【正文】 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。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。管柱處于平衡點上方，用液壓缸來控制管柱起下速度。上、下卡瓦的卡瓦座錐孔和卡瓦牙模的方向均相反。圖 24是結構簡圖，圖 25是現(xiàn)場安裝圖，通常稱為液壓不壓井 作業(yè)設備。通過使用輔助型液壓不壓井 作業(yè)設備 ，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。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、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，將會 發(fā)生嚴重事故。 現(xiàn)有不壓井 作業(yè) 設備結構與工作原理 不壓井 作業(yè)技術是在壓力作用下 起下管 柱 的一種 新 技術。 不 壓井 作業(yè) 設備已經被證實是一套非常 有用 的設備。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設計與分析 6 第 2 章 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置方案設計 20 紀 20 年代 不壓井 作業(yè) 技術 問世，經過幾十年的發(fā)展，如今， 不壓井 作業(yè) 技術已經發(fā)展成為 一個高 端、多功能的技術。 4)對主要零部件進行設計計算，最后設計出一套能應用于油氣田實際生產需要的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置。該公司 是 一家 中美合資公司 ，該公司 正是為了適應當前 我國 油 氣工業(yè)的需要 ，致力于不壓井作業(yè)技術的推廣、應用和研究一體 化 的技術服務公司 。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]。 我國 現(xiàn)有的 修井 作業(yè) 技術中，還沒有一種技術實現(xiàn)真正意義上 對 油氣層 的 保護 。 液壓不壓井作業(yè) 設備已經從 “ 災害服務 ” 逐漸成為重要的生產工具，并可有效地用于 海上、 沙漠、叢林和大型修井 設備 難以行駛的 城市。 國內外研究現(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。 4)注水井的 修井 作業(yè) ，不壓井作業(yè) 技術 有著 得巨大 的優(yōu)勢。 有關專家 分析指出， 以下 5類 油氣田更需要采 用不壓井 作業(yè) 技術進行 起下管柱 作業(yè) [3]。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設計與分析 2 采用 不壓井 作業(yè) 技術 ， 實現(xiàn)了 管柱與 套管環(huán)空 的 動態(tài)密封 以及 油管的內部 堵塞。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。所謂的不壓井作業(yè)技術 就是以最大限度利用 油氣產 層能量的原則為基礎 [1]。 4)在理論研究的基礎上，利用 ANSYS 有限元分析軟件 分 析計算了卡瓦主要零件的力學特性 以及對井架結構進行靜態(tài)和動態(tài)特性分析。 目前我國大部分油 氣田已進入中 后期 開采階段 ，修井作業(yè)任務也 變得 越來越繁重 ，修井作業(yè)是保證 油 氣井正常生產所必須采取的措施，油管或 抽油桿 柱的起下是 修井作業(yè)的一項重要內容。 關鍵詞： 不壓井作業(yè)；動力 卡瓦；井架； 防噴系統(tǒng)； 有限元分析 論 文 題 目 不 壓 井 修 井 作 業(yè) 起 下 管 柱 裝 置 設 計 與 分 析 I Absract The sustainable development of oil and gas resources has been influenced by the tradition well workover, which is urgently needed a new way to handle downhole servicing operation. The protection of hydrocarbon reservoir, snubbing technology can meet the requirement. At present, in our country, the majority of oilgas fields has been in the middle and later mining stage. The rework operations has bee more and more arduous, which is ensured that the oilgas well normal production. The tubing string or rod string operation is an important part of downhole remedial operation. Because of the foreign snubbing technology is on the confidentiality, domestic snubbing technology has just started, so, it is a vital practical significance to further study and developement snubbing technology. This paper is according to the actual situation of our country39。