【文章內(nèi)容簡介】 并與美國最大的不壓井 作業(yè) 技術服務公司 CUDD 公司合作，共同推動中國不壓井 作業(yè)技術 的發(fā)展。 CUDD 公司的不壓井作 業(yè)技術已相當成熟，處理過各類油氣井。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 。通過和 CUDD 公司的合作，利用 CUDD 目前的經(jīng)驗和技術，來彌補國內(nèi)不壓井作業(yè)技術領域某些方面的空白和不足。 西南石油大學碩士研究生學位論文 5 本文研究的工作內(nèi)容主要有以下幾個方面： 1)通過收集國內(nèi)外不壓井作業(yè)設備的相關研究成果及技術資料，總結并分析國內(nèi)外不壓井作業(yè)設備的研究現(xiàn)狀和不壓井作業(yè)的技術優(yōu)勢以及存在的問題。 2)全面分析國內(nèi)外不壓井作業(yè)設備發(fā)展的各個階段，并針對各種類型的不壓井作業(yè)設備在 油氣田現(xiàn)場實際使用情況進行分析，最后根據(jù)我國油氣田的實際情況提出本文所設計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置的技術參數(shù)、實現(xiàn)的功能和總體結構方案。 3)根據(jù)不壓井作業(yè)技術及常規(guī)理論分析不壓井作業(yè)設備各參數(shù)間的關系，合理設計不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置的各組成部分，并按照各子組件在整個裝置中的功能提出各子組件的設計方案和計算方法，為整個設備設計計算提供可行性理論依據(jù)。 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(chǎn)需要的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置。 5)利用 ANSYS 有限元分析軟件對卡瓦主要零件的 力學特性進行分析計算 分析 。通過有限元分析計算，可以了解卡瓦主要零件內(nèi)部的應力場和應變場的變化情況。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 )。 通過以上的研究，本文的創(chuàng)新工作主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 1)對比現(xiàn) 有 幾種不壓井作業(yè)起下管柱的基本 類型 (鉆井設備 輔助 型 、液壓 — 鉆井設備輔助 型 、獨立液壓 控制系統(tǒng)型 )的優(yōu)缺點的基礎上，新設計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置采用獨立液壓 控制系統(tǒng) ，兩級提升液壓缸 ，實現(xiàn)了長沖程、大載荷的不壓井 修井作業(yè)起下管柱裝置。 2)傳統(tǒng)的 不壓井作業(yè)設備采用一套固定卡 瓦和一套移動卡瓦 夾持 管 柱，新設計的 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， 實現(xiàn)卡瓦體自動升降 、起下管柱速度快、作業(yè)效率高。 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，實現(xiàn)壓力緩沖，使得密封更可靠。 4)采用組裝設計， 占地面積小、質量小、運輸簡便、維修容易。 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(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今， 不壓井 作業(yè) 技術已經(jīng)發(fā)展成為 一個高 端、多功能的技術。 不壓井 作業(yè) 技術 提供各種修井服務，使修井作業(yè)經(jīng)濟、安全以及環(huán)保 。 不壓井 作業(yè)設備當初 僅 是 用來下放管柱進入高壓井或自噴井的設備 。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。 那些早期的不壓井 作業(yè)設備，采用上下兩套卡瓦夾持住管柱。一套卡瓦固定不動，另一套卡瓦隨提升機移動 。 不壓井 作業(yè) 設備可以 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 用來強行下放油管，鉆桿，甚至在特殊情況下強行下放套管。 此外，也用于沖砂及控制并且恢復自噴井生產(chǎn)。 不 壓井 作業(yè) 設備已經(jīng)被證實是一套非常 有用 的設備。甚至是正在發(fā)生井噴 時 ，不壓井設備有能力使用多功能工具進入井筒，安裝或嵌入壓井管柱恢復損失或損壞的鉆桿或油管。 隨著我國大部分油氣田進入中、后期開發(fā)，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(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。 在一些地區(qū)，在修井作業(yè)中使用不壓井 作業(yè) 技術非常普遍，特別 是 應用在那些要求在修井過程中保持 井筒壓力的井。此外，在鉆井過程中可以考慮使用不壓井作業(yè)設備來控制 井口。一般地，對于井控，在帶壓的情況下是否可 以起下 管柱或 者防噴系統(tǒng)在起下管柱時不能密封住足夠的壓力時考慮使用不壓井作業(yè)設備 。 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。研究和發(fā)展這一起下 管柱新技術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。目前，國內(nèi)外不壓井 作業(yè)起下管柱設備主要有三種基本類型：基于鉆井設備輔助 型 、基于液壓 — 鉆井設備輔助 型 、獨立液壓控制系統(tǒng) 型 ，這三種基本類型。 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 。主要由：井口裝置、防噴器、平衡 短節(jié)、固定卡瓦、操作平 臺、西南石油大學碩士研究生學位論文 7 鋼絲繩、移動卡瓦、平衡錘、游動滑車 等組成。動力來源于與鉆機或者修井機滾筒設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。 圖 21 結構示意圖 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)設備的目的是為了克服 適當?shù)偷木趬毫?起下管柱。當井里的管柱比較“輕”的情況時，依靠平衡錘阻止管柱向上反彈；當井里的管柱比較“重”的情況時，依靠鉆 機或者修井機滾筒控制游動滑車阻止管柱下降進入井里。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 或者迅速下滑進入井內(nèi)，將會 發(fā)生嚴重事故。 此類設備功能和結構簡單，需要現(xiàn)場有 鉆機 或者 修井機滾筒 ，安全性較差，現(xiàn) 在 已 經(jīng) 淘汰。 