鐘功祥，劉 濤，林 寧

（西南石油大學(xué)，成都610500） ①

不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置發(fā)展及典型結(jié)構(gòu)

鐘功祥，劉 濤，林 寧

（西南石油大學(xué)，成都610500）①

總結(jié)了國內(nèi)外不壓井修井機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程。分析了典型液壓不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成及主要性能特點(diǎn)。針對該裝置控制系統(tǒng)存在的問題，提出了基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。

不壓井起下裝置；結(jié)構(gòu)；液壓系統(tǒng)；PLC

為了保持油氣井正常生產(chǎn)，提高油氣井產(chǎn)量，經(jīng)常需要利用修井機(jī)進(jìn)行修井（主要是起下油、水管柱）作業(yè)。壓井修井作業(yè)是目前常用的方法，缺點(diǎn)是作業(yè)時(shí)間長、成本高、會造成產(chǎn)層及環(huán)境污染。隨著開采工藝技術(shù)的發(fā)展，修井的概念和內(nèi)涵也在不斷更新，發(fā)展了不壓井修井作業(yè)方法，有2大優(yōu)點(diǎn)：①可以為油氣公司省去用于壓井作業(yè)的壓井液及其處理費(fèi)用（據(jù)國外報(bào)道，某些情況下采用不壓井修井的費(fèi)用［1－5］僅為壓井修井費(fèi)用的1／5）；②由于油氣層得到了很好的保護(hù)，油氣層的產(chǎn)能會得到相應(yīng)的提高，從而可以最大限度地利用油氣資源。液壓不壓井修井作業(yè)設(shè)備可廣泛用于油氣田的高產(chǎn)井和重點(diǎn)井修井、注水井修井、不壓井狀態(tài)下的分層壓裂、負(fù)壓射孔完井及不壓井落物打撈、磨銑等作業(yè)，由于具有獨(dú)特的優(yōu)勢，應(yīng)用廣泛。

1 國內(nèi)外不壓井作業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國不壓井作業(yè)技術(shù)起步較晚，大慶油田在20世紀(jì)50年代研制了1套不壓井起下鉆裝置，使用鋼絲繩穿過多組滑輪裝置進(jìn)行不壓井起下管柱作業(yè)，工序復(fù)雜，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、系統(tǒng)安全性能低。因?yàn)楫?dāng)時(shí)對不壓井作業(yè)技術(shù)的了解不夠全面，以及加工技術(shù)低等原因，該設(shè)備并沒有應(yīng)用到油田的實(shí)際生產(chǎn)中。

四川石油管理局鉆采工藝研究院在20世紀(jì)60年代后期開始對不壓井作業(yè)起下管柱設(shè)備研究。20世紀(jì)70～80年代成功研制出BY30－2型和BYXT15型不壓井作業(yè)起下管柱設(shè)備，并先后在川南、川中、華北、新疆等地共進(jìn)行5口井的修井作業(yè)，取得了良好效果。但在修井作業(yè)過程中也發(fā)現(xiàn)了諸多不足之處：固定卡瓦和移動(dòng)卡瓦不能承受向下載荷；液壓缸行程短；系統(tǒng)工作效率低；需要鉆機(jī)配合作業(yè)。為了克服這些問題，經(jīng)過3a的努力，該研究院成功地研制出最大提升力為600kN的不壓井起下井內(nèi)管串裝置。

20世紀(jì)80年代，吉林油田成功研制出了車載不壓井作業(yè)設(shè)備，但是也只能用于井口壓力不高于6MPa的井，最大提升能力為500～700kN，曾作業(yè)60余井次，由于井口密封未能得到解決，未能全面推廣使用。

目前，我國不壓井作業(yè)技術(shù)較為全面的是北京托普威爾石油技術(shù)服務(wù)有限公司。它是一家中美合資公司，從加拿大引進(jìn)了承壓35MPa的不壓井作業(yè)設(shè)備，并引進(jìn)了美國CUDD公司先進(jìn)的不壓井作業(yè)技術(shù)和相應(yīng)的配套設(shè)備。CUDD公司的不壓井作業(yè)技術(shù)已相當(dāng)成熟，處理過各類油氣井。通過和CUDD公司的合作，利用CUDD公司先進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，來彌補(bǔ)國內(nèi)在不壓井作業(yè)技術(shù)領(lǐng)域某些方面不足［6－7］，共同推動(dòng)我國不壓井作業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

