不壓井修井作業起下管柱裝置發展及典型結構

鐘功祥，劉 濤，林 寧

（西南石油大學，成都610500） ①

不壓井修井作業起下管柱裝置發展及典型結構

鐘功祥，劉 濤，林 寧

（西南石油大學，成都610500）①

總結了國內外不壓井修井機技術的發展歷程。分析了典型液壓不壓井修井作業起下管柱裝置的結構和工作原理、液壓驅動系統的組成及主要性能特點。針對該裝置控制系統存在的問題，提出了基于PLC的控制系統設計思路。

不壓井起下裝置；結構；液壓系統；PLC

為了保持油氣井正常生產，提高油氣井產量，經常需要利用修井機進行修井（主要是起下油、水管柱）作業。壓井修井作業是目前常用的方法，缺點是作業時間長、成本高、會造成產層及環境污染。隨著開采工藝技術的發展，修井的概念和內涵也在不斷更新，發展了不壓井修井作業方法，有2大優點：①可以為油氣公司省去用于壓井作業的壓井液及其處理費用（據國外報道，某些情況下采用不壓井修井的費用［1－5］僅為壓井修井費用的1／5）；②由于油氣層得到了很好的保護，油氣層的產能會得到相應的提高，從而可以最大限度地利用油氣資源。液壓不壓井修井作業設備可廣泛用于油氣田的高產井和重點井修井、注水井修井、不壓井狀態下的分層壓裂、負壓射孔完井及不壓井落物打撈、磨銑等作業，由于具有獨特的優勢，應用廣泛。

1 國內外不壓井作業技術發展現狀

1.1 國內現狀

我國不壓井作業技術起步較晚，大慶油田在20世紀50年代研制了1套不壓井起下鉆裝置，使用鋼絲繩穿過多組滑輪裝置進行不壓井起下管柱作業，工序復雜，工人勞動強度大、系統安全性能低。因為當時對不壓井作業技術的了解不夠全面，以及加工技術低等原因，該設備并沒有應用到油田的實際生產中。

四川石油管理局鉆采工藝研究院在20世紀60年代后期開始對不壓井作業起下管柱設備研究。20世紀70～80年代成功研制出BY30－2型和BYXT15型不壓井作業起下管柱設備，并先后在川南、川中、華北、新疆等地共進行5口井的修井作業，取得了良好效果。但在修井作業過程中也發現了諸多不足之處：固定卡瓦和移動卡瓦不能承受向下載荷；液壓缸行程短；系統工作效率低；需要鉆機配合作業。為了克服這些問題，經過3a的努力，該研究院成功地研制出最大提升力為600kN的不壓井起下井內管串裝置。

20世紀80年代，吉林油田成功研制出了車載不壓井作業設備，但是也只能用于井口壓力不高于6MPa的井，最大提升能力為500～700kN，曾作業60余井次，由于井口密封未能得到解決，未能全面推廣使用。

目前，我國不壓井作業技術較為全面的是北京托普威爾石油技術服務有限公司。它是一家中美合資公司，從加拿大引進了承壓35MPa的不壓井作業設備，并引進了美國CUDD公司先進的不壓井作業技術和相應的配套設備。CUDD公司的不壓井作業技術已相當成熟，處理過各類油氣井。通過和CUDD公司的合作，利用CUDD公司先進的經驗和技術，來彌補國內在不壓井作業技術領域某些方面不足［6－7］，共同推動我國不壓井作業技術的發展。

1.2 國外現狀

美國人Herbert C.Otis最早提出不壓井作業的概念。早在1929年奧蒂斯（Otis）公司就設計制造了1套不壓井起下管柱設備，它采用鋼絲繩和絞車配合使用，由一靜一動2套卡瓦夾持管柱來實現帶壓起下管柱作業。后來又采用通過鏈條加壓的不壓井設備，該設備不僅功能和結構簡單，而且必需與鉆機配合使用，安全性比較差，現在這種設備已經淘汰。1958年，布朗（Brown Oil Tool Inc.）工具公司設計制造了1套液壓不壓井作業設備，該設備是獨立于鉆機或絞車的1套液壓控制系統。1981年VC Controlled Pressure Services Ltd.設計出車載液壓不壓井作業設備，它使得不壓井作業設備具有較高的機動性能。

從20世紀70年代開始，液壓不壓井作業設備就不斷在改進和發展，應用領域也不斷在擴展。目前，液壓不壓井作業設備的作業速度、效率、適應性和能力在油氣井的服務中已經得到證實，它可以有效地應用于海上、沙漠、叢林和大型修井設備難以行駛的地區。

現在，不壓井作業設備在國外發展已比較成熟，其中技術最成熟是加拿大和美國。全液壓不壓井作業設備占主導地位，其安全性、可靠性及自動化程度日益提高［1－5］。

國內外使用的不壓井作業設備主要有3種基本類型，即，基于鉆井設備輔助型、基于液壓－鉆井設備輔助型和獨立液壓控制系統型。目前，獨立液壓控制系統型（液壓不壓井修井機）是使用最廣泛的不壓井作業設備，它的作業速度、效率、適應性和能力均已在油氣田的服務中得到證實［1－5］。

