摘"" 要：從修井機型譜、動力、節(jié)能、維護和標準化等方面，分析了國內(nèi)修井機技術和應用現(xiàn)狀，指出了修井機存在的問題。闡述了修井機自動化設備及其控制系統(tǒng)技術和應用現(xiàn)狀，并從散熱、集成控制技術、控制邏輯等方面指出了自動化修井機存在的問題，提出了修井機“ZMS策略”、“三停”、“三保護”以及“手、自、遙”多元控制技術等概念，修井機應向高端、綠色、智能方向發(fā)展。研究結果可為新型修井機研制與應用提供借鑒。

關鍵詞：修井機;自動化;智能化;綠色;展望

中圖分類號：TE935""""""""" 文獻標志碼：A"""""" doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2025.01.003

文章編號：1001-3482（2025）01-0012-07

收稿日期： 2024-07-14

基金項目： 中國石化設備采購項目“小修電池儲能修井機”（ZZ00202207039772 ）;中國石化設備采購項目“井下作業(yè)自動化裝備”（QF00202205195959） 。

作者簡介： 何軍國（1970-），男，湖南益陽人，教授級高級工程師，碩士，現(xiàn)從事石油鉆采裝備研發(fā)，E-mail：jg-hjn@163.com。

Current Status and Trends of Workover Rig Technology in China

HE Junguo

（RG Petro-Machinery Group Co.，Ltd.，Nanyang 473006，China）

Abstract： The current status of workover rig technology and application in China was analyzed in terms of workover rig type， performance， energy saving， maintenance and standardization. Existing problems of workover rigs were presented. The automatic equipment and control system technology of workover rigs were analyzed， and the application and existing problems of heat dissipation， integrated control technology， and control logic were also described. The concept of \"ZMS strategy\"， \"three-stop\"， \"three-protection\"， \"manual， automatic， and remote\" multi-control technology were put forward. The development direction of the workover rig to high-end， green， and？intelligent was proposed. It provides a reference for the development and application of a new type of workover rigs.

Key words： workover rig; automation; intelligence; green; prospect

為實現(xiàn)國家“碳達峰、碳中和”雙碳目標，油氣裝備正在朝著綠色、智能方向發(fā)展。生活數(shù)字化和便利化改變了人們思想，重體力勞動行業(yè)向“操控安全、舒適，低作業(yè)強度”進行變革。我國修井機自動化技術和裝備取得快速發(fā)展[1-4]。尤其是中國石化從2011年開始對修井機自動化進行布局，按照“機器化替人、自動化減人到智能化無人”的思路，穩(wěn)步推進機械修井機升級改造。自動化修井機從2000年開始取得實質(zhì)性突破，截至2023年，大部分機械修井機已更換為自動化修井機，并在勝利油田、中原油田、河南油田等油田建立了27個自動化修井作業(yè)示范區(qū)。近年來，中國石油也全面啟動修井機自動化改造和升級換代工作。中國海油則按照成熟一個，應用一個的思路，逐步應用自動化修井工具或成套設備。

以市場為導向，國內(nèi)修井機設計符合模塊化、標準化、輕量化、系列化設計和差異化配置要求，整體技術達到國際先進水平。但自動化修井機仍存在自動化作業(yè)流程不成熟、自動化設備故障處理依賴OEM技術人員、修井機智能化尚有許多技術難題需要攻克等問題。

1 修井機總體技術現(xiàn)狀

1.1 修井機型譜系列化

按照GB/T 23505—2017 《石油天然氣工業(yè) 鉆機和修井機》對修井機鉤載能力的劃分，目前市場能夠提供額定鉤載從350 kN到2 250 kN系列產(chǎn)品，且自動化修井機逐步取代機械修井機。

按作業(yè)場所劃分，適應各種井場的修井機均有產(chǎn)品應用，包括陸地常規(guī)修井機、沙漠修井機、沼澤修井機、山地修井機、雨林修井機、海洋修井機等。

