浅谈新型小型化钢丝作业设备在海上平台的应用

PAGE17中国石油大学（北京）现代远程教育毕业设计（论文）PAGEXV浅谈新型小型化钢丝作业设备在海上平台的应用摘要钢丝作业主要应用于探测井筒内部状态，修理和操作油气井配套的生产管柱以及处理井下突发事故。常规的钢丝作业设备占地空间大，有大修及检泵作业时，甲板上无空间场地进行钢丝作业。而小型化钢丝设备可以正好适合此类作业，在中层甲板作业与其他的施工作业同时进行而不冲突。本文根据现有的钢丝作业设备无法在平台作业紧张时施工的问题，提出了一种小型化钢丝作业设备。并根据中层甲板井口采油树区周围安全通道的尺寸为基本设计要求，对小型化钢丝作业设备的动力系统、绞车底部磁铁吸盘、自升式简易式支架进行了设计。并对小型钢丝设备与解堵配合进行了现场实验研究，证明了本文设计的小型化钢丝作业设备能够代替现有钢丝作业设备进行施工。关键词：小型化；钢丝作业设备；磁铁吸盘；解堵目录第一章前言 11.1钢丝作业国内外研究 11.2研究的目的和意义 1第二章小型化钢丝作业施工工序 32.1下试采一体化完井管柱作业 32.2坐封、验封封隔器作业 32.3井筒替浆作业 32.4打捞井下堵塞器作业 42.5投捞压力计作业 4第三章小型化钢丝作业设备的绞车设计 53.1设计要求 53.2动力系统设计 53.2.1动力模块 53.2.2绞车模块 83.3绞车底部磁铁吸盘设计 93.4绞车设计优点 93.5绞车的操作说明 103.5.1绞车作业前的准备 103.5.2绞车的安装 103.5.3绞车的启动 11第四章自升式简易式支架设计 124.1自升式简易式支架 124.2井架结构 124.3井架安装 12第五章小型钢丝设备配合解堵现场施工 165.1单井概要 165.2施工过程 16第六章结论 17参考文献 19致谢 错误!未定义书签。第一章前言1.1钢丝作业国内外研究目前,国内各油田作业系统中所使用的钢丝设备主要为履带式通井机,它不仅移动速度慢,工作效率低下,而且需要配套修井井架,需要专用设备进行立放井架作业,井位搬迁需要平板拖车,已逐渐不适应油田作业市场快速作业的需要。国外石油行业发展趋势来看,修井机因其移动操作方便,工作效率高,运移及越野性能好等优点,已逐步代替了履带式通井机。随着石油勘探开发的不断增加,以及向新的勘探开发领域扩展,对钢丝作业设备也不断提出新要求。目前,在需要探测井筒内部状态，与油气井配套的生产管柱需要修理和操作，以及井下突发事故需要处理时，都会需要用到钢丝作业。钢丝作业设备包含地面施工与井下作业设备两个部分。地面的施工设备有钢丝作业设备的绞车、柴油机和压力控制装置。井下作业设备有工具串、震击器、加重杆、万向节等。常规的钢丝作业设备是在不影响平台顶层甲板钻修井作业的情况下，利用平台的中层甲板对目标井进行作业，这样可以节约作业时间，提高生产效率。但是在平台作业紧张时，常规的钢丝作业设备占地空间大，有大修及检泵作业时，甲板上无空间场地进行钢丝作业。而小型化钢丝设备可以正好适合此类作业，在中层甲板作业与其他的施工作业同时进行而不冲突。另外，现在国家及海洋石油大力提倡节能减排，开源节流。小型化钢丝作业设备利用中层甲板作业空间灵活进行现场作业已经迫在眉睫，并且和其它施工作业可同时进行而不发生冲突。1.2研究的目的和意义为了适应海上采油平台底层甲板钢丝作业防喷管提升的工作状况，特设计了防喷管提升井架。该井架采用矩形钢管为主体，全手动绞盘和绞车为起重系统，简化了现场作业的程序，避免了现场用电防爆等难以解决的问题，为钢丝作业拓展了新的空间。