自动化智能液压修井机结构设计

牛文杰白永涛余焱群王晓斌王运安闫成新. 中国石油大学（华东）机电工程学院；. 山东胜利石油装备产业技术研究院

自动化智能液压修井机结构设计

牛文杰1白永涛1余焱群1王晓斌1王运安2闫成新1
1. 中国石油大学（华东）机电工程学院；2. 山东胜利石油装备产业技术研究院

针对目前传统修井机小修作业存在的作业周期长、作业自动化程度低、人工劳动强度大、作业安全性差等问题，设计了一款新型自动化智能液压修井机，通过“‘PLC程控/人控’多单元协调自动耦合控制+人机离线操控 ”的控制方式使修井机的各个关键系统相互协同作业，实现油田小型修井作业过程的自动化、无人化操作。该修井机改变了传统修井作业过程中管柱地面卧排的放置方式，采用管柱井口立放、双立根同时起下的工作模式，同时可以兼容单根起下、地面卧排的传统作业工艺，与传统作业相比缩短了近20%～30%的修井周期；采用全液压驱动方式，增加液压蓄能系统，通过变载荷变驱动方式的配置达到节能的目的，方便远程控制，同时提高了修井作业的安全性。

修井作业；修井机；液压控制；自动化；结构设计

目前，国内大部分油田已进入“高含水、高递减、高投入”的“三高”开发时期，井下作业已成为油田稳产的重要措施。据统计，在修井作业中，小修作业施工约占整个井筒维护工作量的90%～95%［1］。然而目前国内使用较多的小型修井设备主要是结构简陋的各种通井机，劳动强度大，生产效率低，自动化程度低［2］，而结构先进、效率较高的轻型修井机只有20%左右，这与修井作业的频繁程度和作业强度极不协调，亟需一款高效安全的修井设备来改善修井作业的现状。

针对上述修井作业中存在的问题，国内相关领域技术人员相继研发了各种机械化井口操作装置，如气动卡盘、筒式吊卡、油管举升器等［3-4］。但因其仅着眼于解决作业流程中某一方面的具体问题，具有很大的局限性，到现在未能形成系统的解决方案。

随着科技的发展及环境保护意识的增强，国内外的修井设备主要朝着3个方向发展：（1）高性能、长寿命、高可靠性；（2）机械化、自动化和智能化，突出高效节能，降低修井成本；（3）功能多元化、强适应性［5］。2010年，辽河油田研制成功了国内第一台自动化修井机，但由于该修井机结构复杂、运移性较差、作业成本高，因此未在油田上得到广泛应用。笔者设计研发了一种定位于频繁的小修作业的自动化智能液压修井机，在兼容传统修井作业工艺的基础上，创新性地提出并实现了管柱的双根提升和立式排放，通过减少起下油管过程中上卸扣次数以及改变修井过程中管柱的排放方式提高修井机的工作效率，且通过“‘PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）程控/人控’多单元协调自动耦合控制+人机离线操控”的控制方式使修井机的各个关键系统相互协同作业，实现油田小型修井作业过程的自动化、无人化操作。

1 设计定位及基本功能Design principles and basic functions

1.1设计定位

Design principles

该修井机定位于小吨位修井机，以油田小修作业为设计目标，最大作业井深为2 600 m（以Ø73 mm油管为设计依据）。主要设计技术指标见表1，修井机动力由油井网电驱动修井机上2台额定功率45 kW的电机提供。

表1　自动化智能修井机技术指标Table 1 Technical specifications of the automatic smart workover rig

1.2基本功能模块

Basic function modules

根据该修井机的设计定位与设计功能，其结构主要由5大系统组成：管柱自动提放系统、管柱自动运移排放系统、自动化井口系统、载车变幅-支撑系统和电液供-驱-操-控系统。在作业过程中，采用“‘PLC程控/人控’多单元协调自动耦合控制+人机离线操控”技术：PLC中设有小修作业的全套操作程控指令，可实现修井作业的无人化智能控制，亦可以通过控制台或者离线操作手柄对其修井机的作业进行控制；其中离线操作手柄与PLC采用无线通信方式，在作业过程中可手动参与调控，亦可全程手动操控，使修井机的各个系统相互协同作业，实现小修作业的自动化。其主要控制原理如图1所示。

图1　修井机系统操控原理图Fig.1 Work principles of the workover rig

该修井机采用载荷跟随驱动技术，根据工作过程中的载荷变化规律，将修井作业提放管柱过程分为4个阶段，每个阶段采用不同的驱动方案：

（1）高压阶段（重载提升）：采用泵组供油驱动；

（2）中压阶段（中载提升）：采用泵组+蓄能器供油驱动；

（3）低压阶段（轻载提升）：采用泵组+蓄能器+差动回路供油驱动；

（4）蓄能阶段（管柱下放）：将管柱的重力势能转化液压能存储于蓄能器。

通过变载荷变驱动方式可以有效地节省修井机的能耗，降低装机功率［6-7］，其蓄能原理与现有常规液压修井机的原理基本一致，此处不再赘述。产品样机与现有修井机性能对比见表2。