修井機研制廠家有南陽二機石油裝備集團股份有限公司、中石化四機石油機械有限公司、天津市東方先科石油機械有限公司、蘭州蘭石石油裝備工程有限公司等。

1.2 修井機動力多樣化

為實現(xiàn)“雙碳”目標，修井機由柴油機驅(qū)動為主走向油電雙驅(qū)及純電驅(qū)。最大鉤載900 kN以下噸位修井機發(fā)展純電驅(qū)修井機。最大鉤載900 kN及以上修井機以油電雙驅(qū)為主，柴油機主要作為行走動力，電動機作為作業(yè)動力，且修井作業(yè)用柴油機基本完成國產(chǎn)化替代，如濰柴系列發(fā)動機替代CAT系列發(fā)動機。相對柴油機驅(qū)動或電驅(qū)動修井機，液壓驅(qū)動修井機在拖掛修井機或特種修井機上得到應用，例如不壓井修井機、海上液壓舉升裝置等。

1.3 修井機作業(yè)節(jié)能化

900 kN及以下噸位修井機大多采用網(wǎng)電儲能電驅(qū)動。修井機儲能方式包括電容儲能、電池儲能、液流儲能、飛能儲能等，目前主要采用磷酸鐵鋰電池儲能，電池廠家有寧德時代、中航鋰電、億緯鋰能等。網(wǎng)電儲能修井機優(yōu)先使用井口或發(fā)電機組電源，電池組也可作為動力源單獨作業(yè)。儲能系統(tǒng)的電池包及BMS通過四象限DC-DC變流器實現(xiàn)自動充電和放電，為修井作業(yè)提供持續(xù)電力補償及重載下放鉆具時的能量回收。在儲能的同時，對修井機下放勢能進行回收，進一步減少了修井能耗，相對傳統(tǒng)柴油機作業(yè)，網(wǎng)電儲能修井機節(jié)約修井能耗65%以上，網(wǎng)電儲能原理如圖1所示。

電動液壓泵、電動空壓機等采用低功耗設計，具備自動啟停功能。修井機控制系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)負荷調(diào)整功率分配，減少能耗。

1.4 修井機維護便利化

結合傳感器精度與作業(yè)容許偏差，科學標定程序設定值與傳感器測得值的偏差，超出標定偏差判定為故障。通過高精度傳感器，先進信息傳輸技術及計算機技術等，建立修井機監(jiān)控及故障遠程專家診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)設備現(xiàn)場運行參數(shù)的采集、遠傳、儲存、查看、打印、報警、外部通訊以及故障的遠程修復等，提高了修井機維護便利性。

修井機運行參數(shù)包括但不限于游車參數(shù)（高度、速度、鉤載）、鉆壓、大繩千牛米、立管壓力、轉盤參數(shù)（扭矩、轉速）、吊鉗扭矩、泵沖、泥漿參數(shù)（密度、液位、返漿流量）、液壓系統(tǒng)參數(shù)（壓力、油溫、油質(zhì)）、氣路系統(tǒng)壓力、發(fā)動機參數(shù)（轉速、油壓、油耗、油量、水溫）、電動機參數(shù)（轉速、電壓、電流、轉矩、溫度）、動力電池參數(shù)（電壓、電流、溫度等）、電驅(qū)動控制參數(shù)（AFE整流、變頻器、DC-DC變流器等參數(shù)）、載車傾斜角度、井架參數(shù)（安全鎖銷狀態(tài)、傾角）、氣動水冷輔助剎車參數(shù)（流量、水溫、水壓、氣壓）、起下鉆井口防噴狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)（風速、氣溫、位置）、修井機運行時間等等，根據(jù)修井作業(yè)需要和修井機配置選配不同參數(shù)，參數(shù)經(jīng)PLC和RTU收集處理，處理后的數(shù)據(jù)可在施工現(xiàn)場進行人機交互，同時通過RTU發(fā)送到云端，傳輸至遠程監(jiān)控系統(tǒng)。二維碼銘牌如圖2所示，二維碼標識在修井機上的應用方便查閱設備信息。

