油田螺桿泵井新型封井器的研制與應(yīng)用

劉麗 張有興 汲紅軍 趙海濤 胡延軍

（1.大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠；2.大慶油田有限責(zé)任公司第一采油廠；3.大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

螺桿泵井作為一種常規(guī)采油設(shè)備[1]，由于具有受抽吸液體黏度影響小、設(shè)備占地面積小、投資少、效率高、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音小、便于管理等優(yōu)點(diǎn)[2]，特別是在聚合物驅(qū)和三元驅(qū)采出井應(yīng)用中更為明顯，通過(guò)近年來(lái)的不斷改進(jìn)完善，在油田得到了廣泛應(yīng)用，目前在大慶油田有近10 000套螺桿泵采油設(shè)備。雖然螺桿泵井驅(qū)動(dòng)裝置配套已較為成熟[3-4]，但是驅(qū)動(dòng)裝置配套封井器部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍有優(yōu)化潛力。螺桿泵井驅(qū)動(dòng)裝置封井器由于使用年限和操作過(guò)程中磨損等原因，經(jīng)常造成封井器芯體和橡膠密封體損毀，而維修工人更換芯體時(shí)必須壓井[5]，并在停機(jī)放壓后，確保井下無(wú)壓情況下才能進(jìn)行維修操作[6]，既延長(zhǎng)了處理故障時(shí)間，增加了維修成本，同時(shí)增大了操作強(qiáng)度，也易造成環(huán)境污染[7]，給油田的正常生產(chǎn)帶來(lái)不便[8]。某單位每年因螺桿泵井維修更換封井器，進(jìn)行壓井施工35井次，因壓井效果欠佳，采用小修作業(yè)措施5井次，共造成經(jīng)濟(jì)損失近200萬(wàn)元，主要包括特殊車(chē)輛成本、時(shí)率減產(chǎn)和污染治理等費(fèi)用[9]。經(jīng)過(guò)研制螺桿泵井新型封井器[10]，有效解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)不停機(jī)、不壓井對(duì)封井器進(jìn)行維修。螺桿泵井新型封井器投入使用后，擺脫了更換封井器芯體時(shí)對(duì)站內(nèi)、站外壓井設(shè)備的依賴(lài)，從根本上解決了更換芯體不便的難題，節(jié)約了生產(chǎn)運(yùn)行成本。

1 螺桿泵井驅(qū)動(dòng)裝置封井器

1.1 結(jié)構(gòu)分析

螺桿泵井驅(qū)動(dòng)裝置封井器安裝于直驅(qū)電動(dòng)機(jī)下部，整體為多通結(jié)構(gòu)。在主體結(jié)構(gòu)垂直于軸線方向，對(duì)稱(chēng)布置兩個(gè)封井器安裝端口，端口前段安裝芯體。芯體為封井器的核心部件，其整體為圓柱結(jié)構(gòu)，前端縱向?yàn)榘雸A形光桿卡口，并鑲嵌有橡膠密封體。芯體后端連接的絲杠利用螺紋配合與端口壓蓋進(jìn)行連接，通過(guò)對(duì)絲杠的旋轉(zhuǎn)操作，帶動(dòng)芯體向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)兩側(cè)芯體與螺桿泵井光桿發(fā)生接觸并卡緊后，芯體的定位牙將光桿進(jìn)行機(jī)械定位，使光桿無(wú)法再發(fā)生上下竄動(dòng)，而芯體前端鑲嵌的橡膠密封體則通過(guò)對(duì)光桿的環(huán)抱，實(shí)現(xiàn)封卡部位上下部的隔斷密封，從而可實(shí)現(xiàn)封井器以上驅(qū)動(dòng)裝置各部件的更換維修。螺桿泵井封井器見(jiàn)圖1。

圖1 螺桿泵井封井器Fig.1 Sealer of screw pump well

基于原螺桿泵井驅(qū)動(dòng)裝置封井器所固有的結(jié)構(gòu)原理，封井器自身發(fā)生故障后，如對(duì)其進(jìn)行維修，則需要對(duì)封井器的壓蓋、絲杠、芯體及導(dǎo)向螺絲等各部位進(jìn)行拆卸，而封井器芯體部分所處空間與螺桿泵井井下直接相通。

1.2 維修過(guò)程分析

更換封井器芯體時(shí)需要壓井作業(yè)，對(duì)井下壓力進(jìn)行平衡，再經(jīng)過(guò)泄壓后方可對(duì)封井器進(jìn)行維修。通常壓井作業(yè)有兩種方式，一是利用轉(zhuǎn)油站對(duì)作業(yè)井進(jìn)行壓井，實(shí)現(xiàn)井筒內(nèi)的壓力平衡。二是在作業(yè)井無(wú)熱洗條件的情況下，則需要使用壓井高壓泵車(chē)1臺(tái)，水罐車(chē)4臺(tái)進(jìn)行壓井，實(shí)現(xiàn)井筒內(nèi)的壓力平衡，從而達(dá)到拆卸井口維修的目的。此壓井過(guò)程不僅需要5臺(tái)特種車(chē)輛配合完成作業(yè)，并需要用時(shí)2 h，后續(xù)放壓及維修時(shí)間2 h。

