提拉式泄油裝置的研制與應(yīng)用

梁猛 （大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

提拉式泄油裝置的研制與應(yīng)用

梁猛 （大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

針對(duì)抽油機(jī)井作業(yè)起管柱過(guò)程中油管內(nèi)井液外溢產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題，研制了提拉式泄油裝置。裝置由提拉式泄油器與旋轉(zhuǎn)式管柱錨定裝置共同構(gòu)成，一次作業(yè)下完井管柱時(shí)將泄油器安裝在泵上，錨定裝置安裝在泵下，通過(guò)旋轉(zhuǎn)油管使管柱錨定裝置坐封；二次作業(yè)起管柱時(shí)，上提管柱，泄油器與錨定裝置依次解封，泄油器泄油孔漏出，使油套環(huán)空連通，實(shí)現(xiàn)泄油功能。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：泄油器承壓性良好，不給油井正常生產(chǎn)增加隱患，錨定裝置與泄油器解封性能可靠，能夠成功實(shí)現(xiàn)泄油功能，并保障作業(yè)順利進(jìn)行。

抽油機(jī)井；泄油器；油管錨；參數(shù)設(shè)計(jì)；檢測(cè)

2015年，隨著新環(huán)保法的頒布實(shí)施，給油井清潔作業(yè)生產(chǎn)提出了更高的要求。針對(duì)抽油機(jī)井作業(yè)起管柱過(guò)程中油管內(nèi)井液外溢產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題，目前在用的油管泄油技術(shù)主要為泵下泄油閥[1]，安裝在抽油泵的固定閥與游動(dòng)閥之間，維修作業(yè)時(shí)，起出原井桿柱及柱塞后，從油管內(nèi)投下撞擊棒砸開(kāi)泄油閥芯實(shí)現(xiàn)油套環(huán)空連通，達(dá)到泄油目的。但對(duì)于桿斷或卡泵井，由于柱塞不能起出，撞擊棒無(wú)法投下，導(dǎo)致泄油技術(shù)失敗，而大慶油田采油六廠抽油機(jī)井桿斷及卡泵檢泵占比已高達(dá)60.0%以上。因此，需開(kāi)展新的油管泄油工藝技術(shù)研究，在常規(guī)泄油技術(shù)基礎(chǔ)上，滿足桿斷及卡泵井泄油需要。

1 泄油裝置結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的泄油裝置由泄油器和旋轉(zhuǎn)式油管錨定裝置組成，共同作用發(fā)揮泄油功能，其中泄油器安裝在泵上，油管錨安裝在泵下。

1.1泄油器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泄油器由上主體、外筒、內(nèi)筒、剪釘和密封膠圈等部件組成（圖1）。

圖1 泄油器結(jié)構(gòu)

1.2油管錨結(jié)構(gòu)

管柱錨定裝置是在常規(guī)旋轉(zhuǎn)油管錨[2]基礎(chǔ)上所做的技術(shù)改進(jìn)，由上接頭、下接頭、中心管、錐體、錨牙、箍環(huán)、磨擦塊、固筒穩(wěn)釘、螺母筒、螺桿筒、剪釘和大小彈簧等部件組成，由中心管將其余各部件串成一體；其中，螺桿筒以剪釘固定在中心管上，螺母筒和下錐體以穩(wěn)釘固接在一起，下錐體上鑲有磨擦塊（圖2）。

圖2 管柱錨定裝置結(jié)構(gòu)

由于旋轉(zhuǎn)錨存在中途坐封的缺點(diǎn)，對(duì)于安裝泄油器的管柱，中途坐封活動(dòng)管柱時(shí)，易拉斷泄油器銷(xiāo)釘，導(dǎo)致作業(yè)失敗。為降低中途坐封概率，在坐封工藝結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)，即將常規(guī)坐封圈數(shù)由8圈增加到15圈，通過(guò)增加背鉗跑空余量降低中途坐封概率。

2 泄油裝置工作原理

一次作業(yè)下完井管柱時(shí)，將泄油器安裝在泵上，管柱錨定裝置安裝在泵下，下完井管柱后，按油管上扣方向旋轉(zhuǎn)油管，油管錨的螺桿筒與螺母筒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，螺母筒上升，下錐體推動(dòng)錨牙徑向撐開(kāi)，擠壓在井壁上，錨定裝置坐封；二次作業(yè)起原井管柱時(shí)，上提管柱，上提力大于泄油器銷(xiāo)釘最大剪切力時(shí)，泄油器銷(xiāo)釘剪斷，泄油孔漏出，達(dá)到泄油目的。當(dāng)泄油器下主體臺(tái)階落到限位環(huán)上時(shí)，泄油器下方管柱開(kāi)始上行，當(dāng)作用在錨定裝置上的上提力大于油管錨銷(xiāo)釘最大剪切力時(shí)，錨定裝置銷(xiāo)釘剪斷，縱向擠壓錨牙力消除,錨牙收回解封（圖3）。