1.5 修井機標準體系化

目前已形成相對完善的修井機標準化體系，既包括GB/T、SY/T等標準，還包括了近三年來新制訂的T/CPI及T/CPSI標準。其中，GB/T、SY/T總結國內(nèi)技術，吸納了ISO、API、DNV-GL等國外標準技術，從修井機總體到部件，涵蓋了技術、產(chǎn)品、檢驗等多個方面內(nèi)容，形成100多個標準。T/CPI及T/CPSI則結合了國內(nèi)有代表性企業(yè)的典型做法，對GB/T、SY/T未涉及產(chǎn)品或技術進行歸納、總結，形成了具有共性要求的團體標準?，F(xiàn)有修井機標準化體系既指導修井機研發(fā)與應用，又促進修井機技術發(fā)展，起到了標準引領和質(zhì)量支撐的作用。

1.6 修井機存在的技術問題

機械式修井機自上世紀九十年代從國外引進到國產(chǎn)替代，經(jīng)過三十多年的發(fā)展，已技術可靠，應用成熟。自動化修井機經(jīng)過本世紀十多年的摸索，近年來取得快速發(fā)展。但面對新時代“高端、綠色、智能”的要求，需要進一步提高修井機自動化程度及自動控制性能穩(wěn)定性。

2 修井機自動化技術現(xiàn)狀

2.1 自動化工具和設備發(fā)展迅速

修井用自動化工具和設備常用類型如表1所示。近幾年來，一方面?zhèn)€別鉆機自動化工具和設備用于修井自動化，另一方面修井專用自動化工具和設備取得快速發(fā)展，修井自動化設備研制廠家有南陽二機石油裝備集團股份有限公司、三一能源裝備有限公司、勝利油田勝機石油裝備有限公司、北京捷杰西石油設備有限公司等。

鉆臺面管桿自動扶正或擺放裝置、二層臺自動排管裝置的位置精度通常取3～5 mm，單個動作周期通常為30～45 s。

在各類修井自動化工具和設備中，動力貓道種類相對較多，品種齊全。從貓道移運方式來說，既有橇裝式，又有拖掛式;從驅(qū)動方式來說，既有全液壓式，又有全電驅(qū)式;從管桿上下鉆臺來說，既有折疊舉升式、單臂舉升式，雙臂舉升式，又有垂直翻轉式;按管桿進出動力貓道方式又分為推滾式、鉤臂式、抓手式、磁吸式等結構。

2.2 自動化控制技術應用廣泛

目前關鍵修井工藝基本實現(xiàn)流程化一鍵操作，如一鍵上管桿（包括自動測長及涂抹絲扣油）、一鍵甩鉆、一鍵起鉆、一鍵下鉆、一鍵搶噴、一鍵緊急關井等，且一些自動化控制系統(tǒng)獲得了軟件著作權[16-17]。開發(fā)自動化控制程序，除修井機生產(chǎn)廠家外，還有專業(yè)的電控生產(chǎn)廠家，如北京四利通控制技術股份有限公司、北京西威嘉業(yè)科技有限公司、天津同創(chuàng)達科電氣設備有限公司、天津瑞靈石油設備股份有限公司等。

小修作業(yè)主要為提升與下放作業(yè)，容易實現(xiàn)修井全過程自動化，小修綜合作業(yè)效率達35～48 根/h。大修作業(yè)工藝相對復雜且不固定，自動化控制系統(tǒng)尚不成熟，大多采取半自動化方式，大修綜合作業(yè)效率達25～38 根/h。