根據(jù)以上分析，需要維修的封井器主要部件芯體與螺桿泵井井下為同一壓力系統(tǒng)，并且無(wú)任何隔離機(jī)構(gòu)，說(shuō)明維修此壓力系統(tǒng)中任何一部件時(shí)，均需要平衡井下壓力源壓力，才能進(jìn)行維修操作，而要實(shí)現(xiàn)這一功能，則需要對(duì)整體壓力系統(tǒng)進(jìn)行分隔，從而達(dá)到分區(qū)、分塊維修的目的。

2 螺桿泵井新型封井器技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

油田螺桿泵井新型封井器在原封井器基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要由主體、泄壓腔、絲杠、溢流管快速接頭、溢流管、控制閥門(mén)、芯體等部分組成。新型封井器將連接端口連接方式改為外螺紋連接，并在其側(cè)壁增加溢流管。連接端口外螺紋連接控制閥門(mén)，控制閥門(mén)外端連接泄壓腔。泄壓腔為管式結(jié)構(gòu)，其外部布置有兩個(gè)溢流管，管口采用內(nèi)六方頂針式溢流閥控制。泄壓腔上還布置有導(dǎo)向螺絲，用于與芯體上的導(dǎo)向槽配合，保證芯體只產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，而不發(fā)生周向偏轉(zhuǎn)。同時(shí)由于芯體行程的增長(zhǎng)，相應(yīng)驅(qū)動(dòng)絲杠的整體長(zhǎng)度也要增加，同時(shí)在絲杠加長(zhǎng)后，在承受相同前頂力的情況下易發(fā)生彎曲，為此在原絲杠直徑基礎(chǔ)上增加5 mm，以確保絲杠強(qiáng)度。絲杠后端與壓蓋通過(guò)螺紋配合，實(shí)現(xiàn)絲杠的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓蓋則通過(guò)外螺紋與泄壓腔外端的內(nèi)螺紋實(shí)現(xiàn)連接，并通過(guò)導(dǎo)向螺絲進(jìn)行定位，新型封井器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 新型封井器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of new type sealer

2.2 工作原理

油田螺桿泵井新型封井器的設(shè)計(jì)原理是在原螺桿泵封井器安裝端口前端增加一套控制閥門(mén)，達(dá)到分隔壓力空間的目的?；谝陨显?，將螺桿泵井封井器安裝端口分為兩段設(shè)計(jì)，中間部位增加控制閥門(mén)，安裝端口整體長(zhǎng)度由原來(lái)的450 mm加長(zhǎng)到630 mm，并在控制閥門(mén)兩側(cè)分別增加溢流管，用于維修前泄壓使用。基于球形閥具有通道空間大，通過(guò)性好的特點(diǎn)，選擇球形閥作為控制閥門(mén)，保證芯體可在控制閥內(nèi)部順利穿過(guò)。在封井器芯體維修更換時(shí)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，絲杠與壓蓋的螺紋配合使絲杠整體向外運(yùn)行，從而帶動(dòng)芯體向外運(yùn)行。當(dāng)芯體運(yùn)行至控制閥門(mén)外端后，關(guān)閉控制閥門(mén)，就會(huì)將封井器連接端口與泄油腔之間關(guān)斷，形成兩個(gè)獨(dú)立的壓力空間。在控制閥門(mén)關(guān)斷后，利用泄油管對(duì)芯體兩側(cè)分別進(jìn)行泄壓，當(dāng)無(wú)壓后即可對(duì)封井器進(jìn)行拆卸，實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)、不壓井維修。同時(shí)有效避免了更換封井器芯體時(shí)采出液噴出等安全隱患，減少環(huán)境污染，減少操作環(huán)節(jié)及操作程序，新型封井器現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用見(jiàn)圖3。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用Fig.3 Field application

2.3 實(shí)施過(guò)程

該裝置安裝在螺桿泵井驅(qū)動(dòng)裝置電動(dòng)機(jī)下端，當(dāng)螺桿泵井封井器芯體發(fā)生損壞后，只需將封井器絲桿開(kāi)至最大，關(guān)閉控制閥門(mén)，即可切斷井底壓力，封井器內(nèi)的剩余井液流入泄壓腔，經(jīng)溢流管放空后，將芯體卸出，即可進(jìn)行更換，不需停機(jī)及壓井。具體操作步驟：

