自动化修井机现状及发展趋势分析

李 龙

（大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江大庆 163000）

0 引言

现今，我国的油田修井作业主要是小修作业，此项作业在所有作业的占比高达85%。进行小修井作业方面，涉及最多的操作为起、下钻操作。对于传统修井机作业而言，需要4 名工作人员配合、轮流交换开展，从事此项工作的人员需要具备较高的技术水平，同时处于恶劣的工作环境内，工作人员除了要面对高强度劳动，还要应对高危险，所以，油田修井机的自动化以及机械化，被视为当前与今后一段时期内修井机领域研发的核心内容。在油田修井机自动化与机械化发展方面，我国相较于大多数的国家发展较为滞后，我国现今的修井机绝大多数依然处在人工操作、半自动化水平。历经多年的积极研究和实践，一些具备系统集成化、自动化与机械化的设备已开始被作为创新传统修井机之用，同时逐渐推行于油田现场。

1 国外当前自动化修井机发展状况分析

在传统修井作业方面，管柱的起、下、卸操作所用时间在总作业时间中的占比为70%，这些作业都是在人工辅助下完成的，如此导致修井作业效率的大幅下降，所以，国内与国外修井机在自动化发展方面将重点放在了管柱处理系统自动化发展上。在20 世纪中期，Louis Witte 与James Hansenyu 这两位研究热源研发出一类半自动化遥控修井机，此类修井机具备简捷的构造且自重相对减轻，但在作业范围上较为有限，无法开展大修作业，仅可胜任小修作业。借助此类修井机实施修井作业时，只需要于井口处配制2 名工作人员就能够完成整个修井任务。在之后的两年内，通过对此类修井机实施不断优化改进，使其能够于两年后正式推行于油田机修中。美国Oilfield Innovators Limited 公司于1998年成功研发出PAL 管柱自动传送系统，此系统以四边形平行移动机构原理为基础，能够成功完成管柱处理操作。此系统拥有诸多功能，包括管柱的拨动翻转以及传送举升，同时再结合远程控制系统的应用，可以实现对管柱的精准化、快速化移运操作。受到管柱处理作业自动化与机械化的实现，钻修井作业周期得以缩减，相关工作人员的劳动强度也有所下降，同时钻修井作业的安全性也得以提升。1999年，美国Horizontal Well Drillers公司成功研发并制造出一类通过大型机械臂实施管柱抓取作业的大臂旋转移送型管柱处理系统。因为此系统未设置滑轮以及吊升设备，当进行移送管柱操作时，一定要于井架一侧留出一定高度的开口。但是，纵观当前国外自动化修井机状况可以发现，研制的诸如钻台面摆管机器人、大修修井机二层台自动排管设备等，此类自动化修井设备现今尚未实现规模性推行。

2 国内当前自动化修井机状况分析

在常规修井机方面，我国在设计制造技术逐渐朝完善下发展，然而在自动化、节能环保、信息化以及人性化方面，相较于国外，我国依然停留于起步时期。在自动化修井机的研发和开发上，我国起步较晚，基础较为薄弱，同时用于修井的设备更新速度较低，如此对我国现今油田修井机性能提升造成极大制约，同时也阻碍了我国石油开采进度。近几年内，我国在修井用地面管柱处理技术方面取得了较大成果，已经实现了小规模推行。在二层台管柱处理技术方面，成功研究并开始应用于实践中，再加上配套的自动化修井工具的应用，表明我国自动化油田修井机现已迈入现代化修井作业的时期。具体发展现状包括如下4 个方面。

2.1 修井机部件自动化发展现状

近几年，在修井机部件自动化研发与制造方面，我国部分厂家已实现了快速发展，集中显示于管柱处理的自动化方面。当前致力于研发推广二层台自动排管设备的几大厂家包括中石化四机石油机械有限公司、辽河新松机器人自动化股份有限公司、山东杰瑞有限公司以及三一重工有限公司等。在自动猫道生产方面，主要厂家有中石化四机石油机械有限公司、天津市东方先科石油机械有限公司、南阳二机石油装备有限公司、中原锐实达石油装备有限公司、中原特种车辆有限公司、三一重工有限公司以及胜利胜动集团等。这些厂家中，在油田修井用轻便型、小型管柱处理系统研究与开发领域，胜利胜动集团始终发挥着主导性作用，它比其他厂家较早开始进行修井作业用动力猫道的开发，并且已生产出系列产品，被广泛用于我国各油田作业中。包括液压油管钳、自动吊卡等在内的其他自动化工具种类极为多样，技术逐渐成熟，大量生产制造机构在生产方面已具备了相应条件。

