新型带压作业防喷装置

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新型带压作业防喷装置

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吴千里

(中国石油集团钻井工程技术研究院)

摘要　针对目前带压作业防喷装置存在承压低、胶心寿命短以及安全性差的问题,研制了一

种新型带压作业防喷装置。该装置在接箍探测器和压力平衡装置的配合下,通过2个闸板防喷器倒换开、关,使管柱接箍通过井口,在带压密封状态下完成管柱的起下操作。接箍探测器在起下油管柱偏离中心小于10mm 时,能够准确探测出油管接箍通过时的位置,并能发出声光报警信号。大庆油田3口高压水井的现场试验结果表明,该装置能够满足高压注水井的带压作业需要,可实现缓冲条件下的卸压和升压,并且操作安全、方便。

关键词　带压作业　防喷装置　滑动密封副　接箍探测器　压力平衡

引 言

随着油田进入开发的中后期,油层压力不断下降,地下亏空严重。常规压井作业过程中,修井液会与油层敏感性矿物发生理化反应,改变油气层岩石结构、表面性质,甚至引起流体相态的变化,造成井底附近油气层渗透率降低,从而影响油气层产能及最终采收率。为此,辽河石油勘探局兴隆台工程技术处自2001年开展带压作业技术研究,经过几年的研究和拓展,该工艺技术已经成为石油行业作业系统的一项品牌技术,在国内几大油田得到推

广应用,对油田的增储上产有十分重要的意义[1]

。

目前带压作业主要采用环形防喷器和自封实现

井口密封,装置承压一般低于15MPa,而且胶心寿命短,更换胶心费时费力;管柱接箍通过井口时全凭操作人员的经验来控制,偶然性较大,不利于

安全施工[2]

。为了提升带压作业工艺技术水平,改善操作人员的工作环境,提高工作效率,2006年辽河石油勘探局兴隆台工程技术处与高校联合攻关,研制了新型带压作业防喷装置,承压级别提升到21MPa 以上,并能实现操作过程的自动控制。

工　作　原　理

新型带压作业装置组成与工作原理如图1

所示。

图1　新型带压作业系统组成与工作原理示意图

1—上防喷器;2—卸压平衡阀;3—上接箍探测器;4—平衡短节;5—加载平衡阀;6—下防喷器;7—下接箍探测器

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2008年　第36卷　第1期石　油　机　械

CH I N A PETROLEUM MACH I N ERY

3基金项目:中国石油天然气集团公司石油科技中青年创新基金项目“高压注水井带压作业井口防喷系统关键技术研究”(06E1009)。

起升管柱时,下防喷器处于关闭状态,下接箍探测器发出检测信号,使上防喷器迅速关闭,这时上平衡阀关闭,下平衡阀打开,使上、下防喷器之间充满高压液体;当下防喷器的上、下腔液体压力达到平衡后,防喷器的控制液压缸驱动下防喷器打开,下平衡阀关闭;当管柱接箍顺利通过下防喷器后,上接箍探测器发出检测信号,使下防喷器迅速关闭,上平衡阀开启,使上、下防喷器之间高压液体迅速卸压;当上防喷器的上、下腔液体压力达到平衡后,防喷器的控制液压缸驱动上防喷器打开,上平衡阀关闭,管柱接箍顺利通过上防喷器,完成1根油管在密封状态下从井内起出。如此重复上述步骤,安全起出井内管柱。

下放管柱时,上防喷器处于打开状态,下防喷器处于关闭状态,这时下平衡阀关闭,上平衡阀打开。当管柱接箍通过上防喷器后,上接箍探测器发出检测信号,防喷器的控制液压缸驱动上防喷器迅速关闭,平衡阀迅速开启,使上、下防喷器之间充满高压液体;当下防喷器的上、下腔液体压力达到平衡后,防喷器的控制液压缸驱动下防喷器打开,下平衡阀关闭;当管柱接箍顺利通过下防喷器后,下接箍探测器发出检测信号,使下防喷器迅速关闭,上平衡阀开启,使上、下防喷器之间高压液体迅速卸压;当上防喷器的上、下腔液体压力达到平衡后,防喷器的控制液压缸驱动上防喷器打开,上平衡阀关闭,完成1根油管在密封状态下被下入井中。

