻底解决了传统修井作业过程中井口依赖人工操作的现状，降低了工人的劳动强度和人身伤害风险。通过对污水进行有效回收，达到了改善工人的工作环境、保护设备、降低环境污染的目的。

图3　井口多功能装置

1．4 大钩导向装置

大钩导向主要由导向绳、导向滑车及调节支杆组成，如图4所示。该装置能够保证自动吊卡在上提、下放的过程中准确地落进井口平台的导向柱内，降低悬挂载荷以及风载对吊卡的影响，增强了修井装置对环境的适应能力，同时在旋转冲砂过程中承受管柱旋转时的反转矩。

图4　大钩导向装置

1．5 动力及自动控制系统

液压动力与自控系统集成在同一撬块上，各通讯电缆与液压管线采用快插接头连接，方便现场安装和拆卸。现场危险区域的传感器都采用本安型传感器，而放在安全区的控制柜采用正压型防爆设计，在安全区与危险区进行能量交换时，采用安全栅进行电气隔离。设计了手动和自动2种操作模式，整个控制流程各动作之间采用联锁与互锁的方式，保证动作安全可靠。人机接口部分采用触摸屏技术并配合视频监控技术，操作简单可靠，自动化程度高。操作面板如图5所示。

图5　室内操作面板

2　现场工作状态

修井作业自动化装备运行可分为手动操作和自动操作2种模式。在手动操作模式下，各个单元动作相对独立，操作人员可点击触摸屏上的触控按扭进行设备调试及特殊动作的操作。在自动操作流程中，整个起下管柱作业过程只需要2名操作人员参与，通井机室内操作人员通过控制游车大钩的起落，并在一些关键的控制节点上，点击触控屏上的状态“确认”按扭，就可顺利完成管柱的起下、冲砂等工艺流程。现场工作状态如图6所示。

图6　自动化修井装置现场工作状态示意

3　技术参数

适用油管尺寸

60、73、89 mm平式及加厚油管

额定载荷400 k N

最大载荷675 k N

液压系统压力14 MPa

单根起下管时间25～28根／min

适应环境温度－20～40℃

装机功率37 k W

装备最小通径184 mm

4　关键技术

4．1 自动吊卡和液动卡盘技术

设计的自动吊卡能够实现对管柱的自动抓取，内部设有接箍检测器，确保自动吊卡百分之百成功抓取油管。设计了液动卡盘，对井内管柱进行悬挂，卡盘结构可实现重力自锁。自动吊卡与液动卡盘组合取代传统月牙吊卡，解决了人工倒换吊卡的问题。

4．2 管柱的自动扶正和对中技术

设计了微电磁吸附扶正装置以及双级自动对中装置，在进行管柱的对接时，对中扶正装置保证在大钩上悬挂的管柱与井口卡盘上悬挂的接箍精确对中，保证大钩上悬挂的管柱与井口管柱在上卸扣时处于同轴状态，确保上卸扣的顺利进行，并保护管柱螺纹。

4．3 管柱自动上卸扣技术

设计了自动液压钳，可实现油管的自动上卸扣，并依据上卸扣状态自动切换高低挡位，自动控制上扣的扭矩和圈数，确保管柱螺纹连接质量。

4．4 油管自动拉送和排放技术

设计了管杆输送装置，系统联动控制。在下油管时实现从油管桥上举升单根油管，并将油管输送到预定位置；在起油管时，将起出来的管柱拉回到水平指定位置，然后将其运移到油管桥上并排放好。

4．5 自动控制技术

应用了工业自动化控制技术，采用PLC作为核心控制器，通过工业总线的方式将现场的传感器、处理器、操作触摸屏结合起来形成本装备的控制系统，操作者只需在驾驶室里就能了解设备运行情况，通过点击触摸屏上的触控按扭即可实现修井作业。

4．6 防喷溅及回收技术

在进行修井作业时，作业环境十分恶劣，管柱中流出来的油污、泥砂不仅会损害设备本身，同时也对井口周围的环境造成污染。本装备设计了防喷溅及回收装置，对油水进行有效回收，达到了保护设备及环境的目的。

5　现场试验

在胜利油田东辛采油厂营472、莱133斜22、营72XN52、营12126井进行了现场修井作业试验，试验的最大载荷330 k N，作业最大井深3 016 m，先后完成了检管检泵、洗井、冲砂、注水泥等修井工艺。通过现场作业试验表明：该自动化修井作业装备完全达到设计要求，整个作业过程实现了井口无人化操作，整套装备性能可靠、运行平稳，能够进行恶劣气候下的修井作业。

6　结论

1） 油田修井作业自动化装备实现了油管的自动输送与排放、自动上卸扣等功能，省去了人工摘挂吊环、搬运吊卡、推拉液压钳、拉排油管等繁重的工作，可使劳动强度降低80%以上，使用本装备进行修井作业，可以减少操作人员40%。

2） 本装备利用现代远程控制与监控技术，实现井口操作无人化，操作者只需在通井机驾驶室内即可完成管柱起下、洗井冲砂等作业，工伤事故降低95%以上，降低了人身伤害风险。

3） 使用本装备可改善现场工人的工作环境，使整个修井过程变得更加地清洁、安全、省力。在修井过程中对油水的喷洒进行有效地收集和密闭回收，从而达到保护井口周边环境的目的。

4） 通过现场试验及对比分析表明，该装备的各项技术指标均达到设计要求，整机性能可靠，运行稳定，具有较好的市场前景。

［1］ 常玉连，肖易萍，高胜，等．修井井口机械化自动化装置的研究进展［J］．石油矿场机械，2008，37（5）：62－67．

［2］ 綦耀光，何金平，谢莫华．影响油田小修作业效率的原因分析［J］．石油矿场机械，2006，35（4）：8486．

［3］ 常玉连，姜开勋，樊岩松，等．钻修井作业中管柱处理系统的技术发展［J］．石油机械，2012，40（1）：87－90．

［4］ 高胜，刘丽雪，张飘石，等．修井作业管柱机械化移运装置设计与应用［J］．石油矿场机械，2013，42（8）：87－90．

［5］ 杨玉生．单吊卡起下油管作业工艺探讨［J］．石油矿场机械，2008，37（1）：90－91．

The Research and Field Test for Oilfield Workover Automation Equipment

ZHANG Xiqing1，SHEN Junfang1，MU Zhongliang2，SUNMaosheng3，
WANG Haiqiang3，YU Jidi1，FU Jiye2
（1．Shengji Petroleum Equipment Co．，Ltd．，Dongying 257067，China；2．SIASUN Robot and Automation Co．，Ltd．，Shenyang 110000，China；3．Dongxin Oil Production Plant．Shengli Oilfiled，Dongying 257095，China）

For the situation of labor－intensive，poor working environment and large work risk during workover operation，the oil workover has been successfully developed．The oil workover automation consists of tube rod conveying device，automatic elevator device，wellhead multifunctiondevice，hook guide device，hydraulic and automation control systems．In the development process of equipment，the technical problem of automatically grab and emission column，automatic alignment and positioning，automatic screw or discharge screw and waste preventer were solved．The test results of Shengli Oilfield’s four wells show that this automation equipment is fully achieved work unmanned wellhead and to reduce labor intensity and the risk of personal injury and environmental pollution surrounding the wellhead purpose．

workover rig；automatic control；pipe racking device

TE935

B

10．3969／j．issn．10013842．2015．09．016

1001－3482（2015）09－0064－04