隨車(chē)式環(huán)保自動(dòng)化施工系列配套裝置研發(fā)與應(yīng)用

周恒倉(cāng) 陳聰 李洪亮 朱慶 黃山（大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司）

井下作業(yè)是石油系統(tǒng)最艱苦行業(yè)之一，員工是在極其惡劣的環(huán)境下工作的，對(duì)修井設(shè)備自動(dòng)化有著強(qiáng)烈的要求。在井下作業(yè)發(fā)展過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)修井設(shè)備環(huán)保化、自動(dòng)化、智能化[1]，能極大地提高生產(chǎn)效率，降低能耗，提升井下作業(yè)生產(chǎn)的安全性和可靠性，確保生產(chǎn)運(yùn)行持續(xù)且高效地進(jìn)行，解決以往工作中經(jīng)常出現(xiàn)但難以處理的諸多問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)化施工系列配套設(shè)備遠(yuǎn)程控制[2]。

1 存在問(wèn)題

目前國(guó)內(nèi)外作業(yè)環(huán)保自動(dòng)化工藝技術(shù)主要分兩類(lèi)：

1）高度集成多模塊自動(dòng)化工藝技術(shù)：包括作業(yè)平臺(tái)系統(tǒng)、自動(dòng)吊卡系統(tǒng)、自動(dòng)上卸扣系統(tǒng)、油管扶正推拉系統(tǒng)、油管舉升系統(tǒng)、環(huán)保地面排管控制等多系統(tǒng)高度集成配套應(yīng)用。地面1人就可操作，自動(dòng)化程度高，但成本高（一套系統(tǒng)上千萬(wàn)元），對(duì)作業(yè)場(chǎng)地平整度要求高，搬運(yùn)及組裝費(fèi)用耗時(shí)長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)油田應(yīng)用較少。

2）多模塊半自動(dòng)化工藝技術(shù)：包括作業(yè)平臺(tái)系統(tǒng)、管橋滑道舉升系統(tǒng)等不同多模塊的集成配套應(yīng)用形式。施工時(shí)司鉆、井口、地面各1人即可實(shí)現(xiàn)管柱順利起下，作業(yè)安全性高，目前國(guó)內(nèi)油田應(yīng)用較多，但設(shè)備笨重，搬運(yùn)繁瑣，安裝需吊車(chē)配合，同時(shí)需要上機(jī)械設(shè)備平作業(yè)場(chǎng)地。在實(shí)用性上存在不足。

深入了解國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化工藝技術(shù)后，對(duì)比實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)走訪(fǎng)調(diào)查，開(kāi)展PDCA循環(huán)，發(fā)現(xiàn)四個(gè)突出問(wèn)題：一是井口操作臺(tái)控制、收集溢流效果存在不足，易污染井場(chǎng)及周邊環(huán)境，員工操作時(shí)易滑倒，存在安全隱患；二是作業(yè)管橋及滑道工藝技術(shù)落后，功能單一，機(jī)械自動(dòng)化程度低，工作效率低；三是使用管柱液壓鉗上卸扣，需人工拉拽，易發(fā)生崩扣、夾斷手指等危害；四是修井機(jī)繃?yán)K錨定時(shí)，打樁易損壞地下管線(xiàn)，造成人員傷害。地錨附著力小，樁眼強(qiáng)度低，需反復(fù)丈量調(diào)整，單井拆裝繩卡高達(dá)64次，耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。

2 解決方案

結(jié)合井下作業(yè)環(huán)保自動(dòng)化工藝技術(shù)和施工現(xiàn)場(chǎng)突出的問(wèn)題，不斷創(chuàng)新研發(fā)四項(xiàng)技術(shù)。按照5W2H原則制定對(duì)策并實(shí)施：

1）研發(fā)隨車(chē)式環(huán)保操作平臺(tái)技術(shù)。利用平臺(tái)實(shí)現(xiàn)接液收集，平臺(tái)裝置安裝在自背井架尾部，機(jī)械牽引收放應(yīng)用，立好井架后能夠自動(dòng)化控制平臺(tái)與作業(yè)井口高度，將作業(yè)井口套裝在多功能環(huán)保操作臺(tái)裝置中央，連接好井控設(shè)備及井場(chǎng)污油回收設(shè)備，作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的污油污水引入裝置后，用自吸罐回收處理，即可實(shí)現(xiàn)小修井起下管桿安全、環(huán)保、自動(dòng)化高效施工的目的[3]。并與作業(yè)機(jī)一體裝配、隨作業(yè)機(jī)一體搬運(yùn)；機(jī)械自動(dòng)化升降調(diào)節(jié)作業(yè)高度；控制收集作業(yè)井口油管溢。隨車(chē)操作平臺(tái)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 隨車(chē)操作平臺(tái)裝置Fig.1 Operating platform device with vehicle-mounted

