（机械工程专业论文）不压井作业装置的设计研究.pdf

摘要 不压井作业是指在井筒内有油、气、水压力存在的情况下，进行带压起下管柱的作 业。鉴于不压井作业相对于常规压井作业具有一定优势，所以在国内开展不压井作业装 置的研究势在必行，本课题就是在这样的情况下提出来的。通过分析不压井作业工艺及 装置在国内外的发展及应用现状，分析国内外不同类型不压井作业装置的优缺点，并根 据我国油井的具体情况，确定目前应发展辅助型短冲程不压井作业装置，在了解不压井 作业装置核心技术的基础上，设计出适合我国油田的不压井作业装置。 通过现场调研和文献阅读，了解国内外不压井作业装置的发展现状；在对不压井作 业装置使用要求进行分析的基础上，研究了不压井作业装置的基本原理并对总体方案进 行了设计。 在总体方案设计的基础上，对不压井作业装置井口密封防喷系统、举升系统和井下 堵塞器进行了结构设计，其中不压井作业井口装置主要完成了井口密封系统、举升系统、 支撑系统等的设计，并利用p r o e 软件对各系统进行了三维建模。 利用a n s y s 软件对单闸板防喷器壳体进行了有限元分析，对堵塞器胶筒压缩变形过 程进行了分析。利用a m e s i m 软件对举升系统液压控制系统进行了计算机仿真，分析了举 升液压缸的同步性。 关键词：不压井作业装置；有限元分析；液控仿真 a b s t r a c t t h es n u b b i n gs e r v i c ei s a no p e r a t i o nw h i c ht u n i n go rp u l l i n gt h ed r i l l s t r i n gw i t h o u t b i o w o u ti nt h ec o n d i t i o no ft h ew e l l b o r eu n d e ro i l ，g a so rw a t e rp r e s s u r ei nt h ew e l l b o r e i n v i e wo ft h eg r e a ta d v a n t a g e so ft h es n u b b i n gs e r v i c ec o m p a r e dt ot h ek i l l i n gw e l lw o r k o v e r h a sc e r t a i na d v a n t a g e s ，d e v e l o p i n gs n u b b i n gd e v i c ei nt h ed o m e s t i ci si m p e r a t i v e ，t h ei s s u e i s p r e s e n t e di nt h i sc a s e t h r o u g ht h ea n a l y so fs n u b b i n g d e v i c ei nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n d e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o n ，a n a l y z e st h ed i f f e r e n t t y p es n u b b i n gd e v i c e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e si n t h ed o m e s t i ca n df o r e i g n ，a n da c c o r d i n gt o o u ro i l f i e l d s i t u a t i o n ，d e t e r m i n e dw es h o u l dr e s e a r c ha u x i l i a r ys h o r ts t r o k et y p es n u b b i n gd e v i c e ，o nt h e b a s i so fu n d e r s t a n d i n go ft h es n u b b i n gd e v i c ec o r et e c h n o l o g y , d e s i g n e ds u i t a b l e s n u b b i n g d e v i c ef o rt h ed o m e s t i co i l f i e l d t h r o u g ht h e s i t e s u r v e ya n dl i t e r a t u r er e a d i n g ，u n d e r s t a n d i n g t h es n u b b i n gd e v i c e d e v e l o p m e n ts i t u a t i o ni nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n o nt h e b a s i so fa n a l y s i n gt h es n u b b i n g d e v i c er e q ui r e m e n t ，s t u d i e dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs n u b b i n gd e v i c ea n dc o m p l e t e d t h eo v e r a l l d e s i g n b a s e do nt h eo v e r a i ld e s i g n ，t h ew e l l h e a ds e a l i n g ，l i f es y s t e ma n dp l u g g i n gd e v i c eo f t h e s n u b b i n gd e v i c ew a sd e s i g n e d i nw h i c ht h es n u b b i n gw e l l h e a dd e v i c em a i n l yc o m p r i s e s w e l l h e s ds e a l i n gs y s t e m ，l i f t i n gs y s t e m ，s u p p o r t i n gs y s t e m m o d e i n g e a c hs y s t e mb yp r o e c a r r i e do u tt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es i n g l ef l a s h b o a r db o p s h e l l ，g o tt h e s h e l l d e s i g nr e a s o n a b l ec o n c l u s i o n t h er u b b e rc y l i n d e rc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o np r o c e s sw a s a n s l v z e d s i m u l a t e dt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fl i f t i n gs y s t e mb ya m e s i m , a n a l y s i st h e s y c h r o n i z a t i o no f t h el i f t i n gh y d r a u l i cc y l i n d e r k e yw o r d s ：s n u b b i n gd e v i c e ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；h y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e ms i m u l a t i o n n 中国石油大学( 华东) 硕t 学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 在全球经济高速发展的大背景下，世界各国对各种能源的使用量在不断地增长。虽 然我们在寻找和利用新能源方面投入越来越多的人力和物力，同时在只常生活、生产中 使用越来越多的可再生能源，但是作为传统能源的石油，其位置仍然是难以取代的。世 界各国在积极减少化石能源的消耗和开发新能源的同时，都在投入更多的人力和物力不 断的挖掘现有油田的生产潜力和寻找新油田，石油开采的范围从陆地扩展到近海。随着 现代石油钻采技术的发展和钻采设备能力的不断提升，现在可以在陆地上万米以下、在 深海数千米以下开采油气资源，这些技术装备都推动了石油工业的快速发展。在我国， 伴随着经济快速发展的是能源特别是石油的巨大消耗，目前我国石油进口量占国内石油 消耗总量的比例在不断增长，过度依赖石油进口将对我国能源安全造成不利影响。实际 上国内的油气资源很丰富，陆地及海洋都蕴藏着丰富的油气资源，但海洋石油的开采受 制于我国目前海洋石油开采技术落后的现状。目前，可行的办法是在勘探新的陆地油田 的同时尽可能的挖掘现有油田的生产潜能，想要保障我国的能源安全，解决我国对进口 石油过度依赖的问题，就需要我们在石油钻采设备研发领域投入更多的人力、物力，积 极的发展石油装备制造业，采取各种措施提高油气资源的开采效率。 我国同常消耗的原油大约有3 7 6 来自低渗透油田，同时我国低渗透油田的产能占 到全国原油总产能的7 0 以上，保证低渗透油气藏的产量对我国石油生产具有举足轻重 的作用。尽管我国在积极寻找新的油田，同时在现有油田建设更多新油井，但是由于大 部分油田开采时间比较长，开采难度越来越大，所以油气产量并没有很大提高。长时间 对油田开采后，各油田的油、水井的检修率也在不断上升，尤其是压力比较高的注水井。 油、水井的频繁停产检修和提高油田的油气产能构成矛盾，因此，积极采取措施有效保 护油气层，降低油井的检修率，提高低渗透油气f f l 的采收率，重新挖掘现有油田的生产 潜能，已成为我国石油行业工作者的重要研究领域。 不压井作业技术就是可以有效保护油气层，降低油气层污染，并明显提高油井采收 率的新技术。不压井作业装置是在井筒内有油气压力的情况下，带压强行起下管柱的专 用设备。