修井井口机械自动化技术现状分析与展望

周辉 郭东乐 吴洋

摘 要： 本文结合我国修井井口机械上卸扣、悬吊、送管等机构系统自动化应用情况，通过井口机械自动化模块化设计、系统集成和自动化应用、远程控制等关键技术研究，对未来应用进行了探究。

关键词： 修井作业；井口机械；自动化

【中图分类号】 TE93 【文献标识码】 A 【文章编号】 2236-1879（2018）11-0203-01

我国修井常用双吊卡起下、多人协作、轮流交换方式作业，起下油管需游车带动大钩使吊卡上移、第二根油管露出井口1m后钳工将另一吊卡搬到井口台面与油管对正；将油管下放到台面吊卡第二根油管接箍部位，借助吊卡对油管重力承重；钳工利用液压钳夹紧油管，调到低档实现油管“冲扣”，卸开后调到高档直到油管螺纹全部卸开，将液压钳移出井口；将卸下的第一根油管拉到滑道上，将吊环挂在台面吊卡并锁紧卡销，再进行下一根油管起升。作业易受环境影响，易发生高空落物、甭扣、夹断手指等危害，需要提升机械自动化作业水平。

1 修井井口机械自动化技术应用现状

1.1上卸扣系统。

常用半自动动力大钳吊在井架上应用，以液压动力钳为主。有的是主钳和副钳一體，有的只有主钳配套吊钳，又可根据应用对象分为套管、油管和钻杆动力大钳。国内自动化应用是设置独立悬吊系统，或将大钳在专用轨道上固定，实现往复行走，完成越过井口、主钳相对台面升降等远程控制和自动操纵。国外大钳多采用导轨嵌入式安装，利用以自我为中心的灵活方式悬挂，实现套管、钻杆、油管等上卸扣作业，预防绊倒工人、对中困难等问题。

半自动修井常用的扭矩旋扣设备为钻铁工，是动力大钳升级版，具备旋转、上扣、拆卸螺纹钳和扭矩钳等多功能，该设备上世纪70年代在美国提出，现有手臂式和落地式两大类，国内宝鸡石油机械有限公司等已开始研制，相比国外产品价格较高。该设备与大钳相比可靠性强、扭矩大、上扣扭矩精准性强，并配套编程控制系统实现远程控制。在管柱下放中，“扶正机械手”取代人工扶正管柱，提升了对中成功率，降低了上卸扣对螺纹损伤。

1.2悬吊系统。

吊卡能在修井中悬持管柱，国内多采用“双吊卡起下”作业，需由人工辅助吊卡、吊环搬、摘、挂和销子插拔等操作。研制出动力吊卡和卡瓦，借助液压或气压进行松开和卡紧管柱，取代人工倒换的方式实现半自动作业。其中，动力卡瓦固定在井口，配套动力吊卡实现管柱自动抱合，吊卡带动管柱提升，下一根管柱起出井口1m后停止提升，利用动力卡瓦抱紧管柱，完成旋扣后将管柱放到送管机构。

1.3送管机构。

修井中管柱在操作平台和管排间移动和排放，由人工完成存在劳动强度大、操作频繁易出错、耗时较长等问题，解决好排放管柱自动化问题，常用动力猫道移送、平行连杆机构移送、大臂旋转移送等类型的自动化设备。美国PAL管柱自动传送系统通过四边形移动机构实现管柱拨动翻转、传送举升和远程控制；HWD大臂旋转移送型管柱处理系统无吊升和滑轮系统，通过地面大臂机械手直接抓取管柱，利用液缸提供动力起升到井架中心顶驱或自动吊卡部位，大臂长度可根据平台调节，在井架一侧设置开口确保大臂和管柱移送。国内以濮阳中原锐实达公司动力猫道为代表，适用于管杆设备在钻台安全拆卸，可实现远程控制、自动调节和安装等钻杆上下钻台作业。

2 修井井口自动化关键技术及应用展望

要结合我国特点进行井口机械自动化技术应用，把握以下关键原则：井口对中，确保待下放管柱与井下管柱中心对中，便于上扣作业，可借助扶正设备实现。液压钳自动定位和换挡，开口钳自动对缺口，改变人工拖动液压钳移出或移入井口的方式，实现远程管柱上卸扣。起升系统协同作业，达到自动完成管柱起升松紧、上升、下放等功能。自动送管技术，结合操作平台高度和现场施工条件，以最简单动作将管柱移送到指定位置。模块化设计，实现紧凑的结构设计，降低操作复杂性，减少占据空间。设备通用确保不更换设备实现不同规格管柱处理。

2.1模块化设计。

将动力吊卡、自动化修井作业工、自动送管系统实现模块化设计。一是自动化修井作业工。集动力卡瓦、开口型液压钳、缓冲定位机构和扶正机械式于一体，保证井口装置对中、自动换挡、自动对缺口和液压钳移动定位及卡瓦自动开合。上部扶正机械手内有液压钳和缓冲定位系统，底座与地面垂直并在高度上可调节，底部配套动力卡瓦与井口法兰连接，通过液压缸驱动液压钳上下往复运动实现液压钳进入和退出井口；实现高低换挡和对缺口，便于管柱从钳口移出和下一次上卸扣作业；扶正装置确保管柱对中；动力卡瓦远程控制实现对管柱夹紧和松开的自动化操作。二是动力吊卡。配套可更换卡套，便于对不同规格油管作业，由液压系统提供动力，实现对管柱抓紧和放松；配套锁紧机构防止油管移动中意外打开；配套翻转机构避免吊卡与油管接箍碰撞，配套摆动平衡机构确保吊卡重心固定、整体摆动可控。三是自动送管系统。采用平行连杆移送型系统，由拨管、传送举升、自动翻转等部分构成，将管柱排架输送到举升槽，管柱沿底座导轨移动，并顺利实现管柱从举升槽到管排架移动。

2.2系统集成和自动化应用。

要实现自动上卸扣系统（包含开口型液压钳、扶正机械手和缓冲定位系统，主要是定位液压钳、扶正管柱和上卸扣作业）、自动送管系统（主要完成管柱移动和排放）、自动悬吊系统（包含动力吊卡和卡瓦，实现管柱上提、下放和松紧）等系统协调和自动化控制。以传统“一吊一卡”起升系统工艺流程为基础，确保每个系统都能准确达到预定位置，实现动作衔接。系统整体利用液压系统实现自动控制，由液压缸提供动力带动执行部件运动，完成工作后利用机械限位机构和传感器终止运动。

2.3远程控制系统。

利用手动操作方式，以手动换向、节流和调速等阀门为操作部件，实现对执行机构操作和运动速度控制。外部配套液压表实时监测系统压力，控制柜引出液压管线连接油箱和执行机构，控制柜要放置到井口安全距离以外位置，主要是协调上卸扣、自动悬吊、自动送管等系统作业。实现工人远离井口、井口无人化操作，确保操作安全；液压带动管柱移动和上卸等作业，降低了人工劳动强度。

3 结论

综上所述，随着油井增产措施应用增多和开发时间延长，修井作业增多，通过研究提升井口机械自动化水平的技术措施和设备研制，有利于减轻人工劳动强度、提升作业效率、降低作业成本。

参考文献

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[2] 任福深，王威，刘晔，常玉连.油管柱上卸扣装置技术现状[J].石油机械，2012（08）.