于振祥，曲永哲，聂永晋，张敬

（中国石油集团渤海石油装备制造有限公司，天津 300457）

关键字：自动化；智能化；小修作业；设计开发

0 引言

我国大部分油田已进入开发中后期，修井任务越来越繁重。提高修井作业效率，改变落后恶劣的工作条件，成为石油行业亟待解决的问题。以小修作业为例，完成一口2000 m 的修井作业，仅倒换吊卡一项就相当于装卸40 t 重物的工作量。工人长期在恶劣环境中高强度劳动，极易发生安全事故。尤其在井压变化、油套管有溢流的情况下，井口工人不仅无法对接油管，环境也会受到严重污染。国内许多企业致力于修井技术及作业方式的研究和探讨，着手井口机械化、自动化装置和工具的开发，如油管举升装置（自动化猫道）、二层台管柱排放装置、铁钻工、动力卡瓦、动力吊卡等[1-7]。相继有井口自动化装置和工具在现场应用，但当前主要应用在钻机或大型修井机上进行钻井或大修井作业[8-10]，而占绝大多数的小修作业的修井机、通井机配备量很少，自动化智能化小修作业装备成套应用还处于发展阶段。

1 小修作业装备自动化智能化关键技术

要实现小修作业自动化智能化，需要充分考虑我国修井作业的特点、操作习惯及现场应用情况。目前，各装备制造企业所做的修井自动化开发工作，要实现自动化智能化，应注重以下关键技术的研究和攻关。

（1）井口对中技术[11]。自动起下确保管柱精准对中是实施自动化的基础，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，这不仅要求采用精确的定位方式，还需要有扶正管柱精确定位的辅助设备，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，要求有尽可能大的管柱扶正范围和良好的可靠性。

（2）自动上卸扣技术。常规小修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。要实现井口自动化，液压钳必须能够自动定位、自动换挡，开口钳自动对缺口，通过远程控制来完成管柱的上卸扣功能。同时液压钳体积小，能够同时满足抽油杆、油管的上卸扣扭矩，价格要低于铁钻工，适合小修井应用。

（3）自动悬吊技术。动力吊卡、卡瓦能够协同工作，实现自动卡紧、松开管柱和起升、下放管柱。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，通过远程控制来完成高空顺利抓取待上提管柱和释放管柱。

（4）油管举升技术。实现管柱的自动输送、摆放，动作简单，快速，保证管柱移送到指定位置，与自动悬吊系统协同完成接送管柱任务。

（5）集成化技术。修井机与井口自动化系统集成一体设计，实现模块化，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，降低操作复杂程度，以实现修井作业集中、高效、便利的控制。

（6）系统轻量化技术。应尽可能减小修井井口自动化装置的自重和安装空间，整套装置结构紧凑。尽量实现模块与修井机的一体化，便于安装、拆卸和运输。

（7）环境适应性技术。作为野外作业设备，在风雨雪雾、软地基条件下，自动化装置能够适应各种不确定环境，并能高可靠地工作。

（8）电驱动技术。通过电动伺服驱动能够高精度控制各执行元件的工作速度和扭矩，是井口自动化设备和工具提高工作效率的有效途径。

（9）井口防爆技术。井口自动化必须符合井控安全要求，电驱化井口工具应有严格的防爆要求，具有良好的防爆性能，不能存在安全隐患。

（10）智能化技术。智能化包括感知、监控和控制3 个方面，通过安装各种传感器，借助物联网传输技术，实时发送作业信息到指挥中心，并建立修井作业基础数据库，开发井下作业远程专家快速决策系统，最终通过系统完成修井作业的数据采集、传输和操作控制，实现工人远离作业井场的无人化修井。

2 小修作业自动化智能化技术现状

我国在小修装备自动化、智能化研究起步较晚，经过数年探索及应用，部分自动化、信息化及系统集成化装备已经用于常规修井作业，通过实现自动起下钻、推起单根、自动上卸扣等，将井下作业井口操作的流程程序化，实现操作简单化、效益化和控制精准化的有机统一，并在部分油气田现场开展了应用[12]。

