油田小修作業(yè)井口無人化裝備技術(shù)研究

石江超

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種新型的小修作業(yè)井口無人化裝備，由1名司鉆人員操作遙控器或司控臺(tái)對(duì)該裝備進(jìn)行油管等管桿移送及自動(dòng)上卸扣等作業(yè)，提高了小修作業(yè)的工作效率和施工安全性，減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員和井口周邊環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了小修作業(yè)井口無人化、智能化、自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：小修作業(yè);井口無人化;技術(shù)研究;管柱處理系統(tǒng)

1.前言

修井作業(yè)在油田開發(fā)與采油的過程中，處于至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)[1]。在油氣井生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生油層出砂或近井地帶堵塞、井筒結(jié)垢、油層滲透率降低、部分生產(chǎn)油層枯竭、套管損壞等油井本身故障，也可能會(huì)出現(xiàn)生產(chǎn)管柱絲扣滲漏或脫落、抽油桿斷裂或脫扣、抽油泵工作不正常等井下采油設(shè)備故障，造成油井減產(chǎn)甚至停產(chǎn)[2]。以上這些故障只有通過修井作業(yè)來排除。

本文從小修作業(yè)的工藝策略、作業(yè)模式及裝備選型設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行技術(shù)研究，以提高小修作業(yè)施工效率和HSE強(qiáng)度、減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和減少作業(yè)人數(shù)為目標(biāo)，力求研制出一套智能化和高自動(dòng)化的小修井口作業(yè)裝備。

2.正文

2.1 系統(tǒng)組成

本套設(shè)計(jì)方案中的小修作業(yè)井口無人化裝備采用機(jī)、電、液和機(jī)器視覺一體化設(shè)計(jì)，以司控臺(tái)為操控中心，一體化平臺(tái)為作業(yè)面，采用總線連接方式將定位擺管機(jī)械手、修井鐵鉆工、液壓吊卡、動(dòng)力卡瓦、視覺系統(tǒng)和智能防碰撞系統(tǒng)等一系列管柱處理系統(tǒng)進(jìn)行信息融合，由1名作業(yè)人員操作司控臺(tái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)油管等管桿擺放、自動(dòng)上卸扣等作業(yè)。

下面對(duì)各設(shè)備和子系統(tǒng)作初步介紹，具體如下：

（1）一體化平臺(tái)：整套設(shè)備的操作平臺(tái)，平臺(tái)上安裝各設(shè)備，并具有高度調(diào)節(jié)功能;

（2）定位擺管機(jī)械手：取代人工擺放管柱;

（3）修井鐵鉆工：實(shí)現(xiàn)管柱在作業(yè)過程中的上扣和卸扣;

（4）液壓吊卡：是提升油管的主要承重設(shè)備;

（5）動(dòng)力卡瓦：實(shí)現(xiàn)由雙吊卡作業(yè)該為單吊卡作業(yè);

（6）司控臺(tái)：實(shí)現(xiàn)小修井口無人化作業(yè)裝備在司控臺(tái)的集成控制;

（7）視覺系統(tǒng)：利用視覺系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)畫面和定位，實(shí)現(xiàn)小修作業(yè)井口無人化裝備精確、可靠的操作;

（8）智能防碰撞系統(tǒng)：使司控臺(tái)與各關(guān)鍵系統(tǒng)裝備相互結(jié)合，使各個(gè)系統(tǒng)裝備作業(yè)時(shí)合理有序。

小修作業(yè)井口無人化裝備與現(xiàn)有的修井機(jī)和貓道機(jī)配合作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了操作人員在司控臺(tái)通過集成控制系統(tǒng)就能完成起下鉆和上卸扣等一系列管柱處理操作;其中還可以對(duì)自動(dòng)化設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和潛在故障的判斷，增強(qiáng)了作業(yè)安全性，讓人類的決策與操控能力在后方得以充分發(fā)揮，同時(shí)也提高了施工安全系數(shù)，以遠(yuǎn)程操控的方式實(shí)現(xiàn)人與裝備的互動(dòng)，使人在油田小修作業(yè)施工中處于更高的統(tǒng)領(lǐng)作用，達(dá)到與技術(shù)的一體化和諧運(yùn)作。

