修井地面设备及其发展趋势

修井地面设备以及发展趋势工程技术研究所修井作业室

二零一三年一月第一页，共六十四页。一、修井的定义及原则二、提升设备三、循环设备四、旋转设备五、井控设备六、压裂设备七、施工现场监督要点八、修井设备发展趋势第二页，共六十四页。一、修井的定义及原则

修井也称井下作业，是指为了恢复油水井的正常生产或提高其生产能力，对其所进行的解除故障的施工和实施的措施，从广义的角度来讲，起下油水井管柱的各种施工统称为修井。在修井作业中应遵循以下原则：

1、解除井下事故，不能增加井下事故；

2、保护和改善产层，不能破坏和伤害产层；

3、保护井身结构，不能破坏井身结构。第三页，共六十四页。二、提升设备

提升设备，就是在井下作业施工中起到动力传递、悬吊和起下作业施工所用的设备，它是井下作业中最基本的条件和最主要的设备，主要包括：作业机、井架、天车、游动滑车、大钩、钢丝绳、吊环等。

1、作业机：井下作业施工中主要的动力来源。常用的作业机按行走驱动方式不同可分为：履带式作业机和轮式作业机两种。现场上习惯把不带井架的履带式作业机称为通井机，把自带井架的轮胎式作业机称为修井机。第四页，共六十四页。二、提升设备通井机

履带式修井机一般通称通井机，其实是一种履带式自走型拖拉机经改装添加滚筒而成。一般不配带井架，其越野性好、适用于低洼、泥泞地带施工。缺点是行走速度慢，横穿公路需保护路面不被轧坏，有所限制,进入现场用大板车携带。第五页，共六十四页。二、提升设备修井机

各油田使用的轮胎式修井机型号较多，目前使用较多的有XJ650、XJ450、XJ350型、XJ250型、库泊LTO－350型、英格索兰350型等。轮胎式修井机一般配带自背式井架、行走速度快，施工效率高，适合快速转搬的需要，其缺点是在低洼、泥泞地带、雨季翻浆季节行走和进入井场相对受限制。

第六页，共六十四页。二、提升设备2、井架：井架是施工作业过程中支撑吊升起重系统的构件，其顶部安装天车，与大绳、游动滑车组成吊升起重系统，用来完成起、下油管、钻杆和抽油杆的作业。常用的井架可分为固定式井架和车载式井架两种。在常规作业和油水井增产增注措施作业施工中，经常使用固定式井架；在油水井大修作业施工中，经常使用车载式井架。车载式：井架高度：15m,18m,29m

最大承载：30t,80t,95t,100t,120t,150t固定式：井架高度：18m,24m

最大承载：30t,50t第七页，共六十四页。

固定式井架

车载式井架第八页，共六十四页。二、提升设备2、天车、游动滑车：天车是安装在井架顶端的一组定滑轮，排成一行，采用多轴结构，快绳轮与死绳轮各为一根轴，两个中间轮为一根轴，滑轮设有防止大绳跳槽的挡绳器；游动滑车是与天车对应的一组动滑轮，由滑轮、天车轴、天车架及轴承等主要零件组成。天车、滑车通过钢丝绳组成游动系统，使作业机滚筒的钢丝绳拉力变为井下管柱起下的动力，并有省力的作用。

3、大钩：大钩主要由钩身、钩座及提环组成。主钩用于悬挂水龙头，两个侧钩用于悬挂吊环。大钩和游动滑车组合在一起构成组合式大钩，通过吊环、吊卡悬挂管杆柱及其它辅助施工。第九页，共六十四页。二、提升设备

天车

游动滑车、大钩第十页，共六十四页。二、提升设备4、吊环：起下修井工艺管柱时连接大钩与吊卡用的专用提升用具。在非深井作业时，吊环成对使用，上端分别挂在大钩两侧的耳环上，下端分别套入吊卡两侧的耳孔中，用来悬挂吊卡。按结构不同，吊环分双臂吊环和单臂吊环两种。

