氣井帶壓作業(yè)裝置研究與應(yīng)用

陳寧

（中國(guó)石油吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

帶壓作業(yè)技術(shù)起源于上世紀(jì)60年代的北美，應(yīng)用范圍從水井拓展到油井，又從油井拓展到氣井，目前美國(guó)和加拿大的氣井帶壓作業(yè)已經(jīng)占到90%。國(guó)內(nèi)，隨著天然氣開發(fā)的加快，氣井完井及后期作業(yè)工作量將會(huì)逐年增加，氣井帶壓作業(yè)的需求越來越迫切。但是，由于天然氣具有高風(fēng)險(xiǎn)性，對(duì)作業(yè)裝備性能要求也更高，因此國(guó)內(nèi)氣井帶壓作業(yè)主要是引進(jìn)美國(guó)或加拿大的整套帶壓作業(yè)裝備為主，自主研發(fā)的氣井帶壓作業(yè)裝備也是以引進(jìn)防噴器等關(guān)鍵配件配套為主。為了提升國(guó)內(nèi)氣井帶壓作業(yè)技術(shù)水平，降低投資成本，我們進(jìn)行了氣井帶壓作業(yè)裝置研究，可以實(shí)現(xiàn)井口壓力14MPa以內(nèi)的氣井帶壓作業(yè)需求。

1 氣井帶壓作業(yè)裝置

氣井帶壓作業(yè)裝置為分體輔助式結(jié)構(gòu)，作業(yè)時(shí)需要作業(yè)機(jī)或吊車配合作業(yè)。主體部分包括井口帶壓作業(yè)裝置與動(dòng)力系統(tǒng)兩大部分。本文主要介紹井口帶壓作業(yè)裝置。

1.1 結(jié)構(gòu)組成

井口帶壓作業(yè)裝置從下到上主要由安全防噴器組、密閉卸扣裝置、接箍探測(cè)器、工作防噴器組、液封氣系統(tǒng)、舉升系統(tǒng)等組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 低壓氣井不壓井作業(yè)井口裝置結(jié)構(gòu)圖

圖1中，1-旋轉(zhuǎn)法蘭；2-安全閘板防噴器組；3-密閉卸扣裝置；4-接箍探測(cè)器；5-工作閘板防噴器組；6-四通閥；7-噴淋短接；8-下環(huán)形防噴器；9-液缸；10-密閉短接；11-上環(huán)形防噴器；12-固定卡瓦組；13-游動(dòng)卡瓦組；14-框架；15-一層平臺(tái)；16-二層平臺(tái)；17-三層平臺(tái)；18-工作平臺(tái)。

1.2 工作原理

井口帶壓作業(yè)裝置主要用于井口環(huán)空壓力和管柱起下軸向力的控制。兩套環(huán)形防噴器組成液封氣系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起下管柱時(shí)對(duì)氣井內(nèi)氣壓的有效封堵和管柱通過時(shí)的流體自潤(rùn)滑，并配合工作防噴器組和安全防噴器組實(shí)現(xiàn)多重密封，控制作業(yè)過程中的環(huán)空壓力。由液缸、雙向固定卡瓦和雙向游動(dòng)卡瓦組成舉升系統(tǒng)，控制管柱起下時(shí)的上頂力和下壓力實(shí)現(xiàn)管柱軸向力的控制。在上下防噴器組中間配備密閉卸扣裝置，可以實(shí)現(xiàn)帶壓條件下的管柱卸扣作業(yè)。

1.3 關(guān)鍵配套技術(shù)

1.3.1 密閉卸扣裝置

該裝置位于井口裝置的下部，主要由主鉗系統(tǒng)、背鉗系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成。其工作原理是將液壓馬達(dá)產(chǎn)生的動(dòng)力，通過齒輪傳遞形成扭矩，實(shí)現(xiàn)在設(shè)備高壓腔內(nèi)對(duì)指定接頭進(jìn)行卸扣作業(yè)。與游動(dòng)旋轉(zhuǎn)防頂卡瓦配合使用，在卡緊管柱的同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作業(yè)。與常規(guī)帶壓作業(yè)機(jī)相比，起出一根無內(nèi)堵塞管柱可提高工作效率6倍。

1.3.2 液封氣二級(jí)減壓裝置

該裝置位于井口裝置的中上部，主要由上環(huán)形防噴器、液封氣短接、下環(huán)形防噴器、蓄能器、等壓力傳動(dòng)缸、液路壓力控制閥件、液壓泵等組成。其工作原理是下環(huán)形防噴器作為主減壓級(jí)，與上環(huán)形防噴器間封閉一段液柱，液柱腔壓力設(shè)定為3～4MPa，利用液體輔助密封井內(nèi)氣壓并潤(rùn)滑膠芯，降低球形膠芯上下壓差，可減少球形膠芯磨損。

1.3.3 游動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡瓦

該裝置位于井口裝置的上部，主要由卡瓦體、錐體、油缸、連桿、上下蓋、卡瓦滑塊、卡瓦牙板等組成。其工作原理為卡瓦采用背錐面滑塊與內(nèi)錐面錐體配合工作方式，油缸伸出或收縮帶動(dòng)滑塊沿錐體內(nèi)錐面軸向運(yùn)動(dòng)，牙板中心通徑放大或縮小，實(shí)現(xiàn)松開或卡緊動(dòng)作。該裝置主要與密閉卸扣裝置配合使用，控制軸向力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)作業(yè)。