设　计　特　点

新型带压作业装置主要工作参数:通径186 mm,额定工作压力21MPa,液控压力1015MPa,密封管柱直径73mm。关键部件的设计特点如下。

11闸板防喷器滑动密封副

闸板防喷器的密封机理是液压缸推动闸板体向前运动,使闸板胶心和油管壁接触,胶心前部和顶部橡胶受压产生变形,形成密封比压来封住井中带压液体;胶心和油管壁接触后,井中液体压力还可产生助封作用,当液控系统压力较低时也可实现较好的密封。闸板防喷器的特点是可以用于高压作业,但闸板防喷器的密封机理和结构决定了其不能像环形和球形防喷器那样在密封油管的同时,使接箍可以强行通过密封胶心。因此,只能通过2个闸板防喷器进行密封倒换,使接箍通过密封。

闸板防喷器密封胶心的密封面分为圆弧面和平面2部分。胶心弧面用来密封管柱的表面;胶心平面则用来密封2个半环密封的分界平面。密封工作时,由液控系统中的换向阀控制闸板防喷器的液压缸来驱动和控制密封胶心的运动,并对密封胶心施加足够的作用力,使密封胶心的圆弧面橡胶变形紧贴管柱表面,产生接触密封比压,实现对管柱的密封[1]。

密封比压是指密封胶心抱紧油管时施加于油管的径向作用力,是衡量胶心能否可靠封井的重要参数。只要保证胶心与油管之间所需的密封比压,油管与胶心相对滑动时就能实现可靠的密封。具体计算公式为[3]为

q1=

4

3

E0ln t

t-δ

+

Kb2

8t2

t

t-δ

2

-1(1) q2=

4

3

E0ln

t m

t m-δm

+

Kb2

8t

m

2

t m

t m-δm

2

-1

(2)

式中　q

1

———橡胶前部圆弧面部分的密封比压;

　q

2

———橡胶前部平面部分的压力;

　E

———橡胶杨氏模量;

　b———胶心轴向宽度;

　δ———圆弧面胶心径向压缩量;

　t———圆弧面胶心径向计算厚度;

　δ

m

———平面胶心径向压缩量;

　t

m

———平面胶心径向计算厚度;

　K———形状修正系数,由试验确定。

由于密封副的胶心是高弹性体,在控制液压缸的驱动下,胶心圆弧面与油管接触后很容易产生变形。如果不加以限制,就会在密封工作面上产生过大的密封比压。这样不仅会使胶心受力状况变得恶劣,而且会加速胶心密封面的磨损。

为了改善胶心的耐磨性,新研制的滑动密封副在胶心圆弧面中嵌入一个耐磨环。当胶心接触变形正好达到密封比压时,耐磨环与油管接触,起支撑作用。油管在密封过程中要先把耐磨环磨损到一定程度才能进一步磨损到胶心。因此,耐磨环起到了延缓胶心密封面磨损,延长胶心工作寿命的作用。

21接箍探测器

油管接箍探测器的结构原理如图2所示。

接箍探测器工作时,探测杆在流体压力平衡状态下,由于压缩弹簧的预压力,与探测杆相连的探测滚轮向探测器中心方向移动达到极限位置。接箍探测器的2个对称安装的探测滚轮之间的最小距离比油管的外径尺寸大3～5mm。带压起、下管柱作业过程中,当油管均匀段通过时,不会碰到探测滚

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5

— 石　油　机　械2008年　第36卷　第1期

轮,探测杆没有位移,因此没有信号输出;当油管接箍到达接箍探测器位置时,由于接箍的外径大于2个探测滚轮之间的最近距离10mm 以上,这个距

离只是滚轮半径的??,因此,接箍会在上下运动的同时,驱动探测滚轮带动探测杆沿径向移动,通过接近位移传感器输出探测信号,实现声光报警,为下一步操作提供1个控制信号

。

图2　接箍探测器结构原理示意图

1—传感器;2—探测杆;3—滚轮;4—油管;5—接箍;6—弹簧

31压力平衡装置

压力平衡装置包括1个卸压平衡阀、1个加载

平衡阀和1个平衡短节。它们与防喷器安装成1个整体。当高压液体需要引入上、下闸板防喷器之间的腔体时,加载平衡阀打开,高压流体在压力缓冲状态下充入腔体中,实现下闸板防喷器上、下腔体间的压力平衡;当上、下闸板防喷器之间的腔体压力流体需要卸载时,卸压平衡阀打开,腔体内的高压液体在压力缓冲状态下降为零,实现上闸板防喷器上、下腔体间的压力平衡。