双臂吊环单臂吊环第十一页，共六十四页。二、提升设备5、吊卡：用来卡住并起吊油管、钻杆、套管等的专用工具，在起下管柱时，用双吊环将吊卡悬吊在游车大钩上，吊卡再将油管、钻杆、套管等卡住，便可进行起下作业，修井施工中常用的吊卡一般有活门式和月牙形两种吊卡。第十二页，共六十四页。二、提升设备活门式月牙式l-吊卡体；2-活门销子；3-吊卡活门；4-手柄；5-锁扣销子；6-锁扣l-壳体；2-凹槽；3-插闩；

4-手柄；5-弹簧；6-弹簧底垫

第十三页，共六十四页。二、提升设备第十四页，共六十四页。二、提升设备6、钢丝绳：（1）用来作滚筒与游动滑车之间的连接大绳，使修井机滚筒、井架天车、游动滑车几大钩连接成为统一的吊升系统。将滚筒的转动力转变为游动系统的提升力，游动滑车放到井口时，大绳在滚筒上的余绳不应少于15圈；（2）用于井架绷绳，固定稳定井架以及牵引、拖拉起吊设备时承重绳套。现场一般使用6股×19丝左交互捻钢丝绳。第十五页，共六十四页。三、循环设备

主要指动力机、泥浆泵、水龙头、水龙带以及附属管路配件等。下面重点介绍一下水龙头。水龙头主要由循环部分、固定部分、承转部分组成。固定部分和提升大钩相联,转动部分连接方钻杆，并随整个钻柱在转盘的带动下旋转，常用于钻进时循环泥浆以携带碎屑和冷却钻具，还可用于冲砂和其他作业。水龙头的作用是悬吊井下管柱、连接循环冲洗管线，完成洗井、冲砂、解卡和冲洗打捞等施工作业。目前在修井施工中普遍使用的是无动力水龙头，需要配套转盘、方钻杆以及旋扣器等设备。第十六页，共六十四页。三、循环设备

水龙头

水龙头与水龙带配套使用，通过水龙带在循环压井、冲砂等情况下传输动力液。使用水龙带时不能超过其最高的工作压力。解堵、压井等项施工时一定要考虑水龙带的额定承压，严禁超压施工；酸化施工、气举、压后返排不能使用水龙带；冬季使用后要排空水龙带内的残液以防冻住造成堵塞。第十七页，共六十四页。四、旋转设备

转盘是修井作业中常用的旋转设备，是旋转钻具的主要设备，用修井机的发动机为主动力，带动转盘转动，转盘驱动钻具转动，把动力机传来的水平旋转运动转化为垂直旋转运动的减速增扭装置，用来进行钻水泥塞、侧钻、磨铣、套铣施工作业，在起下作业时用于悬挂钻具。目前大修队大都装备轮式修井机、自背式伸缩井架和钻台，钻台上配有专用轴传动转盘。

转盘第十八页，共六十四页。五、井控设备井控设备是指为实施油、气、水井压力控制技术而设置的一整套专用的设备、仪器、仪表和专用工具。井控设备应具有以下功用:1、预防井喷。2、及时发现益流。

