研制新型噴提油管防污裝置

勝利油田分公司勝利采油廠 綠色作業QC小組

（山東 東營 257041）

研制新型噴提油管防污裝置

勝利油田分公司勝利采油廠 綠色作業QC小組

（山東 東營 257041）

勝利采油廠作業大隊是一支從事修井作業的專業隊伍，主要承擔勝坨油田的油水井維修任務。作業大隊每年修井作業2 100井次，其中由于砂埋泵筒、桿斷、泄油器打不開等原因導致噴提油管（即油管內井液無法正常泄入井筒內，提出的油管卸開絲扣后井液噴濺在地面）施工230井次，造成大量油水外泄于地面。

噴提油管油水外排，不僅嚴重污染環境，而且也支付出高額環保費用，增加了作業成本。綠色作業QC小組從生產實際出發，成功研制并推廣應用了新型噴提油管防污裝置，經過一年的現場活動，解決了噴提油管作業油水外排的問題，實現了修井作業清潔生產，取得了良好的效果。

小組簡介

小組成立于2002年12月，命名為“綠色作業”，目的就是希望我們小組的研究成果能夠實現清潔作業生產。成員共有11人，其中高級工程師3人，高級技師2人（表1）。

選擇課題

表1 小組概況表

修井作業施工中，由于砂埋泵筒、桿斷、工具失效等原因無法正常泄油，造成噴提油管施工，大量油水被帶出井筒外泄，嚴重染污環境，不符合油田清潔生產的要求。

噴提油管作業使大量油水外泄于地面，造成的主要影響有：①油水噴灑在作業工人身上，有損于工人身體健康；②油水噴灑在地面，一是造成原油流失，二是嚴重污染環境，三是地面濕滑施工存在安全隱患。

2008年修井作業2 106口，其中噴提油管發生污染232井次，修井作業無污染率89.0%，低于采油廠規定指標98%，造成污染面積1.97×104m2，全年支付噴提油管污染治理費用高達228.3萬元。為了解決噴提油管造成的污染問題，小組決定本次活動課題為：研制新型噴提油管防污裝置。

設定目標

（1）目標：研制新型噴提油管防污裝置。

（2）目標值：修井作業無污染率由89.0%提高到98%以上（依據《勝利采油廠清潔生產管理制度》規定修井作業無污染率≥98%）。

提出方案并確定最佳方案

1 提出方案

通過市場調查和網上信息查詢，發現市場上目前沒有這類產品，現場也沒有可借鑒的防污裝置，小組多次召開會議，運用“頭腦風暴”法，對如何“研制新型噴提油管防污裝置”這個課題進行了討論，充分發揮大家的創造力，提出了3個設計方案：①研制漏斗式噴提油管防污裝置；②研制密閉式噴提油管防污裝置；③研制內置式噴提油管防污裝置。

（1）方案1：研制漏斗式噴提油管防污裝置（圖1）

在套管閘門處設計漏斗式防污裝置，噴提液流入漏斗內，再經過套管閘門回流到井筒，實現噴提油管油水不外泄的目的。設計防污裝置主要有漏斗和回流管組成，其工作原理為：將噴提漏斗連接在套管一側閘門，油管卸開后快速推至噴提漏斗上部，使噴提液由漏斗通過套管閘門流入井筒。

（2）方案2：研制密閉式噴提油管防污裝置（圖2）

在封井器上部設計防污裝置，噴提液由防污裝置經導流管進入井筒，實現噴提油管油水不外泄的目的。設計密閉式防污裝置主要由兩瓣式排污筒、上密封環、下密封環、排污接頭、導流管組成。設計工作原理：噴提泄油時合上分瓣式排污筒，密封下端油管接箍和上端油管本體，卸開油管絲扣，油水泄入排污筒內，再經過導流管從套管進入井筒，泄油完成后打開分瓣式排污筒，上提油管施工。

