耿玉廣谷全福王樹義曾良軍孫連會李寶軍

（1.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062552；2.華北油田公司第二采油廠，河北霸州 065709）

修井作業(yè)井口無人操作起下油管裝置

耿玉廣1谷全福2王樹義2曾良軍2孫連會2李寶軍2

（1.華北油田公司采油工程研究院，河北任丘 062552；2.華北油田公司第二采油廠，河北霸州 065709）

基于現(xiàn)有修井機的動力和提升條件，研制出一種井口無人操作起下油管裝置，主要包括油管自動懸吊系統(tǒng)、液壓鉗自動上卸扣系統(tǒng)和遠程液壓控制系統(tǒng)。各部分的操作指令集中到修井機的控制臺上，由司機手遠程操控完成油管的抓放、扶正、對中、懸持、上卸扣、鎖定和起下，實現(xiàn)了1名司機手和1名場地工即可完成起下油管作業(yè)，不僅降低了工人勞動強度，而且保證了工人起下油管時遠離井口危險區(qū)域免受傷害。該裝置結構簡單，體積小，性能穩(wěn)定，不占用井口人工操作空間，不影響人工井控搶險，不妨礙井口人員逃生，不增加搬家車輛和運行成本，施工速度可控且與人工操作水平相當，受到現(xiàn)場工人的歡迎。

修井作業(yè)；起下油管；液壓控制；吊卡；液壓鉗；氣動卡盤

油田現(xiàn)場常見的檢泵、壓裂、堵水、分注、沖砂、卡水、補孔、注灰、檢管等修井作業(yè)，都需要起下油管。據(jù)統(tǒng)計，起下油管約占修井作業(yè)總工作量的70%~80%。我國大多數(shù)油田的小修作業(yè)隊至少采用4人一班的工作制度［1］，起下油管使用2只吊卡，1只掛在要提起或下放油管接箍的臺肩下面，另1只待用。于是，起下油管時需要站在井口操作的2人反復拔插吊卡銷子、摘掛吊環(huán)、倒換吊卡、開關鎖環(huán)、推拉操控液壓鉗、輔助油管就位等，不僅要求操作人員精力高度集中，動作配合靈活準確，而且操作頻繁，動作單調(diào)，工作時間長，勞動強度大，不安全因素多［2］。尤其在我國北方油田冬天作業(yè)時，井口、地面、工具、油管表面易結冰打滑，操作不靈活，起油管時帶出的工作液灑落，使現(xiàn)場工作條件更差，人身磕碰傷害風險更大。基于此種現(xiàn)狀，華北油田公司研制成功一種井口無人操作起下油管裝置，實現(xiàn)了雙人遠程操控起下油管作業(yè)，既降低了工人勞動強度，又使工人遠離井口危險區(qū)域避免傷害，受到現(xiàn)場工人的普遍歡迎。

1 設計要求

目前，國內(nèi)修井起下油管作業(yè)所用工具已基本實現(xiàn)機械化，但在遠控和自動化方面還要做大量深入細致的研究工作［2］。為了降低工人勞動強度，一些院校和研究單位研制了自動修井機、管桿自動輸送機［3-6］、自動排放油管機［7，8］等，并進行了現(xiàn)場試驗。但由于油田小修作業(yè)周期短、搬家頻繁，上井路況差、井場面積小，作業(yè)成本有限，尤其一些大型自動化設備投資大、搬家時需增加車輛、起下油管速度慢，因而難以投入實際應用。根據(jù)我國油田修井作業(yè)的特點，對本裝置的設計提出了如下要求：

（1）基于現(xiàn)有修井機的動力和提升條件，在不改變目前油管起下、上卸扣和傳送工序的情況下，通過遠程控制和自動化技術取代起下油管作業(yè)中工序單調(diào)重復、工作量最大、安全風險最高的井口人工操作。