3、迅速控制井喷。4、处理复杂情况。是对井喷事故进行预防、监测、控制、处理的必备装置。通过井控装置可以做到有控施工，既可以减少对油气层的损害，又可以保护套管，防止井喷和井喷失控，实现安全、优质、高效、低耗、环保作业。第十九页，共六十四页。五、井控设备井控装置在工艺上主要解决三个基本问题：一是密封问题：即在井下作业过程中，确保油管及油套管环形空间不外泄；二是加压问题：即在起下管柱作业时，井内压力对油管上顶力超过油管本身的重量时，控制油管上顶；三是节流压井问题：即在井下作业过程中，确保在不同工况下可以成功实施压井措施。井控装置主要由检测设备、控制设备、处理设备三部分组成。检测设备如气体测量设备、液面测量仪、密度计、粘度计等，控制设备如防喷器、内防喷工具、采油树，处理设备如节流管汇、压井管汇、除气器、引流放喷装置、地面加压及其它辅助设备等。第二十页，共六十四页。五、井控设备井控下面主要介绍一下封井器以及防喷器。1、自封封井器：由壳体、压盖、压环和胶芯组成，依靠井内油套管环形空间的压力挤压胶芯来实现密封的，在使用时通过胶芯的下井工具最大外径应小于115毫米。承压低，且安装后井口高度增加，不便于液压钳的操作。第二十一页，共六十四页。五、井控设备2、半封封井器：由壳体、传动丝杠和半圆形胶芯等组成。通过转动两边丝杠推动半封芯子总成向井口中心靠扰并抱紧油管，从而密封油套环形空间。在关半封时两侧的丝杠旋进圈数要相等，同时还要防止把胶芯卡在油管接箍或者井下工具上，不使用时，两侧的丝杠都要旋出到最大位置，以免下井工具刮伤胶芯影响密封。第二十二页，共六十四页。五、井控设备3、全封封井器：在不压井作业条件下，当井内无油管时封闭井口的专用工具。它也是靠丝杠带动两块平行胶面闸板来实现密封的。因此，在正常起下时严禁关闭全封，全封完全打开时通径为178毫米，通过它的下井工具在套管内径允许的情况下也必须小于这个数值。第二十三页，共六十四页。五、井控设备4、闸板防喷器：通过转动手动控制装置中的左右丝杠，使其带动闸板总成向井口中心移动并抱紧油管（或电缆），达到密封油套环形空间的目的。具有密封压力高，可以密封各种规格的油管与电缆的优点。2FZ35－21表示双闸板防喷器通径35cm,工作压力21MPa。第二十四页，共六十四页。五、井控设备单闸板防喷器双闸板防喷器三闸板防喷器

当井内有管柱时，配上相应规格闸板能封闭套管与油管柱间的环形空间；当井内无管柱时，配上全封闸板可全封闭井筒；在封井情况下，通过与四通旁侧出口相连的压井、节流管汇进行井筒内液体循环、节流放喷、压井、洗井等；与节流、压井管汇配合使用，可控制井底压力，实现近平衡修井；封井后在两个单闸板防喷器的配合下，可进行强行起下钻作业。必要时用半封闸板能悬挂钻具。第二十五页，共六十四页。六、压裂酸化设备

压裂酸化施工是通过高压使井底地层形成具有足够大小的填砂裂缝，以增加油气的流动性，提高油气采收率的一种行之有效的方法。压裂酸化设备主要由压裂车、混砂车、仪表车、管汇车及辅助设备组成。在施工过程中混砂车将压裂液、支撑剂和各种添加剂混合完成后，通过连接管汇提供给多台压裂车；压裂车将混合后的液体进行加压，通过高压管汇汇集后注入井底；仪表车对作业全过程进行监控并进行分析和记录。第二十六页，共六十四页。六、压裂酸化设备砂罐混砂车液罐液罐仪表车高压管汇压裂车压裂车压裂车井口工作流程第二十七页，共六十四页。六、压裂酸化设备

1、压裂车

压裂车(或压裂机泵组)一般分为车装式和撬装式两大类。车装式压裂机泵组通常就叫做压裂车。撬装式压裂机泵组专供交通不便地区和海上作业用，所用设备和压裂车一样。第二十八页，共六十四页。六、压裂酸化设备压裂车的主要作用：

(1)向井内注入高压大排量的压裂液，将油、水层造成人工裂缝，并向裂缝里注入带支撑剂(如砂)的混合液，支撑住已形成的裂缝。(2)酸化压裂时，用酸化压裂泵来冲洗油井，带出脏物，然后注酸，并用顶替液把酸全部挤到油层中。压裂车的主要结构:

柴油发动机+压裂泵第二十九页，共六十四页。六、压裂酸化设备采用压力传感器，当压力达到设定压力值时，发动机在得到控制信号后会立即回到怠速状况；采用机械式安全阀，在施工或者试压过程中，压力达到调定之后，安全阀会自动开启泄压；配置CO2循环管线。安全保护装置第三十页，共六十四页。六、压裂酸化设备

