不压井修井作业起下管柱装置发展及典型结构

钟功祥，刘 涛，林 宁

（西南石油大学，成都610500） ①

不压井修井作业起下管柱装置发展及典型结构

钟功祥，刘 涛，林 宁

（西南石油大学，成都610500）①

总结了国内外不压井修井机技术的发展历程。分析了典型液压不压井修井作业起下管柱装置的结构和工作原理、液压驱动系统的组成及主要性能特点。针对该装置控制系统存在的问题，提出了基于PLC的控制系统设计思路。

不压井起下装置；结构；液压系统；PLC

为了保持油气井正常生产，提高油气井产量，经常需要利用修井机进行修井（主要是起下油、水管柱）作业。压井修井作业是目前常用的方法，缺点是作业时间长、成本高、会造成产层及环境污染。随着开采工艺技术的发展，修井的概念和内涵也在不断更新，发展了不压井修井作业方法，有2大优点：①可以为油气公司省去用于压井作业的压井液及其处理费用（据国外报道，某些情况下采用不压井修井的费用［1－5］仅为压井修井费用的1／5）；②由于油气层得到了很好的保护，油气层的产能会得到相应的提高，从而可以最大限度地利用油气资源。液压不压井修井作业设备可广泛用于油气田的高产井和重点井修井、注水井修井、不压井状态下的分层压裂、负压射孔完井及不压井落物打捞、磨铣等作业，由于具有独特的优势，应用广泛。

1 国内外不压井作业技术发展现状

1.1 国内现状

我国不压井作业技术起步较晚，大庆油田在20世纪50年代研制了1套不压井起下钻装置，使用钢丝绳穿过多组滑轮装置进行不压井起下管柱作业，工序复杂，工人劳动强度大、系统安全性能低。因为当时对不压井作业技术的了解不够全面，以及加工技术低等原因，该设备并没有应用到油田的实际生产中。

四川石油管理局钻采工艺研究院在20世纪60年代后期开始对不压井作业起下管柱设备研究。20世纪70～80年代成功研制出BY30－2型和BYXT15型不压井作业起下管柱设备，并先后在川南、川中、华北、新疆等地共进行5口井的修井作业，取得了良好效果。但在修井作业过程中也发现了诸多不足之处：固定卡瓦和移动卡瓦不能承受向下载荷；液压缸行程短；系统工作效率低；需要钻机配合作业。为了克服这些问题，经过3a的努力，该研究院成功地研制出最大提升力为600kN的不压井起下井内管串装置。

20世纪80年代，吉林油田成功研制出了车载不压井作业设备，但是也只能用于井口压力不高于6MPa的井，最大提升能力为500～700kN，曾作业60余井次，由于井口密封未能得到解决，未能全面推广使用。

目前，我国不压井作业技术较为全面的是北京托普威尔石油技术服务有限公司。它是一家中美合资公司，从加拿大引进了承压35MPa的不压井作业设备，并引进了美国CUDD公司先进的不压井作业技术和相应的配套设备。CUDD公司的不压井作业技术已相当成熟，处理过各类油气井。通过和CUDD公司的合作，利用CUDD公司先进的经验和技术，来弥补国内在不压井作业技术领域某些方面不足［6－7］，共同推动我国不压井作业技术的发展。

1.2 国外现状

美国人Herbert C.Otis最早提出不压井作业的概念。早在1929年奥蒂斯（Otis）公司就设计制造了1套不压井起下管柱设备，它采用钢丝绳和绞车配合使用，由一静一动2套卡瓦夹持管柱来实现带压起下管柱作业。后来又采用通过链条加压的不压井设备，该设备不仅功能和结构简单，而且必需与钻机配合使用，安全性比较差，现在这种设备已经淘汰。1958年，布朗（Brown Oil Tool Inc.）工具公司设计制造了1套液压不压井作业设备，该设备是独立于钻机或绞车的1套液压控制系统。1981年VC Controlled Pressure Services Ltd.设计出车载液压不压井作业设备，它使得不压井作业设备具有较高的机动性能。

从20世纪70年代开始，液压不压井作业设备就不断在改进和发展，应用领域也不断在扩展。目前，液压不压井作业设备的作业速度、效率、适应性和能力在油气井的服务中已经得到证实，它可以有效地应用于海上、沙漠、丛林和大型修井设备难以行驶的地区。

现在，不压井作业设备在国外发展已比较成熟，其中技术最成熟是加拿大和美国。全液压不压井作业设备占主导地位，其安全性、可靠性及自动化程度日益提高［1－5］。

国内外使用的不压井作业设备主要有3种基本类型，即，基于钻井设备辅助型、基于液压－钻井设备辅助型和独立液压控制系统型。目前，独立液压控制系统型（液压不压井修井机）是使用最广泛的不压井作业设备，它的作业速度、效率、适应性和能力均已在油气田的服务中得到证实［1－5］。

