BYJ90/70-DQ2-QJ1独立式气井带压作业机设计与应用

张晓军

（大庆石油管理局有限公司松原装备制造分公司，黑龙江 大庆 163000）

随着油气田开发的进一步深入，气井数量的逐年增加，每年有上百口气井由于节流器失效、井底积液、管柱腐蚀、井口刺漏等原因进行修井。常规作业一般都采用高密度压井液压井将井压力降低后进行作业。高密度压井液压井不仅成本高、时间长，而且会堵塞地下油(气)水通道，对气井产层产生污染，影响复产后的产气量。而采用带压作业工艺，则可很好解决这一技术难题。目前，带压作业技术和装备在北美发展已非常成熟，辅助式和独立式设备及其配套工具序列齐全，最高举升力可达2700kN，最高下压力可达1150kN，液缸行程多为3m左右，最高作业井压力可达140MPa。国内带压作业的研究起步较晚，并且由于市场的需求及技术瓶颈等限制，大多数为辅助式和举升能力较低的油水井用的是独立式带压作业机。本公司研发的BYJ90/70-DQ2-QJ1独立式气井带压作压业机主要应用在气井的带压修井作业上，并且举升力可达900kN，最高作业井力可达70MPa，可取代国外同等级设备在国内使用。

1 基本结构

BYJ90/70-DQ2-QJ1独立式气井带压作业机属于轻型的液压控制独立式带压作业装置，包括举升机部分、动力部分，具体结构见图1的结构简图。

动力部分由液压站集装箱提供，举升机部分包括管柱密封系统、液缸、卡瓦系统、平衡卸压系统、工作平台以及地面扶梯、逃生滑道、油管坡道等附属部件。

液控系统包括液压泵、阀组、司钻控制台、远程控制台、液压油箱、蓄能器、控制管线、接头及过滤系统。

管柱密封系统是气井带压作业装置的关键设备之一，其作用是在整个作业过程中始终控制油套管环形空间的压力，防止井喷，保证作业的安全顺利进行。

1.1 工作原理

举升系统是气井带压作业装置的主要设备。主要负责提供带压作业过程中所需的克服井压对管柱的上顶力。本系统液缸采用单级双作用液缸，两端都有防止冲击的减震装置，保证换向过程中的稳定。四个液缸的活塞杆与举升横梁板连接成一体，保证了液缸与防喷串及井口的同心度要求。

图1

举升横梁是气井带压作业装置的主要设备，其作用是连接液缸和游动卡瓦，并传递和承受液缸和卡瓦的作用力。举升横梁分别与液缸的活塞杆及上横梁板和四立柱相连。在作业过程中液缸带动举升横梁上升或下降，带动游动卡瓦一起运动，下压管柱，完成带压作业。

平衡卸压系统是气井带压作业装置的关键设备。其作用是平衡井口防喷器开关时闸板或胶芯上下的压力，防止带压开启闸板和胶芯，提高防喷器胶件的使用寿命。

卡瓦系统是气井带压作业装置的关键设备。该设备采用两台卡瓦：固定卡瓦、游动卡瓦。

游动卡瓦安装在举升横梁的上端，在液缸的作用下随上横梁一起上下运动，带动油管上升或下降；固定卡瓦与环型防喷器的下法兰相连接，在液缸的空行程时卡紧管柱，防止管柱掉入井内或飞出，保证整个作业过程安全可靠。

1.2 技术特点

BYJ90/70-DQ2-QJ1独立式气井带压作业机防喷系统的卡瓦是气井带压作业装置的关键部件，采用了专利技术设计制造。具备以下特点：

（1）卡瓦采用内斜面式卡紧机构，具有自锁夹紧功能。牙板受压均，卡紧可靠。

（2）卡瓦同步夹紧、同步松开管柱，动作准确。

（3）卡瓦的运动采用双液缸驱动。

（4）浮动立柱结构适应油管的微量偏移，自行补偿对中。

防喷系统在气井带压作业的施工过程中能够有效实施井控。它控井能力达到70MPa。最大通过能力为7 1/16″。

防喷系统的关键是合理组合环形防喷器、单闸板防喷器、控制压力平衡四通的封井作业的程序，使受控管柱与井下工具能够顺利通过与密封。

图2 结构图

2 独立式气井带压作业机举升框架结构及力学分析

2.1 提升框架整体结构

独立式气井带压作业机提升框架整体结构如图2所示，主要由游动卡瓦、举升横梁、举升液压缸、上横梁、立柱组合、下横梁板、过渡短接组成，力学分析取的是用来传递载荷和约束的游动卡瓦与举升横梁接触部分，过渡短接与下横梁接触部分。

独立式气井带压作业机提升过程中，其工作原理为游动卡瓦卡紧，固定卡瓦松开，举升液压缸开始带动举升横梁向上提升，提升载荷按照100t计算。载荷传递路径为通过游动卡瓦→举升横梁→举升液压缸→上横梁→立柱组合→下横梁板→过渡短接→地面。

在此过程中，举升横梁承受弯曲和剪切载荷，上横梁受弯曲载荷，不受剪切载荷，立柱受弯曲和压缩载荷，下横梁板受弯曲和剪切载荷。

整个过程主要有两个关键位置，因此可以确定为两个工况：

工况一：固定卡瓦松开，游动卡瓦卡紧且位于最下端；

工况二：固定卡瓦松开，游动卡瓦卡紧且位于最上端。

施加完载荷及约束如图3所示。

2.2 有限元结果分析

举升框架在100t载荷作用下，产生的整体放大190倍的变形趋势如图4所示。

从图4中可以清楚的看出提升框架整体的变形趋势，及各部分结构的作用。能够看出上横梁的变形最小，举升横梁和下横梁的变形最大。举升横梁向下凹弯曲，下横梁上凸弯曲，立柱向外弯曲，液压缸杆向内弯曲。

举升横梁在100t载荷作用下，从图5中可看出最大剪切应力为70MPa，最大变形为2.3mm，图中蓝色显示，最大应力为130MPa，位于螺纹孔边缘以及与液压缸杆连接处。

图3 三维几何模型载荷及约束

从图6中可看出上横梁产生的主要是由举升横弯曲经由举升缸而引起的弯曲变形，最大相对变形值约为0.08mm。上横梁产生的最大应力为20MPa，主要是举升缸与上横梁连接处的压应力。

从图7中可看出下横梁板的最大变形为1.01mm，主要是弯曲变形，最大应力为100MPa，主要是压应力，最大剪切应力为50MPa。

从图8中可看出立柱产生的最大变形为1.15mm，主要是弯曲变形，，产生的最大应力为90MPa，主要是弯曲压应力。

从分析的结果看，举升横梁、立柱及上、下横梁结构能够满足100t载荷的举升工况要求。

图4 整体应力分布（放大190倍）

图5 举升横梁受力及变形分析（放大190倍）

图6 上横梁受力及变形分析（放大500倍）

图7 下横梁受力及变形分析（放大190倍）

图8 立柱受力及变形分析（放大110倍）

3 结语

（1）该设备采用两台卡瓦，固定卡瓦和游动卡瓦，卡瓦采用内斜面式卡紧机构，具有自锁夹紧功能。

（2）防喷系统合理组合环形防喷器、单闸板防喷器、控制压力平衡四通的封井作业的程序，使受控管柱与井下工具能够顺利通过与密封。

（3）BYJ90/70-DQ2-QJ1独立式气井带压作压业机主要应用在气井的带压修井作业上，并且举升力可达900kN，最高作业井力可达70MPa，可取代国外同等级设备在国内使用。