自動化智能化小修作業(yè)裝備設(shè)計(jì)開發(fā)探討

于振祥，曲永哲，聶永晉，張敬

（中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司，天津 300457）

關(guān)鍵字：自動化；智能化；小修作業(yè)；設(shè)計(jì)開發(fā)

0 引言

我國大部分油田已進(jìn)入開發(fā)中后期，修井任務(wù)越來越繁重。提高修井作業(yè)效率，改變落后惡劣的工作條件，成為石油行業(yè)亟待解決的問題。以小修作業(yè)為例，完成一口2000 m 的修井作業(yè)，僅倒換吊卡一項(xiàng)就相當(dāng)于裝卸40 t 重物的工作量。工人長期在惡劣環(huán)境中高強(qiáng)度勞動，極易發(fā)生安全事故。尤其在井壓變化、油套管有溢流的情況下，井口工人不僅無法對接油管，環(huán)境也會受到嚴(yán)重污染。國內(nèi)許多企業(yè)致力于修井技術(shù)及作業(yè)方式的研究和探討，著手井口機(jī)械化、自動化裝置和工具的開發(fā)，如油管舉升裝置（自動化貓道）、二層臺管柱排放裝置、鐵鉆工、動力卡瓦、動力吊卡等[1-7]。相繼有井口自動化裝置和工具在現(xiàn)場應(yīng)用，但當(dāng)前主要應(yīng)用在鉆機(jī)或大型修井機(jī)上進(jìn)行鉆井或大修井作業(yè)[8-10]，而占絕大多數(shù)的小修作業(yè)的修井機(jī)、通井機(jī)配備量很少，自動化智能化小修作業(yè)裝備成套應(yīng)用還處于發(fā)展階段。

1 小修作業(yè)裝備自動化智能化關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)小修作業(yè)自動化智能化，需要充分考慮我國修井作業(yè)的特點(diǎn)、操作習(xí)慣及現(xiàn)場應(yīng)用情況。目前，各裝備制造企業(yè)所做的修井自動化開發(fā)工作，要實(shí)現(xiàn)自動化智能化，應(yīng)注重以下關(guān)鍵技術(shù)的研究和攻關(guān)。

（1）井口對中技術(shù)[11]。自動起下確保管柱精準(zhǔn)對中是實(shí)施自動化的基礎(chǔ)，為保證上扣的順利進(jìn)行，要求待下放管柱與井中管柱中心對中，這不僅要求采用精確的定位方式，還需要有扶正管柱精確定位的輔助設(shè)備，能夠?qū)⒃诰诟浇鼡u擺不定或偏斜井口的待下放管柱扶正，并且能夠?qū)⒐苤３衷诜稣隣顟B(tài)，要求有盡可能大的管柱扶正范圍和良好的可靠性。

（2）自動上卸扣技術(shù)。常規(guī)小修作業(yè)液壓鉗需要人工拖動移出或移入井口，手動操作換擋手柄實(shí)現(xiàn)高低擋變速，操作換向閥手柄實(shí)現(xiàn)鉗頭正反轉(zhuǎn)。要實(shí)現(xiàn)井口自動化，液壓鉗必須能夠自動定位、自動換擋，開口鉗自動對缺口，通過遠(yuǎn)程控制來完成管柱的上卸扣功能。同時液壓鉗體積小，能夠同時滿足抽油桿、油管的上卸扣扭矩，價格要低于鐵鉆工，適合小修井應(yīng)用。

（3）自動懸吊技術(shù)。動力吊卡、卡瓦能夠協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)自動卡緊、松開管柱和起升、下放管柱。管柱卡緊可靠，懸吊裝置定位準(zhǔn)確，保證到達(dá)預(yù)定的工作位置，通過遠(yuǎn)程控制來完成高空順利抓取待上提管柱和釋放管柱。

（4）油管舉升技術(shù)。實(shí)現(xiàn)管柱的自動輸送、擺放，動作簡單，快速，保證管柱移送到指定位置，與自動懸吊系統(tǒng)協(xié)同完成接送管柱任務(wù)。

（5）集成化技術(shù)。修井機(jī)與井口自動化系統(tǒng)集成一體設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模塊化，將各子系統(tǒng)連接成一個完整可靠、經(jīng)濟(jì)有效的整體，能彼此協(xié)調(diào)工作，降低操作復(fù)雜程度，以實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)集中、高效、便利的控制。

（6）系統(tǒng)輕量化技術(shù)。應(yīng)盡可能減小修井井口自動化裝置的自重和安裝空間，整套裝置結(jié)構(gòu)緊湊。盡量實(shí)現(xiàn)模塊與修井機(jī)的一體化，便于安裝、拆卸和運(yùn)輸。