（2）采用模塊化設計，各模塊的功能及相互配合指令集中到修井機的控制臺上，由司機手遠程操控完成油管的抓放、扶正、對中、懸持、上卸扣、鎖定、提起和下放。液壓鉗和吊卡實施液控改造后，各項機械性能參數(shù)不降低。所有部件、電器元件必須符合現(xiàn)場施工安全、防爆要求。

（3）結構簡單，投資省，使用安全可靠，占用空間小，便于拆裝和運輸。整套裝置操作簡單易行，使用中不妨礙井口人員逃生，不影響井控操作，不增加修井成本。

2 結構組成及工作原理

如圖1所示，本裝置由油管自動懸吊系統(tǒng)（液控油管吊卡、自動定位液控機械臂與機械手、機械臂固定支座、氣動卡盤）、液壓鉗自動上卸扣系統(tǒng)（液壓鉗往復移動就位裝置、自動對缺口器）、遠程液壓控制系統(tǒng)等3個模塊組成。每個模塊相互獨立，完成1~2項功能，在各模塊的協(xié)同作用下完成油管起下作業(yè)。工作原理如下：

（1）起油管。當起出油管懸掛器后，就進入了正常起油管工序。司機手操縱天車大鉤帶動吊環(huán)和吊卡下行，到達井口懸掛管柱的第1根油管接箍以下本體時，操縱吊卡馬達轉(zhuǎn)動，關閉鎖環(huán)抓住油管。接著打開氣動卡盤，松開管柱并上提；當下1根油管接箍與背鉗頭對齊時，停止起管，關閉氣動卡盤鎖定管柱。這時司機手扳動控制液壓鉗就位的前進擋手柄，液壓鉗移向油管，一直到油管進入液壓鉗的鉗口內(nèi)；司機手再扳動液壓鉗旋轉(zhuǎn)的馬達反轉(zhuǎn)擋手柄，液壓鉗開始卸油管扣。如果高速卸扣扭矩不夠，則通過氣動換擋手柄將液壓鉗由高速檔換成低速檔，卸下油管扣。自動對缺口器保證液壓鉗鉗口處于最大開口狀態(tài)，使液壓鉗順利退回到原來位置，等待下一次卸扣操作。接下來，機械臂推動機械手碰到剛剛卸扣的油管時自動停止，上提管柱離開接箍5~15 cm，機械手邊推油管向外移動，邊下放油管，此時場地工輔助油管下端坐入小滑車，油管在軌道上自動向外滑行，直到油管上端接觸到油管枕時，司機手操控吊卡馬達轉(zhuǎn)動打開閉鎖環(huán)，伸出的機械手抓住吊環(huán)，在緩慢提升吊環(huán)的同時回收機械手，到達井內(nèi)第2根油管接箍下部時，關上吊卡閉鎖環(huán)，繼續(xù)回收機械手至原位。與此同時，場地工用管鉗把油管拉排到油管橋架上。重復上述起油管操作，即可起出井內(nèi)全部油管。

圖1 起下管柱裝置結構示意

（2）下油管。機械手推動吊環(huán)帶著吊卡到達已處在油管枕上的油管接箍以下本體位置時，操控吊卡關閉鎖環(huán)，抓住油管。邊吊起油管邊收回機械手，當待下井的油管與井口懸掛管柱的中心對齊時，機械手自動停住。司機手下放油管進入井口懸掛管柱的接箍內(nèi)，機械手回到原位，操控液壓鉗移向油管就位，完成上扣。接著液壓鉗自動對缺口并回到原來位置，等待下一次上扣操作。接下來，打開氣動卡盤松開管柱并下放，當油管接箍到達背鉗頭齊平位置時，停止下放，關閉氣動卡盤鎖定管柱。然后，機械手推動吊環(huán)帶著吊卡抓取下一根油管。重復上述下油管操作，即可下入全部油管。

3 關鍵部件研制

3.1 油管自動懸吊系統(tǒng)