變頻器、傳感器、伺服電機等在內(nèi)的自動化控制系統(tǒng)關鍵設備或元器件以進口為主。自動化控制系統(tǒng)用傳感器包括旋轉編碼器、接近式編碼器、膠囊式壓力傳感器、拉力傳感器、拉線式行程傳感器、超聲波液位傳感器、渦磁式流量傳感器、三軸陀螺儀角度傳感器、全金屬風速傳感器等。伺服電機、伺服電缸在自動化修井機中廣泛應用，技術成熟。

聯(lián)動控制與互鎖技術的應用提高了修井機安全性。例如，通過絞車和游車運行參數(shù)與盤剎自動控制系統(tǒng)集成，自動控制盤剎工作鉗、安全鉗、剎車氣缸、輔助剎車等，實現(xiàn)超速自動減速、緩降、軟著陸，防止游車大鉤上碰、下砸。

VI技術在自動化修井機中逐步應用。應用VI技術對管桿本體及接箍進行圖相識別和分析，精準判斷其坐標位置，實現(xiàn)管桿運動、上卸扣全過程實時監(jiān)測，代替人眼識別和人工判斷，確保接箍的準確連接與分離，助力實現(xiàn)連續(xù)起下管桿流程的自動化。VI設備及技術滿足油基、水基、絲扣油、雨天、夜晚、強光等復雜環(huán)境下的精確識別要求[18-19]。

司鉆控制系統(tǒng)對關鍵作業(yè)參數(shù)實現(xiàn)數(shù)顯與圖顯相結合，二層臺管桿排放設計界面如圖3所示，既實時顯示二層臺管桿排放數(shù)量，又實時圖示管桿排放位置。小修井絞車控制設計界面如圖4所示，既實時顯示游動系統(tǒng)在井架的高度數(shù)值，又圖示在井架的工作位置;指重表既圖示鉤載，又有數(shù)字顯示。

區(qū)域安全管理系統(tǒng)（ZMS）嵌入自動化控制系統(tǒng)。如表2所示為 ZMS策略表，ZMS可保障修井機各項動作的關聯(lián)滿足防碰撞、防墜落、防拉扯的要求，

例如游車下放甩鉆時，貓道滑車應同時下滑，防止管桿上端頂井架;往二層臺排管時，在鐵架工機械手關閉前，不能打開吊卡，防止管桿墜落;液壓鉗上扣時，不能提升游車等。"

2.3 自動化作業(yè)系統(tǒng)存在的問題及應對措施

2.3.1 設備或系統(tǒng)發(fā)熱需要治理

需要充分考慮自動化修井機傳動部件的散熱，防止齒輪箱、鏈條箱、傳動軸等過快磨損。

電氣設備或其控制系統(tǒng)發(fā)熱，影響工作穩(wěn)定性，甚至損壞設備。電池、電氣設備及控制柜等需要采用耐熱材料和易散熱結構，并且采取強制通風或冷卻措施。

為防止液壓系統(tǒng)元器件損壞或系統(tǒng)性能下降，必要時設計液壓油強制冷卻系統(tǒng)。液壓修井機通常采用負載敏感技術來降低能耗，減少系統(tǒng)發(fā)熱。

空壓機及控制箱除了需要適應野外作業(yè)的能力，滿足防雨防塵防振的要求，也需要有足夠的潤滑，根據(jù)控制邏輯自動啟停冷卻風機，防止空壓機軸承及電機燒毀。

2.3.2 司鉆集成控制技術有待提高

目前司鉆控制大多為分散式控制或部分集成式控制，控制系統(tǒng)復雜容易導致操作者疲勞、操作失誤。

司鉆集成控制座椅如圖5所示，司鉆控制系統(tǒng)需要集成所有設備的控制，例如數(shù)字管桿盒、自動貓道、鉆臺扶正手、鐵鉆工、動力吊卡、二層臺自動排管裝置、頂驅(qū)、泥漿泵、井控系統(tǒng)等。修井機大多采用單司鉆控全程的模式。