2.1 模块化升级改造技术

该类型自动化智能化技术主要是围绕常规修井机升级改造而开展，采用模块化设计单元，各模块单元与修井机分属独立的控制系统（图1）。在小修作业自动化智能化研发和应用上，中石化四机石油机械有限公司、三一重工有限公司和山东杰瑞有限公司具备较高的技术实力。主要设备配置方案是井口机器人、一体化平台、翻转液压吊卡、气动卡盘、动力猫道、管柱测长系统、司钻远程控制系统等。

图1 模块化升级改造技术产品

（1）井口机器人：模块化独立成橇，运输方便、快捷；多功能集成，满足井口油管的对扣、上扣、卸扣、泥浆收集等作业；配合液压吊卡、动力猫道等设备一键自动化完成管柱的输送。

（2）一体化平台：模块化运输，简单、方便、快捷；分离式液相、固相排污装置，安全环保；导流式集污结构设计，集中收集。

（3）翻转液压吊卡：使用主机液压系统驱动；可实现自动开合、自动翻转、自动侧摆、自动避让油管接箍；配备机械锁、液压锁、管柱到位传感器、闭合传感器等多重安全保护，杜绝误操作。

（4）气动卡盘：居中力大、垂直升降、安装方便；三瓣台阶式卡瓦体组成，支撑盘同时与驱动机构机械同步连接；浮动式刮泥机构，可以在起抽油杆时清除浮着在抽油杆上的泥浆油污等。

（5）动力猫道：按需配置动力排管架，进行管柱造斜；自动化液压系统由动力猫道集成；动力猫道外接动力总电源，通过电控箱向外配置所有自动化用电单元；快速安装与拆卸，运输方便、快捷。

（6）管柱测长系统：管柱测长设备为选配设备，可单独配置；满足作业在需要测长功能时使用；系统测完长度后可以进行记录并导出数据进行存储。

（7）司钻远程控制系统：小修管柱自动化所有设备控制系统于修井机主机控制室集成控制；小修机器人具有本地及远程两种控制模式；自动化作业一键式操作；井口交接设备程序互锁，避免误操作，安全可靠。

此类型设备目前已经在大庆油田、中原油田、长庆油田、吉林油田等开展试点性应用，虽然在一定程度上降低了劳动强度，但是也普遍存在一些问题。

（1）优势：①通过各自动化设备的高效配合，修井作业自动化程度得到较大提升；②修井作业实现1～2 人操作，初步实现了减员增效、降低工人劳动强度；③井口无人化作业模式，提升了修井作业安全性。

（2）劣势：①设备作业效率低，平均作业效率还达不到人工作业效率，影响现场修井作业进度；②设备作业可靠性差，由于采用液压、电气控制系统，控制系统出现故障不易排除，影响修井作业进度；③模块之间缺乏信息传递，设备间存在碰撞隐患。

2.2 集成化自动控制技术

该类型技术采用集成化设计理念，各动作单元集成设计在一个底撬上，实现了功能设备整体移运和搬安（图2）。设备控制上突出全部动作数控、智能。在总装的思路上突出功能分块，方便设备批量生产组装。设备结构为一体化设计，实现设备进入现场30 min 安装就位，方便车辆转运。该型号设备的研制以济南芯乐科技发展有限公司为代表，主要设备配置方案是：大臂机械手、油管辊道、管钳平台、设备底座、电气系统、液压系统等。

图2 集成化自动控制技术产品

（1）大臂机械手：由立柱、机械手组件、平移底座组成。

（2）油管辊道：油管辊道以设备中心左右对称分布，油管上下位置处于设备前端中心。

（3）管钳平台：由水平移动平台、前后移动平台、下导正机构、动力钳组成。

（4）设备底座：设备由基础底座、支腿机构组成。

（5）电气系统：配备人机交互界面，实现自动、遥控和手动操作。

（6）液压系统：液压系统主要动力源分两部分，由主泵站和汽油机泵组成。

此类型设备目前已经在辽河油田、长庆油田、胜利油田等开展试点性应用，虽然在一定程度上降低了劳动强度，但是也普遍存在一些问题。

（1）优势：①集成化设计方案，实现快速搬运，节约修井作业准备时间；②通过各自动化设备的高效配合，修井作业自动化程度得到较大提升；③修井作业实现1～2 人操作，初步实现了减员增效、降低工人劳动强度；④井口无人化作业模式，提升了修井作业安全性。