现场试验及结论

新型带压作业装置于2006年10～11月在大庆油田采油五厂和采油九厂作业区进行了3口高压水

井的带压作业现场试验。

现场试验中,闸板防喷器滑动密封副在液控压

力10MPa 条件下,完成密封副滑动距离2100m ,密封副剥层磨损量为210mm ,胶心在密封可靠性、耐磨性和使用寿命上均达到了设计要求。压力平衡装置和控制操作安全、方便,接箍探测器能够实现声光报警。

结 论

(1)闸板防喷器新型组合滑动密封副材质及

结构适合于高压油水井的带压作业施工,其工作寿

命可达到2000m 以上。

(2)接箍探测器在起下油管柱偏离中心小于10mm 时,能够准确探测出油管接箍通过时的位

置,并能发出声光报警信号。

(3)压力平衡装置实现了缓冲条件下的卸压和升压,并且操作安全、方便。

参　考　文　献

[1]　崔　斌1带压作业修井装置的研制1石油矿场机械,

2007,36(1):63-661

[2]　柴　辛,李云鹏,刘锁建,等1国内带压作业技术

及应用状况1石油矿场机械,2005,34(5):31-331

[3]　崔　岚1液压闸板防喷器胶心的封井机理与结构参

数设计1石油机械,1994,22(3):36-421

作者简介:吴千里,生于1978年,毕业于北京理工大学车辆工程学院,现从事钻采机械研究工作。地址:

(124010)辽宁省盘锦市。电话:(0427)7860464。E -

mail:yanyuzhong011994@sina 1com 。

收稿日期:2007-10-29

(本文编辑　丁莉萍)

!信息广角#

采用天然能源的抽油系统

美国Deluge 公司开发成功一种有专利权的采用天然能源的机械采油系统。它是利用液压缸在1013

MPa 压力下储存的213L 液态CO 2,因温差产生的能量供给旋转和线型发动机变速地驱动有杆抽油系统。其工作温度范围为4415～100℃,这样可很好地利用温度为100℃的废热供给热量,用温度为38℃的浅层水冷却液压缸外侧。它只需要很少或不需要外部能源,可达到零污染。

目前,这种抽油系统已在中东的9口浅层油井上完成了矿场试验,并已成功地用于气井的排水。现已设计用于高压注水、低产井采油、气井排水和空气压缩等作业的系列产品。

冯耀忠摘译自World O il,2007,228(4)

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15—2008年　第36卷　第1期吴千里:新型带压作业防喷装置

magnetic field exciter,transducer,alar m device

Xue Cheng wen (O il Pr oducti on Technol ogy Research I nsti 2tute,Xinjiang Petr oleu m Ad m inistrati on,Kera may City,Xin 2jiang ),Han Qunye,Yu Hongyu,et al .Devel opment and app li 2cati on of angle labyrinth bl ock valve .CP M ,2008,36(1):38-39

I n oilfield water injecti on operati on,common needle bl ock valve is commonly used in water injecti on stati on as maj or dia m 2eter master valve .Because of poor water quality and s ome what constructive p r oble m,the leakage of the valve ste m sealing sys 2te m and inefficiency s witch often occur .T o s olve these p r oble m s and maintain water injecti on p r ocess,angle labyrinth bl ock valve is devel oped .For this ne w type valve,compound packing seat is used for valve ste m sealing syste m,labyrinth structure is utilized as inner valve core,i m pact hand wheel is als o used t o reduce the da mage of water ha mmer t o valve and water injecti on equi p 2ment .Apart fr om this,the ne w structure can ensure the valve open and cl ose efficiently,thus p r ol onging valve ’s working life and increasing econom ic benefit .

