不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)裝置的研制

左其川，趙煥寶，雷廣進(jìn)，劉宏亮，黃 萍

（寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002）＊

不壓井作業(yè)是指在不壓井、不放噴的帶壓環(huán)境中完成的作業(yè)方法，在井口不壓井作業(yè)設(shè)備的控制下，克服井筒內(nèi)上頂力進(jìn)行起升、下壓管柱和旋轉(zhuǎn)作業(yè)，它能避免作業(yè)過(guò)程中對(duì)產(chǎn)層的污染和傷害，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，提高油氣產(chǎn)量，提升經(jīng)濟(jì)效益［1－6］。不壓井作業(yè)技術(shù)在國(guó)外十分成熟，應(yīng)用相當(dāng)普及，國(guó)內(nèi)仍有很大的提升空間［7－10］。筆者根據(jù)不壓井作業(yè)的實(shí)際工況和工作參數(shù)，設(shè)計(jì)了不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)裝置，該裝置可模擬3 000m井深、井筒內(nèi)壓力21MPa環(huán)境，能夠用于不壓井作業(yè)的模擬試驗(yàn)和技術(shù)研究。

1 技術(shù)分析

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)有關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示，目前油田服役的絕大部分注水井、油氣井的井深不大于3 000m、井筒內(nèi)的壓力不超過(guò)21MPa，套管直徑為177.8mm。不壓井作業(yè)設(shè)備主要依靠井口防噴器組控制井筒壓力，并在其配套的舉升系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下強(qiáng)行進(jìn)行管柱的起升和下壓作業(yè)，管柱起、下速度為3m／s。

1.2 模擬試驗(yàn)裝置應(yīng)具備功能

1） 能夠模擬井深3 000m，井筒壓力達(dá)到21 MPa的壓力環(huán)境。

2） 無(wú)論管柱起升或下壓，井筒壓力須維持穩(wěn)定，壓力波動(dòng)不大于0.1MPa。

3） 可滿足不同井深和不同壓力，實(shí)現(xiàn)0～21 MPa的壓力調(diào)節(jié)。

1.3 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)不壓井作業(yè)的實(shí)際工況和工作參數(shù)，提出了不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)的方案設(shè)計(jì)，模擬試驗(yàn)裝置由模擬井口、壓力補(bǔ)償泵、儲(chǔ)能器、調(diào)壓裝置、水箱及壓力管線等組成，如圖1。

不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)裝置的模擬井預(yù)先埋入井中，模擬井口是四通結(jié)構(gòu)，上端裝不壓井作業(yè)設(shè)備，下端連模擬井，左右兩側(cè)分別接壓力補(bǔ)償泵和儲(chǔ)能器、調(diào)壓裝置、水箱及壓力管線，井筒中間插入管柱，形成一個(gè)封閉、循環(huán)、帶壓的系統(tǒng)。壓力補(bǔ)償泵為整個(gè)系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定的水壓循環(huán)；調(diào)壓裝置根據(jù)需要調(diào)節(jié)壓力；儲(chǔ)能器用于平衡在管柱起升或下壓的過(guò)程中造成的壓力波動(dòng)。

具體操作如下：開(kāi)啟壓力補(bǔ)償泵向模擬井、模擬井口和不壓井作業(yè)設(shè)備的環(huán)空中加水壓，調(diào)壓裝置根據(jù)不同的井深和壓力級(jí)別調(diào)節(jié)環(huán)空壓力，水經(jīng)壓力管線進(jìn)入水箱，形成一個(gè)封閉、循環(huán)、帶壓的試驗(yàn)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)建立起穩(wěn)定的壓力環(huán)境后開(kāi)始進(jìn)行試驗(yàn)，由不壓井作業(yè)設(shè)備井口防噴器組密封井筒壓力，其舉升系統(tǒng)進(jìn)行提升和下壓管柱等作業(yè)，以模擬在帶壓環(huán)境下進(jìn)行的各種試驗(yàn)。

