全自動智能液壓修井機研制

王運安，牛文杰，李寶蘊，古仁龍，劉　睿，劉　東，李　濤，張金鵬

(1.山東勝利石油裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東 東營 257067；2.中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.西安遠景智能控制有限公司，西安 710077)*

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全自動智能液壓修井機研制

王運安1，牛文杰2，李寶蘊3，古仁龍1，劉睿1，劉東1，李濤1，張金鵬1

(1.山東勝利石油裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東 東營 257067；2.中國石油大學(xué)(華東) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266580；3.西安遠景智能控制有限公司，西安 710077)*

摘要：XJ 300/600 DYZ型全自動智能液壓修井機適用于小噸位修井，用于替代目前在用的老舊履帶式通井機。采用油管柱自動起放施工工藝，修井機具有自動起下油管(桿)柱、自動上(卸)扣、自動抓管送管、油管(桿)柱井口自動立排/地面排放、整機自放自走、井口自對中等功能，可實現(xiàn)井口無人自動化操作，達到生產(chǎn)高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的目的。為方便操作，油管自動提放機構(gòu)、井口上卸扣機構(gòu)、自動送排管機構(gòu)等不僅能在控制臺上操作，還設(shè)置了遙控功能，可在遙控器上進行離線操作。

關(guān)鍵詞：修井機；液壓；全自動；智能；模塊化

今后相當長的時間內(nèi)，鉆井裝備的研發(fā)重點會向兩極轉(zhuǎn)化：即重裝鉆機向“高、大、深”轉(zhuǎn)化；輕便鉆修機向“特、輕、巧”轉(zhuǎn)化。特代表特殊用途、特殊結(jié)構(gòu)、特殊環(huán)境，輕代表輕型、輕量、快移、模塊化、HSE(健康安全環(huán)保)，巧代表多用途、全自動、智能化、遠傳遠控。

遵照上述思維導(dǎo)向，進行了XJ 300/600 DYZ型全自動智能液壓修井機的研制，該機有2大特點：

1)定位小噸位修井機，用于替代目前在用的老舊履帶式通井機。采用油管柱“自動起放”的生產(chǎn)工藝，整機具有自動起下油管(桿)柱、自動上(卸)扣、自動抓管送管、油管(桿)柱井口自動立排/地排放、整機自放自走、井口自對中等多項自動功能。可實現(xiàn)井口無人自動化操作，達到生產(chǎn)高效、節(jié)能、安全、環(huán)保的目的。該裝備可滿足3 000 m井深的油氣水井小修作業(yè)要求。

2)本機采用了積木式設(shè)計思路，對修井機的結(jié)構(gòu)、傳動、操控等環(huán)節(jié)全部采用專業(yè)功能模塊化設(shè)計，工廠可根據(jù)用戶的不同需求，將相關(guān)專業(yè)功能模塊進行組裝生產(chǎn)，以組成新的機型，旨在更好地為油田提供新一代修井機裝備。

1技術(shù)特征

XJ 300/600 DYZ型全自動智能液壓修井機主要由車載底盤、井架變幅機構(gòu)、動力裝置及油管柱自動提放系統(tǒng)、油管自動排放系統(tǒng)、自動井口系統(tǒng)和電液操控系統(tǒng)等5大部分組成。

上述5大系統(tǒng)全部采用模塊化設(shè)計，共分6大模塊，不同的模塊組合可形成3種修井機機型[1]，滿足常規(guī)修井或帶壓修井2種修井工況的需求。

1)雙根起降立式排放型。主要特征是油管雙根起下、立式排放模式。配雙根油管排放機構(gòu)模塊及井口雙根油管傳送機構(gòu)模塊，主車自帶，配常規(guī)井口上卸扣機構(gòu)模塊。