2.2工藝策略

目前，我國小修作業(yè)主要由修井機(jī)和人工操作完成，起下管柱時(shí)至少需要4人協(xié)同作業(yè)，其中1人操車，2人站井口操作，剩余1人（場(chǎng)地工）拉送油管，要求各崗位人員必須精力集中、相互配合默契。這些傳統(tǒng)作業(yè)工藝復(fù)雜繁瑣，工作效率低且安全可靠性低。所以針對(duì)以上情況，本套設(shè)計(jì)方案中的井口無人化作業(yè)裝備優(yōu)化傳統(tǒng)的小修作業(yè)模式及工藝策略，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地的不同與修井機(jī)和抽油機(jī)相協(xié)調(diào)配合進(jìn)行場(chǎng)地的布局，可靈活適應(yīng)多種工位，通過自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的一體化、無人化和多工位作業(yè)模式的工藝策略，使小修作業(yè)工藝最優(yōu)化。

就工藝流程優(yōu)化方面，下面以定位擺管機(jī)械手為例進(jìn)行詳細(xì)說明：

由于目前油田小修作業(yè)過程中管柱從貓道口到井口的移送是靠人工操作的，作業(yè)效率低下，而且危險(xiǎn)性極高，容易造成安全事故，沒有強(qiáng)化HSE管理體系，因此，使用自動(dòng)化裝置進(jìn)行管柱自動(dòng)化搬運(yùn)非常有必要，小修井口無人化作業(yè)裝備實(shí)現(xiàn)了司控臺(tái)或用遙控器的一鍵操作，使機(jī)械手自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了管柱在貓道口和井口之間的移送并自動(dòng)對(duì)中，節(jié)省了人工，極大地提高了安全系數(shù)，優(yōu)化了工藝流程。

2.3 作業(yè)工藝流程

該裝備的工藝模式有兩種，即起立柱和下立柱。

首先，將平臺(tái)通過液壓油缸起升調(diào)節(jié)到合適的作業(yè)高度，將伸縮梯調(diào)整到合適的角度和長度方便人員上下平臺(tái)。將修井鐵鉆工和定位擺管機(jī)械手移動(dòng)到合適的位置，并將其固定。工作平臺(tái)上設(shè)置有管柱操作口，管柱口與井口相通，可進(jìn)行管柱的起放作業(yè)。

起立柱工藝流程為：由司鉆人員操控司控臺(tái)或遙控器將動(dòng)力卡瓦打開，利用液壓吊卡將管柱提升到一定位置后關(guān)閉動(dòng)力卡瓦進(jìn)而卡持管柱，操作修井鐵鉆工進(jìn)行自動(dòng)下卸扣動(dòng)作。卸扣操作完成后，定位擺管機(jī)械手夾爪打開，機(jī)械臂伸出到指定位置后夾爪閉合抓住管柱，大鉤上升合適距離后機(jī)械手旋轉(zhuǎn)將管柱下端擺放至貓道口，操作大鉤使管柱下降，到達(dá)指定位置后液壓吊卡打開，將管柱下放至場(chǎng)地，起立柱操作完成。

下立柱是起立柱的相反過程。

下立柱工藝流程為：將管柱放置于貓道口，利用液壓吊卡將管柱提升到一定位置，定位擺管機(jī)械手夾爪打開，機(jī)械臂伸出到指定位置后夾爪閉合抓住管柱，大鉤繼續(xù)上升至合適位置后機(jī)械手旋轉(zhuǎn)將管柱下端擺放至井口位置，大鉤下降使管柱與井口中管柱對(duì)接，機(jī)械手夾爪松開回到初始位置，操作鐵鉆工進(jìn)行自動(dòng)上卸扣動(dòng)作。上扣動(dòng)作完成后，動(dòng)力卡瓦打開，操作大鉤使立柱下降至合適位置后動(dòng)力卡瓦閉合，下立柱操作完成。

排污管道處于常通狀態(tài)，作業(yè)過程中產(chǎn)生的污液可通過排污管道流入收污盒，起到污液收集處理的功能。

3.總結(jié)

針對(duì)目前油田小修作業(yè)耗時(shí)多、重復(fù)動(dòng)作頻繁、員工勞動(dòng)強(qiáng)度大和安全風(fēng)險(xiǎn)高的現(xiàn)狀，本文提出了一套新型的小修作業(yè)井口無人化裝備設(shè)計(jì)方案。本套技術(shù)方案符合石油行業(yè)的HSE和技術(shù)要求，積極響應(yīng)了國家對(duì)石油建設(shè)的迫切需求和油田小修作業(yè)的高自動(dòng)化程度需求，對(duì)于油田小修作業(yè)自動(dòng)化機(jī)械裝備技術(shù)的發(fā)展具有重要的參考意義。一旦投入使用，勢(shì)必具有良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]白永占，劉艷偉，張延開.油田修井作業(yè)技術(shù)研究與分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2014（33）：143-144.

[2]韓軍.油田修井作業(yè)自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)與仿真[J].鉆采工藝，2014，37（06）：80-82+6.