【正文】 本章小結(jié) 本章列舉了三種類型的不壓井作業(yè)設(shè)備的工作原理以及優(yōu)缺點(diǎn)，并分析了起下管柱作業(yè)過程中管柱的受力情況， 計(jì)算 出在不同的井筒壓力作用下需要不壓井裝置提供的最大壓力以及管柱的臨界壓載計(jì)算公式。從表 21可知，在井筒壓力為 35MPa 作用下，管柱接箍位于防噴器膠芯處時，西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 19 需要不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備提供的下壓載荷達(dá)到最大值，約為 。 2)當(dāng) 22snE???? 時， 按短柱理 論分析管柱的臨界壓載。 圖 29 不壓井作業(yè)過程井口段管柱發(fā)生彎曲 為了確定一次起下管柱的沖程，首先計(jì)算管柱臨界載荷。 表 21同時也給出了“平衡點(diǎn)”深度。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，管柱和防噴器膠芯 間的 摩擦力 fricF 通常假定等于井筒壓力作用 在管柱 橫截面 上的上頂力 pF 的 20%[17]。當(dāng)下入井內(nèi)管柱較淺時，其管柱自身重量及管柱與防噴器膠芯 間的 摩擦力不足以平衡井筒壓力作用在管柱 橫截面 上的上頂力，管柱受將會發(fā)生向上運(yùn)動，此時需要使用不壓井作業(yè)設(shè)備給管柱一個向下的壓力，否則管柱將可能會被推出井外， 這是所謂的“管輕”情況，這意味著管柱下入井內(nèi)深度小于“平衡點(diǎn)”深度。 本文設(shè)計(jì)的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置是根據(jù)帶壓情況下起下管柱的作業(yè)方式設(shè)計(jì)的。 如圖 26所示是 本文 設(shè)計(jì)的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置 結(jié)構(gòu)示意圖，采用獨(dú)立液壓控制系統(tǒng) [1 1 1 1 16]。四組卡瓦各有自己的控制液壓缸 ，整體采用聯(lián)鎖程序控制，使 移動卡瓦和固定卡瓦開合協(xié)調(diào)一致，保證設(shè)備起下管柱作業(yè)的連續(xù)性。 主要由：井口裝置、主控閥、 全封 /剪切閘板防噴器 、球形防噴器、液壓 缸、固定卡瓦、移動卡瓦、平衡回路 、工作平臺 等組成。當(dāng)活塞移動到下端位置時，啟動固定卡瓦夾住管柱后，然后再啟動提升機(jī)提升液壓缸活塞及移動卡瓦，進(jìn)入下一個行程。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 8 液壓 — 鉆井設(shè)備輔助型 如圖 2 23 所示，是典型的液壓 — 鉆井設(shè)備輔助不壓井 作業(yè)起下管柱設(shè)備。目前，國內(nèi)外不壓井 作業(yè)起下管柱設(shè)備主要有三種基本類型：基于鉆井設(shè)備輔助 型 、基于液壓 — 鉆井設(shè)備輔助 型 、獨(dú)立液壓控制系統(tǒng) 型 ，這三種基本類型。 隨著我國大部分油氣田進(jìn)入中、后期開發(fā)，修井作業(yè)任務(wù)也變得越來越繁重。 不壓井 作業(yè)設(shè)備當(dāng)初 僅 是 用來下放管柱進(jìn)入高壓井或自噴井的設(shè)備 。通過有限元分析計(jì)算，可以了解卡瓦主要零件內(nèi)部的應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化情況。 CUDD 公司的不壓井作 業(yè)技術(shù)已相當(dāng)成熟，處理過各類油氣井。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 。 我國不壓井作業(yè)技術(shù)起步比較的晚， 大慶油田在 上個 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)。 現(xiàn)在的不壓井作業(yè)起下管柱設(shè)備一般 采用 多個 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。 