不压井作业能够取代各油田仍在普遍采用的常规压井修井作业方法，可以降低 修井作业成本、保护油气藏、减轻修井作业污染、达到油田稳产增产的目标乜卜口3 。 第1 章绪论 1 2 课题的提出和研究意义 1 2 1 课题的提出 目前国内油田修井时仍然采用放喷溢流或者循环压井液压井的方法控制井内压力， 然后进行起下油管等相关作业。但是放喷溢流降压不但会破坏地层压力，而且有可能破 坏套管，同时也会对修井作业现场环境造成大量污染。油井放喷后会降低局部地层的压 力，不仅损害地层结构，也会影响单井及周边井的出油能力，水井放喷降压后会降低该 水井负责增压的周围油井产能。循环压井液压井有可能污染油层甚至堵塞油层，结果会 导致油井复产后的产量降低，根据现有统计资料：每一次压井作业会造成油井大约2 0 的产能损失。对于水平井、气井循环压井液压井影响更加严重，为了增产还要采取压裂、 洗井等增产作业，增加了二次作业的费用。对于对地层压力变化较为敏感的油层，压井 作业有可能导致压漏地层或井喷等安全事故，很大程度上增大了压井难度，使修井作业 投入更多的时间及资金，结果导致修井作业变得过于复杂。长远来看，放喷溢流和循环 压井液压井的作业都会对油气资源的开采造成不利影响，同时也难以实现油气井复产后 稳产、增产的目的。 使用不压井作业装置进行修井作业可以不循环压井液压井，避免了在压井过程中压 井液对地层的污染，很大程度上保护了油气井的地层压力和生产潜能，能够提高低渗透、 低产能、低压油气井的采收率。不压井作业不需要压井或者放喷溢流来降低井底压力， 有效减少了油气井由于压井或者放喷降压而导致的复产时间，极大降低了修井作业的资 金投入。而且不压井作业能够解决低压、低渗透率油气井在修井过程中出现把井压死的 问题。不压井作业不循环压井液、不放喷溢流，从而避免了污染作业现场环境，符合 q h s e 的要求，同时也符合提高油田采收率、降低修井作业成本的要求。目前国外主要石 油产区已经广泛采用这种不压井修井方法，该方法在油气层压力保护、减少环境污染、 提高油气井采收率、降低修井作业时间和资金投入方面效果显著。 因为不压井作业装置具有工作效率高、性能安全可靠、资金和时间投入少等优点， 故在北美、中东等国际主要石油产区每年的油气井不压井修井作业超过了4 0 0 0 井次，大 约占全年修井作业次数的9 0 以上h 1 ，都是井内有压力的情况下实现带压修井作业，从 而缩短了油、气、水井由于压井或放喷的停产时间，提高了油气井的生产效率。在某些 情况下采用不压井修井的作业投入只有采用压井修井作业的五分之一左右牺3 。 不压井作业装置的主要应用是油田的油井和注水井的带压起下管柱作业。由于该装 置采用的是不同于压井或放喷等常规控制压力的方式，有效降低了普通修井作业污染油 2 中国石油人学( 华东) 硕f ：学位论文 气层及作业现场环境的问题，并且很大程度上简化了修井作业工序，降低修井作业的资 金投入，同时还能有效提高油气产量。不压井作业装置应用于注水井，不需要对注水井 进行放喷操作的情况下进行起下管柱作业，对单井不需要卸压，不影响该注水井周边的 油井正常生产以及整个注水站的注入工作，同时不压井作业装置把修井过程中的污水导 入污水收集箱，解决了污水的污染问题，降低了注水井修井完成后增加压力的成本。对 于整个注采井网来说也具有重要意义，不压井作业保护了整个注采网络地层压力系统， 而且不需要再建立地层压力平衡，在控水稳油、提高注水时效等方面意义重大。不压井 作业装置主要应用在以下几个方面哺1 ： ( 1 ) 用于油田的重点井和高产井。这些井具有产量高、地层压力大、层间矛盾突出 的特点，在这些井采用不循环压井液压井的带压作业技术，能有效减轻对含油地层的损 害，能够缓和地层间的压力矛盾，同时有效缩短了油井复产时间，进而提高油井产量。 ( 2 ) 用于孔隙一裂缝型或显裂缝型储层。这类储层在修井过程中会严重漏失压井液， 污染地层。且在修井过程中容易发生大漏、大喷现象，导致安全事故，破坏地层和污染 环境，采用不压井修井作业可以减少上述事故的发生。 ( 3 ) 应用于注水井。不压井作业用于注水井时不需要放喷、溢流等降低注水井压力 的作业，通过收集注水井污水，减轻了污水给环境造成的污染，降低了污水的处理成本， 有效减少了对注水井进行修井前放喷和修井后回复注水井压力占用的时间，提高了修井 作业效率，并且极大的降低了注水井附近地层的压力损失。 1 2 2 课题的研究意义 本课题的研究意义在于： ( 1 ) 相对于常规修井作业，不压井作业能有效减轻对地层的损害，缩短作业周期， 降低了修井作业成本。不压井修井作业对作业现场污染较小，降低了修井作业后现场的 恢复成本。 ( 2 ) 不压井修井作业能够有效减少油井后期的压裂、洗井次数，提高油井产能的同 时，保护了油气井的生产潜能。 ( 3 ) 不压井修井装置自动化程度较高，减轻了修井操作工人的劳动强度的同时，增 加了修井作业的安全性。 3 第1 章绪论 1 3 不压井作业装置的国内外发展现状 1 3 1 不压井作业装置的国外发展现状 不压井作业的概念是h e r b e r tc o t i s 在上世纪2 0 年代末提出的，他采用双反向卡 瓦组和绞车等辅助装置配合实现管柱的强行起下作业h 1 。当时整套设备的最大下压力达 到1 5 6 k n ，最大允许通径1 9 3 7 m m 。后来还出现过链条式带压作业装置。