氣井帶壓作業裝置研究與應用

陳寧

（中國石油吉林油田公司油氣工程研究院 吉林松原 138000）

帶壓作業技術起源于上世紀60年代的北美，應用范圍從水井拓展到油井，又從油井拓展到氣井，目前美國和加拿大的氣井帶壓作業已經占到90%。國內，隨著天然氣開發的加快，氣井完井及后期作業工作量將會逐年增加，氣井帶壓作業的需求越來越迫切。但是，由于天然氣具有高風險性，對作業裝備性能要求也更高，因此國內氣井帶壓作業主要是引進美國或加拿大的整套帶壓作業裝備為主，自主研發的氣井帶壓作業裝備也是以引進防噴器等關鍵配件配套為主。為了提升國內氣井帶壓作業技術水平，降低投資成本，我們進行了氣井帶壓作業裝置研究，可以實現井口壓力14MPa以內的氣井帶壓作業需求。

1 氣井帶壓作業裝置

氣井帶壓作業裝置為分體輔助式結構，作業時需要作業機或吊車配合作業。主體部分包括井口帶壓作業裝置與動力系統兩大部分。本文主要介紹井口帶壓作業裝置。

1.1 結構組成

井口帶壓作業裝置從下到上主要由安全防噴器組、密閉卸扣裝置、接箍探測器、工作防噴器組、液封氣系統、舉升系統等組成，具體結構見圖1。

圖1 低壓氣井不壓井作業井口裝置結構圖

圖1中，1-旋轉法蘭；2-安全閘板防噴器組；3-密閉卸扣裝置；4-接箍探測器；5-工作閘板防噴器組；6-四通閥；7-噴淋短接；8-下環形防噴器；9-液缸；10-密閉短接；11-上環形防噴器；12-固定卡瓦組；13-游動卡瓦組；14-框架；15-一層平臺；16-二層平臺；17-三層平臺；18-工作平臺。

1.2 工作原理

井口帶壓作業裝置主要用于井口環空壓力和管柱起下軸向力的控制。兩套環形防噴器組成液封氣系統，實現起下管柱時對氣井內氣壓的有效封堵和管柱通過時的流體自潤滑，并配合工作防噴器組和安全防噴器組實現多重密封，控制作業過程中的環空壓力。由液缸、雙向固定卡瓦和雙向游動卡瓦組成舉升系統，控制管柱起下時的上頂力和下壓力實現管柱軸向力的控制。在上下防噴器組中間配備密閉卸扣裝置，可以實現帶壓條件下的管柱卸扣作業。

1.3 關鍵配套技術

1.3.1 密閉卸扣裝置

該裝置位于井口裝置的下部，主要由主鉗系統、背鉗系統和液壓傳動系統組成。其工作原理是將液壓馬達產生的動力，通過齒輪傳遞形成扭矩，實現在設備高壓腔內對指定接頭進行卸扣作業。與游動旋轉防頂卡瓦配合使用，在卡緊管柱的同時實現旋轉作業。與常規帶壓作業機相比，起出一根無內堵塞管柱可提高工作效率6倍。

1.3.2 液封氣二級減壓裝置

該裝置位于井口裝置的中上部，主要由上環形防噴器、液封氣短接、下環形防噴器、蓄能器、等壓力傳動缸、液路壓力控制閥件、液壓泵等組成。其工作原理是下環形防噴器作為主減壓級，與上環形防噴器間封閉一段液柱，液柱腔壓力設定為3～4MPa，利用液體輔助密封井內氣壓并潤滑膠芯，降低球形膠芯上下壓差，可減少球形膠芯磨損。

1.3.3 游動旋轉卡瓦

該裝置位于井口裝置的上部，主要由卡瓦體、錐體、油缸、連桿、上下蓋、卡瓦滑塊、卡瓦牙板等組成。其工作原理為卡瓦采用背錐面滑塊與內錐面錐體配合工作方式，油缸伸出或收縮帶動滑塊沿錐體內錐面軸向運動，牙板中心通徑放大或縮小，實現松開或卡緊動作。該裝置主要與密閉卸扣裝置配合使用，控制軸向力的同時，實現旋轉作業。

