DYJ80型自动化带压作业机研制及应用*

王 鑫 王丰良 赵志成 刘悦蕾 李 根

(天津渤海杰瑞石油装备有限公司)

0 引 言

带压作业是一种不压井、不放喷，在保持井筒内部高压的情况下进行修完井作业的特种工艺技术，该工艺技术因作业效率高、环保性好，在各大油气田得到广泛应用[1-4]。但是现有带压作业机施工时，均需人员站在高压井口上方的平台上，作业人员不但要搬运数量多而重的油管，忍受不断飞溅的污油污水和井内溢出的有害气体，还面临随时可能发生的井喷风险，作业环境差[5]。因此，台面无人、自动化带压作业机将是未来的发展方向。

随着常规修井机自动化和智能化快速发展[6-7]，猫道机、排管架、自动上卸扣装置等机械化管柱处理装置[8-16]的开发和制造技术日趋成熟，这些自动化方面的技术成果积累为自动化带压作业机的开发奠定了良好基础。为降低带压作业劳动强度和作业风险，部分带压作业机也开始配套一些辅助的管柱处理装置[17]和监测、监控系统[18-19]。但这些装置只是在局部环节降低了劳动强度和作业风险，像猫道机与绞车之间的油管交接、油管扶正对中、接箍高度定位、大钳上卸扣控制、举升机升降控制及卡瓦开关控制等诸多作业仍需要施工人员操作。由于缺少高精度的自动化管柱处理机具、可靠的数据采集和检测网络以及完善的控制系统，目前国内外还没有全流程自动化带压作业的成套设备。可用于自动化带压作业的接箍检测装置现主要有如下2种：一种是安装在高压短节中前端带有滚轮的机械式检测装置[20]，另一种是电磁式无接触检测装置[21]，2种检测方式均存在不同局限性[22]。机械式容易因油泥结焦硬化而卡滞，也容易因油管晃动、碰撞导轮而输出错误的接箍检测信号。电磁式则容易受到周围铁磁性物质等的干扰。为实现高精度接箍检测，本文创新开发了复合励磁接箍检测技术，有效避免了上述问题。

为响应国家智能井场、绿色井场的战略发展目标，天津渤海杰瑞石油装备有限公司在大庆油田的支持下，通过长期的现场工艺学习和技术方案可行性论证，提出了全流程带压作业自动化解决方案，并于2020年进行样机研制。通过创新开发和应用动力猫道机、动力管桥、提管滑车、缓冲机械手、液压钳滑车、复合励磁接箍检测装置等多种自动化机具以及智能化控制系统，实现了油管输送、油管翻转、油管扶正及上卸扣、接箍识别、接箍定位、管柱起下、环空压力控制、闸板防撞、钻井液防溅等全部作业过程的自动检测和控制，实现了“一键式”自动化带压作业，并于2022年应用于大庆油田，有效减轻了劳动强度，降低了安全风险。

1 自动化带压作业机

1.1 结构组成

DYJ80型自动化带压作业机成套装备主要包括动力管桥、动力猫道机、带压作业机、提管滑车、液压钳滑车、缓冲机械手、伸缩桅杆、集中控制室及动力单元等。在带压作业过程中，系统自动检测和自动控制，实现全流程带压作业自动化。其总体结构如图1所示。

1—集中控制室；2—动力猫道机；3—动力管桥；4—油管；5—液压钳滑车；6—伸缩桅杆；7—带压作业机；8—缓冲机械手；9—动力单元；10—提管滑车。图1 自动化带压作业机总体结构图Fig.1 Overall structure of the automatic snubbing unit

集中控制室、动力猫道机、动力管桥和动力单元等根据井场情况布置在地面上；液压钳滑车、缓冲机械手和伸缩桅杆安装在带压作业机上；提管滑车在伸缩桅杆自带绞车的牵引作用下可上下提放单根油管。