这些早期的不 压井作业装置虽然结构简单，易于操作。但需要钻机的配合才能使用，且设备安全性不 能充分保证，所以已经被淘汰。 上世纪6 0 年代c i c e r oc b r o w n 发明液压式带压作业装置并实际应用于起下油管作 业，此后，不压井带压作业装置成为一套独立的作业系统陋1 。由于该类型的不压井作业 装置只能应用于通径较小的带压作业中，其工作能力有限。 上世纪7 0 年代至今，不压井作业装置经过不断的改进，其能够进行的带压作业范围 也不断扩大。新型不压井作业装置已经实现了全液压举升、卡瓦系统和防喷密封系统的 远程控制阳1 ，使用范围已经从陆地油井扩展到海洋平台。 国外不压井作业装置经过几十年的发展目前已趋向成熟，生产不压井装备的公司比 较多，美国i s s 公司的产品规格见表卜1 。 表1 - 1 美国i s s 公司生产的不压井装备及参数 t a b l e l - it h ep a r a m e t e r so ft h ei s s ss n u b b i n gd e v i c e 通径冲裎l 乇度 最人举最犬f旋转又 型号n j j于慕力丰 i 矩 ( r a m ) ( m ) ( 蝌)( 1 n )( k n m ) 1 2 c l k1 0 三21 225 3 3 92 6 7 027 1 5 0 k1 7 9 43 o6 67 43 33 747 2 2 5 k2 7 9 43 o1 0 0 1 15 2 3 254 3 4 0 k2 7 9 - 43 01 5 1 277 5 642 zl 4 6 0 k3 4 6l3 02 0 4 661 0 2 332 7l 6 0 0 k3 4 613 - o2 6 6 951 3 3 4827 1 根据起下油管液压缸行程的大小，可以将不压井作业装置分为长冲程和短冲程两类。 目前，长冲程的全液压不压井作业装置的最大举升力达1 3 8 0 k n ，最大下压力达7 1 0 k n ； 短冲程装备最大举升力和下压力为2 6 7 0 k n 和1 3 3 0 k n 。强行起下管柱的最大通径达到 2 4 4 5 m m 。装备经过改装后可以用于起下外径达5 0 8 m m 套管的作业。 不压井作业装置需要和井口防喷设备配合起来完成带压作业。不压井作业井口装置 4 中国石油丈学( 华东) 硕i ：学位论文 包括：密封防喷系统、放压平衡系统、卡瓦系统、举升系统、液压控制系统等。不压井 作业装置可以通过卡车进行整体运输，运达现场后连同其他辅助设备进行安装后，迅速 投入到工作中 1 0 o 国外还出现过采用自封头密封井口环空压力以实现带压起下管柱的不压井作业方 式。这种不压井作业的工作压力都低于2 1 m p a ；且一般只能连续通过1 0 至1 5 个接箍， 由于设备寿命有限，限制了其大范围的推广使用。目前国外一般采用闸板防喷器或者环 形防喷器密封套管和油管之间的环形空间，通过远程操作防喷器来密封油套环形空间。 在使用闸板防喷器密封环空时，需要同时使用两台单闸板防喷器配合使每一个接箍在闸 板防喷器有效密封环空压力的情况下通过，每个接箍的通过都需要进行四次闸板防喷器 的开关，同时进行两次平衡压力与两次平衡放空的操作。尽管操作比较复杂，但这种防 喷器的组合形式可以在2 1 m p a 压力以上的井口进行带压作业；在使用环形防喷器密封环 形空间压力时，可以起下油管强行通过环形防喷器胶芯，而不需要开关环形防喷器来导 出接箍。这种带压作业方法在对高压气井进行修井作业时，接箍通过的速度可以达到每 小时2 0 个，完成一次带压修井作业通常只需要使用两个以下的防喷器胶芯，这种密封环 空的方法被广泛采用。目前国外带压井作业装置出现了可以在井口压力1 4 0 m p a 时进行带 压作业n 。 个别发达国家在进行不压井作业时会使用计算机在作业现场进行不压井作业的工艺 设计，计算机的现场使用可以为不压井作业提供流变模型、计算管柱与设备的摩擦力、 计算油管重力平衡点、设定不压井作业装置的初始参数以及分析管柱应力等n 引。在很大 程度上提高了不压井作业的适用性、可靠性和安全性。 1 3 2 不压井作业装置的国内发展概况 虽然在不压井作业装置的研究方面的起步比较晚，但经过国内广大科研工作者的不 懈努力，国内对不压井作业装置的研究得到快速发展。 上世纪六十年代曾出现过钢丝绳式不压井作业装置，工作压力在3 m p a 以下。该装置 通常把多种起重及固定机构组合在一起，用来控制井内管柱上顶，用自封头防止井喷发 生，利用通井机起下管柱。这种装置具有结构简单、制造方便、容易操作等优点，但也 有劳动强度大、安全性能不足。 上世纪七十年代我国独立研发了额定工作压力为4 m p a 的撬装式不压井作业装置。当 时获得了较好的作业效果和研发经验，但由于对不压井作业认识上存在不足和液压元件 制造水平的局限，限制了这种不压井作业装置的推广应用。 5 第l 章绪论 上世纪八十年吉林油田研制了一种最高工作压力6 m p a 的车载式不压井作业机，且在 实际修井作业中得到一定范围的使用，目前已完成6 0 余井次的修井作业，但由于在密封 方面存在的不足而影响了该套设备的推广。 近年来，我国在不压井作业装备制造技术方面有了很大的进步，如华北石油荣盛公 司从2 0 0 1 年开始生产了一定数量的不压井作业装置，已经应用于国内各主要油田。