【正文】 顯然，應(yīng)力分布是軸對(duì)稱的，由厚壁筒拉梅公式 [28]： 圖 34 管柱受均布?jí)毫D 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(méi)有內(nèi)壓，即 0aq? 。由四塊卡瓦牙模 5 和卡瓦體4 組成一組卡瓦實(shí)現(xiàn)對(duì)管、桿柱的卡緊。 DENCON 公司生產(chǎn)的動(dòng)力卡瓦在 世界各 油氣田廣泛應(yīng)用并且優(yōu)勢(shì)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 。最后針對(duì)目前常用的不壓井作業(yè)設(shè)備存在的問(wèn)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。隨著軸向壓力的增大，管柱主要發(fā)生局部變形 (非彈性變形 )。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(zhǎng)度，為在起 下管柱過(guò)程中防頂卡瓦與懸重卡瓦交替夾持管柱提供理論依據(jù)。當(dāng)下入井內(nèi)的管柱較深時(shí)，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(shí)需要 使用不壓井 修井 作業(yè)設(shè)備給管柱一個(gè)向上的提升力，否則管柱將會(huì)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(diǎn) ” 深度 。主要由井架、上下移動(dòng)卡瓦、液壓缸、井口 防噴 系統(tǒng)組成。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 10 液壓不壓井 作業(yè) 設(shè)備的設(shè)計(jì)理念是 ：用 不壓井 作業(yè)設(shè)備 控制 管柱的起下 ，減少井場(chǎng)其他輔助設(shè)備的數(shù)量，以相對(duì)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(jì)，運(yùn)輸、 安裝 以及維護(hù)方便 。圖22 是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖 23是現(xiàn)場(chǎng)安裝圖，通常稱為輔助型液壓不壓 井 作業(yè) 設(shè)備 。 修井作業(yè)是保證油氣井正常生產(chǎn)所必須采取的措施。并且對(duì)井架進(jìn)行 靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析 (模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、 瞬態(tài)響應(yīng) 分析 )。 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。閘板 防噴器每過(guò)一次 管柱 接頭需要 打開(kāi)，管柱 接頭 通過(guò)后再關(guān)閉 ， 環(huán)形 防噴器能連續(xù)過(guò) 管柱 接頭，以高壓氣井為例平 均每小時(shí)能過(guò) 20 個(gè)接頭，一口 井最多只需要一、兩個(gè)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]。因?yàn)闅饩畨壕?修井 作業(yè) 將會(huì) 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 。 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(duì)貫徹落實(shí)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。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(zhǎng)。 目前我國(guó)大部分油 氣田已進(jìn)入中 后期 開(kāi)采階段 ，修井作業(yè)任務(wù)也 變得 越來(lái)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(xiàng)重要內(nèi)容。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]。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設(shè)計(jì)與分析 2 采用 不壓井 作業(yè) 技術(shù) ， 實(shí)現(xiàn)了 管柱與 套管環(huán)空 的 動(dòng)態(tài)密封 以及 油管的內(nèi)部 堵塞。 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(shì)。 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。但在 作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了 諸多不足 ：固定卡瓦和移動(dòng)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]。 4)對(duì)主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最后設(shè)計(jì)出一套能應(yīng)用于油氣田實(shí)際生產(chǎn)需要的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置。 不 壓井 作業(yè) 設(shè)備已經(jīng)被證實(shí)是一套非常 有用 的設(shè)備。游動(dòng)滑車由司鉆控制，而固定卡瓦和移動(dòng) 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(huì)造成管柱被彈射 出井口 或者迅速下滑進(jìn)入井內(nèi)，將會(huì) 發(fā)生嚴(yán)重事故。圖 24是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖 25是現(xiàn)場(chǎng)安裝圖，通常稱為液壓不壓井 作業(yè)設(shè)備。管柱處于平衡點(diǎn)上方，用液壓缸來(lái)控制管柱起下速度。 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)又叫不壓井帶壓作業(yè)， 這說(shuō)明了不壓井 修井 作業(yè)起下管柱過(guò)程中井筒有壓力，而井筒壓力將會(huì)給井內(nèi)的管柱一個(gè)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。 表 21是取國(guó)產(chǎn) D級(jí) 122 加厚油管進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果。 