按照修井工藝要求，區(qū)分經(jīng)常動作、偶爾動作與應急動作，重點監(jiān)控參數(shù)與輔助監(jiān)控參數(shù)，對操控屏進行科學分屏設計和分畫面設計。

2.3.3 自動控制邏輯的合理性有待優(yōu)化

自動化控制系統(tǒng)需要在安全、可靠、適用的基礎上再追求先進性和高效性。

網(wǎng)電儲能修井機電池備用模式下，例如給生活營區(qū)供電，可采用滿充滿放模式。而修井作業(yè)時則須留有一定的充放裕度，例如電池在滿電情況下重載下放，無法充電進行勢能回收，可能出現(xiàn)電機反拖失效，產(chǎn)生大量熱能，且能耗制動又不能滿足剎車要求時，若主剎車也反應不及時，則容易出現(xiàn)溜鉆現(xiàn)象，因此需要優(yōu)化電池充放電程序，避免上述現(xiàn)象發(fā)生。為便于電量校準，通常需要對電池每月充滿一次。在滿電情況下，立即下放管桿需要預先放電2%以上，防止下砸的安全距離宜設置在1.5 m以上。

BMS具備開機自檢、數(shù)據(jù)采集、SOC估算、故障實時監(jiān)測、均衡保護、通訊、熱管理等功能。修井機的BMS、電控系統(tǒng)（ECS）與修井工藝三者之間需要有機融合。電池具有快速的充放電特性，充放電可快速切換，絞車突然下放重載及重載快速剎車時，控制直流母線不出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，逆向發(fā)電不應回饋井場電網(wǎng)，以免對電網(wǎng)形成沖擊。

BMS觸發(fā)電池保護可能導致ECS無法工作。BMS與ECS控制邏輯表如表3所示，當電池出現(xiàn)一般報警現(xiàn)象時，ECS應能操控修井機降速、降功使用或延遲停機，以保證井架內(nèi)運行的管桿下放到井口并座實或者處理完其它應急作業(yè)。電池溫度監(jiān)控參數(shù)需要按充電和放電兩種狀態(tài)設置不同參數(shù)，充電狀態(tài)高溫限值比放電狀態(tài)要小2～3 ℃，夏季高溫限值比冬季設置要小。儲能作業(yè)應考慮井場可充電與無充電兩種情況。

空壓機啟停壓力與修井機用氣壓力匹配，才能保證作業(yè)正常進行。假定氣動盤剎安全鉗工作壓力低于0.7 MPa，則觸發(fā)低氣壓自動剎車。氣路系統(tǒng)壓力大于0.9 MPa時，空壓機自動停機，低于0.6 MPa時，空壓機自動啟動。當空壓機處于自動停機而不會自動啟動的壓力區(qū)間0.6～0.7 MPa之間時，可能導致意外剎車。

吊環(huán)偏擺角度信號獲取或傳輸采用電池供電時，需要設計為低功耗系統(tǒng)[20]，以提高一次充電后持續(xù)正常工作時間，并具備低電壓報警功能，防止由于低電或無電情況下無法工作，甚至發(fā)生意外碰撞。

車裝修井機二層臺采用吊繩結構，工作位置容易受到風載荷、立根偏置的影響，預設位置的鐵架工機械手需要有較大卡持范圍，或者配置VI系統(tǒng)自動調(diào)整機械手工作位置與工作行程，才能準確抓取或釋放相應管桿。

自動修井作業(yè)程序的設定需要把風速等級與作業(yè)許可相結合，例如風速大于6級時，不能進行井架起升。

應急“三?！敝竼蝹€設備停機、多個設備聯(lián)動停機、切斷系統(tǒng)動力總停機，即“單停、聯(lián)停、總?！比Ｊ剑瑔蝹€設備急停不能影響其它設備的使用。設備聯(lián)鎖控制應基于設備保護、人員保護、作業(yè)保護的“三保護”機制。