设备 在使用过程中经过不断的改进和完善，目前在辽河油田已经应用于1 6 m p a 的修井作业 1 7 - o 国内不压井作业装置生产厂家及其主要参数如表卜2 。 表1 - 2 国内不压井作业装置生产厂家及其主要参数 t a b l e l - 2s n u b b i n gd e v i c em a n u f a c t u r e r sa n di t sm a i np a r a m e t e r si nd o m e s t i c 主要参数 液艇系 生产厂家 工作 行程 最大最大 通径统最 压力提升力下压力 ( m p a ) ( m )( 衄n )大压力 ( 1 n )( 1 n ) ( m p a ) 四机厂2 ll q99 8 05 3 92 l 华北荣盛 1 43 53 4 31 2 58 - l o 任丘铁虎 3 53 34 9 02 9 42 5 阜新驰字 1 4281 2 0 06 0 01 8 02 0 托普威尔3 5玉66 6 04 3 01 7 9 通化中油 1 01 53 1 5 2 0 0 1 2 4 1 3 3 我国不压井作业装置与国外的差距 国内在不压井作业技术和设备的研究起步比国外晚，在带压作业的工艺性、不压井 作业经验、和对不压井作业的认识上等各方面都存在一定差距，并且相对于常规压井修 井作业，不压井修井作业存在设备投入高、操作复杂、作业工艺繁多、对操作工人技术 要求高等问题，因而制约了我国不压井作业技术的发展。 国外的不压井作业装置一般都是资金投入很大的专用设备，而由于资金投入的原因， 在充分结合主要油田的油、气井的实际情况下，我国基本上使用的是各种常规修井机， 普遍采用井口密封防喷装置和修井机相配合进行带压作业的工作方式。这样既利用了现 有资源，又减少了资金投入。从长期来看，自主设计研发是我国发展不压井作业装置的 必然趋势。 6 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 国外一般在油管底部都安装循环开关底阀，在进行不压井作业之前只需要对油管内 部加压关闭循环底阀即可封堵油管内部压力进行带压作业，从而有效缩短了修井作业时 间。国内油井内一般都没有底阀，所以想要进行带压作业，就必须使用专用的油管堵塞 器堵塞油管内部，这就在一定程度上增加了作业时间。 由于国外不提供不压井作业技术和设备上的共享，我国只能成套的引进不压井作业 装置。虽然近几年我国在不压井技术方面发展较快申请了十几项专利技术，但在关键技 术上仍存在很大的差距。 虽然在不压井作业技术方面与国外存在较大差距，但我国目前已经具备了不压井作 业装最研发能力和使用市场，只要我们在相关研究领域投入更多的人力、物力，积极推 进不压井作业技术的研发力度，提高不压井作业装置的国际竞争力，必然能够拉近与国 际先进技术之间的距离。 1 4 不压井作业装置的发展趋势 因为国内对不压井作业存在认识上和设备上的不足，不压井作业技术在我国油田修 井作业现场使用还不是很普遍。在认识上对不压井作业装置的安全稳定性不了解；对不 压井作业技术能给油田带来的经济效益认识不足；不熟悉不压井作业工艺；不了解不压 井作业装置的性能。在设备上的不足包括：堵塞器投堵过程占用时间较长且性能不稳定； 防喷器胶芯不能够很好的适应不同管径；国内使用的多是组装设备，自动化程度不高、 操作比较繁琐、对操作工人的技能要求比较高。 由于不压井作业技术在保护油气层压力、提高油气井的采收率、降低修井作业成本 方面存在的优势和国内的潜在市场，高校、石油机械公司等相关科研机构和各油田应该 联合起来共同研发不压井作业装置，制造能够在我国大范围推广使用的系列不压井作业 装置，同时要制定不压井装置的标准。同时需要提高我国的石油装备制造业水平以满足 不压井作业设备在寿命和安全性方面的要求n 7 1 。 不压井作业装置作为石油钻采设备中的重点项目，可以预计到其具有如下的发展趋 势 i s - 2 1 ： ( 1 ) 通过使用先进的技术和高效自动化系统向智能化方向发展； ( 2 ) 通过使用高可靠性的设备向高安全可靠性的方向发展： ( 3 ) 通过采用一体化、模块化设计，向一体化方向发展； ( 4 ) 随着相关行业标准的制定，向系列化方向发展； ( 5 ) 通过采用高适应性的设备向高适应性方向发展。 7 第1 章绪论 1 5 本文的研究目标及内容 1 5 1 本文的研究目标 目前不压井作业设备及工艺方面的理论与实践仍然不够成熟，现有的不压井作业设 备不能满足油田的生产需要。鉴于此，本课题将探讨不压井作业工艺的研究及设备的设 计，分析不同工作环境下对不压井作业设备正常工作时性能方面的要求，以及确定工况 对不压井作业设备的性能要求。以对不压井作业工艺及设备的研究作为设计不压井作业 装置的理论基础，合理安排作业工艺，解决其在应用中存在的问题，以期望不压井作业 设备能够很好的推广，满足油田修井需要，达到安全井控、降低修井费用、保护修井现 场环境、油田增产的目的。 1 5 2 本课题的研究内容 ( 1 ) 对不压井作业设备的发展历程及现状进行分析，研究其工作原理，并探讨其工 作过程中井压及井液对设备的影响，同时综合考虑该设备作业过程中所受载荷对其的影 响，建立不压井设备的力学模型； ( 2 ) 分析现有不压井作业装置，吸取相关经验，设计不压井作业装置； ( 3 ) 利用p r o e 软件对不压井作业装置进行三维建模； ( 4 ) 利用力学知识和a n s y s 软件对主要零部件进行强度和应力分析，改进设计结果。 ( 5 ) 利用a m e s i m 软件对举升装置液控系统进行计算机仿真，分析举升系统的同步 性。 本课题拟重点对不压井作业装置进行结构设计、三维建模以及关键零部件的强度分 析等。 1 6 本章小结 本章回顾了不压井作业装置的国内外发展现状以及存在的不足，结合我国油田的特 点，提出了设计不压井作业装置的要求，确定了课题研究内容和研究方法，在理论分析 的基础上，完成不压井作业装置的设计研究工作。 8 中国石油人学( 华东) 硕士学位论文 第2 章不压井作业装置的工作原理及方案设计 本章通过对不压井作业装置构成及工作原理的介绍，分析不压井作业装置的组成及 工况，在此基础上确定不压井作业装置的设计方案，并确定不压井作业装置的主要设计 参数。 2 1 不压井作业装置的构成及工作原理 不压井作业装置是一套用于井口带压起下管柱的专门设备，它要实现带压作业，就 必须与不同工作系统相配合。由于它是在带压环境中进行作业，应重点考虑设备的结构 合理性和安全性。 2 1 1 不压井作业装置的构成 不压井作业装置主要由井口主体装置、动力系统、液压控制系统、和辅助装置构成。 其主体装置如图2 1 所示。 图2 - 1 不压井作业装置主体装置示意图 f i 9 2 - 1s t r u c t u r a ld i a g r a mo fs n u b b i n ga p p a r a t u s 1 ) 油管：2 ) 移动卡瓦：3 ) 操作平台；4 ) 同定卡瓦：5 ) 升降液压缸6 ) 环形防喷器： 7 ) 支撑底座：8 ) 单闸板防喷器；9 ) 放乐平衡四通：1 0 ) 梯子 这套主体装置由卡瓦装置、液压举升装置、压力平衡装置、密封防喷装置构成。 卡瓦装置由吲定防顶卡瓦、固定承重卡瓦( 采用锥形自紧结构，如图2 2 ) 、移动防 顶卡瓦组成。防顶卡瓦同样锥形自紧结构，只是方向相反，在承受轴向载荷的情况下具 第2 章小胜井作业装置的_ t 作原理及整体方案设计 有自紧能力。所以卡瓦在作业过程中就可以夹紧管柱，防止油管落入井内或飞出井外瞳引。 2 图2 - 2 锥形卡瓦结构图 f i 9 2 2 s t r u c t u r a ld i a g r a mo ft a p e r e ds l i pa s s e m b l y 1 ) 臂杠；2 ) 杠杆：3 ) 活塞：4 ) 卡瓦座；5 ) 卡瓦体 压力平衡装置( 如图2 3 ) 包括一个升高四通、两个液控闸板阀( 常闭) 、压力平衡 管线和泄压管线。该系统的主要作用是平衡闸板防喷器密封闸板两侧的压力，使闸板防 喷器的闸板能够能够在等压力的情况下启闭，这样就可以改善防喷器胶芯的工况，延长 了胶芯寿命。一侧液控闸板阀连接井口四通，工作时打开使来自井口的高压井液进入平 衡四通，此时下闸板防喷器闸板两侧压力经过平衡后可以顺利打丌。另一个液控闸板阀 连接油污( 水) 收集箱，工作时打开使升高四通内的井液流入收集箱，避免了井液对作 业现场造成污染，此时上闸板防喷器闸板两侧压力经过平衡后可以顺利打开。 图2 - 3 压力平衡装置 f i 9 2 3t h ep r e s s u r eb a l a n c ed e v i c e 1 ) 压力平衡管线；2 ) 液控闸板阀；3 ) 升高四通：4 ) 泄乐管线 液压举升装置( 如图2 - 4 ) 由举升液压缸、举升横梁、液控回路等组成。举升装置为起 1 0 中国石油人学( 华东) 硕1 ：学位论文 下油管作业提供上提力和下压力，现在以液压举升为主。因为不压井作业装置的性能参 数主要由举升装置的参数决定，所以液压举升装置是不压井作业装置设计的关键部分。 液压缸布置形式有多缸式和单缸同心式两种，同心式液压缸受到轴向尺寸的限制，要想 实现预定行程必须选用伸缩式液压缸，虽然安装占用空间较小，但这种液压缸的速度和 推力在运行中不稳定，在起下管柱过程中管柱速度不稳定，且由于伸缩式液压缸必须做 成空心结构，设备的成本比较高。目前不压井作业装置的举升液压缸多采用多缸式的布 置形式。即在管柱周围均布二至四个双作用单活塞液压缸来起下管柱。这种液压缸组合 比伸缩式液压缸承载能力强，且在起下管柱过程中，管柱速比较稳定。为了更好满足不 压井作业机的实际需要，举升系统一般采用单级双作用液压缸，液压缸两端都具有减振 缓冲装置，保证液压缸在行程终点换向时运行平稳。对于辅助式不压井作业装置，当井 压对管柱的上顶力小于管柱自重时，用修井车的大钩起下油管托；举升液压缸一般用于 当井压对管柱的上项力大于管柱自重时起下油管。 图2 - 4 液压举升系统 f i 9 2 4 t h eh y d r a u l i cl i f t i n gs y s t e m 1 ) 举升液压缸；2 ) 举升横梁 密封防喷装置( 如图2 - 5 ) 包括一台球形胶芯环形防喷器和两台液控单闸板防喷器。 它是不压井作业装置井口装置的重要组成部分。其作用是在作业过程中形成密闭空腔用 来密封和控制套管与油管之间的环空压力，防止井喷等安全事故的发生。并且通过两个 液控单闸板防喷器和压力平衡系统的配合可以使接箍与胶芯无接触的通过闸板防喷器。 