套管扣拆卸裝置研制與應(yīng)用

李洪賓，楊 峰，曲 成，吳瑞東，岳賀濤，常海鵬

(中國(guó)石油冀東油田分公司 井下作業(yè)公司，河北 唐山 063000)①

隨著油氣開(kāi)采不斷發(fā)展，對(duì)石油機(jī)械裝備的要求日益提高[1-2]。套管作為井下作業(yè)的常用裝備，主要功用是固定井壁或井孔。在調(diào)換壓裂井口裝置作業(yè)過(guò)程中，需頻繁拆卸套管短接。在拆卸過(guò)程中，需在套管上打孔獲取支撐點(diǎn)，并需多人協(xié)同配合完成卸扣[3-4]，如圖1所示。其作業(yè)過(guò)程繁瑣，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，且存在安全隱患。此外，油氣田現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜，施工環(huán)境潮濕，套管短接與套管法蘭連接處易出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，人力無(wú)法拆卸[5-6]。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，勝利油田采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)與齒輪傳動(dòng)相結(jié)合的夾緊裝置進(jìn)行套管短接拆卸，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便，大幅減輕了人工勞動(dòng)強(qiáng)度[7]。然而，其齒輪傳動(dòng)易產(chǎn)生動(dòng)載荷，且無(wú)過(guò)載保護(hù)，安全性和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提高[8-9]。

圖1 套管短接與套管法蘭連接示意

本文通過(guò)對(duì)卸扣機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研制了一種新型套管扣拆卸裝置[10]，并設(shè)計(jì)了液壓控制系統(tǒng)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該裝置能較好地完成套管扣拆卸作業(yè)。

1 結(jié)構(gòu)組成

新型套管扣拆卸裝置主要由錨定卡瓦機(jī)構(gòu)、固定支座、卸扣機(jī)構(gòu)和支撐平臺(tái)等組成，如圖2所示。其中，錨定卡瓦機(jī)構(gòu)包括套管卡瓦、法蘭座、活塞桿、缸筒等；卸扣機(jī)構(gòu)包括液壓伸縮油缸、夾持桿等。

1—支撐平臺(tái)；2—液壓伸縮油缸；3—套管卡瓦；4—活塞桿；5—底座；6—固定支座；7—限位孔；8—夾持桿。

2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

2.1 工作原理

新型套管扣拆卸裝置采用內(nèi)置式卡瓦夾持套管短接，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制套管卡瓦的開(kāi)合及驅(qū)動(dòng)2組規(guī)格相同的液壓伸縮油缸實(shí)現(xiàn)松套管扣作業(yè)。其主要工作流程如圖3所示。用吊車將套管短接無(wú)連接端垂直放入裝置的中心孔中，并調(diào)整套管短接與套管卡瓦中心位置。為防止拆卸時(shí)套管法蘭與套管短接發(fā)生跟轉(zhuǎn)現(xiàn)象，采用限位螺栓將套管法蘭固定在裝置頂部的法蘭座上；固定完成后，通過(guò)液控系統(tǒng)開(kāi)啟卡瓦，鎖緊套管，并采用分流集流閥調(diào)節(jié)2組液壓伸縮油缸流量，使油缸內(nèi)部?jī)山M活塞桿同步相向伸出，共同作用在夾持桿上，夾持桿與套管卡瓦之間為固定連接，從而帶動(dòng)套管卡瓦產(chǎn)生使套管短接逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而達(dá)到松套管扣的目的。

圖3 卸套管扣裝置工作流程

2.2 技術(shù)參數(shù)

套管上、卸扣最大轉(zhuǎn)矩 20 kN·m

適用套管外徑 139.7或177.8 mm

額定工作壓力 16 MPa

外形尺寸

2 000 mm×1 900 mm×770 mm

總質(zhì)量 1 280 kg。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 卸扣機(jī)構(gòu)

