【正文】 代 ， 前蘇聯(lián)就研制出了動力卡瓦，但由于體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜 以及 制造工藝差 等原因 ，未能推廣使用。動力卡瓦的設(shè)計思路主要 有 以下 兩 種 [21]： 1)采用氣壓或液壓裝置直接作用， 使卡瓦 夾緊管柱； 2)采用氣壓或者液壓驅(qū)動 升降裝置或彈性裝置下壓楔塊機構(gòu) ， 并利用楔塊的自鎖特性 ， 用自重將管柱鎖緊 。 自動化程度低 ，人為 操作失誤會造成重大的設(shè)備和人身事故 ， 特別手提式卡瓦重量 比較 大 ，都在 80 kg 以上 [20]。 通過 計算分析確定 其 主要技術(shù)參數(shù) 。 通過 以上計算分析 ,結(jié)合國內(nèi)油 氣 田對 不壓井 修井作業(yè)設(shè)備性能的要需求 ,最后確定 本文設(shè)計的不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置主要技術(shù)參數(shù)如下： 1)最高密封壓力：動密封 21MPa，靜密封 35MPa； 2)作業(yè)深度： 4000m； 3)適用油 管 規(guī)格 ： 111 2 22～ ； 3)最大提升 載荷： 400kN(按 122 油管， 4000m 管柱 計算 )； 4)最大下壓載荷： 300kN(按 122 油管， 最大套管環(huán)空壓力 35MPa 計算 ) 5)一 次起下管柱 沖程： ； 6)安裝適應(yīng)范圍：各種鉆機配合作業(yè)、也可安裝在生產(chǎn)井上獨立作業(yè)。所以本文設(shè)計的不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置一次起下管柱的沖程為 。 0501001502002503003504004505005506006507007508000 1 2 3 4 5管柱計算臨界長度L，m臨界壓載Fcr，kN系列1 系列2 圖 211 井口段管柱臨界壓載曲線圖 系列 1Johnson 臨界壓載曲線 ；系列 2Euler 臨界壓載曲線 由 (27)式， (28)式整理得： 22sn EIAL ??? (210) 把相關(guān)數(shù)值代入 (210)式，求得細長桿與短柱的分界點計算長 L=，與圖 211 計算結(jié)果相吻合。因此，需要考慮壓縮和彎曲變形。 由歐拉 (Euler)方程， 井口段 管柱的臨界壓載 表示為： 22cr n EILF ?? (25) 系數(shù) n根據(jù)管柱兩端的約束條件取值，兩端鉸支， n=1；一端固定，一端鉸支， n=2；兩端固定， n=4；一端固定，一端自由 n=1/4。 西南石油大學碩士研究生學位論文 17 圖 210 井口段管柱與作業(yè)設(shè)備間的力學簡化模型 1卡瓦； 2管柱； 3防噴器膠芯； 4管柱堵塞器 受壓管柱按 (柔度 )細長比 ? 的大小分為細長桿和短柱，當 22snE???? 時 ，是細長桿與短柱的分界點。如圖 29 所示， 不壓井 起下管柱 作業(yè) 過程井口段 管柱發(fā)生彎曲 。當進入井內(nèi)管柱位于平衡點以上時，啟動防頂卡瓦夾持管柱；當進入井內(nèi)管柱位于平衡點以下時，啟動懸重卡瓦夾持管柱。 表 21是取國產(chǎn) D級 122 加厚油管進行計算的結(jié)果。如果所選的設(shè)備不合適，在作業(yè)過程中管柱會被彈射出井外或迅速下墜進入井內(nèi)，從而會發(fā)生嚴重的作業(yè)事故。 經(jīng)上述分析可得出以下結(jié)論： 1)當管柱 接箍 位于噴器膠芯處時， 井筒壓力作用在管柱 橫截面 上的上頂力 pF 達到最大 值； 2)當開始下管柱進入井內(nèi)時，由于沒有管柱重量， 需要 不壓井作業(yè)設(shè)備提供 下壓載荷 snubF 達 到最大值 :( psnub fricF F F?? )； 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計與分析 14 3)當 井筒壓力為零，需要 不壓井作業(yè)裝置提供的提升力 snubF? 達到最大值， 等于管柱的懸重 ； 4)管柱和防噴器膠芯 間的 摩擦力 fricF 是 由 施加在防噴器膠 芯 上的液壓壓力產(chǎn)生的。 下壓 載荷 與提升力的 確定 為了確定在不壓井修井作業(yè)起下管柱過程中 需要 設(shè)備 提供 的最大下壓 載荷 與最大提升 ，必須考慮在不同的載荷 情況下作用在管柱上 各 個作用力，這些施加在管柱上的作用力直接決定起執(zhí)行力的大小。 不壓井 修井 作業(yè) 起下管柱 裝置 設(shè)計參數(shù)確定 不壓井作業(yè)有時又叫不壓井帶壓作業(yè)， 這說明了不壓井 修井 作業(yè)起下管柱過程中井筒有壓力，而井筒壓力將會給井內(nèi)的管柱一個上頂力，此上頂力與管柱浮重、管柱與防噴器膠芯間的摩擦力共同作用在管柱上。此短時間 的中斷實際上是由于一個卡瓦松開管柱之前，另一個卡瓦必須可靠地夾持住管柱。因此，當下卡瓦移動到下端位置時，上卡瓦也移動到上端位置以便夾持住管柱，進入下一個行程。 