不压井修井作业起下管柱装置设计与分析(编辑修改稿)

不压井修井作业起下管柱装置设计与分析(编辑修改稿)内容摘要：

并与美国最大的不压井 作业 技术服务公司 CUDD 公司合作，共同推动中国不压井 作业技术 的发展。 CUDD 公司的不压井作 业技术已相当成熟，处理过各类油气井。 托普威尔石油技术服务公司引进了 CUDD 公司先进的不压井作业技术和 相应的配套设施。 通过和 CUDD 公司的合作，利用 CUDD 目前的经验和技术，来弥补国内不压井作业技术领域某些方面的空白和不足。 西南石油大学硕士研究生学位论文 5 本文研究的工作内容主要有以下几个方面： 1)通过收集国内外不压井作业设备的相关研究成果及技术资料，总结并分析国内外不压井作业设备的研究现状和不压井作业的技术优势以及存在的问题。 2)全面分析国内外不压井作业设备发展的各个阶段，并针对各种类型的不压井作业设备在 油气田现场实际使用情况进行分析，最后根据我国油气田的实际情况提出本文所设计的不压井 修井 作业起下管柱装置的技术参数、实现的功能和总体结构方案。 3)根据不压井作业技术及常规理论分析不压井作业设备各参数间的关系，合理设计不压井 修井 作业起下管柱装置的各组成部分，并按照各子组件在整个装置中的功能提出各子组件的设计方案和计算方法，为整个设备设计计算提供可行性理论依据。 4)对主要零部件进行设计计算，最后设计出一套能应用于油气田实际生产需要的不压井 修井 作业起下管柱装置。 5)利用 ANSYS 有限元分析软件对卡瓦主要零件的 力学特性进行分析计算 分析。 通过有限元分析计算，可以了解卡瓦主要零件内部的应力场和应变场的变化情况。 并且对井架进行 静态分析和动态分析 (模态分析、谐响应分析、 瞬态响应 分析 )。 通过以上的研究，本文的创新工作主要体现在以下几个方面： 1)对比现 有 几种不压井作业起下管柱的基本 类型 (钻井设备 辅助 型 、液压 — 钻井设备辅助 型 、独立液压 控制系统型 )的优缺点的基础上，新设计的不压井 修井 作业起下管柱装置采用独立液压 控制系统 ，两级提升液压缸 ，实现了长冲程、大载荷的不压井 修井作业起下管柱装置。 2)传统的 不压井作业设备采用一套固定卡 瓦和一套移动卡瓦 夹持 管 柱，新设计的 不压井 修井 作业起下管柱装置采用两套移动的液压动力卡瓦 夹持 管 柱， 实现卡瓦体自动升降 、起下管柱速度快、作业效率高。 3)井口防喷系统分为两级防喷器组，通过减压阀调节一级和二级防喷器组间的套管环空压力， 分级降压，减小一级和二级防喷器组间的压差，实现压力缓冲，使得密封更可靠。 4)采用组装设计， 占地面积小、质量小、运输简便、维修容易。 不压井修井作业起下管柱装置设计与分析 6 第 2 章 不压井修井作业起下管柱装置方案设计 20 纪 20 年代 不压井 作业 技术 问世，经过几十年的发展，如今， 不压井 作业 技术已经发展成为 一个高 端、多功能的技术。 不压井 作业 技术 提供各种修井服务，使修井作业经济、安全以及环保。 不压井 作业设备当初 仅 是 用来下放管柱进入高压井或自喷井的设备。 最初的方法涉及使用一系列的防喷器组成的井口密封装置，使得在作业 过程中管柱 接头或连接器自由通过。 那些早期的不压井 作业设备，采用上下两套卡瓦夹持住管柱。 一套卡瓦固定不动，另一套卡瓦随提升机移动。 不压井 作业 设备可以 在带压条件下用来把不同规格的管柱提升出井外， 也可以 在带压条件下 用来强行下放油管，钻杆，甚至在特殊情况下强行下放套管。 此外，也用于冲砂及控制并且恢复自喷井生产。 不 压井 作业 设备已经被证实是一套非常 有用 的设备。 甚至是正在发生井喷 时 ，不压井设备有能力使用多功能工具进入井筒，安装或嵌入压井管柱恢复损失或损坏的钻杆或油管。 随着我国大部分油气田进入中、后期开发，修井作业任务也变得越来越繁重。 修井作业是保证油气井正常生产所必须采取的措施。 油管或 抽油杆柱的起下是修井作业的一项重要内容。 在一些地区，在修井作业中使用不压井 作业 技术非常普遍，特别 是 应用在那些要求在修井过程中保持 井筒压力的井。 此外，在钻井过程中可以考虑使用不压井作业设备来控制 井口。 一般地，对于井控，在带压的情况下是否可 以起下 管柱或 者防喷系统在起下管柱时不能密封住足够的压力时考虑使用不压井作业设备。 