【正文】 碩士研究生學(xué)位論文 5 本文研究的工作內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面： 1)通過收集國內(nèi)外不壓井作業(yè)設(shè)備的相關(guān)研究成果及技術(shù)資料，總結(jié)并分析國內(nèi)外不壓井作業(yè)設(shè)備的研究現(xiàn)狀和不壓井作業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢以及存在的問題。 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]。 之后， 又 在此基礎(chǔ)上 研制了一臺撬裝式液壓不壓井 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]。 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。 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)動性 [7]。 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，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。 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。對水井而言，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。 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)。 不壓井作業(yè)技術(shù)能夠很好地解決上述 問題。 power slips。 本文結(jié)合我國油氣田的實(shí)際情況，通過以下幾方面的研究，完成了不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置的設(shè)計(jì)與分析： 1)采用獨(dú)立液壓 控制系統(tǒng) ，兩級多液壓缸起下管柱，實(shí)現(xiàn)了長沖程、大載荷的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置。 2)采用兩組移動卡瓦，液壓驅(qū)動方式，使作業(yè)速度快、效率高且減輕 了井口操作工人的勞動強(qiáng)度 。 derrick。 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)，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)效益和社會效益。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。 3)孔隙－裂縫型或顯裂縫型儲層。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]。 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。 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 動化程度日益提高。 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 對不壓井 修井 作業(yè)起下管柱設(shè)備研究。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。 2)全面分析國內(nèi)外不壓井作業(yè)設(shè)備發(fā)展的各個(gè)階段，并針對各種類型的不壓井作業(yè)設(shè)備在 油氣田現(xiàn)場實(shí)際使用情況進(jìn)行分析，最后根據(jù)我國油氣田的實(shí)際情況提出本文所設(shè)計(jì)的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置的技術(shù)參數(shù)、實(shí)現(xiàn)的功能和總體結(jié)構(gòu)方案。 3)井口防噴系統(tǒng)分為兩級防噴器組，通過減壓閥調(diào)節(jié)一級和二級防噴器組間的套管環(huán)空壓力， 分級降壓，減小一級和二級防噴器組間的壓差，實(shí)現(xiàn)壓力緩沖，使得密封更可靠。 不壓井 作業(yè) 設(shè)備可以 在帶壓條件下用來把不同規(guī)格的管柱提升出井外， 也可以 在帶壓條件下 用來強(qiáng)行下放油管，鉆桿，甚至在特殊情況下強(qiáng)行下放套管。此外，在鉆井過程中可以考慮使用不壓井作業(yè)設(shè)備來控制 井口。 圖 21 結(jié)構(gòu)示意圖 1井口裝置； 2全封防噴器； 3下防噴器； 4平衡短節(jié)； 5管柱； 6上防噴器； 7固定卡瓦； 8操作平臺； 9鋼絲繩； 10移動卡瓦； 11平衡錘； 12游動滑車 此類型不壓井作業(yè)設(shè)備的目的是為了克服 適當(dāng)?shù)偷木趬毫?起下管柱。本質(zhì)上來講，輔助型液壓不壓井作業(yè) 設(shè)備作為安裝在鉆臺防噴器頂部的單個(gè)作業(yè)平臺。當(dāng)在“管輕”的情況下，液壓缸可以阻止管柱在井筒壓力作用下向上反彈。 防噴器的組合設(shè)計(jì)變化很大，高壓 井 和復(fù)雜的 井下環(huán)境使得防噴器組合設(shè)計(jì)尤為重要，在施 工之前必須進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算 。管柱與套管環(huán)空壓力由防噴器組控制。當(dāng)上卡瓦移動到下端位置時(shí)，啟動下卡瓦夾住管柱后松開上卡瓦，下卡瓦承擔(dān)所有管柱的重量。 不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置由井架、液壓動力卡瓦、井口 防噴 系統(tǒng)及控制系統(tǒng)四大部分組成。圖 27 是管柱垂直方向上的受力示意圖 ，圖 (a)管柱 是西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 13 處于“ 管輕 ” 時(shí) 的受力示意圖 ， 圖 (b)是管柱處于“ 管重 ” 時(shí) 的受力示意圖 。 因?yàn)楣苤?接箍 外徑大，所以，當(dāng)管柱接箍位于防噴器膠芯處時(shí)井筒壓力作用在管柱橫截面 上的上頂 力 pF 大 。 西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 15 表 21 122加厚油管 不同井筒壓力對應(yīng)的設(shè)備需提供的力與平衡點(diǎn)深度 井筒壓力 (MPa) 設(shè)備提供 的 下壓載荷 snubF (kN) 平衡點(diǎn)深度 (m) 接箍在膠心 管柱在膠心 0 0 0 0 5 10 15 20 25 30 35 1957 40 0501001502002503003500 5 10 15 20 25 30 35 40 45井筒壓力，MPa作業(yè)設(shè)備需提供的力Fsnub，kN系列1 系列2 圖 28 井筒壓力 — 作業(yè) 設(shè)備需提供的力 snubF 曲線圖 系列 1接箍位于膠芯處；系列 2管柱位于膠芯處 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 16 經(jīng)上述 分析，在 35MPa 井筒壓力下，對 國產(chǎn) D 級 122加厚油管進(jìn)行計(jì)算 得出 需要不壓井修井作業(yè)裝置提供最大下壓載荷為 ；當(dāng) 井筒壓力為零， 4000 井深下，需要 不壓井修井作業(yè)裝置提供最大提升力等于管柱的懸重，即最大提升力為 。