（7）環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)。作為野外作業(yè)設(shè)備，在風(fēng)雨雪霧、軟地基條件下，自動化裝置能夠適應(yīng)各種不確定環(huán)境，并能高可靠地工作。

（8）電驅(qū)動技術(shù)。通過電動伺服驅(qū)動能夠高精度控制各執(zhí)行元件的工作速度和扭矩，是井口自動化設(shè)備和工具提高工作效率的有效途徑。

（9）井口防爆技術(shù)。井口自動化必須符合井控安全要求，電驅(qū)化井口工具應(yīng)有嚴(yán)格的防爆要求，具有良好的防爆性能，不能存在安全隱患。

（10）智能化技術(shù)。智能化包括感知、監(jiān)控和控制3 個方面，通過安裝各種傳感器，借助物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)，實(shí)時發(fā)送作業(yè)信息到指揮中心，并建立修井作業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)井下作業(yè)遠(yuǎn)程專家快速決策系統(tǒng)，最終通過系統(tǒng)完成修井作業(yè)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和操作控制，實(shí)現(xiàn)工人遠(yuǎn)離作業(yè)井場的無人化修井。

2 小修作業(yè)自動化智能化技術(shù)現(xiàn)狀

我國在小修裝備自動化、智能化研究起步較晚，經(jīng)過數(shù)年探索及應(yīng)用，部分自動化、信息化及系統(tǒng)集成化裝備已經(jīng)用于常規(guī)修井作業(yè)，通過實(shí)現(xiàn)自動起下鉆、推起單根、自動上卸扣等，將井下作業(yè)井口操作的流程程序化，實(shí)現(xiàn)操作簡單化、效益化和控制精準(zhǔn)化的有機(jī)統(tǒng)一，并在部分油氣田現(xiàn)場開展了應(yīng)用[12]。

2.1 模塊化升級改造技術(shù)

該類型自動化智能化技術(shù)主要是圍繞常規(guī)修井機(jī)升級改造而開展，采用模塊化設(shè)計(jì)單元，各模塊單元與修井機(jī)分屬獨(dú)立的控制系統(tǒng)（圖1）。在小修作業(yè)自動化智能化研發(fā)和應(yīng)用上，中石化四機(jī)石油機(jī)械有限公司、三一重工有限公司和山東杰瑞有限公司具備較高的技術(shù)實(shí)力。主要設(shè)備配置方案是井口機(jī)器人、一體化平臺、翻轉(zhuǎn)液壓吊卡、氣動卡盤、動力貓道、管柱測長系統(tǒng)、司鉆遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等。

圖1 模塊化升級改造技術(shù)產(chǎn)品

（1）井口機(jī)器人：模塊化獨(dú)立成橇，運(yùn)輸方便、快捷；多功能集成，滿足井口油管的對扣、上扣、卸扣、泥漿收集等作業(yè)；配合液壓吊卡、動力貓道等設(shè)備一鍵自動化完成管柱的輸送。

（2）一體化平臺：模塊化運(yùn)輸，簡單、方便、快捷；分離式液相、固相排污裝置，安全環(huán)保；導(dǎo)流式集污結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，集中收集。

（3）翻轉(zhuǎn)液壓吊卡：使用主機(jī)液壓系統(tǒng)驅(qū)動；可實(shí)現(xiàn)自動開合、自動翻轉(zhuǎn)、自動側(cè)擺、自動避讓油管接箍；配備機(jī)械鎖、液壓鎖、管柱到位傳感器、閉合傳感器等多重安全保護(hù)，杜絕誤操作。

（4）氣動卡盤：居中力大、垂直升降、安裝方便；三瓣臺階式卡瓦體組成，支撐盤同時與驅(qū)動機(jī)構(gòu)機(jī)械同步連接；浮動式刮泥機(jī)構(gòu)，可以在起抽油桿時清除浮著在抽油桿上的泥漿油污等。

（5）動力貓道：按需配置動力排管架，進(jìn)行管柱造斜；自動化液壓系統(tǒng)由動力貓道集成；動力貓道外接動力總電源，通過電控箱向外配置所有自動化用電單元；快速安裝與拆卸，運(yùn)輸方便、快捷。

（6）管柱測長系統(tǒng)：管柱測長設(shè)備為選配設(shè)備，可單獨(dú)配置；滿足作業(yè)在需要測長功能時使用；系統(tǒng)測完長度后可以進(jìn)行記錄并導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

（7）司鉆遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)：小修管柱自動化所有設(shè)備控制系統(tǒng)于修井機(jī)主機(jī)控制室集成控制；小修機(jī)器人具有本地及遠(yuǎn)程兩種控制模式；自動化作業(yè)一鍵式操作；井口交接設(shè)備程序互鎖，避免誤操作，安全可靠。

