抽油機(jī)井上下可調(diào)式盤根盒節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

劉麗 趙海濤 鄒繼艷 滕少臣 姜樂（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

油氣資源從地下巖層中被開采出來經(jīng)井下管柱、地面管線輸送到計(jì)量間，由計(jì)量間再輸送至轉(zhuǎn)油站，轉(zhuǎn)油站將油氣再加壓輸往聯(lián)合站進(jìn)行處理，最后輸送至油庫，在整個(gè)油氣開采過程中油氣都是處在密閉的狀態(tài)下進(jìn)行。

但在抽油機(jī)井采油樹上的盤根盒是油氣生產(chǎn)流程中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，也是油氣開采工藝中的重要組成部分[1]。盤根盒是依靠在光桿與盤根盒外殼間填充盤根達(dá)到密封，因盤根盒中間有一根光桿穿過且光桿始終做上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在生產(chǎn)中因磨損、腐蝕、偏磨等原因造成填充在光桿與盤根盒之間的盤根異常磨損，使用壽命大幅降低。在生產(chǎn)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)盤根盒出現(xiàn)油氣泄漏情況后，第一選擇是加大扭矩緊固壓帽，但是盤根盒扭矩越大，盤根磨損越嚴(yán)重，更換盤根的周期越短，抽油機(jī)井電能消耗越大。同時(shí)，由于盤根磨損后密封作用下降，容易出現(xiàn)油氣泄漏，造成環(huán)境污染，嚴(yán)重影響油井正常生產(chǎn)。

通過對抽油機(jī)能耗計(jì)量與分析，抽油機(jī)主要能耗節(jié)點(diǎn)有四連桿、皮帶、盤根盒、減速桿、管柱、電動(dòng)機(jī)、抽油桿、抽油泵等，其中盤根盒的能耗損失率達(dá)到15%，因此，對盤根盒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研制一種密封好、耐磨的盤根盒，是采油生產(chǎn)現(xiàn)場節(jié)能增效工作的一項(xiàng)長期重要任務(wù)。

1 盤根盒的位置與作用

游梁式抽油機(jī)，主要由驢頭、游梁、橫梁、連桿、曲柄、減速箱、電動(dòng)機(jī)和輔助設(shè)備等幾大部分組成。在其生產(chǎn)過程中，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由皮帶傳輸給變速箱，再由變速箱及曲柄連桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成抽油機(jī)驢頭的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。驢頭通過光桿、抽油桿帶動(dòng)井下深井泵，從而把油層中的原油源源不斷地抽到地面。

盤根盒位于抽油機(jī)井采油樹的最上端，在盤根盒內(nèi)加入的盤根也可稱為密封填料，填料是正方形、長方形或者圓形的條狀物，用于填充在盤根盒與光桿間的密封腔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)盤根盒的密封。最早出現(xiàn)的密封填料是由棉、麻等纖維材質(zhì)制作而成，具有價(jià)格低廉、來源廣泛、容易加工、密封可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以一直沿用至今。盤根盒就是通過壓帽不斷壓實(shí)位于盤根盒內(nèi)的填料實(shí)現(xiàn)密封油管與光桿環(huán)形空間的密封裝置，并采用多級密封，具有耐高溫、耐高壓，密封效果好的特點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)楸P根盒的根部設(shè)計(jì)有調(diào)節(jié)球頭，可以調(diào)整盤根盒的偏心與角度，還能很好的適宜并應(yīng)用在光桿偏斜的抽油機(jī)井。

2 盤根盒失效的原因分析

2.1 材質(zhì)的影響

盤根的作用是將密封材料堵在軸泄漏通道內(nèi)，防止氣液的泄漏。最早的密封填料是一些廉價(jià)的易壓縮的纖維織物，如棉麻織物等，后來發(fā)展到聚合物合成纖維，如聚四氟乙烯（PTFE）高分子合成纖維填料、酚醛纖維填料、橡膠填料、芳綸纖維填料等[2]。盤根材質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

表1 盤根材質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of packing material

在選用盤根時(shí)，要對井口盤根進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的力學(xué)分析，了解井口的壓力，對盤根進(jìn)行科學(xué)的分析和選材。僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，會(huì)導(dǎo)致一些采油井在憋壓操作時(shí)，井口壓力升高，超出了盤根所能承受的壓力范圍，盤根在高壓下發(fā)生刺漏現(xiàn)象，或者是在不同季節(jié)，面對不同的溫度，盤根沒有換取相適應(yīng)的材料，導(dǎo)致盤根容易在高溫或低溫下容易發(fā)生失效[3-4]。

2.2 盒結(jié)構(gòu)的影響

盤根盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)具有防偏與對中功能，設(shè)計(jì)有扶正與偏磨補(bǔ)償裝置，同時(shí)要設(shè)計(jì)多級保護(hù)措施，避免單級失效后盤根盒立即失效。盤根盒擰緊后應(yīng)該對盤根具有水平和垂直的擠壓力作用，增加盤根盒的密封性和穩(wěn)定性，并且盤根盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要便于拆卸和安裝。