动力管桥具有造斜功能，即：远离猫道机的一端升高时，倾斜桥面上的油管自动滚动到猫道机处；下降时，油管则自动滚动到远离猫道机处。猫道机抓取动力管桥上的油管，并将其输送到高达11.5 m的带压作业机平台上。

带压作业机是成套装备的关键组成部分，其核心结构如图2所示。相对于常规带压作业机，其增设有上接箍检测装置和下接箍检测装置，其中：下接箍检测装置安装在上闸板防喷器与下闸板防喷器中间；上接箍检测装置安装在游动承重卡瓦上端，在举升机的作用下与游动卡瓦一起上下运动。

1—下闸板防喷器；2—下接箍检测装置；3—平衡/放喷系统；4—上闸板防喷器；5—环形防喷器；6—固定承重卡瓦；7—固定下压卡瓦；8—液压举升机；9—游动下压卡瓦；10—游动承重卡瓦；11—上接箍检测装置。图2 带压作业机核心结构示意图Fig.2 Core structure of the automatic snubbing unit

接箍检测装置可以实时检测其内部是否有接箍通过，控制系统根据检测到的接箍位置，自动控制下闸板防喷器、平衡/放喷系统、上闸板防喷器、固定承重卡瓦、固定下压卡瓦、游动下压卡瓦、游动承重卡瓦以及液压举升机的自动开关或运行。这些部件的结构和功能与常规带压作业机[1-4]类似，此处不再赘述。液压钳滑车内部安装有液压钳，其前端还安装有钻井液防溅盒和精准扶正器。精准扶正器可将油管单根与井内管柱精准扶正对中。液压钳滑车结构如图3所示。

1—液压钳滑车底座；2—液压钳滑车；3—液压钳；4—钻井液防溅盒；5—精准扶正器。图3 液压钳滑车结构图Fig.3 Structure of the power tong trolley

缓冲机械手前端设置有扶正导轮，在摆动臂和伸缩臂的作用下可以前后、左右移动，将油管推扶到或推离开井口中心。其结构如图4所示。

1—缓冲机械手底座；2—摆动臂；3—伸缩臂；4—扶正导轮。图4 缓冲机械手结构图Fig.4 Structure of the assistant manipulator

提管滑车在桅杆自带绞车的牵引作用下，沿两侧导向索上下提放油管；其机械抓手在摆动油缸和翻转油缸的作用下可以前后摆动和上下翻转；机械抓手在开关油缸的作用下可以自动关闭或打开；V形导向臂可将偏离的油管导入到机械抓手内部。多功能提管滑车结构如图5所示。

1—导向索；2—提管滑车底座；3—摆动油缸；4—摆动臂；5—机械抓手开关油缸；6—机械抓手；7—V形导向臂；8—翻转油缸。图5 多功能提管滑车结构图(提管状态)Fig.5 Structure of the multifunctional tubing transfer trolley (at the tubing lifting state)

集中控制室内部的控制器实时采集举升油缸活塞杆位移、防喷器开关状态、卡瓦开关状态、机械抓手开关状态、抓手内部油管感知信号、接箍识别信号、系统压力等关键参数，并控制成套装备自动运行。其监控界面如图6所示。

图6 自动化控制系统监控界面Fig.6 Monitoring interface of the automatic control system

1.2 工作原理

自动化带压作业主要包括自动下入管柱和起出管柱2个过程。自动下入管柱的主要过程如下：

(1)动力管桥造斜后，油管在重力作用下沿管桥滚至猫道机处，猫道机抓取油管并输送给提管滑车。

(2)提管滑车机械手抓取油管上部，上提油管；在油管下端脱离猫道机前，缓冲机械手的扶正导轮拖扶油管下端，将油管推扶至井口中心。在上提油管过程中，提管滑车和缓冲机械手协同配合，将油管从倾斜状态翻转到垂直状态。

(3)液压钳滑车移向井口中心，精准扶正器中心与井口中心同轴时，滑车停止移动；关闭精准扶正器，其下部抱住下方油管的接箍；提管滑车下放油管，油管沿精准扶正器喇叭口导向装置插入到接箍内部，完成对扣。