现有不压井 作业 设备结构与工作原理 不压井 作业技术是在压力作用下 起下管 柱 的一种 新 技术。 研究和发展这一起下 管柱新技术的目的是为了避免使用压井液压井，以及由压井带来的洗井和 采用的 各种 增产措，消 除压井带来的一切损失。 目前，国内外不压井 作业起下管柱设备主要有三种基本类型：基于钻井设备辅助 型 、基于液压 — 钻井设备辅助 型 、独立液压控制系统 型 ，这三种基本类型。 钻井设备辅助型 如图 21所示，是典型的钻井设备辅助不压井 作业起 下管柱设备，通常 称为“钢丝绳”或者“常规”设备。 主要由：井口装置、防喷器、平衡 短节、固定卡瓦、操作平 台、西南石油大学硕士研究生学位论文 7 钢丝绳、移动卡瓦、平衡锤、游动滑车 等组成。 动力来源于与钻机或者修井机滚筒设备相配合使用的滑轮组工作系统，配上移动卡瓦、固定卡瓦以及平衡锤，控制管柱下放进入井内或在井筒压力 的 作用下控制管柱提升出井口的速度。 图 21 结构示意图 1井口装置； 2全封防喷器； 3下防喷器； 4平衡短节； 5管柱； 6上防喷器； 7固定卡瓦； 8操作平台； 9钢丝绳； 10移动卡瓦； 11平衡锤； 12游动滑车 此类型不压井作业设备的目的是为了克服 适当低的井口压力 起下管柱。 当井里的管柱比较“轻”的情况时，依靠平衡锤阻止管柱向上反弹；当井里的管柱比较“重”的情况时，依靠钻 机或者修井机滚筒控制游动滑车阻止管柱下降进入井里。 游动滑车由司钻控制，而固定卡瓦和移动 卡瓦则分别由 井口操作 工人操作 ，操作分散且繁琐，一旦操作者不协调、钢绳拉断、电源出故障或者人为失误，则会造成管柱被弹射 出井口 或者迅速下滑进入井内，将会 发生严重事故。 此类设备功能和结构简单，需要现场有 钻机 或者 修井机滚筒 ，安全性较差，现 在 已 经 淘汰。 不压井修井作业起下管柱装置设计与分析 8 液压 — 钻井设备辅助型 如图 2 23 所示，是典型的液压 — 钻井设备辅助不压井 作业起下管柱设备。 图22 是结构简图，图 23是现场安装图，通常称为辅助型液压不压 井 作业 设备。 图 22 结构示意图 图 23 现场安装图 1井口装置； 2主控阀； 3全封防喷器； 4闸板防 喷器； 5平衡短节； 6球形防喷器； 7液压缸； 8固定卡瓦； 9工作平台； 10管柱； 11移动 卡瓦； 12游动滑车； 13钢丝绳； 14大钩 此类型 设备，顾名思义，作为常规设备或者与钻机的合成使用的液压不压井 作业设备，需要与钻井设备配合使用，比如提升机。 主要由：井口装置、主控阀、闸板防喷器、球形防喷器、液压缸固、定卡瓦、移动卡瓦、平衡短节、 游动滑车 、钢丝绳、工作平台等组成。 本质上来讲，辅助型液压不压井作业 设备作为安装在钻台防喷器顶部的单个作业平台。 辅助型液压不压井 作业 设 备 的应用非常普遍，是一种多用途的设备。 通过使用辅助型液压不压井 作业设备 ，可使常规修井机 /钻机具备在带压环境之下进行起下管柱 ，由此扩大了工作范围。 当在“管轻”状态时，通过液压缸活塞向下移动并带动移动卡瓦在井筒有压力对管柱作用的情况下起下管柱入井。 当活塞移动到下端位置时，启动固定卡瓦夹住管柱后，然后再启动提升机提升液压缸活塞及移动卡瓦，进入下一个行程。 西南石油大学硕士研究生学位论文 9 液压缸只在“管轻”的情况下 使用，因此，当在“管重”状态时，不是使用液压缸活塞起下管柱，而是使用提升机提供动力来控制游动滑车进行起下管柱。 当游动滑车移动到端部位置时，启动固定卡瓦夹住管柱后，然后启动提升机提升或下放游动滑车及移动卡瓦，进入下一个行程。 很明显，在带压起下管柱作业过程中，如果发生故障，设备有故障保护功能，提升系统直接拉住管柱阻止管柱下降进入井里。 当在“管轻”的情况下，液压缸可以阻止管柱在井筒压力作用下向上反弹。 独立液压控制系统型 图 24 结构示意图 图 25 现场安装图 1井口装置； 2主控阀； 3全封 /剪切闸板防喷器； 4下闸板 防喷器； 5上闸板防喷器； 6液压缸； 7球形防喷器； 8固 定卡瓦； 9移动卡瓦； 10平衡回路； 11管柱； 12工作平台 如图 2 25所示，是典型的独立液压控制系统不压井 作业起下管柱设备。 图 24是结构简图，图 25是现场安装图，通常称为液压不压井 作业设备。 