2)單根起降地面排放型。主要特征是油管單根起下、地面臥式排放模式。配井口單根油管傳送機構(gòu)模塊，油管自動排放，隨主車自帶，配常規(guī)井口

上卸扣機構(gòu)模塊，如圖1所示。

1—載車、變幅、動力系統(tǒng)；2—油管柱自動排放系統(tǒng)；

3)帶壓單根起降地面排放型。主要特征是油管單根起下、地面臥式排放模式。配井口單根油管傳送機構(gòu)模塊，油管自動排放，隨主車自帶，配不壓井井口上卸扣機構(gòu)模塊。

功能模塊的組合方式如表1所示。

表1　各功能模塊組合方式

2結(jié)構(gòu)組成(單根地排型)

單根地排型修井機全系統(tǒng)由1部主車+2個附屬模塊組成。主車采用三軸+變幅動力模塊，上裝有單根油管自動提放模塊、單根地排電液操控模塊等固定模塊。2個附屬模塊分別是油管井口地排模塊、常規(guī)井口模塊。

該機采用了主附機構(gòu)一體化設(shè)計思路，運移狀態(tài)下全套裝備均由主車攜帶，工作狀態(tài)時2個附屬模塊從主車上吊運下來，各自安放到相應(yīng)位置上。

修井機運移狀態(tài)如圖2所示。

2.1三軸車+變幅動力模塊

三軸載車采用國內(nèi)專用工程車產(chǎn)品，整機底盤的設(shè)計嚴格執(zhí)行國家、汽車行業(yè)以及國家機械工業(yè)部等制定的有關(guān)汽車標準和規(guī)定，滿足國家規(guī)定的車輛運行要求。

圖2　修井機運移狀態(tài)

載車上安裝有修井作業(yè)用的動力源，動力源由2臺液壓油泵和1套大功率的蓄能系統(tǒng)組成，液壓油泵排出的動力油可直接進入蓄能器系統(tǒng)。

蓄能器系統(tǒng)在提升過程中起動力補償作用，在下放過程中起吸納油管位能的作用。井架的變幅機構(gòu)采用雙單級活塞油缸，并聯(lián)使用。

井架上配有1臺液壓式小微型起重機，可在修井作業(yè)中完成各種小件的吊運作業(yè)。載車模塊如圖3所示。

1—載車；2—蓄能器；3—液壓站；

2.2單根油管自動提放模塊

油管提放系統(tǒng)采用油缸與增距滑輪組相結(jié)合直接升降的形式，實現(xiàn)油管的上提和下放。主要由井架、升降主油缸、增距動、定滑輪組、自動游吊系統(tǒng)等組成。

2.2.1主提升油缸

主油缸采用雙缸并聯(lián)方案：油缸安裝在方框型井架內(nèi)，活塞桿的上端支承增距動滑輪架組件，在增距滑輪架組件上裝有4個(2組)定滑輪。動滑輪架組件套裝在活塞桿上，當活塞桿向上伸出時，動滑輪架組件向上運動，帶動游吊系統(tǒng)也向上運動；當活塞桿向下縮回時，動滑輪架組件向下運動，游吊系統(tǒng)也向下運動。

單根起降地面排放型修井機采用單根油管起下方案，活塞桿伸出行程為3.5 m，游吊系統(tǒng)運動行程為10.5 m。通過操縱主油缸的上下運動，就可實現(xiàn)起下井下器具或修井等作業(yè)。如圖4所示。

1—動滑輪組件；2—主油缸；3—井架；4—扶正手；

2.2.2H型方框型井架

井架主要支撐主油缸及提供起升油管時的凈空高度，由2根方型鋼體組成。井架上部安裝有導(dǎo)軌、液壓小吊機、柔性導(dǎo)軌液壓絞車、井口對中扶正手等。井架下部除支撐主油缸外，安裝有定滑輪組、變幅油缸等裝置[2]。

為使游吊系統(tǒng)對準井口，設(shè)立了特制的鋼繩柔性導(dǎo)軌，起引導(dǎo)游吊系統(tǒng)上、下運動的作用。

2.3油管自動送排管機構(gòu)模塊

油管自動送排管機構(gòu)模塊作用是將從井口取出的抽油桿和油管從井口位置排放到油管橋上，或從油管橋上取出抽油桿和油管送到井口位置。主要由油管場地排放架、油管井口送管機構(gòu)、油管擺放吊機等部件組成。其中，井口送管機構(gòu)負責(zé)將單根管柱從井口位置取出；油管擺放吊機負責(zé)將油管自動排放到油管橋上，如圖5所示。