(4)打开精准扶正器，液压钳滑车前移；液压钳移动到井口中心时自动上扣；上扣完成后，液压钳滑车回到初始位置。

(5)控制器根据防喷器和卡瓦的安装位置、识别的接箍信号以及举升机液压缸位移传感器实时反馈的位置信号，自动控制液压举升机上下运动、防喷器和卡瓦开关，并以翻转的方式将油管下入到井筒中，以避免接箍撞击防喷器闸板或停置在卡瓦内部。

(6)上接箍检测装置上行通过油管接箍时，将识别到的接箍信号发送给控制器；控制器瞬时采集举升油缸活塞杆伸出高度，根据预设程序将油管接箍定位在适合液压钳上卸扣的位置高度。然后，开始下一个循环。

自动起出油管与自动下入油管的过程基本相反，主要不同点有如下2个方面：①起出油管前，需使用耐井筒内部高压的下接箍检测装置，检测出接箍在密闭井筒中的位置，防止起出油管过程中，接箍撞击闸板或停置在卡瓦内部；油管接箍上升到作业台面以上时，再通过上接箍检测装置将接箍定位在满足液压钳上卸扣的位置高度。②对于油水井作业，液压钳卸扣后，需先将上面油管内的油水泄放到钻井液防溅盒中，再将油管输送到地面。

此外，井内压力低于7 MPa时，可不采用交替开关闸板防喷器的方式密封井内流体，只使用环形防喷器密封即可，让油管接箍直接通过处于密封状态的环形防喷器胶芯，提高作业效率。

1.3 主要技术参数

发动机功率：298 kW；

额定举升载荷：750 kN；

额定下压载荷：450 kN；

液压举升机行程：3.5 m；

最大通径：186 mm；

额定井口压力：34.5MPa；

额定液压压力：20.7 MPa；

桅杆额定载荷：50 kN；

提管滑车绞车额定载荷：6 kN；

备用绞车额定载荷：6 kN；

适用管柱外径：60.3～89 mm。

1.4 主要技术特点

(1)该带压作业机成套装备，实现了油管取放、输送、翻转、扶正、上卸扣、接箍识别、接箍高度定位、管柱起下、环空压力控制、闸板防撞、钻井液防溅等全部作业过程的自动检测和控制，实现了自动化连续作业，配合精度高，性能稳定。

(2)猫道机输送管柱最大长度可达12 m，输送台面高度可达11.5 m；与多功能提管滑车配合，可在提升油管的过程中同步实现油管翻转，输送效率高。

(3)接箍检测装置采用复合励磁检测技术，无接触式检测，不受井筒内部油泥和结蜡物影响，不受油管晃动影响，准确率高；本体严格按照API 6A标准设计，耐压等级34.5 MPa，通径186 mm，在承受井内高压的同时，允许接箍和大直径井下工具直接通过。

(4)滑车柔性导向装置，能够有效限制多功能提管滑车在高空中的摆动幅度，增强了其抗风载作业能力，6级风力下可正常作业。

(5)采用提管滑车和缓冲机械手一级扶正，精准扶正器二级扶正的复合油管扶正方式，实现100%对扣成功率。

(6)传感检测系统直接检测防喷器、卡瓦、平衡/放喷阀、机械抓手等部件的物理开关状态，不通过油压高低进行间接式测量判断，结果准确可靠；关联操作进行逻辑互锁，有效防止部件之间干涉、碰撞，降低作业风险。

(7)控制器能够将采集的举升机位移，动态跟踪的接箍态位置等实时地显示在监控界面上，并能自动控制带压作业机运行。

2 关键技术

2.1 多功能提管滑车集成技术

多功能提管滑车集成有油管抓放、翻转、提放、避让等诸多功能，是自动化管柱处理机具中关键的设备之一。其设计有多种工作状态，以满足不同阶段的功能需要，如图7所示。

图7 多功能提管滑车不同工作状态示意图Fig.7 Schematic diagram of the multifunctional tubing transfer trolley at different states

