【正文】 ............. 65 液壓球形防噴器結(jié)構(gòu)與工作 原理 ....................................... 66 本文設(shè)計(jì)的井口防噴系統(tǒng)方案 ......................................... 68 井口防噴系統(tǒng)的組成 ............................................. 68 結(jié)構(gòu)與工作原理 ................................................. 70 防噴器液控系統(tǒng)壓力的確定 ........................................... 71 本章小結(jié) ........................................................... 74 第 7章 結(jié)論與展望 ................................................. 75 結(jié)論 ............................................................... 75 展望 ............................................................... 75 致謝 .............................................................. 77 參考文獻(xiàn) ........................................................... 78 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 .......................................... 80 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 1 第 1 章 緒論 不壓井作業(yè)的背景及意義 油氣工業(yè)的現(xiàn)狀是生產(chǎn)井?dāng)?shù)在不斷的增加，而 油 氣 產(chǎn)量仍然 在下降，這就需要我們以另一種全新的作業(yè)方式 來 對(duì)待井下作業(yè)，即盡量設(shè)法保護(hù)油氣產(chǎn)層。所謂的不壓井作業(yè)技術(shù) 就是以最大限度利用 油氣產(chǎn) 層能量的原則為基礎(chǔ) [1]。 傳統(tǒng)的修井作業(yè)方式基本上是采用高密度的壓井液進(jìn)行壓井或放噴降壓作業(yè)。采用壓井作業(yè)會(huì)造成產(chǎn)層嚴(yán)重污染甚至堵塞， 每次壓井 作業(yè)都可能造成產(chǎn)量的下降，特別對(duì)于水平井和氣井的產(chǎn)量影響最為明顯，有的氣井可能因?yàn)閴壕鳂I(yè)而無法復(fù)產(chǎn) 。另外，在 許多壓力敏感 地層，往往一壓就漏，不壓就噴，壓井難度 非常 大、 作業(yè)周期 長。放噴降壓作業(yè)可使局部地層壓力下降 ， 同時(shí)也 損害 了 地 層結(jié)構(gòu)，也會(huì)影響產(chǎn)層的參透率， 壓井 作業(yè) 和放噴 降壓 作業(yè)不利于油氣資源的可持續(xù)發(fā)展。 不壓井作業(yè)技術(shù)能夠很好地解決上述 問題。 不壓井 修井 作業(yè)是 一種 在帶壓環(huán)境中 使用 特 種作業(yè) 設(shè)備 起下管柱 完成 修井的 作業(yè) 方法 ，它能夠避免壓井作業(yè)或 放噴 降壓 作業(yè) 造成產(chǎn)層的污染，使產(chǎn)層能夠得到 最大 的保護(hù)。采用不壓井 作業(yè) 技術(shù) ，既可縮短 修井作業(yè)周期，又能節(jié)約成本。由于不壓井 修井 作業(yè)方式不使用壓井液，避免了對(duì)地面環(huán)境的污染，符合 QHSE 的要求，符合可持續(xù)發(fā)展油氣資源戰(zhàn)略，也符合低成本戰(zhàn)略。 目前這項(xiàng)技術(shù)在國外油 氣 田 普遍使用， 特別是北美和中東重大油氣產(chǎn)區(qū) ， 每年不壓井 修井 作 業(yè)4000～ 5000 井次，其中 90%為氣井 [2] 。隨著 不壓井作業(yè) 技術(shù)和設(shè)備的日益成熟完善，給油 氣 公司帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 隨著 油氣 開采工 藝技術(shù)的 進(jìn)一步發(fā)展，修井概念也 在不斷 地發(fā)生變化 ， 不壓井作業(yè)技術(shù) 為油氣 井修井 提供了一種 全 新 的修井作業(yè)方式， 可最大限度 地 保持油氣層 初 始 狀態(tài)， 修井后數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，為 正確評(píng)價(jià) 修井后 油氣 生產(chǎn)狀況提供支持 。 