1—載車；2—油管擺放吊機；3—油管場地擺放架；

該模塊采用了分體式設(shè)計，其中油管擺放吊機及行走軌道安裝在主車上，工作時可相對主車旋轉(zhuǎn)90°，沿主車軸線平移，吊臂上裝有取管機械手，可從油管運管起始點抓放油管。

井口送管機構(gòu)與油管場地排放架按可移動式設(shè)計，運移狀態(tài)下由主車隨帶，工作狀態(tài)時由油管擺放吊機將其吊放到指定位置上。

井口送管機構(gòu)主臂采用上翻式結(jié)構(gòu)，可直接將平臥的油管向上旋轉(zhuǎn)90°，送到井口。副臂可將主臂上平臥的油管平移到油管運管起始點，或?qū)⑦\管起始點上的油管平移到主臂上。油管場地排放架沿用井場常用的三角型小桁架結(jié)構(gòu)，上邊安裝有油管定位裝置。

2.4井口上卸扣機構(gòu)模塊

多功能井口裝置集成了多個自動執(zhí)行與定位檢測機構(gòu)，通過與自動上提吊卡、自動液壓上卸扣鉗及自動油管排放系統(tǒng)配合，實現(xiàn)井口自動化操作。該模塊設(shè)計有2種結(jié)構(gòu)型式，分常規(guī)井口上卸扣機構(gòu)模塊與不壓井井口上卸扣機構(gòu)模塊。

常規(guī)井口上卸扣機構(gòu)模塊由防噴器、接箍檢測儀、油管井口檢測儀、自動卡瓦、崩扣鉗、液壓油管鉗等組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1—旋扣鉗；2—崩扣鉗；3—自動卡瓦；

當油管上提時，首先通過接箍檢測儀，檢測儀可以準確檢測接箍的位置，與自動吊卡配合，可以使油管停留在正好適合上卸扣的位置。油管通過油管井口檢測儀時，可在線檢測油管是否存在裂紋、偏磨、銹蝕等缺陷，如果有就馬上報警，進行更換。自動卡瓦主要用于夾持井內(nèi)油管柱。組合式液壓鉗可實現(xiàn)自動上卸扣，并可以前后移動讓出井口，方便自動吊卡抓取油管。

3系統(tǒng)分析

3.1電液供驅(qū)系統(tǒng)[3]

修井動力供給采用全液壓驅(qū)動方案，選取2臺由45 kW電機驅(qū)動的變量泵作為主動力源，直接取用井場電網(wǎng)電力。另設(shè)1套活塞式蓄能裝置作為輔助動力源。

蓄能系統(tǒng)智能化地投入工作，在提升過程中起動力補償作用，在下放過程中起吸納油管位能的作用。智能修井機液壓系統(tǒng)分主油缸液壓單元和外圍回路液壓單元2大功能單元。主升降油缸采用普通單出頭活塞油缸，雙缸并聯(lián)輸出。主升降油缸的供驅(qū)系統(tǒng)采用了載荷跟隨驅(qū)動技術(shù)，液壓系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7　液壓系統(tǒng)原理

3.2載荷跟隨驅(qū)動及智能控制

本修井機的液壓驅(qū)動能量分為3部分：泵組功能單元、蓄能器能量功能單元、差動回路能量功能單元[4]。3大能量單元按照載荷跟隨驅(qū)動技術(shù)方案的合理組合應(yīng)用，組成整個修井機的智能能量系統(tǒng)。