摆动油缸和翻转油缸内部安装有高精度油缸位移传感器，通过传感器实时反馈的数据，精准控制摆动油缸和翻转油缸活塞杆的伸出长度，实现不同工作状态变换。提管滑车机械抓手下部设计的V形导向臂，可以将偏离抓手中心的油管顺利导入抓手内部。V形导向臂底部安装有油管感应传感器，传感器可以检测抓手内部是否存在油管，并将检测到的信号反馈给控制器，控制器根据检测到的油管信号自动控制抓手开关以及滑车提放。

抓取油管前，控制器调节机械抓手摆动油缸和翻转油缸活塞杆的伸出长度，使抓手处于油管的底部，并保持抓手倾斜角度与油管倾斜角度一致，便于顺利抓取油管，如图7a所示。

机械抓手上提油管过程中，油管逐渐从倾斜状态翻转到垂直状态，控制器同步调整摆动油缸和翻转油缸活塞杆的伸出长度，使抓手倾斜角度始终与油管倾斜角度相匹配，直到油管翻转到正常的提管状态(见图5)。在等待抓取油管期间，控制器同样通过调节摆动油缸和翻转油缸活塞杆伸出的长度，收起摆动臂，上翻机械抓手，避开举升机位移空间，防止与其碰撞(见图7b)。

2.2 接箍高度精确定位技术

液压钳上卸扣时，其背钳夹持下方油管的接箍，主钳夹持上方油管的下端。受限于接箍和备钳牙板高度，接箍中心与备钳牙板中心最大允许偏差只有±40 mm，因此需要有一种精度极高的接箍高度定位方法，将油管接箍定位在恒定的高度上。

该带压作业机通过综合应用接箍检测技术和举升油缸位移实时检测技术，在起下管柱的作业过程中，同步实现接箍高度的精确定位，无需调整液压钳高度即可快速进行上卸扣，极大地提高了作业效率。

该定位技术采用的全通径无接触式电磁接箍检测装置，允许大直径井下工具直接通过，与机械式接箍检测装置相比，其检测精度不受油管晃动和表面油泥影响，准确度高。

接箍高度定位示意如图8所示。

图8 接箍高度定位示意图Fig.8 Schematic diagram of coupling locating

图8中：P为活塞杆伸出高度(变量)，m；L为理论计算所需接箍高度定位点至接箍信号识别点之间的距离(定值)，m；M为液压钳上卸扣时，举升机的基准停止高度(定值)，m；K为满足液压钳上卸扣需求时，接箍高度定位点相对于活塞杆起升原点的高度(定值)，m。

接箍高度定位主要过程如下：举升机空载上行过程中(见图8a)，当上接箍检测装置的接箍信号识别点到达接箍上端面时，检测装置将识别到接箍信号即时反馈给控制器，控制器瞬时采集此时举升油缸位移传感器反馈的活塞杆伸出高度P(见图8b)；举升机反向下行过程中，控制器实时采集举升油缸活塞杆位移高度，控制举升机停止在活塞杆伸出高度为P-L处，并关闭游动卡瓦组(见图8c)。其中L是根据带压作业机结构计算出的接箍高度定位点至接箍信号识别点之间的距离，该距离是满足液压钳上卸扣需求时，由产品结构特性确定的固定高度，为定值。

打开固定卡瓦组后，举升机带动管柱下行，并停止在活塞杆伸出高度M处(见图8d)，高度M是液压钳上卸扣时，举升机的基准停止高度，该高度也是由产品结构特性确定的定值。

通过精准控制L和M，间接实现了对定位高度K的控制，距离K是满足液压钳上卸扣需求时接箍高度定位点相对于活塞杆起升原点的高度。

2.3 接箍动态跟踪技术

自动化施工过程中，如果不能准确判断接箍在带压作业机内部的动态位置，很容易导致油管接箍撞击防喷器闸板，或停置在卡瓦内部导致卡瓦夹持失效，继而引发油管飞出井口或坠落井底等安全事故，因此需要有一种能够准确判断和动态跟踪接箍位置的技术。