第2 章不压井作业装置的t 作原理及整体方案设计 从而延长防喷器胶芯使用寿命。 2 3 4 图2 - 5 密封防喷装置示意图 f i 9 2 - 5 t h es c h e m a t i co fs e a l e db l o w o u tp r e v e n t i n g 1 ) 环形防喷器；2 ) 上单闸板防喷器；3 ) 平衡四通；4 ) 下单闸板防喷器 辅助装置由框架、液压支腿、爬梯、逃生滑梯、油管滑道等组成。框架如图2 6 所 示，它的作用是为主体装置提供支撑，并设有连杆机构用于固定井口密封主体装置，保 证井口密封主体装置在作业工程中的稳定性。液压支腿采用单作用柱塞缸的形式，用法 兰和框架相连，为整个作业机提供支撑。 图2 6 辅助装置 f i 9 2 - 6 t h ea u x i l i a r yd e v i c e 1 ) 液压支腿：2 ) 下平台；3 ) 支柱；4 ) 中横梁；5 ) 上平台。 1 2 中国石油入学( 华东) 硕士学位论文 2 1 2 不压井作业装置的工作原理 不压井作业装置的井口主体装置包括两台液控单闸板防喷器、一个压力平衡四通、 两台液控闸板阀、球形胶芯环形防喷器、举升液压缸和卡瓦组组成，其工作原理如图2 4 所示。 唾 簟卅 悸 d b 霉肆 譬：籼i ab 图2 - 7 带压作业原理图 f i 9 2 - 4t h ew o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo ft h es n u b b i n gd e v i c e 1 ) 上液控单闸板防喷器：2 ) 上液控闸板阀；3 ) 压力平衡四通； 4 ) 下液控闸板阀；5 ) 下液控单闸板防喷器。 图2 - 7 中，图a 是上液控单闸板防喷器处于密封环空的状态，而下液控单闸板防喷 器在压力平衡状态下打开；图b 则是下液控单闸板防喷器处于密封环空的状态，而上液 控单闸板防喷器在压力平衡状态下打开。在整个带压作业过程中，两台液控单闸板防喷 器依次打开和关闭密封环空，以保证在密封状态下安全起下油管和接箍。 由于不压井作业装置是带压作业，即作业过程中存在井口套管与油管之间的环空压 力和油管内部压力。所以，在不压井作业过程中要同时密封油套管环形空间和管柱内部 的空间；在顺利起下油管的同时还要使油管接箍和井下大尺寸工具顺利通过防喷器。在 作业丌始之前要在井内下入专用油管堵塞器，起到控制油管内部压力的作用。在起下油 管过程中，可用液控单闸板防喷器和环形防喷器来密封环空压力。若井内没有油管时， 可以用三闸板防喷器带的全封闸板长时间关井。当油管重力大于井压对油管的上顶力时， 可以不用举升系统和卡瓦组起油管，而用修井车的大钩起油管，随着井内油管重力的下 降，井压对油管的上顶力逐渐大于油管重力，此时用游动卡瓦卡紧油管，用举升液压缸 进行起油管作业，防止油管在井压的作用下突然上窜而引发事故。- f 油管过程与起油管 1 3 翼爹 霭 b ； 辩埔 第2 章不压井作业装置的工作原理及整体方案设计 过程相反，先用举升液压缸和卡瓦组合下油管，当油管重力大于井压对油管的上顶力时， 再用修井车大钩下油管。 在进行带压起管柱作业时，先通过操纵移动卡瓦卡紧油管，随后操纵举升液压缸活 塞杆上行，由于移动卡瓦固连在举升横梁上，使得油管在举升液压缸和移动卡瓦的共同 作用下上升。此时下液控单闸板防喷器和环形防喷器处于工作状态，实现对油套环形空 间的密封。 油管接箍或其他大直径井下工具需要通过液控单闸板防喷器时，为了防止接箍强行 通过损坏防喷器胶芯同时保证在接箍通过时有效密封环空，就需要两台液控单闸板防喷 器及压力平衡系统的配合使油管接箍通过。当油管接箍接近下液控单闸板防喷器时，通 过液控台停止向举升液压缸供油，然后向上液控单闸板防喷器供油使其关闭，以实现对 油套环空的密封，此时先关闭上液控闸板阀，然后打开下液控闸板阀，使得下液控单闸 板防喷器的胶芯两侧压力一致，当压力平衡四通内充满高压井液后，液控台再控制液压 油打开下液控单闸板防喷器，此时关闭下液控闸板阀，液控台向举升液压缸供液压油， 推动活塞和游动卡瓦带动油管继续上升，并使油管接箍顺利通过下液控单闸板防喷器进 入压力平衡四通内。当油管接箍接近上液控单闸板防喷器时，液控台先操作举升液压缸 的活塞停止运动，然后操作手柄关闭下单闸板防喷器，密封油套环空，接着关闭下液控 闸板阀同时将上液控闸板阀打开，使得两台单闸板防喷器之间的高压井液泄压，并将井 液导入废液收集箱。在两台液控单闸板防喷器之间的压力平衡后，关闭上液控闸板阀。 液控台向上单闸板防喷器供油，使其闸板打开，然后液控台向举升液压缸供液压油，继 续提升油管，使油管通过上液控单闸板防喷器。当井口压力小于9 m p a 时，接箍可以强行 通过环形防喷器的球形胶芯而不需要通过控制防喷器的开合导出接箍；当井口压力大于 9 m p a 时，为了保护环形防喷器的球形胶芯，不再让接箍强行通过胶芯，而是控制下液控 单闸板防喷器与环形防喷器导出接箍。当液压缸带动移动卡瓦运动到最高点时，液控台 停止向液压缸供液压油使液压缸停止动作，再控制固定卡瓦卡紧油管，防止油管上窜。 然后控制移动卡瓦松开油管，最后液控台向液压缸上腔供液压油，使液压缸活塞回到初 始位置，等待下一次起油管操作，从而完成一次在带压状态下起油管的作业。重复上述 操作过程，直到将井内所有油管及接箍起出井口。 