根據(jù)載荷變化的規(guī)律，通過計算機對液壓系統(tǒng)壓力傳感器、流量傳感器、速度傳感器、位移傳感器等監(jiān)測值的監(jiān)控，在計算機擬合算法的控制下，通過對泵組、蓄能器-氮氣包和差動回路的選擇，使提升油缸按照計算機智能速度-載荷擬合曲線的運動方程運動，實現(xiàn)液壓修井機的最優(yōu)化智能控制。

在具體操作上，由組合式液壓動力源、動力驅(qū)動系統(tǒng)、液壓自動蓄能系統(tǒng)、單級活塞缸提放系統(tǒng)等機構(gòu)參與，通過PLC協(xié)調(diào)，組成動力與載荷(升降速度或鉤載)自動匹配跟隨系統(tǒng)，在載荷(壓力)和速度(流量)之間自動判斷、自動調(diào)節(jié)、自動適應(yīng)，使之在效率和能耗之間達到最佳匹配，如圖8所示。

圖8　修井機載荷-速度曲線

其工況流程為：當鉤載輕時，組合式液壓動力源雙泵投入工作，液壓自動蓄能系統(tǒng)自動接入，單缸提放系統(tǒng)中的活塞液壓缸自動換成差動連接，以獲取較大提放速度；當鉤載由輕變重時，自動匹配跟隨系統(tǒng)會根據(jù)具體情況，自動采取以下措施：或組合式液壓動力源單泵投入工作；或液壓自動蓄能系統(tǒng)自動切斷；或單缸提放系統(tǒng)中的活塞液壓缸自動轉(zhuǎn)換成常規(guī)連接，以獲取較大提升載荷。

3.3操控系統(tǒng)

3.3.1修井作業(yè)操控

修井作業(yè)過程中的操控主要包括提管下管、排管、吊卡操作、井口操作、工作數(shù)據(jù)監(jiān)控、視頻監(jiān)控等，為了提高操作效率、確保安全，本機操控設(shè)置有以下幾種模式。

1)手動模式。也稱調(diào)試模式，所有動作通過手柄與組合開關(guān)實現(xiàn)，滿足單手或雙手操作的要求，動作之間有安全互鎖邏輯，在手柄上集成必要的組合開關(guān)，操作效率與安全性高。

2)半自動模式。也稱引導(dǎo)模式，設(shè)備將主要工作分成3大工序，各工序之內(nèi)又分成若干工步，各工序內(nèi)部動作順序關(guān)聯(lián)，自動完成；各工序之間的轉(zhuǎn)換動作由機器發(fā)出轉(zhuǎn)換提示，需要操作者觀察確認之后進行。

3)舉升工序。包括舉升油缸速度與壓力及吊卡、卡瓦動作等的關(guān)聯(lián)動作。

4)上卸扣工序。包括卸扣鉗伸縮、上卸扣與轉(zhuǎn)矩控制、管柱對扣等的關(guān)聯(lián)動作。

5)排管工序。包括油管擺放吊機、機械手、井口送管機構(gòu)等動作與定位控制的關(guān)聯(lián)動作。

6)全自動模式。操作人員發(fā)出啟動指令，設(shè)備按照內(nèi)置的順序與條件，逐步完成各項動作，直到提出/下放全部油管。

3.3.2數(shù)據(jù)監(jiān)控、報警顯示、視頻監(jiān)控

該機設(shè)置有油管長度自動測量、數(shù)據(jù)記錄、修井過程監(jiān)測、安全報警、自診斷、遠距離傳輸?shù)妊b置，自動在線監(jiān)測接箍位置與油管磨損情況。

配有2套觸摸顯示屏，可以介入視頻信號。在設(shè)備調(diào)試階段，可以通過觸摸屏調(diào)整控制參數(shù)；在設(shè)備工作階段，用來以數(shù)據(jù)、圖形、視頻方式顯示工作數(shù)據(jù)、報警信息、動作到位、當前視頻等。

