高望祺

（大慶油田有限責(zé)任公司井下作業(yè)分公司，黑龍江大慶 163000）

0 引言

修井是油田建設(shè)與生產(chǎn)過程中極具技術(shù)復(fù)雜性、工序繁瑣性和實(shí)施危險(xiǎn)性的系統(tǒng)性工作，隨著國(guó)內(nèi)油田勘探開發(fā)的不斷深入、開發(fā)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，修井行業(yè)作為措施增油的一種工藝方式，在油田開發(fā)的中后期顯得尤為重要，任務(wù)量逐年增長(zhǎng)。為了降低修井工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，提升井口作業(yè)的高效性、安全性和穩(wěn)定性，需要不斷提升井口自動(dòng)化設(shè)備及其發(fā)展系統(tǒng)的應(yīng)用水平。通過自動(dòng)起下鉆、推起單根、自動(dòng)上卸扣、自動(dòng)擺放立柱等工作的機(jī)械自動(dòng)化實(shí)施，將井下作業(yè)井口操作的流程程序化，實(shí)現(xiàn)操作簡(jiǎn)單化、效益化和控制精準(zhǔn)化的有機(jī)統(tǒng)一。

1 實(shí)現(xiàn)修井井口機(jī)械自動(dòng)化的必要性和價(jià)值

修井作業(yè)井口的機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展是基于傳統(tǒng)井口作業(yè)的基本流程，利用自動(dòng)化技術(shù)和智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)起下油管、上卸扣、管柱處理等作業(yè)自動(dòng)化設(shè)備與系統(tǒng)的研發(fā)、安裝、調(diào)試、驗(yàn)收與體系化應(yīng)用，從而全面實(shí)現(xiàn)了井口操作無(wú)人化，達(dá)到提升井口作業(yè)效率及安全性的目的。總體來(lái)說(shuō)，實(shí)施修井井口機(jī)械自動(dòng)化的必要性和價(jià)值主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。

（1）在傳統(tǒng)的修井井口作業(yè)中，人工操縱下鉆等管柱處理作業(yè)的油氣開采深度較淺，而且在實(shí)際開采過程中，常規(guī)的大型鉆機(jī)難以進(jìn)入，在設(shè)備遷移、鉆采成本的控制上存在諸多難點(diǎn)，如果操作不當(dāng)，甚至?xí)霈F(xiàn)油氣資源出砂、出水等不良現(xiàn)象，穩(wěn)產(chǎn)性和效率性均難以滿足需求。因此通過引入下油管、下卸扣等自動(dòng)化裝置，將井口作業(yè)的控制操作全部由一個(gè)智能化遠(yuǎn)程操控平臺(tái)一體實(shí)現(xiàn)，極大拓展了作業(yè)的實(shí)施深度，減少了地面作業(yè)及設(shè)備的施工面積，提升了作業(yè)的靈活性和穩(wěn)定性，并降低了人為操作的誤差，帶來(lái)了作業(yè)成本和作業(yè)質(zhì)量的有效管控。

（2）傳統(tǒng)鉆機(jī)人工裝載鉆桿等操作費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、效率低下且存在較大危險(xiǎn)性，哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)紕漏都有可能會(huì)造成嚴(yán)重的人身傷害事故和財(cái)產(chǎn)損失。尤其是在山區(qū)、丘陵等起伏地貌的復(fù)雜地理環(huán)境中，作業(yè)效率、安全性和質(zhì)量都將承受嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1]。而通過自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備及其系統(tǒng)的應(yīng)用，將極大集成井口作業(yè)的工序，避免人工的參與與操作，提升作業(yè)安全性和效率性的同時(shí)，結(jié)合實(shí)際的作業(yè)需求，通過融入自動(dòng)上卸扣、動(dòng)力貓道等自動(dòng)化輔助技術(shù)，能大幅度提升井口作業(yè)的環(huán)境適應(yīng)性和操作高效性，帶來(lái)修井作業(yè)經(jīng)濟(jì)效益、一線員工社會(huì)價(jià)值的同步提高。

