自動(dòng)化智能液壓修井機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牛文杰白永濤余焱群王曉斌王運(yùn)安閆成新. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院；. 山東勝利石油裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院

自動(dòng)化智能液壓修井機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牛文杰1白永濤1余焱群1王曉斌1王運(yùn)安2閆成新1
1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院；2. 山東勝利石油裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院

針對(duì)目前傳統(tǒng)修井機(jī)小修作業(yè)存在的作業(yè)周期長(zhǎng)、作業(yè)自動(dòng)化程度低、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)安全性差等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一款新型自動(dòng)化智能液壓修井機(jī)，通過(guò)“‘PLC程控/人控’多單元協(xié)調(diào)自動(dòng)耦合控制+人機(jī)離線操控 ”的控制方式使修井機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)相互協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)油田小型修井作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化、無(wú)人化操作。該修井機(jī)改變了傳統(tǒng)修井作業(yè)過(guò)程中管柱地面臥排的放置方式，采用管柱井口立放、雙立根同時(shí)起下的工作模式，同時(shí)可以兼容單根起下、地面臥排的傳統(tǒng)作業(yè)工藝，與傳統(tǒng)作業(yè)相比縮短了近20%～30%的修井周期；采用全液壓驅(qū)動(dòng)方式，增加液壓蓄能系統(tǒng)，通過(guò)變載荷變驅(qū)動(dòng)方式的配置達(dá)到節(jié)能的目的，方便遠(yuǎn)程控制，同時(shí)提高了修井作業(yè)的安全性。

修井作業(yè)；修井機(jī)；液壓控制；自動(dòng)化；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)大部分油田已進(jìn)入“高含水、高遞減、高投入”的“三高”開(kāi)發(fā)時(shí)期，井下作業(yè)已成為油田穩(wěn)產(chǎn)的重要措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在修井作業(yè)中，小修作業(yè)施工約占整個(gè)井筒維護(hù)工作量的90%～95%［1］。然而目前國(guó)內(nèi)使用較多的小型修井設(shè)備主要是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)陋的各種通井機(jī)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，自動(dòng)化程度低［2］，而結(jié)構(gòu)先進(jìn)、效率較高的輕型修井機(jī)只有20%左右，這與修井作業(yè)的頻繁程度和作業(yè)強(qiáng)度極不協(xié)調(diào)，亟需一款高效安全的修井設(shè)備來(lái)改善修井作業(yè)的現(xiàn)狀。

針對(duì)上述修井作業(yè)中存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員相繼研發(fā)了各種機(jī)械化井口操作裝置，如氣動(dòng)卡盤、筒式吊卡、油管舉升器等［3-4］。但因其僅著眼于解決作業(yè)流程中某一方面的具體問(wèn)題，具有很大的局限性，到現(xiàn)在未能形成系統(tǒng)的解決方案。

隨著科技的發(fā)展及環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外的修井設(shè)備主要朝著3個(gè)方向發(fā)展：（1）高性能、長(zhǎng)壽命、高可靠性；（2）機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化，突出高效節(jié)能，降低修井成本；（3）功能多元化、強(qiáng)適應(yīng)性［5］。2010年，遼河油田研制成功了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)自動(dòng)化修井機(jī)，但由于該修井機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)移性較差、作業(yè)成本高，因此未在油田上得到廣泛應(yīng)用。筆者設(shè)計(jì)研發(fā)了一種定位于頻繁的小修作業(yè)的自動(dòng)化智能液壓修井機(jī)，在兼容傳統(tǒng)修井作業(yè)工藝的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出并實(shí)現(xiàn)了管柱的雙根提升和立式排放，通過(guò)減少起下油管過(guò)程中上卸扣次數(shù)以及改變修井過(guò)程中管柱的排放方式提高修井機(jī)的工作效率，且通過(guò)“‘PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）程控/人控’多單元協(xié)調(diào)自動(dòng)耦合控制+人機(jī)離線操控”的控制方式使修井機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)相互協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)油田小型修井作業(yè)過(guò)程的自動(dòng)化、無(wú)人化操作。

1 設(shè)計(jì)定位及基本功能Design principles and basic functions

1.1設(shè)計(jì)定位

Design principles

該修井機(jī)定位于小噸位修井機(jī)，以油田小修作業(yè)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，最大作業(yè)井深為2 600 m（以?73 mm油管為設(shè)計(jì)依據(jù)）。主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，修井機(jī)動(dòng)力由油井網(wǎng)電驅(qū)動(dòng)修井機(jī)上2臺(tái)額定功率45 kW的電機(jī)提供。

表1　自動(dòng)化智能修井機(jī)技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of the automatic smart workover rig

