随车式环保自动化施工系列配套装置研发与应用

周恒仓 陈聪 李洪亮 朱庆 黄山（大庆油田有限责任公司试油试采分公司）

井下作业是石油系统最艰苦行业之一，员工是在极其恶劣的环境下工作的，对修井设备自动化有着强烈的要求。在井下作业发展过程中，实现修井设备环保化、自动化、智能化[1]，能极大地提高生产效率，降低能耗，提升井下作业生产的安全性和可靠性，确保生产运行持续且高效地进行，解决以往工作中经常出现但难以处理的诸多问题，实现对自动化施工系列配套设备远程控制[2]。

1 存在问题

目前国内外作业环保自动化工艺技术主要分两类：

1）高度集成多模块自动化工艺技术：包括作业平台系统、自动吊卡系统、自动上卸扣系统、油管扶正推拉系统、油管举升系统、环保地面排管控制等多系统高度集成配套应用。地面1人就可操作，自动化程度高，但成本高（一套系统上千万元），对作业场地平整度要求高，搬运及组装费用耗时长，国内油田应用较少。

2）多模块半自动化工艺技术：包括作业平台系统、管桥滑道举升系统等不同多模块的集成配套应用形式。施工时司钻、井口、地面各1人即可实现管柱顺利起下，作业安全性高，目前国内油田应用较多，但设备笨重，搬运繁琐，安装需吊车配合，同时需要上机械设备平作业场地。在实用性上存在不足。

深入了解国内外自动化工艺技术后，对比实际施工现场，通过走访调查，开展PDCA循环，发现四个突出问题：一是井口操作台控制、收集溢流效果存在不足，易污染井场及周边环境，员工操作时易滑倒，存在安全隐患；二是作业管桥及滑道工艺技术落后，功能单一，机械自动化程度低，工作效率低；三是使用管柱液压钳上卸扣，需人工拉拽，易发生崩扣、夹断手指等危害；四是修井机绷绳锚定时，打桩易损坏地下管线，造成人员伤害。地锚附着力小，桩眼强度低，需反复丈量调整，单井拆装绳卡高达64次，耗时过长。

2 解决方案

结合井下作业环保自动化工艺技术和施工现场突出的问题，不断创新研发四项技术。按照5W2H原则制定对策并实施：

1）研发随车式环保操作平台技术。利用平台实现接液收集，平台装置安装在自背井架尾部，机械牵引收放应用，立好井架后能够自动化控制平台与作业井口高度，将作业井口套装在多功能环保操作台装置中央，连接好井控设备及井场污油回收设备，作业时产生的污油污水引入装置后，用自吸罐回收处理，即可实现小修井起下管杆安全、环保、自动化高效施工的目的[3]。并与作业机一体装配、随作业机一体搬运；机械自动化升降调节作业高度；控制收集作业井口油管溢。随车操作平台装置见图1。

图1 随车操作平台装置Fig.1 Operating platform device with vehicle-mounted

2）研发随车分体式油管猫道技术。利用修井机液压为动力源，采用剪刀式举升实现高度举升下放，用液压缸和滑轮组控制猫道对油管前后输送[4]。利用液压带动四连杆控制推手和钩臂实现管自动上下滑道，辅助无线控制，实现油管起下过程中的作业施工自动化，且收起时悬挂在平台背部。随车分体式油管猫道装置见图2。

图2 随车分体式油管猫道装置Fig.2 Tubing catwalk device with vehicle-mounted separated type

3）研发随车式管柱起下自动上卸扣技术。该装置底部为管柱卡紧机构，利用修井机气压实现卡瓦抱卡油管本体，起下油管时减少一个油管吊卡的应用操作，并实现油管对中井口法兰中心，可预防和消除油管起下过程中因油管不对中井口造成油管丝扣损伤。管柱卡紧机构上为管液压上卸扣装置运动的滑轨机构，实现液压上卸扣装置的进入与退出起下管柱，最上部为油管液压上卸扣装置。整个装置辅助手动控制和无线控制装置[5]，收起时置于井架底座中心空隙内一体搬运。从而提高了作业效率，减轻了员工劳动强度，预防了液压钳伤害员工手指的安全隐患。随车式管柱起下自动上卸扣装置见图3。