1.2 國外現(xiàn)狀

美國人Herbert C.Otis最早提出不壓井作業(yè)的概念。早在1929年奧蒂斯（Otis）公司就設(shè)計(jì)制造了1套不壓井起下管柱設(shè)備，它采用鋼絲繩和絞車配合使用，由一靜一動(dòng)2套卡瓦夾持管柱來實(shí)現(xiàn)帶壓起下管柱作業(yè)。后來又采用通過鏈條加壓的不壓井設(shè)備，該設(shè)備不僅功能和結(jié)構(gòu)簡單，而且必需與鉆機(jī)配合使用，安全性比較差，現(xiàn)在這種設(shè)備已經(jīng)淘汰。1958年，布朗（Brown Oil Tool Inc.）工具公司設(shè)計(jì)制造了1套液壓不壓井作業(yè)設(shè)備，該設(shè)備是獨(dú)立于鉆機(jī)或絞車的1套液壓控制系統(tǒng)。1981年VC Controlled Pressure Services Ltd.設(shè)計(jì)出車載液壓不壓井作業(yè)設(shè)備，它使得不壓井作業(yè)設(shè)備具有較高的機(jī)動(dòng)性能。

從20世紀(jì)70年代開始，液壓不壓井作業(yè)設(shè)備就不斷在改進(jìn)和發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷在擴(kuò)展。目前，液壓不壓井作業(yè)設(shè)備的作業(yè)速度、效率、適應(yīng)性和能力在油氣井的服務(wù)中已經(jīng)得到證實(shí)，它可以有效地應(yīng)用于海上、沙漠、叢林和大型修井設(shè)備難以行駛的地區(qū)。

現(xiàn)在，不壓井作業(yè)設(shè)備在國外發(fā)展已比較成熟，其中技術(shù)最成熟是加拿大和美國。全液壓不壓井作業(yè)設(shè)備占主導(dǎo)地位，其安全性、可靠性及自動(dòng)化程度日益提高［1－5］。

國內(nèi)外使用的不壓井作業(yè)設(shè)備主要有3種基本類型，即，基于鉆井設(shè)備輔助型、基于液壓－鉆井設(shè)備輔助型和獨(dú)立液壓控制系統(tǒng)型。目前，獨(dú)立液壓控制系統(tǒng)型（液壓不壓井修井機(jī)）是使用最廣泛的不壓井作業(yè)設(shè)備，它的作業(yè)速度、效率、適應(yīng)性和能力均已在油氣田的服務(wù)中得到證實(shí)［1－5］。

2 典型液壓不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置

2.1 結(jié)構(gòu)

圖1是典型的液壓不壓井修井機(jī)起下管柱設(shè)備結(jié)構(gòu)簡圖［1］。液壓不壓井修井機(jī)采用伸縮液缸及若干相應(yīng)的配套設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的井架、提升機(jī)等起下設(shè)備。

圖1 液壓不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置結(jié)構(gòu)

移動(dòng)卡瓦和固定卡瓦都是由上、下2組卡瓦組成。上、下卡瓦的卡瓦座錐孔和卡瓦牙模的方向相反。上卡瓦是重力卡瓦，下卡瓦是防頂卡瓦。4組卡瓦均有獨(dú)立的控制液壓缸，整體采用聯(lián)鎖程序控制，使移動(dòng)卡瓦和固定卡瓦開合協(xié)調(diào)一致，保證設(shè)備起下管柱作業(yè)的連續(xù)性。

2.2 工作原理

液壓不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置是通過液壓缸活塞的上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并提供足夠的提升力或下壓力進(jìn)行起下管柱作業(yè)。

起升管柱過程為：

1） 由固定卡瓦卡住管柱（如果管柱上沖就用上卡瓦，如果管柱下落則用下卡瓦），液壓缸帶動(dòng)移動(dòng)卡瓦下行（空行程）到下位。

2） 移動(dòng)卡瓦卡住管柱，松開固定卡瓦，接著液壓缸通過卡住管柱的移動(dòng)卡瓦帶動(dòng)管柱上升到上位（不管管柱是上沖還是下落）。

3） 固定卡瓦卡住管柱，松開移動(dòng)卡瓦，液壓缸帶動(dòng)移動(dòng)卡瓦下行到下位，至此完成1段管柱起升。通過如此循環(huán)即實(shí)現(xiàn)管柱的起升。