其目的和意义如下：在平台作业紧张时，常规的钢丝作业设备占地空间大，有大修及检泵作业时顶甲板无空间场地进行钢丝作业，小型化钢丝可以正好适合此类作业，在中层甲板作业和别的施工作业不冲突。在有钻井模块遮挡的情况下，由于高度受限，底层甲板的采油树目标井无法实现常规钢丝作业，在此条件下适合小型化钢丝作业，不用在移动井架和其它设备重新就位，节约作业时间，提高生产效率。小型化绞车所占空间小，在中层甲板作业时，小型钢丝设备可随时移动作业，灵活，机动，方便。小型钢丝作业不需要平台吊车配合，自带提升装置更换钢丝工具串，和别的施工作业不冲突，节约作业时间，提高生产效率。在海洋石油大力提倡节能减排的号召下，利用中层甲板作业空间进行小型化钢丝作业迫在眉睫，在和其它施工作业不冲突，在无需吊车配合作业情况下，可进行目前天津分公司较为迫切但受修井等影响的测试作业，完成天津分公司分层调配等方面作业安排。第二章小型化钢丝作业施工工序2.1下试采一体化完井管柱作业按施工设计下放完井工具，在管柱、工具下放途中，利用钢丝作业实施通径，核实管柱深度，检查有无变形。海上油田部分油井上层压力高且含水高，下层压力低，受层间干扰影响，下部油层得不到动用，长期高液量高含水生产。因上层压力过高，套管可自喷生产，化学堵水无法实施，机械卡堵水有效期短，最短的甚至只有1天。为解决上述问题，我们决定采用油套同采管柱，即高、低压层通过封隔器分开，上部高压层通过套管自喷生产，下部低压层通过抽油泵从油管生产，然而常规油套同采管柱采用抽油泵+Y221封隔器管柱，该管柱具有结构简单的特点，但受油管蠕动等影响有效期短，同时该管柱无法洗井。2.2坐封、验封封隔器作业坐封完成后，通过钢丝作业捞取井下堵塞器，辅助验封封隔器。洗井自验封Y341115型封隔器,采用液压控制封隔器的坐封与验封孔道的打开,不仅实现了作业完井管柱的验封,而且在正常注水时,随分层测试一趟即可测试出封隔器的密封性。通过现场10余口井的应用证明,该封隔器验证简单,适用于细分注水工艺,保证了封隔器的密封性,大大提高了措施管柱的有效率。2.3井筒替浆作业钢丝作业，下人滑套开关工具,开启滑套，使油管与环空形成连通,洗井,替出环空泥浆。按设计完成替浆后，再次下人滑套开关工具,关闭滑套。替浆通井掏空一体化管柱组合的提出通井替浆掏空一体化管柱主要是针对油田大开发，新井投产施工占井周期长的现状提出来的，该管柱组合可以通过下起一趟管柱实现替浆通井掏空目的，进而大大减少新投井施工占井周期，使新井尽快投入生产。替浆通井掏空一体化管柱组合主要特点是通过合理优化管柱，用设计要求的整筒式通井规代替尖钻头，在整筒式通井规的上部加一只单流阀，依靠通井管柱反循环替泥浆，替完泥浆起钻时依靠单流阀的单向流动作用将油管内的液体带出井筒，实现替浆通井掏空三大目的。2.4打捞井下堵塞器作业按设计要求，为便于后期酸化测试求产，需通过钢丝作业，捞出井内原有堵塞器。新型钢丝投堵式油管堵塞器。该堵塞器利用钢丝拉力的作用,实现堵塞器卡瓦机构锚定油管内壁,胶筒同时压缩实现封堵油管内腔。室内试验表明,该堵塞器可承受压差35MPa,顺利实现丢手,堵塞油管。现场20口井的应用表明,该堵塞器配合带压作业装置,可实现修井作业过程不放喷、不压井起下油管柱。在测试过程中，当遇到堵塞器的丝和连接部位断脱时，我们把多用途打捞仪主爪上装上堵塞器母扣打捞头，这样就可以把配水器中剩余的那半堵塞器打捞上来；当仪器在井下遇阻时，我们把多用途水井堵塞器打捞仪下到遇阻井段或配水器主通道，利用其下部的半圆形除垢锥，通过绞车或人工反复震荡，来刮削井筒或配水器主通道内壁的结垢，使结垢脱离井壁和配水器主通道，把堵塞的通道变得畅通，保证打捞器的顺利通过。