KX341-115型洗井器結構分析與現場試驗

張 軍,韓兵奇,高棟梁,王發元

(中國石油大學機電裝備教學實習總廠,山東東營,257061)

KX341-115型洗井器結構分析與現場試驗

張 軍,韓兵奇,高棟梁,王發元

(中國石油大學機電裝備教學實習總廠,山東東營,257061)

為驗證 KX341-115型洗井器設計的合理性,利用流體力學原理對其結構進行了分析,證明該洗井器各機構動作正常,結構合理。坐封時只壓縮膠筒而不會剪斷安全銷釘,待泵壓過高時,過載保護和卸油機構可及時動作,打開泄油口卸壓,以保護地面泵。為了確保該洗井器的使用性能,在勝利油田勝利采油廠進行了現場試驗,結果表明,該洗井器在正常生產時不影響動液面的上返和測試,可實現無漏安全洗井,效果顯著。

洗井器;坐封;防漏;過載保護

Abstract:A washover unit is one of important tools in clean out operation,and the structure of the unit has been analyzed by the theory of fluid dynamics to verify it rational.The result proves that every mechanism of the washover unit works well with a perfect structure,and the safety pins can’t be clipped in setting down,the overload protection and the oil drainage unit can act in time,and open the drain hole to protect the pump when the pressure of the pump is high.To ensure the operating performance of the washover unit,a FT has been run in Shengli production factory,Shengli oil field,which proves that the unit doesn’t affect the well test and the returning fluid,and can wash over safely and full return.The effect of flushing is obvious very much.

Key words:washover units;set down;leak protection;overload protection

為了清除有桿抽油井中泵筒、閥及油套管壁上的結蠟、結垢和結鹽等雜物,增大油流滲透力,提高泵效,降低負荷,延長油井的生產周期,油田經常采用定期或不定期熱洗工藝。洗井器是洗井工藝中的重要工具,用于洗井時封隔油層,防止洗井液倒灌入油層、壓迫油層、污染地層環境[1]。為保證洗井作業的順利進行,洗井器必須具有有效封隔油層、防止洗井液漏失、保護地面設備等功能。

1 工作原理[2]

洗井器(如圖1)是通過流體壓差和工具自鎖坐封,靠密封膠筒徑向脹開密封油套環空,由中心管和閥球組成的止回閥限制流體單向流動,防止洗井液漏入地層。當洗井壓力過高時,可在流體壓力作用下剪斷安全銷釘,保護地面泵。

坐封時,從地面憋壓,高壓流體經油管柱、洗井器上接頭的徑向各孔流入油套環空。由于防砂皮碗外徑略大于套管內徑,靠其自身彈性與套管內壁作用形成密封。作用在防砂皮碗上端面上的流體,給防砂皮碗以向下的作用力,當泵壓達到一定值時,坐封銷釘被剪斷,防砂皮碗推動卸油滑套和鎖環擋帽、鎖環座并帶動鎖環下移,壓縮密封膠筒使其徑向脹開密封油套環空,同時鎖環的內鋸齒牙正好卡在中心管的外鋸齒牙上,防止膠筒回彈,實現坐封。

正常生產時,油井產液經砂錨、尾管、洗井器中心管、止回閥進入抽油泵及以上的油套管環形空間,經抽油泵抽汲后排至地面管匯。

洗井時,洗井液由油管進入,經洗井器上接頭的徑向各孔流入油套管環形空間,再返回地面,實現正循環洗井。當洗井壓力過高時,下擋套上的安全銷釘被剪斷,密封膠筒回縮、下移。同時,在上部壓力作用下,防砂皮碗推動卸油滑套下移,開啟中心管上的泄油孔,使泵壓下降,達到保護地面泵的目的。

油井摻液加藥時,當摻液壓力低于動液面開啟止回閥的壓力時,閥球在沉沒壓力的作用下上移,止回閥打開,產液將源源不斷地進入洗井裝置以上的空間;當摻液壓力高于動液面開啟止回閥壓力時,止回閥關閉,阻止藥液漏入地層。

油井檢泵作業時,上提油管,連接在泵下的洗井器一起隨油管上提,此時由于密封膠筒在套管摩擦力和工具上部貯存的液體壓力共同作用下相對洗井器中心管下移,將安全銷釘剪斷。繼續上提油管,洗井器上的泄油滑套相對中心管下移,使泄油孔敞開泄油,實現檢泵作業時井液不污染井場。