表2　不同修井机性能对比Table 2 Performances of different workover rigs

2 结构设计Structural design

自动化智能液压修井机的结构如图2所示，包括载车变幅-支撑系统、管柱自动提放系统、管柱自动运移排放系统、自动化井口系统4部分。

图2　自动化智能液压修井机结构Fig.2 Structure of the automatic smart hydraulic workover rig

2.1载车变幅-支撑系统

Truck-load support system with variable amplitudes

载车采用WS5480油田专用底盘，该底盘动力系统选用达到国3排放的电控发动机。车架采用与车上设备一体化设计，集成了车上的各种接口，车身尺寸为14.1 m×3 m×2.88 m，载车的驱动方式采用8×8，增加修井机的越野与越障能力。

修井机的机架安装于机车后部，可以通过变幅油缸实现机架的起升和整体工作状态。机架上安装有管柱自动提放系统和管柱自动运移排放系统，分别负责管柱的起升下放和运移排放工作，自动化井口设备在地面与井口相连，完成管柱的坐放和拆卸扣工作。机架的顶部安装二层工作台，配合地面的立根排放盒立式排放双根的管柱。机架底部设计有井口自动对中的装置，可以实现前后左右各±10 cm的对中调整。

2.2管柱自动提放系统

Automatic pipe-string tripping system

管柱自动提放系统采用液压缸驱动，包括钢丝换向轮、天轮、钢丝绳、变幅油缸、液压自动吊卡等部件（见图3a）。起升管柱时，通过天轮、提升液压缸与机架上的钢丝换向轮实现了管柱的3倍增距提升方式，如图3b，当提升液压缸上升1 m时，钢丝绳末端连接的液压自动吊卡上升3 m，避免了由于提升双根管柱而导致的液压缸行程过大的问题。

图3　管柱自动提放系统示意图Fig.3 Schematic diagram of the automatic pipe-string tripping system

提升液压缸为该系统的关键部件，为河南汝阳液压机械厂生产的ZQ型重型冶金设备液压缸，型号为ZQ-320/220×7635G。液压缸活塞杆直径为220 mm，最大行程为7 635 mm。

图4为液压自动吊卡的设计结构。液压自动吊卡用来抓住管柱并将其从油井中提取出来。吊卡采用了三片式的卡片结构，卡片置于锥形的卡瓦体中，靠自锁原理将管柱卡紧［9-11］。该吊卡的作用位置是管柱本体，不同于传统的卡接箍的工作方式，安全性、可靠性较高。

图4　液压自动吊卡结构总成Fig.4 Structural assembly of automatic hydraulic elevator

2.3管柱自动运移排放系统

Automatic pipe-string placement and conveying system

该装置主要完成管柱的运移和排放工作，主要由管柱抓取机械手、导轨、平行四边形横梁、液压缸等部分组成，结构如图5所示。在修井作业中，该装置可以实现管柱的自动运移排放，提高修井效率及作业自动化程度。

图5　管柱自动运移排放系统总成Fig.5 Assembly of automatic pipe-string placement and conveying system

2.4自动化井口系统

Automatic wellhead system

自动化井口设备［11］主要由液压动力油管钳、导轨、导轨支撑架、管柱探伤设备、液压自动卡瓦、接箍检测设备和单闸板防喷器组成，负责管柱的自动拆卸扣和坐放井下管柱的工作。其结构如图6所示。

图6　自动化井口设备总成Fig.6 Automatic wellhead assembly

3 修井作业工序Workover procedures

修井机工作之前需要做一定的准备工作，包括载车固定、机架起升、井口对中等，完成准备工作后开始进行管柱的提放工作。

3.1提升管柱作业工序

Procedures for lifting of pipe string

提升管柱的过程中，先由管柱自动提放系统将管柱从油井中提升2根油管的高度，然后自动化井口系统进行管柱的卸扣工作。卸扣完成后，井下的管柱由自动化井口系统卡坐在井口，提升出井口的2根管柱交给管柱自动运移排放系统完成管柱的自动运移排放工作，最后将双根管柱立放在指梁上完成一次起升管柱的操作。此过程不断重复，直至将管柱全部从井中取出。