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]。 5)氣井應(yīng)盡可能采用不壓井 修井 作業(yè) 技術(shù) 。 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 后期進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集分析 時，很可能會出現(xiàn)解釋錯誤。 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壽命 。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)效益和社會效益。采用壓井作業(yè)會造成產(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) 。設(shè)計(jì)中根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際為依據(jù)，使設(shè)計(jì)更具有現(xiàn)實(shí)意義，為后續(xù)研究提供理論依據(jù)。 I 摘 要 傳統(tǒng)的 修井 作業(yè)影響油氣資源的可持續(xù)發(fā)展，這就迫切需要我們用一種全新的方式來對待井下作業(yè)，即保護(hù)井內(nèi)的 油氣層 ，不壓井作業(yè)技術(shù)能很好地滿足這一要求。 通過本文的設(shè)計(jì)與分析，設(shè)計(jì)出了滿足現(xiàn)場使用的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置。 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)。 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] 。在起下管柱作業(yè)過程中，能夠克服井內(nèi)壓力對管柱 的上頂力，實(shí)現(xiàn)安全無 污染帶壓起 下管柱作業(yè)。 1)古潛山構(gòu)造的井 。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)。 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 一靜一動兩套卡瓦夾持 管 柱 實(shí)現(xiàn) 帶壓起下管柱作業(yè) 。 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 管柱 接頭。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 油氣層保護(hù)提供了可能。 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]。 從加拿大引進(jìn)了 承壓 35MPa 的不壓井作業(yè)設(shè)備，并與美國最大的不壓井 作業(yè) 技術(shù)服務(wù)公司 CUDD 公司合作，共同推動中國不壓井 作業(yè)技術(shù) 的發(fā)展。 5)利用 ANSYS 有限元分析軟件對卡瓦主要零件的 力學(xué)特性進(jìn)行分析計(jì)算 分析 。 不壓井 作業(yè) 技術(shù) 提供各種修井服務(wù)，使修井作業(yè)經(jīng)濟(jì)、安全以及環(huán)保 。甚至是正在發(fā)生井噴 時 ，不壓井設(shè)備有能力使用多功能工具進(jìn)入井筒，安裝或嵌入壓井管柱恢復(fù)損失或損壞的鉆桿或油管。研究和發(fā)展這一起下 管柱新技術(shù)的目的是為了避免使用壓井液壓井，以及由壓井帶來的洗井和 采用的 各種 增產(chǎn)措，消 除壓井帶來的一切損失。 此類設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)簡單，需要現(xiàn)場有 鉆機(jī) 或者 修井機(jī)滾筒 ，安全性較差，現(xiàn) 在 已 經(jīng) 淘汰。 當(dāng)在“管輕”狀態(tài)時，通過液壓缸活塞向下移動并帶動移動卡瓦在井筒有壓力對管柱作用的情況下起下管柱入井。 