使用傳統(tǒng)的壓井作業(yè)方式，高密度的 壓井液進(jìn)入地層，造成了地層的污染， 給修井 后 數(shù)據(jù)采集 、 恢復(fù)生產(chǎn) 等環(huán)節(jié)帶來了負(fù)面影響，從而影響 了 油 氣 藏 分析的準(zhǔn)確性 ，影響 采收率。 采用不壓井作業(yè) 技術(shù)，可 使 油氣 產(chǎn)層的物性得到 很好 的保護(hù)，避免了常規(guī) 的作業(yè)方式 對(duì)新開采的 油氣 產(chǎn)層造成破壞，如新開油氣孔道的 顆粒 堵塞、水敏性礦物膨脹造成 的油氣產(chǎn)層物性 的下降，從而在進(jìn)行油 氣 層 分析 時(shí)難以 獲 得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。 采用不壓井作業(yè) 技術(shù)，可 最大限度的降低 作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)和減少壓井或多次重復(fù)壓井等復(fù)雜工序的資金投入， 縮短了作業(yè)周期 ， 既保護(hù)了產(chǎn)層 ，又保護(hù)了環(huán)境，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 采用不壓井 作業(yè)技術(shù)， 既避免了壓井液的使用，節(jié)約能源，又 解決了常規(guī) 壓井 修井作業(yè)中 一壓就漏，不壓就噴，低參透油氣井很容易壓死及 后 期排液周期長的工藝難題。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 2 采用 不壓井 作業(yè) 技術(shù) ， 實(shí)現(xiàn)了 管柱與 套管環(huán)空 的 動(dòng)態(tài)密封 以及 油管的內(nèi)部 堵塞。在起下管柱作業(yè)過程中，能夠克服井內(nèi)壓力對(duì)管柱 的上頂力，實(shí)現(xiàn)安全無 污染帶壓起 下管柱作業(yè)。 采用 不壓井 作業(yè) 技術(shù)，可以使 井下 在沒有污染的情況下 帶壓進(jìn)行起下管柱作業(yè)， 使原始地層得到了很好的保護(hù)、增加油氣層的產(chǎn)出能力、提高油氣井的產(chǎn)量、延長了油氣層的相對(duì)壽命 。 采用不壓井 作業(yè)技術(shù)，可在不壓井、不放噴的情況下起下管柱 作業(yè)，減少地面污染達(dá)到了安全 環(huán)保 的 目的，符合 HSE 的要求，對(duì)貫徹落實(shí)中央領(lǐng)導(dǎo)關(guān)于安全 生產(chǎn)、保護(hù)環(huán)境 的講話精神具有深遠(yuǎn)意義。 不壓井 修井 作業(yè)的優(yōu)勢(shì) 不壓井作業(yè)技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)油氣井而言它的最大優(yōu)點(diǎn)在于它 能夠 以 最大程度 保護(hù)和維持地層的原始 狀態(tài) ，減少酸化 、 壓裂等增產(chǎn)措施，為油 氣 井 的長期開發(fā)和穩(wěn)定生產(chǎn)提供良好 的基礎(chǔ)。對(duì)水井而言，由于作業(yè)前它不需要停注放壓，可以大大縮短 作業(yè) 周期，同時(shí)可以免去常規(guī) 修井 作業(yè)所需壓井液及其地面設(shè)備的 使用 ，省去了 后期 排壓井液的費(fèi)用，無污染，保護(hù)了環(huán)境。所以說不壓井作業(yè)一方面可以為油 氣 公司省去用于壓井作業(yè)的壓井液及其處理費(fèi)用；另一方面，由于油氣層得到了很好的保護(hù)，油氣層的產(chǎn)能會(huì)得到相應(yīng)的提高，從而可以最大限度的利用我們地下的油氣資源。 隨著對(duì)不壓井作業(yè)技術(shù)認(rèn)識(shí) 的 提高，國內(nèi)各 油 氣田在 修井 作業(yè) 過程中 對(duì) 油氣層 的 保護(hù) 是很重要的 ， 所以 對(duì)不壓井 修井 作業(yè) 設(shè)備 有很大的需求 。 有關(guān)專家 分析指出， 以下 5類 油氣田更需要采 用不壓井 作業(yè) 技術(shù)進(jìn)行 起下管柱 作業(yè) [3]。 1)古潛山構(gòu)造的井 。 由于古潛山 地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜， 若 使用了 高 密度 的壓井液 進(jìn)行壓井作業(yè) ， 污染了 地層的原始 狀態(tài) ， 對(duì) 后期進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集分析 時(shí)，很可能會(huì)出現(xiàn)解釋錯(cuò)誤。 2)一些低滲透油 氣井。采用高密度的壓井液進(jìn)行作業(yè)更容易堵塞和污染油氣層 。 