該系統(tǒng)由液控油管吊卡、自動定位液控機械臂與機械手、機械臂固定支座和氣動卡盤組成，完成油管的抓放、扶正、懸持、對中和管柱鎖定功能。

（1）液控油管吊卡。目前，常規(guī)起下油管用的吊卡主要有兩種：一是月牙型吊卡（即閉鎖環(huán)式吊卡）；二是活門吊卡（即側(cè)開式吊卡）。實現(xiàn)油管吊卡的自動扣合、摘卸、移動，是完成油管抓取、釋放的關鍵。根據(jù)兩種吊卡的開關持點，選擇了月牙型吊卡進行遠程液控改造［9］。由于油管吊卡的開與關是在空載下進行的，所需扭矩不大，因此在油管吊卡上安裝了一個液動擺線馬達，在馬達和閉鎖環(huán)上各安裝了一個扇形齒輪，馬達轉(zhuǎn)動時驅(qū)動閉鎖環(huán)轉(zhuǎn)動，即可完成吊卡的開或關（圖2）。為保證吊卡開、關靈活，而且到位，在兩個扇形齒輪上設有限位裝置，從而保證了閉鎖環(huán)（月牙）的轉(zhuǎn)動到位，防止意外打開，確保安全地提升和下放油管。與原來的雙吊卡作業(yè)不同，本裝置液控吊卡單只使用，形成了一吊一卡的作業(yè)工藝。

圖2 液控油管吊卡圖

（2）自動定位液控機械臂與機械手。為完成吊卡抓放油管、油管扶正和對中等動作，根據(jù)井下作業(yè)起下油管運動軌跡為“點與線”（即天車與井口是垂線，滑道與井口是直線，交匯點在井口）的特點，研制出圖1所示的過井口中心線的伸縮式機械臂，主要由液壓油缸、機械臂主體、自動定位對中控制裝置和液動調(diào)整固定支座等組成。

為了起油管時把卸下扣的油管下端推送到小滑車內(nèi)，或下油管時抓住油管扶正、對中，利用機械自鎖及彈簧的特性，研制了機械手［10］（圖3），主要由主體、活動爪和鎖緊彈簧等組成。通過試驗取得了機械手抓取、釋放油管的力分別需要50 N和150 N。

圖3 機械手結構圖

機械手的功能在于把油管抓住、扶正和對中，以及把油管推送到油管軌道的小滑車上。因此，機械臂推送力要求不大，經(jīng)測試300~500 N即可。機械臂設計長度為2 m，伸縮長度為1.6 m，安裝在修井機尾部的井架下面，最大伸長超過井口1.2 m，保證機械手把油管下端推送到靠近油管枕的小滑車上。

為保證機械臂油缸活塞的運行速度v達到1~1.2 m/s，推力F達到500 N，根據(jù)修井機液壓泵的參數(shù)，在泵速1 000 r/min下，設定壓力p為6 MPa，排量q為100 L/min，計算出機械臂最大推力為

式中，D為液壓缸活塞直徑，mm。機械臂伸縮速度為

可見，機械臂的推力和伸縮速度都能滿足設計要求。司機手通過遠程操控機械臂帶動機械手進退，即可完成油管的抓放、扶正和對中。

現(xiàn)場應用中發(fā)現(xiàn)，下油管時司機操作手遠程液控機械手中的油管對中，由于機械運動的慣性作用，有時需要反復進退數(shù)次才能對準，直接影響了施工效率。此外，隨著管柱負荷的增減，井架地基也會隨之上下起伏而導致井架天車大鉤的對中產(chǎn)生偏差，從而偏離了原定的油管對中位置。對此，應用位移傳感器和可編程邏輯控制（PLC）技術［11］，實現(xiàn)了對機械手的自動定位。修井機就位后，調(diào)整機械臂帶動機械手抓住油管的對中位置，PLC記住這一定位。此后，不論機械臂如何伸縮，機械手每到該位置時必然停頓下來，確保油管對中或準備推送油管。但只要給出新的進退指令，機械手將繼續(xù)后退或前進。施工中若需要機械手再次調(diào)整對中位置，PLC會記住新的定位。這樣，不僅消除了司機手心理上怕不易對中的擔心，而且大大提高了工作效率。

