修井井口機械自動化技術現狀分析與展望

周輝 郭東樂 吳洋

摘 要： 本文結合我國修井井口機械上卸扣、懸吊、送管等機構系統自動化應用情況，通過井口機械自動化模塊化設計、系統集成和自動化應用、遠程控制等關鍵技術研究，對未來應用進行了探究。

關鍵詞： 修井作業；井口機械；自動化

【中圖分類號】 TE93 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2236-1879（2018）11-0203-01

我國修井常用雙吊卡起下、多人協作、輪流交換方式作業，起下油管需游車帶動大鉤使吊卡上移、第二根油管露出井口1m后鉗工將另一吊卡搬到井口臺面與油管對正；將油管下放到臺面吊卡第二根油管接箍部位，借助吊卡對油管重力承重；鉗工利用液壓鉗夾緊油管，調到低檔實現油管“沖扣”，卸開后調到高檔直到油管螺紋全部卸開，將液壓鉗移出井口；將卸下的第一根油管拉到滑道上，將吊環掛在臺面吊卡并鎖緊卡銷，再進行下一根油管起升。作業易受環境影響，易發生高空落物、甭扣、夾斷手指等危害，需要提升機械自動化作業水平。

1 修井井口機械自動化技術應用現狀

1.1上卸扣系統。

常用半自動動力大鉗吊在井架上應用，以液壓動力鉗為主。有的是主鉗和副鉗一體，有的只有主鉗配套吊鉗，又可根據應用對象分為套管、油管和鉆桿動力大鉗。國內自動化應用是設置獨立懸吊系統，或將大鉗在專用軌道上固定，實現往復行走，完成越過井口、主鉗相對臺面升降等遠程控制和自動操縱。國外大鉗多采用導軌嵌入式安裝，利用以自我為中心的靈活方式懸掛，實現套管、鉆桿、油管等上卸扣作業，預防絆倒工人、對中困難等問題。

半自動修井常用的扭矩旋扣設備為鉆鐵工，是動力大鉗升級版，具備旋轉、上扣、拆卸螺紋鉗和扭矩鉗等多功能，該設備上世紀70年代在美國提出，現有手臂式和落地式兩大類，國內寶雞石油機械有限公司等已開始研制，相比國外產品價格較高。該設備與大鉗相比可靠性強、扭矩大、上扣扭矩精準性強，并配套編程控制系統實現遠程控制。在管柱下放中，“扶正機械手”取代人工扶正管柱，提升了對中成功率，降低了上卸扣對螺紋損傷。

1.2懸吊系統。

吊卡能在修井中懸持管柱，國內多采用“雙吊卡起下”作業，需由人工輔助吊卡、吊環搬、摘、掛和銷子插拔等操作。研制出動力吊卡和卡瓦，借助液壓或氣壓進行松開和卡緊管柱，取代人工倒換的方式實現半自動作業。其中，動力卡瓦固定在井口，配套動力吊卡實現管柱自動抱合，吊卡帶動管柱提升，下一根管柱起出井口1m后停止提升，利用動力卡瓦抱緊管柱，完成旋扣后將管柱放到送管機構。

1.3送管機構。

修井中管柱在操作平臺和管排間移動和排放，由人工完成存在勞動強度大、操作頻繁易出錯、耗時較長等問題，解決好排放管柱自動化問題，常用動力貓道移送、平行連桿機構移送、大臂旋轉移送等類型的自動化設備。美國PAL管柱自動傳送系統通過四邊形移動機構實現管柱撥動翻轉、傳送舉升和遠程控制；HWD大臂旋轉移送型管柱處理系統無吊升和滑輪系統，通過地面大臂機械手直接抓取管柱，利用液缸提供動力起升到井架中心頂驅或自動吊卡部位，大臂長度可根據平臺調節，在井架一側設置開口確保大臂和管柱移送。國內以濮陽中原銳實達公司動力貓道為代表，適用于管桿設備在鉆臺安全拆卸，可實現遠程控制、自動調節和安裝等鉆桿上下鉆臺作業。

2 修井井口自動化關鍵技術及應用展望

要結合我國特點進行井口機械自動化技術應用，把握以下關鍵原則：井口對中，確保待下放管柱與井下管柱中心對中，便于上扣作業，可借助扶正設備實現。液壓鉗自動定位和換擋，開口鉗自動對缺口，改變人工拖動液壓鉗移出或移入井口的方式，實現遠程管柱上卸扣。起升系統協同作業，達到自動完成管柱起升松緊、上升、下放等功能。自動送管技術，結合操作平臺高度和現場施工條件，以最簡單動作將管柱移送到指定位置。模塊化設計，實現緊湊的結構設計，降低操作復雜性，減少占據空間。設備通用確保不更換設備實現不同規格管柱處理。

2.1模塊化設計。

將動力吊卡、自動化修井作業工、自動送管系統實現模塊化設計。一是自動化修井作業工。集動力卡瓦、開口型液壓鉗、緩沖定位機構和扶正機械式于一體，保證井口裝置對中、自動換擋、自動對缺口和液壓鉗移動定位及卡瓦自動開合。上部扶正機械手內有液壓鉗和緩沖定位系統，底座與地面垂直并在高度上可調節，底部配套動力卡瓦與井口法蘭連接，通過液壓缸驅動液壓鉗上下往復運動實現液壓鉗進入和退出井口；實現高低換擋和對缺口，便于管柱從鉗口移出和下一次上卸扣作業；扶正裝置確保管柱對中；動力卡瓦遠程控制實現對管柱夾緊和松開的自動化操作。二是動力吊卡。配套可更換卡套，便于對不同規格油管作業，由液壓系統提供動力，實現對管柱抓緊和放松；配套鎖緊機構防止油管移動中意外打開；配套翻轉機構避免吊卡與油管接箍碰撞，配套擺動平衡機構確保吊卡重心固定、整體擺動可控。三是自動送管系統。采用平行連桿移送型系統，由撥管、傳送舉升、自動翻轉等部分構成，將管柱排架輸送到舉升槽，管柱沿底座導軌移動，并順利實現管柱從舉升槽到管排架移動。

2.2系統集成和自動化應用。

要實現自動上卸扣系統（包含開口型液壓鉗、扶正機械手和緩沖定位系統，主要是定位液壓鉗、扶正管柱和上卸扣作業）、自動送管系統（主要完成管柱移動和排放）、自動懸吊系統（包含動力吊卡和卡瓦，實現管柱上提、下放和松緊）等系統協調和自動化控制。以傳統“一吊一卡”起升系統工藝流程為基礎，確保每個系統都能準確達到預定位置，實現動作銜接。系統整體利用液壓系統實現自動控制，由液壓缸提供動力帶動執行部件運動，完成工作后利用機械限位機構和傳感器終止運動。

2.3遠程控制系統。

利用手動操作方式，以手動換向、節流和調速等閥門為操作部件，實現對執行機構操作和運動速度控制。外部配套液壓表實時監測系統壓力，控制柜引出液壓管線連接油箱和執行機構，控制柜要放置到井口安全距離以外位置，主要是協調上卸扣、自動懸吊、自動送管等系統作業。實現工人遠離井口、井口無人化操作，確保操作安全；液壓帶動管柱移動和上卸等作業，降低了人工勞動強度。

3 結論

綜上所述，隨著油井增產措施應用增多和開發時間延長，修井作業增多，通過研究提升井口機械自動化水平的技術措施和設備研制，有利于減輕人工勞動強度、提升作業效率、降低作業成本。

參考文獻

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[2] 任福深，王威，劉曄，常玉連.油管柱上卸扣裝置技術現狀[J].石油機械，2012（08）.