修井作业自动化技术现状及胜利油田的创新

缪明才，郭子江，范新冉，张 杰

(中国石化股份胜利油田分公司 设备管理处，山东 东营 257001)

油田修井作业施工属于劳动密集型行业，存在施工环境恶劣、流动性大、安全隐患多、劳动强度高等特点，决定了修井作业施工过程中的复杂性、多变性和危险性。同时，受油区施工环境、技术、投入能力及操作人员技能等制约，国内常规修井作业的施工操作方式一直没有太大进步。修井作业设备的自动化程度落后于钻井系统。随着经济发展和社会进步，“安全发展、清洁生产、以人为本”已成为油田企业可持续发展的主旋律。修井作业施工机械化、自动化的呼吁越来越高。

近几年来，工业自动化技术不断发展，为油田修井作业实现自动化生产提供了条件。2006年，中国石油大学张宝增教授设计了新型管柱起下装置。2008年，大庆石油学院常玉连教授等也提出了新型修井作业机械化系统方案设计的构想。沈阳新松机器人有限公司与胜利油田胜机公司合作研制了一台自动修井机。

笔者的专业团队在学习、吸收前人技术和成果的基础上，与胜利油田石油工程研究院、机械制造公司等技术人员共同研究了新型管(杆)输送机及配套测长技术、多功能自动吊卡技术、机械手技术、自动液压钳技术，改进适应井下作业的动力卡瓦结构等，配套形成修井作业施工的半机械化、机械化、自动化的技术和装置，但目前还无法解决抽油杆自动施工问题。

1 机械化自动化装备研究现状

1.1 国外研究现状

国外对修井井口操作机械化的研究起步较早，从20世纪50年代就开始推广应用各种机械化起下装置，目前已具备一定规模，例如俄、美两国分别研制出了ACrI综合机械化装置和Autorig修井机等[3]。图1是典型的半自动化遥控修井机系统。

1—油管座；2—卡瓦；3—油管1；4—动力油管钳；5—排管工；6—操作控制工；7—油管2；8—吊卡；9—游动系统；10—二层台；11—立根排放器；12—井架；13—操作平台；14—控制系统；15—车辆；16—井口。

图2是20世纪90年代中期,美国怀特公司发明了一种半自动化遥控修井机。该修井机经过试验和改进后,已经在美国加州的Baker油田使用[1]。这种修井机的自动化程度高，减少了操作人员，提高了安全性和施工效率。

除自动化修井机以外，在国外一些油田应用更多的是井口作业机械化装置，基本上采用常规修井机和“闭式液压大钳+自动卡瓦+活门吊卡”组合方式。这种组合装备不像自动化修井机那样复杂，投资少，应用普遍。国外一般是采用管柱立式排放修井模式，与国内油田主要以管柱地面横排的方式有很大区别，不能直接照搬应用于国内油田。

a 正视图 b 侧视图

1.2 国内研究现状

国内一些石油机械厂和石油院校也对修井作业机械化装置进行了研究。2006年，中国石油大学张宝增教授设计了新型管住起下装置[4]，如图3所示。

1—井架；2—吊钩；3—吊环；4—筒式吊卡；5—管柱传送机械手；6—管柱；7—卡瓦接箍定位器；8—防溢流罩；9—动力卡瓦；10—自封封井器；11—井口法兰。图3 中国石油大学的新型管住起下装置

2008年，大庆石油学院常玉连教授等也提出了新型修井作业机械化系统方案设计的构想[5]，如图4所示。

1—井口法兰；2—动力卡瓦；3—液压大钳；4—管柱拉排车；5—扶正机械手；6—自动吊卡；7—吊环；8—滑动载体；9—井架；10—自动吊卡导轨；11—底座。

2013年，沈阳新松机器人有限公司等研制了一台自动修井机，利用自动修井装置和机器人多动作协调控制技术，在井口无人自动化操作、人机同步控制等关键技术上取得了突破[6]。

以上介绍的修井作业自动化设备和技术方案在理论上可满足油田修井作业自动化施工要求，但因对现有作业设备改造工作量大，制造和维护成本高，搬迁、安装复杂且周期长等，难以大量配置和推广应用。

近几年，四机厂、三一集团、济南芯乐设备公司、杰瑞石油装备公司等国内企业均开发了不同模式的机械化作业装置，进行现场试验和推广应用。

2 胜利油田修井作业机械化和自动化装备研制情况

胜利油田一直致力于作业装备的改造升级和研发工作，规模化推广了不压井作业设备、网电修井机、液压蓄能修井机、快速修井机等多种新型设备，使作业装备的技术状况、安全性能、施工效率都有了很大提高，初步形成了门类齐全、配置合理的作业装备体系，同时也积累了丰富的装备研发和试验应用经验。