（3）機械臂固定支座。為了把機械臂固定在修井機尾部，設計制作了三維液壓調(diào)整固定支座（圖4），主要由燕尾槽軌道底座、燕尾槽滑動板、支承外筒及內(nèi)筒、連接法蘭、升降油缸、位移絲杠、減速齒輪、液壓馬達及雙聯(lián)手動換向閥等組成。通過板動1#手動換向閥，馬達轉(zhuǎn)動帶動絲杠轉(zhuǎn)動，達到機械臂前后位移的調(diào)整。板動手2#手動換向閥，升降油缸可進行機械臂上下位移的調(diào)整。松開支承外筒與內(nèi)筒的鎖緊螺栓，可實現(xiàn)機械臂左右位移的調(diào)整。該支座安裝、調(diào)整方便，適用于不同類型的修井機。

圖4 機械固定支座實物

（4）氣動卡盤。動力卡盤分為氣動和液動兩種，其功能相同。從現(xiàn)場應用情況來看，氣動卡盤更為普遍［6，12］。為確保管柱鎖定可靠，對管柱表面不構成損傷，本裝置選配了900 kN氣動卡盤。

3.2 液壓鉗自動上卸扣系統(tǒng)

液壓鉗是油管上扣、卸扣必不可少的工具。目前修井作業(yè)用的液壓鉗需要人工推拉就位，手動操作換檔手柄實現(xiàn)高低檔變速，操作換向手柄實現(xiàn)鉗頭正反轉(zhuǎn)。因此，要實現(xiàn)井口無人化操作，就得把人工對液壓鉗的操作全部轉(zhuǎn)交給修井機操作手來完成，要求液壓鉗實現(xiàn)遠控往復移動就位、上卸扣、換檔以及開口鉗自動對缺口等。

（1）液壓鉗往復移動就位裝置［13］。液壓鉗平移進退由圖5所示的就位裝置完成。該裝置主要由調(diào)距花籃螺絲、定位花籃螺絲、連接缸向花籃螺絲、液壓缸、鉗向花籃螺絲等組成。工作時，司機手通過操控液壓缸的水平進退，驅(qū)動液壓鉗移向油管就位后完成上卸扣或退回原位待命。

（2）液壓鉗換擋。為實現(xiàn)液壓鉗換檔調(diào)整轉(zhuǎn)速，采用了氣動換檔技術。平時把換檔手柄定在高檔上，需要大扭矩時，由氣缸頂起換檔手柄。當需要從低檔換到高檔時，由彈簧自動拉回，從而保證了遠程換檔。

（3）液壓鉗自動對缺口器。為使油管順利從液壓鉗口進出，必須解決自動對缺口問題，這是實現(xiàn)液壓鉗遠程控制的一個技術關鍵［2，3］?，F(xiàn)場操作中發(fā)現(xiàn)，即使人工在井口操作液壓鉗，有時也要反復幾次才能對正缺口。因此，司機手站在距井口2 m左右的修井機上一邊觀察液壓鉗工作狀態(tài)，一邊操控液壓鉗動作，是比較復雜的。

圖5 液壓鉗遠控往復移動就位裝置結構圖

操作液壓鉗移向油管就位或退回原位之前，必須保證上一次操作中液壓鉗的大齒輪和殼體在上完扣或卸完扣時都要復位，使液壓鉗的鉗口處于最大開口狀態(tài)。研制的自動歸位控制閥和定位控制盤的組合使用，實現(xiàn)了液壓鉗大齒輪的復位動作，從而使液壓鉗得以遠控就位并進退自如。

①結構組成。自動對缺口器主要由自動歸位液控閥（如圖6（a）所示）、定位控制盤（如圖6（b）所示）、液控閥支架、制動盤增高架等組成。

②工作原理。液壓鉗的大齒輪能自由轉(zhuǎn)動，進行上扣或卸扣的動力來自動力馬達，馬達的動力靠修井機的液壓油來提供。因此，只要控制了液壓油的供給和斷流也就控制了大齒輪的轉(zhuǎn)動。將自動歸位液控閥和定位控制盤分別固定在液壓鉗的外殼上部和大齒輪鄂板架的上部，自動歸位液控閥始終保持不動，而定位控制盤能隨鄂板架自由轉(zhuǎn)動。自動歸位液控閥的油路一端連接液壓鉗的來油管，另一端連接回油管，通過控制自動歸位控制閥的開與關，來連通或斷開液壓鉗的來油和回油。

