FZDR56-21型多功能抽油光桿密封器研制

蒙永立

（新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

FZDR56-21型多功能抽油光桿密封器研制

蒙永立

（新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依834000）

多功能光桿密封器是超稠油熱采井口裝置的重要部件，具有現場帶壓更換抽油光桿的功能，還可對膠芯進行定期更換，實現快速更換光桿密封盤根的目的。為了優(yōu)化結構，采用Pro／E三維軟件進行實體建模，并對其進行三維應力、應變校核。該產品的應用解決了后期抽油光桿帶壓更換的難題，為稠油熱采井日常生產、作業(yè)提供技術支撐。

光桿；密封；設計

抽油光桿是機械采油重要的組成部分，光桿盤根是光桿運動時密封盒與油井連接的動密封件。SAGD生產井轉抽作業(yè)后，隨著井口設備的長期運行，盤根盒［1］泄漏越來越嚴重，盤根更換也越來越頻繁，分析其主要原因是光桿的不斷磨損。另外，目前更換抽油盤根盒內盤根，主要依靠下部注脂盤根盒注脂密封以后方可作業(yè)，每次作業(yè)耗時較長，并且地面注脂壓力較大，注脂軟管存在安全風險；固態(tài)高溫密封脂在光桿起抽后漏失到井筒，經常造成卡泵等故障。目前，更換盤根只有上修井措施或注脂才可實施，不僅費用高，而且需要壓井作業(yè)，對形成的氣腔及地層連通造成破壞，不利于稠油熱采工藝。根據目前帶壓修井發(fā)展方向的要求，配套設備和工藝要滿足帶壓作業(yè)的功能，需要隨時更換盤根密封件，因此研究設計了FZDR56-21型多功能光桿密封器。

1　結構原理

熱采多功能光桿密封器及井口組成結構如圖1所示，包括上部盤根盒、高溫膠皮閘門［2］、高溫注脂密封機構、工作柱塞桿及配合工作筒等。盤根盒可實現正常抽油過程中光桿的動密封；上部盤根盒盤根在抽油光桿上下往復運動過程中不可避免的磨損，需要定期更換以保證密封可靠，此時可關閉中間膠皮閘門更換盤根；同時光桿也存在一定的磨損需要更換時，上提光桿，光桿接箍進入盤根盒下腔上限位處，關閉膠皮閘門密封工作光桿，拆卸上部螺紋連接法蘭和盤根盒，進行光桿的更換工作。此時，工作柱塞上行進入工作筒，對注脂閥注脂密封可實現更換膠皮閘門閥芯膠件。此工藝涉及了盤根動密封、半封閘板密封及高溫注脂密封，多種密封組合的使用實現了多種作業(yè)工藝。

圖1　熱采抽油井口裝置組成

2　技術參數

對現場工況進行調查后確定設計參數［3］，如表1。

表1　FZDR56-21型多功能抽油光桿密封器設計參數

3　結構組合優(yōu)化設計

根據圖1的結構及工藝需要，考慮到現場作業(yè)高度和產品的整體性要求，對產品進行了結構組合優(yōu)化設計，即將注脂盤根盒、工作筒、閘板密封器設計為一體，在具備各項功能的前提下降低產品的高度（如圖2）。

1） 上提抽油光桿，當最上端光桿接箍進入盤根盒下接頭內腔，到達上限位時工作柱塞進入工作筒，柱塞、O形圈及工作筒配合實現密封后，拆卸盤根盒，更換光桿。

2） 如果O形圈密封失效，可以關閉閘板密封器實現閘板密封，拆卸盤根盒，更換光桿。

3） 通過注脂閥注脂密封，可更換耐高溫膠皮閘門閥芯。

4） 同時，在正常生產中盤根磨損需更換時，關閉耐高溫膠皮閘門就可對上部盤根盒內的密封件進行更換。

圖2　多功能光桿密封器

4　關鍵技術

1） 通過工作柱塞和高溫膠皮閘門膠芯的配合工作，實現帶壓更換抽油光桿。

2） 關閉高溫膠皮閘門膠芯，拆卸上部盤根盒，實現快速更換抽油盤根。

3） 通過上提工作柱塞，注脂槽和注脂閥的配合，在注脂閥處注高溫密封脂，可實現對閘板密封器閘板膠芯的更換。

4） 多種功能的一體化設計，有效地降低了產品高度，提高了作業(yè)效率，節(jié)約了作業(yè)費用。

5） 多級密封互相配合作業(yè)，確保了作業(yè)的安全可靠性。

5　關鍵部件的三維建模及強度校核

5.1主殼體的三維建模及定義

利用Pro／Engineer軟件的拉伸、旋轉、拔模和剪切等方法，對零部件進行三維實體幾何建模（如圖3）。其主體由長方體和多個圓柱體對稱相貫形成，左右為對稱法蘭結構，上部為圓孔螺紋連接，下部為法蘭連接。