西南石油大學碩士研究生學位論文 11 圖 26 本文設(shè)計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置結(jié)構(gòu)示 意圖 1上移動卡瓦 ； 2上級 液壓 缸； 3管柱； 4上移動卡瓦； 5下級 液壓 缸； 6井架 ； 7井口防噴系統(tǒng) 以下放管柱進入油氣井為例說明本文設(shè)計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置的工作原理，見圖 26： 調(diào)節(jié)下卡瓦到合適位置夾住管柱停留在初始位置不動，移動上卡瓦到上端位置，啟動 上卡瓦夾住管柱后 松開下卡瓦，上卡瓦承擔所有管柱的重量。管柱處于平衡點上方，用液壓缸來控制管柱起下速度。 液壓 — 鉆井設(shè)備輔助型不壓井 作業(yè)設(shè)備能夠在高壓環(huán)境中使用和起下大型管柱。上、下卡瓦的卡瓦座錐孔和卡瓦牙模的方向均相反。 液壓不壓井 作業(yè)設(shè)備的設(shè)計原則是基于液壓缸的使用，通過液壓缸活塞的上下往復(fù)運動提供足夠 的 提升力或下壓力進行起下 管柱作業(yè)。圖 24是結(jié)構(gòu)簡圖，圖 25是現(xiàn)場安裝圖，通常稱為液壓不壓井 作業(yè)設(shè)備。當游動滑車移動到端部位置時，啟動固定卡瓦夾住管柱后，然后啟動提升機提升或下放游動滑車及移動卡瓦，進入下一個行程。通過使用輔助型液壓不壓井 作業(yè)設(shè)備 ，可使常規(guī)修井機 /鉆機具備在帶壓環(huán)境之下進行起下管柱 ，由此擴大了工作范圍。 圖 22 結(jié)構(gòu)示意圖 圖 23 現(xiàn)場安裝圖 1井口裝置； 2主控閥； 3全封防噴器； 4閘板防 噴器； 5平衡短節(jié)； 6球形防噴器； 7液壓缸； 8固定卡瓦； 9工作平臺； 10管柱； 11移動 卡瓦； 12游動滑車； 13鋼絲繩； 14大鉤 此類型 設(shè)備，顧名思義，作為常規(guī)設(shè)備或者與鉆機的合成使用的液壓不壓井 作業(yè)設(shè)備，需要與鉆井設(shè)備配合使用，比如提升機。游動滑車由司鉆控制，而固定卡瓦和移動 卡瓦則分別由 井口操作 工人操作 ，操作分散且繁瑣，一旦操作者不協(xié)調(diào)、鋼繩拉斷、電源出故障或者人為失誤，則會造成管柱被彈射 出井口 或者迅速下滑進入井內(nèi)，將會 發(fā)生嚴重事故。主要由：井口裝置、防噴器、平衡 短節(jié)、固定卡瓦、操作平 臺、西南石油大學碩士研究生學位論文 7 鋼絲繩、移動卡瓦、平衡錘、游動滑車 等組成。 現(xiàn)有不壓井 作業(yè) 設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作原理 不壓井 作業(yè)技術(shù)是在壓力作用下 起下管 柱 的一種 新 技術(shù)。油管或 抽油桿柱的起下是修井作業(yè)的一項重要內(nèi)容。 不 壓井 作業(yè) 設(shè)備已經(jīng)被證實是一套非常 有用 的設(shè)備。 那些早期的不壓井 作業(yè)設(shè)備，采用上下兩套卡瓦夾持住管柱。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計與分析 6 第 2 章 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置方案設(shè)計 20 紀 20 年代 不壓井 作業(yè) 技術(shù) 問世，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今， 不壓井 作業(yè) 技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為 一個高 端、多功能的技術(shù)。 通過以上的研究，本文的創(chuàng)新工作主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1)對比現(xiàn) 有 幾種不壓井作業(yè)起下管柱的基本 類型 (鉆井設(shè)備 輔助 型 、液壓 — 鉆井設(shè)備輔助 型 、獨立液壓 控制系統(tǒng)型 )的優(yōu)缺點的基礎(chǔ)上，新設(shè)計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置采用獨立液壓 控制系統(tǒng) ，兩級提升液壓缸 ，實現(xiàn)了長沖程、大載荷的不壓井 修井作業(yè)起下管柱裝置。 4)對主要零部件進行設(shè)計計算，最后設(shè)計出一套能應(yīng)用于油氣田實際生產(chǎn)需要的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置。通過和 CUDD 公司的合作，利用 CUDD 目前的經(jīng)驗和技術(shù)，來彌補國內(nèi)不壓井作業(yè)技術(shù)領(lǐng)域某些方面的空白和不足。該公司 是 一家 中美合資公司 ，該公司 正是為了適應(yīng)當前 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 。 近年來，我國 在引進國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上 對不壓井 修井 作業(yè) 技術(shù)的認識不斷提高。但在 作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)了 諸多不足 ：固定卡瓦和移動卡瓦 不能承受向下載荷 、液壓 缸行程短 、系統(tǒng) 工作效率低 、需要鉆機配合作業(yè) [10]。 