1.2基本功能模塊

Basic function modules

根據(jù)該修井機(jī)的設(shè)計(jì)定位與設(shè)計(jì)功能，其結(jié)構(gòu)主要由5大系統(tǒng)組成：管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)、管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)、自動(dòng)化井口系統(tǒng)、載車變幅-支撐系統(tǒng)和電液供-驅(qū)-操-控系統(tǒng)。在作業(yè)過(guò)程中，采用“‘PLC程控/人控’多單元協(xié)調(diào)自動(dòng)耦合控制+人機(jī)離線操控”技術(shù)：PLC中設(shè)有小修作業(yè)的全套操作程控指令，可實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)的無(wú)人化智能控制，亦可以通過(guò)控制臺(tái)或者離線操作手柄對(duì)其修井機(jī)的作業(yè)進(jìn)行控制；其中離線操作手柄與PLC采用無(wú)線通信方式，在作業(yè)過(guò)程中可手動(dòng)參與調(diào)控，亦可全程手動(dòng)操控，使修井機(jī)的各個(gè)系統(tǒng)相互協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)小修作業(yè)的自動(dòng)化。其主要控制原理如圖1所示。

圖1　修井機(jī)系統(tǒng)操控原理圖Fig.1 Work principles of the workover rig

該修井機(jī)采用載荷跟隨驅(qū)動(dòng)技術(shù)，根據(jù)工作過(guò)程中的載荷變化規(guī)律，將修井作業(yè)提放管柱過(guò)程分為4個(gè)階段，每個(gè)階段采用不同的驅(qū)動(dòng)方案：

（1）高壓階段（重載提升）：采用泵組供油驅(qū)動(dòng)；

（2）中壓階段（中載提升）：采用泵組+蓄能器供油驅(qū)動(dòng)；

（3）低壓階段（輕載提升）：采用泵組+蓄能器+差動(dòng)回路供油驅(qū)動(dòng)；

（4）蓄能階段（管柱下放）：將管柱的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化液壓能存儲(chǔ)于蓄能器。

通過(guò)變載荷變驅(qū)動(dòng)方式可以有效地節(jié)省修井機(jī)的能耗，降低裝機(jī)功率［6-7］，其蓄能原理與現(xiàn)有常規(guī)液壓修井機(jī)的原理基本一致，此處不再贅述。產(chǎn)品樣機(jī)與現(xiàn)有修井機(jī)性能對(duì)比見(jiàn)表2。

表2　不同修井機(jī)性能對(duì)比Table 2 Performances of different workover rigs

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Structural design

自動(dòng)化智能液壓修井機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括載車變幅-支撐系統(tǒng)、管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)、管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)、自動(dòng)化井口系統(tǒng)4部分。

圖2　自動(dòng)化智能液壓修井機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the automatic smart hydraulic workover rig

2.1載車變幅-支撐系統(tǒng)

Truck-load support system with variable amplitudes

載車采用WS5480油田專用底盤，該底盤動(dòng)力系統(tǒng)選用達(dá)到國(guó)3排放的電控發(fā)動(dòng)機(jī)。車架采用與車上設(shè)備一體化設(shè)計(jì)，集成了車上的各種接口，車身尺寸為14.1 m×3 m×2.88 m，載車的驅(qū)動(dòng)方式采用8×8，增加修井機(jī)的越野與越障能力。

修井機(jī)的機(jī)架安裝于機(jī)車后部，可以通過(guò)變幅油缸實(shí)現(xiàn)機(jī)架的起升和整體工作狀態(tài)。機(jī)架上安裝有管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)和管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)，分別負(fù)責(zé)管柱的起升下放和運(yùn)移排放工作，自動(dòng)化井口設(shè)備在地面與井口相連，完成管柱的坐放和拆卸扣工作。機(jī)架的頂部安裝二層工作臺(tái)，配合地面的立根排放盒立式排放雙根的管柱。機(jī)架底部設(shè)計(jì)有井口自動(dòng)對(duì)中的裝置，可以實(shí)現(xiàn)前后左右各±10 cm的對(duì)中調(diào)整。

2.2管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)

Automatic pipe-string tripping system

管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，包括鋼絲換向輪、天輪、鋼絲繩、變幅油缸、液壓自動(dòng)吊卡等部件（見(jiàn)圖3a）。起升管柱時(shí)，通過(guò)天輪、提升液壓缸與機(jī)架上的鋼絲換向輪實(shí)現(xiàn)了管柱的3倍增距提升方式，如圖3b，當(dāng)提升液壓缸上升1 m時(shí)，鋼絲繩末端連接的液壓自動(dòng)吊卡上升3 m，避免了由于提升雙根管柱而導(dǎo)致的液壓缸行程過(guò)大的問(wèn)題。