2.5投捞压力计作业测试期间，为取得井下温度，压力数据,需通过钢丝作业,实现投捞井下压力计作业。新型钢丝投捞井下电子压力计技术,该技术利用钢丝将压力计悬挂器下入到油管内任意指定位置,完成坐挂,并实现钢丝与悬挂器的脱手,在井内无钢丝的情况下,利用悬挂在油管内的压力计录取资料。试井结束后,一趟钢丝作业即可捞出悬挂器以及压力计。此技术可以缩短钢丝在井内的滞留时间,使得井口井控风险降低,提高了测试的安全性和可靠性,作业效率提高4~8倍。第三章小型化钢丝作业设备的绞车设计3.1设计要求小型化钢丝作业设备的计划安装位置是中层甲板井口采油树区周围的安全通道，因此该设备要满足安全通道尺寸的要求。海上作业的平台，其中层甲板安全通道宽度在1-1.2米之间，作业设备需要在上面移动方便，能够在安全通道上转弯等，因此，该作业设备的主要性能参数必须满足：（1）整体尺寸(长×宽×高)不大于1000×800×1100mm。（2）滚筒缠绕钢丝容量：钢丝直径为0.125mm时，钢丝长度为7000m；钢丝直径为0.108mm时，钢丝长度为9500m。3.2动力系统设计3.2.1动力模块小型化钢丝作业设备的计划安装位置是中层甲板井口采油树区周围的安全通道，因此设备要满足安全通道尺寸的要求。海上作业公司的平台，其中层甲板安全通道宽度在1-1.2米之间，考虑设备移动方便，能够在安全通道上转弯等，设计尺寸长度不超过1米，宽度不超过0.8米，高度不超过1.1米，滚筒缠绕钢丝长度：0.125”不少于6000米，0.108”不少于8000米，目前设计使用0.125”钢丝，满足钢丝基本作业。平台中层甲板安全通道如图3-1所示。动力模块图3-1对于在平台的甲板上进行小型化钢丝作业，由于设备重量较轻，设备自重和甲板之间的摩擦力不足以提供支撑钢丝作业时的侧向拉力，设计准备采用永磁吸盘把设备（钢丝绞车）固定在甲板上。平台的有些仪表容易受磁场影响，因此要求磁力吸盘的周围磁场不能影响到平台仪表。经过初步在平台测试，磁场不影响平台仪器的正常工作，说明磁场很弱，可以在平台使用。绞车采用分体设计，电驱动液压动力方式，如图3-2所示。图3-2液压泵采用德国力士乐A4VG90机械控制双向变量泵，可以采用机械或者液压的方式控制泵的排量和排出方向，从而实现滚筒的调速和换向。液压泵参数：转速：500-3050r/min排量：90ml/r最大功率：183kw液压泵如图3-3所示。图3-3液压马达采用德国力士乐MCR03系列F400定量低速大扭矩双速液压马达，可以在液压泵的变换下实现双向无级变速旋转。同时，马达还带有驻车制动器，可以实现静态制动；可以实现自由轮功能，即自带液压离合器。液压马达参数：排量：400ml/r最大转速：低速270r/min；高速350r/min扭矩：正常1430Nm最大2200Nm输出功率：22kw。液压马达如图3-4所示。图3-4驱动方式采用电驱动方式，有22KW,1450r/min船用防爆电机驱动液压泵给整个系统供油，实现绞车的作业。3.2.2绞车模块绞车滚筒部分采用磁力吸盘固定在甲板上，移动时采用液压升降四个万向脚轮把绞车升高，可以实现绞车的运移，同时动力模块也采用万向脚轮移动的方式在甲板上运移。绞车模块如图3-5所示。图3-5绞车参数：滚筒容量：0.125”钢丝7000m0.108”钢丝9500m绞车最大速度：340m/min绞车最大拉力：2300KG。3.3绞车底部磁铁吸盘设计在平台的甲板上进行小型化钢丝作业时，由于设备自身重量较轻，设备自重和甲板之间的摩擦力不足以提供支撑钢丝作业时的侧向拉力，采用永磁吸盘把设备（钢丝绞车）固定在甲板上，这样就可以安全作业了。