目前我國低滲透油田的平均采收率約為 %，比 中高滲透油田 %低很多。 3)孔隙－裂縫型或顯裂縫型儲(chǔ)層。這類儲(chǔ)層 在 修井作業(yè)過程中易發(fā)生大漏和大噴現(xiàn)象， 易 造成地層破壞 和污染 。 4)注水井的 修井 作業(yè) ，不壓井作業(yè) 技術(shù) 有著 得巨大 的優(yōu)勢(shì)。注水井采用不壓井作業(yè)方式與常規(guī) 修井 作業(yè)方式 相 比：大大縮短了修井作業(yè) 周期 ； 避免污染 井下注水層和 井場(chǎng)周圍的環(huán)境； 避免影響注水井周圍受益油井的正常生產(chǎn)。 5)氣井應(yīng)盡可能采用不壓井 修井 作業(yè) 技術(shù) 。因?yàn)闅饩畨壕?修井 作業(yè) 將會(huì) 造成嚴(yán)重的產(chǎn) 層污染，從而使 產(chǎn)能損失至少在 20%以上 。采用 不壓井作業(yè)則可以避免 高密度的 壓井液進(jìn) 入地層，解決 產(chǎn) 層保護(hù)問題，延長采收周期。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 不壓井作業(yè)技術(shù)有其 自身 獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并且在國外已 經(jīng) 是相當(dāng)成熟 ，而且是 廣泛應(yīng)用的 一項(xiàng)新 技術(shù)， 具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。據(jù)國外一些文獻(xiàn)介紹 ，某些 情況下采用不壓井修井 作業(yè)的資金投入 僅為壓井修井費(fèi)用的五分之一 [4]。 該技術(shù)作為一項(xiàng)保護(hù)油氣 產(chǎn) 層和井場(chǎng)周邊環(huán)境 的新技術(shù)、新工藝，在國內(nèi)油氣田 具 有著廣闊的應(yīng)用空間。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外 研究現(xiàn)狀 最早提出不壓井作業(yè) 這一 概念是美國人 Herbert C. Otis。 1929 年 奧蒂斯 (Otis)公司設(shè)計(jì)制造了一套不壓井 作業(yè) 起下管柱設(shè)備 ， 采用 鋼絲繩和絞車 配合使用， 利用 一靜一動(dòng)兩套卡瓦夾持 管 柱 實(shí)現(xiàn) 帶壓起下管柱作業(yè) 。 后來又采用通過鏈條加壓的不壓井 作業(yè) 設(shè)備 ， 最大 能起下φ 的管柱，最大下壓力 [5]。此類設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要與鉆機(jī)配合使用，安全性較差，現(xiàn) 在 已 經(jīng) 淘汰。 1958 年，布朗（ Brown Oil Tool Inc.）工具公司設(shè)計(jì)制造了 一套 液壓不壓井作業(yè)設(shè)備 ，這套設(shè)備 獨(dú)立于鉆機(jī) 或絞車 的一套 液壓控制 系統(tǒng) [6]。 1981 年 VC Controlled Pressure Services LTD. 設(shè)計(jì)出車載液壓不壓井作業(yè) 設(shè)備 ，此項(xiàng)創(chuàng)新使不壓井作業(yè) 設(shè)備 具有高機(jī)動(dòng)性 [7]。 從 20世紀(jì) 70 年代開始 ， 液壓不壓井作業(yè) 設(shè)備不斷在 改進(jìn)和發(fā)展，應(yīng)用 領(lǐng)域 不斷 擴(kuò)展。目前，液壓不壓井作業(yè) 設(shè)備 的 作業(yè) 速度、效 率、適應(yīng)性 和能力 在油 氣田 的 服務(wù)中得到 證實(shí) 。 液壓不壓井作業(yè) 設(shè)備已經(jīng)從 “ 災(zāi)害服務(wù) ” 逐漸成為重要的生產(chǎn)工具，并可有效地用于 海上、 沙漠、叢林和大型修井 設(shè)備 難以行駛的 城市。 早期的不壓井作業(yè)設(shè)備 采用自封頭 密封管柱與套管環(huán) 形 空間，最高工作壓力 不超過21MPa，密封效果差，壽命短 ，一般只能連續(xù)過 10～ 15 個(gè) 管柱 接頭。 現(xiàn)在的不壓井作業(yè)起下管柱設(shè)備一般 采用 多個(gè) 閘板防噴器和球形 防噴器 組成的防噴器組 來保證管柱與套管環(huán)空 間的密封。閘板 防噴器每過一次 管柱 接頭需要 打開，管柱 接頭 通過后再關(guān)閉 ， 環(huán)形 防噴器能連續(xù)過 管柱 接頭，以高壓氣井為例平 均每小時(shí)能過 20 個(gè)接頭，一口 井最多只需要一、兩個(gè)膠心，是目前不壓井 修井 作業(yè)中廣泛采用的井口密封方式，可 適用于井口壓力 21MPa 以上的情況 [8]。 