“十二五”初，在分析国内外修井作业施工机械化、自动化装置研究成果的基础上，结合胜利油田的开发特点、经济技术能力、员工技能等实际，成立了修井作业机械化、自动化技术设备攻关团队，通过广泛调研和实地考察，以现有的修井设备为主，本着“技术先进、本质安全、适应性强、稳定可靠、效益优先”原则，开展了多种探索和现场试验，研发配套了修井作业机械化、自动化技术系列装置，探索出适应本油田不同环境、工况、投资条件下修井作业施工半机械化、机械化、自动化装置的低、中、高端配套标准和模式。目前，已推广各类装置150余套，逐步摸索出一套适合国内油田实际情况的作业机械化、自动化装置推广之路。

2.1 修井作业半机械化装置

2.1.1 技术路线

以“管(杆)输送机(液压动力猫道)+动力卡瓦+机械吊卡+常规液压钳+操作平台”为重点内容的设计方案。如图5所示。

a 配置整体式操作平台

b 配置自翻转组合式操作平台

2.1.2 关键技术及功能

在常规修井作业装置的基础上，配套管(杆)输送机、动力卡瓦、操作平台、自动排管模块化装置，形成了一套简便实用的半机械化作业装置。

攻关团队主要研发的技术和装置：

1) 管(杆)输送机技术。将井场油管排上的油管、抽油杆输送到井口，或将井内提出的油管、抽油杆排放至油管排，实现施工过程中油管、抽油杆的自动输送、井口装置就位等功能，如图6所示[7]。

2) 自动排管模块化技术。为实现油管的自动排放，进行了自动排管模块化技术研究，实现井内提出油管的逐根自动排放和钩取，通过具有一定角度的液压升降排管架来实现油管的重力排放。自动排管模块包括单根油管分离装置和3个并列排放的升降式排管架，如图7所示。

1—单根油管分离装置；2—升降式排管架。

3) 动力卡瓦技术。卡瓦的应用实现管柱自动卡持悬挂，由常规作业中“两卡一环”改进为“一卡一环”，改变了井口必须两人倒换吊卡的传统操作模式。实际应用中，针对常规动力卡瓦牙对油管本体伤害等问题，优化增长了卡瓦本体、改进了卡瓦牙结构，增强了卡持能力，降低对油管的伤害。

4) 新型操作平台技术。设计开发了整体式和自翻转两类操作平台。整体式平台(如图8a)，安装在井口大法兰上，平台自带废液收集装置(积液排污盒)，回收井口溢流出的油水液，减少环境污染。自翻转组合式平台(如图8b)，整个平台安装在作业井架上，高度可调，搬家时可随井架一起搬走，方便快捷。底部设有集液槽。

a 整体式平台 b 自翻转组合式平台

2.1.3 主要优势及存在不足

主要优势：①管(杆)输送机，实现管、杆的自动输送，消除操作人员管(杆)推送、搬运繁重体力劳动；②实现井口施工1人操作(原2人操作)，操作人员仅负责吊卡、液压钳推送、扶管对中等工作，消除操作人员频繁更换油管吊卡的工作；③充分利用现有装备，投入和维护成本低。对工人技能水平要求不苛刻，适应施工简单、周期短的修井作业。

存在不足：自动化水平偏低，未能实现井口操作无人化。

2.1.4 应用情况

半机械化作业装置2013年初在胜利油田开始现场试验。截止2018年底，该装置在胜利油田累计投产150多套，并且已推广到大庆、辽河、江苏等国内多个油田企业。

从现场应用情况看，该装置设计合理、实用性强，减轻了工人的劳动强度，提高了施工安全性。现场只需进行1～2 d的培训工作，即可实现熟练的操控，起下管柱的速度达40～50根/h，可满足常规修井作业需要。

2.2 修井作业机械化装置

2.2.1 技术路线

以“管(杆)输送机+动力卡瓦+液压翻转吊卡+液压钳+操作平台” 为重点内容的设计方案。该系统是在原半机械化装置基础上，配套增液压翻转吊卡，对管(杆)输送机技术升级等。

