常规小修修井机的自动化改造与配套

邓世彪　王群章　宋华远　杨吉胜　刘华雄

摘 要：目前油水井小修作业起下管柱主要依靠人工操作，存在劳动强度大、劳动效率低、安全风险高等问题。通过对现有常规小修修井机开展自动化配套改造，完成修井作业时油管上下桥与上卸扣的自动化操作，实现井口无人化作业，改善小修作业条件，削减安全风险，降低劳动强度，提高劳动效率，实现小修作业安全、轻便、高效施工，具有较好的推广应用前景。

关键词：小修;修井机;自动化;配套;改造

油水井小修作业主要是利用小修作业设备从事油水井的检泵、换封、冲砂、打捞、措施增产、封堵封串、水井换封、油水井测试、调配、新投等，分为维护、措施和新投作业施工，特点是作业周期短、转场频繁。是保证油水井正常高效运转的重要措施。

常规小修修井机自动化程度普遍较低，小修作业每班最少需4人，即：司钻1人、井口工2人、地面工1人，作业时依靠工人操作，作业人员劳动强度大、安全风险高，作业环境恶劣。随着我国大多数的油田都已经进入中、后期开采阶段，各类油水井维护和措施逐步增多，油田小修作业工作量的日益增加，人员老龄化日趋严重，施工人员的劳动强度和安全风险日益加大，因此，对常规修井机技术提升和自动化改造配套越来越成为业界人士的共识。

河南油田在充分调研的基础上，本着安全、高效、简单、实用的原则，对现有的1台XJ250型修井机开展自动化升级改造与配套，实现小修作业起下油管的井口无人操作作业，从而达到削减作业安全风险、减轻操作人员劳动强度、提升作业时效的目的。

1 自动化改造与配套的原则

①不额外增加液压动力源;②满足原修井机低井架作业空间;③集成于主机，周期短，设备安装搬家方便;④自动化与常规作业可相互切换，保持原机常规作业性能;⑤设备安全、可靠、简捷、实用;⑥自动化作业起下油管杆速度达到25-30根/h。

2 自动化改造与配套的总体方案

利用现有的常规XJ250修井机开展自动化改造与配套，主要包括井口处理系统、地面输送系统、集成控制系统三部分组成。

3 自动化改造与配套

3.1 井口处理自动化系统的改造与配套

主要是在现有的液压钳、吊卡、卡瓦等设备的基础上，通过研制开发配套自动液压钳、扶正机械手、液压翻转吊卡、气动卡瓦等装置，具备油管杆的自动抱紧与释放、自动扶正、自动上卸扣等功能，实现了井口的无人作业。

3.1.1 自动液压钳

主要功能：用于实现油管杆的上卸扣作业，将管柱由单根连接为多根或由多根拆卸为单根。通过液压控制来实现钳体的前后、上下移动，以及液压钳的正反转与高低转速切换，通过更换钳牙可适应不同规格的油管杆作业，并配套有自动防喷桶，可满足清洁生产的要求（见表1）。

3.1.2 扶正机械手

主要功能：用于实现管柱的精确对中及将管柱平稳推送至动力猫道上。通过控制系统对液压缸的精确控制，确保机械手在井口、动力猫道位置的定位，实现油管在井口附近的无人化传递（见表2）。

3.1.3 液压翻转吊卡

主要功能：用于管柱的提升与下放作业，卡是一种侧开式、主体可翻转、补芯可更换的全自动翻转吊卡，采用电气与液压控制，吊卡本体可实现0-90°范围内的自由旋转，以适应不同油管角度吊卡的扣合。同时采用机械、液压自锁和电液互锁等多种安全措施，可满足自动化作业、远程操控的安全要求（见表3）。

3.1.4 气动卡瓦

主要功能：用于实现管柱在井口的自动卡持。通过法兰连接在卡瓦座上，通过支撑板支撑卡瓦本体，气缸活塞杆及导向杆与支撑盘固定连接，通过气体控制按钮控制气缸的伸缩从而达到控制卡瓦体沿卡瓦座锥面运动，下行为抱管，上行为松开。达到油管抱紧与释放的目的，气动卡瓦与大钩、液压钳工作时连锁，保证施工安全（见表4）。

3.2 地面输送自动化系统的改造与配套

传统的修井作业井场设置有管桥架作为放置油管杆的支架，油管杆的运移及上下管桥依靠人工操作，工作效率低、劳动强度大。通过液压自动猫道等装置，解决油管杆移运、上下管桥的问题，实现油管杆自动上下桥等作业。