2）研發(fā)隨車(chē)分體式油管貓道技術(shù)。利用修井機(jī)液壓為動(dòng)力源，采用剪刀式舉升實(shí)現(xiàn)高度舉升下放，用液壓缸和滑輪組控制貓道對(duì)油管前后輸送[4]。利用液壓帶動(dòng)四連桿控制推手和鉤臂實(shí)現(xiàn)管自動(dòng)上下滑道，輔助無(wú)線(xiàn)控制，實(shí)現(xiàn)油管起下過(guò)程中的作業(yè)施工自動(dòng)化，且收起時(shí)懸掛在平臺(tái)背部。隨車(chē)分體式油管貓道裝置見(jiàn)圖2。

圖2 隨車(chē)分體式油管貓道裝置Fig.2 Tubing catwalk device with vehicle-mounted separated type

3）研發(fā)隨車(chē)式管柱起下自動(dòng)上卸扣技術(shù)。該裝置底部為管柱卡緊機(jī)構(gòu)，利用修井機(jī)氣壓實(shí)現(xiàn)卡瓦抱卡油管本體，起下油管時(shí)減少一個(gè)油管吊卡的應(yīng)用操作，并實(shí)現(xiàn)油管對(duì)中井口法蘭中心，可預(yù)防和消除油管起下過(guò)程中因油管不對(duì)中井口造成油管絲扣損傷。管柱卡緊機(jī)構(gòu)上為管液壓上卸扣裝置運(yùn)動(dòng)的滑軌機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)液壓上卸扣裝置的進(jìn)入與退出起下管柱，最上部為油管液壓上卸扣裝置。整個(gè)裝置輔助手動(dòng)控制和無(wú)線(xiàn)控制裝置[5]，收起時(shí)置于井架底座中心空隙內(nèi)一體搬運(yùn)。從而提高了作業(yè)效率，減輕了員工勞動(dòng)強(qiáng)度，預(yù)防了液壓鉗傷害員工手指的安全隱患。隨車(chē)式管柱起下自動(dòng)上卸扣裝置見(jiàn)圖3。

圖3 隨車(chē)式管柱起下自動(dòng)上卸扣裝置Fig.3 Automatic buckle loading and unloading device with vehicle-mounted pipe string

4）研發(fā)隨車(chē)式鉆孔繃?yán)K錨定技術(shù)。裝置由鉆孔旋樁、螺旋地錨及固定機(jī)構(gòu)組成。鉆孔旋樁裝置以修井機(jī)的液壓動(dòng)力為動(dòng)力原，利用液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)和驅(qū)動(dòng)頭升降，實(shí)現(xiàn)鉆孔和旋入螺旋地錨。利用固定環(huán)套將繃?yán)K和地錨快速連接實(shí)現(xiàn)繃?yán)K錨定[6]。隨車(chē)式鉆孔繃?yán)K錨定裝置見(jiàn)圖4。

圖4 隨車(chē)式鉆孔繃?yán)K錨定裝置Fig.4 Drilling guy line anchoring device with vehicle-mounted

3 關(guān)鍵技術(shù)與參數(shù)

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)研發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)難題，通過(guò)創(chuàng)新四項(xiàng)技術(shù)，找到了有效的解決途徑。技術(shù)難題解決途徑見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)難題解決途徑Tab.1 Solutions of technical difficult problems

3.2 關(guān)鍵參數(shù)及特點(diǎn)

1）隨車(chē)多功能環(huán)保操作平臺(tái)裝置技術(shù)參數(shù)：平臺(tái)可調(diào)節(jié)升降高度1.1～2.0 m；平臺(tái)允許井口與車(chē)輛偏差度，前后28 cm，左右17 cm；平臺(tái)規(guī)格2.87 m×2.4 m×0.25 m；平臺(tái)最大儲(chǔ)液量400 L，平臺(tái)承載重量2 000 kg。其特點(diǎn)：與車(chē)輛連接固定，隨修井機(jī)一體搬運(yùn)；游動(dòng)密封，污油污水導(dǎo)流收集接液；折疊收起，施工操作空間大；護(hù)欄采用鋼鏈掛接，拆卸快速，安全性能好。

