0 引言

目前国外带压作业技术和装备已非常成熟，作业设备实现了全液压举升，最大提升能力2 669 kN，最大下压能力1 157 kN，最高作业井压力140 MPa。近年来，我国在安全性、可靠性、适应性及自动化控制方面得到较大提高，体现了“高效、环保、安全”的作业理念^[1-3]。

国内从20世纪50年代开始研制带压作业设备，近年来取得一定进展，形成以辽河油田、华北油田、江汉油田和胜利油田为主体的国产化制造应用基地，带压作业设备最大作业能力700 kN，安全作业压力21 MPa，成为我国各大油田油气增产、稳产和节能减排的主要力量^[4-5]。但现阶段国产带压作业装备针对超深层和高压油气井施工作业还存在承载或承压不足、可靠性低、自动化控制程度低和配套能力差等问题^[6]。为提升我国带压作业设备的技术和制造水平，中石化石油工程机械有限公司第四机械厂 (以下简称四机厂) 以油气开发的快速发展对作业装备的需求为出发点，通过技术研究与创新，突破了卡瓦无损加载技术瓶颈，攻克了高压密封控制技术难题，掌握了多点精确控制技术，创新研制了新型独立式系列带压作业设备。该设备与进口设备相比成本降低20%，在我国油气开发的售后服务上具有省时和低成本的优势。该产品已批量出口南美地区，实现了国产带压作业设备走向国际的零的突破。

1 技术分析 1.1 总体技术方案

新型独立式带压作业设备管柱加载方式采用四油缸、双液压卡瓦及旋转一体形式，全液压集成控制，井压控制采取动密封型式。整机主要由动力系统、液压控制系统、操作平台、单根管子处理装置、液压钳悬臂、游动卡瓦组、液压转盘、举升油缸、固定卡瓦组、压力控制系统及附件等组成。设备最大提升能力2 700 kN，最大下压能力1 160 kN，最大旋转扭矩30 kN·m，动密封最高压力70 MPa，具有承载能力大、承压能力强、稳定性好和起下管柱速度快等特点，满足高压油气井带压作业要求。其总体结构如图 1所示。

1.2 基本组成 1.2.1 举升机系统

举升机系统包括举升框架、举升油缸、液压卡瓦、液压转盘和单根管子处理装置等，其中液压卡瓦4~5个，采用正反倒装的安装形式，根据安装位置和所起作用的不同分为游动卡瓦和固定卡瓦。通过举升油缸的驱动以及游动卡瓦、固定卡瓦和液压转盘的配合，能进行带压起下管柱及旋转作业。

举升框架主承载部位采用四角钢支撑、盒式组合梁结构，其结构简单、刚性框架稳定性好。动力油缸主要承担带压作业过程中所需的对管柱的举升力或者克服井压对管柱的上顶力。它采用单级双作用液缸，两端都有防止冲击的减振装置，保证换向时稳定。

卡瓦是带压作业装备的核心部件之一。在带压装备作业过程中，利用卡瓦卡紧管柱，实现对管柱的控制，防止管柱掉入井内或者从井口飞出^[7-8]。液压卡瓦采用滑块变径式结构，在卡瓦夹持管柱部位的锥度符合最佳夹持要求，卡瓦牙夹持管柱有效面积90%以上。

液压转盘位于带压作业装备举升机的顶部，由液压马达驱动，其作用是连接举升油缸和游动卡瓦，并传递和承受举升油缸和卡瓦的作用力；使管柱以旋转方式在井中进行起下作业，在作业过程中举升油缸带动液压转盘上升或下降，在低载荷状态下带动卡瓦旋转，完成解卡和磨铣等作业。

单根管子处理装置配备双滚筒平衡绞车，可以实现单根起升下放管杆作业，代替了以往钻修机井架系统，与举升机集成，不需要配备钻修机设备就能直接进行带压作业。

1.2.2 动力系统

液压动力系统以橇座式结构集成，采用发动机驱动，泵箱带动4组叶片泵提供液压动力^[9]。供油管路和回油管路根据功能单元独立分区设置，确保油路供给顺畅，避免系统憋压。配备的蓄能器可以作为井控系统工作防喷器以及卡瓦控制的应急动力源，在发动机停止运转后，能够保证继续提供开关防喷器和卡瓦液压动力。

1.2.3 液压控制系统

在举升机操作平台设置有主、副控制台和平衡绞车控制台，实现整机集成液压控制，功能分区明确，满足3~4人同时操作。主控台设置举升油缸、液压卡瓦和液压转盘等控制阀及仪表显示，副控台设置防喷器系统和液控闸板阀，平衡绞车控制台设置双滚筒控制阀及仪表显示。地面动力橇设置有远程控制阀及仪表，与远程操作台形成两地控制与显示。控制系统最高压力21 MPa。