通過修井井口自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)施，可以通過應(yīng)用集液平臺(tái)、油管油污防噴筒去實(shí)現(xiàn)對(duì)井口出液的全部收集[2]。進(jìn)而改變了傳統(tǒng)施工方式下挖循環(huán)坑、土堆圍堰等方法，真正實(shí)現(xiàn)污油污水不落地的綠色施工開采實(shí)施目標(biāo)。

2 修井井口自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用的具體內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

修井井口自動(dòng)化設(shè)備及其系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，就是將井下作業(yè)井口操作的流程進(jìn)行程序化，用觸控屏、控制手柄指揮“機(jī)械手”執(zhí)行井口作業(yè)的每步動(dòng)作，起下管柱、絲扣松卸、立柱擺放完全由“機(jī)械手”自動(dòng)化完成。其自動(dòng)化工作內(nèi)容包括自動(dòng)起下鉆、自動(dòng)上卸扣、自動(dòng)擺放立柱等，可由一整套的管柱處理系統(tǒng)配合井口的自動(dòng)化工具、操作傳感系統(tǒng)及遠(yuǎn)程數(shù)字化控制平臺(tái)一體集成實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到鉆井速度及質(zhì)量的全面化提升。

2.1 自動(dòng)上卸扣控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的修井作業(yè)需要5～6個(gè)人才能完成排管、推管卡持管桿以及上卸扣等工作，而該過程不僅修井作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而且勞動(dòng)強(qiáng)度極大、人工操作效率低下，存在有諸多的安全隱患。鑒于人工上卸扣工藝技術(shù)的缺陷，可采取自動(dòng)化的管桿上卸扣裝置，達(dá)到作業(yè)操作的連貫性、高效性和質(zhì)量穩(wěn)定性。

自動(dòng)化上卸扣裝置基礎(chǔ)為一個(gè)安裝有可靈活滑動(dòng)的移運(yùn)小車機(jī)座，該移運(yùn)小車的側(cè)壁安裝有能夠遠(yuǎn)程控制小車的驅(qū)動(dòng)（設(shè)置有1個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸上安裝的齒輪與齒條嚙合進(jìn)行傳送驅(qū)動(dòng)）。移運(yùn)小車之上還安裝有1個(gè)能后自動(dòng)升降機(jī)械手臂（升降臂由升降基座與小車之間的升降驅(qū)動(dòng)操控，其升降為交叉升降結(jié)構(gòu)），同一升降機(jī)座上安裝有1個(gè)能夠左右擺動(dòng)的機(jī)架，1個(gè)主鉗總成裝置通主鉗前后移動(dòng)驅(qū)動(dòng)安裝在左右擺動(dòng)機(jī)架上，同時(shí)在機(jī)架上安裝有1個(gè)管桿扶正裝置（通過銷軸安裝在所述左右擺動(dòng)機(jī)架上）和1個(gè)防噴裝置[3]。

在運(yùn)行中，進(jìn)行遠(yuǎn)程操控小車驅(qū)動(dòng)裝置，使移運(yùn)小車自動(dòng)向井口中心移動(dòng)，升降座在升降臂和升降驅(qū)動(dòng)的共同作用下升至油管接箍位置，主鉗總成開始進(jìn)行卸扣，并自動(dòng)完成卸扣后管桿的扶正操作，上卸扣作業(yè)完成之后，移運(yùn)小車即可自動(dòng)復(fù)位。整個(gè)過程標(biāo)準(zhǔn)化程度和質(zhì)量穩(wěn)定性高，而且大大提升了作業(yè)效率，減小了人工操作的危險(xiǎn)。

2.2 自動(dòng)下油管控制系統(tǒng)