由于當時對不壓井作業(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)用到實際生產(chǎn)中 。 我國 現(xiàn)有的 修井 作業(yè) 技術(shù)中，還沒有一種技術(shù)實現(xiàn)真正意義上 對 油氣層 的 保護 。 為了提高不壓井 修井 作業(yè)過程中的安全性與可靠性，國外基本采用微機在現(xiàn)場進行工藝設(shè)計、 應(yīng)力分析、流變模型 分析、虹吸效應(yīng)分析、扭矩與摩擦力計算 、平衡點計算以及 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]。 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。 1958 年，布朗（ Brown Oil Tool Inc.）工具公司設(shè)計制造了 一套 液壓不壓井作業(yè)設(shè)備 ，這套設(shè)備 獨立于鉆機 或絞車 的一套 液壓控制 系統(tǒng) [6]。 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。采用 不壓井作業(yè)則可以避免 高密度的 壓井液進 入地層，解決 產(chǎn) 層保護問題，延長采收周期。 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。采用高密度的壓井液進行作業(yè)更容易堵塞和污染油氣層 。 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)進行 起下管柱 作業(yè) [3]。 不壓井 修井 作業(yè)的優(yōu)勢 不壓井作業(yè)技術(shù)有許多優(yōu)點，對油氣井而言它的最大優(yōu)點在于它 能夠 以 最大程度 保護和維持地層的原始 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)。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計與分析 2 采用 不壓井 作業(yè) 技術(shù) ， 實現(xiàn)了 管柱與 套管環(huán)空 的 動態(tài)密封 以及 油管的內(nèi)部 堵塞。 使用傳統(tǒng)的壓井作業(yè)方式，高密度的 壓井液進入地層，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)帶來了負面影響，從而影響 了 油 氣 藏 分析的準確性 ，影響 采收率。由于不壓井 修井 作業(yè)方式不使用壓井液，避免了對地面環(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。放噴降壓作業(yè)可使局部地層壓力下降 ， 同時也 損害 了 地 層結(jié)構(gòu)，也會影響產(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。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]。s oilgas field. From the several aspects studying, fulfilling the snubbing device design and analysis: 1) By using an independent hydraulic control systemr, two levels of multihydraulic cylinders operating tubing string, thus, achieving a longer stroke, larger load snubbing device. 2) By using two groups of moving slips, the hydraulic pressure drive method, making the operating speed to be quick, the efficiency is high, and reducing the wellhead operating workers’ labor intensity. 3) By using hydraulic ball blowout preventer and hydraulic ram blowout preventer constituent the well head sealing system is more reliable while tubing string operation. 4) On the basis of theory, by using finite element analysis software ANSYS, calculated the mechanical properties of the main parts of slips, and examined the derrick structure of static and dynamic characteristics. Through designing