ZXJ70DB型机器人：自动化技术提升修井效率

       油（水）井修井作业是油田生产的重要环节。近年来，我国大部分油田已进入开发中后期，修井任务也越来越繁重。尤其是北部油田地区和西部油田地区，自然环境条件十分恶劣。提高修井作业效率、改变落后的工作条件，成为石油行业亟待解决的问题。ZXJ70DB型自动修井机的研制使用则解决了上述问题。

        以油田修井作业中最常见和最频繁的小修作业为例，其作业水平停留在半机械化的阶段，管杆起下、管杆上卸扣、甩管作业等环节需要操作工人密切协作，属于人机联合作业方式。完成一口2,000米的修井作业，仅倒换吊卡一项工作就相当于装卸40多吨重物的工作量。工人由于长期在恶劣环境中高强度劳动，极易发生安全事故。尤其遇到有油套管溢流或恶劣天气时，不但会影响正常作业，还会造成井内液体喷洒井场或无法对接油管，使人员和设备脏污，环境受到污染。

        现有作业设备大多采用柴油机驱动，柴油机工作效率仅为50%左右，排废量大、噪声污染严重，对周边环境和作业工人健康极为不利。

        系统化方案完善机械性能

        针对上述修井作业中存在的问题，国内相关领域技术人员一直致力于修井技术及作业方式的研究和探讨，相继研发了各种井口操作机械化装置，如气动卡盘、筒式吊卡、油管举升器、机械式拉排油管装置、管柱起下装置等等。但因其仅着眼于解决作业流程中某一方面的问题，作用非常有限，未能形成系统的解决方案。

        国外对井口操作机械化自动装置的研究虽然起步较早,但修井作业自动化装置较少，尚未见井口无人操作自动化设备。如哈里伯顿公司的液压修井装置在管柱上卸扣和油管的拉送及排放操作,仍需人工对中液压大钳、挂吊钩和拉排管柱等进行操作。

        2007年起，ZXJ70DB型自动修井机研发人员开始深入油田开展市场调研，全面了解修井作业的现状，并对国内外修井技术和装备进行研究。在综合分析和大量实验的基础上，确定采用机器人多动作协调控制技术来系统解决修井作业问题的技术方案。通过分析解剖人工作业流程，在保证设备安全高效、简便经济且可维修运移的前提下，利用自动化设备实现修井机自动起下管（杆）、自动上（卸）扣、自动甩管、整机自装卸自对正等功能，实现井口无人自动化操作，达到生产安全、清洁和高效的目的。

        修井机在井场就位后，管场能够不受场地影响（见图1），做到随意布置，在修井作业中，能够完成起下抽油杆、油管、砂锚、泵筒、油管挂操作，完成洗井、冲砂等工艺流程，满足常规修井中各种作业工况的要求。

        自动修井机选用交流变频电机驱动，与传统柴油机驱动相比具有低成本、易管理、低噪音、绿色环保等优点；采用自动化的技术手段，由控制室操作员即能控制修井机起、下作业全部动作，将每班作业人数减少到2人，工人劳动强度降低了60%，生产效率提高了30%，平均每小时起下管杆40根以上。

        多机构联动实现修井自动化

        ZXJ70DB自动修井机主要包括提升系统、多功能井口卡座、自动动力吊卡、自动液压钳、自动管杆处理系统、龙头机构、监控系统、照明系统、液压系统、电控系统等部分。其作业方式分为手动和自动两种，需要起下一些特殊工具时，可以通过触摸屏进行手动控制，自动流程则实现所有工艺流程的全自动化操作。

        提升系统采用变频电机通过减速机驱动滚筒的形式实现管杆的上提和下放，能够实现龙头、多功能卡座与井口的精确定位，可最大程度减少钢丝绳损耗。系统采用110KW电驱绞车，装有防碰撞系统，并备有大力矩的盘刹装置以确保使用寿命和安全性。

        多功能井口卡座是自动修井机的核心技术之一，集成了多个自动执行与定位检测机构，通过与自动动力吊卡、自动液压钳及自动管杆拉排系统配合，实现了井口无人作业。多功能井口卡座主要由卡座本体、液动卡瓦、自动吊卡定位装置、节箍定位装置和自动抢喷装置等组成。按照经典井控原理进行设计的自动抢喷装置，在发生井喷时通过操作人员的远程操作即能够自动完成封井动作。

        自动动力吊卡能够实现自动开、锁卡和自动甩管功能，并能依靠控制回路进行自锁，确保安全性。其中节箍定位装置采用自主研发的磁感应非接触检测方式，能够确定油管节箍的精确位置。

        自动液压钳通过加装的多个检测装置，可以由程序控制液压钳的工作扭矩、上卸扣圈数、转动速度、钳牙自动复位位置等参数，保证液压钳工作安全可靠，上卸扣质量符合修井作业标准。

        自动管杆处理系统能够将井口提出的管杆自动排放到管桥，或将管桥上的管杆自动送入动力吊卡，极大的降低了场地工的工作强度。

        上述功能的实现离不开龙头机构的配合。龙头机构集成了推管、扶正和动力吊卡斜就位机构，以及回转底座和多套位置检测装置。这些机构协作可以实现自动推扶管杆就位、动力吊卡对正井口、定位动力吊卡接管杆位置等功能，配装的位置检测装置可在设备自动运行时确保各组件相互独立，起到安全保护的作用。

        自动修井机的研制成功从根本上解决了长期困扰油田修井作业中的工人劳动强度大、作业环境差、危险危害性高、自动化程度及工作效率低等问题，使油田生产和技术装备产生了质的飞跃。在辽河油田现场使用一年，运行状况良好。

        作为国内第一台自动化修井机，它填补了国内外自动化修井技术的空白，首次将机器人技术成功应用到油田修井作业中，自动修井机在井口无人自动化操作、管杆自动化接送、电液伺服控制、人机同步控制等关键技术上取得了重大突破，取得发明专利和实用新型专利各6项，各项性能指标均经过大量的现场试验验证，使我国油田修井技术和装备达到国际领先水平。