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。 隨著 油氣 開采工 藝技術的 進一步發(fā)展，修井概念也 在不斷 地發(fā)生變化 ， 不壓井作業(yè)技術 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)采集準確，為 正確評價 修井后 油氣 生產狀況提供支持 。 采用不壓井 作業(yè)技術，可在不壓井、不放噴的情況下起下管柱 作業(yè)，減少地面污染達到了安全 環(huán)保 的 目的，符合 HSE 的要求，對貫徹落實中央領導關于安全 生產、保護環(huán)境 的講話精神具有深遠意義。 2)一些低滲透油 氣井。因為氣井壓井 修井 作業(yè) 將會 造成嚴重的產 層污染，從而使 產能損失至少在 20%以上 。此類設備功能和結構簡單，需要與鉆機配合使用，安全性較差，現(xiàn) 在 已 經 淘汰。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]。工序復雜，工人勞動強度大、系統(tǒng)安全性能低等問題 。 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。托普威爾石油技術服務公司引進了 CUDD 公司先進的不壓井作業(yè)技術和 相應的配套設施 。并且對井架進行 靜態(tài)分析和動態(tài)分析 (模態(tài)分析、諧響應分析、 瞬態(tài)響應 分析 )。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。 修井作業(yè)是保證油氣井正常生產所必須采取的措施。 鉆井設備輔助型 如圖 21所示，是典型的鉆井設備輔助不壓井 作業(yè)起 下管柱設備，通常 稱為“鋼絲繩”或者“常規(guī)”設備 。圖22 是結構簡圖，圖 23是現(xiàn)場安裝圖，通常稱為輔助型液壓不壓 井 作業(yè) 設備 。 西南石油大學碩士研究生學位論文 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。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設計與分析 10 液壓不壓井 作業(yè) 設備的設計理念是 ：用 不壓井 作業(yè)設備 控制 管柱的起下 ，減少井場其他輔助設備的數(shù)量，以相對靈巧的設備組合提供巨大的提升力和下壓力，采用了模塊化設計，運輸、 安裝 以及維護方便 。 本文 設計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置 結構與工作原理 前面分析的三種基本類型的不壓井 作業(yè)設備，鉆井設備輔 助型已經淘汰，獨立液壓控制系統(tǒng)型和液壓 — 鉆井設備輔助型不壓井 作業(yè)設備有利有弊，需要預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。主要由井架、上下移動卡瓦、液壓缸、井口 防噴 系統(tǒng)組成。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。當下入井內的管柱較深時，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，這是所謂的“管重 ”情況 ，這意味著管柱下入井內深度大 于 “ 平衡點 ” 深度 。 因此，由 2 22 式 整理得： 當“管輕”時，需要不壓井作業(yè)設備提供的 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備是否合適。從表中可看出從“管輕”轉換到“管重” 需要 下入井內 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)。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。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 )。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)設備施提供的最大下壓載荷為 時，對應的管柱長度為 。最后針對目前常用的不壓井作業(yè)設備存在的問題，提出了結構和性能較為完善的不壓井作業(yè)起下管柱裝置結構方案。 隨著科學技術的進步 ， 動力卡瓦的設計也隨之向前發(fā)展。 DENCON 公司生產的動力卡瓦在 世界各 油氣田廣泛應用并且優(yōu)勢明顯，技術一直居世界領先水平，可以取代 雙吊卡倒換方式 。 本文設計的液壓動力卡瓦 結構與工作原理 目前 ，國內外對 動力卡瓦 的 研究 重點 主要在 不壓井 作業(yè) 設備 的 使用中。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。 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 西南石油大學碩士研究生學位論文 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。顯然，應力分布是軸對稱的，由厚壁筒拉梅公式 [28]： 圖 34 管柱受均布壓力圖 西南石油大學碩士研究生學位論文 25 22212222212212222122222122121111111ra ba bRRrrqqRRRRRRrrqqRRRR??????????????????? ? ???????? (38) 由于管柱只有外壓沒有內壓，即 0aq? 。 圖 36 卡瓦體受力圖 西南石油大學碩士研究生學位論文 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