3.2下放管柱作业工序

Procedures for lowering of pipe string

完成对油井或设备的修复后需要将取出的管柱下放回油井中。此过程先由管柱自动运移排放系统从指梁上取下一组双根立放的管柱，运移到井口正上方的位置，通过安装于井架低端的对中机械手使悬吊在游吊系统中的油管对准井口，同时由自动化井口系统进行管柱的上扣操作。接扣结束后，将管柱交给管柱起升系统，将管柱下放至井内，下放的管柱上端再由自动化井口系统卡坐在井口，即完成一次下放管柱的操作。此过程不断重复，直至将管柱全部下放到油井中，完成一次修井作业。图7为修井机工作过程中的工序流程。

图7　自动化智能液压修井机提放管柱工序流程Fig.7 Work flow of pipe-string tripping operations by using the automatic smart hydraulic workover rig

该修井机的修井作业工序及提取双根油管的作业模式，不仅减少了修井作业过程中的上卸扣次数，而且通过管柱自动排放装置代替人工进行排管

作业，减少了人工排管作业时间。该修井机的提升双立根的作业周期如表3所示，平均每小时能够提取40～55根单根，与普通修井机作业时间（平均每小时提升30～40根油管）相比较，作业周期缩短了近20%～30%，提高了修井作业效率。

表3　油管起升周期Table 3 Tubing lifting operations

4 结论与建议Conclusions and suggestions

（1）针对现在修井作业中存在的问题，通过载车变幅-支撑系统、管柱自动提放系统、管柱自动运移排放系统、自动化井口系统等在“‘PLC程控/人控’多单元协调自动耦合控制+人机离线操控”的控制技术下，实现了修井作业的自动化、无人化操作。

（2）在兼容传统单根起下、地面卧排的作业工艺基础上，采用了管柱井口立放、双立根同时起下的工作模式，不仅减少了上卸扣的次数，而且采用排管装置代替人工进行甩管、排管等作业，提高了修井作业效率，缩短了修井作业周期，降低了作业工人的劳动强度。

（3）采用载荷跟随驱动技术，根据工作过程中的载荷变化规律，采用不同的驱动方案，不仅降低了修井机的装机功率，而且能够实现蓄能、节能降耗，降低作业成本。

（4）下一步工作应对试验样机进行室内试验和现场应用，分析试验结果对结构及控制理论进行优化。

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（修改稿收到日期 2016-01-22）

〔编辑 朱 伟〕

Structural design for automatic smart hydraulic workover rig

NIU Wenjie1， BAI Yongtao1， YU Yanqun1， WANG Xiaobin1， WANG Yun’an2， YAN Chengxin1
1. College of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China；2. Shandong Shengli Petroleum Equipment Industry Technology Research Institute， Dongying， Shandong 257067， China

Conventional minor workover operations involving workover rigs are characterized by prolonged working durations， low degrees of automation， high labor intensities and poor operation safety performances. To solve these problems， an innovative automatic smart hydraulic workover rig was developed. With the control mode by combining “PLC/Manual automatic coupling control multiple components through coordination + man/machine offline operations”， all key systems of the workover rig can work in well-coordinated manner to facilitate automatic and unmanned minor workover operations in oilfields. Instead of horizontal arrangement of pipe-string on the ground in conventional workover operations， the new workover rig works in a mode that pipe-strings are placed vertically near the wellhead and two joints are tripped out simultaneously. Furthermore， the new workover rig may also be used for tripping of one joint in one trip with conventional horizontal placement of pipe string on the ground. Compared with conventional operations， the new workover rig can reduce the operation time by approximately 20%-30%. Fully driven by hydraulic system and with hydraulic accumulator system newly deployed， the new workover rig can save energy through configuration of driving modes with variable loads. In addition tofacilitate remote control， the new workover rig mcan effectively enhance safety performance of workover operations.

workover operation； workover rig； hydraulic control； automation； structural design

NIU Wenjie， BAI Yongtao， YU Yanqun， WANG Xiaobin， WANG Yun’an， YAN Chengxin. Structural design for automatic smart hydraulic workover rig［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 195-200.

TE935

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0195-06

10.13639/j.odpt.2016.02.013

山东省自然科学基金“海上稠油、边际油田三抽人工举升方式关键技术研究”（编号：ZR2014EL015）。

牛文杰（1967-），2002年毕业于北京航空航天大学，获博士学位，主要从事石油钻采机械设计方面的教学与科研工作，教授，硕士生导师。通讯地址：（266580）山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号中国石油大学（华东）工科E楼823室。E-mail：niu_wj67@126.com

白永涛（1989-），中国石油大学（华东）机械设计及理论专业在读硕士研究生，从事采油装备设计及工艺研究。通讯地址：（266580）山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号中国石油大学（华东）工科E楼816室。电话：18669755263。E-mail：baiyt1989@163.com

引用格式：牛文杰，白永涛，余焱群，王晓斌，王运安，闫成新. 自动化智能液压修井机结构设计［J］.石油钻采工艺，2016，38（2）：195-200.