獨立式不壓井作業(yè)裝置研制與應(yīng)用

李 俊，張 建，張 寧，張東平

（河北華北石油榮盛機械制造有限公司，河北 任丘062552）＊

自2002年首臺國產(chǎn)全液壓輔助式不壓井作業(yè)裝置投入現(xiàn)場使用后，經(jīng)過10a的發(fā)展，國內(nèi)各油田已經(jīng)有各種型號的國產(chǎn)不壓井作業(yè)裝置超過100套，進口設(shè)備13套，在全國各大油田進行不壓井作業(yè)，年作業(yè)量超過4 000井次。但這些不壓井作業(yè)裝置基本上都是輔助式的結(jié)構(gòu)，只有幾套進口的設(shè)備是獨立式的。為提高國產(chǎn)不壓井作業(yè)裝置的技術(shù)水平，結(jié)合用戶的需求，研制了國產(chǎn)BYJ60／21DQ型獨立式不壓井作業(yè)裝置，并在現(xiàn)場進行了使用，取得了良好的效果。

1 總體方案設(shè)計

目前，不壓井作業(yè)設(shè)備按運載方式分為車載式和橇裝式；按作業(yè)配套方式分為獨立式和輔助式；按1次提升管柱行程分為長沖程和短沖程。獨立式不壓井作業(yè)設(shè)備不需其他設(shè)備配合即可獨立進行作業(yè)，而輔助式不壓井作業(yè)設(shè)備需與修井機等設(shè)備配合才能完成作業(yè)。長沖程不壓井作業(yè)設(shè)備的沖程大于10m，1次可提升或下壓1根管柱，作業(yè)效率高；但設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，整體高度高，下壓時管柱易彎曲變形，不適用于較高壓力的工況；短沖程不壓井作業(yè)設(shè)備的沖程一般為3～4m，需要3次才可起升或下壓1根管柱，但整體結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定安全［1－2］。

各油田在役的不壓井作業(yè)設(shè)備大多是輔助式不壓井作業(yè)裝置，需常規(guī)修井機配合完成作業(yè)，一方面因為配備修井機增加了作業(yè)成本和操作人員，另一方面對井場面積要求比較大。通過對各種方式不壓井作業(yè)設(shè)備的優(yōu)劣對比，結(jié)合國內(nèi)油田對修井作業(yè)設(shè)備性能的主要需求，確定設(shè)備的整體方案為獨立橇裝式短沖程全液壓不壓井作業(yè)裝置。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

額定動密封壓力 21MPa

可承受最大靜密封壓力 35MPa

最大上提力 680kN

最大下壓力 420kN

液缸最大上提速度 0.67m／s

液缸最大下壓速度 0.43m／s

升降液缸行程 3.65m

適合管柱直徑 ≤114.3mm（4英寸）

小絞車最大提升載荷 2×7.5kN

系統(tǒng)最大通徑 0.186m

液壓系統(tǒng)最大工作壓力 21MPa

2 整機結(jié)構(gòu)設(shè)計

BYJ60／21DQ型獨立式不壓井作業(yè)裝置在結(jié)構(gòu)上采用模塊化設(shè)計，分為動力模塊和井口作業(yè)模塊。動力模塊采用橇裝結(jié)構(gòu)，包括動力撬、柴油發(fā)動機、離合分動箱、液壓站及遠程控制臺。動力撬為重型集裝箱結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)緊湊，便于運輸。井口作業(yè)模塊包括防噴器系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)、平衡卸壓系統(tǒng)、司鉆控制臺、桅桿絞車系統(tǒng)、工作平臺及其附屬部件。井口作業(yè)模塊各部分除桅桿絞車系統(tǒng)外通過支撐裝置連接成一個整體，移運時不用拆開，便于安裝和運輸。其余各部分較輔助式不壓井作業(yè)裝置也進行了改進設(shè)計，采用伸縮鋁梯取代斜梯作為上、下平臺的梯子，采用鋁制逃逸桿，使整體結(jié)構(gòu)簡單，占地面積小，安裝運輸方便。液壓油管鉗通過吊裝機構(gòu)安裝在上平臺上，通過鋼絲繩懸掛液壓油管鉗，軟連接結(jié)構(gòu)使油管鉗在操作時能夠旋轉(zhuǎn)與升降，方便施工作業(yè)。井口作業(yè)模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 井口作業(yè)模塊結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵技術(shù)

為保證不壓井作業(yè)的順利進行，在作業(yè)過程中必須實現(xiàn)對管柱內(nèi)壓力、油套環(huán)空壓力以及管柱的有效控制；其次，桅桿絞車系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計也是該套不壓井作業(yè)裝置的關(guān)鍵技術(shù)。其中，管柱內(nèi)壓力的控制大多采用內(nèi)堵塞器進行堵塞。目前，管柱內(nèi)堵塞技術(shù)已形成系列，比較成熟，作業(yè)時可以根據(jù)管柱實際結(jié)構(gòu)情況采用適合的堵塞工藝和工具。