2）隨車(chē)分體式油管貓道裝置技術(shù)參數(shù)：前舉升起升重量500 kg，后舉升起升重量400 kg；前舉升高度0.7～2.3 m，后舉升高度0.50～1.65 m；油管前后輸送距離1.4 m；油管自動(dòng)上下滑道裝置的單向，向上舉升重力300 kg、向橫向推送力100 kg；無(wú)線(xiàn)遙控距離50～100 m。其特點(diǎn)：油管氣動(dòng)鎖緊機(jī)構(gòu)卡緊油管；液壓滑軌機(jī)構(gòu)控制進(jìn)退；采用電磁控制機(jī)構(gòu)[7]。

3）隨車(chē)式管柱起下自動(dòng)上卸扣裝置技術(shù)參數(shù)：控制方式為電控/液控；最大扭矩4 kN·m；最高額定轉(zhuǎn)速100 r/min；最低額定轉(zhuǎn)速30 r/min；開(kāi)口尺寸180 mm；系統(tǒng)額定壓力16 MPa；設(shè)備質(zhì)量小于或等于680 kg；控制電壓：DC24 V；外形尺寸1 366 mm×600 mm×962 mm。其特點(diǎn)：油管舉升前后輸送系統(tǒng)懸掛在平臺(tái)上，隨車(chē)搬運(yùn)；舉升系統(tǒng)前部與油管滑道固定行走，后舉升與滑道滑動(dòng)固定；液壓缸與滑輪組配合實(shí)現(xiàn)液壓缸單倍行走，輸送雙倍距離；連接模塊化組裝，井場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)。

4）隨車(chē)式鉆孔繃?yán)K錨定裝置技術(shù)參數(shù)：設(shè)備高度2.2 m；旋轉(zhuǎn)扭矩718 N·m；鉆樁上下行程1.85 m；液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速30～120 r/min；螺旋地錨高度2 m；固定環(huán)套固定銷(xiāo)直徑28 mm。其特點(diǎn)：模塊化組裝，適應(yīng)性強(qiáng)；油管上滑道系統(tǒng)采用液壓推動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上管；油管上、下滑道裝置與滑道快速安裝固定。

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

井下作業(yè)環(huán)保自動(dòng)化施工配套裝置研發(fā)成功后，通過(guò)了質(zhì)量健康安全環(huán)保體系相關(guān)認(rèn)證，在中小修井作業(yè)施工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，解決了作業(yè)施工中井口溢流污染環(huán)境難題，消除安全隱患，減輕員工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了施工效率，降低了燃油等能源損耗[8-9]。通過(guò)試驗(yàn)，月施工井?dāng)?shù)雖然由10口增加到13口，但施工效率確提高了30%，燃油費(fèi)用降低了29.7%。

配套裝置累計(jì)推廣應(yīng)用5 500口井，節(jié)省成本2 777.5萬(wàn)元。其中節(jié)省各種車(chē)輛燃料能源成本費(fèi)用4 500元/d，減少人工費(fèi)用550元/d，實(shí)現(xiàn)凈利潤(rùn)1 361萬(wàn)元。

5 結(jié)論

推廣應(yīng)用的隨車(chē)式環(huán)保自動(dòng)化施工系列配套裝置，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保接液，其接液效率達(dá)到98%，提高作業(yè)效率30.3%，大幅降低能源損耗，創(chuàng)效1 300余萬(wàn)元，燃油費(fèi)同期對(duì)比降低了29.7%，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中見(jiàn)到了良好的節(jié)能效果，為今后井下作業(yè)自動(dòng)化設(shè)備提供有力的借鑒作用。目前井下作業(yè)自動(dòng)化設(shè)備應(yīng)用和發(fā)展前景，急需各類(lèi)技術(shù)人員進(jìn)行更深入的探索與研究[10]。例如完成油管舉升集成一鍵操作，井口油管的自動(dòng)接送，油管上扣時(shí)自動(dòng)對(duì)中，自動(dòng)吊卡控制起下油管，及油管卸扣后的液體防飛濺技術(shù)和油管自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)定位技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)井口無(wú)人操作，推動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)和水平的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。