1.2.4 井口压力控制系统

防喷器系统是带压作业设备作业过程中有效实施井控的关键部分，其作用是在整个作业过程中始终控制油套管环形空间的压力，防止井喷，保证作业的安全顺利进行。防喷器配套方式采取多级压力控制，以动密封形式控制环空压力，同时配置高压控制元器件组合管汇，实现高压、高频次远程控制压力平衡和放喷。

1.2.5 附件部分

配备内置油缸主动旋转液压钳臂，可实现角度自由旋转，适应多种规格油管钳操作；配置上、下平台笼梯及内置笼梯，满足装备拆卸、维护和人员上、下平台作业要求；根据作业工况需求可配置井口防侧翻装置，有效增强设备作业稳定性；卡瓦配置有液压助推导轨装置，通过控制推力油缸实现卡瓦推进和移出，减轻了更换卡瓦牙和维护卡瓦的工作强度；配置有主机起吊移运装置，模块化移运、安装，实现高效转场、快速安装，有效提高了工作效率。

1.3 主要技术参数

提升能力：700~2 700 kN；

下压能力：350~1 160 kN；

动力输出功率：239~441 kW；

额定作业压力：14~70 MPa；

液缸冲程：3.05/3.50 m；

液缸起升速度：0.2~1.0 m/s；

液缸下压速度：0.3~1.2 m/s；

旋转扭矩：4.06~30.00 kN·m；

适应管柱直径：38~244 mm；

控制系统压力：21 MPa。

2 关键技术 2.1 卡瓦无损加载技术

卡瓦夹紧油管实施带压作业时，卡瓦牙易造成油管表面损伤，损伤管柱受井下介质腐蚀将降低使用性能，缩短使用寿命，同时影响压力密封。通过卡瓦承载、承扭作业机理及运动副分析，模拟带压作业时卡瓦夹持管柱力学性能计算，建立三维弹性有限元分析模型 (见图 2)，系统研究作业时卡瓦的运动轨迹和受力工况，分析轴向式、径向式、轴径向合一式和补芯式结构卡瓦优缺点，开发出一种被动锁紧、双向承载和高效夹持的液压卡瓦。

通过材料分析、强度计算、耐压试验、夹持试验和破坏性试验以及卡瓦结构的合理性、安全性和可靠性研究可知，卡瓦夹持性能好且不伤管柱，解决了卡瓦夹紧油管易造成其表面损伤的难题。

2.2 高压密封控制技术

高压密封控制装置是带压作业实现油套环空压力有效控制的关键，作业时井筒内有高压力的气体或液体一旦泄漏，将威胁人身安全。通过分析带压作业管柱移动及旋转密封机理，对管柱动密封性能进行研究，选择环形、闸板防喷器及加高短节组合机构，并采用外置式压力平衡系统，可简单有效控制油气压力平衡，实现高压起下复杂管柱环形空间压力的有效控制。

2.3 多点精确控制技术

带压作业时，防喷器开关是否到位关系到整个井控作业的安全，如果防喷器没有关到位，则密封不紧；如果防喷器没有完全打开，轻则损坏防喷器，重则造成严重井喷事故。因此，需要实时了解防喷器的状态，为带压作业有效实施井控提供可靠的依据^[10]。通过研究带压作业装备操作流程、作业载荷、压力、部件执行状态及现场环境，分析防喷器、卡瓦和油缸在作业过程中逻辑动作，开发出无线信号采集和精确处理控制系统，实现了30多个参数实时状态监测、40多个单元控制，形成防喷器、卡瓦和油缸逻辑顺序控制技术方案，并在系统中设置卡瓦防误操作，防止因开关卡瓦错误而造成的设备损坏和人员伤亡事故，解决了因远程操作失误存在的安全隐患问题，实现了带压作业装备远程和多点精确处理控制，提高了控制可靠性。

3 现场应用情况

新型独立式带压作业设备已实现批量化生产，目前已销往南美地区6台套，泰国1台套，国内1台套。

在南美地区油气田投入使用的新型独立式带压作业设备至今已顺利完成17口井带压作业，作业井最深达4 267 m，井底最大压力30.2 MPa, 最大提升载荷840 kN，设备提升速度0.8 m/s, 下压速度0.8 m/s, 全套设备安装时间13.5 h，完井后拆装搬家时间7.5 h。

4 结论

(1) 新型独立式带压作业设备有效提升了我国石油装备研发及制造能力，解决了我国油气资源开发过程中超深层、高压油气井施工作业装备承载或承压不足、可靠性低、自动化控制程度低和配套能力差等问题。

(2) 无损加载液压卡瓦解决了卡瓦加工难度大、作业过程中易咬伤管柱以及有效夹持管柱接触面积小等问题。

(3) 形成的14~70 MPa油气动密封多级压力井控配套方法，有效解决了油气资源开发过程中油气压力、液体以及有害气体等带来的安全问题，实现了油气资源勘探开发过程中对井压的有效控制。

(4) 现场应用结果表明：该设备具有独特的综合性能，较好地满足了油田带压井作业要求，具有较强的环境适应能力。