【正文】 噴的情況下起下管柱 作業(yè)，減少地面污染達到了安全 環(huán)保 的 目的，符合 HSE 的要求，對貫徹落實中央領(lǐng)導(dǎo)關(guān)于安全 生產(chǎn)、保護環(huán)境 的講話精神具有深遠意義。 隨著對不壓井作業(yè)技術(shù)認識 的 提高，國內(nèi)各 油 氣田在 修井 作業(yè) 過程中 對 油氣層 的 保護 是很重要的 ， 所以 對不壓井 修井 作業(yè) 設(shè)備 有很大的需求 。 2)一些低滲透油 氣井。這類儲層 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 。因為氣井壓井 修井 作業(yè) 將會 造成嚴重的產(chǎn) 層污染，從而使 產(chǎn)能損失至少在 20%以上 。 該技術(shù)作為一項保護油氣 產(chǎn) 層和井場周邊環(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。此類設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)簡單，需要與鉆機配合使用，安全性較差，現(xiàn) 在 已 經(jīng) 淘汰。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 。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 均每小時能過 20 個接頭，一口 井最多只需要一、兩個膠心，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]。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計與分析 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 維護過程中都會受到不同程度的損害。工序復(fù)雜，工人勞動強度大、系統(tǒng)安全性能低等問題 。 20 世紀 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、 新疆等地進行 共 5 口井的修井作業(yè) ,取得了良好效果。 20 世紀 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。 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 。托普威爾石油技術(shù)服務(wù)公司引進了 CUDD 公司先進的不壓井作業(yè)技術(shù)和 相應(yīng)的配套設(shè)施 。 3)根據(jù)不壓井作業(yè)技術(shù)及常規(guī)理論分析不壓井作業(yè)設(shè)備各參數(shù)間的關(guān)系，合理設(shè)計不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置的各組成部分，并按照各子組件在整個裝置中的功能提出各子組件的設(shè)計方案和計算方法，為整個設(shè)備設(shè)計計算提供可行性理論依據(jù)。并且對井架進行 靜態(tài)分析和動態(tài)分析 (模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、 瞬態(tài)響應(yīng) 分析 )。 4)采用組裝設(shè)計， 占地面積小、質(zhì)量小、運輸簡便、維修容易。最初的方法涉及使用一系列的防噴器組成的井口密封裝置，使得在作業(yè) 過程中管柱 接頭或連接器自由通過。 此外，也用于沖砂及控制并且恢復(fù)自噴井生產(chǎn)。 修井作業(yè)是保證油氣井正常生產(chǎn)所必須采取的措施。一般地，對于井控，在帶壓的情況下是否可 以起下 管柱或 者防噴系統(tǒng)在起下管柱時不能密封住足夠的壓力時考慮使用不壓井作業(yè)設(shè)備 。 鉆井設(shè)備輔助型 如圖 21所示，是典型的鉆井設(shè)備輔助不壓井 作業(yè)起 下管柱設(shè)備，通常 稱為“鋼絲繩”或者“常規(guī)”設(shè)備 。當井里的管柱比較“輕”的情況時，依靠平衡錘阻止管柱向上反彈；當井里的管柱比較“重”的情況時，依靠鉆 機或者修井機滾筒控制游動滑車阻止管柱下降進入井里。圖22 是結(jié)構(gòu)簡圖，圖 23是現(xiàn)場安裝圖，通常稱為輔助型液壓不壓 井 作業(yè) 設(shè)備 。輔助型液壓不壓井 作業(yè) 設(shè) 備 的應(yīng)用非常普遍，是一種多用途的設(shè)備。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 9 液壓缸只在“管輕”的情況下 使用，因此，當在“管重”狀態(tài)時，不是使用液壓缸活塞起下管柱，而是使用提升機提供動力來控制游動滑車進行起下管柱。 