带压作业技术

带压作业技术
前言
带压作业是指利用特殊修井设备，在油、气、水井井口带压的情况下，实施起下管杆、井筒修理及增产措施的井下作业技术。

通过防喷器组控制油套环空压力，堵塞器控制油管内部压力，然后通过对管柱施加外力克服井内上顶力，从而完成带压起下管柱。

几乎所有的油、气、水层从勘探，开发到后期的维护过程中都受到不同程度的伤害。

如何避免或减小油气层伤害，提高油水井寿命和产能一直是开发技术人员努力的方向。

带压作业技术的出现为实现真正意义上的油气层保护提供了可能。

相对于油井来说，带压作业较传统井下作业，没有外来流体入侵，油气层就没有外来固相，液相的伤害，不会产生新的层间矛盾，地层压力系统不会受到破坏，不需要重新建立平衡，有利于油井修复后稳产、高产。

相对于传统水井作业，在不放喷，不放溢流的情况下带压作业，对单井而言不需要卸压，同时解决了污水排放问题，降低注水成本；对整个注采网来说，对周边受益井，注水站注入工作不影响，保持整个注采网络地层压力系统不受破坏，不需要再建压力平衡，有利于提高注水实效。

一、带压作业技术发展及现状
1、国外带压作业技术发展及现状
1929年美国奥蒂斯（Otis）公司发明了钢丝绳式起下装置，主要用于辅助钻机带压起下管柱作业，安全性较差；1960年第一台液压式带压作业设备诞生，提高了安全性；1980年，第一台车载液压式带压作业设备在北美出厂，增强了机动性；90年代后，出现了模块化的撬装设备，以适应海上作业；2000年后,钻、修、带压作业一体机出现。

目前带压技术和装备在国外已非常成熟，辅助式和独立式设备及其配套工具序列齐全，设备实现了全液压举升，最高提升力达2669KN，最大下推力达1157KN。

已普遍应用于陆地和海洋作业。

最高作业井压力可达140MPa。

2、国内带压作业技术发展及现状
国内从二十世纪60年代曾研制过钢丝绳式带压作业装置。

70-80年代四川石油管理局研制了用于钻井抢险的BY30-2型带压起下钻装置和用于修井的
BYXT15型带压起下钻装置。

80年代，吉林油田研制开发出橇装式液压带压作业装置。

随着各油田对油层保护的高度重视及带压作业技术的逐步完善，2000年以后该项技术在国内得到了快速发展。

据不完全统计，我国现有带压作业装置90多套，各大油田都有自己的带压作业装置。

目前，带压作业已实现油水井的起下管杆、通井、打捞、打印、冲砂、刮垢、射孔、换井口、挤灰、堵水、酸化、压裂、套磨铣、水平井（射孔、压裂）等工艺。

二、带压作业装置
带压作业装置根据作业井别不同而有所不同，但其核心部分包括三大系统，分别是井口密封系统、加压动力系统、附属配套系统。

I
1、井口密封系统
井控密封系统主要由三闸板防喷器、单闸板防喷器、环形防喷器和升高短接等部分组成。

其作用是在起下管柱过程中实现油套环空密封。

（1）三闸板防喷器
三闸板防喷器（全封、半封、安全卡瓦），目前主要应用型号为3FZ18-21和3FZ18-35两种。

三闸板防喷器的下腔装全封闸板，可以在井内没有管柱的情况下密封井内压力。

三闸板防喷器的中间装半封闸板，根据井内的油管直径，配上相应的半封闸板，可以在井内有油管的情况下密封环形空间。

三闸板防喷器的上腔装卡瓦闸板，卡瓦闸板不起密封作用，其闸板上装的是卡瓦，配上相应规格的卡瓦牙，可以在上部设备进行检修或更换配件时卡紧油管，防止油管窜出或掉入井内。

（2）单闸板防喷器
单闸板防喷器主要应用型号为FZ18-21和FZ18-35两种，参与倒出接箍及井下工具，其闸板及密封胶件都用特种耐压、耐磨材料制成，减小作业油管牙痕对前密封的损坏，保证闸板前密封具有一个合理的寿命。