隨著軸向壓載的增大達(dá)到臨界壓載時(shí)，細(xì)長桿通常發(fā)生彎曲 (彈性變形 )變形。在文獻(xiàn) [18]中， Johnson 給出了一種計(jì)算短柱臨界壓載方程。 技術(shù)參數(shù)與特點(diǎn) 不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備承壓能力取決于防噴器的性能。目前修井作業(yè)起下管柱操作主要由人工操作開口型液壓鉗和倒換吊卡來完成。 設(shè)計(jì) 動力卡瓦 時(shí)要考慮以下因素 ： 1)要有足夠的夾緊能力； 2)操作靈活，夾緊速度快； 3)結(jié)構(gòu)緊湊，體積??； 4)在起下油管或抽油桿柱 時(shí)卡瓦夾緊 油管或抽油桿柱 并移動到指定的位置； 5)能平穩(wěn)的松開夾緊的油管或抽油桿柱； 6)在突發(fā)故障時(shí)能夾住油管或抽油桿柱不動； 7)卡瓦牙模硬度高，耐磨，摩擦系數(shù)大； 8)卡瓦牙模 更換方便。 與發(fā)達(dá)國家相比較，我國的石油設(shè)備相對落后。國外 不壓井 修井 設(shè)備 性能較好，但價(jià)格昂貴，不適合我國 油氣田的 實(shí)際情況。當(dāng)液壓缸 3帶動提升桿 8 下行時(shí)，卡瓦體 4 推動油管或抽油桿柱居中，隨之使卡瓦體 5沿卡瓦座 2內(nèi)錐面燕尾槽下行收攏夾住油管或抽油桿柱。 當(dāng)卡瓦卡住管柱時(shí)，卡瓦對油管的摩擦力與管柱的懸重 G相等，即： 24 bb HG f q R?? (36) 將 (35)式帶入 (36)， 整理得 油管柱對 卡瓦牙 模的 均布壓力 bq ： 2244 2 si n( )21 t a nt a nNb NG K GH R H Rfq f ? ????? ??? ? (37) 卡瓦牙 模 高 度 H 的確定 目前 , 關(guān)于卡瓦卡緊管柱的力分析學(xué)模型主要 有兩種：一種是美國 API 厚壁筒工程不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 24 實(shí)用算法，如圖 33(a)所示 [26]；另一種是前蘇聯(lián) A ?A ?達(dá)烈揚(yáng)將管柱簡化成薄殼算法，圖 33(b)所示 [27]。 取國產(chǎn) D 級 122 加厚油管， 在 4000m 管柱懸重下， 把 相關(guān)參數(shù) (其中 49???，650s? ? MPa， ? )代入 (312)式進(jìn)行計(jì)算 求得卡瓦牙模高 H為 260mm。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 26 0501001502002503003504004500 50 100 150 200 250 300 350 400 450卡瓦牙模高度H ，m m管柱懸重G，kN 圖 35 卡 瓦牙模高度 H 與管柱懸重 G 間的關(guān)系變化曲線 從圖 35可以得出： (1)卡瓦牙模高度 H 與管柱懸重 G 呈 遞增 關(guān)系 ； (2)當(dāng)卡瓦牙模高度 H小于 200mm 時(shí) , 卡瓦牙模高度每增加 50mm，管 柱懸重增加幅度較大； (3)當(dāng)卡瓦牙模高度 H 大 于 300mm 時(shí) ， 卡瓦牙模高度每增加 50mm，管柱懸重增加幅度不足 4%。在管柱直徑較大或者卡瓦牙模較短的情況下，縱向彎曲和軸向拉應(yīng)力對切向應(yīng)力的影響是不應(yīng)該忽略的。當(dāng)油管或抽油桿重力不足以克服井內(nèi)壓力造成的上頂力時(shí)，這種現(xiàn)象稱為“管輕”，這時(shí)下卡瓦夾住油管或抽油桿柱阻止油管或抽油 桿柱被頂出井外。 不壓井作業(yè)要求不壓井作業(yè)裝置的卡瓦能實(shí)現(xiàn)管柱處于“管重”或“管輕”狀況下快速、可靠的卡緊和松開管柱。針對這些問題，我國的 許多科研單位和部分廠家已開發(fā)研制出一些適合我國井下作業(yè) 情況的動力卡瓦。早在 上個(gè)世紀(jì) 70 年代 ， 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。 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 以上計(jì)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(jì)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(jì)算 )； 4)最大下壓載荷： 300kN(按 122 油管， 最大套管環(huán)空壓力 35MPa 計(jì)算 ) 5)一 次起下管柱 沖程： ； 6)安裝適應(yīng)范圍：各種鉆機(jī)配合作業(yè)、也可安裝在生產(chǎn)井上獨(dú)立作業(yè)。 0501001502002503003504004505005506006507007508000 1 2 3 4 5管柱計(jì)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(xì)長桿與短柱的分界點(diǎn)計(jì)算長 L=，與圖 211 計(jì)算結(jié)果相吻合。 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。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 。 表 21是取國產(chǎn) D級 122 加厚油管進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。 經(jīng)上述分析可得出以下結(jié)論： 1)當(dāng)管柱 接箍 位于噴器膠芯處時(shí)， 井筒壓力作用在管柱 橫截面 上的上頂力 pF 達(dá)到最大 值； 2)當(dāng)開始下管柱進(jìn)入井內(nèi)時(shí)，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(dá) 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(jì)與分析 14 3)當(dāng) 井筒壓力為零，需要 不壓井作業(yè)裝置提供的提升力 snubF? 達(dá)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。 不壓井 修井 作業(yè) 起下管柱 裝置 設(shè)計(jì)參數(shù)確定 不壓井作業(yè)有時(shí)又叫不壓井帶壓