在平台经过测试，永磁吸盘磁场很弱，不影响平台仪器的正常工作，并且稳定性很好，完全满足在平台作业，如图3-6所示。图3-63.4绞车设计优点配备了良好的动力，选用22KW防爆电机，动力好、效益高，为绞车作业提供了可靠的动力。成熟的闭式液压传动系统，油泵、马达等主要的液压元件采用进口力士乐产品。系统设有安全保护装置，该系统不仅传动平稳可靠而且绞车速度范围较宽，为测试作业提供良好的传动系统。绞车模块底带两块大吸力磁盘，在绞车就位后可以通过机械动作操作磁盘和甲板吸合，使绞车固定在甲板上，防止绞车受力移动。绞车模块还装有升降脚轮，便于在下层甲板没有吊装设备的情况下绞车移动。动力模块采用防爆配电箱控制绞车的电气部分，可以通过配电箱分别控制散热系统风机和主液压泵的启动和停止。适应采油平台防爆要求，整个设备除动力部分采用防爆电器外，绞车部分均采用液压机械传动和机械操作。3.5绞车的操作说明3.5.1绞车作业前的准备绞车为分体式结构，分别为动力模块、绞车模块。为适应海洋平台的交叉作业，绞车模块外形突出了小型化的特点；并且为了适用于下层甲板作业，模块设计了脚轮结构，便于人力在下层甲板移动绞车。动力模块安装防爆电机、液压油泵、液压油箱、液压油散热系统、防爆电控箱等。绞车模块安装有操作台、钢丝滚筒、刹车系统、链条式排绳装置、深度计量系统、拉力测量系统、液压阀件、马达控制系统等。绞车的作业前准备：绞车到现场前要做好以下检车和准备（1）按照维护保养手册的要求对绞车进行检查和保养。（2）检查各液压管线有无破损，泄露。（3）检查电缆有无破损，锈蚀。（4）检查绞车外观焊口有无开裂，各部件有无损坏。（5）检查绞车吸盘动作是否灵活。3.5.2绞车的安装绞车的安装：（1）从吊篮内把绞车模块吊出，下放绞车的脚轮至绞车能够移动高度；（2）通过平台吊货口把绞车各部分分别放置到绞车工作甲板；（3）首先把绞车工作位置甲板面擦洗干净，有毛刺、锈斑等要清理干净；（4）把绞车模块移动到工作位置，对好井口，升起脚轮至所有脚轮离开甲板面；（5）通过随机携带的磁盘吸和扳手顺时针旋转把磁盘分别吸和在清理干净的甲板面上；（6）在合适的位置从绞车向平台方向拉两条固定绳索。（7）把动力模块放置到合适的位置，以便于操作为主。（8）一一对应连接好绞车模块和动力模块之间的主液压管线、溢流液压管线，液压泵操作拉线；（9）、连接好绞车操作软轴（10）松开排绳器固定销，把排绳器从绞车橇体内拉出，直到能够安装上排绳器万向轴。（11）把排绳器向橇体内推，直到万向轴安装好，上紧万向轴固定螺丝（12）用手转动钢丝导向轮，确认计数器运转顺滑，计数正确。（13）用手泵给张力传感器加油，确认张力表读数正确。（14）接好动力模块电缆和接地线。3.5.3绞车的启动绞车的启动：（1）确认各部位连接正确无误。（2）打开动力模块的两个泄压阀。（3）操作总电源开关旋钮至开（on）的位置。（4）首先操作风机“开”，式风机旋转，确认风机转向正确。（5）确认绞车操作面板驻车刹车旋钮处于刹车制动方向。（6）确认离合器操作旋钮处于离合器关闭或闭合位置，马达溢流旋钮处于系统溢流或关闭位置。（7）使上提压力调节旋钮处于中位偏下的位置。（8）操作绞车手动泵打压，是储能器压力表上升至2-2.5MPa。（9）操作动力模块液压油泵按钮，打开液压油泵，运转5-10分钟。（10）关闭动力模块的泄压阀。（11）操作手刹车旋钮到刹车松开位置，驻车刹车压力表上升到2-2.5MPa，手刹车打开。（12）操作绞车模块的滚筒操作手柄，向前推手柄滚筒做钢丝下井动作，向外拉手柄，滚筒做钢丝起初动作。