2.3 松緊度的影響

盤根的松緊程度直接影響抽油機(jī)的能量利用效率，經(jīng)過現(xiàn)場的實(shí)測[5]，以扭矩為指標(biāo)表示盤根盒的松緊程度，測量不同扭矩下抽油機(jī)單日的耗電量，具體盤根盒扭矩與耗電量及系統(tǒng)效率的關(guān)系見表2。

表2 盤根盒扭矩與耗電量及系統(tǒng)效率的關(guān)系Tab.2 Relationship between packing box torque and power consumption and system efficiency

可見隨著盤根盒擰緊程度的增加，抽油機(jī)系統(tǒng)效率呈下降趨勢，因此在保證抽油機(jī)不漏油的情況下，盤根盒不宜擰的過緊。

2.4 光桿的影響

由于光桿和盤根直接接觸，會(huì)對盤根盒的壽命產(chǎn)生很大影響。首先，光桿表面粗糙程度直接影響盤根盒的失效時(shí)間。抽油機(jī)井投產(chǎn)安裝光桿后，隨著使用時(shí)間的延長，光桿表面會(huì)出現(xiàn)“腐蝕斑點(diǎn)”。而光桿偏斜的抽油機(jī)井光桿在工作過程中還會(huì)因?yàn)椤捌ァ?，造成光桿表面嚴(yán)重軸向劃傷，使光桿表面一側(cè)出現(xiàn)較深的磨損性“凹坑”，使光桿的粗糙度增加，增加了光桿和盤根之間的摩擦力，其表面的凸起會(huì)對盤根造成刮磨，使盤根快速失效，在作業(yè)時(shí)應(yīng)該及時(shí)使用銼刀或砂紙打磨光桿，使其保持光滑。當(dāng)光桿與井口不對中，井場基礎(chǔ)不平，以及深井和重負(fù)荷井、快沖次井中或由于盤根盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，沒有設(shè)置防偏裝置，導(dǎo)致光桿偏斜，使光桿對盤根產(chǎn)生偏磨，造成盤根使用壽命降低。同時(shí)，光桿腐蝕，光桿溫度較高等問題，都會(huì)加快盤根失效[6-7]。

3 上下可調(diào)式盤根盒的研制

3.1 研制背景

更換抽油機(jī)井光桿密封盤根是采油現(xiàn)場日常維修維護(hù)工作，難度較大，特別是冬季，受溫度影響，盤根取出和加入都十分困難。三次采油后，又因?yàn)椴沙鲆褐懈g物的增多及結(jié)垢的影響，盤根磨損加快造成使用壽命縮短，增加了更換、維護(hù)的次數(shù)，延長停機(jī)時(shí)間，影響油井產(chǎn)量，而且盤根松緊度及潤滑的狀況直接影響電能的損耗。針對此情況研制了抽油機(jī)井上下可調(diào)式盤根，不僅解決了抽油機(jī)取、加盤根困難的問題，同時(shí)增加節(jié)電功能，提高操作的安全性、縮短操作時(shí)間，降低員工勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.2 上下可調(diào)式盤根盒主要結(jié)構(gòu)

上下可調(diào)式盤根盒結(jié)構(gòu)見圖1，主要由盤根盒手柄、壓帽、革蘭、墊片、付套手柄、付套、鎖片、頂芯及節(jié)能盤根盒壓蓋等部分組成。

圖1 上下可調(diào)式盤根盒結(jié)構(gòu)Fig.1 Up and down adjustable packing box structure

該成果改變了盤根盒的原有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過增加盤根盒頂芯與付套的設(shè)計(jì)，可以利用頂芯與付套之間的配合[8]，實(shí)現(xiàn)盤根盒主體上下移動(dòng)變位，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)盤根盒密封腔深淺的目的。

3.3 實(shí)施方式及增益效果

在生產(chǎn)現(xiàn)場采油工人更換密封圈操作時(shí)，可利用盤根盒下部頂芯與上部付套實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)變位，盤根盒下部頂芯上移實(shí)現(xiàn)一次性將舊密封圈頂出，無需工具摳取，更換密封圈的時(shí)間由原來的50 min縮短為10 min，工作效率提升了5倍以上，同時(shí)又通過壓帽、頂芯對密封圈實(shí)現(xiàn)雙向擠壓，實(shí)現(xiàn)對密封圈松緊度的調(diào)整。設(shè)計(jì)可以有效避免盤根磨損不均的問題，從而保證最大限度發(fā)揮密封圈密封作用，有效延長了密封圈的使用壽命，使用周期由原來的2～3個(gè)月提高到1 a以上。

3.4 針對現(xiàn)場工況調(diào)整改進(jìn)

