FZDR56-21型多功能抽油光桿密封器研制

蒙永立

（新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

FZDR56-21型多功能抽油光桿密封器研制

蒙永立

（新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆克拉瑪依834000）

多功能光桿密封器是超稠油熱采井口裝置的重要部件，具有現(xiàn)場(chǎng)帶壓更換抽油光桿的功能，還可對(duì)膠芯進(jìn)行定期更換，實(shí)現(xiàn)快速更換光桿密封盤(pán)根的目的。為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用Pro／E三維軟件進(jìn)行實(shí)體建模，并對(duì)其進(jìn)行三維應(yīng)力、應(yīng)變校核。該產(chǎn)品的應(yīng)用解決了后期抽油光桿帶壓更換的難題，為稠油熱采井日常生產(chǎn)、作業(yè)提供技術(shù)支撐。

光桿；密封；設(shè)計(jì)

抽油光桿是機(jī)械采油重要的組成部分，光桿盤(pán)根是光桿運(yùn)動(dòng)時(shí)密封盒與油井連接的動(dòng)密封件。SAGD生產(chǎn)井轉(zhuǎn)抽作業(yè)后，隨著井口設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行，盤(pán)根盒［1］泄漏越來(lái)越嚴(yán)重，盤(pán)根更換也越來(lái)越頻繁，分析其主要原因是光桿的不斷磨損。另外，目前更換抽油盤(pán)根盒內(nèi)盤(pán)根，主要依靠下部注脂盤(pán)根盒注脂密封以后方可作業(yè)，每次作業(yè)耗時(shí)較長(zhǎng)，并且地面注脂壓力較大，注脂軟管存在安全風(fēng)險(xiǎn)；固態(tài)高溫密封脂在光桿起抽后漏失到井筒，經(jīng)常造成卡泵等故障。目前，更換盤(pán)根只有上修井措施或注脂才可實(shí)施，不僅費(fèi)用高，而且需要壓井作業(yè)，對(duì)形成的氣腔及地層連通造成破壞，不利于稠油熱采工藝。根據(jù)目前帶壓修井發(fā)展方向的要求，配套設(shè)備和工藝要滿足帶壓作業(yè)的功能，需要隨時(shí)更換盤(pán)根密封件，因此研究設(shè)計(jì)了FZDR56-21型多功能光桿密封器。

1　結(jié)構(gòu)原理

熱采多功能光桿密封器及井口組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括上部盤(pán)根盒、高溫膠皮閘門(mén)［2］、高溫注脂密封機(jī)構(gòu)、工作柱塞桿及配合工作筒等。盤(pán)根盒可實(shí)現(xiàn)正常抽油過(guò)程中光桿的動(dòng)密封；上部盤(pán)根盒盤(pán)根在抽油光桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不可避免的磨損，需要定期更換以保證密封可靠，此時(shí)可關(guān)閉中間膠皮閘門(mén)更換盤(pán)根；同時(shí)光桿也存在一定的磨損需要更換時(shí)，上提光桿，光桿接箍進(jìn)入盤(pán)根盒下腔上限位處，關(guān)閉膠皮閘門(mén)密封工作光桿，拆卸上部螺紋連接法蘭和盤(pán)根盒，進(jìn)行光桿的更換工作。此時(shí)，工作柱塞上行進(jìn)入工作筒，對(duì)注脂閥注脂密封可實(shí)現(xiàn)更換膠皮閘門(mén)閥芯膠件。此工藝涉及了盤(pán)根動(dòng)密封、半封閘板密封及高溫注脂密封，多種密封組合的使用實(shí)現(xiàn)了多種作業(yè)工藝。

圖1　熱采抽油井口裝置組成

2　技術(shù)參數(shù)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況進(jìn)行調(diào)查后確定設(shè)計(jì)參數(shù)［3］，如表1。

表1　FZDR56-21型多功能抽油光桿密封器設(shè)計(jì)參數(shù)

3　結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)及工藝需要，考慮到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)高度和產(chǎn)品的整體性要求，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，即將注脂盤(pán)根盒、工作筒、閘板密封器設(shè)計(jì)為一體，在具備各項(xiàng)功能的前提下降低產(chǎn)品的高度（如圖2）。