在进行下油管作业时，液控台先操纵液压缸活塞升到最高点，控制移动卡瓦卡紧油 管，同时操作手柄打开上液控单闸板防喷器，关闭下液控单闸板防喷器，且关闭两台液 1 4 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 控闸板阀，使升高四通内处于正常压力下，然后向液压缸上腔供液压油使活塞杆向下运 动，当接箍通过上单闸板防喷器进入升高四通并接近下液控单闸板防喷器时，液控台先 停止向液压缸供液压油使其停止运动，接着控制上液控单闸板防喷器关闭，并实现对油 套环空的密封。然后打开下液控闸板阀，使两台液控单闸板防喷器之间充满高压井液， 当下液控单闸板防喷器闸板两侧的压力达到平衡后，液控台控制下液控单闸板防喷器开 启，然后关闭下液控闸板阀。液控台向液压缸上腔供液压油，使液压缸和移动卡瓦带动 油管继续下行。当油管接箍完全通过下液控单闸板防喷器后，液控台停止向液压缸供液 压油，接着控制下液控单闸板防喷器使其关闭，并密封油套环空，之后打开上液控闸板 阀，使升高四通内的高压井液泄压。当两台液控单闸板防喷器之间的压力重新达到平衡 后，关闭上液控闸板阀，液控台控制上液控单闸板防喷器打开，然后液控台向举升液压 缸供油，使油管继续下行。当液压缸活塞运行到液压缸最低点时，液控台停止向液压缸 供油，接着控制固定防顶卡瓦卡紧油管，再松开移动防顶卡瓦，最后向液压缸下腔供油， 使液压缸活塞杆升到最高位置，等待下一次下油管操作，这样就完成一次在带压状态下 下油管的作业。当连接好下一根油管后，重复上述操作过程，直到将所有油管及接箍在 带压状态下下入井内。 2 2 不压井作业装置的分类 根据不压井作业装置不同的功能进行分类乜引。主要由以下几种分类方式： 1 ) 按不压井作业装置的工作方式分为辅助式和独立式； 独立式不压井作业装置是指不需要修井机等其它设备的配合就可以完成不压井作业 的作业系统，是一种高效、经济、安全的作业装置。其能够在有压力的情况下通过弹性 密封元件强行起下管柱，不需要修井机或井架配合，独立完成不压井作业任务。这种类 型的不压井作业装置一般包括井口装置、吊车、泵车、运输卡车、信号采集车和值班房 车等。辅助式不压井作业装置是指需要井架或修井机配合使用的不压井作业装置。作为 一套专用的液压装置，其在井架或修井车配合下由举升液压缸和液控闸板防喷器等设备 完成不压井作业。该类型不压井作业装置由动力源、液压大钳、管柱起下液缸、液压系 统、液动卡瓦、液控闸板防喷器等装置组成。本身不具备循环系统。 2 ) 按不压井作业装置的运送方式分为车载式、撬装式和车载井口吊装式； 车载式不压井作业装置是指整个不压井作业主体部分安装在专用运载卡车上，达到 1 5 第2 章不压井作业装置的1 = 作原理及整体方案设计 作业现场时，用液压装置把井架和不压井作业主体装置直接竖立在井口上，安装调试后 就可以进行不压井作业。具有安装效率高、运移性好等优点。井口吊装式不压井作业装 置是指不压井作业装置各部分拆开运输到作业现场后，在作业现场对设备进行组装。对 运输工具的要求比较低。 3 ) 按不压井作业装置的举升液压缸行程分为长冲程和短冲程。 短冲程不压井作业装置指举升液压缸行程在1 8 2 9 m 至4 2 6 7 m 的不压井作业装置， 短冲程不压井作业装置起下一根油管需要液压缸分几次往复运动才能完成，效率比较低， 劳动强度大，短冲程不压井作业装置如h y d r ar i g 公司的h r s 系列；长冲程不压井作业 装置指行程在1 0 9 7 3 m 至1 2 1 2 9 m 的不压井作业装置，长冲程不压井作业装置只需要液 压缸一次行程即可起下一根油管，作业效率较高。长冲程不压井作业装置如h y d r ar i g 公 司的h r l 系列。 2 3 不压井作业装置的设计 经过对不压井作业装置的工作原理及构成的分析，确定本课题的不压井作业装置拟 采取的方案如下： ( 1 ) 井口密封防喷系统采用液控单闸板防喷器和球型胶芯环形防喷器的组合，作用 是控制井口压力； ( 2 ) 卡瓦组采用两台液控防顶卡瓦和一台承重卡瓦的组合，作用是防止油管在起下 过程中出现窜动； ( 3 ) 举升系统采用双液压缸与举升横梁的组合，作用是用于起下油管； ( 4 ) 支腿采用单作用柱塞缸，作用是承担整个作业平台的重量。 1 ) 不压井作业装置冲程的选择 由于不压井作业装置需要和井架配合完成带压作业，长冲程不压井作业装置需要很 高的井架，而国内油田的油、水井大部分都是井深3 0 0 0 米以内且有低压力、低渗透、低 产能的特点，这种井架高度不适合长冲程不压井作业装置作业，所以国内制造的不压井 作业装置均采用短冲程结构。因此本文选择短冲程不压井作业装置作为设计目标，降低 了制造难度同时也节约了资金、时阳j 的投入，还能在较短时间内提高经济效益。 2 ) 不压井作业装置的系统构成 本文设计的不压井作业装置为短冲程辅助式液压不压井作业机，其井口装置方案如 1 6 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 图2 8 所示。由专用拖车提供运输，专用泵车提供液压动力源。主要包括：密封防喷系 统、液压动力系统、压力平衡系统、液压举升装置、卡瓦组乜3 1 。 1 8 1 7 6 图2 8 不压井作业装置方案