修井井口機械自動化技術(shù)在油田管理的應用研究

劉興東

（大慶油田井下作業(yè)分公司修井一大隊，黑龍江 大慶 163000）

新時期，石油開采工藝不斷優(yōu)化完善，自動化程度明顯提升，修井作業(yè)可有效提高采油質(zhì)量與效率，具有系統(tǒng)性、技術(shù)性、危險性等特點，為規(guī)避潛在安全隱患，機械自動化技術(shù)被應用其中，通過遠程操控、自動化作業(yè)完成修井全過程，為油田管理安全發(fā)展奠定基礎，具有較好的發(fā)展前景。因此，聯(lián)系實際分析修井井口機械自動化技術(shù)在油田管理中的應用具有現(xiàn)實意義。

1 修井井口機械自動化技術(shù)概述

現(xiàn)代化生產(chǎn)作業(yè)中，機械自動化技術(shù)應用已經(jīng)十分普遍，使機械、裝置在無人干預的情況下，按照提前設計好的程序、指令進行操作或控制。修井是一項精細的危險性工作，若操作不慎，很有可能為作業(yè)人員帶來危險，機械自動化技術(shù)的應用可盡可能規(guī)避這一情況，減少人工參與、人工干預，降低危險發(fā)生概率。就目前發(fā)展情況來看，修井井口機械自動化技術(shù)主要涵蓋以下幾項內(nèi)容：

（1）井口對中技術(shù)。為保證上扣順利進行，下放管柱、井中管柱需在扶正設備下的輔助下對準，防止發(fā)生位置便宜影響對中效果；（2）自動定位與換擋技術(shù)。在修井作業(yè)中，液壓鉗往往需要人工操作來完成，是較為關(guān)鍵的一環(huán)，為提高機械自動化水平，液壓鉗就必須具備自動定位與換擋技術(shù)；（3）起升系統(tǒng)協(xié)調(diào)技術(shù)。主要是為了保證抓取待上提管柱和釋放管柱過程順利；（4）自動送管技術(shù)。根據(jù)油田采油、修井作業(yè)實際情況與現(xiàn)場條件，將管柱送達到指定位置完成接送；（5）模塊化技術(shù)。即將井口機械自動化技術(shù)的各個應用環(huán)節(jié)相互串聯(lián)，通過精準化設計降低操作難度，增強系統(tǒng)集成性、系統(tǒng)性，確保修井作業(yè)能夠高質(zhì)量、高效率完成?？紤]到修井作業(yè)的特殊性以及不同油田采油設備、需求等的差異，在機械自動化技術(shù)應用過程中，必須對各項參數(shù)進行適當修正，遵循因地制宜原則，具體問題具體分析，切實提高機械自動化技術(shù)應用有效性，為石油企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟價值。

2 機械自動化技術(shù)的應用價值

2.1 經(jīng)濟價值

石油開采通常是以獲取經(jīng)濟利益為目標，是企業(yè)提高經(jīng)濟收入的重要途徑。然而，由于石油大多深藏于地下，若要開采不僅需要前期投入較多資金進行油田建設與管理，同時還要突破技術(shù)性困難問題，這樣才能保證石油開采質(zhì)量、效率、安全。在開采過程中，修井作業(yè)效果會直接影響油田管理與開采水平，而機械自動化技術(shù)的應用可提高采油質(zhì)量與效率，經(jīng)濟價值尤其顯著。一方面，其應用能夠降低修井人員的作業(yè)難度與強度，減少人力資源消耗，提高人力資源有效利用率，從而實現(xiàn)用人成本控制，且自動化技術(shù)能有效延長作業(yè)時間，不再需要以人工方式進行24h 監(jiān)督作業(yè)，降低石油開采的整體成本；另一方面，機械自動化技術(shù)的應用可提高修井作業(yè)效率，相對地采油質(zhì)量會有所提升，在相同的時間內(nèi)獲得更多石油，切實提高石油企業(yè)所獲得的經(jīng)濟效益，經(jīng)濟價值尤其鮮明。

2.2 安全價值

修井技術(shù)是一門動態(tài)工程學科，但同時也需要對基本地質(zhì)、周圍環(huán)境、作業(yè)影響因素進行分析，只有這樣，才能夠保證順利完成既定工作任務。整個過程中，作業(yè)人員通常會面臨極大危險：（1）爆炸。若井筒內(nèi)外氣體沒能得到有效控制，發(fā)生氣體泄漏、電火花或靜電，就有可能引發(fā)爆炸事故，對設備、人體造成極大損傷；（2）中毒。井下氣體中可能會含有有害物質(zhì)，如甲烷、硫化物等，人體吸入后會產(chǎn)生頭痛、惡心等不良癥狀，嚴重時還會失去意識，后果不堪設想；（3）高空墜落。部分修井工作是在高空完成，操作不當或客觀因素可能會導致人員從高處墜落；（4）機械損壞。修井中人員需要操作抽油泵、壓裂泵、氣壓機、卷揚機等設備，若設備運行不穩(wěn)定，有可能造成人員受傷。