為了提高不壓井 修井 作業(yè)過程中的安全性與可靠性，國外基本采用微機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)、 應(yīng)力分析、流變模型 分析、虹吸效應(yīng)分析、扭矩與摩擦力計(jì)算 、平衡點(diǎn)計(jì)算以及 與 安全操作密切相關(guān)的液壓 控制 系統(tǒng) 的初始參數(shù)設(shè)置 等 [9]。 目前 ， 國外 不壓井 作業(yè) 設(shè)備發(fā)展已比較成熟， 其中技術(shù)最成熟是加拿大和美國。 全液壓不壓井作業(yè) 設(shè)備 占主導(dǎo)地位 ， 卡瓦和防噴 器 執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電液 控制 ，其 安全性、可靠性及自 動(dòng)化程度日益提高。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 4 國內(nèi) 研究現(xiàn)狀 在油 氣井開采過程 中，幾乎所有的油 氣 層 在生產(chǎn)或 維護(hù)過程中都會(huì)受到不同程度的損害。 我國 現(xiàn)有的 修井 作業(yè) 技術(shù)中，還沒有一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正意義上 對(duì) 油氣層 的 保護(hù) 。但 是， 不壓井作業(yè)技術(shù)的引進(jìn)，為實(shí)現(xiàn) 修井作業(yè)對(duì) 油氣層保護(hù)提供了可能。 我國不壓井作業(yè)技術(shù)起步比較的晚， 大慶油田在 上個(gè) 世紀(jì) 50 年代研制了一套不壓井 修井 作業(yè) 起下 管柱 裝置， 使 用鋼絲繩穿過多組滑輪裝置進(jìn)行不壓井起下管柱作業(yè)。工序復(fù)雜，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、系統(tǒng)安全性能低等問題 。 由于當(dāng)時(shí)對(duì)不壓井作業(yè) 技術(shù)沒有全面了解 ，以及 加工技術(shù) 較低等 原因， 并 沒有 應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中 。 之后， 又 在此基礎(chǔ)上 研制了一臺(tái)撬裝式液壓不壓井 修井 作業(yè)裝置，該裝置只適用于井口壓力低 于 4MPa的油氣井 [7]。 四川 石油管理局鉆采工藝研究所 在 20世紀(jì) 60年代后期開始 對(duì)不壓井 修井 作業(yè)起下管柱設(shè)備研究。 20 世紀(jì) 70～ 80 年代研制出 BY302型 和 BYXT15 型 不壓井 修井 作業(yè)起下管柱設(shè)備， 并先后在川南、川中、華北、 新疆等地進(jìn)行 共 5 口井的修井作業(yè) ,取得了良好效果。但在 作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)了 諸多不足 ：固定卡瓦和移動(dòng)卡瓦 不能承受向下載荷 、液壓 缸行程短 、系統(tǒng) 工作效率低 、需要鉆機(jī)配合作業(yè) [10]。 為 此 ， 四川石油管理局鉆采工藝技術(shù) 研究所在吸取以前的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)， 再 經(jīng)過 幾 年的努力， 研制 出 了 最大提升力為 600kN的 不壓井 修井 起下井內(nèi)管柱 裝置 [11]。但是 ， 該 裝置 還停留在 樣機(jī) 試驗(yàn)上，并沒有全面推廣使用 。 20 世紀(jì) 80年代，吉林油田研制 出了車載不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備 ， 但是也只能 用于井口壓力不高于 6MPa的井 ，最大提升能力為 500～ 700kN，曾 作業(yè) 60余井次， 由于 井口密封未能得到解決 ，未能 全面推廣使用。 近年來，我國 在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上 對(duì)不壓井 修井 作業(yè) 技術(shù)的認(rèn)識(shí)不斷提高。 如，克拉瑪依油田 進(jìn)行 3口 井不壓井作業(yè) ，平均 日產(chǎn)量由 5t提高到 12t[7]。但由于不壓井 修井 作業(yè)技術(shù)及相關(guān)配套設(shè)施仍不成熟 ， 很多情況下仍需要在壓井方式下完成修井，在 保護(hù)油氣層的問題沒 上 有得到根本解決。 目前 ，我國不壓井作業(yè) 技術(shù)較為全面的 是 北京托普威爾石油技術(shù)服務(wù)有限公司 。該公司 是 一家 中美合資公司 ，該公司 正是為了適應(yīng)當(dāng)前 我國 油 氣工業(yè)的需要 ，致力于不壓井作業(yè)技術(shù)的推廣、應(yīng)用和研究一體 化 的技術(shù)服務(wù)公司 。 從加拿大引進(jìn)了 承壓 35MPa 的不壓井作業(yè)設(shè)備，