圖3　管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the automatic pipe-string tripping system

提升液壓缸為該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，為河南汝陽(yáng)液壓機(jī)械廠生產(chǎn)的ZQ型重型冶金設(shè)備液壓缸，型號(hào)為ZQ-320/220×7635G。液壓缸活塞桿直徑為220 mm，最大行程為7 635 mm。

圖4為液壓自動(dòng)吊卡的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。液壓自動(dòng)吊卡用來(lái)抓住管柱并將其從油井中提取出來(lái)。吊卡采用了三片式的卡片結(jié)構(gòu)，卡片置于錐形的卡瓦體中，靠自鎖原理將管柱卡緊［9-11］。該吊卡的作用位置是管柱本體，不同于傳統(tǒng)的卡接箍的工作方式，安全性、可靠性較高。

圖4　液壓自動(dòng)吊卡結(jié)構(gòu)總成Fig.4 Structural assembly of automatic hydraulic elevator

2.3管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)

Automatic pipe-string placement and conveying system

該裝置主要完成管柱的運(yùn)移和排放工作，主要由管柱抓取機(jī)械手、導(dǎo)軌、平行四邊形橫梁、液壓缸等部分組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。在修井作業(yè)中，該裝置可以實(shí)現(xiàn)管柱的自動(dòng)運(yùn)移排放，提高修井效率及作業(yè)自動(dòng)化程度。

圖5　管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)總成Fig.5 Assembly of automatic pipe-string placement and conveying system

2.4自動(dòng)化井口系統(tǒng)

Automatic wellhead system

自動(dòng)化井口設(shè)備［11］主要由液壓動(dòng)力油管鉗、導(dǎo)軌、導(dǎo)軌支撐架、管柱探傷設(shè)備、液壓自動(dòng)卡瓦、接箍檢測(cè)設(shè)備和單閘板防噴器組成，負(fù)責(zé)管柱的自動(dòng)拆卸扣和坐放井下管柱的工作。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　自動(dòng)化井口設(shè)備總成Fig.6 Automatic wellhead assembly

3 修井作業(yè)工序Workover procedures

修井機(jī)工作之前需要做一定的準(zhǔn)備工作，包括載車固定、機(jī)架起升、井口對(duì)中等，完成準(zhǔn)備工作后開(kāi)始進(jìn)行管柱的提放工作。

3.1提升管柱作業(yè)工序

Procedures for lifting of pipe string

提升管柱的過(guò)程中，先由管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)將管柱從油井中提升2根油管的高度，然后自動(dòng)化井口系統(tǒng)進(jìn)行管柱的卸扣工作。卸扣完成后，井下的管柱由自動(dòng)化井口系統(tǒng)卡坐在井口，提升出井口的2根管柱交給管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)完成管柱的自動(dòng)運(yùn)移排放工作，最后將雙根管柱立放在指梁上完成一次起升管柱的操作。此過(guò)程不斷重復(fù)，直至將管柱全部從井中取出。

3.2下放管柱作業(yè)工序

Procedures for lowering of pipe string

完成對(duì)油井或設(shè)備的修復(fù)后需要將取出的管柱下放回油井中。此過(guò)程先由管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)從指梁上取下一組雙根立放的管柱，運(yùn)移到井口正上方的位置，通過(guò)安裝于井架低端的對(duì)中機(jī)械手使懸吊在游吊系統(tǒng)中的油管對(duì)準(zhǔn)井口，同時(shí)由自動(dòng)化井口系統(tǒng)進(jìn)行管柱的上扣操作。接扣結(jié)束后，將管柱交給管柱起升系統(tǒng)，將管柱下放至井內(nèi)，下放的管柱上端再由自動(dòng)化井口系統(tǒng)卡坐在井口，即完成一次下放管柱的操作。此過(guò)程不斷重復(fù)，直至將管柱全部下放到油井中，完成一次修井作業(yè)。圖7為修井機(jī)工作過(guò)程中的工序流程。

圖7　自動(dòng)化智能液壓修井機(jī)提放管柱工序流程Fig.7 Work flow of pipe-string tripping operations by using the automatic smart hydraulic workover rig

該修井機(jī)的修井作業(yè)工序及提取雙根油管的作業(yè)模式，不僅減少了修井作業(yè)過(guò)程中的上卸扣次數(shù)，而且通過(guò)管柱自動(dòng)排放裝置代替人工進(jìn)行排管

作業(yè)，減少了人工排管作業(yè)時(shí)間。該修井機(jī)的提升雙立根的作業(yè)周期如表3所示，平均每小時(shí)能夠提取40～55根單根，與普通修井機(jī)作業(yè)時(shí)間（平均每小時(shí)提升30～40根油管）相比較，作業(yè)周期縮短了近20%～30%，提高了修井作業(yè)效率。