（3）方案3：研制內置式噴提油管防污裝置（圖3）

在套管大四通內部設計噴提器，并設計專用提升工具，利用封井器內部空間，直接將油水由封井器內部空間泄入井筒內，實現噴提油管油水不外泄的目的。設計工作原理：外部結構與油管懸掛器相似，利用專用提升工具將裝置直接放于大四通處，封井器上端安裝自封密封油管本體，卸開油管絲扣上提油管泄油直接流入井筒，上提油管施工。

2 方案優選

（1）操作安全性能論證

結合3種方案的特點，從泄油途徑、安裝位置、增加井口高度3個方面進行了對比分析（表2）。

由表2可知，3個方案設計的泄油途徑不同決定了防污裝置的安裝位置不同，方案1和方案3安裝防污裝置后，不增加井口操作高度，方案2設計安裝在封井器上部，排污筒至少設計高0.5m。

石油天然氣行業標準SY/T 6690-2008《井下作業井控技術規程》規定：所有施工井均應安裝相應壓力級別的防噴器，為此，勝利采油廠作業大隊配備了2SFZ18-35型防噴器，井口高度一般為1.1m。方案2的排污筒高度設計至少0.5m，使得井口高度增加為1.6m，導致操作液壓鉗施工存在較大安全隱患。

表2 3個方案對比表

方案2的實施需要配套專用操作平臺，并且不易解決現場施工操作存在的安全問題。因此，經過安全技術論證，方案2不符合安全生產的要求，淘汰方案2，下面將對方案1和方案3進一步優選。

（2）漏失量模擬試驗

方案1由于油管中心與防污裝置中心存在距離差，油管向防污裝置移動過程中部分油水直接泄露到地面。對方案1和方案3進行漏失量模擬試驗，尋找漏失量較小的方案。

受油水井大四通、套管閘門、防噴器等結構的限制，油管中心與漏斗中心存在一定距離，通過查閱《井下作業技術手冊》，計算出油管與漏斗兩中心距最小值為85cm。模擬試驗方法：用200L膠皮桶模擬防污裝置，每噴提1根油管，根據噴提油管內徑和長度計算出管內總液量，測量出桶內的液量，二者差值即為濺灑在地面的漏失量。2009年2月4日，在ST1-2-35井進行了漏失量模擬試驗，并進行了數據統計和分析（表3）。

統計分析試驗結果，方案1在中心距85cm的情況下僅有不到20%的油水能通過漏斗回流到井筒，80%以上噴提液都直接排放到地面，無法徹底解決油水外排造成環境污染的問題，因此淘汰方案1。

通過以上對比分析，決定將方案3做為下步實施方案。

表3 噴提油管油水漏失量統計表

3 實施方案分解

根據方案3設計原理要求，對該方案進行了分解，主要為：滑塊卡瓦型體選擇、主體方案選擇、材質選擇和專用提升工具選擇。

（1）方案分解1：滑塊卡瓦型體選擇（圖4）

圖4 滑塊卡瓦型體選擇

小組成員提出了兩種方案：梯型滑塊、燕尾型滑塊。

對于兩種方案的選擇，進行了受力分析。由于內置式防污裝置整體設計參數未確定，無法計算其承受最大應力，但在承受同樣重量負荷情況下，受力面積越大，其承受應力越小，安全性能越高。通過計算可知，S燕尾＝1 558.6mm2＞S梯＝895.4mm2。因此，在同樣的受力狀態下，燕尾型體比梯型體承受應力要小，裝置安全系數高，最終確定滑塊型體為燕尾型。

（2）方案分解 2：主體方案選擇

由于滑塊卡瓦確定為燕尾型，防污裝置主體內軌道相應配套設計，必須滿足以下兩個條件：①上提油管時，油管能順利通過防污裝置；②下放油管時，防污裝置能起到油管吊卡的作用，承受井內全部油管重量，并保證安全可靠。

主體最小內徑、軌道錐度、滑塊卡瓦厚度3個關鍵技術參數決定“兩個滿足條件”，并且3個參數相互影響。防污裝置主體的參數大小決定噴提油管能否順利通過和能否承受井內油管重量，在防污裝置承受重量負荷和材質強度一定的情況下，受力面積越大，裝置所承受剪應力就越小，其安全性能就越高。小組成員結合現場實際，決定采用正交試驗進行優選參數。

