油田修井作业自动化装备探究

左远涛

（大庆油田有限责任公司井下作业分公司，黑龙江 大庆 163000）

随着我国油田修井作业技术的快速发展，人们对修井作业设备的安全性、环保性以及可靠性等问题也逐渐加大了重视程度。现如今，我国对油田修井井口的操作机械化装置加大了研究力度，而国外也早在20世纪50年代便开始对各种机械化修井装置进行了推广和应用。针对国外机械化修井机进行分析，其主要采用顶部驱动方式，油管主要按照竖排放置，此设备主要在油井大修作业当中进行应用，由于其适用范围相对狭窄，因此，无法有效满足国内的修井市场需求。对于我国的油田修井作业，通常对传统作业方式进行采用，需要以人工方式在井口开展摘挂吊环、倒换搬运吊卡、推放小滑车以及推拉液压油管钳等工作，不仅劳动强度较大，而且还存在风险大和工作环境差等问题。对此，需要有效研制油田修井作业的自动化装备，以此来实现井口自动化操作，缓解人员自身的工作压力，并保证各项操作的准确性和有效性，进一步提升生产效率。

1 影响修井质量因素

1.1 材料因素

在油田修井作业开展过程中，需要对相关材料进行使用，且材料质量对修井工作质量具有直接影响。一旦材料质量存在问题，将会对油田修井作业的有效开展产生严重阻碍，无法有效保证油田修井作业质量，进而对油田的开采造成影响。

1.2 人为因素

在油田修井作业中，需要对人为因素进行充分考虑。相关工作人员在油田修井作业中是十分重要的工作主体，尤其在对机械化修井机进行使用时，需要由工作人员对设备进行准确操作。在此情况下，一旦专业人员缺乏或人员操作存在错误问题，将会严重影响油田修井作业质量。

1.3 技术因素

在油田修井作业过程中，还需要合理引进和应用相关技术，以此有效保证各项工作的顺利开展。如果相关技术的选用不够正确，或者技术落后，将会直接影响油田修井作业的顺利开展，进而降低了油田修井作业质量和效率。

2 油田修井作业自动化装备

2.1 液压猫道

动力猫道主要是指电控、机械以及液压等的综合体。现如今，我国液压猫道具体包括钢丝绳拉升式以及油缸举升式两种结构。装置具体包括液压动力系统、PLC控制系统以及动力猫道，可以对电气和液路相结合的控制方式进行采用，从而通过动力猫道有效实现管具的上送以及下放等操作。控制系统具体对PLC逻辑控制方式进行采用，可以使相关操作得到简化，并使工作人员的劳动强度得到降低，使工人作业风险得到降低，有效提升作业效率，使司钻人员的可操作性与安全性得到提高，并在各油田广泛进行应用。动力猫道的组成部分具体包括液压系统、机械结构以及电控系统等，其中机械结构可以具体分为管排架、支撑臂总成、移送臂总成、坡道总成以及底座总成等部分。液压系统的组成部分具体包括液压油缸、液压小绞车、电控比例阀、液压管路以及独立液压站等。电控系统则具体包括面板操作系统、PLC控制板、信号转接箱以及远程无线遥控系统等。动力猫道的机械结构具体包括移送臂、坡道总成、底座总成以及支撑臂等。

（1）坡道总成，其主要包括滑板、过轮总成以及起升绞车等组成。在实际工作过程中，起升绞车可以通过拉动钢丝绳，使移送臂能够在滑板导轨上进行移动。在处于移动状态时，坡道总成可以在底座总成上翻折，保证了结构的紧凑性，移动也十分方便。

（2）底座总成。其具体包括液压管排架、底座主体以及管具翻转装置等相关结构。其中底座主体主要是采用高强度钢型材进行拼焊，具有紧凑的整体结构，而且重量相对较轻。液压管排架的两端分别装设了支腿油缸，可以通过油缸伸缩对倾斜度进行调节，使管具能够实现上下管工作。对于管具翻转装置，其可以通过一端的油缸伸缩，从而使管具完成相应的翻进动作。