卸扣機(jī)構(gòu)是新型套管扣拆卸裝置的核心部分。該機(jī)構(gòu)主要由銷軸、液壓伸縮油缸、套管卡瓦、夾持桿和底座等組成，如圖4所示。其中，夾持桿采用焊接方式固定在套管卡瓦底部，液壓伸縮油缸一端固定在底座上，另一端采用銷軸與夾持桿鉸接。在作業(yè)過(guò)程中，兩組油缸沿水平方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，與夾持桿之間形成“Z”字形，其最大行程角為60°，且可產(chǎn)生20 kN·m的轉(zhuǎn)矩。對(duì)于常規(guī)的套管扣在1個(gè)工作行程內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)松動(dòng)；對(duì)于銹蝕較為嚴(yán)重的套管短接，則需進(jìn)行多次拆卸作業(yè)。當(dāng)液壓伸縮油缸伸出到最大行程時(shí)，需關(guān)閉卡瓦，將組件回歸原點(diǎn)，重新調(diào)整轉(zhuǎn)矩大小后再次作業(yè)，直至套管短接完全松動(dòng)。

3.2 液控系統(tǒng)

為提供較大輸出轉(zhuǎn)矩，以功重比高的液壓系統(tǒng)作為整套裝置的動(dòng)力來(lái)源，其原理如圖5所示。該系統(tǒng)主要由蓄能器、溢流閥、調(diào)速閥、分流-集流閥、手動(dòng)換向閥及相應(yīng)的功能部件組成。其中，采用“M”型三位四通手動(dòng)換向閥實(shí)現(xiàn)液壓伸縮油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)及卡瓦的開(kāi)合，并利用其中位機(jī)能進(jìn)行緊急制動(dòng)，以增加裝置的安全性與穩(wěn)定性；通過(guò)調(diào)速閥調(diào)節(jié)液壓伸縮油缸的運(yùn)行速度，以改變轉(zhuǎn)矩，適應(yīng)不同松緊程度的套管扣拆卸需求；采用分流-集流閥進(jìn)行流量分配，以確保2組液壓伸縮油缸同步運(yùn)動(dòng)。

1—銷軸；2—夾持桿；3—套管卡瓦；4—液壓伸縮油缸；5—底座。

圖5 液壓系統(tǒng)原理

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

新型套管扣拆卸裝置已應(yīng)用于冀東油田井控車間維修現(xiàn)場(chǎng)，并針對(duì)不同銹蝕程度的壓裂井口開(kāi)展了多次拆卸作業(yè)，如表1所示。

表1 套管扣現(xiàn)場(chǎng)拆卸作業(yè)數(shù)據(jù)

從表1中可以看出，由于新型套管扣拆卸裝置采用液控動(dòng)力系統(tǒng)，其拆卸性能大幅提高。該裝置共計(jì)作業(yè)97井次，其中完成了75套傳統(tǒng)工藝無(wú)法拆卸的井口維修作業(yè)，套管扣拆卸的成功率為100%。以單套壓裂井口價(jià)格￥11.4萬(wàn)元計(jì)算，共節(jié)約成本約￥855萬(wàn)元。

經(jīng)江蘇省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司機(jī)械檢測(cè)中心的檢測(cè)，新型套管扣拆卸裝置各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。

5 結(jié)論

1) 新型套管扣拆卸裝置采用內(nèi)置式卡瓦夾持套管短接，并通過(guò)液壓系統(tǒng)控制套管卡瓦的開(kāi)合及驅(qū)動(dòng)兩組液壓伸縮油缸同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)套管扣拆卸作業(yè)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，液控系統(tǒng)性能安全可靠，能夠提供20 kN·m的轉(zhuǎn)矩。解決了壓裂井口裝置中套管和套管法蘭連接處因高度銹蝕而無(wú)法拆卸的難題。

2) 該裝置已作業(yè)97井次，其中完成了75套傳統(tǒng)工藝無(wú)法拆卸的井口維修作業(yè),成功率100%，節(jié)約成本約￥855萬(wàn)元?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該裝置具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，應(yīng)用前景廣闊。