图
3
单闸板防喷器
图2 三闸板防喷器
（3）环形防喷器
环形防喷器主要应用型号为FH18-21和FH18-35两种规格。

用于起下油管过程中密封油管及套管环空，确保井内流体不喷出。

环形防喷器动密封均采用唇形结构的密封圈，最大限度地降低了密封圈的磨损，密封可靠胶芯不易翻胶、有漏斗效应。

另外，井压亦有助封作用等特点。

图4 环形防喷器
（4）各种防喷器的组合形式
①基本配置
包括一台三闸板防喷器、两台单闸板防喷器和一台环形防喷器。

可适用于井筒压力35MPa以下的井的带压作业。

②高压力配置
如果压力较高，或是井内情况工具比较复杂，也可以增加一台单闸板防喷器，变为一台三闸板防喷器、三台单闸板防喷器和一台环形防喷器。

这种结构方式适用于要进行二次投堵的情况：一是投堵塞器不到位，需要二次投堵，二是对于起配水器以下的管柱。

一台单闸板防喷器和一台环形防喷器的组合。

这种结构适用于井筒压力14MPa 的井的带压作业。

也可以将三闸板防喷器改为双闸板防喷器，变为一台双闸板防喷器、一台单闸板防喷器和一台环形防喷器的组合。

这样可以降低设备的高度，适用于与井架较低的修井机配合进行带压作业。

（1）双向双作用液压缸
双向双作用液压缸即升降油缸，行程为3.5m左右，在固定卡瓦打开时，通过游动卡瓦咬住井内管柱，操控液压系统，在管柱重量小于井内液压的上顶力(浮力)，实现井内管柱的安全起下。

当管柱重量大于井内液压的上顶力时，停止使用升降液缸，而用修井机大钩起下油管。

图8 液压缸
（2）固定卡瓦和游动卡瓦
固定卡瓦在作业过程中主要用于卡住油管，阻止油管上窜。

当井内压力对油管上浮力小于井内油管重量时，不用固定卡瓦而改用大钩及吊卡，防止油管掉下去。

游动卡瓦是在井内压力对油管的上浮力大于井内管柱的重量时，用游动卡瓦卡住油管，随着升降油缸上升或下降从而提出或压入油管。

当井内压力对油管的上浮力小于井内管柱的重量时，油缸及游动卡瓦停用，改用大钩及吊卡。

图9 卡瓦
（3）横梁
横梁的作用是承受作业过程中的作用力，并且将整套系统连接并固定成一体，从而保证了整个系统的稳定性。

包括游动横梁、上横梁、中横梁、下横梁。

游动横梁下面安装的是游动卡瓦，上面可以安装重力卡瓦或是吊卡。

它的两端分别与升降液缸的活塞杆相连，在作业过程中带到游动卡瓦一起运动，主要是承受游动卡瓦和升降液缸的作用力。

上横梁和中横梁的主要作用是将升降液缸和中间的防喷器组连接在一体，保证装置的稳定性。

上横梁卡在溢流筒和升降液缸上。

中横梁卡在短节和升降液缸上。

它们的两边是合页形式的卡子，可以转过1000的角度，卡在升降液缸上。

下横梁两边与升降液缸的下部相连，中间卡在下横梁座上，下横梁座下部连接三闸板防喷器，上面连接特种单闸板防喷器。

3、附属系统及其配套工具
主要由液压控制系统、堵塞器、卸油箱、工作平台等组成。

（1）液压操作控制系统由液控操作台、蓄能器系统及高压联结软管等组成。

液控操作台实现对井口封井器的开关动作及升降油缸的上下运动，同时可分
别调整各封井器系统液压，使各封井器在最佳工作压力工作，延长各部位工作寿命。

蓄能器系统能储存一定的压能，在作业机或液压泵出现故障时，靠储存能量实现液压快速关井，提高带压作业的安全系数。

联结软管为高压软管，和蓄能器、液控操作台联结，传递液压能量，实现远程控制液压缸和井控装备。

图10 液控操作台
（2）油管堵塞器
最近几年，结合生产实际情况，国内有针对性研发了系列油管堵塞器和配件堵塞器，以及其它堵井工艺，有效地解决了带压作业技术中油管内部堵塞的核心问题。

二连油田主要使用以下2种油管堵塞器。

阜新油管堵塞器主要由钢体、卡瓦、密封胶筒、密封胶皮组成，工作原理：油管堵塞器靠水泥车打压，将油管堵塞器推送至设计位置，停泵后油管堵塞器在地层压力的推动下向上运行，至油管接箍处时卡瓦牙卡在油管之间的缝隙处，不能运行。

但堵塞器的本体继续运行，安全剪钉断，密封胶筒受压扩张，实现油管内堵塞。

图11 FXY211-50油管堵塞器
井下自动坐封堵塞器主要有：坐封机构、密封总成、卡瓦总成、锁紧总成等组成。

工作原理：当自动坐封堵塞器下到预定位置后，上提，遇到接箍位置时，遇阻，上震击，中心杆上移，活塞腔进液孔露出，在静压的作用下，活塞套上行，推动卡瓦坐卡，胶筒被压缩，处于预紧状态，堵塞器处于工作状态。