2.2 自动化修井机集成控制系统研发生产现状

保守液压控制系统实现途径为继电器—接触器，不易维护，且不具备良好可靠性，自动化水平低。近几年，液压系统和PLC控制的联合应用，极大促进了修井机自动化水平的提升，在修井机集成控制方面获得大量推行。我国大部分自动化修井机升级改造自传统修井机，在控制系统上，修井机自动化单元和修井机自身是独立的，两系统间无法进行信息的传递，存在设备间发生碰撞可能性。所以，需要对诸多独立的控制系统实施集成处理，使得各系统间能够实现信息共享，进而促进自动修井机可靠性以及安全性的提升。在研发以及实践推行自动化修井机整机集成控制系统方面，当前国内具备较高技术实力的企业为中石化四机石油机械有限公司、山东杰瑞有限公司以及三一重工有限公司。

2.3 当前自动化修井机动力源选择状况

我国现今所应用的修井机中90%者动力源选用的为柴油机，此动力源易导致环境污染，且投入资金较高。所以，研发在动力源方面具备节能性、环保性以及经济性标准的修井机成为现今关注主流。我国先后研发出动力源为电力的网电修井机、动力源为电机驱动液压泵的修井机，还有混合动力修井机。其中，早在1992年就提出了动力源为电机驱动液压泵的修井机，此类修井机具备高效性、节能性、环保性以及安全性。但受到当时制造技术较低的限制，直至2012年首代液压蓄能修井机样机方由孚瑞特石油装备有限责任公司制造出来。同一时期，动力源为电力的修井机由于油田现场天气与电网容量的不利影响，未实现广泛应用。鉴于以上诸多原因，在中原特车公司努力下，油—电混合动力修井机应运而生，对比单一动力源类型的修井机，此类修井机摆脱了天气、井场电网容量的约束，可基于工况进行动力源的随时切换。

2.4 自动化修井机当前研制推广状况分析

2010年，我国首台自动化修井机在辽河油田兴隆台工程技术处努力下研制成功，此修井机的重大突破体现在控制、人机同步运动这两个方面，可实现抢喷、甩管、自主上卸扣作业。然而由于在成本、安全性以及技术等方面有所不足，导致其尚没有广泛推行。2016年，通过模块化设计方法，山东胜利石油装备产业技术研究院成功研制出型号为XJ300/600 DYZ 的全自动智能液压修井机，此修井机对小吨位修井作业适用。ZXJ-675 是当前我国最具现代化的全自动修井机，其首次应用是2018年在江苏油田，极大地推动了国内自动化修井机研制发展。2019年，第一台智能自动化修井机于中石化西北油田投入现场应用。

3 自动化修井机的未来发展趋势

3.1 对于节能性、环保性以及经济性的重视程度更高

鉴于我国逐渐重视节能减排，同时国际油价一直不断波动，如果油田用修井机的驱动方式选择液压动力式、纯电力式与油电双驱式，能够获得确切的节能效果，同时不会造成明显污染。

3.2 更加追求机械化、模块化、智能化以及自动化

对于常规修井机而言，其每个部位均是互相独立的，无法实现信息共享与流通，在修井机技术日渐提升背景下，集合现代机械设备、数据分析技术、监控仪表，由此构建一个标准系统成为今后的发展方向。机械作业取代人工作业，依托计算机达成各部位信息共享和整合目的，促进修井机智能化操作目标的实现，由此提升作业效能，同时使作业成本减少。此外，通过模块化设计的应用，能够提升运移速度，使装卸操作简单化。

3.3 逐步实现远程、无人修井

在人工智能、计算机技术、物联网技术大幅发展背景下，各个领域均开始大量推行智能化技术。今后油田自动化修井机技术日渐完善后，得益于诸多创新型技术在修井设备上积极推行，包括修井装备数字化技术、远程操控技术、在线诊断技术等，未来修井作业会实现井口智能化、无人化作业。

4 结论

进入21 世纪后，世界范围内的经济呈高速式发展，对于石油能源的需求逐渐增大，油气资源储量却在逐渐下降，同时作业机构人工成本与减员增效要求逐渐提升，世界范围内的各大石油企业随之加大了石油勘探和开采力度，修井作业市场前景良好，全球修井数量以及修井机应用量等均呈上升式发展。现今，各油田在井下作业员工数量方面普遍存在不足问题，减少单台作业装置操作人员，除了可使设备使用成本下降，还可使设备的实际开工率得到保障，对于油田井下作业质量也起到积极作用。作为一类新型修井机技术，自动化修井机能够促进修井工作人员作业安全性提升，还可以减少工作人员的劳动强度。此外，自动化修井机凭借自身可靠性、技术先进性、经济性以及高效运移性方面的突出表现，在当前倡导清洁生产、安全生产、以人为本的社会背景下，必然会在未来石油开采领域占据核心地位。