正交試驗設計：①試驗目的。通過正交試驗，找出適合防污裝置主體的關鍵參數，達到滿足噴提油管能順利通過、安全性能最高的目的，保證其安全承受井內油管重量。②確定考察的指標。試驗中把防污裝置的受力面積作為考察指標。③確定因素，選水平，制定因素水平表。影響防污裝置受力面積的因子主要有主體最小內徑、軌道錐度、滑塊卡瓦厚度，它們之間相互影響和制約。根據因子的可能取值范圍，結合套管大四通、防噴器、油管技術參數，決定在本試驗中采用的因素位級（表4）。④設計實驗方案（表5）。⑤試驗結果的分析。

表4 因素位級表

表 5 L9（34）正交實驗表

·直接看

直接比較9個試驗結果，容易看出：第8號試驗的受力面積最大為1449.7mm2，說明防污裝置承受剪應力最小、安全性能最好，A2B3C2組合即主體最小內徑115mm、軌道錐度20°、滑塊卡瓦厚度60mm達到最優設計。

·算一算，比一比

首先對于各列，比較受力面積各位級之和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的大小。如因子A（主體最小內徑即第一列），Ⅱ比Ⅰ、Ⅲ都大，則占有第1列的因素的位級Ⅱ，受力面積通常比其它位級高，即主體最小內徑115mm；再如因子B（軌道錐度即第2列），Ⅲ比Ⅰ、Ⅱ都大，這表明了軌道錐度因素以位級Ⅲ為好，即軌道錐度 20°。

在本試驗中，第2列的R=2 350.2，極差最大，表明軌道錐度是重要因素；第1列的R=152.6，極差較大，表明主體最小內徑是二等重要因素；第3列R=75.2，極差較小，說明滑塊卡瓦厚度是次要因素。

通過試驗分析，滿足油管能正常通過防污裝置條件下，其受力面積最大、安全性能最高的主體設計方案為：軌道錐度20°、主體最小內徑115mm、滑塊卡瓦厚度60mm。

（3）方案分解 3：材質選擇（圖 5）

圖5 材質選擇

確定了防污裝置主體方案后，對加工材質進行了選擇，主要從鋼材強度、硬度和價格方面比較（表6）。

表6 材質對比評價表

石油天然氣行業標準SY/T 5035-2004《吊環、吊卡、吊鉗》規定：最大靜載荷≤150t時，要求吊卡安全系數達到3以上。由于防污裝置需要承受井內油管的重量，相當于油管吊卡的作用，對其進行強度校核。

·噴提油管最大負荷。勝坨油田油井泵掛深度在2 000m左右，假設井內全部為φ89mm油管，在不計算油管浮力的情況下，噴提油管施工作業時最大負荷計算為：

油管重量G1=2 000×136=272kN

管內液柱重量 G2=1.0×103×0.004 5×2 000×10=90kN

噴提油管的最大負荷Q=G1+G2=362kN

實際上，勝利采油廠油水井管柱為φ89mm和φ73油管組合，正常上提負荷不超過300kN，但理論強度校核仍按計算最大值362kN進行計算。

·防污裝置承受最大剪應力。防污裝置應力集中部位在3個滑塊卡與下壓蓋接合處，承受最大剪應力分別為：

式中 τmax—防污裝置承受的最大剪應力，MPa；

Q—噴提油管最大負荷，N；

S—燕尾型卡瓦受力面積，mm2。

防污裝置安全系數分別為：

·結論。通過以上校核計算可知，45#鋼和42CrMo 鋼均滿足 τmax最大＜[τ]許要求，但 45#鋼安全系數1.48＜3，達到不安全要求，而42CrMo鋼安全系數3.46＞3，滿足安全要求。因此，材質最終選擇42CrMo鋼材。

（4）方案分解4：專用提升工具選擇（圖6）

圖6 專用提升工具選擇

提升工具作用就是將防污裝置從套管大四通內取出，小組成員提出了兩種方案：掛鉤型和絲扣型，并進行了對比分析。

掛鉤型提升工具設計為底部帶彎鉤的拉桿，頂部為環形把手，人工用力鉤掛住防污裝置內部將其取出（圖7）。該方案的優點是結構簡單，其缺點為：當井內油管重量負荷較大時，防污裝置與大四通內壁卡緊，人工用力不易取出，同時也存在一定安全隱患。