表3　油管起升周期Table 3 Tubing lifting operations

4 結(jié)論與建議Conclusions and suggestions

（1）針對(duì)現(xiàn)在修井作業(yè)中存在的問(wèn)題，通過(guò)載車變幅-支撐系統(tǒng)、管柱自動(dòng)提放系統(tǒng)、管柱自動(dòng)運(yùn)移排放系統(tǒng)、自動(dòng)化井口系統(tǒng)等在“‘PLC程控/人控’多單元協(xié)調(diào)自動(dòng)耦合控制+人機(jī)離線操控”的控制技術(shù)下，實(shí)現(xiàn)了修井作業(yè)的自動(dòng)化、無(wú)人化操作。

（2）在兼容傳統(tǒng)單根起下、地面臥排的作業(yè)工藝基礎(chǔ)上，采用了管柱井口立放、雙立根同時(shí)起下的工作模式，不僅減少了上卸扣的次數(shù)，而且采用排管裝置代替人工進(jìn)行甩管、排管等作業(yè)，提高了修井作業(yè)效率，縮短了修井作業(yè)周期，降低了作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（3）采用載荷跟隨驅(qū)動(dòng)技術(shù)，根據(jù)工作過(guò)程中的載荷變化規(guī)律，采用不同的驅(qū)動(dòng)方案，不僅降低了修井機(jī)的裝機(jī)功率，而且能夠?qū)崿F(xiàn)蓄能、節(jié)能降耗，降低作業(yè)成本。

（4）下一步工作應(yīng)對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，分析試驗(yàn)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)及控制理論進(jìn)行優(yōu)化。

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（修改稿收到日期 2016-01-22）

〔編輯 朱 偉〕

Structural design for automatic smart hydraulic workover rig

NIU Wenjie1， BAI Yongtao1， YU Yanqun1， WANG Xiaobin1， WANG Yun’an2， YAN Chengxin1
1. College of Mechanical and Electronic Engineering， China University of Petroleum， Qingdao， Shandong 266580， China；2. Shandong Shengli Petroleum Equipment Industry Technology Research Institute， Dongying， Shandong 257067， China

Conventional minor workover operations involving workover rigs are characterized by prolonged working durations， low degrees of automation， high labor intensities and poor operation safety performances. To solve these problems， an innovative automatic smart hydraulic workover rig was developed. With the control mode by combining “PLC/Manual automatic coupling control multiple components through coordination + man/machine offline operations”， all key systems of the workover rig can work in well-coordinated manner to facilitate automatic and unmanned minor workover operations in oilfields. Instead of horizontal arrangement of pipe-string on the ground in conventional workover operations， the new workover rig works in a mode that pipe-strings are placed vertically near the wellhead and two joints are tripped out simultaneously. Furthermore， the new workover rig may also be used for tripping of one joint in one trip with conventional horizontal placement of pipe string on the ground. Compared with conventional operations， the new workover rig can reduce the operation time by approximately 20%-30%. Fully driven by hydraulic system and with hydraulic accumulator system newly deployed， the new workover rig can save energy through configuration of driving modes with variable loads. In addition tofacilitate remote control， the new workover rig mcan effectively enhance safety performance of workover operations.

workover operation； workover rig； hydraulic control； automation； structural design

NIU Wenjie， BAI Yongtao， YU Yanqun， WANG Xiaobin， WANG Yun’an， YAN Chengxin. Structural design for automatic smart hydraulic workover rig［J］.Oil Drilling & Production Technology， 2016， 38（2）： 195-200.

TE935

A

1000 -7393（ 2016 ） 02 -0195-06

10.13639/j.odpt.2016.02.013

山東省自然科學(xué)基金“海上稠油、邊際油田三抽人工舉升方式關(guān)鍵技術(shù)研究”（編號(hào)：ZR2014EL015）。

牛文杰（1967-），2002年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)，獲博士學(xué)位，主要從事石油鉆采機(jī)械設(shè)計(jì)方面的教學(xué)與科研工作，教授，碩士生導(dǎo)師。通訊地址：（266580）山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（華東）工科E樓823室。E-mail：niu_wj67@126.com

白永濤（1989-），中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)在讀碩士研究生，從事采油裝備設(shè)計(jì)及工藝研究。通訊地址：（266580）山東省青島市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)長(zhǎng)江西路66號(hào)中國(guó)石油大學(xué)（華東）工科E樓816室。電話：18669755263。E-mail：baiyt1989@163.com

引用格式：牛文杰，白永濤，余焱群，王曉斌，王運(yùn)安，閆成新. 自動(dòng)化智能液壓修井機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.石油鉆采工藝，2016，38（2）：195-200.