2 典型液壓不壓井修井作業起下管柱裝置

2.1 結構

圖1是典型的液壓不壓井修井機起下管柱設備結構簡圖［1］。液壓不壓井修井機采用伸縮液缸及若干相應的配套設備代替傳統的井架、提升機等起下設備。

圖1 液壓不壓井修井作業起下管柱裝置結構

移動卡瓦和固定卡瓦都是由上、下2組卡瓦組成。上、下卡瓦的卡瓦座錐孔和卡瓦牙模的方向相反。上卡瓦是重力卡瓦，下卡瓦是防頂卡瓦。4組卡瓦均有獨立的控制液壓缸，整體采用聯鎖程序控制，使移動卡瓦和固定卡瓦開合協調一致，保證設備起下管柱作業的連續性。

2.2 工作原理

液壓不壓井修井作業起下管柱裝置是通過液壓缸活塞的上、下往復運動，并提供足夠的提升力或下壓力進行起下管柱作業。

起升管柱過程為：

1） 由固定卡瓦卡住管柱（如果管柱上沖就用上卡瓦，如果管柱下落則用下卡瓦），液壓缸帶動移動卡瓦下行（空行程）到下位。

2） 移動卡瓦卡住管柱，松開固定卡瓦，接著液壓缸通過卡住管柱的移動卡瓦帶動管柱上升到上位（不管管柱是上沖還是下落）。

3） 固定卡瓦卡住管柱，松開移動卡瓦，液壓缸帶動移動卡瓦下行到下位，至此完成1段管柱起升。通過如此循環即實現管柱的起升。

下放管柱過程與起升管柱相反。油管上卸扣通常用液壓動力鉗完成。

3 典型液壓驅動系統

典型液壓不壓井修井作業起下管柱裝置采用的液壓驅動系統如圖2所示，用于控制油井管柱的夾持和起下。該系統由液壓泵提供動力，可通過操作三位四通電磁換向閥來控制液壓缸和管柱的起、下、停、鎖等動作。與機械傳動、電氣傳動相比，液壓傳動具有體積小、質量輕、壽命長、操縱控制方便等優點［3－5］。主要性能特點如下：

圖2 液壓不壓井修井作業起下管柱裝置液壓系統原理

1） 液壓缸可以在任意載荷情況下上行或下行，并可以在任意位置制動、鎖緊。

2） 可實現管柱快速上升，慢速下放。

3） 可采用主、輔液壓缸驅動結構。輕載時主液壓缸工作，輔液壓缸浮動；重載時主、輔液壓缸同時工作。

4） 液壓缸可大范圍平穩調速。

4 控制系統

目前，液氣壓系統大多用繼電器－接觸器來實現控制，不僅元器件多、體積大、連線復雜、修井作業勞動強度大，而且可靠性和可維護性低、故障率高、工作效率低。如果采用以計算機技術為核心的PLC來控制不壓井修井機，將會有效地彌補這一缺憾，在一定意義上彌補與國外先進技術水平的差距。

筆者提出基于PLC的液壓不壓井修井作業起下管柱設備控制系統設計思路：把PLC控制引入不壓井修井機管柱起下裝置的控制系統，以PLC做控制系統下位機，采用傳感器檢測液壓不壓井修井起下管柱裝置卡瓦的開、閉信號，發送至PLC，由PLC發出指令指揮電磁閥動作，控制卡瓦的卡緊和松開管柱，同時控制起升油缸的起降，實現起下管柱作業。該方案可大幅度提升不壓井修井機的自動化水平，提高設備運行的可靠性和工作效率，降低工人勞動強度，增強現場操作的安全性。

5 結論

1） 液壓不壓井修井機是使用最廣泛的不壓井作業設備，具有作業速度快、工作效率高、適應性和能力強等優點。

2） 國內外對不壓井作業技術和裝備的研究已進行了幾十年，加拿大和美國的技術最先進。液壓不壓井修井作業起下管柱裝置的性能優良，已在油田廣泛應用。

3） 我國已把不壓井作業技術應用于油田生產。在裝備研究方面起步較晚，與國外技術有較大差距。為了有效開發油氣資源，應加大不壓井作業技術的研究，特別是液壓不壓井修井作業技術和裝備的研究。

4） 提出基于PLC的設計思路，有助于提高控制系統的可靠性和自動化水平。

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Discussion on Typical Hydraulic Snubbing Unit for Running and Pulling Tubing Operations

ZHONG Gong－xiang，LIU Tao，LIN Ning
（Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China）

Based on the development status of domestic and international snubbing units，more detailed analysis was made on the structure and working principle of a typical hydraulic snubbing unit while running and pulling tubing and the components and main performance characteristics of hydraulic drive systems.Aiming at existing problems on control system of hydraulic running and pulling tubing equipment，a thought of control system of hydraulic running and pulling tubing equipment based on PLC were proposed，which provided a theoretical help to people make a further study and research for hydraulic snubbing units with excellent performance.

snubbing unit；structure；hydraulic system；PLC

1001－3482（2012）04－0069－04

TE935

A

2011－09－27

省部共建“石油天然氣裝備”教育部重點實驗室（西南石油大學）資助項目（2011sts03）

鐘功祥（1962－），男，四川成都人，教授，碩士，1989年畢業于西南石油大學石油機械工程專業學位，主要從事石油機械工程科研和教學工作，E－mail：zhonggx3170＠163.com。