图3 随车式管柱起下自动上卸扣装置Fig.3 Automatic buckle loading and unloading device with vehicle-mounted pipe string

4）研发随车式钻孔绷绳锚定技术。装置由钻孔旋桩、螺旋地锚及固定机构组成。钻孔旋桩装置以修井机的液压动力为动力原，利用液压马达旋转的带动钻头旋转和驱动头升降，实现钻孔和旋入螺旋地锚。利用固定环套将绷绳和地锚快速连接实现绷绳锚定[6]。随车式钻孔绷绳锚定装置见图4。

图4 随车式钻孔绷绳锚定装置Fig.4 Drilling guy line anchoring device with vehicle-mounted

3 关键技术与参数

3.1 关键技术

针对研发过程中出现的技术难题，通过创新四项技术，找到了有效的解决途径。技术难题解决途径见表1。

表1 技术难题解决途径Tab.1 Solutions of technical difficult problems

3.2 关键参数及特点

1）随车多功能环保操作平台装置技术参数：平台可调节升降高度1.1～2.0 m；平台允许井口与车辆偏差度，前后28 cm，左右17 cm；平台规格2.87 m×2.4 m×0.25 m；平台最大储液量400 L，平台承载重量2 000 kg。其特点：与车辆连接固定，随修井机一体搬运；游动密封，污油污水导流收集接液；折叠收起，施工操作空间大；护栏采用钢链挂接，拆卸快速，安全性能好。

2）随车分体式油管猫道装置技术参数：前举升起升重量500 kg，后举升起升重量400 kg；前举升高度0.7～2.3 m，后举升高度0.50～1.65 m；油管前后输送距离1.4 m；油管自动上下滑道装置的单向，向上举升重力300 kg、向横向推送力100 kg；无线遥控距离50～100 m。其特点：油管气动锁紧机构卡紧油管；液压滑轨机构控制进退；采用电磁控制机构[7]。

3）随车式管柱起下自动上卸扣装置技术参数：控制方式为电控/液控；最大扭矩4 kN·m；最高额定转速100 r/min；最低额定转速30 r/min；开口尺寸180 mm；系统额定压力16 MPa；设备质量小于或等于680 kg；控制电压：DC24 V；外形尺寸1 366 mm×600 mm×962 mm。其特点：油管举升前后输送系统悬挂在平台上，随车搬运；举升系统前部与油管滑道固定行走，后举升与滑道滑动固定；液压缸与滑轮组配合实现液压缸单倍行走，输送双倍距离；连接模块化组装，井场适应性强。

4）随车式钻孔绷绳锚定装置技术参数：设备高度2.2 m；旋转扭矩718 N·m；钻桩上下行程1.85 m；液压马达转速30～120 r/min；螺旋地锚高度2 m；固定环套固定销直径28 mm。其特点：模块化组装，适应性强；油管上滑道系统采用液压推动连杆机构实现上管；油管上、下滑道装置与滑道快速安装固定。

4 试验与应用

井下作业环保自动化施工配套装置研发成功后，通过了质量健康安全环保体系相关认证，在中小修井作业施工现场试验，解决了作业施工中井口溢流污染环境难题，消除安全隐患，减轻员工劳动强度，提高了施工效率，降低了燃油等能源损耗[8-9]。通过试验，月施工井数虽然由10口增加到13口，但施工效率确提高了30%，燃油费用降低了29.7%。

配套装置累计推广应用5 500口井，节省成本2 777.5万元。其中节省各种车辆燃料能源成本费用4 500元/d，减少人工费用550元/d，实现净利润1 361万元。

5 结论

推广应用的随车式环保自动化施工系列配套装置，实现了环保接液，其接液效率达到98%，提高作业效率30.3%，大幅降低能源损耗，创效1 300余万元，燃油费同期对比降低了29.7%，在现场应用中见到了良好的节能效果，为今后井下作业自动化设备提供有力的借鉴作用。目前井下作业自动化设备应用和发展前景，急需各类技术人员进行更深入的探索与研究[10]。例如完成油管举升集成一键操作，井口油管的自动接送，油管上扣时自动对中，自动吊卡控制起下油管，及油管卸扣后的液体防飞溅技术和油管自动转运定位技术，从而实现井口无人操作，推动自动化技术和水平的长远发展。