自動歸位液控閥正中的啟動銷在彈簧力的作用下向外伸出，啟動銷可左右擺動，最大擺動距離為6 mm，能保證推動活塞形成泄油過程。啟動銷的前端成鋸齒狀，正好插進定位控制盤的豁口處，當定位控制盤正轉(zhuǎn)（上扣）時，啟動銷前端在鋸齒的坡度作用下，可以把啟動銷向后壓縮回位，定位控制盤正轉(zhuǎn)自由通過不受限制，也就保證了上扣動作的完成。當上滿扣時，需要退出液壓鉗，這時操作手可通過氣動控制液壓鉗的大齒輪反轉(zhuǎn)，定位控制盤也隨之一起反轉(zhuǎn)，當豁口處卡進啟動銷時，定位控制盤與啟動銷直面相卡，推動啟動銷向一側(cè)移動，啟動銷推動自動歸位液控閥內(nèi)的活塞向后移動，活塞上的泄油孔連通，使液壓鉗馬達的供油系統(tǒng)形成短路，這時大齒輪正好在復位位置（大齒輪開口與液壓鉗開口一致），被切斷了動力，則可以順利地退出液壓鉗。當卸油管扣時（大齒輪逆時針轉(zhuǎn)動），可把啟動銷的方向調(diào)轉(zhuǎn)180°，與上扣過程相反，即可進入卸扣過程。

圖6 自動歸位控制閥與定位控制盤結構圖

3.3 遠程液壓控制系統(tǒng)

遠程控制系統(tǒng)由雙聯(lián)泵、電磁閥組控制箱、操控箱等組成，控制自動懸吊系統(tǒng)和自動上卸扣系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。各模塊的操控指令集中到修井機的控制臺上，是本裝置的神經(jīng)中樞。根據(jù)井口無人操作起下油管的功能要求，同時考慮到開式系統(tǒng)具有結構簡單、價格低廉、便于維護、液壓油在油箱中很好地冷卻和沉淀雜質(zhì)，以及散熱性好等優(yōu)點，本裝置采用了泵、開式、并聯(lián)的液壓系統(tǒng)，分別驅(qū)動機械臂、液壓鉗、吊卡等。液壓系統(tǒng)工作原理如圖7所示?；诂F(xiàn)有修井機的動力和提升條件，司機手在1名場地工的配合下，通過遠程操控即可完成油管的起下作業(yè)。

4 現(xiàn)場安裝及試用效果

本裝置的油管自動懸吊系統(tǒng)固定在修井機尾部，液壓鉗往復移動就位裝置用鉸鏈掛靠在修井機井架一側(cè)的立柱前端，遠程液壓控制系統(tǒng)安裝在修井機尾部和主操作盤上。搬家時，機械手和機械臂回收到井架下面，液壓鉗往復移動就位裝置折疊到井架旁，均不需拆卸。拆下的液壓鉗、液動吊卡、氣動卡盤隨搬家車輛帶走，整個拆卸或安裝時間約為1h左右，簡單快捷。

圖7 液壓控制系統(tǒng)工作原理圖

本裝置在現(xiàn)場30余口井的檢管、檢泵作業(yè)中，平均起下油管速度為49井根/h，最高達到60井根/ h，施工速度與人工操作水平相當?，F(xiàn)場試用認為，該裝置抓放、扶正、上卸扣及起下油管動作平穩(wěn)、連貫，性能可靠，只需1名司機手和1名場地工即可完成過去至少4人配合才能完成的操作，從而使井口作業(yè)工人從繁重的體力勞動中解放出來，作業(yè)安全條件也得到了較大改善。