獨立液壓控制系統(tǒng)型 圖 24 結(jié)構(gòu)示意圖 圖 25 現(xiàn)場安裝圖 1井口裝置； 2主控閥； 3全封 /剪切閘板防噴器； 4下閘板 防噴器； 5上閘板防噴器； 6液壓缸； 7球形防噴器； 8固 定卡瓦； 9移動卡瓦； 10平衡回路； 11管柱； 12工作平臺 如圖 2 25所示，是典型的獨立液壓控制系統(tǒng)不壓井 作業(yè)起下管柱設(shè)備。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計與分析 10 液壓不壓井 作業(yè) 設(shè)備的設(shè)計理念是 ：用 不壓井 作業(yè)設(shè)備 控制 管柱的起下 ，減少井場其他輔助設(shè)備的數(shù)量，以相對靈巧的設(shè)備組合提供巨大的提升力和下壓力，采用了模塊化設(shè)計，運輸、 安裝 以及維護方便 。 移動卡瓦和固定卡瓦分別由上、下兩組卡瓦組成。 本文 設(shè)計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置 結(jié)構(gòu)與工作原理 前面分析的三種基本類型的不壓井 作業(yè)設(shè)備，鉆井設(shè)備輔 助型已經(jīng)淘汰，獨立液壓控制系統(tǒng)型和液壓 — 鉆井設(shè)備輔助型不壓井 作業(yè)設(shè)備有利有弊，需要預(yù)先了解每口井的情況以及要做的工作類別才能做 出合理的選擇。管柱處于平衡點下方，用提升機來支撐管柱的重量。主要由井架、上下移動卡瓦、液壓缸、井口 防噴 系統(tǒng)組成。通 過液壓缸帶動下卡瓦攜帶管柱向下移動進入井內(nèi)，此時，不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計與分析 12 上卡瓦開始移動到上端位置。在起下管柱作業(yè)過程中，兩個卡瓦每交換一次夾持管柱時發(fā)生一次中斷。本論文的研究重點是井架、液壓動力卡瓦的設(shè)計與分析，為了更詳細的說明不壓井 修井作業(yè) 起下管柱的工作原理，對井口 防噴 系統(tǒng)也做了方案設(shè)計，為后續(xù)的研究工作做準備。當下入井內(nèi)的管柱較深時，其管柱自身重量及管柱與防噴器膠芯 間的 摩擦力足以平衡井筒壓力作用在管柱 橫截面 上的上頂力，管柱受向上合力小于或等于 零，此時需要 使用不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備給管柱一個向上的提升力，否則管柱將會迅速下滑進入井內(nèi)，這是所謂的“管重 ”情況 ，這意味著管柱下入井內(nèi)深度大 于 “ 平衡點 ” 深度 。 圖 27 管柱 垂直方向上 的受力示意圖 1防噴器膠芯 ； 2井口裝置 ； 3管柱； 4管住堵塞器 在不考慮管柱井內(nèi)遇卡的情況下，由 圖 27受力平衡得： 當“管輕”時，需要不壓井作業(yè)設(shè)備提供 的 下壓載荷 為 ： pgsnub fr icF F F F??? (21) 當“管重”時，需要不壓井作業(yè)設(shè)備提供的 提升 力 為 ： gpsnub fr icF F F F???? (22) 式中， snubF — 需要不壓井作業(yè)設(shè)備提供的 下壓載荷 ， N； snubF? — 需要不壓井作業(yè)設(shè)備提供的提升力， N； pF — 井筒壓力作用 在管柱 橫截面 上的上頂力， N； gF — 管 柱重力， N； fricF — 管柱與防噴器膠芯間的 摩擦力 (與管柱移動方向相反 )， N。 因此，由 2 22 式 整理得： 當“管輕”時，需要不壓井作業(yè)設(shè)備提供的 下壓載荷 為 ： 1. 2 pgsn ubF F F?? (23) 當“管重”時，需要不壓井作業(yè)設(shè)備提供的 提升 力 為 ： ubF F F?? (24) 在 起下管柱作業(yè)之前需要通過計算確定所選的設(shè)備是否合適。根據(jù)上述結(jié)論 2，開始下管柱時， 需要不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備提供 下壓載荷 snubF 最大。從表中可看出從“管輕”轉(zhuǎn)換到“管重” 需要 下入井內(nèi) 的管柱長度，為在起 下管柱過程中防頂卡瓦與懸重卡瓦交替夾持管柱提供理論依據(jù)。 一次起下管柱沖程的確定 在 不壓井修井 起下管柱 作業(yè) 過程中，井內(nèi)壓力作用在管柱橫截面上的上頂力以及設(shè)備提供的下壓 載荷 共同 作用下 ， 當載荷大于管柱的臨界載荷 ， 在下管柱進入井筒過程中井口段管柱可能會發(fā)生彎曲或局部變形。為了便于管柱臨界載荷的分析計算，對井口段管柱作以下簡化處理： 1)忽略扭矩對壓載 的影響 ； 2)忽略系統(tǒng)的摩擦及 沖擊載荷的影響； 3)不考慮管柱自重； 4)將井口段管柱簡化為兩端鉸支桿，如圖 210 所示。這是非穩(wěn)定問題，因此，即使壓載沒有超過臨界壓載，細長桿也可能會發(fā)生彎曲變形。隨著軸向壓力的增大，管柱主要發(fā)生局部變形 (非彈性變形 )。