液壓不壓井 作業(yè)設(shè)備 采用伸縮液 壓 缸及若干 相應(yīng)的 配套設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的井架、 提升機(jī) 等起下設(shè)備。上卡瓦是重力卡瓦，下卡瓦是防頂卡瓦。而獨(dú)立的 液壓 控制系統(tǒng) 不壓井 作業(yè)設(shè)備 采用伸縮液缸及若干 相應(yīng)的 配套設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的井架、 提升機(jī) 等起下設(shè)備 ，采用了模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)輸、 安裝 以及維護(hù)方便 。 當(dāng)處于“管輕” 狀態(tài)時，井內(nèi)管柱 的下行是靠液缸強(qiáng)行 施 加 在管柱上的向下作用力；當(dāng)處于“管重” 狀態(tài)時，管柱下行 不是靠液缸帶動 ，而是在管柱 自身重力的作用下下行 ， 此時只須 通過液壓缸控制管柱 下行速度即可。術(shù)語“平衡點(diǎn)”涉及下入井內(nèi)管柱的深度，由下入井內(nèi)管柱自重等于井筒壓力作用在管柱 橫截面 上的上頂力 和 管柱與防噴器膠芯 間的 摩擦力之和，這個深度稱為“平衡點(diǎn)”。其大小取決于施加在防噴器膠芯上的液壓力的大小。 D 級 122 加厚油管的基本參數(shù)是：外徑 73mm，內(nèi)徑 62mm， 接箍 外徑 93mm，單位重量 ，材料 20roCM 。 因此，通過計(jì)算管柱的臨界載荷來確定一次起下管柱的沖程。于是， n 取 1，由式 (25)得 臨界壓載為： 22cr EI EALF ????? (26) 式中， crF — 臨界 壓載 ， N； E — 楊氏模量 ， MPa； I — 慣性矩， mm4； L — 井口段管柱 計(jì)算長度， mm； ? — 柔度 (細(xì)長比 )，無量綱； iLR?? (27) 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 18 iR — 慣性半徑， mm； i IR A? (28) A — 管柱截面面積 ， mm2； s? — 管柱 屈服極限， MPa。 目前 ，國內(nèi)外短沖程液壓不壓井修井作業(yè)設(shè)備 一次起下管柱 的 沖程一般為 ～[19]。 本文設(shè)計(jì) 的不壓井作業(yè)起下管柱裝置的主要特點(diǎn)： 1)采用獨(dú)立液壓 控制系統(tǒng) ， 獨(dú)立于 鉆機(jī)作業(yè)； 2)上下卡瓦同軸相向移動，起下管柱速度快，效率高； 3)采用了模塊化設(shè)計(jì)，運(yùn)輸、現(xiàn)場 安裝、維護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng)。 為了減輕井口操作工人的 勞動強(qiáng)度，加速起下油管或抽油桿柱的速度、提高作業(yè)效率，可采用 動力卡瓦。世界上生產(chǎn)動力卡瓦的廠家很多，而其中最著名的是美國的DENCON 公司和 VARCOBJ 公司。 如 江蘇如東通用機(jī)械廠生產(chǎn)的一種 QD 型氣動 卡瓦 ，既可夾持 管柱 也可作為吊卡起、下 管柱， 但其體積龐大 [23]。為滿足不要壓井作業(yè)對卡瓦要求，本文 提出了一種不壓井動力卡瓦，實(shí)現(xiàn)了管柱在“管重”或“管輕”狀況下自動卡緊、松開管柱，在起下管柱作業(yè)過程中將大大減輕井口操作工人的勞動強(qiáng)度，同時 具有 起下管柱速度快、作業(yè)效率高 的優(yōu)點(diǎn) 。反之，當(dāng)油管或抽油桿柱重力大于上頂力時，這種現(xiàn)象稱為“管重”，這時上卡瓦夾住油管或抽油桿柱阻 止油管或抽油桿柱落入井內(nèi)。但為簡化計(jì)算，關(guān)于卡瓦卡緊管柱的力分析學(xué)模型常 采用美國 API 厚壁筒 工程實(shí)用算法 。從卡瓦 整體結(jié)構(gòu)尺寸上考慮， 卡瓦牙模高度 H取值范圍為 200mm～ 300mm。 27′ 45 [30]， 代入 (35)式計(jì)算得出 橫向載荷系數(shù) K =。 