修井机械的新发展

本文作者：高胜 庞伶伶 常玉连 姜开勋 武垚 姜义 单位：东北石油大学 辽河油田曙光工程技术处

研究现状

从修井作业工艺流程来看，要实现井口作业装置的机械自动化，就必须对修井工具及修井工艺进行适当的改进，从上卸扣系统、悬吊系统、送管机构等装置出发来实现修井半自动化。

1上卸扣系统

目前钻修井作业中普遍采用的是半自动化上卸扣装置———动力大 ( 吊) 钳，动力大钳与吊钳一样，都是吊挂在井架上。现场使用的大多是液压动力大钳。液压动力大钳有的是将主钳和背钳做成一体; 有的只能充当主钳，与吊钳配套使用。按作用的管柱不同又分为套管动力大钳、油管动力大钳及钻杆动力大钳。2004 年江苏盐城特达石油钻采设备有限公司生产的 ZQ203 － 75X 型钻杆钳 ( 图 1) ，其工作原理与大钳区别不大，但其创新的独立悬吊式安装方式推进了大钳的改革步伐。江苏如石石油机械有限公司生产的 ZQⅢ型钻杆动力钳是 ZQ100 动力钳的改进型 ( 图 2) 。该动力钳在固定于钻井平台的专用轨道上往复行走，可越过井口，行走至鼠洞进行工作; 实现主钳相对于钻台面升降，可实现远程控制和自动化操纵。如更换钳头尺寸，亦可用于修井作业。国外液压动力大钳种类繁多，技术成熟，如埃克尔公司的 TONGBOSS 自动化大钳、V － Tech 公司的获奖产品 UniTong 大钳［3］等。图 3 为美国国民油井华高公司生产的 MPT － 200 型液压动力大钳。该大钳具有以下特点: ①安全、高效; ②可用于对钻杆、套管、油管等上卸扣操作; ③采用导轨嵌入式安装，避免绊倒工人; ④采用以自我为中心的灵活的悬挂方式，解决了对中问题等。在半自动化修井作业中，铁钻工是目前最先进的扭矩旋扣设备。它作为液压动力大钳的升级替代产品，是集旋、紧、卸螺纹钳和扭矩钳于一体的多功能自动化井口装置，能够安全、高效地完成管柱的上、卸扣和紧、冲扣等工作。铁钻工 ( Iron roughneck) 最早在 20 世纪 70 年代作为钻机配套设备，在自动化钻井生产中由美国石油设备制造商提出。全球石油设备生产厂家中，美国国民油井华高公司的铁钻工产品最成熟，代表了世界先进水平。目前，铁钻工可归纳为落地式铁钻工［4］( 图4) 和手臂式铁钻工 ( 图5) 2 种类型。国内已有一些厂家自主研发铁钻工，如宝鸡石油机械有限责任公司研制的 Tzg －130 铁钻工，濮阳中原锐实达石油设备有限公司生产的 RSD/TZG －120 铁钻工 ( 图 6) ，宏华公司开发的 120 铁钻工，南阳二机石油装备 ( 集团) 有限公司开发的铁钻工等。但研究还处于起步阶段，而国外的产品价格比较昂贵，大大限制了该产品在我国的应用和普及。2009 年我国首台具有独立自主知识产权的新型 Tzg －130 铁钻工在宝鸡石油机械有限责任公司研制成功，这标志着国产井口自动化设备的研发水平又迈上了一个新台阶。铁钻工与动力大钳相比，不仅提高了工作效率，增加了可靠性，减少了工作空间，而且适应管柱范围宽、扭矩大，上扣扭矩调节精确［5］。同时，由于采用了可编程控制系统，所以自动化程度较高，可用于远程控制，使操作更安全方便。下放管柱过程中，为了保证管柱对中，扶正机械手相继出现，可代替人工扶正管柱操作，使待下放的管柱中心与井口悬挂管柱中心对中，为液压钳的顺利旋扣做好准备，并防止上卸扣对螺纹的损伤。

