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起下立柱带压作业装置的研制与应用
伏健, 王小龙, 高涛, 刘慎成     
吐哈油田井下技术作业公司
摘要: 针对国内带压作业施工效率低和不能起下立柱的问题,研制了起下立柱带压作业装置。重点设计了带压起下立柱作业平台,将立柱穿过作业平台中部的立柱排放孔立在地面上;三闸板防喷器无线远程控制系统可及时安全地处理井口失控风险;升降液缸差速控制可实现轻载荷时带压快速起下管柱,提高作业效率;油管接箍探测器检测成功率高,为带压作业装置各防喷器组动作提供依据。起下立柱带压作业装置现场应用7井次,与常规作业方式相比,施工效率提高11.5%以上。该装置性能安全可靠,满足井口压力21 MPa、5 000 m以内井深的带压作业要求。
关键词: 起下立柱     带压作业     远程控制     差速控制     接箍探测    
Development and Application of Snubbing Operating Device for Running Stand
Fu Jian, Wang Xiaolong, Gao Tao, Liu Shencheng     
Downhole Technology Company of Tuha Oilfield
Abstract: To address the low efficiency of domestic snubbing operation and its incapability to run stand, a snubbing operation device for running stand was developed. Focus has been put on the design of the work platform of the snubbing operation for running stand. The stand was designed to pass through the handling hole in the middle of the work platform and stand on the ground. Three-ram blowout preventer wireless remote control system can safely and timely deal with the risk of wellhead out of control. By means of the speed control of the hydraulic cylinder, quick running string under light load can be realized in snubbing operation, and thus improves the working efficiency. The high detection success rate of the pipe coupling detector provides the basis for the operation of each BOP set of the snubbing operation device. The snubbing operating device for running stand has been applied in seven wells with the operation efficiency increased by more than 11.5%. The developed device has a safe and reliable performance, and could meet the requirement of snubbing operation in 5 000 m-depth well with the wellhead pressure of 21 MPa.
Key words: stand running    snubbing operation    remote control    differential control    coupling detection    

0 引言

对于修井作业而言,带压作业技术具有常规作业不可替代的技术优势,中石油集团公司以每年500~1 000井次的速度持续递增,目前年工作量在5 000井次左右。带压作业具有不伤害储层、不产生污水、最大限度保持地层能量和油井生产能力等优点[1-3],同时也给油田带来显著的经济效益,投入产出比普遍在1:2以上。

国内带压作业装置先后经历了4次较大的技术改造和升级,初步形成了适应不同井况的带压作业施工工艺和技术,最高施工压力70 MPa。

1928年, 北美第1次采用机械式带压作业技术,发展至今最高带压作业压力达到140 MPa,作业井最高含硫质量分数达45%,作业井最大井深超过7 000 m[4-7]。但是,由于带压作业带压操作的特点及夜间不施工的规定,其施工周期比常规作业大大延长,如吐哈油田3 000 m井深、14 MPa井口压力,水井带压冲检作业周期14 d左右,而常规冲检作业周期只有3 d左右。为提高带压作业施工效率,降低作业成本,笔者研制了起下立柱带压作业装置。

1 技术分析 1.1 结构

起下立柱带压作业装置为一体式带压作业机,由动力系统、液控系统、带压作业装置主体和辅助装置组成。动力系统及部分液压系统集成在修井机上,控制台安装在带压作业装置的平台上。

带压作业装置主体主要由三闸板防喷器、快速闸板防喷器、单闸板防喷器、升高四通、固定卡瓦和环形防喷器、游动防顶卡瓦、游动万能卡瓦和升降液缸等组成,各部件通过上平台、中平台、下横梁和4根立柱组成1个整体,如图 1所示。其中,下横梁法兰为旋转法兰,升高四通两侧分别安装泄压阀和平衡阀[7-8]。在三闸板防喷器和下横梁之间增加接箍探测器,根据作业要求选择是否安装[9-11]

图 1 带压作业装置主体结构 Fig.1 The main structure of the snubbing operation device 1—三闸板防喷器;2、6—快速闸板防喷器;3—全封闸板防喷器;4—升高短节;5—密闭式固定卡瓦;7—环形防喷器;8—游动防顶卡瓦;9—液控台;10—游动万能卡瓦;11—上平台;12—四立柱;13—中平台;14—升降液缸;15—下横梁。

1.2 工作原理

预先下入油管堵塞工具封堵管柱内腔,防喷器组密封油套环空压力,带压作业装置的固定卡瓦和游动卡瓦抱紧管柱,提升液缸提放管柱,密封起下井内管柱。这样既保持井内压力不被释放,又保证无外来流体进入井筒,实现带压作业。

当管柱较轻时,使用修井机大钩作为提升动力带压起下管柱;当管柱较重时,使用升降液缸和修井机大钩配合操作带压起下管柱。当井口压力p≤7 MPa时,使用环形防喷器抱住管柱,油管接箍强行通过环形防喷器胶芯,密封起下管柱;当7 MPa<p≤21 MPa时,使用2个快速闸板防喷器导出油管接箍及其他大直径工具,密封起下管柱。