5 結論及發(fā)展方向

（1）本裝置基于現(xiàn)有修井機的動力和提升條件，通過對吊卡、液壓鉗的液控改造和研制自動定位機械臂與機械手，選配氣動卡盤，實現(xiàn)了修井工人在遠離井口條件下完成起下油管作業(yè)，施工速度人為可控且能達到人工操作水平，大大降低了工人勞動強度，削減了站井口工人面臨的各種傷害，得到現(xiàn)場工人普遍歡迎。

（2）本裝置在不占用井口人工操作空間的前提下，實現(xiàn)了井口無人操作或有人操作雙功能。正常起下油管時為井口無人操作，當拆裝采油樹、防噴器，起下抽油桿，裝卸井下工具，進行井噴搶險，開展井控演習時，不影響井口有人配合操作。

（3）本裝置使起下油管作業(yè)從勞動密集型向知識密集型轉(zhuǎn)化，但研發(fā)中沒有追求全部工序的高度自動化，因為那樣會增加大量的輔助設備及投資，運行維護工作量大，不適應小修作業(yè)頻繁搬家和低成本運行的需要。

（4）實現(xiàn)雙人操作起下油管后，原來井口人員培訓為司機手，輪流操車，可進一步提高工作效率。

（5）井口無人操作起下油管后，修井機操作手的動作比較多。因此，通過自動化、智能化來簡化操作，提高工效，是本裝置的下步發(fā)展方向。

致謝：參加本課題研究的還有王忠林、王鐵鋒、楊達玉、馬友剛、李世杰等，特此致謝。

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（修改稿收到日期 2014-07-28）

〔編輯 李春燕〕

表1 智能鉆柱密封結構不同參數(shù)試驗結果對比

5 結論

通過有限元仿真和相關試驗論證，選用帶三角滑環(huán)的O型圈組合密封并優(yōu)選該密封結構相關參數(shù)，能夠有效地解決智能鉆柱關鍵密封問題，從而確保了電動鉆具的電信號和動力能夠高效快速的傳輸，進一步推動了智能鉆柱的發(fā)展。

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（修改稿收到日期 2014-10-15）

〔編輯 朱 偉〕

A device of pulling and running tubing string for workover with unmanned wellhead operation

GENG Yuguang1, GU Quanfu2, WANG Shuyi2, ZENG Liangjun2, SUN Lianhui2, LI Baojun2
（1.Petroleum Production Engineering Research Institute,Huabei Oilfield Company,Renqiu062552,China;2.The Second Oil Production Factory,Huabei Oilfield Company,Bazhou065709,China）

Based on the existing power and elevating conditions of workover rig, a kind of device of pulling and running tubing string with unmanned operation at wellhead is developed.It mainly includes automatic suspension system, hydraulic pincers automatically screwing system and remote hydraulic control system.Control commands of each part are concentrated on workover console.A driver remotely controls to catch or put, centralize, center, hang, screw, lock, pull or run tubing.A driver and a site worker can complete the work, which not only reduces the labor intensity, but also keeps the workers away from the harm of dangerous area at wellhead.The new device has great advantages with its simple design, small volume and stable performance, do not occupy the wellhead artificial operation space, do not affect the artificial well control emergency, do not interfere with the wellhead evacuation and do not increase the moving vehicles and operation cost.Its operation speed is controllable and as nearly as manual operation.It is popular with the oilfield workers.

workover;pulling and running tubing;hydraulic control;elevator;hydraulic pincers;pneumatic chuck

耿玉廣，谷全福，王樹義，等.修井作業(yè)井口無人操作起下油管裝置［J］.石油鉆采工藝，2014，36（6）：116-121.

TE935

：A

1000–7393（2014） 06–0116– 06

10.13639/j.odpt.2014.06.029

耿玉廣，1960年生。長期從事采油工程技術研究與生產(chǎn)現(xiàn)場管理工作，博士，高級工程師。電話：0317-2755659。E-mail：cyy-gengyg@petrochina.com.cn。