（2）劣势：①设备作业效率低，平均作业效率还达不到人工作业效率，影响现场修井作业进度；②设备作业可靠性差，由于采用液压、电气控制系统，控制系统出现故障不易排除，影响修井作业进度；③设备成本投入高，市场销售价格严重影响到市场推广。

2.3 小结

近年来，国内一些厂家在修井机部件自动化开发方面发展迅速，尤其是在管柱处理、自动化猫道、自动吊卡、液压油管钳等设计制造技术日趋成熟，许多厂家已具备生产能力，相关技术已形成系列产品并初步在国内各油田推广开来。

3 技术成熟度评估

工程技术的发展一般要经历探索研究、技术开发、工程研制和生产销售4 个阶段，不同阶段对技术的成熟度有不同的要求，而技术处于某一发展阶段，并不代表就达到了该阶段所要求的技术成熟度，在关键技术不完全成熟的情况下转入工程研制，甚至转化到产品阶段，必然会造成产品性能下降、项目进度延期和费用超出预算等开发风险。

英美在国防采办中推行9 级技术成熟度评价（Technology Readiness Level，TRL）。由于国内具体情况和管理方式不同，结合国情和国内的研发特点，逐渐形成了技术成熟度等级模型（Technology Maturity Level，TML），将技术成熟度从低级到高级划分为9 个等级[13]。根据当前自动化智能化小修作业装备技术发展状况，借助TML 模型工具，对自动化智能化系统进行技术分解，得出关键技术评价等级（图3）。

图3 自动化智能化小修作业装备成熟度评估表

按照技术成熟度评价（Technology Maturity Assessment，TMA）方法要求，在探索研究阶段，技术成熟度一般要达到TML3；技术开发阶段，要求达到TML5～TML6；工程研制阶段，应该达到TML8；生产销售阶段，必须达到TML9。作为复杂的系统集成技术，各关键技术要达到TML6 可以认为技术基本成熟。

从上述自动化智能化小修作业装备10 项关键技术来看，除井口对中、自动化上卸扣、自动悬吊、油管举升4 个单项技术达到TML6 等级外，其他6 项技术均未达到技术基本成熟。其中油管举升技术成熟度最高，产品通过实际应用；智能化技术成熟度最低，还处于探索研究阶段；集成化、轻量化、环境适用性、电驱动和井口防爆技术都处于技术开发阶段。综合10 项关键技术整体来看，自动化智能化小修作业装备还没有达到技术基本成熟，需要通过“顶层设计”，增加科技投入，加强技术攻关，逐项攻克关键技术，促进系统成套技术成熟。

4 自动化智能化小修作业装备设计开发思路

鉴于目前国内自动化智能化小修作业装备技术成熟度水平，建议自动化智能化小修装备的设计开发应分2 个阶段实施：①第1 阶段进行小修装备井口作业自动化技术提升，实现井口减人、无人化；②第2 阶段进行修井作业智能化开发，通过物联网远程传输系统，修井作业基础数据库和远程修井专家决策系统提高井下作业水平，实现修井作业智能化。

第1 阶段小修装备井口作业自动化技术提升要寻求2 个主要方面的技术突破，即井口自动化系统工作效率和工作可靠性的突破。通过加强系统各部件协同工作，结合井口自动化工具和设备的设计，对传统修井工艺改进、调整，达到人工修井起下相近的工作时效；通过修井机与井口自动化装置的一体化开发，以电驱动和伺服驱动器为主要发展方向，实现集成化、一体化，提高系统的持续工作能力，提升自动化装置的维护性、运移性、环境适应性等。

第2 阶段修井作业智能化开发要做好2 项基础研究和2 项技术开发。2 项基础研究包括修井作业基础数据库和远程专家快速决策系统的研究；2 项开发工作一是井口自动化采集系统的开发，一是自动化智能化远程传输系统的开发。基于远程遥控作业技术，通过采集修井全过程作业参数，经大数据处理，建立修井作业基础数据库，形成远程修井专家决策系统，通过小修装备和井口一体化智能作业系统，实现工人远离作业井场的无人化修井。