2 典型液压不压井修井作业起下管柱装置

2.1 结构

图1是典型的液压不压井修井机起下管柱设备结构简图［1］。液压不压井修井机采用伸缩液缸及若干相应的配套设备代替传统的井架、提升机等起下设备。

图1 液压不压井修井作业起下管柱装置结构

移动卡瓦和固定卡瓦都是由上、下2组卡瓦组成。上、下卡瓦的卡瓦座锥孔和卡瓦牙模的方向相反。上卡瓦是重力卡瓦，下卡瓦是防顶卡瓦。4组卡瓦均有独立的控制液压缸，整体采用联锁程序控制，使移动卡瓦和固定卡瓦开合协调一致，保证设备起下管柱作业的连续性。

2.2 工作原理

液压不压井修井作业起下管柱装置是通过液压缸活塞的上、下往复运动，并提供足够的提升力或下压力进行起下管柱作业。

起升管柱过程为：

1） 由固定卡瓦卡住管柱（如果管柱上冲就用上卡瓦，如果管柱下落则用下卡瓦），液压缸带动移动卡瓦下行（空行程）到下位。

2） 移动卡瓦卡住管柱，松开固定卡瓦，接着液压缸通过卡住管柱的移动卡瓦带动管柱上升到上位（不管管柱是上冲还是下落）。

3） 固定卡瓦卡住管柱，松开移动卡瓦，液压缸带动移动卡瓦下行到下位，至此完成1段管柱起升。通过如此循环即实现管柱的起升。

下放管柱过程与起升管柱相反。油管上卸扣通常用液压动力钳完成。

3 典型液压驱动系统

典型液压不压井修井作业起下管柱装置采用的液压驱动系统如图2所示，用于控制油井管柱的夹持和起下。该系统由液压泵提供动力，可通过操作三位四通电磁换向阀来控制液压缸和管柱的起、下、停、锁等动作。与机械传动、电气传动相比，液压传动具有体积小、质量轻、寿命长、操纵控制方便等优点［3－5］。主要性能特点如下：

图2 液压不压井修井作业起下管柱装置液压系统原理

1） 液压缸可以在任意载荷情况下上行或下行，并可以在任意位置制动、锁紧。

2） 可实现管柱快速上升，慢速下放。

3） 可采用主、辅液压缸驱动结构。轻载时主液压缸工作，辅液压缸浮动；重载时主、辅液压缸同时工作。

4） 液压缸可大范围平稳调速。

4 控制系统

目前，液气压系统大多用继电器－接触器来实现控制，不仅元器件多、体积大、连线复杂、修井作业劳动强度大，而且可靠性和可维护性低、故障率高、工作效率低。如果采用以计算机技术为核心的PLC来控制不压井修井机，将会有效地弥补这一缺憾，在一定意义上弥补与国外先进技术水平的差距。

笔者提出基于PLC的液压不压井修井作业起下管柱设备控制系统设计思路：把PLC控制引入不压井修井机管柱起下装置的控制系统，以PLC做控制系统下位机，采用传感器检测液压不压井修井起下管柱装置卡瓦的开、闭信号，发送至PLC，由PLC发出指令指挥电磁阀动作，控制卡瓦的卡紧和松开管柱，同时控制起升油缸的起降，实现起下管柱作业。该方案可大幅度提升不压井修井机的自动化水平，提高设备运行的可靠性和工作效率，降低工人劳动强度，增强现场操作的安全性。

5 结论

1） 液压不压井修井机是使用最广泛的不压井作业设备，具有作业速度快、工作效率高、适应性和能力强等优点。

2） 国内外对不压井作业技术和装备的研究已进行了几十年，加拿大和美国的技术最先进。液压不压井修井作业起下管柱装置的性能优良，已在油田广泛应用。

3） 我国已把不压井作业技术应用于油田生产。在装备研究方面起步较晚，与国外技术有较大差距。为了有效开发油气资源，应加大不压井作业技术的研究，特别是液压不压井修井作业技术和装备的研究。

4） 提出基于PLC的设计思路，有助于提高控制系统的可靠性和自动化水平。

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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“石油天然气装备”教育部重点实验室（西南石油大学）资助项目（2011sts03）

钟功祥（1962－），男，四川成都人，教授，硕士，1989年毕业于西南石油大学石油机械工程专业学位，主要从事石油机械工程科研和教学工作，E－mail：zhonggx3170＠163.com。