此類型設(shè)備目前已經(jīng)在大慶油田、中原油田、長慶油田、吉林油田等開展試點(diǎn)性應(yīng)用，雖然在一定程度上降低了勞動強(qiáng)度，但是也普遍存在一些問題。

（1）優(yōu)勢：①通過各自動化設(shè)備的高效配合，修井作業(yè)自動化程度得到較大提升；②修井作業(yè)實(shí)現(xiàn)1～2 人操作，初步實(shí)現(xiàn)了減員增效、降低工人勞動強(qiáng)度；③井口無人化作業(yè)模式，提升了修井作業(yè)安全性。

（2）劣勢：①設(shè)備作業(yè)效率低，平均作業(yè)效率還達(dá)不到人工作業(yè)效率，影響現(xiàn)場修井作業(yè)進(jìn)度；②設(shè)備作業(yè)可靠性差，由于采用液壓、電氣控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障不易排除，影響修井作業(yè)進(jìn)度；③模塊之間缺乏信息傳遞，設(shè)備間存在碰撞隱患。

2.2 集成化自動控制技術(shù)

該類型技術(shù)采用集成化設(shè)計(jì)理念，各動作單元集成設(shè)計(jì)在一個底撬上，實(shí)現(xiàn)了功能設(shè)備整體移運(yùn)和搬安（圖2）。設(shè)備控制上突出全部動作數(shù)控、智能。在總裝的思路上突出功能分塊，方便設(shè)備批量生產(chǎn)組裝。設(shè)備結(jié)構(gòu)為一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備進(jìn)入現(xiàn)場30 min 安裝就位，方便車輛轉(zhuǎn)運(yùn)。該型號設(shè)備的研制以濟(jì)南芯樂科技發(fā)展有限公司為代表，主要設(shè)備配置方案是：大臂機(jī)械手、油管輥道、管鉗平臺、設(shè)備底座、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等。

圖2 集成化自動控制技術(shù)產(chǎn)品

（1）大臂機(jī)械手：由立柱、機(jī)械手組件、平移底座組成。

（2）油管輥道：油管輥道以設(shè)備中心左右對稱分布，油管上下位置處于設(shè)備前端中心。

（3）管鉗平臺：由水平移動平臺、前后移動平臺、下導(dǎo)正機(jī)構(gòu)、動力鉗組成。

（4）設(shè)備底座：設(shè)備由基礎(chǔ)底座、支腿機(jī)構(gòu)組成。

（5）電氣系統(tǒng)：配備人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)自動、遙控和手動操作。

（6）液壓系統(tǒng)：液壓系統(tǒng)主要動力源分兩部分，由主泵站和汽油機(jī)泵組成。

此類型設(shè)備目前已經(jīng)在遼河油田、長慶油田、勝利油田等開展試點(diǎn)性應(yīng)用，雖然在一定程度上降低了勞動強(qiáng)度，但是也普遍存在一些問題。

（1）優(yōu)勢：①集成化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)快速搬運(yùn)，節(jié)約修井作業(yè)準(zhǔn)備時間；②通過各自動化設(shè)備的高效配合，修井作業(yè)自動化程度得到較大提升；③修井作業(yè)實(shí)現(xiàn)1～2 人操作，初步實(shí)現(xiàn)了減員增效、降低工人勞動強(qiáng)度；④井口無人化作業(yè)模式，提升了修井作業(yè)安全性。

（2）劣勢：①設(shè)備作業(yè)效率低，平均作業(yè)效率還達(dá)不到人工作業(yè)效率，影響現(xiàn)場修井作業(yè)進(jìn)度；②設(shè)備作業(yè)可靠性差，由于采用液壓、電氣控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障不易排除，影響修井作業(yè)進(jìn)度；③設(shè)備成本投入高，市場銷售價格嚴(yán)重影響到市場推廣。

2.3 小結(jié)

近年來，國內(nèi)一些廠家在修井機(jī)部件自動化開發(fā)方面發(fā)展迅速，尤其是在管柱處理、自動化貓道、自動吊卡、液壓油管鉗等設(shè)計(jì)制造技術(shù)日趨成熟，許多廠家已具備生產(chǎn)能力，相關(guān)技術(shù)已形成系列產(chǎn)品并初步在國內(nèi)各油田推廣開來。

3 技術(shù)成熟度評估

工程技術(shù)的發(fā)展一般要經(jīng)歷探索研究、技術(shù)開發(fā)、工程研制和生產(chǎn)銷售4 個階段，不同階段對技術(shù)的成熟度有不同的要求，而技術(shù)處于某一發(fā)展階段，并不代表就達(dá)到了該階段所要求的技術(shù)成熟度，在關(guān)鍵技術(shù)不完全成熟的情況下轉(zhuǎn)入工程研制，甚至轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品階段，必然會造成產(chǎn)品性能下降、項(xiàng)目進(jìn)度延期和費(fèi)用超出預(yù)算等開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