1、压裂车

压裂车主要趋向于向大功率、多功能、自动化和系列化方向发展。动力大小直接反映整套机组的工作能力，其设备的先进性主要体现在动力配置、压裂泵性能和控制系统上。

压裂泵的发展主要体现在提高泵的输出功率上，代表产品有“HALLIBURTON”

五缸泵和“SPM”

三缸泵。

五缸泵的特点是在同等功率下的重量最轻，在同等排量下可以选用比三缸泵小的柱塞直径，五缸泵一种柱塞便可以覆盖三缸泵的两三种柱塞工作范围，也就是说采用一种柱塞就完全可以胜任大排量和高压力的施工要求。具有排量大，重量轻，振动小的优点。

三缸柱塞泵是目前国内外使用最多最广的压裂泵，它具有功率范围广、结构简单、维修保养方便等特点，仍然是目前各型压裂车的首选。第三十一页，共六十四页。六、压裂酸化设备

1、压裂车

压裂车为适应不同地域、不同使用条件要求，压裂车演变为拖车结构，作业时可以通过一台拖车头将泵组拖到压裂施工井场。橇装式压裂泵组是一种固定式结构，一般应用在海洋平台和进行丛式井压裂作业。施工安全性是压裂泵车最重要的特性之一，在本车上必须具有两套安全装置，同时与机组的安全系统进行连接以确保万无一失。

多功能化是压裂车的另一个发展方向。酸化压裂由于具有酸浓度大、腐蚀性强、施工排量大的特点，所以对压裂泵车的泵头和连接管汇提出了更高的要求。同时适应防砂、N2泡沫和CO2等压裂作业，也对压裂车提出了新的要求。国外有一种多功能压裂车，车上增加了两个多功能罐，在作业前可以完成多种添加剂的配液，以适应压裂工艺的要求。第三十二页，共六十四页。六、压裂酸化设备

1、压裂车柱塞数量或者活塞数量（3、5）3ZB-750柱塞泵（1000型）柱塞：”ZB”活塞：“HB”泵最大输入功率：KW以HP表示1HP=0.745KW1KW=1.34HP第三十三页，共六十四页。六、压裂酸化设备

1、压裂车YLC-压裂车YLQ-压裂橇最高工作压力：105MPa.以压裂车最小柱塞标定。1。压裂泵的最大输入功率：KW2。2000型压裂车以输出功率标定YLC105-1490型压裂车（2000型）第三十四页，共六十四页。六、压裂酸化设备

1、压裂车3ZB-1490柱塞泵（2000型）3ZB-750柱塞泵（1000型）3ZB-1320柱塞泵（1800型）3ZB-750柱塞泵最高压力（MPa）705545最大排量（L/min）142118002220柱塞直径（″）44-1/25冲程长度（mm）203传动比5.043、5.6193ZB-1320，3ZB-1490柱塞泵最高压力（MPa）10599.780.6最大排量（L/min）163120642548柱塞直径（″）44-1/25冲程长度（mm）203传动比6.353第三十五页，共六十四页。六、压裂酸化设备

1、压裂车最高压力的确定：

压裂车的最高工作压力根据柱塞的不同而不同，其大小由连杆负荷决定。三缸泵柱塞直径：D1=127(5＂)柱塞面积：F1＝·1272/4＝12667(mm2)最高压力：P1＝N1/F1＝1020600x12667＝80.5(MPa)理论连杆最大负荷：1020600N第三十六页，共六十四页。六、压裂酸化设备

2、混砂车混砂车的主要作用是将液体和支撑剂按一定比例混合后，向压裂车输送，经压裂泵加压后挤入井底岩层。因此，混砂车是压裂车不可缺少的配套设备，其性能及工作可靠性等直接影响到压裂施工作业。第三十七页，共六十四页。六、压裂酸化设备混砂车的基本结构组成：混砂车主要由供液系统、输砂系统及传动系统三部分组成。