不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設計與分析 8 液壓 — 鉆井設備輔助型 如圖 2 23 所示，是典型的液壓 — 鉆井設備輔助不壓井 作業(yè)起下管柱設備。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 。 圖 22 結構示意圖 圖 23 現(xiàn)場安裝圖 1井口裝置； 2主控閥； 3全封防噴器； 4閘板防 噴器； 5平衡短節(jié)； 6球形防噴器； 7液壓缸； 8固定卡瓦； 9工作平臺； 10管柱； 11移動 卡瓦； 12游動滑車； 13鋼絲繩； 14大鉤 此類型 設備，顧名思義，作為常規(guī)設備或者與鉆機的合成使用的液壓不壓井 作業(yè)設備，需要與鉆井設備配合使用，比如提升機。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。本質上來講，輔助型液壓不壓井作業(yè) 設備作為安裝在鉆臺防噴器頂部的單個作業(yè)平臺。輔助型液壓不壓井 作業(yè) 設 備 的應用非常普遍，是一種多用途的設備。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。 當在“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。當活塞移動到下端位置時，啟動固定卡瓦夾住管柱后，然后再啟動提升機提升液壓缸活塞及移動卡瓦，進入下一個行程。 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。當游動滑車移動到端部位置時，啟動固定卡瓦夾住管柱后，然后啟動提升機提升或下放游動滑車及移動卡瓦，進入下一個行程。 很明顯，在帶壓起下管柱作業(yè)過程中，如果發(fā)生故障，設備有故障保護功能，提升系統(tǒng)直接拉住管柱阻止管柱下降進入井里。當在“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。 獨立液壓控制系統(tǒng)型 圖 24 結構示意圖 圖 25 現(xiàn)場安裝圖 1井口裝置； 2主控閥； 3全封 /剪切閘板防噴器； 4下閘板 防噴器； 5上閘板防噴器； 6液壓缸； 7球形防噴器； 8固 定卡瓦； 9移動卡瓦； 10平衡回路； 11管柱； 12工作平臺 如圖 2 25所示，是典型的獨立液壓控制系統(tǒng)不壓井 作業(yè)起下管柱設備。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。 液壓不壓井 作業(yè)設備 采用伸縮液 壓 缸及若干 相應的 配套設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的井架、 提升機 等起下設備。 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。 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 。 液壓不壓井 作業(yè)設備的設計原則是基于液壓缸的使用，通過液壓缸活塞的上下往復運動提供足夠 的 提升力或下壓力進行起下 管柱作業(yè)。常見 的液壓缸組合 結構有 ： 兩個 液壓缸、 三 個液壓缸、 四 個液壓缸、 甚至 采用 同心 液壓缸 。 防噴器的組合設計變化很大，高壓 井 和復雜的 井下環(huán)境使得防噴器組合設計尤為重要，在施 工之前必須進行詳細的設計計算 。 移動卡瓦和固定卡瓦分別由上、下兩組卡瓦組成。上、下卡瓦的卡瓦座錐孔和卡瓦牙模的方向均相反。上卡瓦是重力卡瓦，下卡瓦是防頂卡瓦。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，保證設備起下管柱作業(yè)的連續(xù)性。 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(jīng)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。 液壓 — 鉆井設備輔助型不壓井 作業(yè)設備能夠在高壓環(huán)境中使用和起下大型管柱。這種特殊設備需要與傳統(tǒng)鉆機結合使用 (如提升機 )。管柱與套管環(huán)空壓力由防噴器組控制。管柱處于平衡點下方，用提升機來支撐管柱的重量。管柱處于平衡點上方，用液壓缸來控制管柱起下速度。而獨立的 液壓 控制系統(tǒng) 不壓井 作業(yè)設備 采用伸縮液缸及若干 相應的 配套設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的井架、 提升機 等起下設備 ，采用了模塊化設計，運輸、 安裝 以及維護方便 。 如圖 26所示是 本文 設計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置 結構示意圖，采用獨立液壓控制系統(tǒng) [1 1 1 1 16]。主要由井架、上下移動卡瓦、液壓缸、井口 防噴 系統(tǒng)組成。 西南石油大學碩士研究生學位論文 11 圖 26 本文設計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置結構示 意圖 1上移動卡瓦 ； 2上級 液壓 缸； 3管柱； 4上移動卡瓦； 5下級 液壓 缸； 6井架 ； 7井口防噴系統(tǒng) 以下放管柱進入油氣井為例說明本文設計的不壓井 修井 作業(yè)起下管柱裝置的工作原理，見圖 26： 調(diào)節(jié)下卡瓦到合適位置夾住管柱停留在初始位置不動，移動上卡瓦到上端位置，啟動 上卡瓦夾住管柱后 松開下卡瓦，上卡瓦承擔所有管柱的重量。通過液壓缸帶動上卡瓦攜帶管柱向下移動進入井內(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。當上卡瓦移動到下端位置時，啟動下卡瓦夾住管柱后松開上卡瓦，下卡瓦承擔所有管柱的重量。通 過液壓缸帶動下卡瓦攜帶管柱向下移動進入井內(nèi)，此時，不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置設計與分析 12 上卡瓦開始移動到上端位置。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。 當處于“管輕” 狀態(tài)時，井內(nèi)管柱 的下行是靠液缸強行 施 加 在管柱上的向下作用力；當處于“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。 本文設計的不壓井 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)方式設計的。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。此短時間 的中斷實際上是由于一個卡瓦松開管柱之前，另一個卡瓦必須可靠地夾持住管柱?？ㄍ卟捎?液缸 作動力 進行 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 ， 并且適應性更強 。 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。本論文的研究重點是井架、液壓動力卡瓦的設計與分析，為了更詳細的說明不壓井 修井作業(yè) 起下管柱的工作原理，對井口 防噴