圖1 不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)裝置

2 關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)選型

2.1 壓力補(bǔ)償泵

根據(jù)不壓井作業(yè)的最大工作壓力，得出壓力補(bǔ)償泵的最大輸出壓力不低于21MPa。壓力補(bǔ)償泵水壓經(jīng)調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)，而調(diào)壓裝置采用小孔節(jié)流的方式，因此其排量為

式中：Cq為流量系數(shù)，取0.82；A1為小孔面積（選用噴嘴直徑12mm），mm2；Δp為壓力差，取21MPa；ρ為水密度，1 000kg／m3。

再根據(jù)管柱的直徑和運(yùn)動(dòng)速度，計(jì)算泵須補(bǔ)償?shù)牧髁繛?/p>

式中：v為管柱運(yùn)動(dòng)速度，0.3m／s；A2為管柱面積（取88.9mm（3英寸）管柱），mm2；

故壓力補(bǔ)償泵的流量為

式中：K為系統(tǒng)泄漏系數(shù)，取1.2。

由此得出壓力補(bǔ)償泵的額定工作壓力不低于21MPa，最大排量超過(guò)25.08L／s即可滿足設(shè)計(jì)要求。筆者所選取的壓力補(bǔ)償泵是F－1300型三缸泥漿泵，其基本工作參數(shù)為：額定工作壓力35MPa，最大排量30.69L／s，各項(xiàng)指標(biāo)均可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 調(diào)壓裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

調(diào)壓裝置的調(diào)壓范圍設(shè)計(jì)在0～35MPa之間，采用小孔節(jié)流的方式，靠更換調(diào)壓裝置中噴嘴的大小和數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力的調(diào)節(jié)。

2.3 蓄能器參數(shù)設(shè)計(jì)

蓄能器選用應(yīng)用較為廣泛的皮囊式結(jié)構(gòu)，其充氣壓力為p0＝0.5p1＝10.5MPa，系統(tǒng)最大工作壓力p1為21MPa。

其容積根據(jù)圖解法查得為32L，可選NXQL40／10－H 型蓄能器。

2.4 其余設(shè)備選型設(shè)計(jì)

1） 為滿足1根管柱的帶壓作業(yè)模擬試驗(yàn)，模擬井的設(shè)計(jì)深度為30m，模擬井套管直徑為177.8 mm，額定工作壓力為35MPa。

2） 壓力管線為101.6mm（4英寸）高壓管匯，額定工作壓力為35MPa，兩端為由壬連接。

3） 水箱容積為60m3。

3 模擬試驗(yàn)

2011－06完成不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)裝置的組裝，并進(jìn)行了不壓井作業(yè)設(shè)備的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：

1） 管柱在帶壓環(huán)境下的起升和下放試驗(yàn)。

2） 不同規(guī)格的管柱在不同壓力級(jí)別下的帶壓作業(yè)。

3） 變徑接頭在通過(guò)防噴器組時(shí)，不壓井作業(yè)設(shè)備的工作能力。

4） 在最大壓力環(huán)境下，不壓井作業(yè)設(shè)備的密封性能和起升、下壓管柱的能力等。

不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)裝置順利地完成了不壓井作業(yè)設(shè)備的各項(xiàng)模擬試驗(yàn)，模擬井內(nèi)的壓力波動(dòng)值不小于0.1MPa，其各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

4 結(jié)論

1） 不壓井作業(yè)模擬試驗(yàn)裝置能模擬井深3 000m、井筒壓力不超過(guò)21MPa的壓力環(huán)境，并能夠完成各項(xiàng)帶壓作業(yè)模擬試驗(yàn)（例如：在壓力環(huán)境下起升和下放管柱）。

2） 該裝置能夠在帶壓作業(yè)的動(dòng)態(tài)環(huán)境下保持壓力持續(xù)、穩(wěn)定，壓力波動(dòng)≤0.1MPa，密封安全、可靠、無(wú)滲漏。

3） 該裝置可為不壓井作業(yè)技術(shù)研究提供一個(gè)良好的試驗(yàn)平臺(tái)，能夠有效地模擬帶壓作業(yè)的全過(guò)程，具有較高的推廣價(jià)值。

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