圖1 KX341-115型洗井器

2 結構分析

洗井器包括坐封機構、止回閥、過載保護和卸油機構3部分,主要由上接頭、閥球、防砂皮碗、密封膠筒、坐封銷釘、安全銷釘、O形圈、中心管和下接頭等部件組成。

2.1 坐封機構

坐封機構主要由防砂皮碗、卸油滑套、鎖環擋帽、鎖環、鎖環座、坐封銷釘、密封膠筒、隔環等部件組成。防砂皮碗內設環形空腔,形似碗狀,安裝于上接頭徑向各出液孔的下方,以備正常生產時沉砂之用,待洗井時,再將沉砂沖出井筒,對出砂油井起到防砂的作用。防砂皮碗外徑略大于套管內徑,下井后,靠自身彈性與套管內壁作用形成密封,用于工具坐封,一次性使用,屬易損件。防砂皮碗下方安裝有鎖環座,由3個坐封銷釘與中心管固定,且其內部配有鎖環,保證了工具順利下井,不坐封,且一旦坐封就由鎖環與中心管鋸齒牙咬合,防止膠筒回縮。密封膠筒安裝在鎖環座和下擋套之間,由坐封銷釘和安全銷釘控制其密封狀態,是封隔油層的主要密封件。

坐封時,從地面憋壓,高壓流體經油管柱、洗井器上接頭的徑向各孔流入油套環空,作用在防砂皮碗上端面上。由于是憋泵坐封,流體基本趨于靜止,作用在防砂皮碗上端面上的流體壓力為泵壓和靜液柱壓力。

當作用在坐封銷釘上的剪切應力大于坐封銷釘的許用剪切應力[τ]時,坐封銷釘被剪斷,防砂皮碗下行,密封膠筒被壓縮而徑向脹開,密封油套環空。此時,防砂皮碗以下密封空間井液被壓縮,由于液體具有不可壓縮性而使井液產生瞬時高壓,對下擋套施加向上的作用力,以平衡密封膠筒對其向下的壓力,保證安全銷釘不剪斷,密封膠筒平穩坐封。然后,井液經止回閥流入上接頭,壓力慢慢降低至初始值。

2.2 止回閥[3]

止回閥主要由閥球和中心管組成,是洗井器的關鍵技術。用于限制流體單向流動,保持密封膠筒以下井液壓力不大于洗井或坐封壓力,保證油井正常生產,避免洗井加藥時污染油層,并為坐封和過載保護機構提供保證。為確保閥球與密封面的良好密封,錐形密封面采用表面淬火處理,各部件采用鍍NiP處理。

2.3 過載保護和卸油機構

過載保護和卸油機構主要由卸油滑套、O形圈、安全銷釘等部件組成。安全銷釘安裝在密封膠筒的下方,承載著密封膠筒以上流體的作用力。一旦流體壓力過高,即可剪斷安全銷釘,對地面設備進行保護。檢泵作業或管柱遇卡時,上提管柱,在防砂皮碗和密封膠筒與套管內壁摩擦力的作用下,中心管相對卸油滑套上行,打開中心管上的卸油孔,即可將井液泄入井內,防止井液污染井場。

洗井時,流體對密封件的作用力不僅有流體的靜液柱壓力,還有由于流體動量的變化對密封件產生的反作用力。

根據流體力學知識,對油套環空防砂皮碗以上流體列流體動量方程,有

式中,p為防砂皮碗處流體壓力,Pa;Fy為流體對密封件的作用力,N;v為流體速度,m/s;A為防砂皮碗處油套環空面積,m2;ρ為流體密度,kg/m3;Q為流體流量,m3/s。

防砂皮碗處流體壓力為

式中,∑Δp為流體壓力損失,Pa;p0為泵壓,Pa。

流體速度為

聯立式(1)～(3),得

密封件與套管內壁的摩擦力[4]為

式中,μ為摩擦因數為預加過盈壓力,Pa;d為防砂皮碗外徑,m。

作用在安全銷釘上的作用力為

通常,流體壓力損失∑Δp與泵壓p0相比甚小,可忽略。因此,由式(6)可知,在工具下井深度、油套管環空截面積和洗井泵流量一定的情況下,作用在安全銷釘上的作用力僅與洗井泵壓力有關。當泵壓升高,使作用在安全銷釘上的剪切應力大于許用剪切應力[τ]時,安全銷釘被剪斷,洗井壓力突降,對地面設備進行保護。

