【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(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。因此，當(dāng)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(jìn)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(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。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(jī) /鉆機(jī)具備在帶壓環(huán)境之下進(jìn)行起下管柱 ，由此擴(kuò)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(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(jìn)入井內(nèi)，將會 發(fā)生嚴(yán)重事故。 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)。 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。 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(jì) 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)。 4)對主要零部件進(jìn)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。該公司 是 一家 中美合資公司 ，該公司 正是為了適應(yīng)當(dāng)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 。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(jī)配合作業(yè) [10]。 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(hù) 。 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。 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。 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。 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(jìn)行 起下管柱 作業(yè) [3]。 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。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(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]。 4)在理論研究的基礎(chǔ)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(xué)特性 以及對井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)特性分析。 目前我國大部分油 氣田已進(jìn)入中 后期 開采階段 ，修井作業(yè)任務(wù)也 變得 越來越繁重 ，修井作業(yè)是保證 油 氣井正常生產(chǎn)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(nèi)容。 關(guān)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(shè) 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(shù)的 進(jìn)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(shù) 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(zhǔn)確，為 正確評價 修井后 油氣 生產(chǎn)狀況提供支持 。 采用不壓井 作業(yè)技術(shù)，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(dá)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(hù)環(huán)境 的講話精神具有深遠(yuǎn)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(yán)重的產(chǎn) 層污染，從而使 產(chǎn)能損失至少在 20%以上 。此類設(shè)備功能和結(jié)構(gòu)簡單，需要與鉆機(jī)配合使用，安全性較差，現(xiàn) 在 已 經(jīng) 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(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]。工序復(fù)雜，工人勞動強(qiáng)度大、系統(tǒng)安全性能低等問題 。 20 世紀(jì) 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。托普威爾石油技術(shù)服務(wù)公司引進(jìn)了 CUDD 公司先進(jìn)的不壓井作業(yè)技術(shù)和 相應(yīng)的配套設(shè)施 。并且對井架進(jìn)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 )。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(chǎn)所必須采取的措施。 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 。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 。 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(dāng)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(jī)提供動力來控制游動滑車進(jìn)行起下管柱。 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(yùn)輸、 安裝 以及維護(hù)方便 。 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。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(dāng)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(jìn)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 。 因此，由 2 22 式 整理得： 當(dāng)“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(dāng)“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。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)。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(dāng)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 。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。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 ， 動力卡瓦的設(shè)計也隨之向前發(fā)展。 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 。 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。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(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。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 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