（13）向前推手柄，同时用人向前拉钢丝，直到钢丝长度适合穿过计量轮、地滑轮、防喷管密封装置，能够做绳帽。（14）操作手柄停车，同时操作刹车手柄刹车，使滚筒停止。（15）把手刹车旋钮转向刹车制动方向，使手刹车处于制动位置。（16）操作动力模块液压油泵按钮停止液压油泵，停止风机，关闭总电源。打开泄压阀。第四章自升式简易式支架设计4.1自升式简易式支架井架采用矩形钢管为主体，全手动起重系统，简化了现场作业的程序。井架一共分为底座和矩形钢柱两大块。井架底座尺寸：2X1米。矩形钢梁一共分为三节，全部拉伸后最大高度可达5.8米，顶部配有2个起重滑轮，最大提升力为1吨。起重绞车最大提升力为2吨，该简易支架底座座在中层甲板，顶部在顶层甲板下，满足现场钢丝作业组装防喷系统和更换工具需要。井架具有拆卸方便，灵活调节，组装快捷，节省体力，作业安全的特点。4.2井架结构为了适应海上采油平台底层甲板钢丝作业防喷管提升的工作状况，特设计了防喷管提升井架。该井架采用矩形钢管为主体，全手动绞盘和绞车为起重系统，简化了现场作业的程序，避免了现场用电防爆等难以解决的问题，为钢丝作业拓展了新的空间。该井架由底座、底座支腿、水平调节装置、井口盖板、立式升降桅杆、起升绞盘、起重绞车、绷绳等部分构成。4.3井架安装（1）在井架各部分吊装至下层甲板后，首先用人力把井架底座安装在井口上，使井口盖上的镂空部分对准井口，在两侧安装好井架支腿。如图4-1所示。支架支腿，可拆卸井架底座，可拆卸支架支腿，可拆卸井架底座，可拆卸图4-1（2）把井架桅杆对准底座中心的安装位置，安装好固定销。在井架上部安装好绷绳。（3）把桅杆立起，上紧四条固定螺栓。（4）把起重绞车安装在底座上，如图4-2所示。图4-2（5）把起重吊钩安装在起重滑轮上并向下拉，固定在下部的扶手上。（6）操作绞盘缓慢升起第一节桅杆，同时有人操作起重绞车放松钢丝绳。在桅杆的第一节上固定孔刚刚露出桅杆时，穿上固定销，并在固定销上安装好别针。下放桅杆，穿上另一个固定销，穿上别针。（7）操作绞盘缓慢升起第二节桅杆，同上，穿好固定销。（8）用水平调节装置调平井架，使井架垂直。如图4-3所示。水平调节螺栓4水平调节螺栓4个图4-3（9）固定好井架绷绳。（10）开始工作。第五章小型钢丝设备配合解堵现场施工5.1单井概要单井概要如下表5-1所示。钢丝设备参考表5-1井号C39油田PL19-3类型注水井完井类型筛管完井水深28.4m油补距44.45m(MSL)射孔层位L30-L110筛管尺寸6-5/8"(400微米）斜厚135.6m5.2施工过程第一步进行小型钢丝设备的拉力试验，测得钢丝拉力满足施工要求。第二步将钢丝设备就位。安装简易井架，关闭清蜡阀，拆卸采油树帽。组装防喷器设备并试压。第三步调整注水量、通井至设计深度，提出配水器芯子，更换配水器水嘴，下入配水器芯子，注入酸液，更换配水器芯子，恢复井口。C39井2009年2月19日开始投入注水,完井层段为L30-L110，完井方式为9-5/8"Halliburton分层配注管柱，共分6个注水层段，其中因周围井未生产L30-L50U，故该层段在开始注水之前即关闭，初期注入压力750psi，注入量3800bbls/d。2009年5月18日，该井实施第一次PLT作业，结果为L30-L40（关闭）吸水0.4%，L50-L52（关闭）吸水0%，L54-L70吸水32.5%，L80吸水7.6%，L90-L100吸水57%，L110吸水2.5%。2010年4月15日，实施第二次PLT作业，结果为L30-L40吸水0%，L50-L5