1.3.4 接箍探測器

該裝置位于密閉卸扣裝置上部，主要由液壓缸、活塞、滾輪及壓力傳感器等組成。其工作原理為采用四只正交分布液壓缸推動滾輪夾緊作業管柱，滾輪隨管柱上下運動而轉動，接箍通過滾輪組時推動滾輪及油缸活塞后退，液壓缸壓力上升，通過測定壓力波動的幅度而確定接箍位置。

1.4 技術指標

（1）井口帶壓作業裝置通徑Φ186mm，耐靜密封壓力21MPa，安全作業壓力14MPa；

（2）舉升系統行程3800mm，額定舉升力645kN，額定下壓力435kN，油缸速度0.2 ～0.7m/s；

（3）卡瓦系統卡緊管柱范圍2～31/2in，額定軸向卡緊力500kN，最大軸向卡緊力800kN；

（4）密閉卸扣裝置操作管柱范圍2-31/2iin，額定驅動扭矩8kN·m；

（5）液封氣二級減壓系統設定壓力3～4MPa。

1.5 技術特點

（1）耐壓強度高。安全防噴器組和工作防噴器選用額定工作壓力35MPa的防噴器，高于工作壓力2個級別。

（2）密封能力強。具有兩套全封、一套工作閘板防噴器組及一套安全閘板防噴器組等多重密封措施。

（3）耐腐蝕能力強。設備所有部件的材質、硬度、熱處理、表面防護均按耐硫化氫要求設計和加工。

（4）作業控制能力強。油缸額定工作壓力下的最大上頂力具有40%以上的儲備控制力；安全系數大，安全性高。

（5）具備密閉卸扣功能。游動旋轉卡瓦配合密閉卸扣裝置可以實現油管內無堵塞或油管測漏等特殊工況下帶壓卸扣作業。

2 地面實驗

2.1 整機氣密封地面檢驗

試驗過程：從整機上部下入一根Φ73mm（27/8in）試驗管柱，卡緊全部游動卡瓦和固定卡瓦，關閉上環形防噴器。在整機底部三閘板防噴器處連接試壓管線，輸入氮氣加壓進行氣密封試驗。

（1）靜壓密封試驗。整機先后進行三次地面靜壓密封試驗，注入氮氣增壓至22MPa后關閉氣泵保壓，保壓時間分別為60min、840min和20min，所有試驗均全程無泄漏，無壓力降，全部滿足要求。

（2）動壓密封試驗。注入氮氣增壓至14MPa后關閉氣泵保壓，操作設備主油缸通過游動卡瓦帶動試驗管柱在環形防噴器膠芯內上下運動30次，試驗全程無泄漏，無壓力降，滿足設計指標要求。

2.2 舉升系統承載地面實驗

在裝備中下入一根Φ73mm（27/8in）試驗管柱，卡緊全部游動卡瓦和固定卡瓦。操作主油缸上舉及下壓，試驗過程舉升力達到646kN，下壓力達到490kN，且所有卡瓦卡緊部位無滑動，由此可驗證主油缸的額定舉升力及下壓力達到設計指標要求。

3 礦場試驗

2017～2018年，成功開展4井次的現場試驗。試驗井最高作業壓力達13MPa，采用密封卸扣裝置進行2井次11封11配的卸扣作業，大大提升了作業效率及安全性能。正常起下管柱作業速度達3.84m/min，作業效率較高。

4 結 論

（1）氣井帶壓作業裝置具有靜密封壓力21MPa，安全作業壓力14MPa的工作能力，并經礦場試驗，滿足現場施工要求。

（2）密閉卸扣裝置的應用，實現了油管無法堵塞及側漏情況下管柱卸扣作業，減少了施工工序，提高了作業效率。

（3）液封氣二級減壓裝置的應用，利用液體輔助密封井內氣壓并潤滑膠芯，減少球形膠芯磨損，提高其使用壽命。

（4）該裝置下一步應該向提高工作壓力，形成獨立作業模式方向發展，擴大應用范圍，降低作業成本。