通過先導(dǎo)元件控制點對點的邏輯閥和液壓比例元件的使用，可方便地在計算機中進行各種組合，實現(xiàn)了系統(tǒng)的可擴充性。

3.3.3井口裝置、單根排放管遙控

液壓系統(tǒng)的設(shè)計、對元件的選型、閥塊的布置和集成，充分考慮到了無線傳輸?shù)姆奖阈院涂煽啃裕瑢τ凸茏詣犹岱艡C構(gòu)、井口上卸扣機構(gòu)、自動送排管機構(gòu)等，不僅能在控制臺上操作，還設(shè)置了遙控功能，可在遙控器上進行離線操作。

通過無線操作，可以使操作人員視野更好，操作方式靈活，降低操作人員勞動強度；同時，提高了設(shè)備對環(huán)境的適應(yīng)能力。

4主要技術(shù)參數(shù)

1)主車模塊。

修井機型號

XJ 300/500 DYZ

額定鉤載

300/600 kN

大鉤最大提升速度

1.3 m/s

液壓系統(tǒng)工作壓力

21 MPa

額定功率頻率電壓

45 kW/50 Hz/380 V×2

適應(yīng)溫度

-15～+40 ℃

修井機底盤驅(qū)動形式

6×6

承載總質(zhì)量

45 000 kg

長×寬×高

14 200 mm×3 150 mm×4 200 mm

上裝總質(zhì)量

2 460 kg

2)井口上卸扣機構(gòu)模塊。

適應(yīng)油管管徑

73～89 mm

適應(yīng)抽油管徑

19/29 mm

額定轉(zhuǎn)矩

6 000 N·m

最大轉(zhuǎn)矩

9 500 N·m

旋扣轉(zhuǎn)矩(針對 ?29 mm)

350 N·m

3)油管自動送排管機構(gòu)模塊。

油管擺放吊機平移速度

0.5 m/s

擺放單根最長時間

15 s(擺管與送管可同時進行)

油管井口送管最長時間

11.5 s(擺管與送管可同時進行)

5結(jié)論

1)該修井機裝機功率小，直接使用井場電源，可現(xiàn)場完成自動蓄能、油管柱自動提放升降、自動抓管送管、自動上卸扣、自動排放、管柱自動長度測量、管柱扶正對中等自動化操作，可實現(xiàn)井口無線自動化操作。

2)整機采用了模塊化設(shè)計，運移和現(xiàn)場安裝方便快捷，在高效經(jīng)濟性、可靠操控性、安全適用性、節(jié)能環(huán)保性等方面取得新的突破。

參考文獻：

[1]姚春冬.石油鉆采機械[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[2]聞邦椿.機械設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[3]雷天覺.液壓工程手冊[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.

[4]王運安.液壓蓄能修井機節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計[J].石油礦場機械，2003，32(6)：22-25.

Development of Full-Automatic Intelligent Hydraulic Workover Rig

WANG Yunan1，NIU Wenjie2，LI Baoyun3，GU Renlong1，LIU Rui1，

LIU Dong1，LI Tao1，ZHANG Jinpeng1

(1.ShandongShengliPetroleumEquipmentIndustrialTechnologyResearchInstitute，Dongying257067，China；2.ChinaUniversityofPetroleum(EastChina)，Qingdao266580，China3.Xi′anSunlandAutomaticControlCo.，Ltd.，Xi′an710077，China)

Abstract：The XJ300/600 DYZ automatic intelligent hydraulic work-over rig was developed as a small tonnage product，which has many functions including running and pulling tubing strings automatically，making up and breaking out，grasping and feeding，stacking of tubing pipe at the wellhead automatically，self-aligning of the wellhead and self-moving of the whole rig，etc.Besides operating on the floor，these operations can be off-line operated conveniently by means of remote sensors.With these properties，full-automatic operation can be realized to achieve the purpose of high-efficiency，energy-saving，security and environment protecting.

Keywords：work-over rig；hydraulic；full-automatic；intelligent control；modularization

中圖分類號：TE935

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.018

作者簡介：王運安(1949-)，男，湖北漢川人，高級工程師，主要從事石油裝備的研發(fā)工作，E-mail：wya0655@tom.com。

收稿日期：2015-10-17

文章編號：1001-3482(2016)04-0069-05