2悬吊系统

吊卡在修井作业中起悬持管柱的作用，国内油田一直采用双吊卡起下作业方式［6］，需要人工进行吊环和吊卡的摘、搬、挂，吊卡销子的拔、插操作。为了改变人工倒换 2 个吊卡的操作方式，出现了一吊一卡的作业工艺，从而研制出动力吊卡和动力卡瓦，依靠液压或气压系统向吊卡、卡瓦提供动力，控制吊卡或卡瓦的开合实现松开、卡紧管柱的操作，这是实现井口机械自动化技术的前提。采用动力吊卡与固定在井口的动力卡瓦配合工作，一吊一卡的操作工艺在起升管柱时能实现动力吊卡自动抱合管柱，在动力吊卡的带动下将管柱提升，当下一根管柱提出井口1 m 左右时，停止提升管柱，动力卡瓦自动夹紧管柱。旋扣完毕时，将管柱置于送管机构上。1 动力吊卡美国 DEN － CON 公司生产的 BX －5 型液压自动吊卡 ( 图 7) 主要技术特点为: ①液压自动驱动系统; ②双门设计实现最佳的平衡特性; ③通过更换轴套可夹持不同尺寸的管柱; ④对门的开关设置了互锁系统; ⑤开关门阀消除任何故障信号; ⑥采用自动关闭门的集成触发系统等。图 8 为江苏如东通用机械有限公司生产的CDZH 型液压吊卡，适用于钻杆、钻铤、套管和油管等的提升。吊卡的打开、关闭采用液压远程控制，可以翻转以便在钻台大门抓起管柱; 偏转速度可调节; 通过更换补心使其适应所有尺寸和型号的管柱。2 动力卡瓦目前，世界上最著名的动力卡瓦生产厂家有美国的 DEN － CON 公司和 VARCO － BJ 公司。DEN －CON 公司生产的动力卡瓦在中国海洋油田已得到应用并取得良好效果，分为气动和液动 2 种，其功能相同，从现场应用来看气动卡瓦更普遍。图9 为美国 DEN － CON 公司生产的 FG 型多功能动力卡瓦，是为钻修井而设计的。主要特点有:①轴向分 4 段直径设计，可处理钻铤、钻杆、油管和套管; ②采用液压驱动，操作管柱范围大; ③4片式卡瓦结构，满足深井重载荷的夹持工况; ④在同一本体内，只需更换卡瓦体。国内动力卡瓦生产厂家很多，如江苏如东通用机械有限公司生产的 PS275 气动卡瓦 ( 图 10) ，江苏如石通用机械有限公司生产的 JSQW 型气动钻杆卡瓦 ( 图 11) ，海城市石油机械制造有限公司生产的动力卡瓦等。动力卡瓦机械化程度高，适应范围广，可降低劳动强度，提高作业效率。

3送管机构

修井作业中工人需要将管柱在操作平台和管排架之间移送、排放等，操作频繁，劳动强度大，消耗时间多。因此，要实现井口机械自动化，必须解决管柱排放的自动化问题。在送管机构的发展过程中，根据修井机类型与自动化水平可分为平行连杆机构移送、动力猫道移送型和大臂旋转移送型等。目前，国外在送管机构方面取得了显著的研究成果。图12 为美国 OIL ( Oilfield Innovators Limited)公司设计开发的 PAL 管柱自动传送系统，采用四边形移动机构，主要由管柱拨动翻转机构、传送举升机构和远程控制等组成。该系统可以快速、精确地实现管柱移运操作，不仅缩短了钻修井周期，同时也减轻了钻井工人的劳动强度，减少了操作工人数，能够很好地适应陆地和海上钻修井作业［7］。图13 为美国Horizontal Well Drillers ( HWD) 公司生产的大臂旋转移送型管柱处理系统，它取消了滑轮和吊升系统［8］。该系统在地面用大臂机械手直接抓取管柱，通过液缸推动大臂旋转起升至井架中心位置，将管柱送给井架中心位置的顶驱或自动吊卡，完成接送管柱任务。因大臂的长度与操作平台有关，所以要求井架的一侧有一定高度的开口，以保证大臂和管柱顺利地旋转到预定位置。图 13 HWD 大臂旋转移送型管柱处理系统国内濮阳市中原锐实达石油设备有限公司生产的动力猫道 ( 图 14) ，适用于钻井过程中将各类管杆及设备安全快速地输送到钻台或从钻台上卸下，其特点为: ①安全，通过液压输送装置进行钻杆的上、下钻台作业; ②全部采用全自动安装，自动水平调节，实现远程控制; ③减轻工人劳动强度，提高工作效率，将人工参与转变为人工控制。图 14 RSD/DM7000 动力猫道