1） 上提抽油光桿，當(dāng)最上端光桿接箍進(jìn)入盤(pán)根盒下接頭內(nèi)腔，到達(dá)上限位時(shí)工作柱塞進(jìn)入工作筒，柱塞、O形圈及工作筒配合實(shí)現(xiàn)密封后，拆卸盤(pán)根盒，更換光桿。

2） 如果O形圈密封失效，可以關(guān)閉閘板密封器實(shí)現(xiàn)閘板密封，拆卸盤(pán)根盒，更換光桿。

3） 通過(guò)注脂閥注脂密封，可更換耐高溫膠皮閘門(mén)閥芯。

4） 同時(shí)，在正常生產(chǎn)中盤(pán)根磨損需更換時(shí)，關(guān)閉耐高溫膠皮閘門(mén)就可對(duì)上部盤(pán)根盒內(nèi)的密封件進(jìn)行更換。

圖2　多功能光桿密封器

4　關(guān)鍵技術(shù)

1） 通過(guò)工作柱塞和高溫膠皮閘門(mén)膠芯的配合工作，實(shí)現(xiàn)帶壓更換抽油光桿。

2） 關(guān)閉高溫膠皮閘門(mén)膠芯，拆卸上部盤(pán)根盒，實(shí)現(xiàn)快速更換抽油盤(pán)根。

3） 通過(guò)上提工作柱塞，注脂槽和注脂閥的配合，在注脂閥處注高溫密封脂，可實(shí)現(xiàn)對(duì)閘板密封器閘板膠芯的更換。

4） 多種功能的一體化設(shè)計(jì)，有效地降低了產(chǎn)品高度，提高了作業(yè)效率，節(jié)約了作業(yè)費(fèi)用。

5） 多級(jí)密封互相配合作業(yè)，確保了作業(yè)的安全可靠性。

5　關(guān)鍵部件的三維建模及強(qiáng)度校核

5.1主殼體的三維建模及定義

利用Pro／Engineer軟件的拉伸、旋轉(zhuǎn)、拔模和剪切等方法，對(duì)零部件進(jìn)行三維實(shí)體幾何建模（如圖3）。其主體由長(zhǎng)方體和多個(gè)圓柱體對(duì)稱相貫形成，左右為對(duì)稱法蘭結(jié)構(gòu)，上部為圓孔螺紋連接，下部為法蘭連接。

圖3　主殼體有限元模型

完成三維實(shí)體建立后，還要根據(jù)所設(shè)計(jì)的力學(xué)性能指定材料的物理屬性，載荷單位等。

材料選用30Cr Mo，鍛造成型，力學(xué)性能符合ISO 10423標(biāo)準(zhǔn)中60K材料的要求，工作溫度為-29～337℃，彈性模量為205GPa，泊松比為0.29。

5.2條件約束及載荷施加

考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際約束條件以及實(shí)體的對(duì)稱性，取實(shí)體的1／4作為模擬試驗(yàn)對(duì)象，在對(duì)稱平面施加x 和y方向約束，在底法蘭墊環(huán)接觸面處施加軸向z方向位移約束和x、y方向的旋轉(zhuǎn)約束。

在有限元結(jié)構(gòu)線性分析中，利用軟件中的Auto GEM（自動(dòng)網(wǎng)格劃分器）工具將模型自動(dòng)劃分為四面體有限元網(wǎng)格單元。

主要承受的載荷有壓力載荷、螺栓載荷、墊環(huán)載荷。其額定工作壓力即為設(shè)計(jì)壓力21 MPa，施加在六通內(nèi)表面。端部連接的外部軸向載荷詳見(jiàn)各端部的應(yīng)力分析邊界條件，壓力載荷為介質(zhì)接觸表面的均布載荷，螺栓載荷為沿分度圓螺栓孔上的均布載荷。

法蘭螺栓孔部位螺栓拉力以及鋼圈槽處鋼圈對(duì)閥體的壓力具體數(shù)據(jù)見(jiàn)閥體及法蘭應(yīng)力邊界分析條件計(jì)算［5］。

由閥門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊(cè)知，鋼圈在操作狀態(tài)下需要的最小壓緊力為：