機械自動化技術(shù)的應用，可降低人工作業(yè)頻率，通過提前設置作業(yè)流程，讓設備進行自動作業(yè)、操作，減少人員直接參與，避免修井危險事故造成人員傷亡情況。遠程控制系統(tǒng)的應用，使作業(yè)人員在遠離井口的位置完成操作，即使發(fā)生安全事故也能及時撤離，而系統(tǒng)也會對機械自動化技術(shù)應用情況進行監(jiān)測，若設備參數(shù)異常，也可提前采取有效措施進行處理，提高修井安全性。另外，對于部分由人員操作失誤所引起的安全事故，也能起到較好的預防作用，確保修井安全。

2.3 生態(tài)價值

修井井口機械自動化裝置會隨著科技進步而有所發(fā)展，傳統(tǒng)修井機械通常柴油為主要驅(qū)動，而柴油機械在作業(yè)過程中，不僅會產(chǎn)生較大噪聲，同時還會產(chǎn)生有害物質(zhì)，如一氧化碳、氮氧化物、顆粒物等，不僅會對環(huán)境產(chǎn)生較大污染，被人體吸入還有可能對呼吸道產(chǎn)生刺激，誘發(fā)呼吸道疾病、哮喘等。目前，以電力為驅(qū)動的修井井口機械自動化裝置已經(jīng)產(chǎn)生，比如，大慶油田首套自主設計制造的全自動修井作業(yè)系統(tǒng)，具有效率高、成本低、低噪音、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，不僅降低油田的運行成本，提高修井作業(yè)的有效性，還能有效減少污染物質(zhì)產(chǎn)生，是綠色、環(huán)保的生產(chǎn)作業(yè)發(fā)展，具有較高的生態(tài)價值（如圖1所示）。

圖1 全自動修井作業(yè)系統(tǒng)礦場試驗現(xiàn)場圖

3 油田修井井口機械自動化技術(shù)的應用分析

3.1 懸吊系統(tǒng)

吊卡在修井作業(yè)中起懸持管柱的作用，傳統(tǒng)的修井作業(yè)通常需要人工完成吊環(huán)和吊卡的摘、搬、掛，吊卡銷子的拔、插作業(yè)，人力需求極大，且效率相對較低，在一定程度上影響修井作業(yè)有效性，若是操作失誤，還有可能發(fā)生危險事故。為改變這一情況，動力吊卡、動力卡瓦應時而生，主要是依靠液壓或氣壓系統(tǒng)向吊卡、卡瓦提供動力，控制吊卡或卡瓦的開合實現(xiàn)松開、卡緊管柱的操作，為機械自動化技術(shù)實現(xiàn)創(chuàng)造有利條件。目前，修井井口機械自動化裝置懸挑系統(tǒng)中，較為常用的是液壓吊卡和氣動卡瓦。另外，油田修井作業(yè)中經(jīng)常會出現(xiàn)粘砂問題，需要進行清砂作業(yè)以保證修井進度，因此動力吊卡中通常會安裝沖砂裝置，該裝置是以過限位銷、液壓缸以及轉(zhuǎn)向彎頭和中心管、導軌為主要構(gòu)成部分，借此解決粘砂問題，規(guī)避定期人工清砂為修井作業(yè)帶來的不確定影響，實際運行中，通過自動換單根的方式縮短時間，不需要反復拆接彎頭與水龍帶，將砂卡問題發(fā)生概率降到最低。

3.2 上卸扣系統(tǒng)

該系統(tǒng)在實際應用中，主要是通過遠程控制臺控制液壓鉗，幫助管柱進行上卸扣，液壓缸是液壓鉗控制的中樞位置，確保其能夠在作業(yè)平臺范圍內(nèi)進行反復運動，借此替代人力搬運、摘扣吊卡等工作任務。具體實踐中，上卸扣系統(tǒng)負責協(xié)調(diào)扶正機械手、緩沖定位擋塊，保證起吊卡瓦與油管等同心，從而有效提高作業(yè)效率，防止起吊、下落過程中出現(xiàn)崩口、偏扣等問題，降低安全故障發(fā)生概率。該系統(tǒng)在實際應用中，是由一個靈活滑動的小車機座構(gòu)成，移動小車安裝了遠程控制驅(qū)動，并配有自動升降機械手臂、左右擺動機架、主鉗總成裝置、管桿扶正裝置、防噴裝置。自動化運行期間，遠程控制系統(tǒng)會根據(jù)修井作業(yè)需求遠程控制小車運行，達到井口中心位置以后，升降座在升降臂和升降驅(qū)動的共同作用下升至油管接箍位置，主鉗總成會進行卸扣，在扶正系統(tǒng)的幫助下完成全過程，而后移動小車自動復位。該系統(tǒng)運行過程具有穩(wěn)定性，機械自動化程度較高，修井作業(yè)質(zhì)量與效率均得到提升。