关键技术

修井井口机械需要充分考虑我国修井机特点及现场应用情况［9］，修井作业尚未完全实现自动化，而是在人工参与下的半自动化。虽然国外的钻修井技术已比较成熟，但也不能照搬照抄国外技术，而应充分吸收相关技术的优点。要实现国内修井作业自动化技术，应注重以下几项关键技术的研究。( 1) 实现井口对中技术。为保证上扣的顺利进行，要求待下放管柱与井中管柱中心对中，这就要求有扶正管柱的设备，能够将在井口附近摇摆不定或偏斜井口的待下放管柱扶正，并且能够将管柱保持在扶正状态，从而要求该种设备必须有确定的工作位置及尽可能大的管柱扶正范围，可靠性强。( 2) 液压钳自动定位、自动换挡，开口钳自动对缺口技术。目前修井作业液压钳需要人工拖动移出或移入井口，手动操作换挡手柄实现高低挡变速，操作换向阀手柄实现钳头正反转。因此，要实现井口自动化，就要求液压钳自动化程度较高，能够通过远程控制来完成管柱的上卸扣功能。( 3) 起升系统能够协同工作，实现自动卡紧、松开管柱和起升、下放管柱的功能。管柱卡紧可靠，悬吊装置定位准确，保证到达预定的工作位置，能够顺利抓取待上提管柱和释放管柱。( 4) 送管系统实现自动送管技术。送管系统需要考虑修井操作平台的高度和现场条件，要求动作简单，保证管柱移送到指定位置，完成接送管柱任务。( 5) 对整个装置实现模块化设计，降低操作复杂性，便于进行系统的集成，将各子系统连接成一个完整可靠、经济有效的整体，能彼此协调工作，达到整体性能最优，以实现修井作业集中、高效、便利的控制。( 6) 应尽可能减小修井井口机械占用的空间，这就要求修井装置结构紧凑合理。此外，井口装置应便于安装、拆卸和运输。( 7) 修井井口机械应具有较强的通用性。修井作业要求在不更换设备的条件下能够处理不同直径的管柱，提高设备的利用率。结合上述修井作业的关键技术与笔者多年的钻修井作业项目科研水平及现场经验，提出了一种能实现管柱拉送排放、抓取、扶正、对中及上卸扣的机械自动化系统方案，并将该系统命名为修井作业远程控制井口作业装置。该系统主要由自动上卸扣系统、自动悬吊系统、自动送管系统和远程控制系统等组成。

1模块化设计

修井作业远程控制井口作业装置通过自动化修井作业工、动力吊卡和自动送管系统实现了模块化设计。1 自动化修井作业工该装置通过自动化修井作业工 ( 图 15) 将开口型液压钳、缓冲定位机构、动力卡瓦及扶正机械手一体化，即通过集成的方式对各部件进行组合，便于远程控制。设计思路为: ①保证井口装置对中; ②实现液压钳自动换挡和自动对缺口技术; ③实现液压钳移动定位和卡瓦自动开合。自动化修井作业工上端安装有扶正机械手，内部安装有液压钳，前端安装有缓冲定位机构，作业工底座在竖直方向可调，可在竖直方向上定位作业工。作业工底座内部安装有动力卡瓦，卡瓦与井口法兰相连。该装置通过动力卡瓦确定作业工底座的安装位置。通过底座确定作业工的位置，进而确定液压钳的位置，工作时通过缓冲定位挡块保证井口、卡瓦、液压钳、扶正手四者中心对中，从而完成管柱的夹持、扶正、旋扣。图 15 自动化修井作业工系统1—扶正机械手; 2—液压钳; 3—缓冲定位挡块; 4—作业工底座; 5—动力卡瓦; 6—防喷器。该装置具有如下功能: ①通过液压缸驱动移动作业工可以实现液压钳的往复运动，代替工人将液压钳退出或移到井口; ②液压钳可自动换挡和对缺口，通过远程控制实现液压钳的高、低速换挡，在上卸扣完毕时控制对缺口液压回路，实现主钳自动对齐缺口，以便管柱顺利从钳口中移出和下一次上卸扣顺利进行; ③在上卸扣操作中，利用扶正机械手将管柱扶正，保证扶正的管柱中心与井口中管柱中心对中; ④采用动力卡瓦，通过远程控制实现夹紧和松开管柱。2 动力吊卡动力吊卡设计了可更换的卡套，以便提升不同直径的油管。设计思路为: ①液压系统提供动力，实现吊卡的卡爪开合，抓取和释放管柱; ②锁紧机构锁死两卡爪，防止由于意外而打开，确保安全地提升和下放油管; ③设计翻转机构，避免吊卡在接近和离开油管时与油管接箍碰撞，顺利抓起、释放管柱; ④设计摆动平衡机构，以减小吊卡的整体摆动保证吊卡重心固定。吊卡张开示意图如图 16所示。3 自动送管系统自动送管系统采用的是平行连杆机构移送型管柱处理系统，可将管柱送到钻台上。自动送管机构设计要点: 必须保证将管柱移送到预定的位置，顺利完成接送管柱任务; 具有较强的适应性，能够适应不同类型的修井机; 能够移送套管、油管、钻杆和钻铤等; 采用远程控制技术，将工人从体力劳动中解放出来。图 16 动力吊卡张开示意图1—吊环; 2—摆动平衡机构; 3—锁紧机构; 4—右卡爪; 5—吊卡后座; 6—左卡爪; 7—翻转机构。自动送管系统主要由拨管机构、传送举升机构、自动翻转机构 3 部分组成。拨管机构用于将管柱由管排架输送至传送举升槽中; 传送举升机构用于接收管柱，在支撑液压缸的作用下举升并沿底座导轨滑动，将管柱输送至操作台; 自动翻转机构在起升管柱时，将传送举升槽中的管柱翻转到管排架上。它主要完成管柱上、下操作台的一系列操作过程的实时控制，并确保传送过程快速、安全、平稳，不仅缩短了钻井周期，而且也减轻了钻井工人的劳动强度，减少了操作工人数。