最小螺栓載荷按式（2）計(jì)算：

式中：Dg為鋼圈壓緊力作用中徑；b為鋼圈有效密封面寬度，b=ω／8，ω為密封環(huán)寬度，按設(shè)計(jì)取值；m為墊片系數(shù)，按手冊(cè)取m=5．5；p為最高試驗(yàn)壓力。

5.3分析計(jì)算及結(jié)果

通過(guò)有限元分析，得到主殼體等效應(yīng)力云圖［4］，如圖4所示。結(jié)果表明，六通內(nèi)最大應(yīng)力為264.8 MPa，出現(xiàn)在內(nèi)表面圓筒相貫處。依據(jù)ISO 10423《井口裝置和采油樹(shù)》中4.3.3.3的變形能理論判定準(zhǔn)則SE≤SY，其強(qiáng)度是安全的。

圖4　主殼體三維應(yīng)力云圖

6　室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在室內(nèi)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了強(qiáng)度和密封性能試驗(yàn)［2］，并且進(jìn)行了換光桿作業(yè)模擬操作。數(shù)據(jù)如表2和圖1，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2014-09-26，在SAGD試驗(yàn)區(qū)FHW106P井成功安裝了FZDR56-21型多功能光桿密封器。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)作業(yè)區(qū)管理人員進(jìn)行了技術(shù)指導(dǎo)，并且進(jìn)行了模擬更換光桿試驗(yàn)。后期進(jìn)行了多次更換盤(pán)根試驗(yàn)，大幅減少了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的工作量，提高了安全性，節(jié)省了更換盤(pán)根的作業(yè)時(shí)間（由原來(lái)的1 h縮短到15 min），作業(yè)區(qū)對(duì)產(chǎn)品各項(xiàng)性能評(píng)價(jià)良好。

表2　多功能光桿密封器試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5　多功能光桿密封器密封性能試驗(yàn)曲線

7　結(jié)論

1） 經(jīng)過(guò)廠內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)的多功能光桿密封裝置滿足生產(chǎn)井帶壓更換抽油光桿工藝的要求，為后期帶壓更換抽油光桿和快速更換盤(pán)根作業(yè)提供了設(shè)備支撐，實(shí)現(xiàn)超稠油SAGD生產(chǎn)井帶壓更換磨損的盤(pán)根和光桿。

2） 隨著新疆稠油開(kāi)發(fā)力度的加大及帶壓作業(yè)的迫切需求，該裝置將有更為廣闊的市場(chǎng)前景。

3） 繼續(xù)調(diào)研和攻關(guān)高溫彈性體密封件材料和性能，完善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，使其能滿足超稠油多種熱力采油的工況。

［1］郭立曉伍開(kāi)松袁新生，等.抽油桿盤(pán)根密封機(jī)理研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2008，37（3）：29-32.

［2］ISO10423，井口裝置和采油樹(shù)［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2013.

［3］王排營(yíng)，單海榮，劉志強(qiáng)，等.SFHTGW6-14型手動(dòng)抽油桿防噴器［J］.石油機(jī)械，2009，37（11）：55-56.

［4］鐘小敏，戚新海，汪建華，等.井口裝置承壓本體有限元計(jì)算與討論［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1994，23（4）：37-39.

Development of FZDR56-21 Type Multi-function Smooth Rod Sealing Device

MENG Yongli
（Engineering Technology Research Institure，Xinjiang Oilfield Company，CNPC，Karamay 834000，China ）

The multi-function smooth rod sealing device is an important component of super heavy oil thermal recovery wellhead device，its design and application solves the field replacing with pressure pumping rod function，can also carry out regular replacement of the rubber core，realize the quick replacement of pumping oil pan root purpose.The whole design using Pro／E 3D soft-ware for solid modeling，and carries on the three dimensional analysis of the stress，strain and check.The application of the product solves the problem of the late sucker rod column operation under pressure，as with pressure workover provides equipment support.

polished rod；sealing；design

TE933.203

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.11.016

1001-3482（2015）11-0066-04