根據(jù) Johnson 理論方程 ，井口段管柱的臨界壓載 表示為： 221 4 sScrFA nE??? ????????? (29) 圖 211 是取國產(chǎn) D級 122 加厚油管進行計算臨界壓載的結(jié)果。從圖 211 臨界壓載曲線圖得出，當管柱臨界載荷等于需要不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備施提供的最大下壓載荷為 時，對應(yīng)的管柱長度為 。目前，卡麥隆生產(chǎn)的 FZ3570型 液壓閘板防噴器最高靜密封壓力達到 70MPa， 歇福爾 生產(chǎn)的 FH3570型 液壓球 形防噴器 動密封壓力達到 21MPa。最后針對目前常用的不壓井作業(yè)設(shè)備存在的問題，提出了結(jié)構(gòu)和性能較為完善的不壓井作業(yè)起下管柱裝置結(jié)構(gòu)方案。現(xiàn)有技術(shù)存 在如下缺點：效率低、勞動強度大、安全性差以及易造成井下地層環(huán)境污染等 問題 。 隨著科學(xué)技術(shù)的進步 ， 動力卡瓦的設(shè)計也隨之向前發(fā)展。 動力卡瓦發(fā)展現(xiàn)狀 卡瓦的自動化操作是石油設(shè)備生產(chǎn)廠家、研究單位一直研究的一個課題。 DENCON 公司生產(chǎn)的動力卡瓦在 世界各 油氣田廣泛應(yīng)用并且優(yōu)勢明顯，技術(shù)一直居世界領(lǐng)先水平，可以取代 雙吊卡倒換方式 。在卡瓦的使用上，國外基本采用機械手 、動力卡瓦，而目前我國 大部分油氣田 起下管柱 作業(yè)時，大都采用雙吊卡或單吊卡加手提式卡瓦作業(yè)方式，自動化程度低、 起下管柱作業(yè) 效率低、 工人勞動強度大、安全性能低 ， 且人為的 操作失誤 往往會導(dǎo)致 重大的設(shè)備和人身事故。 本文設(shè)計的液壓動力卡瓦 結(jié)構(gòu)與工作原理 目前 ，國內(nèi)外對 動力卡瓦 的 研究 重點 主要在 不壓井 作業(yè) 設(shè)備 的 使用中。因此， 在動力卡瓦 設(shè)計研究時 應(yīng) 與 國內(nèi)現(xiàn)有 的修井作業(yè) 設(shè)備，修井井口作業(yè)設(shè)備 相結(jié)合 。由四塊卡瓦牙模 5 和卡瓦體4 組成一組卡瓦實現(xiàn)對管、桿柱的卡緊。在不壓井起下油管或抽油桿柱作業(yè)過程中，由于井口密封， 井內(nèi)壓力會給油管或抽油桿柱一個上頂力。 圖 32 卡瓦與管柱受力圖 1管柱 ； 2卡瓦牙模 ； 3卡瓦體 ； 4卡瓦座 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 23 由卡瓦受力平衡得： 2si n c os 0c os si n 0N N f fN N f bH H HH H Hq w q w q Rq w q w q w? ? ????????? ? ?? ? ? (31) 式中， Nq — 卡瓦座對卡瓦體均布正壓力， N/mm2； Nfq — 卡瓦座對卡瓦體 的 分 布 摩擦力， N/mm2； NNNfq f q? (32) Nf — 卡瓦座對 卡瓦體的摩擦系數(shù)； bq — 油管柱對卡瓦牙模的 均 布壓力， N/mm2； fq — 油管柱對卡瓦牙模的分布摩擦力， N/mm2； f b bq f q? (33) bf — 油管柱對卡瓦牙模的摩擦系數(shù)； 2R — 管柱外半徑， mm； ? — 卡瓦體與卡瓦座接觸面傾斜角，176。 圖 33 卡瓦卡緊油管柱時油管柱的力學(xué)分析 API 推薦的計算公式是假定卡瓦與 管柱接觸壓力均勻分布，并認為卡瓦段管體的變形不受兩端管體的影響；前蘇聯(lián) A ?A ?達烈揚認為卡瓦與管柱壓力非均勻分布，將管柱視為薄殼，徑向變形相等，按薄殼對稱變形理論考慮了管壁的縱向彎曲應(yīng)力，但是沒有考慮縱向彎曲和軸向拉應(yīng)力對 切向應(yīng)力的影響。顯然，應(yīng)力分布是軸對稱的，由厚壁筒拉梅公式 [28]： 圖 34 管柱受均布壓力圖 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 25 22212222212212222122222122121111111ra ba bRRrrqqRRRRRRrrqqRRRR??????????????????? ? ???????? (38) 由于管柱只有外壓沒有內(nèi)壓，即 0aq? 。圖 35 是按(312)式進行計算 得出的 卡瓦牙模高度 H 與管柱懸重 G 間的關(guān)系 變化曲線。 圖 36 卡瓦體受力圖 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 27 卡瓦體主要承受來自卡瓦座 的 壓力 Nq 、 卡瓦牙模對卡瓦體 的壓力 bq? ( bb qq?? )、 卡瓦 座內(nèi)錐面 與卡瓦體背錐面 的摩擦力 Nfq 以及 在 管柱懸重狀態(tài)下卡瓦體底部承受來自卡瓦卡緊管柱懸重 G 的作