修井作業(yè)的自動(dòng)化起下油管裝置一般由自鎖式油管吊卡、井口鎖緊裝置和液壓鉗液壓控制系統(tǒng)3個(gè)部分構(gòu)成。其中，自鎖式油管吊卡安裝于吊環(huán)內(nèi)部，井口鎖緊裝置安裝與井口之上（此時(shí)卡塊不予安裝鎖緊，待起出油管頭后再進(jìn)行安裝），其液壓油管鉗系統(tǒng)則由機(jī)械手臂、液壓油管鉗、液動(dòng)吊卡、氣動(dòng)卡盤等構(gòu)成（圖1）。該自動(dòng)化裝置全面避免了修井井口人工抬吊卡、掛吊卡、穿銷子等繁重的人力操作，并通過自鎖式的活動(dòng)卡板消除傳統(tǒng)的安全隱患。另外，井口的鎖緊裝置還能實(shí)現(xiàn)單吊卡起下油管的靈活形式，液控自動(dòng)化操作代替了人工推動(dòng)操作，精準(zhǔn)性、安全性和效率性得到了極大提升。

（1）起油管。當(dāng)需要起出井內(nèi)第一根油管時(shí)，自鎖式油管吊卡會(huì)對(duì)準(zhǔn)油管接箍以下油管體，吊卡兩側(cè)的活動(dòng)卡板會(huì)在彈簧的彈力下自動(dòng)將油管擠住.接著打開氣動(dòng)卡盤，松開管柱并上提，當(dāng)?shù)诙凸芙庸科鸪鼍诤?，自?dòng)頂開4個(gè)裝在井口鎖緊裝置上的卡塊，接箍通過后，4個(gè)卡塊自動(dòng)下行回位。當(dāng)油管接箍與液壓油管鉗上的背鉗頭對(duì)齊時(shí)，停止起管。這些操作都可在控制室內(nèi)通過控制液壓鉗的油缸（前進(jìn)檔、反轉(zhuǎn)檔、后退檔）進(jìn)行重復(fù)一體的操作，直至起出井內(nèi)的全部油管。

（2）下油管。在下油管操作中，自鎖式的油管吊卡會(huì)自動(dòng)擠緊油管并吊起，實(shí)現(xiàn)油管與井口有效對(duì)正，此時(shí)操作遠(yuǎn)程的電控開關(guān)，4個(gè)卡塊就會(huì)朝上行走并完全打開油管的通道，這時(shí)就可以向井內(nèi)下入第一根油管。待油管的接箍正面對(duì)其液壓鉗的背鉗時(shí)，操作遠(yuǎn)程開關(guān)將4個(gè)卡自動(dòng)復(fù)位，下放油管的便會(huì)被緊鎖裝置進(jìn)行自動(dòng)的鎖住[4]。吊卡取下后再將油管橋上的第二油管吊起并與第一根油管實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的對(duì)接，液壓鉗抓住油管，并通過遠(yuǎn)程操作使油管上扣，一次實(shí)現(xiàn)反復(fù)下油管操作，直至下入全部油管。

圖1 起下油管裝置的液壓操縱系統(tǒng)

2.3 管柱自動(dòng)化輸送系統(tǒng)

當(dāng)下應(yīng)用最為普遍的管柱自動(dòng)化系統(tǒng)是利用帶液壓排管架的動(dòng)力貓道系統(tǒng)設(shè)備，其由液壓站、電控柜、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑車機(jī)構(gòu)、本體運(yùn)行機(jī)構(gòu)、本體液壓缸、機(jī)架、舉升機(jī)構(gòu)、V形槽、上卸鉆具機(jī)構(gòu)及鉆具存放板等一體構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)鉆桿、鉆鋌、套管等管柱在地面臺(tái)架與鉆臺(tái)面之間往返輸送（圖2）。

