不压井作业模拟试验装置的研制

左其川，赵焕宝，雷广进，刘宏亮，黄 萍

（宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002）＊

不压井作业是指在不压井、不放喷的带压环境中完成的作业方法，在井口不压井作业设备的控制下，克服井筒内上顶力进行起升、下压管柱和旋转作业，它能避免作业过程中对产层的污染和伤害，提高生产效率、降低生产成本，提高油气产量，提升经济效益［1－6］。不压井作业技术在国外十分成熟，应用相当普及，国内仍有很大的提升空间［7－10］。笔者根据不压井作业的实际工况和工作参数，设计了不压井作业模拟试验装置，该装置可模拟3 000m井深、井筒内压力21MPa环境，能够用于不压井作业的模拟试验和技术研究。

1 技术分析

1.1 设计依据

根据有关调查报告显示，目前油田服役的绝大部分注水井、油气井的井深不大于3 000m、井筒内的压力不超过21MPa，套管直径为177.8mm。不压井作业设备主要依靠井口防喷器组控制井筒压力，并在其配套的举升系统驱动下强行进行管柱的起升和下压作业，管柱起、下速度为3m／s。

1.2 模拟试验装置应具备功能

1） 能够模拟井深3 000m，井筒压力达到21 MPa的压力环境。

2） 无论管柱起升或下压，井筒压力须维持稳定，压力波动不大于0.1MPa。

3） 可满足不同井深和不同压力，实现0～21 MPa的压力调节。

1.3 方案设计

根据不压井作业的实际工况和工作参数，提出了不压井作业模拟试验的方案设计，模拟试验装置由模拟井口、压力补偿泵、储能器、调压装置、水箱及压力管线等组成，如图1。

不压井作业模拟试验装置的模拟井预先埋入井中，模拟井口是四通结构，上端装不压井作业设备，下端连模拟井，左右两侧分别接压力补偿泵和储能器、调压装置、水箱及压力管线，井筒中间插入管柱，形成一个封闭、循环、带压的系统。压力补偿泵为整个系统提供持续、稳定的水压循环；调压装置根据需要调节压力；储能器用于平衡在管柱起升或下压的过程中造成的压力波动。

具体操作如下：开启压力补偿泵向模拟井、模拟井口和不压井作业设备的环空中加水压，调压装置根据不同的井深和压力级别调节环空压力，水经压力管线进入水箱，形成一个封闭、循环、带压的试验系统。当系统建立起稳定的压力环境后开始进行试验，由不压井作业设备井口防喷器组密封井筒压力，其举升系统进行提升和下压管柱等作业，以模拟在带压环境下进行的各种试验。

图1 不压井作业模拟试验装置

2 关键设备设计选型

2.1 压力补偿泵

根据不压井作业的最大工作压力，得出压力补偿泵的最大输出压力不低于21MPa。压力补偿泵水压经调压装置调节，而调压装置采用小孔节流的方式，因此其排量为

式中：Cq为流量系数，取0.82；A1为小孔面积（选用喷嘴直径12mm），mm2；Δp为压力差，取21MPa；ρ为水密度，1 000kg／m3。

再根据管柱的直径和运动速度，计算泵须补偿的流量为

式中：v为管柱运动速度，0.3m／s；A2为管柱面积（取88.9mm（3英寸）管柱），mm2；

故压力补偿泵的流量为

式中：K为系统泄漏系数，取1.2。

由此得出压力补偿泵的额定工作压力不低于21MPa，最大排量超过25.08L／s即可满足设计要求。笔者所选取的压力补偿泵是F－1300型三缸泥浆泵，其基本工作参数为：额定工作压力35MPa，最大排量30.69L／s，各项指标均可满足设计要求。

2.2 调压装置参数设计

调压装置的调压范围设计在0～35MPa之间，采用小孔节流的方式，靠更换调压装置中喷嘴的大小和数量来实现压力的调节。

2.3 蓄能器参数设计

蓄能器选用应用较为广泛的皮囊式结构，其充气压力为p0＝0.5p1＝10.5MPa，系统最大工作压力p1为21MPa。

其容积根据图解法查得为32L，可选NXQL40／10－H 型蓄能器。

2.4 其余设备选型设计

1） 为满足1根管柱的带压作业模拟试验，模拟井的设计深度为30m，模拟井套管直径为177.8 mm，额定工作压力为35MPa。

2） 压力管线为101.6mm（4英寸）高压管汇，额定工作压力为35MPa，两端为由壬连接。

3） 水箱容积为60m3。

3 模拟试验

2011－06完成不压井作业模拟试验装置的组装，并进行了不压井作业设备的模拟试验。试验内容包括：

1） 管柱在带压环境下的起升和下放试验。

2） 不同规格的管柱在不同压力级别下的带压作业。

3） 变径接头在通过防喷器组时，不压井作业设备的工作能力。

4） 在最大压力环境下，不压井作业设备的密封性能和起升、下压管柱的能力等。

不压井作业模拟试验装置顺利地完成了不压井作业设备的各项模拟试验，模拟井内的压力波动值不小于0.1MPa，其各项试验指标达到了设计预期要求。

4 结论

1） 不压井作业模拟试验装置能模拟井深3 000m、井筒压力不超过21MPa的压力环境，并能够完成各项带压作业模拟试验（例如：在压力环境下起升和下放管柱）。

2） 该装置能够在带压作业的动态环境下保持压力持续、稳定，压力波动≤0.1MPa，密封安全、可靠、无渗漏。

3） 该装置可为不压井作业技术研究提供一个良好的试验平台，能够有效地模拟带压作业的全过程，具有较高的推广价值。

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