提拉式泄油裝置的研制與應用

梁猛 （大慶油田有限責任公司第六采油廠）

提拉式泄油裝置的研制與應用

梁猛 （大慶油田有限責任公司第六采油廠）

針對抽油機井作業起管柱過程中油管內井液外溢產生的環境污染問題，研制了提拉式泄油裝置。裝置由提拉式泄油器與旋轉式管柱錨定裝置共同構成，一次作業下完井管柱時將泄油器安裝在泵上，錨定裝置安裝在泵下，通過旋轉油管使管柱錨定裝置坐封；二次作業起管柱時，上提管柱，泄油器與錨定裝置依次解封，泄油器泄油孔漏出，使油套環空連通，實現泄油功能。室內實驗與現場試驗表明：泄油器承壓性良好，不給油井正常生產增加隱患，錨定裝置與泄油器解封性能可靠，能夠成功實現泄油功能，并保障作業順利進行。

抽油機井；泄油器；油管錨；參數設計；檢測

2015年，隨著新環保法的頒布實施，給油井清潔作業生產提出了更高的要求。針對抽油機井作業起管柱過程中油管內井液外溢產生的環境污染問題，目前在用的油管泄油技術主要為泵下泄油閥[1]，安裝在抽油泵的固定閥與游動閥之間，維修作業時，起出原井桿柱及柱塞后，從油管內投下撞擊棒砸開泄油閥芯實現油套環空連通，達到泄油目的。但對于桿斷或卡泵井，由于柱塞不能起出，撞擊棒無法投下，導致泄油技術失敗，而大慶油田采油六廠抽油機井桿斷及卡泵檢泵占比已高達60.0%以上。因此，需開展新的油管泄油工藝技術研究，在常規泄油技術基礎上，滿足桿斷及卡泵井泄油需要。

1 泄油裝置結構

設計的泄油裝置由泄油器和旋轉式油管錨定裝置組成，共同作用發揮泄油功能，其中泄油器安裝在泵上，油管錨安裝在泵下。

1.1泄油器結構設計

泄油器由上主體、外筒、內筒、剪釘和密封膠圈等部件組成（圖1）。

圖1 泄油器結構

1.2油管錨結構

管柱錨定裝置是在常規旋轉油管錨[2]基礎上所做的技術改進，由上接頭、下接頭、中心管、錐體、錨牙、箍環、磨擦塊、固筒穩釘、螺母筒、螺桿筒、剪釘和大小彈簧等部件組成，由中心管將其余各部件串成一體；其中，螺桿筒以剪釘固定在中心管上，螺母筒和下錐體以穩釘固接在一起，下錐體上鑲有磨擦塊（圖2）。

圖2 管柱錨定裝置結構

由于旋轉錨存在中途坐封的缺點，對于安裝泄油器的管柱，中途坐封活動管柱時，易拉斷泄油器銷釘，導致作業失敗。為降低中途坐封概率，在坐封工藝結構上進行了改進，即將常規坐封圈數由8圈增加到15圈，通過增加背鉗跑空余量降低中途坐封概率。

2 泄油裝置工作原理

一次作業下完井管柱時，將泄油器安裝在泵上，管柱錨定裝置安裝在泵下，下完井管柱后，按油管上扣方向旋轉油管，油管錨的螺桿筒與螺母筒產生相對運動，螺母筒上升，下錐體推動錨牙徑向撐開，擠壓在井壁上，錨定裝置坐封；二次作業起原井管柱時，上提管柱，上提力大于泄油器銷釘最大剪切力時，泄油器銷釘剪斷，泄油孔漏出，達到泄油目的。當泄油器下主體臺階落到限位環上時，泄油器下方管柱開始上行，當作用在錨定裝置上的上提力大于油管錨銷釘最大剪切力時，錨定裝置銷釘剪斷，縱向擠壓錨牙力消除,錨牙收回解封（圖3）。

圖3 泄油原理示意圖

3 參數設計與計算

3.1泄油器上提解封力

泄油器的解封力即銷釘的最大抗剪力，泄油器在油井生產時受到3種力作用：下方工具自重產生的拉力；舉升液體時管柱伸長產生的拉力；交變載荷產生的交替變化的拉力與壓力。3種力均為徑向力，由于泵下安裝了油管錨，均作用在錨牙上，作用在銷釘上的力忽略不計。但在作業下完井管柱或應用作業機下管柱時，易出現急放急停情況。急放的極端狀態是全井管柱處于自由落體狀態（此處忽略井液浮力和油管與套管之間的摩擦力）。作業機剎車時，作用在泄油器銷釘上的力，即其下方井下工具產生的慣性力，根據自由落體物理公式，即

式中：L——單根油管長度，按10 m計；

g——重力加速度，m/s2；

t——單根油管下放時間，s；

v——單根油管下放最大速度，m/s；

計算出油管下至井口時的速度為13.9 m/s。

根據沖量定理，即

式中：m——泄油器下方泵、錨、篩管和尾管等井下工具質量，kg；

△t——單根油管從最大速度到靜止所需的時間，s；

F——銷釘所承受的徑向最大剪切力，N。

由公式（3）可知，如果△t足夠小，動量向沖量轉化過程中，可產生很大沖擊力，使泄油器銷釘剪斷。因此，在下完井管柱時，要求作業機操作工嚴禁出現急放急停的操作，為確保下井過程中不出現泄油器銷釘提前剪斷造成泄油器提前解封情況，對泄油器銷釘剪切力進行了設計與計算。