2.2.2 关键技术及功能

液压翻转吊卡技术：内部装有一套封闭系统来驱动吊卡自动打开与关闭，可实现摆臂功能及90°翻转，通过自动翻转吊卡的方式替代人工推送吊卡实现起下油管。攻关团队主要开发第2代管(杆)输送机技术，增加了管(杆)测长、油管丝扣涂润滑油、丝扣保护等功能。

2.2.3 主要优势及存在不足

主要优势：①应用液压翻转吊卡、新型管(杆)输送机，实现吊卡自动抓取油管，井口1名操作人员仅负责液压钳推送、扶管对中等即可完成油管的起、下施工任务，劳动强度进一步降低；②投入低、维护成本低。该装置适合各类油水井常规作业要求。

存在不足：自动化水平稍低，未能实现井口操作无人化。

2.2.4 应用情况

机械化作业装置2017年在胜利油田开始现场试验，经过1 a多应用，证明技术成熟、设备可靠，已经在胜利油田推广应用。

2.3 自动化修井作业装置

2.3.1 技术路线

以“自动管(杆)输送机+动力卡瓦+液压翻转吊卡+自动液压钳(铁钻工)+扶管对中机械手+操作平台” 为重点内容的设计方案。该系统是在修井作业机械化基础上，配套增加自动液压钳、扶管对中机械手等装置，通过集中操作控制，实现井口无人自动化施工。

2.3.2 关键技术及功能

1) 多功能自动吊卡技术[8]。主要由多功能吊卡、井架天车、刚性导轨、游车大钩等组成的多功能自动吊卡技术，实现作业过程中吊卡自动悬吊油管、起下过程中油管自动扶正、对中以及冲砂、钻磨铣作业过程中的管柱旋转及井液循环等功能。

2) 自动液压钳技术。引进与研发结合，开发形成了自动液压钳技术和装置，包括液压钳总成、能移动的摆送总成和支撑所需摆送总成的卡装机构。

3) 接送扶管机械手技术。为了实现油管的接送及高效，精准地完成机械化井口扶正对中工作，开发了接送管机械手。包括铰接支架、扶正臂、电磁头、液压缸。

胜利油田研发的自动化修井装置主要由管(杆)输送系统、自动吊卡、井口多功能卡座(铁钻工)、大钩导向装置、液压及自动化监控系统等组成。如图9所示。

图9 自动化修井装置主要组成部件

2.3.3 主要优势及存在不足

主要优势：①自动化水平高，可实现井口无人化操作；②可大大降低操作人员劳动强度和用工量，实现安全生产。

存在不足：①投入高；②设备安装、维护、保养工作量大；③未能解决抽油杆无人化施工问题。

2.3.4 应用情况

该装置于2018年在胜利油田多井进行了现场修井作业试验，试验的最大载荷330 kN，作业最大井深3 000 m以上，先后完成了检管、检泵、洗井、冲砂、注水泥等多种油水井修井工艺。

通过现场作业试验表明，本装备利用远程控制与监控技术，操作者只需在作业机驾驶室内即可实现整个作业过程油管的自动输送与排放、自动上卸扣等功能，省去了大量繁重的操作工序，实现设备本质安全。适合长周期、复杂工序修井作业施工。

胜利油田经过近5 a多的不断研发、推广和规模现场应用，形成了修井作业低、中、高端配套标准和模式，初步实现“以机替人”工作目标。

1) 减轻职工劳动强度。全面推广修井作业“以机替人”工程，消除常规修井作业施工中油管(套)杆的抬、拉、送、排放、上卸扣等施工过程人工劳动强度。

2) 提高生产率。常规修井作业施工，一个班组需要4～6人。全面推广修井作业“以机替人”工程，可降低30%以上劳动用工，劳动生产率提高30%以上。

3) 提升作业现场HSE管理水平。全面推广修井作业“以机替人”工程，施工过程中重点安全隐患环节依靠机械设备完成，最大程度避免人与机械装置、管柱等直接接触，提高安全保障能力。配备平台排污积液收集装置，实现了对修井过程中油水污液的收集与排出，机械化作业系统配备有整体式管柱排放装置，可以自行收集管柱中的废油、废液，避免环境污染，实现清洁生产。

3 结语

修井作业是油田开发的重要环节，全面实施修井作业“以机替人”工程，对改善修井工人远离恶劣的工作环境，提高作业施工安全性和修井效率，减轻工人劳动强度、提高效益必将发挥巨大作用。胜利油田将在此基础上进一步提升设备的技术水平和运行质量，力争“十三五”末为油田所有作业队配齐各类型作业机械化装置，为今后实现修井作业 “以机替人”目标奠定了坚实的基础。