动力：一般就用装载汽车的发动机，必要时可另装发动机。

混合方式：(1)水力式混合法(2)机械搅拌式混合法第三十八页，共六十四页。六、压裂酸化设备混砂车是整个压裂机组的心脏，其工作可靠性和性能先进性直接反映整套机组的技术水平。混砂车的发展随着压裂工艺的变化，趋向于向大排量、高砂比、多功能和自动化程度高的方向发展。为适应大排量、高砂比要求，混砂车的动力驱动形式可以采用单一底盘提供动力和单一车台发动机提供动力的方案，对于大排量混砂车必须采用车台和底盘发动机同时取力的方式，装机功率在500kW左右。为适应机组的连接和保证压裂工艺需多种添加剂的要求，在混砂车上需要配置多种液体和固体添加剂装置；为便于井场车组的布置混砂车可以采用双吸双排的管路连接方式；输砂装置可以左右分开并实现独立操作控制，以满足连续输砂作业的要求。第三十九页，共六十四页。六、压裂酸化设备实现自动控制是混砂车的发展方向。混砂车的自动控制应该具有如下功能:(1)自动密度控制：根据施工工艺要求设定各个阶段密度值和执行过程，作业中混砂车按照设定程序控制整个系统，保证施工密度的稳定性和精度;(2)自动液面控制：压裂机组在工作中排量在不断变化，要求混砂车的供液量适应这种变化，采用超声波液面传感器测量液面高度，通过液面的反馈信号控制吸入砂泵的转速来保证混合罐液面的相对稳定。

(3)自动添加剂控制：通过设定施工中各个阶段添加剂比例值，自动控制添加剂的供液量。在多功能方面，混砂车应该实现远程控制并与机组控制结合起来，即在仪表车中实现对混砂车集中操作，在功能上应该能够根据作业的需要进行手动和自动的切换。国外发展了一种压裂混砂车，将压裂泵车、混砂车、仪表车和相应的连接管汇集中安装在一台底盘车上。对于小型压裂施工具有较强的实用性。第四十页，共六十四页。六、压裂酸化设备

3、管汇车

是在油田各压裂、防砂作业中用于运载和吊装大量管汇的专用车。主要由汽车底盘、液压吊臂、橇架、高低压管汇系统以及液压系统组成，可根据用户需要设计和配备管汇系统。

第四十一页，共六十四页。六、压裂酸化设备

4、配液酸车

在现场配置压裂基液和配制酸液，并具有储运粉料和添加剂的功能。第四十二页，共六十四页。六、压裂酸化设备

5、仪表车压裂仪表车用于油水压裂施工作业中远程控制压裂泵车和混砂车，同时显示、记录和分析施工参数，它是压裂机组的控制中心。要由底盘车厢、控制系统、数据采集系统、显示分析系统和电源系统等部分组成。第四十三页，共六十四页。六、压裂酸化设备

5、仪表车泵车控制单元箱体及后接线箱计算机系统压裂车控制通道6～8信号通道模拟6个，数字12个可选底盘BENZ/东风发电机配置ONAN/YAMAHA机舱结构形式单舱/两舱计算机配置两台主机＋三台显示屏控制方式常规控制/网络控制第四十四页，共六十四页。六、压裂酸化设备在作业的时候，首先要在超压保护表上设置一个超压保护值。当泵的工作压力达到用户所设定的工作压力时，超压保护表就输出一个电压信号，控制发动机进入怠速。超压保护第四十五页，共六十四页。六、压裂酸化设备