该带压作业机通过综合应用上接箍检测装置、下接箍检测装置和举升油缸位移传感器，实现了接箍信号即时识别和动态位置实时跟踪。

下油管过程中，上接箍检测装置识别到接箍信号后，控制器实时采集举升油缸位移传感器反馈的位移数据，动态计算出接箍在带压作业机内部的位置，控制整机各部件协同运行，并将接箍动态位置同步显示在控制系统的监控界面上(见图6)。起油管过程中的接箍动态跟踪原理与下油管过程基本一致，但是起油管过程中，由于需要在高压密闭井筒中提前识别出接箍，这就需要一套能够承受井内高压且不受井内流体干扰的下接箍检测装置。

该下接箍检测装置创新采用大功率、全通径、耐高压的特殊设计方案，通过复合励磁检测技术，实现高精度、无接触遥感检测。检测系统采用多重励磁绕组和信号绕组，电磁信号在穿过27 mm壁厚的短节后仍能保持足够的信号强度；同时，复合采用磁敏感检测元件进行信号提取，提高了检测的准确性和可靠性。

下接箍检测装置承压本体严格按照API 6A标准生产制造，选用4 130合金钢材料，壁厚27 mm，可承受井内34.5 MPa高压。装置采用与井口设备一致的外径186 mm大通径设计方案，可允许接箍和大直径井下工具直接通过。

2.4 油管精准扶正对中技术

液压钳上扣前，需要将上方油管末端的外螺纹插入到下方油管接箍的内螺纹中，并保持上方油管中心与下方油管中心对中。以外径73 mm油管上扣为例，接箍大端内孔直径80 mm，与之相连的油管小端直径68 mm，油管末端能够插入到接箍内部的最大允许同心度误差只有6 mm。然而，在自由提放油管时，由于风载、设备震动等各种干扰因素，对扣误差可高达1 m以上，远超过6 mm。因此，在没有高精度扶正对中装置的作用下，很难将油管扶正到接箍内部。

为实现油管精准扶正对中，本套装备创新开发了双级油管扶正对中技术。在第一级油管扶正对中系统中，为提高其抗风载能力，在提管滑车两侧设置防风导向索，限制滑车抓手的水平自由度，只允许提管滑车及其机械手沿导向索上下运动。

油管扶正对中示意图如图9所示。

1—液压钳滑车；2—油管；3—缓冲机械手；4—喇叭口导向装置；5—精准扶正器；6—油管接箍。图9 油管扶正对中示意图Fig.9 Schematic diagram of tubing centralization

在第一级油管扶正对中系统中，通过油缸位移传感器的实时反馈，精准控制提管滑车摆动臂和机械抓手的位移和角度，使其机械手中心与井口中心重合，继而使所提油管上端处于井口中心位置；也通过油缸位移传感器的实时反馈，精准控制缓冲机械手摆动臂和伸缩臂的位移和角度，使扶正导轮与井口中心重合，继而使所扶油管下端处于井口中心位置。通过提管滑车和缓冲机械手的高精度协同配合，实现了油管一级扶正，将油管扶正对中误差限制在20 mm以内。一级油管扶正后，液压钳滑车前端的精准扶正器环抱住油管接箍，使精准扶正器中心与接箍中心重合；提管滑车下放油管时，油管在喇叭口导向装置的作用下直接插入到接箍的内部，实现二级精准扶正对中，如图9所示。

3 性能测试

2022年2—12月，先后在大庆油田试验井完成DYJ80型带压作业机性能测试验证。

3.1 举升机性能

在5、8、10、12、15、18和20 MPa不同液压油供油压力下，测试举升机载荷数据，如图10所示。从图10可看出，在20 MPa下，举升试验载荷和下压试验载荷分别为763和452 kN，满足额定载荷750和450 kN的设计要求。