2 sin 22wR ???????? (34) 將 (32)、 (33)、 (34)式帶入 (31)式，整理得： 2 si n( )21 t a n1 t a nNNbfff ?????? ? (35) 令2 si n( )21 ta nta nNNfK f ?????? ? ， K 稱為橫向載荷系數(shù)。當(dāng)液壓缸 3帶動提升桿8上行時，同時也帶 動卡瓦體 5 上行，從而使卡瓦體張開，使得油管或抽油桿柱從卡瓦中心自由通過。目前， 國內(nèi)各油 氣田 修井作業(yè) 設(shè)備 急需改進(jìn)， 但又不能全部棄用現(xiàn)有設(shè)備。 雖然國外在動力卡瓦的 技術(shù)領(lǐng)域取得了領(lǐng)先，但是存在 價(jià)格昂貴 ，難以與我國現(xiàn)用的陸上井下作業(yè)設(shè)備配套等原因，未能在我國 推廣使用。 無論哪種設(shè)計(jì)思路 ，卡瓦的主要結(jié)構(gòu)均由 卡瓦牙 模 、卡瓦體、卡瓦座 、升降機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等組成 。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 20 第 3 章 液壓動力卡瓦設(shè)計(jì)與分析 隨著我國大部分油氣田進(jìn)入中、后期開發(fā)，修井作業(yè)任務(wù)也變得越來越繁重。 本文采用兩級提升液壓缸，兩次起下管柱沖 程 為 ，在兩級提升液壓缸 中間 增加扶正裝置。短柱壓載理論方程目前還不是很成熟。因此，分以下兩種情況進(jìn)行分析： 1)當(dāng) 22snE???? 時， 按細(xì)長桿理論分析管柱的臨界壓載。圖 28描述了表 21井筒壓力與 需要不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備提供的力 snubF 間的關(guān)系。 計(jì)算不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備提供的力 snubF 的大小 分以下兩種情況進(jìn)行分析計(jì)算： 1)當(dāng)管柱位于防噴器膠芯處； 2)當(dāng)管柱接箍位于防噴器膠芯處。本文只考慮管柱垂直方向上的作用力，非垂直方向上的作用力相對較小，在此不考慮。卡瓦采用 液缸 作動力 進(jìn)行 開合 和鎖緊 操作 控制 ，采用 四塊卡瓦牙 模 合成一個圓環(huán)狀 ， 卡瓦的可靠性和安全性更高 ， 并且適應(yīng)性更強(qiáng) 。通過液壓缸帶動上卡瓦攜帶管柱向下移動進(jìn)入井內(nèi)，此時，如果下卡瓦不是在上端位置，移動下卡瓦到上端位置。這種特殊設(shè)備需要與傳統(tǒng)鉆機(jī)結(jié)合使用 (如提升機(jī) )。常見 的液壓缸組合 結(jié)構(gòu)有 ： 兩個 液壓缸、 三 個液壓缸、 四 個液壓缸、 甚至 采用 同心 液壓缸 。 很明顯，在帶壓起下管柱作業(yè)過程中，如果發(fā)生故障，設(shè)備有故障保護(hù)功能，提升系統(tǒng)直接拉住管柱阻止管柱下降進(jìn)入井里。主要由：井口裝置、主控閥、閘板防噴器、球形防噴器、液壓缸固、定卡瓦、移動卡瓦、平衡短節(jié)、 游動滑車 、鋼絲繩、工作平臺等組成。動力來源于與鉆機(jī)或者修井機(jī)滾筒設(shè)備相配合使用的滑輪組工作系統(tǒng)，配上移動卡瓦、固定卡瓦以及平衡錘，控制管柱下放進(jìn)入井內(nèi)或在井筒壓力 的 作用下控制管柱提升出井口的速度。 在一些地區(qū)，在修井作業(yè)中使用不壓井 作業(yè) 技術(shù)非常普遍，特別 是 應(yīng)用在那些要求在修井過程中保持 井筒壓力的井。一套卡瓦固定不動，另一套卡瓦隨提升機(jī)移動 。 2)傳統(tǒng)的 不壓井作業(yè)設(shè)備采用一套固定卡 瓦和一套移動卡瓦 夾持 管 柱，新設(shè)計(jì)的 不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置采用兩套移動的液壓動力卡瓦 夾持 管 柱， 實(shí)現(xiàn)卡瓦體自動升降 、起下管柱速度快、作業(yè)效率高。 西南石油大學(xué)