1）卸下舊芯體。卸松兩側(cè)導(dǎo)向螺絲；將絲杠旋出閥體40 cm；關(guān)閉控制閥門(mén)；打開(kāi)溢流管部位放空裝置，進(jìn)行放空；卸松壓蓋鎖緊螺栓；使用專(zhuān)用工具卸松壓蓋；使用專(zhuān)用工具取出芯體。

2）安裝新芯體。緩慢裝入芯體，保持芯體導(dǎo)向槽與封井器導(dǎo)向螺絲平齊；安裝壓蓋，并使用專(zhuān)用工具旋緊；鎖緊壓蓋鎖緊螺栓；關(guān)閉放空裝置；打開(kāi)控制閥門(mén)，檢查滲漏；旋入閥體；安裝兩側(cè)導(dǎo)向螺絲；重新打開(kāi)封井器10 cm距離。

整個(gè)過(guò)程達(dá)到無(wú)采出液噴出，減少環(huán)境污染和操作環(huán)節(jié)的目的。維修時(shí)間從原來(lái)的4 h縮短為0.5 h，工作效率提高8倍，解決了維修、更換螺桿泵井封井器芯體耗時(shí)長(zhǎng)、工作量大、成本高的生產(chǎn)難題。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用效果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

油田螺桿泵井新型封井器加工試制成功后，首先選取某單位所管轄N5-21-P37井進(jìn)行安裝試驗(yàn)。該井產(chǎn)液量高，采出液腐蝕性大，連續(xù)3 a出現(xiàn)封井器閥芯每年損壞2次的現(xiàn)象，每次更換需要高壓泵車(chē)進(jìn)行壓井，用水量均在50 m3以上，壓井作業(yè)2 h，壓井后進(jìn)行放壓及維修更換用時(shí)2 h，需要大量設(shè)備及人工成本，同時(shí)在維修后需要3 d時(shí)間恢復(fù)生產(chǎn)能力，造成一定產(chǎn)量損失。2016年5月16日，利用井下作業(yè)時(shí)機(jī)將該井封井器更換為油田螺桿泵井新型封井器。更新后，該井在2017年3月11日維修驅(qū)動(dòng)裝置機(jī)械密封時(shí)發(fā)現(xiàn)，封井器出現(xiàn)關(guān)閉不嚴(yán)現(xiàn)象，需要對(duì)封井器芯體進(jìn)行更換。在外旋封井器芯體至泄油腔后，關(guān)閉控制閥門(mén)，通過(guò)溢流管進(jìn)行放壓，拆卸壓蓋后取出芯體，并將新芯體裝入，安裝壓蓋，恢復(fù)裝置正常狀態(tài)。在封井器芯體更換后，立即關(guān)閉測(cè)試密封效果，達(dá)到密封要求后進(jìn)行了下步井口機(jī)械密封維修，效果較好。在油田螺桿泵井新型封井器試驗(yàn)取得初步效果后，選取4口井進(jìn)一步擴(kuò)大了試驗(yàn)規(guī)模，油田螺桿泵井新型封井器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況見(jiàn)表1。

表1 油田螺桿泵井新型封井器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況Tab.1 Field test of new type sealer for screw pump well in oilfield

3.2 規(guī)模應(yīng)用情況

由于螺桿泵井新型封井器在試驗(yàn)中取得了良好的應(yīng)用效果，并高度適于螺桿泵井現(xiàn)場(chǎng)需要，于2019年10月進(jìn)行了推廣，共計(jì)推廣應(yīng)用45井次（不含試驗(yàn)井5口），在生產(chǎn)中擺脫了更換封井器芯體時(shí)對(duì)站內(nèi)、站外壓井設(shè)備的依賴(lài)，從根本上解決了更換芯體不便的難題，維修時(shí)間由改進(jìn)前4 h縮短為0.5 h，并避免了單井占產(chǎn)損失8.5 t，累計(jì)挽回產(chǎn)量損失850 t，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益295萬(wàn)元。節(jié)約了采油單位的運(yùn)行成本，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，減少操作程序、不可控環(huán)節(jié)及環(huán)境污染。

4 結(jié)束語(yǔ)

油田螺桿泵井新型封井器通過(guò)在芯體安裝部位建立壓力分隔系統(tǒng)，在原來(lái)的單一壓力系統(tǒng)中劃分出一個(gè)獨(dú)立的壓力控制系統(tǒng)，使封井器獨(dú)立于井下壓力系統(tǒng)之外，實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)控制，獨(dú)立維修功能，有效解決了螺桿泵井封井器維修需要壓井、停機(jī)的問(wèn)題，省去了壓井過(guò)程所需的特種車(chē)輛臺(tái)班成本及人工成本，提高工作效率8倍，消除安全隱患，清潔生產(chǎn)“零”污染，適用于在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全面推廣應(yīng)用。