3.3 送管系統(tǒng)

修井作業(yè)中，工人需要將管柱在操作平臺和管排架之間移送、排放等，操作頻繁，勞動強度大，消耗時間多。若要實現(xiàn)機械自動化發(fā)展，就必須解決管柱自動化排放問題。連桿移送、動力貓道、大臂旋轉(zhuǎn)移送是最為主要的類型。其中，連桿移動主要是以滑輪、吊裝系統(tǒng)構(gòu)成，通過快速的管柱撥動翻轉(zhuǎn)，依托遠程控制系統(tǒng)進行快速、精準的管柱移動操作，進而縮短修井周期，減輕鉆井工人勞動強度；動力貓道可實現(xiàn)不同管柱從地面到鉆臺上的自動化輸送，移動較為快速；大臂旋轉(zhuǎn)移送取消了滑輪與吊升系統(tǒng)，主要是在地面用大臂機械手直接抓取需求的管柱，再通過液缸推動大臂旋轉(zhuǎn)起升達到井架的中心位置，將管柱輸送給井架中心位置頂驅(qū)或自動吊卡，完成送管任務，其應用對油井周圍環(huán)境有著一定要求，應用具有局限性。動力貓道是目前送管系統(tǒng)所應用的重要類型，適用性較強，在修井井口機械自動化裝置中的運用可有效降低成本，應用前景廣闊。比如，大慶油田在設備更新后，應用了液壓貓道，具有高質(zhì)量、低成本特點，可通過遠程控制實現(xiàn)自由升降、油管推送，實現(xiàn)了油管自動化控制，地面施工人員僅需要一人，有效降低了勞動強度，同時減少吊裝上下操作臺的安全風險，在大慶油田的52 支隊伍中，液壓貓道已經(jīng)得到了廣泛應用（如圖2 所示）。

圖2 大慶油田液壓貓道

3.4 遠程控制系統(tǒng)

機械自動化技術(shù)應用最顯著的特征，就是可進行遠程控制，這與傳統(tǒng)的修井作業(yè)有著較為本質(zhì)的差異?？梢哉f，遠程控制系統(tǒng)是油田修井井口機械自動化裝置的控制中樞，在遠離井口的同時從開闊處觀察井口作業(yè)情況，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)單元的有效控制，提高自動化裝置的運作效率。系統(tǒng)分內(nèi)外兩個部分，其中內(nèi)部系統(tǒng)由手動調(diào)速閥、換向閥、節(jié)流閥構(gòu)成，主要作用在于控制執(zhí)行機構(gòu)運行與工作速度；外部設置壓力表，可隨時查看系統(tǒng)壓力狀況。這些設備與遠程控制臺液壓管線相互連接，引入動力后基于控制命令，向井口自動化設備輸送動力。該遠程控制臺需設置在油田修井作業(yè)的安全區(qū)域范圍內(nèi)，在保證與井口間距的同時，還需注重視野開闊性，便于操作人員隨時觀察井口狀態(tài)，對比系統(tǒng)參數(shù)動態(tài)協(xié)調(diào)懸吊系統(tǒng)、自動上卸扣系統(tǒng)、送管系統(tǒng)等，確保井口裝置能夠?qū)崿F(xiàn)自動化運作，實現(xiàn)集成化管理。隨著油田修井井口機械自動化技術(shù)的應用，以及自動化裝置的更新，遠程控制系統(tǒng)也將會更加完善，功能會不斷拓展，而運作過程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)均會被有效記錄，在出現(xiàn)修井作業(yè)問題后為故障排查、糾錯等提供數(shù)據(jù)依據(jù)，最大程度上保障修井作業(yè)安全性。

4 結(jié)語

綜上所述，油田開采是一個系統(tǒng)化過程，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能為采油帶來危險隱患，增加危險性。為提高油田修井作業(yè)安全性，機械自動化技術(shù)應用十分必要，提高作業(yè)效率與質(zhì)量的同時還能保證修井作業(yè)人員生命安全，規(guī)避隱患、降低風險，為作業(yè)人員創(chuàng)造安全工作環(huán)境。就目前修井井口機械自動化技術(shù)的應用情況來看，主要是由上卸扣系統(tǒng)、懸吊系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)構(gòu)成，基于機械自動化技術(shù)合理應用為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟價值，提升經(jīng)濟效益，促進企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。