图10 举升载荷和下压载荷测试数据Fig.10 Test dada of lifting and pushing load

3.2 接箍高度定位性能

使用外径73 mm油管，测试上接箍检测装置识别到油管接箍后接箍高度定位的精度。

在举升机最高区间速度达到0.1～0.8 m/s之间的8个不同速度时，测量下入油管和起出油管过程中接箍定位的偏差值，如图11所示。

图11 接箍高度定位偏差值统计数据Fig.11 Statistics of coupling locating deviations

从图11可看出，接箍高度定位偏差在±40 mm 之间，满足液压大钳上卸扣需求。

3.3 接箍识别和动态跟踪性能

测试前，首先对每根油管进行编号，并测量其有效油管长度。

下入油管过程中，测试接箍动态跟踪的检测精度：上接箍检测装置识别到接箍后，控制器自动记录此时活塞杆伸出长度，并将油管下入9 450 mm。停止运行后，测量并计算接箍实际下入的深度，并与控制系统自动下入深度对比，测试的8组数据如图12所示。从图12可以看出，下入油管过程中，动态跟踪接箍位置的最大偏差小于±40 mm。

图12 接箍实际下入深度与设定下入深度对比Fig.12 Comparison between the actual and specified coupling running depths

起出油管过程中，测试接箍动态跟踪的检测精度：试验过程基本与下入过程类似，考虑到手动测量方便性，在下接箍检测到装置并识别到油管接箍后，程序控制油管继续上行5 900 mm，测试的8组数据如图13所示。从图13可以看出，起出油管过程中，动态跟踪接箍位置的最大偏差小于±50 mm。

图13 接箍实际起出高度与设定起出高度对比Fig.13 Comparison between the actual and specified coupling lifting heights

根据防喷器组、卡瓦组之间的结构关系，接箍不碰撞防喷器闸板和不停留在卡瓦内部所允许的接箍动态跟踪偏差值为±100 mm。从上述测试数据可知，下入和起出油管过程中的动态跟踪偏差值均小于允许偏差值，满足带压作业自动控制的精度要求。

3.4 油管扶正对中性能

使用直径73 mm油管，在0～3级、3～4级、4～5级和5～6级4种不同风速范围下，分别测试只使用1级扶正系统和同时使用1级扶正系统及2级精准扶正器时，油管下端中心与接箍中心之间的偏差值。在每个风速范围测试2次，测试数据如图14所示。

图14 不同风速范围下油管扶正对中偏差值Fig.14 Deviations of tubing centralization within different wind speed ranges

从图14可以看出，只使用1级扶正系统时，油管下端中心与接箍中心的偏差值最大为16 mm，8组数据中只有2组的偏差值小于允许偏差值6 mm，扶正对中概率只有25%。但是，当同时使用1级扶正系统和2级精准扶正器时，油管下端中心与接箍中心的偏差值最大为5 mm，所有测试数据均小于6 mm，扶正对中可靠度高达100%。由此可见，双级扶正对中技术的扶正精度完全满足自动化带压作业机连续运行的精度要求。

4 结 论

(1)DYJ80型带压作业机达到预期设计要求，实现了带压工况下自动连续起下油管作业，台面作业无人化，有效减轻了劳动强度，降低了安全风险。

(2)接箍高度定位偏差值小于液压大钳上卸扣所允许的偏差值，满足自动化上卸扣需求。

(3)双级油管扶正对中装置的扶正对中偏差值小于允许偏差值，满足自动化上扣需求。

(4)接箍检测装置识别接箍信号准确、可靠。

(5)接箍位置动态跟踪系统的偏差值小于自动化控制所允许偏差值，满足自动化开关防喷器和卡瓦的需求。

(6)成套装备抗风载作业能力强，能够在6级风下稳定、可靠作业。