英美在國防采辦中推行9 級技術(shù)成熟度評價（Technology Readiness Level，TRL）。由于國內(nèi)具體情況和管理方式不同，結(jié)合國情和國內(nèi)的研發(fā)特點(diǎn)，逐漸形成了技術(shù)成熟度等級模型（Technology Maturity Level，TML），將技術(shù)成熟度從低級到高級劃分為9 個等級[13]。根據(jù)當(dāng)前自動化智能化小修作業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r，借助TML 模型工具，對自動化智能化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)分解，得出關(guān)鍵技術(shù)評價等級（圖3）。

圖3 自動化智能化小修作業(yè)裝備成熟度評估表

按照技術(shù)成熟度評價（Technology Maturity Assessment，TMA）方法要求，在探索研究階段，技術(shù)成熟度一般要達(dá)到TML3；技術(shù)開發(fā)階段，要求達(dá)到TML5～TML6；工程研制階段，應(yīng)該達(dá)到TML8；生產(chǎn)銷售階段，必須達(dá)到TML9。作為復(fù)雜的系統(tǒng)集成技術(shù)，各關(guān)鍵技術(shù)要達(dá)到TML6 可以認(rèn)為技術(shù)基本成熟。

從上述自動化智能化小修作業(yè)裝備10 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)來看，除井口對中、自動化上卸扣、自動懸吊、油管舉升4 個單項(xiàng)技術(shù)達(dá)到TML6 等級外，其他6 項(xiàng)技術(shù)均未達(dá)到技術(shù)基本成熟。其中油管舉升技術(shù)成熟度最高，產(chǎn)品通過實(shí)際應(yīng)用；智能化技術(shù)成熟度最低，還處于探索研究階段；集成化、輕量化、環(huán)境適用性、電驅(qū)動和井口防爆技術(shù)都處于技術(shù)開發(fā)階段。綜合10 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)整體來看，自動化智能化小修作業(yè)裝備還沒有達(dá)到技術(shù)基本成熟，需要通過“頂層設(shè)計(jì)”，增加科技投入，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)，逐項(xiàng)攻克關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)系統(tǒng)成套技術(shù)成熟。

4 自動化智能化小修作業(yè)裝備設(shè)計(jì)開發(fā)思路

鑒于目前國內(nèi)自動化智能化小修作業(yè)裝備技術(shù)成熟度水平，建議自動化智能化小修裝備的設(shè)計(jì)開發(fā)應(yīng)分2 個階段實(shí)施：①第1 階段進(jìn)行小修裝備井口作業(yè)自動化技術(shù)提升，實(shí)現(xiàn)井口減人、無人化；②第2 階段進(jìn)行修井作業(yè)智能化開發(fā)，通過物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)，修井作業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和遠(yuǎn)程修井專家決策系統(tǒng)提高井下作業(yè)水平，實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)智能化。

第1 階段小修裝備井口作業(yè)自動化技術(shù)提升要尋求2 個主要方面的技術(shù)突破，即井口自動化系統(tǒng)工作效率和工作可靠性的突破。通過加強(qiáng)系統(tǒng)各部件協(xié)同工作，結(jié)合井口自動化工具和設(shè)備的設(shè)計(jì)，對傳統(tǒng)修井工藝改進(jìn)、調(diào)整，達(dá)到人工修井起下相近的工作時效；通過修井機(jī)與井口自動化裝置的一體化開發(fā)，以電驅(qū)動和伺服驅(qū)動器為主要發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)集成化、一體化，提高系統(tǒng)的持續(xù)工作能力，提升自動化裝置的維護(hù)性、運(yùn)移性、環(huán)境適應(yīng)性等。

第2 階段修井作業(yè)智能化開發(fā)要做好2 項(xiàng)基礎(chǔ)研究和2 項(xiàng)技術(shù)開發(fā)。2 項(xiàng)基礎(chǔ)研究包括修井作業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和遠(yuǎn)程專家快速決策系統(tǒng)的研究；2 項(xiàng)開發(fā)工作一是井口自動化采集系統(tǒng)的開發(fā)，一是自動化智能化遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的開發(fā)?；谶h(yuǎn)程遙控作業(yè)技術(shù)，通過采集修井全過程作業(yè)參數(shù)，經(jīng)大數(shù)據(jù)處理，建立修井作業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，形成遠(yuǎn)程修井專家決策系統(tǒng)，通過小修裝備和井口一體化智能作業(yè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工人遠(yuǎn)離作業(yè)井場的無人化修井。