光桿斷脫自動防噴裝置的研制＊

李海濤 趙 凱 溫麗娟

(中國石油吐哈油田分公司鄯善采油廠)

0 引 言

吐哈油田勘探開發(fā)區(qū)域內(nèi)多數(shù)地區(qū)遍布坎兒井、濕地、水渠和農(nóng)田，生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，環(huán)保形勢嚴(yán)峻[1]。抽油機(jī)生產(chǎn)過程中的光桿斷脫致使盤根密封失效、井口失控，從而造成油氣泄漏和環(huán)境污染，引起安全環(huán)保生產(chǎn)事故[2]。為此，研制出一種抽油井光桿斷脫自動防噴裝置。該裝置適用于現(xiàn)有抽油井井口裝配工藝，滿足采油采氣技術(shù)要求，尤其能起到抽油井光桿斷脫后井口的密封作用，消除安全環(huán)保風(fēng)險。

1 防噴裝置原理

受井下桿式泵工作時固定凡爾受泵體腔內(nèi)壓力作用而密封的原理啟發(fā)[3]，在井口盤根盒上安裝倒置凡爾球座裝置，在光桿斷脫掉入井筒后，隱藏于側(cè)孔通道的密封球進(jìn)入主體裝置中心孔處，借助井筒及系統(tǒng)壓力作用，密封球被座封在裝置上部密封環(huán)，起到密封井口的作用。

2 防噴裝置的研制

2.1 研究思路

1)光桿斷脫后實現(xiàn)井口完全密封，最小承壓范圍大于井口生產(chǎn)閘門所承受的壓力(2.5 MPa)。

2)實現(xiàn)自動密封。

3)安裝及使用簡單，不影響現(xiàn)有的生產(chǎn)流程及后期井口日常操作。

2.2 實驗與改進(jìn)

根據(jù)研究思路設(shè)計了多款防噴裝置雛形，開展室內(nèi)靜態(tài)承壓、動態(tài)模擬實驗和現(xiàn)場安裝實驗。

2.2.1 室內(nèi)實驗

以水為介質(zhì)，模擬井筒液分別開展室內(nèi)承壓和動態(tài)模擬實驗。

1)靜態(tài)承壓實驗

采取密封打壓，階梯升壓為0.3，0.5，1.0，1.5，2.0，4.0，6.0，8.0 MPa。要求裝置穩(wěn)壓30 min，全階段無壓降和泄漏。

2)動態(tài)模擬實驗

分別模擬承壓2.0，1.0，0.5，0.3 MPa下光桿斷脫入井情況。要求裝置分別在高壓和低壓情況下都能實現(xiàn)自動密封。

2.2.2 現(xiàn)場實驗

隨機(jī)選擇40口抽油機(jī)井進(jìn)行現(xiàn)場安裝，跟蹤裝置安裝、運行及維護(hù)情況，收集相關(guān)問題并進(jìn)行針對性改進(jìn)。

根據(jù)實驗結(jié)果，經(jīng)反復(fù)論證，對初期設(shè)計的裝置進(jìn)行了如下改進(jìn)。

1)密封球體材料改進(jìn)

前期考慮為避免球體與光桿摩擦使光桿受損而采用尼龍材料，而后在室內(nèi)實驗中發(fā)現(xiàn)，尼龍密封球會因壓力過高而變形，不能起到完全密封的作用，因此,采用剛性較好的鋼球代替。

2)密封球體進(jìn)入中心孔密封方式改進(jìn)

前期采用尼龍球配合壓縮彈簧的方式使尼龍球在光桿斷脫后在彈簧的作用下進(jìn)入中心孔密封[4]，但尼龍球換為鋼球后，若繼續(xù)采用鋼球和彈簧壓緊的方式，長時間運行過程中會導(dǎo)致光桿和鋼球互相摩擦受損而影響密封。根據(jù)反復(fù)實驗和調(diào)研，創(chuàng)新性的采用釹鐵硼強(qiáng)磁鐵加工的密封環(huán)，取消彈簧壓緊方式，將密封球側(cè)直型孔室改為與鋼球外徑相當(dāng)?shù)陌牖⌒?，預(yù)留一定的活動空間，改用磁力作用引導(dǎo)鋼球進(jìn)入中心孔的方式進(jìn)行密封。