解封时，在地面上震击，剪断解封剪钉，胶筒被释放、退回，然后捞住卡瓦座，捞出堵塞器。

图12 采研院井下自动座封油管堵塞器
（3）双向阀
主要用于完井时安装在管柱最下部，在油管下入过程中，在单向翻板的作用下，凡尔球座于上球座中，起反向止回作用，使油管内部保持常压，油管下入完成后，向油管内打压，在液力作用和球的自重作用下，凡尔球冲过单向翻板座入下球座中，起挡球作用，可以实现分注作业。

图13 双向阀
（4）泄油箱
一般在上环形防喷器上方加装一个升高短节式的泄油短节，一方面便于上部防顶卡瓦的安装，另一方面从环形防喷器微漏出的水和接箍瞬间流出的水能通
过导流管流到指定地方，不要上喷和流到井口处，污染地面环境。

（5）工作平台
包括主工作平台和辅助平台。

主平台上安装有司钻控制台、斜梯、逃生滑道、油管坡道，主平台主要是提供作业的空间。

辅助平台上有环形防喷器及部分控制阀，为环形防喷器及固定卡瓦的检修提供空间。

图14 工作平台
4、二连分公司带压作业装置
（1）辅助式
华北石油荣盛机械制造有限公司生产的DYZY18—14/21 型带压作业装置，二连分公司于2004年引进。

产品代码说明
DYZY 18 - 14 / 21
最高静密封压力（MPa）
最高工作压力（MPa）
通径代号
产品代号
图15 辅助式带压装置
作业大队目前应用的DYZY18-14/21带压作业装置的液压系统由液压源、液控操作台、液控管线和蓄能器四部分组成。

液压源部分由天动4130柴油机、分
动箱、齿轮泵、液压油箱组成。

一台齿轮泵的排量为160ml/r，专供升降液缸使用，另一台排量为80ml/r，供其余液控部分使用。

液控操作台型号为：FYK20—10，最高工作压力为21MPa，10个头，分别控制升降油缸、全封闸板、半封闸板、卡瓦闸板、FH18—21环形、固定卡瓦、两台TFZ18—21单闸板、游动卡瓦。

液控管线应用的是外编钢丝的高压胶管。

蓄能器系统配备了4个16升的蓄能器，它的作用是在泵停止工作或系统泄露致使压力降低时提供压力。

图16 液压源
图17 控制台和蓄能器
图18 液控管线
（2）独立式
华北石油荣盛机械制造有限公司生产的BYJ60/21DQ型带压作业装置，二连
21--------最高工作压力为21Mpa D --------结构形式为独立式
Q --------结构形式为橇装式
表1 BYJ60/21DQ不压井作业装备井口部分主要技术参数
项目技术参数
升降液缸行程： 3.6m
升降液缸上顶力（最大）600KN
升降液缸下拉力（最大）420KN
升降液缸最大空载上升速度26.4m/min
升降液缸最大空载下降速度41.4m/min
系统最高工作压力21Mpa
系统承受最大静压力35Mpa
系统承压件部件强度试验压力52.5Mpa
整机重量（不含拔杆绞车系统）11000Kg
系统通径φ186mm
闸板防喷器所配闸板规格全封、2 3/8＂、2 7/8＂、3 1/2＂卡瓦所配卡瓦牙规格 2 3/8＂、2 7/8＂、3 1/2＂
主机外形尺寸（不含拔杆绞车系统）mm 3100×2500×64000
表2 BYJ60/21DQ不压井作业装置动力橇主要技术参数
三、带压作业工艺
1、带压作业原理
用内堵塞器密封管柱内的压力后，将整套装置安装在井口上，用环形防喷器或闸板防喷器密封油套环空的压力，使用液压卡瓦卡紧管柱，使用大钩或升降液压缸进行起下管柱和井下工具。

2、起下管柱过程
起下管柱作业过程中，在管柱的自重低于井内压力的上顶力时，用游动防顶加压卡瓦和固定防顶卡瓦控制管柱的起下；起管柱时，通过液压缸、游动防顶加压卡瓦及固定防顶卡瓦三者的配合，给管柱施加一定的控制力，靠液压缸的举升力将井内管柱起出；下管柱时，通过液压缸、游动防顶加压卡瓦及固定防顶卡瓦三者的的配合，并给管柱施加一定的下推力，将管柱下入井内至管柱的自重大于井内压力为止。