主要功能：实现油管杆的自动上料、自动输送及油管杆的回接、下料等作业工序。其中自动上下料工序通过自动翻转机构的机械抓手与液压顶升缸实现，通过随动机构的油管小滑车实现油管杆的前后自动传输，油管杆的送料主要通过抬升机构的起升进行，实现与井口自动化装置的衔接与配合;配有远程操控遥控器，可实现100m内的遥控操作，同时通过集成相关传感器，可实现油管自动测长，且具备自动计数、修改参数、打印报表等功能（见表5）。

3.3 集成自动化控制系统的改造与配套

为了实现修井作业的一体化自动操控，在原主机液气电控制系统的基础上，重点对司钻台进行改造。利用主机集成的优势，将自动液压钳、扶正机械手集成于主机，液压自动猫道与主机联动，操作系统采用图形化界面、流程化操作，具有一键操作、自动定位等功能，自动化程度高，安全可靠。

集成控制系统主要由司钻操作台、管杆控制箱与猫道控制箱组成，采用Profinet总线将3个1200PLC和HMI联接起来实现协同工作。其同时具备综合监控、联动报警与安全防护等功能，有效确保了系统的可靠运行。

结构组成：集成司钻箱主要有主滚筒控制阀、自动液压钳控制组合阀组、气动卡瓦控制阀、扶正机械手控制阀、自动翻转吊卡控制阀组等控制装置组成，并在上部安装有综合监控屏、电子指重表、发动机温度表和系统气压表等，便于对整套装置进行监控、设置等，实现安全生产。

主要功能：根据液气压传动原理、电气控制原理、电磁感应原理及人体结构学原理，司钻操控集成化的司鉆控制箱，可实现作业过程的自动化操控。

操作主滚筒控制阀可实现提升系统的提升、下放、紧急刹车的工作与释放，防碰装置的工作与复位等。

操作自动翻转吊卡控制旋钮，通过电磁阀动作带动相应液压阀杆的运动，阀件工作使翻转液缸伸缩，带动拉杆及拐臂，可实现翻转吊卡的翻转，司钻操作吊卡活门控制旋钮，通过电磁阀动作带动相应液压阀杆的运动，阀件工作使活门液缸伸缩，带动活门转动，可实现吊卡活门的打开与关闭，由顺序阀工作，带动安全门液缸伸缩，可实现安全门的关闭与打开，确保活门在承载情况下不被打开，实现本质安全。

操作气动卡盘旋钮通过气压传动，带动气缸连杆联动卡瓦抱紧装置的举升和降落，可实现钻杆释放、利用钻杆自重实现抱紧功能。

操作自动液压钳控制手柄，通过电磁阀动作带动相应液压阀杆的运动，可实现液压钳伸缩和高低调整。

操作扶正机械手控制踏板，通过电磁阀动作带动相应液压阀杆的运动，可实现扶正机械手伸缩缸伸缩。配合监控参数设置，可实现一键到位功能。

4 现场应用及效果

4.1 现场应用情况

河南油田于2019年7月完成1台XJ250修井机的自动化改造与配套，通过对该机的现场使用，不断整改和完善其配套装置、操控性能、安全性能、作业效率及人机操控适应性等性能，截止2020年7月，已连续施工3个月，累计完成油水井作业22井次，整机性能稳定，运行安全可靠（见表6）。

4.2 应用效果

①实现井口无人化操作，大大降低作业人员的安全风险和劳动强度;②起下管柱速度达30-45根/h，满足作业工艺技术和井控安全要求;③班组直接作业人员由4人减少至2人。

5 结论与认识

①通过对现有修井机实施改造与配套，实现了油管杆的自动起下和传送等工序，通过液压及电、气系统控制，集中设置控制平台来达到了平台管理，自动化操作的目的;②自动化改造配套后的修井机经现场应用验证，可满足常规油水作业工艺、安全操控及井控安全要求，同时可减轻人员劳动强度，提高劳动效率，具备较好的经济效益与社会效益;③该套自动化装置具有投资少，见效快的特点，在不影响其他功能的情况下，可充分利用现有常规小修修井机开展自动化升级改造与配套，提升修井装备进行技术性能。

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作者简介：

鄧世彪（1967- ），男，高级工程师，从事采油机械技术研究与应用工作。