3 現場試驗

為了測試洗井器各機構的性能,先后在勝利油田勝利采油廠的4口井進行了現場試驗。

a) STT123-21井 泵掛深度1 400 m,生產層位砂四3(9-10),生產管柱為全井生產。2004-10-26上修新井投產作業,預計日產液量15 t,日產油量10.5 t,含水30%,含水較低,粘度較大,需要定期洗井維護。2004-10-27,根據設計要求下入該工具,上提下放管柱指重顯示無卡阻。從地面憋壓坐封,泵壓為10 MPa,停泵10 min后壓降為0,密封良好。

b) STT143-21井 泵掛深度2 300 m,生產管柱為全井生產。2005-05-24上修檢泵作業,預計日產液量10.6 t,日產油量5.3 t,含水50.2%,動液面1 412.3 m,泵掛較深,含水較低,粘度較大,地層能量較低,需要定期洗井維護。2005-05-26,根據設計要求下入洗井器,反洗井顯示最高泵壓3 MPa,循環正常,用水45 m3,全部返出。

c) YAA42-14井 泵掛1 650 m,管桿結蠟嚴重,需加裝洗井裝置,定期維護。2006-02-25下入該工具,26日試抽正常,交井生產。日產液量7.8 t,日產油量1.8 t,含水77%,電流40～25 A。2006-03-05,由于產液量降低,對該井進行洗井維護,用脫油污水60 m3,反循環洗井,泵壓6 MPa。洗后產液量19.2 t,產油量3.8 t,含水80%,電流21～24 A,效果良好。

d) YAA42-11井 泵掛2 200 m,生產管柱為全井生產,預計日產液量14.3 t,日產油量4.3 t,含水71.3%,含鹽量大,易結垢,需下入洗井裝置,定期維護。2007-08-13下入該工具,從地面憋壓坐封,泵壓顯示為9.6 MPa,停泵10 min,泵壓降為0。14日試抽正常,交井生產。2008-01-08,由于產液量低,對該井進行洗井維護,正洗井,泵壓3 MPa。由于井下局部堵塞,洗井泵壓力升至8 MPa時,安全銷釘被剪斷,泵壓突然下降,對地面設備保護良好。

4 特點

a) 洗井器安裝時無需專用工具錨定,下到預定位置后靠液體壓力即可自行錨定。

b) 無需管柱壓重坐封,避免了泵上油管柱彎曲而引起管桿偏磨。

c) 采用坐封機構雙密封結構,保證在防砂皮碗與套管內壁摩擦失效后,靠密封膠筒仍能正常密封油層,防止洗井液漏失。

d) 正常生產時,洗井器不影響動液面的上返和測試。

e) 洗井或摻液時可有效防止漏失。

f) 檢泵作業或管柱遇卡時,上提管柱即可將抽油泵以上的井液泄入井內,防止井液污染井場。

g) 該工具能消除管柱長期蠕動對密封件的磨損,使用壽命長,性能穩定。

5 結語

洗井器是洗井工藝中的重要工具,為了達到洗井沖砂的目的,必須保證洗井器的良好密封性能,防止油層污染及壓力過高時壓壞地層。同時,要有超壓保護功能,對地面設備進行保護,降低作業成本,提高經濟效益。現場試驗表明,KX341-115型洗井器可實現無漏安全洗井,洗井效果明顯,值得大量推廣使用。

[1] 國建軍,趙玉華.特種抽油泵及常用井下工具手冊[K].北京:石油工業出版社,2002.

[2] 張 軍,韓兵奇,高棟梁.KX341-115型擴張式安全防漏洗井器的研制[J].石油礦場機械,2008,37(11):87-89.

[3] 楊源泉.閥門設計手冊[K].北京:機械工業出版社,1992.

[4] 沃森 R H.密封件與密封手冊[K].北京:國防工業出版社,1990.

Structural Analysis and FT of KX341-115 Washover Units

ZHANG Jun,HAN Bing-qi,GAO Dong-liang,WANG Fa-yuan
(Mechanical&Electrical Equipment Factory,China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

TE925

A

1001-3482(2010)08-0084-04

2010-01-26

張 軍(1965-),男,山東東營人,工程師,從事石油機械產品的設計工作,E-mail:hanbq@chinaacc.com。