在管柱的自重高于井内压力的上顶力时，用修井机的提升系统、游动重力卡瓦和固定重力卡瓦进行起下作业。

3、滑动密封原理
（1）环形防喷器滑动密封原理
图20 环形防喷器滑动密封
在作业过程中，环形防喷器对作业管柱外径提供主密封，且能适应管柱外径的变化、强行通过接箍及工具段。

当井压在9MPa以下时可全程用环形防喷器抱住油管使接箍强行通过环形胶芯，可大大节省作业时间。

（2）闸板防喷器滑动密封工作原理
图21 闸板防喷器滑动密封
①当接箍到达两单闸板防喷器之间时，应是上防喷器处于关闭下防喷器处于打开状态，此时应把下防喷器关闭，做好准备打开上防喷器，使接箍上移。

但此时两防喷器均处于关闭状态，中间四通短节处于高压状态，如此时打开上部防喷器，一方面单面受高压打开困难，另一方面易把前密封胶件刺坏，而且高压水易往上喷出使作业环境受损坏。

因些，在打开上部防喷器前先打开泄压阀，将高压卸掉再关上泄压阀，再打开上部防喷器，就不会出现上述情况。

②当接箍提出上部后，上部防喷器应立即关闭、下部防喷器应及时打开，但此时中间短节处无压力。

如要打开下部防喷器，其防喷器闸板上、下面压差太大，一方面开启困难，防喷器油缸行走缓慢，而且顶密封受压大，特容易磨损，因而先把平衡阀打开（下采油四通侧出口与井控四通侧出口之间用高压软管与平衡阀相联接），将采油四通侧出口的高压水通过软管和平衡阀引入至井控四通内，使下防喷器闸板上下压力平衡后，再关闭平衡阀，此时再打开下闸板防喷器就不会出现上述情况。

4、带压作业操作工艺步骤
（1）将油管堵塞器送至设计位置；
（2）摆放修井机，立井架；
（3）安装带压作业装置及操作平台；
（4）将液控管线按标识连接好，启动液控系统，检查各连接部位有无渗漏，各连接管线是否正确；
（5）带压起出井内原井管柱；
（6）按照地质方案和工程工艺设计进行下步作业施工。

5、二连带压作业装置具体可以完成的作业项目
（1）进行带压油管的内堵塞作业；
（2）带压起下井下管柱及工具；
（3）井内无油管时的井口全封闭；
（4）井内有管柱时的套管与油管之间环形空间的封闭；
（5）进行简单的节流放喷、洗压井等作业；
（6）进行带压刮削、带压冲砂、带压打捞等附助作业。

四、带压作业技术的应用与效益
1、近几年二连油田带压作业情况
近几年带压作业单井统计
2004年为二连油田带压作业试验年，共施工2井次，在试验中由于不断发现设备、工艺技术和安全操作等方面暴露出来的问题，并不断加以完善和解决，所以施工周期较长，平均周期达到35天。

但试验为DYZY18—14/21 型带压作业装置及施工工艺技术的改进提供了可贵的经验。

2005年为熟练应用阶段，共施工10井次，在此期间现场指挥人员和操作人员已经能够较为熟练的掌握了该装置的操作规程和工艺技术，并摸索了一套行之有效的安全操作办法。

2006年及之后几年为规模推广阶段，累计施工98井次。

并在DYZY18—14/21 型带压作业装置应用良好的基础上，2011年引进和租赁各一套BYJ60/21DQ型带压作业装置，共完成施工10井次。

2011年二连油田共有带压作业机组6部，包括作业大队2部，租赁荣盛公司1部，从一厂，二厂，四厂各借调1部，共完成施工47井次，带压作业技术在二连油田得到大规模推广应用。

2、带压作业经济效益分析
以2010年和2011年2年数据为例。

2010年共完成带压作业19井次，平均单井因放压减少水量排放330m3；2011年共完成带压作业47井次，平均单井因放压减少水量排放759m3；按注水成本4元/ m3计算：
2010年：单井节省水费：330 m3×2×4元/m3=0.264万元/口
节省罐车拉运污水费（500元/15m3）：330m3÷ 15m3×500元=1.1万元
节省污水处理费（按目前成本20元/m3计算）：330m3×20元/ m3=0.66万元通过计算得知，2010年带压作业平均单井节约各项费用达到2.024万元,19
井次总计节约：2.024×19=38.456万元。

2011年：单井节省水费：759 m3×2×4元/m3=0.6072万元/口节省罐车拉运污水费（500元/15m3）：759m3÷ 15m3×500元=2.53万元
节省污水处理费（按目前成本20元/m3计算）：759m3×20元/ m3=1.518万元通过计算得知，2011年带压作业平均单井节约各项费用达到4.6552万元。