圖3 泄油原理示意圖

3 參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

3.1泄油器上提解封力

泄油器的解封力即銷(xiāo)釘?shù)淖畲罂辜袅?，泄油器在油井生產(chǎn)時(shí)受到3種力作用：下方工具自重產(chǎn)生的拉力；舉升液體時(shí)管柱伸長(zhǎng)產(chǎn)生的拉力；交變載荷產(chǎn)生的交替變化的拉力與壓力。3種力均為徑向力，由于泵下安裝了油管錨，均作用在錨牙上，作用在銷(xiāo)釘上的力忽略不計(jì)。但在作業(yè)下完井管柱或應(yīng)用作業(yè)機(jī)下管柱時(shí)，易出現(xiàn)急放急停情況。急放的極端狀態(tài)是全井管柱處于自由落體狀態(tài)（此處忽略井液浮力和油管與套管之間的摩擦力）。作業(yè)機(jī)剎車(chē)時(shí)，作用在泄油器銷(xiāo)釘上的力，即其下方井下工具產(chǎn)生的慣性力，根據(jù)自由落體物理公式，即

式中：L——單根油管長(zhǎng)度，按10 m計(jì)；

g——重力加速度，m/s2；

t——單根油管下放時(shí)間，s；

v——單根油管下放最大速度，m/s；

計(jì)算出油管下至井口時(shí)的速度為13.9 m/s。

根據(jù)沖量定理，即

式中：m——泄油器下方泵、錨、篩管和尾管等井下工具質(zhì)量，kg；

△t——單根油管從最大速度到靜止所需的時(shí)間，s；

F——銷(xiāo)釘所承受的徑向最大剪切力，N。

由公式（3）可知，如果△t足夠小，動(dòng)量向沖量轉(zhuǎn)化過(guò)程中，可產(chǎn)生很大沖擊力，使泄油器銷(xiāo)釘剪斷。因此，在下完井管柱時(shí)，要求作業(yè)機(jī)操作工嚴(yán)禁出現(xiàn)急放急停的操作，為確保下井過(guò)程中不出現(xiàn)泄油器銷(xiāo)釘提前剪斷造成泄油器提前解封情況，對(duì)泄油器銷(xiāo)釘剪切力進(jìn)行了設(shè)計(jì)與計(jì)算。

泄油器下方泵、錨、篩管和尾管等井下工具質(zhì)量按500 kg計(jì)算，△t按0.2 s計(jì)算。泄油器銷(xiāo)釘能承受35 kN以上的力即可避免出現(xiàn)提前解封情況，因此，設(shè)計(jì)泄油器銷(xiāo)釘剪斷力為（50±5） kN。

3.2油管錨上提解封力

理論上,油管錨上提解封力越大，保證泄油器先于油管錨解封的安全系數(shù)越高，但錨的解封力越大，拔脫油管概率越高；因此，應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)油管錨上提解封力。

廠抽油機(jī)井平均泵深按1000 m計(jì)，對(duì)使用φ 88.9 mm油管的采油井，全井油管質(zhì)量13.7 t，上提油管最大載荷為135 kN。同時(shí)考慮全井抽油桿起不出來(lái)的特殊情況，需額外增加40 kN左右的桿柱載荷。常規(guī)作業(yè)提升設(shè)備的額定提升力為360 kN，油管錨上提解封力設(shè)計(jì)上限為185 kN。綜合考慮泄油器解封力，設(shè)計(jì)配套錨上提解封力為（80±5）kN，與泄油器銷(xiāo)釘剪切力最小差值為20 kN，最大差值為50 kN，可保證泄油器解封在前，配套錨定裝置解封在后。此時(shí)，上提總載荷的極限值為255 kN（φ88.9 mm油管管柱自重+桿柱自重+錨解封力），給提升設(shè)備留有100 kN的安全余地。