Key words:labyrinth bl ock valve,labyrinth valve core,compound packing,i m pact hand wheel

Zhu Jun (Daqing Petr oleu m I nstitute,Daqing City,Hei 2l ongjiang Pr ovince ),Gao Yu,Ye Xinrui .Study of scre w pu mp well fault diagnosis based on BP neural net w ork .CP M ,2008,36(1):42-44

The p rinci p le of BP neural net w ork (NN )is app lied in the fault diagnosis of the vehicle drive screw pu mp exp l oitati on sys 2te m.Modified BP neural net w ork is adop ted .The state variables that can rep resent the p r oducti on status of oil well are chosen by theory research on the failure characteristics of the scre w pu mp well,taken as input vect ors of the NN.Some common f or m s of failure are concluded,taken as the out put vect ors of the NN.Meanti m e,large amount of field data are collected,classified t o for m the training sa mp les of the NN.Then the NN is trained by these collected data,a net w ork that has good generalizati on abil 2ity is made .T wo languages,VB and Matlab,are used t o write the related p r ogra m which is app lied t o the diagnosis,and cor 2rect results have been made .So it is p r oved that this kind of method has good p racticability .

Key words:scre w pu mp,oil p r oducti on,BP neural net 2work,state variables,fault diagnosis

J iang Xueli (Depart m ent ofMechanical Engineering,J iang 2su Polytechnic University,Changzhou City,J iangsu Pr ovince ),Pei Junfeng,Zhu En Quan .A ne w method of aut omated recogni 2ti on on i m age ’s col ors of ferr ographic wear particles .CP M ,2008,36(1):45-48

The devel opment of ferr ography technol ogy makes identif 2ying f or col ors of ferr ographic wear particles more and more i m 2portant in wear debris recogniti on in ferr ography technol ogy .The aut omatic and accurate identifying f or col ors of i m ages of ferr o 2graphic wear particles will influence the app licati on of ferr ogra 2phy technol ogy .Based on col ori m etry theory,this paper app lies the chr omaticity descri p ti on method in RG B tricol or theory t o au 2t omatic identifying f or col ors of i m ages of ferr ographic wear parti 2cles .And MAT LAB ’s i m age p r ocessing t oolbox is used t o com 2p ile p r ogra m t o p r ocess i m age aut omatically and recognize col 2ors .It has realized the intelligent analysis f or col ors of wear par 2ticles .This method avoids the disadvantage fact or which exists in the artificial analysis,and i m p r oves the accurate rate of aut o 2matic identifying of wear particles .

Key words:ferr ographic wear particles,grey theory,col or identifying,i m age p r ocessing,col ori m etry

W u Q ianli (D rilling Research I nstitute of C NPC,Beijing ).Research and app licati on of ne w bl owout p reventer used in snub 2bing service .CP M ,2008,36(1):49-51

According t o sealing characteristics of bl owout p reventer used f or high p ressure water injecti on wells in snubbing service,a ne w type of snubbing unit is put f or ward .W ith tubing coup ling detect or and p ressure -equalizer har monizing t ogether,tubing coup ling passes thr ough the t w o ra m bl owout p reventer by open 2ing or cl osing alternatively in order t o perf or m the tube moving up and down p r ocess with seal under high p ressure state .A ne w hydraulic bl owout p reventer syste m that mainly includes ra m bl owout p reventer,p ressure -equalizer and tubing coup ling de 2tect or is devel oped .The oilfield test results p r ove that the ne w bl owout p reventer system can meet the require ment of high p res 2sure water injecti on well in snubbing service .This rep resents a directi on of snubbing unit t o study and devel op with aut omati on and intellectualizati on .

Key words:snubbing service,bl owout p reventer,sliding sealing pair,tubing coup ling detect or,p ressure balance

Cai J ianhua (Hunan University of A rts and Science,Chang 2de City,Hunan Pr ovince ),L iu W ei,Guo Hekun .Devel opment and app licati on of the portable NMR l ogging analyzer .CP M ,2008,36(1):52-53

The portable NMR l ogging analyzer is mainly used t o quick 2ly and p recisely deter m ine the petr ophysical para meters of core,cuttings and side -wall core at well site .The structure and p rin 2ci p le,technol ogical target,technol ogical feature of the l ogging analyzer are discussed .The analyzer has been app lied in the J i 2lin O ilfield,and the result indicates that it is reliable .

Key words:nuclear magnetic res onance,l ogging analyzer,physical para meter

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