下放管柱過程與起升管柱相反。油管上卸扣通常用液壓動(dòng)力鉗完成。

3 典型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

典型液壓不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置采用的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，用于控制油井管柱的夾持和起下。該系統(tǒng)由液壓泵提供動(dòng)力，可通過操作三位四通電磁換向閥來控制液壓缸和管柱的起、下、停、鎖等動(dòng)作。與機(jī)械傳動(dòng)、電氣傳動(dòng)相比，液壓傳動(dòng)具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長、操縱控制方便等優(yōu)點(diǎn)［3－5］。主要性能特點(diǎn)如下：

圖2 液壓不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置液壓系統(tǒng)原理

1） 液壓缸可以在任意載荷情況下上行或下行，并可以在任意位置制動(dòng)、鎖緊。

2） 可實(shí)現(xiàn)管柱快速上升，慢速下放。

3） 可采用主、輔液壓缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。輕載時(shí)主液壓缸工作，輔液壓缸浮動(dòng)；重載時(shí)主、輔液壓缸同時(shí)工作。

4） 液壓缸可大范圍平穩(wěn)調(diào)速。

4 控制系統(tǒng)

目前，液氣壓系統(tǒng)大多用繼電器－接觸器來實(shí)現(xiàn)控制，不僅元器件多、體積大、連線復(fù)雜、修井作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且可靠性和可維護(hù)性低、故障率高、工作效率低。如果采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的PLC來控制不壓井修井機(jī)，將會有效地彌補(bǔ)這一缺憾，在一定意義上彌補(bǔ)與國外先進(jìn)技術(shù)水平的差距。

筆者提出基于PLC的液壓不壓井修井作業(yè)起下管柱設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：把PLC控制引入不壓井修井機(jī)管柱起下裝置的控制系統(tǒng)，以PLC做控制系統(tǒng)下位機(jī)，采用傳感器檢測液壓不壓井修井起下管柱裝置卡瓦的開、閉信號，發(fā)送至PLC，由PLC發(fā)出指令指揮電磁閥動(dòng)作，控制卡瓦的卡緊和松開管柱，同時(shí)控制起升油缸的起降，實(shí)現(xiàn)起下管柱作業(yè)。該方案可大幅度提升不壓井修井機(jī)的自動(dòng)化水平，提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和工作效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)現(xiàn)場操作的安全性。

5 結(jié)論

1） 液壓不壓井修井機(jī)是使用最廣泛的不壓井作業(yè)設(shè)備，具有作業(yè)速度快、工作效率高、適應(yīng)性和能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2） 國內(nèi)外對不壓井作業(yè)技術(shù)和裝備的研究已進(jìn)行了幾十年，加拿大和美國的技術(shù)最先進(jìn)。液壓不壓井修井作業(yè)起下管柱裝置的性能優(yōu)良，已在油田廣泛應(yīng)用。

3） 我國已把不壓井作業(yè)技術(shù)應(yīng)用于油田生產(chǎn)。在裝備研究方面起步較晚，與國外技術(shù)有較大差距。為了有效開發(fā)油氣資源，應(yīng)加大不壓井作業(yè)技術(shù)的研究，特別是液壓不壓井修井作業(yè)技術(shù)和裝備的研究。

4） 提出基于PLC的設(shè)計(jì)思路，有助于提高控制系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化水平。

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Discussion on Typical Hydraulic Snubbing Unit for Running and Pulling Tubing Operations

ZHONG Gong－xiang，LIU Tao，LIN Ning
（Southwest Petroleum University，Chengdu610500，China）

Based on the development status of domestic and international snubbing units，more detailed analysis was made on the structure and working principle of a typical hydraulic snubbing unit while running and pulling tubing and the components and main performance characteristics of hydraulic drive systems.Aiming at existing problems on control system of hydraulic running and pulling tubing equipment，a thought of control system of hydraulic running and pulling tubing equipment based on PLC were proposed，which provided a theoretical help to people make a further study and research for hydraulic snubbing units with excellent performance.

snubbing unit；structure；hydraulic system；PLC

1001－3482（2012）04－0069－04

TE935

A

2011－09－27

省部共建“石油天然氣裝備”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西南石油大學(xué)）資助項(xiàng)目（2011sts03）

鐘功祥（1962－），男，四川成都人，教授，碩士，1989年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油機(jī)械工程專業(yè)學(xué)位，主要從事石油機(jī)械工程科研和教學(xué)工作，E－mail：zhonggx3170＠163.com。