3.3泄油器密封承壓能力

泄油器密封承壓能力必須大于油井生產(chǎn)過(guò)程中可能發(fā)生的最高壓力。廠平均泵深1000 m左右，假設(shè)油井含水率100.0%，在動(dòng)液面抽至泵吸入口的極限情況下，由液柱產(chǎn)生的管內(nèi)外壓差為10 MPa；憋泵診斷泵況時(shí)井口最高壓力可達(dá)6 MPa，此時(shí)，油管內(nèi)外極限壓差為16 MPa。

泄油器內(nèi)腔上環(huán)形凈承壓面積為25.5 cm2，在油管錨定的條件下，內(nèi)壓對(duì)泄油器向下的壓力由錨來(lái)承受，內(nèi)壓對(duì)泄油器只有作用在環(huán)面積上的壓力。因此，對(duì)泄油器環(huán)面設(shè)計(jì)的承壓能力為20 MPa，可保證油井在正常生產(chǎn)及憋壓診斷泵況時(shí)的承壓需要，密封膠圈應(yīng)使用市售抗壓24 MPa級(jí)承壓膠圈。

3.4泄油孔徑

泄油孔的過(guò)流面積設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足在起單根油管并在卸扣前，油管內(nèi)井液能順利流出，即在1根油管的液柱高差下，起1根油管的時(shí)間內(nèi)（包括卸扣的時(shí)間），該根油管內(nèi)的井液經(jīng)泄油孔全部流出。由于油井作業(yè)前均采取洗井措施，井筒內(nèi)充滿了洗井液，洗井液為泵站污水，在流動(dòng)性上與清水介質(zhì)較為接近；因此，以下計(jì)算按清水介質(zhì)進(jìn)行推導(dǎo)。根據(jù)水力學(xué)相關(guān)知識(shí)對(duì)泄油孔過(guò)流面積進(jìn)行推導(dǎo)，得如下積分式：

式中：h——油管內(nèi)液柱高度，m；

t——泄油時(shí)間，s；

d——泄油孔直徑，m。

設(shè)計(jì)6個(gè)φ22 mm泄油孔，單孔過(guò)流面積3.8 cm2，6個(gè)孔過(guò)流面積之和為22.8 cm2。而φ88.9 mm油管的橫截面積為45.3 cm2，兩者過(guò)流面積比為50.3%。單根油管按9.0 m計(jì)，對(duì)卸掉單根油管內(nèi)井液所需時(shí)間進(jìn)行積分計(jì)算，t為6.8 s。由作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)可知：起油管平均用時(shí)120 s/根，泄油用時(shí)遠(yuǎn)低于起管時(shí)間，滿足現(xiàn)場(chǎng)泄油需要。

4 室內(nèi)檢測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

4.1室內(nèi)檢測(cè)

將設(shè)計(jì)的泄油裝置送到中國(guó)石油天然氣股份有限公司采油工程產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果（表1）表明，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 采油井泵上泄油裝置室內(nèi)檢測(cè)情況

4.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

目前已在采油六廠3口抽油機(jī)井上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。其中，1口試驗(yàn)井（L11-AS2401）試驗(yàn)表明，泄油器成功將井液泄流到井筒內(nèi)，有效避免了井液外溢產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)題。

5 結(jié)論

1）研制的泄油器與常規(guī)泄油技術(shù)相比，解決了桿斷及卡泵作業(yè)井泄油的問(wèn)題，拓寬了適應(yīng)性，滿足采油六廠檢泵需要。

2）設(shè)計(jì)泄油器的泄油孔徑可滿足油井在作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)快速泄油的要求。

3）設(shè)計(jì)的泄油器具有較好的密封承壓性能，適應(yīng)油井各種工況的需要。

4）錨定裝置與泄油器解封性能可靠，解封力設(shè)計(jì)科學(xué)，能夠保障作業(yè)順利進(jìn)行。

5）改進(jìn)油管錨參數(shù)，降低中途坐封概率。

[1]關(guān)天勢(shì)，楊書(shū)會(huì)，馬強(qiáng).抽油泵泄油閥的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用[J].石油石化節(jié)能，2014（4）：7-8.

[2]曲占慶，王在強(qiáng)，潘宏文，等.油管錨工藝的應(yīng)用分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2006，35（1）：81-83．

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.021

2016-03-21

（編輯 王艷）

梁猛，工程師，2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)（化學(xué)工程與工藝），從事采油工程舉升設(shè)備管理及舉升技術(shù)配套攻關(guān)工作，E-mail：dqliangmeng@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠工程技術(shù)大隊(duì)，163000。