液压不压井 作业设备 采用伸缩液 压 缸及若干 相应的 配套设备代替传统的井架、 提升机 等起下设备。 主要由：井口装置、主控阀、 全封 /剪切闸板防喷器 、球形防喷器、液压 缸、固定卡瓦、移动卡瓦、平衡回路 、工作平台 等组成。 不压井修井作业起下管柱装置设计与分析 10 液压不压井 作业 设备的设计理念是 ：用 不压井 作业设备 控制 管柱的起下 ，减少井场其他辅助设备的数量，以相对灵巧的设备组合提供巨大的提升力和下压力，采用了模块化设计，运输、 安装 以及维护方便。 液压不压井 作业设备的设计原则是基于液压缸的使用，通过液压缸活塞的上下往复运动提供足够 的 提升力或下压力进行起下 管柱作业。 常见 的液压缸组合 结构有 ： 两个 液压缸、 三 个液压缸、 四 个液压缸、 甚至 采用 同心 液压缸。 防喷器的组合设计变化很大，高压 井 和复杂的 井下环境使得防喷器组合设计尤为重要，在施 工之前必须进行详细的设计计算。 移动卡瓦和固定卡瓦分别由上、下两组卡瓦组成。 上、下卡瓦的卡瓦座锥孔和卡瓦牙模的方向均相反。 上卡瓦是重力卡瓦，下卡瓦是防顶卡瓦。 四组卡瓦各有自己的控制液压缸 ，整体采用联锁程序控制，使 移动卡瓦和固定卡瓦开合协调一致，保证设备起下管柱作业的连续性。 本文 设计的不压井 修井 作业起下管柱装置 结构与工作原理 前面分析的三种基本类型的不压井 作业设备，钻井设备辅 助型已经淘汰，独立液压控制系统型和液压 — 钻井设备辅助型不压井 作业设备有利有弊，需要预先了解每口井的情况以及要做的工作类别才能做 出合理的选择。 液压 — 钻井设备辅助型不压井 作业设备能够在高压环境中使用和起下大型管柱。 这种特殊设备需要与传统钻机结合使用 (如提升机 )。 管柱与套管环空压力由防喷器组控制。 管柱处于平衡点下方，用提升机来支撑管柱的重量。 管柱处于平衡点上方，用液压缸来控制管柱起下速度。 而独立的 液压 控制系统 不压井 作业设备 采用伸缩液缸及若干 相应的 配套设备代替传统的井架、 提升机 等起下设备 ，采用了模块化设计，运输、 安装 以及维护方便。 如图 26所示是 本文 设计的不压井 修井 作业起下管柱装置 结构示意图，采用独立液压控制系统 [1 1 1 1 16]。 主要由井架、上下移动卡瓦、液压缸、井口 防喷 系统组成。 西南石油大学硕士研究生学位论文 11 图 26 本文设计的不压井 修井 作业起下管柱装置结构示 意图 1上移动卡瓦 ； 2上级 液压 缸； 3管柱； 4上移动卡瓦； 5下级 液压 缸； 6井架 ； 7井口防喷系统 以下放管柱进入油气井为例说明本文设计的不压井 修井 作业起下管柱装置的工作原理，见图 26： 调节下卡瓦到合适位置夹住管柱停留在初始位置不动，移动上卡瓦到上端位置，启动 上卡瓦夹住管柱后 松开下卡瓦，上卡瓦承担所有管柱的重量。 通过液压缸带动上卡瓦携带管柱向下移动进入井内，此时，如果下卡瓦不是在上端位置，移动下卡瓦到上端位置。 当上卡瓦移动到下端位置时，启动下卡瓦夹住管柱后松开上卡瓦，下卡瓦承担所有管柱的重量。 通 过液压缸带动下卡瓦携带管柱向下移动进入井内，此时，不压井修井作业起下管柱装置设计与分析 12 上卡瓦开始移动到上端位置。 因此，当下卡瓦移动到下端位置时，上卡瓦也移动到上端位置以便夹持住管柱，进入下一个行程。 当处于“管轻” 状态时，井内管柱 的下行是靠液缸强行 施 加 在管柱上的向下作用力；当处于“管重” 状态时，管柱下行 不是靠液缸带动 ，而是在管柱 自身重力的作用下下行 ， 此时只须 通过液压缸控制管柱 下行速度即可。 本文设计的不压井 修井 作业起下管柱装置是根据带压情况下起下管柱的作业方式设计的。 在起下管柱作业过程中，两个卡瓦每交换一次夹持管柱时发生一次中断。 此短时间 的中断实际上是由于一个卡瓦松开管柱之前，另一个卡瓦必须可靠地夹持住管柱。 卡瓦采用 液缸 作动力 进行 开合 和锁紧 操作 控制 ，采用 四块卡瓦牙 模 合成一个圆环状 ， 卡瓦的可靠性和安全性更高 ， 并且适应性更强。 不压井 修井 作业起下管柱装置由井架、液压动力卡瓦、井口 防喷 系统及控制系统四大部分组成。 本论文的研究重点是井架、液压动力卡瓦的设计与分析，为了更详细的说明不压井 修井作业 起下管柱的工作原理，对井口 防喷。