3.1 油套環(huán)空壓力控制

油套環(huán)空壓力控制主要依靠防噴器系統(tǒng)。該不壓井作業(yè)裝置防噴器系統(tǒng)由1臺三閘板防噴器、2臺單閘板防噴器和1臺環(huán)形防噴器組成。三閘板防噴器分別安裝剪切閘板、半封閘板和安全卡瓦，2臺單閘板防噴器安裝半封閘板。其中：閘板防噴器作為安全防噴器，一般不參與正常作業(yè)；環(huán)形防噴器用于壓力較低（≤7MPa）的情況，在帶壓起下管柱時密封管柱并通過接箍；2臺單閘板防噴器用于壓力較高時密封管柱、相互配合倒出接箍及井下工具。

由于管柱長時間在井內(nèi)，表面銹蝕嚴重，在帶壓起下管柱過程中，加劇了對防噴器密封膠芯的損壞，而且油管接箍基本上為直臺階，在強行通過環(huán)形膠芯時會切膠芯，造成膠芯儲膠量減少，密封失效。由于工況惡劣，普通的膠芯壽命很低。為提高膠芯的使用壽命，針對該情況，結(jié)合對國外同類產(chǎn)品的分析，對多種配方進行研究和試驗，研制成功了不壓井作業(yè)用專環(huán)形膠芯，該膠芯具有良好的彈性、耐磨性和抗撕裂強度，使用壽命長，能夠滿足不壓井作業(yè)的需要。

針對不壓井作業(yè)工況，專門研發(fā)了不壓井作業(yè)用閘板防噴器：其特點是采用圓形整體閘板，殼體受力均勻，改善了殼體的受力狀況；液缸對稱布置在殼體兩側(cè)，液缸直徑小，動作靈敏性好，開關(guān)閘板迅速；采用液壓開啟和關(guān)閉側(cè)門的結(jié)構(gòu)，更換閘板方便、快捷；采用圓形閘板，前密封厚度增加，儲膠量增加，采用高分子耐磨材料制作，使前密封在滿足密封的情況下具有較長的使用壽命。

3.2 管柱控制

井內(nèi)管柱在不壓井作業(yè)過程中主要承受管柱自重力、井壓對管柱的上頂力、膠芯密封管柱時產(chǎn)生的摩擦力。對管柱的控制，要求在作業(yè)的任何時候井內(nèi)管柱必須處于卡持狀態(tài)，不能掉入井內(nèi)更不能從井內(nèi)竄出［3］。對管柱的控制主要依靠舉升系統(tǒng)來實現(xiàn)：舉升系統(tǒng)包括卡瓦和升降液缸；卡瓦提供對管柱的卡緊力；升降液缸控制管柱的起下。

目前，國內(nèi)的不壓井作業(yè)裝置大多采用閘板式卡瓦，依靠2個液缸推動卡瓦牙卡緊管柱，承受的載荷能力小，在壓力較高、上頂力較大時容易打滑。針對這種情況，經(jīng)過對國外相關(guān)技術(shù)的研究，設(shè)計開發(fā)了錐形自緊式卡瓦。該卡瓦的卡瓦體錐面與殼體上的錐面相互配合，通過油缸驅(qū)動連桿機構(gòu)，使兩卡瓦體沿斜面上升卡住油管，在井壓的作用下向上運動，帶動卡瓦體在殼體的錐面上上升，使卡瓦牙越抱越緊，井壓越大卡得越緊。該卡瓦體承載能力大，卡緊可靠，牙痕均勻，對管柱損傷小，有效地解決了管柱在壓力較高、上頂力較大時容易打滑的現(xiàn)象。系統(tǒng)配備了4件錐形自緊式卡瓦：2件作為防頂卡瓦防止管柱從井內(nèi)竄出；另外2件作為承重卡瓦防止管柱掉入井內(nèi)。在卡瓦的控制系統(tǒng)上設(shè)計了卡瓦互鎖裝置，固定卡瓦和游動卡瓦不能同時打開，保證在任何時候都有卡瓦卡緊管柱，避免誤操作引發(fā)事故。另外，安裝游動卡瓦的連接盤具有被動旋轉(zhuǎn)功能，可以在卡緊管柱的情況下被動旋轉(zhuǎn)，完成帶壓上卸扣、解卡等作業(yè)。