（3）移送臂。其具体由推进小绞车、滑车、移送臂主体、翻转装置以及安全挡杆等组成。移送臂作为承载部件，可以是管具在管排架和钻台之间进行双向输送，尾部托盘则可以进行前后滑移，将管柱调整到移送臂位置。滑移托盘有着下压装置，通过钢丝绳的牵引，可以使托盘向臂尾部进行滑移。

（4）支撑臂，其主要采用工字钢阻焊的方式制成，由于具有较高的结构强度，因此，可以在移送臂的起降过程中发挥重要支撑作用。

2.2 二层台机械手

二层台机械手主要对扶持式结构进行采用，同时，还包括全电驱结构以及伺服控制系统，可以对智能路径进行预设，并采用一键式的操作方式，使用多重互锁提供安全保护。而且还可以实现可视化监控，对工作动态进行全程掌控。对于二层台高空排管，可以有效实现自动化和无人化作业。二层台机械手在钻井作业中属于自动化专用胚胎设备，可以在起下钻排管作业当中进行应用，其组成具体包括二层台、机械手、电气系统以及吊卡。

（1）机械手，具体包括抓手、臂架、平移机构以及手指等组成部分，其中臂架可以进行旋转和伸缩，抓手手指则可以进行开和抓取，并向钻杆进行输送。而且机械手具体由三个伺服电机和三个直流执行器进行驱动运行，这三个伺服电机可以分别控制平移机构在二层台的猴道行走、机械手旋转、前后伸缩。直流执行器可以对抓手与手指开合进行控制，各个驱动具体包括行程开关、接近开关以及机械限位等，从而使机械手能够在控制范围内实现可靠运行。

（2）二层台，其主要由导轨、指梁锁、指梁、猴道以及围栏等组成。具体来说，二层台是井架高空处的装置，带有猴道，并安装了3轴伺服机械手。伺服系统不仅具有良好的稳定性，而且还能够快速响应，对负载变化具有良好的自适应能力，可以使机械手运动时由于机械负载惯量发生大范围变化时产生的不良影响得到有效消除。

针对二层台机械手的特点进行分析，其可以有效完成高空二层台无人化作业，使高空作业的安全风险和劳动强度等得到降低。而且二层台机械手还具有伺服驱动、程序记忆、路径预设以及一键操控等优点，可以实现多重自锁互锁控制，具有较高的安全性和可靠性。除此之外，二层台机械手还可以自动折叠骨架，不需要进行拆卸，因此运输十分方便。

2.3 液压翻转吊卡

对于液压翻转吊卡，其主要采用CDZY-150侧开式液压翻转侧摆吊卡，并在石油、天然气钻修井提升过程中进行应用，上部连接吊环，下部则连接管柱，可以在钻修井作业当中的悬挂和起下管柱当中进行使用。液压翻转吊卡的承载件需要采用高强度合金结构钢进行精制，不仅机械性能良好，而且还具有较强的承载能力。液压翻转吊卡的整机系统动作十分高效和快捷，操作也相对比较简单，具有较高的安全性、可靠性与自动化程度，能够远距离进行监控。

（1）针对液压翻转吊卡的结构原理进行分析，其具体由合页、主体、卡页、衬套、开合销轴、侧摆机构、翻转机构、机械锁以及液压系统等组成。液压翻转吊卡可以通过对衬套进行更换，从而与不同规格管柱直径相适应。

（2）对于液压翻转吊卡的操作程序进行分析，其可以通过对箱面板旋钮操作进行操控，从而实现相关功能，而且自动化钻井设备还可以有效实现钻井的自动化控制。

①起单根。液压翻转吊卡可以在无自动化钻井设备中进行应用，具体来说，需要旋转开合按钮，有序打开合页和卡页，并将翻转按钮旋转，使液压吊卡可以通过翻转机构由原本的0度翻转成为85度，使其开口朝上。使用小绞车或者通过人工方式，将钻杆在液压吊卡内送入，对关闭按钮进行旋转，从而有序关闭合页和卡页。与此同时，液压翻转吊卡还可以在自动化钻井设备当中进行应用，将开合按钮旋转，有序打开合页和卡页，之后将翻转按钮旋转，使液压吊卡翻转到85度，之后通过自动猫道将钻杆送入到液压吊卡内，旋转关闭按钮，有序关闭合页和卡页。