压力传感器装在高压排出管汇上面，它将压力信号转化为4—20mA电流，信号在遥控箱上的超压保护表上显示出来。第四十六页，共六十四页。六、压裂酸化设备

压力传感器装在高压排出管汇上面，它将压力信号转化为4—20mA电流，信号在遥控箱上的超压保护表上显示出来。第四十七页，共六十四页。七、施工现场监督要点1、立井架(1)井架基础场地应平整坚实。水平度小于（0.5，1）度，高于地面（80，100）毫米。18m井架：距井1.8m±0.05m24m井架：距井口2.34m±0.05m第四十八页，共六十四页。七、施工现场监督要点1、立井架(2)绷绳前绷绳2道：长36m，张力2200N，开档14m±0.5m。与井口中心距离20m±0.5m；头道绷绳：长45m，张力4500N，开档16m±0.5m。与井口中心距离24m±0.5m；二道绷绳：长40m，张力4500N，开档16m±0.5m，连接在井架高度的三分之二处。与井口中心距离22m±0.5m。第四十九页，共六十四页。七、施工现场监督要点1、立井架(3)地锚桩位置应避开管线、电缆。后绷绳每根3个绳卡，前绷绳每根2个绳卡，卡距150-200mm，开口互为1800，相邻错开。绳套用Φ16mm钢丝绳制作，卡3个绳卡子。地锚桩打入地下后抗拉力不小于70KN。第五十页，共六十四页。七、施工现场监督要点2、穿大绳(1)常规作业1500m以内要穿6股绳，至少直径Φ19mm钢丝绳；(2)死绳端要用猪蹄扣系于井架腿上，4个绳卡卡牢，间距150-200mm。卡上拉力表，计量游动滑车上的负荷。快绳卡在滚筒上，排列整齐，1500m以上余绳不少于15圈，1500m以内余绳不少于9圈。第五十一页，共六十四页。七、施工现场监督要点3、校正架子大绳穿好后提起游动滑车，天车、游动滑车、井口三点应该在一条线上，前后偏差小于5cm,左右偏差小于2cm。如不正，则必须校正井架，防止起下油管过程中对丝扣造成伤害。方法是吊起一根油管，与井内油管中心位置对比，调整绷绳。第五十二页，共六十四页。八、修井设备发展趋势1、无绷绳修井机的研发

目前在二连地区的施工单位作业机普遍以修井机为主，其配备的基本为桅杆式井架，作业时需要在井架顶部四角安装4根风载绷绳，并与地锚桩连接固定，每个地锚桩沿绷绳方向承拉能力大于75KN。面对井位密集、井场受限、井场不平整等情况时，需要埋地锚或者吊运水泥条，不仅耗资、耗力，而且由于地锚坑受力有限，作业安全存在一定隐患。

第五十三页，共六十四页。八、修井设备发展趋势1、无绷绳修井机的研发

江汉石油管理局研发的XJ150型无风载绷绳修井机，配备了风载稳定装置，省略了挖绷绳锚坑、打地锚桩、水泥条搬运等工序，减少了作业前准备工作量，降低了劳动强度，同时解决了作业时井架过度偏载或整车侧翻的隐患。该修井设备包括井架、底盘车、车架、发动机、支撑座、传动系统、绞车、支架、司钻控制箱等，其重要特征在于其风载稳定装置设在修井机尾部的车架上。

第五十四页，共六十四页。八、修井设备发展趋势1、无绷绳修井机的研发

防侧翻支架结构XJ150型无风载绷绳修井机第五十五页，共六十四页。八、修井设备发展趋势1、无绷绳修井机的研发

为了能更好地监测修井机作业时的受力状况，在修井机车架前部的支撑座和活动支腿上设有传感器，通过电缆与司钻控制箱上的智能电子警示仪连通。修井机作业前，首先调整车架前后支撑座及液压小底座，将整机调平；接着展开防侧翻支架至与车架垂直的位置，安装固定支撑杆与车架相联形成三角形稳定结构，通过调整丝杆可调整支撑座的高度；然后起升井架到直立状态后，通过定位销与井架底座相联，调整内载荷绷绳，使内载荷绷绳受一定预紧力；最后根据整机实际平衡情况在智能电子警示仪上设定支腿上传感器的安全数据值即可进行作业，当任一支撑受力变化超过设定值范围时智能电子警示仪立即发出声光警示。

第五十六页，共六十四页。八、修井设备发展趋势1、无绷绳修井机的研发

额定载荷：300KN最大钩载：585KN发动机额定功率：216kW井架高度：18m从地面到天车底部游动系统：3*4底盘驱动形式：6*6具有倾斜报警功能，能够实现一体化作业。

第五十七页，共六十四页。八、修井设备发展趋势1、无绷绳修井机的研发

无风载绷绳修井机作业时间对比表无风载绷绳修井机在减少井场作业面积,降低使用者劳动强度,减少作业成本,提高作业效率方面具有较大的发展空间。第五十八页，共六