泄油器下方泵、錨、篩管和尾管等井下工具質量按500 kg計算，△t按0.2 s計算。泄油器銷釘能承受35 kN以上的力即可避免出現提前解封情況，因此，設計泄油器銷釘剪斷力為（50±5） kN。

3.2油管錨上提解封力

理論上,油管錨上提解封力越大，保證泄油器先于油管錨解封的安全系數越高，但錨的解封力越大，拔脫油管概率越高；因此，應科學設計油管錨上提解封力。

廠抽油機井平均泵深按1000 m計，對使用φ 88.9 mm油管的采油井，全井油管質量13.7 t，上提油管最大載荷為135 kN。同時考慮全井抽油桿起不出來的特殊情況，需額外增加40 kN左右的桿柱載荷。常規作業提升設備的額定提升力為360 kN，油管錨上提解封力設計上限為185 kN。綜合考慮泄油器解封力，設計配套錨上提解封力為（80±5）kN，與泄油器銷釘剪切力最小差值為20 kN，最大差值為50 kN，可保證泄油器解封在前，配套錨定裝置解封在后。此時，上提總載荷的極限值為255 kN（φ88.9 mm油管管柱自重+桿柱自重+錨解封力），給提升設備留有100 kN的安全余地。

3.3泄油器密封承壓能力

泄油器密封承壓能力必須大于油井生產過程中可能發生的最高壓力。廠平均泵深1000 m左右，假設油井含水率100.0%，在動液面抽至泵吸入口的極限情況下，由液柱產生的管內外壓差為10 MPa；憋泵診斷泵況時井口最高壓力可達6 MPa，此時，油管內外極限壓差為16 MPa。

泄油器內腔上環形凈承壓面積為25.5 cm2，在油管錨定的條件下，內壓對泄油器向下的壓力由錨來承受，內壓對泄油器只有作用在環面積上的壓力。因此，對泄油器環面設計的承壓能力為20 MPa，可保證油井在正常生產及憋壓診斷泵況時的承壓需要，密封膠圈應使用市售抗壓24 MPa級承壓膠圈。

3.4泄油孔徑

泄油孔的過流面積設計，應滿足在起單根油管并在卸扣前，油管內井液能順利流出，即在1根油管的液柱高差下，起1根油管的時間內（包括卸扣的時間），該根油管內的井液經泄油孔全部流出。由于油井作業前均采取洗井措施，井筒內充滿了洗井液，洗井液為泵站污水，在流動性上與清水介質較為接近；因此，以下計算按清水介質進行推導。根據水力學相關知識對泄油孔過流面積進行推導，得如下積分式：

式中：h——油管內液柱高度，m；

t——泄油時間，s；

d——泄油孔直徑，m。

設計6個φ22 mm泄油孔，單孔過流面積3.8 cm2，6個孔過流面積之和為22.8 cm2。而φ88.9 mm油管的橫截面積為45.3 cm2，兩者過流面積比為50.3%。單根油管按9.0 m計，對卸掉單根油管內井液所需時間進行積分計算，t為6.8 s。由作業現場經驗可知：起油管平均用時120 s/根，泄油用時遠低于起管時間，滿足現場泄油需要。

4 室內檢測與現場試驗情況

4.1室內檢測

將設計的泄油裝置送到中國石油天然氣股份有限公司采油工程產品質量監督檢驗中心進行檢測，檢測結果（表1）表明，各項指標均滿足設計要求。

表1 采油井泵上泄油裝置室內檢測情況

4.2現場試驗

目前已在采油六廠3口抽油機井上進行了現場試驗。其中，1口試驗井（L11-AS2401）試驗表明，泄油器成功將井液泄流到井筒內，有效避免了井液外溢產生的環境污染問題。

5 結論

1）研制的泄油器與常規泄油技術相比，解決了桿斷及卡泵作業井泄油的問題，拓寬了適應性，滿足采油六廠檢泵需要。

2）設計泄油器的泄油孔徑可滿足油井在作業時實現快速泄油的要求。

3）設計的泄油器具有較好的密封承壓性能，適應油井各種工況的需要。

4）錨定裝置與泄油器解封性能可靠，解封力設計科學，能夠保障作業順利進行。

5）改進油管錨參數，降低中途坐封概率。

[1]關天勢，楊書會，馬強.抽油泵泄油閥的現場試驗應用[J].石油石化節能，2014（4）：7-8.

[2]曲占慶，王在強，潘宏文，等.油管錨工藝的應用分析[J].石油礦場機械，2006，35（1）：81-83．

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.10.021

2016-03-21

（編輯 王艷）

梁猛，工程師，2008年畢業于東北石油大學（化學工程與工藝），從事采油工程舉升設備管理及舉升技術配套攻關工作，E-mail：dqliangmeng@petrochina.com.cn，地址：黑龍江省大慶市大慶油田有限責任公司第六采油廠工程技術大隊，163000。