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。 通過(guò) 以上計(jì)算分析 ,結(jié)合國(guó)內(nèi)油 氣 田對(duì) 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(dòng)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)。早在 上個(gè)世紀(jì) 70 年代 ， 前蘇聯(lián)就研制出了動(dòng)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。 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(kāi)管柱。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(duì)切向應(yīng)力的影響是不應(yīng)該忽略的。 取國(guó)產(chǎn) D 級(jí) 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。當(dāng)液壓缸 3帶動(dòng)提升桿 8 下行時(shí)，卡瓦體 4 推動(dòng)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。 與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)的石油設(shè)備相對(duì)落后。目前修井作業(yè)起下管柱操作主要由人工操作開(kāi)口型液壓鉗和倒換吊卡來(lái)完成。在文獻(xiàn) [18]中， Johnson 給出了一種計(jì)算短柱臨界壓載方程。 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(duì)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(duì) 國(guó)產(chǎn) D 級(jí) 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 。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 。當(dāng)上卡瓦移動(dòng)到下端位置時(shí)，啟動(dòng)下卡瓦夾住管柱后松開(kāi)上卡瓦，下卡瓦承擔(dān)所有管柱的重量。 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 。本質(zhì)上來(lái)講，輔助型液壓不壓井作業(yè) 設(shè)備作為安裝在鉆臺(tái)防噴器頂部的單個(gè)作業(yè)平臺(tái)。此外，在鉆井過(guò)程中可以考慮使用不壓井作業(yè)設(shè)備來(lái)控制 井口。 3)井口防噴系統(tǒng)分為兩級(jí)防噴器組，通過(guò)減壓閥調(diào)節(jié)一級(jí)和二級(jí)防噴器組間的套管環(huán)空壓力， 分級(jí)降壓，減小一級(jí)和二級(jí)防噴器組間的壓差，實(shí)現(xiàn)壓力緩沖，使得密封更可靠。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(wèn)題沒(méi) 上 有得到根本解決。 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(dòng)化程度日益提高。據(jù)國(guó)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]。所以說(shuō)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(huì)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。 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)。 2)采用兩組移動(dòng)卡瓦，液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)強(qiáng)度 。 power slips。 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(duì)新開(kāi)采的 油氣 產(chǎn)層造成破壞，如新開(kāi)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)。 目前我國(guó)低滲透油田的平均采收率約為 %，比 中高滲透油田 %低很多。 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(dòng)性 [7]。 之后， 又 在此基礎(chǔ)上 研制了一臺(tái)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]。 西南石油大學(xué)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(guò)收集國(guó)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(guó)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(shì)以及存在的問(wèn)題。一套卡瓦固定不動(dòng)，另一套卡瓦隨提升機(jī)移動(dòng) 。動(dòng)力來(lái)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(dòng)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。 很明顯，在帶壓起下管柱作業(yè)過(guò)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。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) )?？ㄍ卟捎?液缸 作動(dòng)力 進(jìn)行 開(kāi)合 和鎖緊 操作 控制 ，采用 四塊卡瓦牙 模 合成一個(gè)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) 。 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。因此，分以下兩種情況進(jìn)行分析： 1)當(dāng) 22snE???? 時(shí)， 按細(xì)長(zhǎng)桿理論分析管柱的臨界壓載。 本文采用兩級(jí)提升液壓缸，兩次起下管柱沖 程 為 ，在兩級(jí)提升液壓缸 中間 增加扶正裝置。 無(wú)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 。目前， 國(guó)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。 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)。從卡瓦