張曉軍

（大慶石油管理局有限公司松原裝備制造分公司，黑龍江 大慶 163000）

隨著油氣田開發(fā)的進(jìn)一步深入，氣井?dāng)?shù)量的逐年增加，每年有上百口氣井由于節(jié)流器失效、井底積液、管柱腐蝕、井口刺漏等原因進(jìn)行修井。常規(guī)作業(yè)一般都采用高密度壓井液壓井將井壓力降低后進(jìn)行作業(yè)。高密度壓井液壓井不僅成本高、時(shí)間長，而且會堵塞地下油(氣)水通道，對氣井產(chǎn)層產(chǎn)生污染，影響復(fù)產(chǎn)后的產(chǎn)氣量。而采用帶壓作業(yè)工藝，則可很好解決這一技術(shù)難題。目前，帶壓作業(yè)技術(shù)和裝備在北美發(fā)展已非常成熟，輔助式和獨(dú)立式設(shè)備及其配套工具序列齊全，最高舉升力可達(dá)2700kN，最高下壓力可達(dá)1150kN，液缸行程多為3m左右，最高作業(yè)井壓力可達(dá)140MPa。國內(nèi)帶壓作業(yè)的研究起步較晚，并且由于市場的需求及技術(shù)瓶頸等限制，大多數(shù)為輔助式和舉升能力較低的油水井用的是獨(dú)立式帶壓作業(yè)機(jī)。本公司研發(fā)的BYJ90/70-DQ2-QJ1獨(dú)立式氣井帶壓作壓業(yè)機(jī)主要應(yīng)用在氣井的帶壓修井作業(yè)上，并且舉升力可達(dá)900kN，最高作業(yè)井力可達(dá)70MPa，可取代國外同等級設(shè)備在國內(nèi)使用。

1 基本結(jié)構(gòu)

BYJ90/70-DQ2-QJ1獨(dú)立式氣井帶壓作業(yè)機(jī)屬于輕型的液壓控制獨(dú)立式帶壓作業(yè)裝置，包括舉升機(jī)部分、動(dòng)力部分，具體結(jié)構(gòu)見圖1的結(jié)構(gòu)簡圖。

動(dòng)力部分由液壓站集裝箱提供，舉升機(jī)部分包括管柱密封系統(tǒng)、液缸、卡瓦系統(tǒng)、平衡卸壓系統(tǒng)、工作平臺以及地面扶梯、逃生滑道、油管坡道等附屬部件。

液控系統(tǒng)包括液壓泵、閥組、司鉆控制臺、遠(yuǎn)程控制臺、液壓油箱、蓄能器、控制管線、接頭及過濾系統(tǒng)。

管柱密封系統(tǒng)是氣井帶壓作業(yè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備之一，其作用是在整個(gè)作業(yè)過程中始終控制油套管環(huán)形空間的壓力，防止井噴，保證作業(yè)的安全順利進(jìn)行。

1.1 工作原理

舉升系統(tǒng)是氣井帶壓作業(yè)裝置的主要設(shè)備。主要負(fù)責(zé)提供帶壓作業(yè)過程中所需的克服井壓對管柱的上頂力。本系統(tǒng)液缸采用單級雙作用液缸，兩端都有防止沖擊的減震裝置，保證換向過程中的穩(wěn)定。四個(gè)液缸的活塞桿與舉升橫梁板連接成一體，保證了液缸與防噴串及井口的同心度要求。

圖1

舉升橫梁是氣井帶壓作業(yè)裝置的主要設(shè)備，其作用是連接液缸和游動(dòng)卡瓦，并傳遞和承受液缸和卡瓦的作用力。舉升橫梁分別與液缸的活塞桿及上橫梁板和四立柱相連。在作業(yè)過程中液缸帶動(dòng)舉升橫梁上升或下降，帶動(dòng)游動(dòng)卡瓦一起運(yùn)動(dòng)，下壓管柱，完成帶壓作業(yè)。

平衡卸壓系統(tǒng)是氣井帶壓作業(yè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備。其作用是平衡井口防噴器開關(guān)時(shí)閘板或膠芯上下的壓力，防止帶壓開啟閘板和膠芯，提高防噴器膠件的使用壽命。

卡瓦系統(tǒng)是氣井帶壓作業(yè)裝置的關(guān)鍵設(shè)備。該設(shè)備采用兩臺卡瓦：固定卡瓦、游動(dòng)卡瓦。

游動(dòng)卡瓦安裝在舉升橫梁的上端，在液缸的作用下隨上橫梁一起上下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)油管上升或下降；固定卡瓦與環(huán)型防噴器的下法蘭相連接，在液缸的空行程時(shí)卡緊管柱，防止管柱掉入井內(nèi)或飛出，保證整個(gè)作業(yè)過程安全可靠。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

BYJ90/70-DQ2-QJ1獨(dú)立式氣井帶壓作業(yè)機(jī)防噴系統(tǒng)的卡瓦是氣井帶壓作業(yè)裝置的關(guān)鍵部件，采用了專利技術(shù)設(shè)計(jì)制造。具備以下特點(diǎn)：