絲扣型提升工具設計為底部帶公扣的提升筒，其扣型與防污裝置上壓蓋內螺紋扣型一致，上部可插入螺栓，利用修井機提升系統將防污裝置取出，可消除人工用力舉升存在的安全隱患（圖8）。

通過兩種方案的對比，決定采用絲扣型專用提升工具設計方案。

4 確定最佳方案

通過分析論證，2009年3月4日小組召開了全體會議，集體研究決定，最終確定了研制內置式噴提油管防污裝置的最佳方案（圖9）。

制定對策

制定對策如表7所示。

實施對策

1 防污裝置加工

勝利采油廠油水井管柱結構主要為φ89mm和φ73油管組合，因此要求防污裝置的規格必須與油管相配套。小組成員根據最佳方案要求，確定出防污裝置的主要技術參數，并完成了工具加工圖紙繪制。

表7 制定對策表

2009年3月12日至3月24日，小組成員與黃河石油機械廠結合，加工了防污裝置樣品（圖10）。

2 防污裝置強度檢測

防污裝置加工成功后，2009年4月3日在山東創佳石油機械制造有限公司進行強度校核，壓力最大值為500kN，承壓30min后裝置3個滑塊卡瓦和主體部分完好無損，完全滿足噴提油管負荷需要，達到設計標準要求。

3 現場試驗

作業27隊施工的NHT82-4X3井由于砂埋泵筒泄油器打不開導致噴提施工作業，2009年4月5日在該井進行了首次試驗，安裝防污裝置后，噴提油管過程中油水不再外排，使用效果較好。2009年4月5日至4月28日，應用該防污裝置進行噴提油管施工試驗11井次，未產生污染，取得了良好的應用效果（表 8）。

表8 內置式噴提油管防污裝置現場試驗情況統計表

效果確認

1 目標值檢查

防污裝置應用后，2009年5～12月份修井作業無污染率為：（1 414-15）/1 414×100%＝98.9%，實現了小組的活動目標（表9）。

2 經濟效益

（1）節約環保費用。2009年應用防污裝置后噴提油管施工未產生地面污染的共計：155＋11-15＝151井次，較2008年噴提油管作業平均單井環保費用0.98萬元計算，可節約環保費用：F1＝151×0.98=147.9萬元。

（2）成本支出。防污裝置加工共30套，每套成本0.7萬元，檢測費用0.1萬元，則活動成本：F2=加工費＋檢測費用＝0.7×30+0.1×30=24 萬元。

因此，本次活動取得直接經濟效益：F=F1－F2=147.9-24=123.9萬元。

3 社會效益

（1）解決了噴提油管油水外排污染環境的問題，實現了清潔生產，有效保護了生態環境。

表9 2009年5～12月份噴提油管施工污染井次統計表

（2）改善了一線工人噴提油管施工的勞動條件，消除了施工安全隱患，實現了安全高效作業。

（3）內置式噴提油管防污裝置的設計成功，創造性地解決了噴提油管防污染技術瓶頸，該項防污染技術在油田作業系統具有較高的推廣應用價值。

標準化

制定了作業大隊QHSE/SCZY-26-015《內置式噴提油管防污裝置操作規程》，并上報勝利采油廠技術監督科審批。同時，對作業大隊職工進行技術培訓，在勝利采油廠作業范圍內推廣應用。

總結及下步打算

內置式噴提油管防污裝置的成功研制和推廣應用，解決了噴提油管油水外排污染環境的問題，改善了一線作業工人勞動的勞動條件，收到了預期效果。同時，鍛煉了小組成員運用QC活動解決生產實際問題的能力，提高了小組成員的技術攻關能力和質量管理水平。今后我們將進一步開展QC小組活動，在工作中積極創新，下次我們將選擇《提高地層充填防砂一次成功率》為活動課題進行技術攻關。

??萍

2010-07-08