根據(jù)現(xiàn)場工況特點(diǎn)，對上下可調(diào)式盤根盒進(jìn)一步改進(jìn)，增設(shè)了新型節(jié)能盤根盒壓蓋。內(nèi)部鑲?cè)胄滦途勖淹馁|(zhì)扶正環(huán)，聚醚酮酮[9]是一種新型的具有超高性能的特種工程塑料。聚醚酮酮分子結(jié)構(gòu)中具有剛性的重復(fù)單元，使它具有較高的結(jié)晶度和優(yōu)秀的熱力學(xué)性能，具有良好的耐磨性、電性能、潤滑性、耐燃性、耐輻射性、耐溶劑性，經(jīng)過纖維增加強(qiáng)度后，使它有了很好的耐沖擊性能及振動(dòng)阻尼性，通過增強(qiáng)后可以作為特種的高性能工程塑料進(jìn)行使用，廣泛用于國防裝備、航空航天器件、醫(yī)療衛(wèi)生裝置等領(lǐng)域。

現(xiàn)階段對盤根盒的結(jié)構(gòu)改進(jìn)除了提高密封功能之外，還要考慮調(diào)偏和其他輔助功能，同時(shí)還要保證盤身拆裝和維修便捷[10]。通過鑲?cè)胄滦途勖淹馁|(zhì)扶正環(huán)，可以提高盤根盒耐磨性，同時(shí)因其具有的自潤滑性可以對光桿進(jìn)行潤滑且扶正，壓縮彈簧起到蓄能的作用，在盤根盒壓帽內(nèi)的浸油毛氈可以對光桿均勻涂油進(jìn)行潤滑降低摩擦阻力，節(jié)能設(shè)計(jì)的盤根盒可達(dá)到單井每日節(jié)約電能11 kWh，填補(bǔ)了盤根盒領(lǐng)域新型結(jié)構(gòu)的空白。

4 推廣應(yīng)用的效果和價(jià)值

該成果已經(jīng)在600口抽油機(jī)井上陸續(xù)試用推廣，有效提高了盤根的使用周期，提高員工工作效率2～5倍。該裝置具有使用操作方便、密封性好、結(jié)構(gòu)合理、工作安全可靠、不易損壞、成本低的特點(diǎn)。極大地減輕了員工操作難度及強(qiáng)度，提高了作業(yè)安全系數(shù)。裝置的應(yīng)用每年減少更換密封圈操作5次，增加原油產(chǎn)量1.5 t；節(jié)約密封圈用量50個(gè)，節(jié)省材料費(fèi)用200元；每噸原油按2 000元計(jì)算，每口井年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益3200元；2012—2018年共創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益384萬元。該成果2018年在設(shè)計(jì)上增加了節(jié)能盤根盒壓蓋，并且在大慶油田繼續(xù)推廣應(yīng)用400口抽油機(jī)井，單井每日節(jié)電11 kWh，節(jié)電費(fèi)用160.6萬元，截止目前大慶油田共推廣應(yīng)用600口抽油機(jī)井，共創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益925萬余元。

5 結(jié)論

1）分析了影響盤根盒失效的特性以及其使用壽命的影響因素，認(rèn)為盤根應(yīng)該選擇合適的材質(zhì)進(jìn)行制作，在實(shí)際操作中應(yīng)保持井口不泄漏的情況下適度擰緊盤根盒，光桿對盤根盒的壽命有直接影響，應(yīng)該保持光桿位置中正，光滑，在盤根盒設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮扶正糾偏等裝置的設(shè)置，注意盤根盒的多級保護(hù)與密封。

2）研制了一種抽油機(jī)井上下可調(diào)式盤根盒，該成果改變了盤根盒的原有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過增加盤根盒頂芯與付套的設(shè)計(jì)，利用頂芯與付套之間的配合，實(shí)現(xiàn)盤根盒主體上下移動(dòng)變位，達(dá)到調(diào)節(jié)盤根盒密封腔深淺的目的。通過增設(shè)新型節(jié)能盤根盒壓蓋，填補(bǔ)了盤根盒領(lǐng)域新型結(jié)構(gòu)的空白，性能達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平。

3）上下可調(diào)式抽油機(jī)井盤根盒具有操作性好、實(shí)用性強(qiáng)、安全性高等特點(diǎn)，該成果目前不僅在大慶油田生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了應(yīng)用，還在新疆油田的抽油機(jī)井上進(jìn)行了推廣應(yīng)用，節(jié)約大量材料，取得很好的經(jīng)濟(jì)效益，在中國石油集團(tuán)公司都擁有很好的推廣應(yīng)用前景。

4）隨著國家《安全生產(chǎn)法》和《環(huán)境保護(hù)法》的頒布與實(shí)施，油田對生產(chǎn)中的安全環(huán)保工作更加重視，不斷推進(jìn)節(jié)能、環(huán)保新技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，本次論述的上下可調(diào)式盤根盒技術(shù)，對抽油機(jī)井盤根盒的調(diào)偏、防噴、環(huán)保、潤滑、節(jié)能等功能的設(shè)計(jì)對指導(dǎo)油田生產(chǎn)，提高油井管理水平具有重要的意義。光桿盤根密封技術(shù)的提升，實(shí)現(xiàn)盤根盒智能化、小型化、多功能，將是盤根盒未來發(fā)展的方向。