1.3.4 接箍探測(cè)器

該裝置位于密閉卸扣裝置上部，主要由液壓缸、活塞、滾輪及壓力傳感器等組成。其工作原理為采用四只正交分布液壓缸推動(dòng)滾輪夾緊作業(yè)管柱，滾輪隨管柱上下運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，接箍通過滾輪組時(shí)推動(dòng)滾輪及油缸活塞后退，液壓缸壓力上升，通過測(cè)定壓力波動(dòng)的幅度而確定接箍位置。

1.4 技術(shù)指標(biāo)

（1）井口帶壓作業(yè)裝置通徑Φ186mm，耐靜密封壓力21MPa，安全作業(yè)壓力14MPa；

（2）舉升系統(tǒng)行程3800mm，額定舉升力645kN，額定下壓力435kN，油缸速度0.2 ～0.7m/s；

（3）卡瓦系統(tǒng)卡緊管柱范圍2～31/2in，額定軸向卡緊力500kN，最大軸向卡緊力800kN；

（4）密閉卸扣裝置操作管柱范圍2-31/2iin，額定驅(qū)動(dòng)扭矩8kN·m；

（5）液封氣二級(jí)減壓系統(tǒng)設(shè)定壓力3～4MPa。

1.5 技術(shù)特點(diǎn)

（1）耐壓強(qiáng)度高。安全防噴器組和工作防噴器選用額定工作壓力35MPa的防噴器，高于工作壓力2個(gè)級(jí)別。

（2）密封能力強(qiáng)。具有兩套全封、一套工作閘板防噴器組及一套安全閘板防噴器組等多重密封措施。

（3）耐腐蝕能力強(qiáng)。設(shè)備所有部件的材質(zhì)、硬度、熱處理、表面防護(hù)均按耐硫化氫要求設(shè)計(jì)和加工。

（4）作業(yè)控制能力強(qiáng)。油缸額定工作壓力下的最大上頂力具有40%以上的儲(chǔ)備控制力；安全系數(shù)大，安全性高。

（5）具備密閉卸扣功能。游動(dòng)旋轉(zhuǎn)卡瓦配合密閉卸扣裝置可以實(shí)現(xiàn)油管內(nèi)無堵塞或油管測(cè)漏等特殊工況下帶壓卸扣作業(yè)。

2 地面實(shí)驗(yàn)

2.1 整機(jī)氣密封地面檢驗(yàn)

試驗(yàn)過程：從整機(jī)上部下入一根Φ73mm（27/8in）試驗(yàn)管柱，卡緊全部游動(dòng)卡瓦和固定卡瓦，關(guān)閉上環(huán)形防噴器。在整機(jī)底部三閘板防噴器處連接試壓管線，輸入氮?dú)饧訅哼M(jìn)行氣密封試驗(yàn)。

（1）靜壓密封試驗(yàn)。整機(jī)先后進(jìn)行三次地面靜壓密封試驗(yàn)，注入氮?dú)庠鰤褐?2MPa后關(guān)閉氣泵保壓，保壓時(shí)間分別為60min、840min和20min，所有試驗(yàn)均全程無泄漏，無壓力降，全部滿足要求。

（2）動(dòng)壓密封試驗(yàn)。注入氮?dú)庠鰤褐?4MPa后關(guān)閉氣泵保壓，操作設(shè)備主油缸通過游動(dòng)卡瓦帶動(dòng)試驗(yàn)管柱在環(huán)形防噴器膠芯內(nèi)上下運(yùn)動(dòng)30次，試驗(yàn)全程無泄漏，無壓力降，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

2.2 舉升系統(tǒng)承載地面實(shí)驗(yàn)

在裝備中下入一根Φ73mm（27/8in）試驗(yàn)管柱，卡緊全部游動(dòng)卡瓦和固定卡瓦。操作主油缸上舉及下壓，試驗(yàn)過程舉升力達(dá)到646kN，下壓力達(dá)到490kN，且所有卡瓦卡緊部位無滑動(dòng)，由此可驗(yàn)證主油缸的額定舉升力及下壓力達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

3 礦場(chǎng)試驗(yàn)

2017～2018年，成功開展4井次的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)井最高作業(yè)壓力達(dá)13MPa，采用密封卸扣裝置進(jìn)行2井次11封11配的卸扣作業(yè)，大大提升了作業(yè)效率及安全性能。正常起下管柱作業(yè)速度達(dá)3.84m/min，作業(yè)效率較高。

4 結(jié) 論

（1）氣井帶壓作業(yè)裝置具有靜密封壓力21MPa，安全作業(yè)壓力14MPa的工作能力，并經(jīng)礦場(chǎng)試驗(yàn)，滿足現(xiàn)場(chǎng)施工要求。

（2）密閉卸扣裝置的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了油管無法堵塞及側(cè)漏情況下管柱卸扣作業(yè)，減少了施工工序，提高了作業(yè)效率。

（3）液封氣二級(jí)減壓裝置的應(yīng)用，利用液體輔助密封井內(nèi)氣壓并潤(rùn)滑膠芯，減少球形膠芯磨損，提高其使用壽命。

（4）該裝置下一步應(yīng)該向提高工作壓力，形成獨(dú)立作業(yè)模式方向發(fā)展，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，降低作業(yè)成本。