47井次总计节约： 4.6552×47=218.7944万元。

由于避免了放压扩压所需时间，按15:1的注采比计算增油量。

2010年带压作业每口注水井增油量：330m3÷ 15 = 22m3
2011年带压作业每口注水井增油量：759 m3÷ 15 = 50.6m3
2010年19口注水井累计增油量：22 m3×19=418 m3
2011年47注水井累计增油量：50.6 m3,759 m3×47=2378.2 m3
按3000元/ m3计算增油效益：
2010年19口井增油效益为：418×3000=125.4万元
2011年47口井增油效益为：2378.2×3000=713.46万元
综上计算，对于水井带压作业，无论是节约注水费用，还是单井增油量，都有显著的经济效益。

五、带压作业技术的发展与完善
1、发展趋势
（1）带压作业装备向着一体化、模块化、智能化方向发展，注重提高操作的安全可靠性、机动性和施工效率；
（2）带压作业工艺技术向着多样化方向发展，逐步具备从水井到油井，再到气井，从小修到大修的带压作业能力，实现油、气、水井起下管杆、通井、打捞、冲砂、射孔、挤灰、酸化、压裂、套铣、水平井（射孔、压裂）等带压作业工艺技术；
（3）逐步完善配套设施，一是研究接箍探测装置，在带压起下管柱时，能准确判断油管接箍的位置，从而避免闸板倒接箍的过程中与接箍的磕碰，提高防喷器闸板密封的使用寿命，提高带压作业效率；二是优选新型的油管堵塞器，从而能够准确有效的封堵管柱空间。

2、二连油田带压作业存在的技术难点及对策
（1）油管内堵塞技术
分注井井下管柱下部带有封隔器、配水器等工具，其内孔均在φ50~φ38左右。

一般常用油管内堵塞器为丢手打压式内堵塞器，只能堵在最上面封隔器以上的油管内。

当此根油管被取出后，下部管柱即处于失控状态。

因而往往只能放压，这样就会造成环境污染。

过去曾经采用过小直径内堵塞器堵最下部油管技术，但必须用小油管送下，因一般井深都超过千米，小油管打弯，不易送到指定位置，而不好推广。

几种对策：
①二次堵塞技术，起到有堵塞器的管柱时，把下部特种单闸板防喷器半封闸板换成全封闸板，用安全卡瓦卡住下部油管，把上部油管从全封闸板下部卸开提出，关全封。

用油管下小堵塞器堵在最下方封隔器以下油管内（上提式），即可把全部油管提出；
②化学堵塞：打堵塞剂；
③优化完井管柱：高压水井可在完井时下入带有预制工作筒和可控开关结构形式的完井管柱，既能实现封隔器正常座封，也不影响水井日常维护，还能实现下次带压作业时堵塞器的精确堵塞，甚至实现对油套环空的底部密封。

图22 预制工作筒
（2）油管接箍探测设备
由于没有油管接箍探测设备，在油管起下过程中只能凭感觉或经验判断油管接箍位置，所以很容易磕碰防喷器的密封橡胶件，对于带压作业存在安全隐患。

若有油管接箍探测设备的精确探测，不仅可以避免闸板倒油管接箍的过程中与接箍的磕碰，提高防喷器闸板密封的使用寿命，提高带压作业效率。

（3）防喷器密封橡胶件的性能
通过大量的现场应用，目前防喷器密封橡胶件的磨损只能维持2000米以内井深的管柱一趟起下，若有附加工序及其它特殊情况，就得中途更换密封橡胶件，既费时又费力；另外，目前防喷器密封橡胶件在气温过低的情况下，存在硬化风险，会加大密封件的磨损，导致密封效果欠佳。

所以，不适于二连油田冬季作业施工。

通过密封橡胶件性能的提升，可实现二连油田冬季带压作业的施工。

（4）设备的整合与优化
由于带压作业设备是普通轮式作业机和华北石油荣盛机械制造有限公司研制的DYZY18—14/21 型带压作业装置的混合体，因此司钻，井口起下油管的操作，井控系统控制之间有一定的距离，需要3个人彼此之间配合默契，否则容易出事故。

今年通过改造，将液压井控控制台改装到工作平台上，实现井口操作与井控系统控制的近距离配合好交流，大大降低了因配合不畅造成事故的风险。

另外，下步将针对司钻与工作平台之间联系不便，司钻视线不畅的问题，采取司钻可视化改造来解决。