3 發(fā)展方向展望

3.1 從深井走向特深井

“雙魚001-H6井”深9 010 m，“躍進3-3XC井”深9 432 m，“深地塔科1井”突破萬米，標志著我國鉆井深度實現(xiàn)新的突破。隨著油氣田特深井的出現(xiàn)，超出現(xiàn)有標準界定的特深井修井裝備成為必然。

3.2 從高能耗走向綠色節(jié)能

1） 新能源修井機成為主要發(fā)展方向。

按照國家積極培育新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃，伴隨各大油田電網(wǎng)持續(xù)升級，儲能電池技術快速發(fā)展，電池容量加大、充電時間縮短及使用壽命延長，陸地油田專用全電驅(qū)車輛里程焦慮將逐步得到解決，大噸位油電雙驅(qū)修井機也將得到進一步發(fā)展。綜合利用“源、網(wǎng)、荷、儲”一體化精細化用能技術，通過變配電設備標準化、設備錯峰用電、“削峰填谷”、發(fā)電機組余電利用、作業(yè)勢能回收等措施，優(yōu)化油氣田生產(chǎn)，降低修井作業(yè)成本。

未來隨著“制、儲、運、用”氫能技術逐步走向成熟，涉氫關鍵材料性能成熟穩(wěn)定，氫泄漏、氫脆、氫爆炸等安全隱患得以解決，氫能源發(fā)動機、氫燃料電池在修井機上應用將成為可能。

2） 環(huán)保修井機倍受關注。

一方面減少修井機用油設備，設備以電代油，采用太陽能等措施，減少碳排放量。另一方面對污油、污水、污泥等進行自動收集和集中處理，采用泥漿不落地設備等，實現(xiàn)修井機污染物零排放。

3） 靜音修井機值得期待。

新一代靜音修井機可通過采用隔離降噪、吸音技術、低沖擊或無沖擊結構等措施，將修井機總體噪音控制在65 dB以下。

3.3 從自動化走向智能化

AI、VI、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術發(fā)展助力修井作業(yè)走向井口智能化、無人化。

采用數(shù)字孿生技術，司鉆臺和遠程控制臺實時顯示各設備的仿真運行狀態(tài)，為修井作業(yè)提供實時安全監(jiān)控與作業(yè)指導。

通過智能化控制系統(tǒng)，不同設備執(zhí)行并行與串行相結合的有序高效混動模式，從單一性順序式流程化作業(yè)走向系統(tǒng)性協(xié)同式流程化作業(yè)，保證安全的同時，提高作業(yè)效率。

修井機操控可實現(xiàn)“手、自、遙”多元控制，即手動控制、自動控制與遠程無線控制，且具備人臉識別、語音交換功能，實現(xiàn)多元化人機交互環(huán)境。

未來修井機控制系統(tǒng)能處理復雜的修井工況，針對不同修井工藝建立不同的修井機自動化控制程序，并逐步具備復雜工況下的學習、記憶，自主判斷、決策與執(zhí)行功能。從小修修井作業(yè)完全自動化，逐步過渡到大修修井作業(yè)完全自動化;從分布式多個一鍵操作走向全流程一鍵操作。

4 結束語

隨著我國科學技術的進步，修井機朝著高端、綠色、智能方向發(fā)展，且關鍵部件及元器件國產(chǎn)化成為未來發(fā)展的方向。建議瞄準深層、極地、海洋、非常規(guī)等油氣鉆采方向，增強政府、生產(chǎn)廠家、大學、研究院所和用戶之間的合作，強化基礎技術和基礎材料的研究，加大創(chuàng)新投入，加快實現(xiàn)修井裝備數(shù)字化設計、智能制造、自動化操控和信息化管理，為保障國家能源安全提供高精裝備支持，也為開拓修井機國外市場打下更加堅實的基礎。

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（編輯：韓睿超）