圖3　主殼體有限元模型

完成三維實體建立后，還要根據所設計的力學性能指定材料的物理屬性，載荷單位等。

材料選用30Cr Mo，鍛造成型，力學性能符合ISO 10423標準中60K材料的要求，工作溫度為-29～337℃，彈性模量為205GPa，泊松比為0.29。

5.2條件約束及載荷施加

考慮現場實際約束條件以及實體的對稱性，取實體的1／4作為模擬試驗對象，在對稱平面施加x 和y方向約束，在底法蘭墊環(huán)接觸面處施加軸向z方向位移約束和x、y方向的旋轉約束。

在有限元結構線性分析中，利用軟件中的Auto GEM（自動網格劃分器）工具將模型自動劃分為四面體有限元網格單元。

主要承受的載荷有壓力載荷、螺栓載荷、墊環(huán)載荷。其額定工作壓力即為設計壓力21 MPa，施加在六通內表面。端部連接的外部軸向載荷詳見各端部的應力分析邊界條件，壓力載荷為介質接觸表面的均布載荷，螺栓載荷為沿分度圓螺栓孔上的均布載荷。

法蘭螺栓孔部位螺栓拉力以及鋼圈槽處鋼圈對閥體的壓力具體數據見閥體及法蘭應力邊界分析條件計算［5］。

由閥門設計計算手冊知，鋼圈在操作狀態(tài)下需要的最小壓緊力為：

最小螺栓載荷按式（2）計算：

式中：Dg為鋼圈壓緊力作用中徑；b為鋼圈有效密封面寬度，b=ω／8，ω為密封環(huán)寬度，按設計取值；m為墊片系數，按手冊取m=5．5；p為最高試驗壓力。

5.3分析計算及結果

通過有限元分析，得到主殼體等效應力云圖［4］，如圖4所示。結果表明，六通內最大應力為264.8 MPa，出現在內表面圓筒相貫處。依據ISO 10423《井口裝置和采油樹》中4.3.3.3的變形能理論判定準則SE≤SY，其強度是安全的。

圖4　主殼體三維應力云圖

6　室內試驗及現場應用情況

在室內對產品進行了強度和密封性能試驗［2］，并且進行了換光桿作業(yè)模擬操作。數據如表2和圖1，達到設計要求。

2014-09-26，在SAGD試驗區(qū)FHW106P井成功安裝了FZDR56-21型多功能光桿密封器。在現場對作業(yè)區(qū)管理人員進行了技術指導，并且進行了模擬更換光桿試驗。后期進行了多次更換盤根試驗，大幅減少了現場作業(yè)人員的工作量，提高了安全性，節(jié)省了更換盤根的作業(yè)時間（由原來的1 h縮短到15 min），作業(yè)區(qū)對產品各項性能評價良好。

表2　多功能光桿密封器試驗數據

圖5　多功能光桿密封器密封性能試驗曲線

7　結論

1） 經過廠內及現場試驗驗證，開發(fā)的多功能光桿密封裝置滿足生產井帶壓更換抽油光桿工藝的要求，為后期帶壓更換抽油光桿和快速更換盤根作業(yè)提供了設備支撐，實現超稠油SAGD生產井帶壓更換磨損的盤根和光桿。

2） 隨著新疆稠油開發(fā)力度的加大及帶壓作業(yè)的迫切需求，該裝置將有更為廣闊的市場前景。

3） 繼續(xù)調研和攻關高溫彈性體密封件材料和性能，完善產品的結構，使其能滿足超稠油多種熱力采油的工況。

［1］郭立曉伍開松袁新生，等.抽油桿盤根密封機理研究［J］.石油礦場機械，2008，37（3）：29-32.

［2］ISO10423，井口裝置和采油樹［S］.北京：中國標準出版社，2013.

［3］王排營，單海榮，劉志強，等.SFHTGW6-14型手動抽油桿防噴器［J］.石油機械，2009，37（11）：55-56.

［4］鐘小敏，戚新海，汪建華，等.井口裝置承壓本體有限元計算與討論［J］.石油礦場機械，1994，23（4）：37-39.

Development of FZDR56-21 Type Multi-function Smooth Rod Sealing Device

MENG Yongli
（Engineering Technology Research Institure，Xinjiang Oilfield Company，CNPC，Karamay 834000，China ）

The multi-function smooth rod sealing device is an important component of super heavy oil thermal recovery wellhead device，its design and application solves the field replacing with pressure pumping rod function，can also carry out regular replacement of the rubber core，realize the quick replacement of pumping oil pan root purpose.The whole design using Pro／E 3D soft-ware for solid modeling，and carries on the three dimensional analysis of the stress，strain and check.The application of the product solves the problem of the late sucker rod column operation under pressure，as with pressure workover provides equipment support.

polished rod；sealing；design

TE933.203

B

10.3969／j.issn.1001-3482.2015.11.016

1001-3482（2015）11-0066-04