不壓井作業模擬試驗裝置的研制

左其川，趙煥寶，雷廣進，劉宏亮，黃 萍

（寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002）＊

不壓井作業是指在不壓井、不放噴的帶壓環境中完成的作業方法，在井口不壓井作業設備的控制下，克服井筒內上頂力進行起升、下壓管柱和旋轉作業，它能避免作業過程中對產層的污染和傷害，提高生產效率、降低生產成本，提高油氣產量，提升經濟效益［1－6］。不壓井作業技術在國外十分成熟，應用相當普及，國內仍有很大的提升空間［7－10］。筆者根據不壓井作業的實際工況和工作參數，設計了不壓井作業模擬試驗裝置，該裝置可模擬3 000m井深、井筒內壓力21MPa環境，能夠用于不壓井作業的模擬試驗和技術研究。

1 技術分析

1.1 設計依據

根據有關調查報告顯示，目前油田服役的絕大部分注水井、油氣井的井深不大于3 000m、井筒內的壓力不超過21MPa，套管直徑為177.8mm。不壓井作業設備主要依靠井口防噴器組控制井筒壓力，并在其配套的舉升系統驅動下強行進行管柱的起升和下壓作業，管柱起、下速度為3m／s。

1.2 模擬試驗裝置應具備功能

1） 能夠模擬井深3 000m，井筒壓力達到21 MPa的壓力環境。

2） 無論管柱起升或下壓，井筒壓力須維持穩定，壓力波動不大于0.1MPa。

3） 可滿足不同井深和不同壓力，實現0～21 MPa的壓力調節。

1.3 方案設計

根據不壓井作業的實際工況和工作參數，提出了不壓井作業模擬試驗的方案設計，模擬試驗裝置由模擬井口、壓力補償泵、儲能器、調壓裝置、水箱及壓力管線等組成，如圖1。

不壓井作業模擬試驗裝置的模擬井預先埋入井中，模擬井口是四通結構，上端裝不壓井作業設備，下端連模擬井，左右兩側分別接壓力補償泵和儲能器、調壓裝置、水箱及壓力管線，井筒中間插入管柱，形成一個封閉、循環、帶壓的系統。壓力補償泵為整個系統提供持續、穩定的水壓循環；調壓裝置根據需要調節壓力；儲能器用于平衡在管柱起升或下壓的過程中造成的壓力波動。

具體操作如下：開啟壓力補償泵向模擬井、模擬井口和不壓井作業設備的環空中加水壓，調壓裝置根據不同的井深和壓力級別調節環空壓力，水經壓力管線進入水箱，形成一個封閉、循環、帶壓的試驗系統。當系統建立起穩定的壓力環境后開始進行試驗，由不壓井作業設備井口防噴器組密封井筒壓力，其舉升系統進行提升和下壓管柱等作業，以模擬在帶壓環境下進行的各種試驗。

圖1 不壓井作業模擬試驗裝置

2 關鍵設備設計選型

2.1 壓力補償泵

根據不壓井作業的最大工作壓力，得出壓力補償泵的最大輸出壓力不低于21MPa。壓力補償泵水壓經調壓裝置調節，而調壓裝置采用小孔節流的方式，因此其排量為

式中：Cq為流量系數，取0.82；A1為小孔面積（選用噴嘴直徑12mm），mm2；Δp為壓力差，取21MPa；ρ為水密度，1 000kg／m3。

再根據管柱的直徑和運動速度，計算泵須補償的流量為

式中：v為管柱運動速度，0.3m／s；A2為管柱面積（取88.9mm（3英寸）管柱），mm2；

故壓力補償泵的流量為

式中：K為系統泄漏系數，取1.2。

由此得出壓力補償泵的額定工作壓力不低于21MPa，最大排量超過25.08L／s即可滿足設計要求。筆者所選取的壓力補償泵是F－1300型三缸泥漿泵，其基本工作參數為：額定工作壓力35MPa，最大排量30.69L／s，各項指標均可滿足設計要求。

2.2 調壓裝置參數設計

調壓裝置的調壓范圍設計在0～35MPa之間，采用小孔節流的方式，靠更換調壓裝置中噴嘴的大小和數量來實現壓力的調節。

2.3 蓄能器參數設計

蓄能器選用應用較為廣泛的皮囊式結構，其充氣壓力為p0＝0.5p1＝10.5MPa，系統最大工作壓力p1為21MPa。

其容積根據圖解法查得為32L，可選NXQL40／10－H 型蓄能器。

2.4 其余設備選型設計

1） 為滿足1根管柱的帶壓作業模擬試驗，模擬井的設計深度為30m，模擬井套管直徑為177.8 mm，額定工作壓力為35MPa。

2） 壓力管線為101.6mm（4英寸）高壓管匯，額定工作壓力為35MPa，兩端為由壬連接。

3） 水箱容積為60m3。

3 模擬試驗

2011－06完成不壓井作業模擬試驗裝置的組裝，并進行了不壓井作業設備的模擬試驗。試驗內容包括：

1） 管柱在帶壓環境下的起升和下放試驗。

2） 不同規格的管柱在不同壓力級別下的帶壓作業。

3） 變徑接頭在通過防噴器組時，不壓井作業設備的工作能力。

4） 在最大壓力環境下，不壓井作業設備的密封性能和起升、下壓管柱的能力等。

不壓井作業模擬試驗裝置順利地完成了不壓井作業設備的各項模擬試驗，模擬井內的壓力波動值不小于0.1MPa，其各項試驗指標達到了設計預期要求。

4 結論

1） 不壓井作業模擬試驗裝置能模擬井深3 000m、井筒壓力不超過21MPa的壓力環境，并能夠完成各項帶壓作業模擬試驗（例如：在壓力環境下起升和下放管柱）。

2） 該裝置能夠在帶壓作業的動態環境下保持壓力持續、穩定，壓力波動≤0.1MPa，密封安全、可靠、無滲漏。

3） 該裝置可為不壓井作業技術研究提供一個良好的試驗平臺，能夠有效地模擬帶壓作業的全過程，具有較高的推廣價值。

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