2系统集成和自动化

修井作业远程控制井口作业装置中的自动上卸扣系统、自动悬吊系统、自动送管系统可配套使用，协调工作。其中，自动上卸扣系统由开口型液压钳、扶正机械手和缓冲定位挡块组成，完成液压钳的定位、管柱的扶正以及上卸扣功能; 自动悬吊系统由动力吊卡和动力卡瓦组成，动力卡瓦夹紧或松开管柱，动力吊卡实现管柱的上提或下放; 自动送管系统完成管柱的移送、排放等操作。修井作业远程控制井口作业装置修井工以一吊一卡起升系统工艺流程为基础，立足于提高井口机械装置的自动化水平，以实现井口无人化为目标，将各个模块集成化，实现整个系统的功能。系统集成化是为了能够更好地实现自动化控制［10］，保证每个系统准确地到达预订位置，实现各个动作的衔接，便于下一动作顺利进行。该系统通过液压系统实现自动化控制，由液压缸运动带动执行部件，使之执行预期的工作，通过机械限位机构或传感器终止该运动，运动位置准确，工作可靠。

3远程控制系统

远程控制系统采用手动操作，内部安装有手动换向阀、节流阀和调速阀等，控制执行机构的工作和运动速度。外部安装有液压表，可查看系统压力。从控制柜引出相应的液压管线，一部分通向执行机构，一部分通往油箱。控制柜安装在离井口一定距离的安全并且视野开阔的区域，便于操作人员对自动上卸扣系统、自动悬吊系统和自动送管系统进行控制。远程控制系统可使自动上卸扣系统、自动悬吊系统、自动送管系统协调工作，实现井口作业装置的模块化、集成化和自动化。控制系统类似于整个系统的神经中枢，控制整套井口作业装置的工作，从而使修井井口作业达到较高的机械化与自动化水平; 工人远离井口，实现井口的无人化操作，保证了修井操作的安全性; 通过液控方式实现管柱的移运、起升、扶正、夹紧和上卸扣等操作，大大降低了工人的劳动强度、提高了修井效率。

展望

( 1) 从工艺的角度研究，要求对管柱进行上卸扣、起升、下放、对中、卡紧、移送运输等操作。修井作业的复杂性一方面要求在实现预期操作的条件下改变工艺流程的方式，如双吊卡起升管柱系统，一吊一卡配合送管机构的起升管柱系统，大臂旋转运输管柱且扶正机械手上、下移管柱配合防喷器举升液压缸实现管柱的起升系统等方式，修井工艺流程呈现多样性，趋于自动化控制; 另一方面可以通过更改管柱的形式，如连续油管的出现，免去了上卸扣操作，有利于简化工艺流程，提高劳动效率。另外，合理安排修井作业的时序流程，如游车的升降与上卸扣、油管排放同时进行，这样可缩短起下时间。( 2) 从技术装备角度研究，要求实现井口操作机械化。修井起下作业的机械化、自动化要求各子系统能够协同工作，完成起下作业。在保证安全可靠的前提下，尽可能简化装置结构，使之紧凑合理，将每个井口工具的动作简单化、独立化。采用模块化设计，将实现相关动作的工具集成为一个独立的模块，然后按照工艺流程将所有工具集成为一个大的系统，合理设计液压系统，既可以进行单独控制，又可以协同操作。引进一些新技术，如在井口作业装置上设置集成触发系统、视觉识别与定位，有利于实现智能化、自动化控制。( 3) 从人的观念角度研究，在井口装置的设计、加工制造到应用的过程中，人的观念发挥了重要的作用。首先设计人员应具有创新意识，勇于打破常规，从工艺及现场环境角度考虑，设计简单、易操作、易安装、拆卸和运输的人性化产品; 其次，加工制造人员要合理安排工艺流程，保证加工质量; 最后，现场操作人员要通过现场试验，总结装置的优缺点，并以此来指导设计和生产。