3.3 桅桿絞車系統(tǒng)設(shè)計

通常，輔助式不壓井作業(yè)裝置在作業(yè)時使用作業(yè)車的大鉤來起下管柱及排放管柱，而獨立式不壓井作業(yè)裝置由于沒有作業(yè)車的配合，專門設(shè)計生產(chǎn)了一套伸縮式桅桿絞車系統(tǒng)，用于起下管柱及排放管柱。該系統(tǒng)采用全液壓驅(qū)動方式，桅桿臂體可自由伸縮，采用兩鉸點固定的方式，其中底部鉸點具有調(diào)整桅桿傾斜角度的功能，用于因井口不正造成的大鉤與井口中心無法對中時的調(diào)整。桅桿絞車系統(tǒng)采用雙絞車結(jié)構(gòu)，1臺用于扶正油管，另1臺用于吊單根和甩油管，大幅提高了作業(yè)效率。每臺小絞車的額定載荷為7.5kN，絞車具有調(diào)速裝置、制動裝置、過載保護裝置；吊臂系統(tǒng)具有機械鎖緊裝置，吊臂完全伸出后長度達到17m，可以滿足不壓井作業(yè)過程中上下管柱的需要，收回后長11m，可以滿足運輸要求。

3.4 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計

BYJ60／21DQ型獨立式不壓井作業(yè)裝置采用液壓控制，由于在作業(yè)時全部依靠升降液缸來舉升井內(nèi)管柱，升降液缸的工作性能將極大地影響整機的性能。為達到較快的起下速度，在動力方面選擇了功率比輔助式更大的工程型發(fā)動機，并選擇2臺高壓大排量的葉片泵作為液壓泵，并配備相當排量的調(diào)壓閥，專門為升降液缸提供高壓液壓油。另外配備3臺泵為防噴器、卡瓦、桅桿絞車系統(tǒng)等提供控制壓力。相比齒輪泵，葉片泵具有更高的容積效率、更大的排量，而且流量均勻、噪聲小、使用壽命長，能夠更好地滿足不壓井作業(yè)要求。在升降液缸的控制方面，開發(fā)了用于不壓井作業(yè)的升降液缸控制專用閥組，該閥組能夠滿足各種工況下不壓井作業(yè)的需要，增強了對升降液缸的控制，提高作業(yè)效率和安全性。

液控系統(tǒng)還配備了4套0.04m3的蓄能器，動力系統(tǒng)啟動后自動對蓄能器補充高壓液壓油，達到設(shè)定值后自動關(guān)閉。一旦動力系統(tǒng)出現(xiàn)故障停機，可以使用蓄能器的高壓液壓油操作防噴器、卡瓦密封和卡緊管柱，實現(xiàn)對壓力和管柱的控制，避免發(fā)生事故。為確保液控系統(tǒng)良好的運行，系統(tǒng)還設(shè)置了液壓油加熱和循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

BYJ60／21DQ型獨立式不壓井作業(yè)裝置于2010年研制成功，2010年底在大慶油田進行了現(xiàn)場應(yīng)用。截至目前生產(chǎn)銷售了12臺，分別在大慶油田、華北油田、川慶鉆探、新疆油田等進行了現(xiàn)場使用，累計作業(yè)超過200井次，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。該產(chǎn)品于2011年獲得了國家新型實用專利，專利號為：201120069557.2。圖2為現(xiàn)場作業(yè)情況。

圖2 現(xiàn)場作業(yè)情況

5 結(jié)論

1） 該不壓井作業(yè)裝置能夠獨立完成不壓井作業(yè)，設(shè)備投入少，現(xiàn)場運輸安裝方便、快速，卡瓦和液控系統(tǒng)安全可靠，防噴器密封性能良好，作業(yè)效率高，完全能夠滿足目前國內(nèi)中低壓井的不壓井作業(yè)，特別適用于叢式井、沼澤地、莊稼地等井場面積小的井。

2） 針對作業(yè)過程中環(huán)形防噴器強行通過接箍時膠芯磨損嚴重的情況，應(yīng)進一步改進環(huán)形防噴器和膠芯的結(jié)構(gòu)，對膠芯材料和硫化工藝進行深入研究，提高膠芯的抗磨、抗撕裂性能，提高膠芯的使用壽命，縮小與國外同類產(chǎn)品的差距。

3） 開發(fā)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)，使不壓井作業(yè)裝置本身能夠主動旋轉(zhuǎn)，滿足帶壓大修和完井作業(yè)，進一步延伸到欠平衡鉆井、小井眼鉆井，拓寬不壓井作業(yè)的應(yīng)用范圍。

［1］成大先.機械設(shè)計手冊［K］.北京：化學工業(yè)出版社，1993.

［2］常玉連，魏 靜，高 勝，等.獨立式不壓井作業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展［J］.石油礦場機械，2011，40（4）：12－16.

［3］姚金劍，羅 敏，岳欠杯，等.不壓井作業(yè)管柱下壓力分析及應(yīng)用［J］.石油礦場機械，2011，40（3）：77－81.