1.3 技术特点

(1) 该装置专用于上平台,可实现带压起下立柱作业。

(2) 带压装置液控台设计在上平台上,与修井机司钻相邻,可提高液控手、司钻和井口工之间信息沟通效率和准确率。

(3) 三闸板防喷器增加无线远程控制方式,可及时安全地处理井口失控风险。

(4) 升降液缸采用差速控制,可实现轻载荷时带压快速起下管柱,提高作业效率。

(5) 接箍探测器检测成功率高,编程计算后在显示屏实时显示接箍动态位置,给带压作业装置各防喷器组动作提供依据。

1.4 主要技术参数

外形尺寸2 200 mm×2 200 mm×6 900 mm,上平台展开尺寸3 600 mm×5 015 mm,系统通径186 mm,静密封压力35.0 MPa,动密封压力21.0 MPa,液控压力10.5 MPa,下压力380 kN,上提力600 kN,升降液缸行程3.3 m,液缸升降速度≥16 m/min。

2 关键技术 2.1 起下立柱技术

将油管立柱起出井口,穿过上平台立在地面立柱座上,必须对井架需求高度和上平台尺寸进行计算和设计。

若要将油管立柱起出井口,井架高度至少满足下述要求:井架高度≥底法兰离地面高度+注水井口四通高度+带压作业装置高度+油管吊卡高度+立柱高度+吊环长度+滑车长度+安全距离。其中,底法兰离地面高度0.10~0.30 m,注水井口四通高度0.51 m,带压作业装置高度6.90 m,油管吊卡高度0.22 m,立柱高度19.20 m,吊环长度2.00 m,滑车长度3.00 m,安全距离2.50 m。由此可得井架高度必须不小于34.63 m,最终选用井架高度35 m的XJ650s修井机用于带压作业。

上平台展开后尺寸为3 600 mm×5 015 mm。为方便运输和吊装,上平台可翻转折叠,折叠后尺寸为2 200 mm×2 200 mm。上平台四周为格栅板,通过铰链、销子、撑杆与井口中心平台连在一起(见图 2)。上平台靠近修井机司钻位置安装带压装置液控台,作业时方便液控手、司钻和井口工之间的沟通交流。上平台远离井架一侧为立柱排放平台,该平台有2个立柱排放孔,立柱通过立柱排放孔立到地面上(见图 3)。每个立柱排放孔内加装4片翻转台板,可向两侧翻转打开立柱排放孔,井口工可站在关闭的翻转台板上推送立柱。

图 2 上平台布局 Fig.2 Layout of the upper platform

图 3 起下立柱状态 Fig.3 The state of running stand 1—上平台;2—带压装置防喷器组;3—立柱排放平台;4—立柱。

2.2 无线远程控制技术

井控实施细则规定三闸板防喷器的远程控制系统距井口应超过25 m。带压作业装置远程控制箱安装在修井机车头位置,距井口距离不足25 m。因此,将远程控制箱三闸板防喷器控制阀调整为电磁机械三位四通阀,实现手柄和远程控制2种方式。远程控制有效控制距离不小于50 m。

2.3 升降液缸差速控制技术

受液泵排量限制,升降液缸动作偏慢。当起下管柱承载较小时,液泵一般未达到其额定功率。因此,在液缸进、回油管线之间安装差速阀,让液缸回油直接进入进油管线,从而增大了液缸单位时间的进油量,提高了液缸的升降速度。差速阀根据承载大小选择开启或关闭。

2.4 接箍探测技术

在三闸板防喷器与下横梁之间安装带有电磁激励线圈的短节,修井机大绳滚筒上安装旋转编码器。起管柱检测到接箍信号时,通过旋转编码器开始测算管柱上提高度,在接箍探测系统模块显示屏上模拟显示接箍的动态位置,从而给带压作业装置各防喷器组动作提供依据。

3 现场应用情况

2017年5—10月,起下立柱带压作业装置在现场应用7井次,应用情况如表 1所示。

表 1 带压作业应用情况统计 Table 1 Application statistics of snubbing operation
井号 作业周期/d 井口压力/MPa 井筒深度/m
Xxx-001 14 8 3 232
Xxx-002 12 8 2 746
Xxx-003 8 6 2 880
Xxx-004 9 10 2 535
Xxx-005 11 12 3 177
Xxx-006 13 12 2 998
Xxx-007 11 8 2 848

应用中平均起下单趟管柱比起下单根管柱方式缩短9 h,带压冲检作业周期缩短36 h,提高带压作业时效11.5%。复杂带压作业由于起下管柱趟数较多,效率提升更大。

4 结束语

针对国内带压作业施工效率低和不能起下立柱的问题,笔者研制了起下立柱带压作业装置。重点设计了带压起下立柱作业平台,将立柱穿过作业平台中部的立柱排放孔立在地面上;三闸板防喷器无线远程控制系统可及时安全地处理井口失控风险;升降液缸差速控制可实现轻载荷时带压快速起下管柱,提高作业效率;油管接箍探测器检测成功率高,为带压作业装置各防喷器组动作提供依据。起下立柱带压作业装置现场应用7井次,与常规作业方式相比,施工效率提高11.5%以上。该装置性能安全可靠,满足井口压力21 MPa、5 000 m以内井深的带压作业要求。

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文章信息

伏健, 王小龙, 高涛, 刘慎成
Fu Jian, Wang Xiaolong, Gao Tao, Liu Shencheng
起下立柱带压作业装置的研制与应用
Development and Application of Snubbing Operating Device for Running Stand
石油机械, 2018, 46(3): 106-109
China Petroleum Machinery, 2018, 46(3): 106-109.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2018.03.019

文章历史

收稿日期: 2017-10-18

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