3)密封球側(cè)孔室堵頭改進(jìn)

前期未考慮該裝置在維護(hù)過程中更換密封球拆卸堵頭存在泄壓風(fēng)險問題。根據(jù)現(xiàn)場實驗安裝情況和巡檢人員的建議，增加堵頭泄壓閥門，進(jìn)一步確保該裝置運行和日常檢查零風(fēng)險。

4)裝置內(nèi)部防偏磨改進(jìn)

在部分敏感區(qū)域，采油井口為滿足測試需要采用偏心井口。偏心井口為長喉管設(shè)計，易造成喉管和光桿不完全同心的情況，在井口安裝該裝置后，易造成該裝置內(nèi)鋼制密封環(huán)與光桿偏磨。因此，在該裝置內(nèi)部添加尼龍光桿限位扶正器，避免偏磨[5-6]。

2.3 裝置主要技術(shù)參數(shù)和工作原理

1)主要技術(shù)參數(shù)

外形尺寸：226 mm×150 mm×133 mm；

最大承壓：15 MPa；

最小通徑：32 mm；

扣型連接：NU73 mm；

適用光桿直徑：28 mm；

本體材質(zhì)：鐵錳鋁系奧氏無磁結(jié)構(gòu)鋼；

密封球材質(zhì)：鐵銅鈮鉭超硬度順磁合金；

密封球直徑：38 mm；

密封環(huán)材質(zhì)：釹鐵硼永磁合金；

密封環(huán)磁力：1.5 T。

2)工作原理

光桿斷脫掉入井筒后，隱藏于側(cè)孔通道的密封鋼球在主體裝置中心孔液體流動形成的負(fù)壓作用下被推至主體裝置中心孔處，由于上部密封環(huán)材質(zhì)為釹鐵硼磁鐵，借助磁力作用和井筒及系統(tǒng)壓力作用，密封鋼球被座封在裝置上部磁鐵密封環(huán)，起到了密封井筒的作用，裝置現(xiàn)場安裝位置見圖1，結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖1 裝置現(xiàn)場安裝位置

圖2 裝置結(jié)構(gòu)示意

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

2018年9月—2019年6月，在吐哈油田所屬鄯善、吐魯番和三塘湖3個采油廠敏感區(qū)域的331口單井安裝了光桿斷脫自動防噴裝置。

2019年6月2日，WX3-X1井光桿在位于懸繩器下端3 cm處斷裂，斷裂光桿落入井中，光桿斷脫自動防噴裝置成功實現(xiàn)自動封井，未出現(xiàn)泄漏，有效避免了井場污染和生產(chǎn)安全環(huán)保事故。2019年8月9日，WX3-X2井光桿斷裂，光桿斷脫自動防噴裝置同樣成功實現(xiàn)自動封井，未出現(xiàn)泄漏。

4 結(jié)束語

光桿斷脫自動防噴裝置具有設(shè)計簡單合理，現(xiàn)場操作方便，安全性高等特點，可以降低生產(chǎn)風(fēng)險，避免光桿斷脫后造成的油氣污染和安全環(huán)保事故，在抽油機(jī)井上具有井控和環(huán)保推廣價值。該裝置已獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實用新型專利證書，且已完成國家發(fā)明專利申請，目前正等待批復(fù)。

在該裝置的研制過程中，從靜態(tài)到動態(tài)實驗，從室內(nèi)到現(xiàn)場實驗檢驗，從設(shè)計加工到結(jié)構(gòu)改進(jìn)，都充分體現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計方法的重要性，具有一定的借鑒意義。