②甩单根。将液压翻转吊卡在无自动化钻井设备中进行应用，需要对开合按钮进行旋转，有序打开合页和卡页，之后旋转侧摆按钮，使吊卡侧摆10度，与油管接箍下端相接近，然后，将液压吊卡移动到钻杆接箍下方，对关闭按钮进行旋转，有序关闭合页和卡页。而将液压翻转吊卡在自动化钻井设备中进行运用，同样需要对以上步骤进行有序操作，并要打开卡瓦或者卡盘，将游车大钩提升到相应位置，并将卡瓦或者卡盘关闭。游车大钩需要下行50～100mm，打开机械锁，使钻杆进行卸扣。

2.4 气动卡瓦

气动卡盘主要在石油和天然气修井作业中进行应用，可以卡持钻杆和油管。对于相关产品，需要严格按照钻修井的设备规范要求进行设计与制造。相关卡盘均可以进行液动、气动以及手动等操作，从而使工人的劳动强度得到减轻，进一步提升工作效率。此液动卡盘结构设计合理，在操作上也十分方便，具有较高的安全性和可靠性，是修井作业中的一项理想工具。针对气动卡盘的结构原理进行分析，其中E型气动卡盘驱动机构主要是指曲柄连杆机构，包括对分的两个卡瓦组件，而且每个卡瓦组件是由在转动臂上连接的卡瓦所组成，转动臂的另外一端则在右曲轴与左曲轴上所连接，对于左右两个曲轴主要是通过连杆进行连接。在液缸驱动连杆时，曲轴会绕中心进行转动，以此来实现卡瓦的提升，并松开管柱。当止退块和连杆台肩相啮合时，可以使曲轴转动停止。而在卡瓦本体内咬紧管柱，而且止退块和连杆台肩相啮合后，可以对管柱意外松动进行有效预防。

针对气动卡瓦的使用方法进行分析，其首先需要使用螺钉，将其在液动卡盘的卡瓦座底板长孔内进行插入，使液动卡盘能够在修井机井口平台上得到固定。之后，则需要同过管线将液压源在液缸进出液管接头上进行连接。在实际使用之前，需要有效进行空载运行试验，在对卡盘各个部件的灵活性和可靠性进行观察后，检查卡瓦提升和放下等过程是否存在卡阻。在进行卡持钻杆、套管以及油管等操作前，需要对卡瓦体进行检查，判断装配的牙板规格是否和外径尺寸保持相同，并要对牙板装配方向进行检查。在对液动卡盘进行使用时，往往会有泥水、油污等杂物在卡瓦体背面椎体上溅入，此时，无法通过液缸推力使卡瓦体顶出卡瓦座。在进行修井机开钻之前，首先，需要将卡瓦体提起，而当卡瓦体在卡瓦座内时不能进行开钻，避免有安全事故发生。

3 结语

综上所述，通过对油田修井作业自动化装备进行运用，可以有效实现油管的自动化输送和排放，并具有自动上卸扣功能，可以使人工摘挂吊环、推拉液压钳、搬运吊卡以及拉排油管等工作得到有效节省，并降低劳动强度，有效开展修井作业，使操作人员得到减少。该装备具体需要对现代远程控制和监控技术进行应用，有效实现井口的无人化操作。相关操作者只需要在通井机驾驶室完成具体的洗井冲砂、管柱起下等作业，并降低工伤事故的发生概率，使操作人员的人身伤害风险得到降低。除此之外，通过对该装备进行应用，可以使现场人员的工作环境得到改善，从而保证修井过程的清洁、省力与安全。在实际修井过程中，需要有效收集和密闭回收油水喷洒，使井口周边环境得到有效保护。