（1）卡瓦采用內(nèi)斜面式卡緊機(jī)構(gòu)，具有自鎖夾緊功能。牙板受壓均，卡緊可靠。

（2）卡瓦同步夾緊、同步松開管柱，動(dòng)作準(zhǔn)確。

（3）卡瓦的運(yùn)動(dòng)采用雙液缸驅(qū)動(dòng)。

（4）浮動(dòng)立柱結(jié)構(gòu)適應(yīng)油管的微量偏移，自行補(bǔ)償對中。

防噴系統(tǒng)在氣井帶壓作業(yè)的施工過程中能夠有效實(shí)施井控。它控井能力達(dá)到70MPa。最大通過能力為7 1/16″。

防噴系統(tǒng)的關(guān)鍵是合理組合環(huán)形防噴器、單閘板防噴器、控制壓力平衡四通的封井作業(yè)的程序，使受控管柱與井下工具能夠順利通過與密封。

圖2 結(jié)構(gòu)圖

2 獨(dú)立式氣井帶壓作業(yè)機(jī)舉升框架結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析

2.1 提升框架整體結(jié)構(gòu)

獨(dú)立式氣井帶壓作業(yè)機(jī)提升框架整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由游動(dòng)卡瓦、舉升橫梁、舉升液壓缸、上橫梁、立柱組合、下橫梁板、過渡短接組成，力學(xué)分析取的是用來傳遞載荷和約束的游動(dòng)卡瓦與舉升橫梁接觸部分，過渡短接與下橫梁接觸部分。

獨(dú)立式氣井帶壓作業(yè)機(jī)提升過程中，其工作原理為游動(dòng)卡瓦卡緊，固定卡瓦松開，舉升液壓缸開始帶動(dòng)舉升橫梁向上提升，提升載荷按照100t計(jì)算。載荷傳遞路徑為通過游動(dòng)卡瓦→舉升橫梁→舉升液壓缸→上橫梁→立柱組合→下橫梁板→過渡短接→地面。

在此過程中，舉升橫梁承受彎曲和剪切載荷，上橫梁受彎曲載荷，不受剪切載荷，立柱受彎曲和壓縮載荷，下橫梁板受彎曲和剪切載荷。

整個(gè)過程主要有兩個(gè)關(guān)鍵位置，因此可以確定為兩個(gè)工況：

工況一：固定卡瓦松開，游動(dòng)卡瓦卡緊且位于最下端；

工況二：固定卡瓦松開，游動(dòng)卡瓦卡緊且位于最上端。

施加完載荷及約束如圖3所示。

2.2 有限元結(jié)果分析

舉升框架在100t載荷作用下，產(chǎn)生的整體放大190倍的變形趨勢如圖4所示。

從圖4中可以清楚的看出提升框架整體的變形趨勢，及各部分結(jié)構(gòu)的作用。能夠看出上橫梁的變形最小，舉升橫梁和下橫梁的變形最大。舉升橫梁向下凹彎曲，下橫梁上凸彎曲，立柱向外彎曲，液壓缸桿向內(nèi)彎曲。

舉升橫梁在100t載荷作用下，從圖5中可看出最大剪切應(yīng)力為70MPa，最大變形為2.3mm，圖中藍(lán)色顯示，最大應(yīng)力為130MPa，位于螺紋孔邊緣以及與液壓缸桿連接處。

圖3 三維幾何模型載荷及約束

從圖6中可看出上橫梁產(chǎn)生的主要是由舉升橫彎曲經(jīng)由舉升缸而引起的彎曲變形，最大相對變形值約為0.08mm。上橫梁產(chǎn)生的最大應(yīng)力為20MPa，主要是舉升缸與上橫梁連接處的壓應(yīng)力。

從圖7中可看出下橫梁板的最大變形為1.01mm，主要是彎曲變形，最大應(yīng)力為100MPa，主要是壓應(yīng)力，最大剪切應(yīng)力為50MPa。

從圖8中可看出立柱產(chǎn)生的最大變形為1.15mm，主要是彎曲變形，，產(chǎn)生的最大應(yīng)力為90MPa，主要是彎曲壓應(yīng)力。

從分析的結(jié)果看，舉升橫梁、立柱及上、下橫梁結(jié)構(gòu)能夠滿足100t載荷的舉升工況要求。

圖4 整體應(yīng)力分布（放大190倍）

圖5 舉升橫梁受力及變形分析（放大190倍）

圖6 上橫梁受力及變形分析（放大500倍）

圖7 下橫梁受力及變形分析（放大190倍）

圖8 立柱受力及變形分析（放大110倍）

3 結(jié)語

（1）該設(shè)備采用兩臺卡瓦，固定卡瓦和游動(dòng)卡瓦，卡瓦采用內(nèi)斜面式卡緊機(jī)構(gòu)，具有自鎖夾緊功能。

（2）防噴系統(tǒng)合理組合環(huán)形防噴器、單閘板防噴器、控制壓力平衡四通的封井作業(yè)的程序，使受控管柱與井下工具能夠順利通過與密封。

（3）BYJ90/70-DQ2-QJ1獨(dú)立式氣井帶壓作壓業(yè)機(jī)主要應(yīng)用在氣井的帶壓修井作業(yè)上，并且舉升力可達(dá)900kN，最高作業(yè)井力可達(dá)70MPa，可取代國外同等級設(shè)備在國內(nèi)使用。