動(dòng)力貓道坡道可折疊放置在底座上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力貓道主體的一體化運(yùn)輸，鉆桿架將鉆桿存放并自動(dòng)運(yùn)輸?shù)降鬃?，通過底座中間的溝槽和溝槽內(nèi)的滑板（滑板帶有鋼絲繩和滑輪設(shè)備）將鉆桿運(yùn)送到傾斜的活動(dòng)坡道上，活動(dòng)坡道位于傾斜坡道上，然后通過液壓缸將載有鉆桿的活動(dòng)坡道舉升到與鉆臺(tái)面近似平行的位置。此時(shí)鉆臺(tái)設(shè)備來(lái)抓取鉆桿，完成一次鉆桿的運(yùn)送[5]。

動(dòng)力貓道的輸送架在回位后能與底座自動(dòng)平齊，從而大大提升了隨鉆、測(cè)井儀器安裝的便易性。如果出現(xiàn)輸送架在高位失去動(dòng)力的情況，液壓絞車會(huì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車，并通過蓄能器達(dá)到輸送架的合理下放，直至將輸送架置于低位。該自動(dòng)化輸送裝置可以通過無(wú)線遙控操作實(shí)現(xiàn)管柱自動(dòng)上、下鉆臺(tái)，配合緩沖機(jī)械手以及PLC程序的優(yōu)化，能夠靈活控制比例閥開度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了輸送架的平穩(wěn)起升、下落和中間過程的快速靈活動(dòng)作。通過鏈條驅(qū)動(dòng)輸送小車推送管柱，標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化工作平穩(wěn)而有效，因而大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度節(jié)約運(yùn)輸成本，提高工作效率。

圖2 液壓動(dòng)力貓道

3 修井井口機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用前景

（1）在液壓鉆機(jī)的全自動(dòng)技術(shù)優(yōu)化提升中，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆機(jī)的動(dòng)力供給、整體構(gòu)造、工具集成等方面智能化提升，起井口作業(yè)逐步采取了全液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，并逐步引入柴油發(fā)動(dòng)機(jī)與分動(dòng)箱傳動(dòng)裝置，進(jìn)而可通過負(fù)載敏感系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力的輸出與控制，在降低液壓馬達(dá)負(fù)載的情況下，將動(dòng)力頭運(yùn)行速度進(jìn)行了全面的適應(yīng)性優(yōu)化。在鉆機(jī)的自動(dòng)化集成上也有了新的發(fā)展趨勢(shì)，鉆機(jī)開始集液壓伸縮式起升油缸、立式管具自動(dòng)搬運(yùn)存儲(chǔ)系統(tǒng)、可橫向移動(dòng)的液壓頂驅(qū)系統(tǒng)、井口自動(dòng)化工具等于一體，不僅大大提升了作業(yè)自動(dòng)化機(jī)構(gòu)的緊湊性和工作銜接緊密性，還極大優(yōu)化了接單根、起鉆和下鉆的速度，擴(kuò)大了井口和井下作業(yè)的靈活性和穩(wěn)定性。

（2）為了實(shí)現(xiàn)對(duì)修井井口作業(yè)及其自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，開始逐步引入無(wú)線儀表監(jiān)控井口的數(shù)據(jù)，并將其同步傳送至遠(yuǎn)程控制處理平臺(tái)。通過對(duì)修井及井下作業(yè)信息和數(shù)據(jù)的全方位把握，結(jié)合生產(chǎn)自動(dòng)化控制模型的全面修正，不僅可以基于操作實(shí)際對(duì)平臺(tái)的自動(dòng)化水平和遠(yuǎn)程操作水平的進(jìn)行適應(yīng)性的優(yōu)化，還可以管控油氣田生產(chǎn)全生命周期的有效成本，進(jìn)而全面提升油氣田開采經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

修井井口作業(yè)是油氣田工程的關(guān)鍵組成部分，為了提升修井井口各個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)的高效性、質(zhì)量性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，需要結(jié)合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展實(shí)際，采用緊密度和工作實(shí)用性更加的強(qiáng)的自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井口操作無(wú)人化，信息采集實(shí)時(shí)化以及數(shù)據(jù)分析利用全面化的發(fā)展目標(biāo)，進(jìn)而為我國(guó)油氣能源開采效能的現(xiàn)代化提升奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。