可拆裝式油套連通器的設計及力學分析

趙黎明，蔣海巖，田相雷，袁士寶，劉　召

在地層深處高溫高壓的環境下油層中大量的天然氣溶解在原油中，隨著石油開采工作的進行，由于壓力的不斷降低，這些溶解的天然氣不斷膨脹，逐漸從原油中分離出來，一部分氣體隨著原油流入油管，隨原油一起被抽出井筒；另一部分氣體進入套管，稱為套管氣[1-3]。套管氣較多但達不到一定產量規模、不足以正常回收的油井，需要定期放空以防止井下抽油泵出現氣鎖；油井修井作業是油水井日常管理中必不可少的環節，為了作業的安全，在作業前都要排放套管氣，既造成了極大的資源浪費又污染了環境，還存在安全隱患，增加了管理難度。有必要提供一種解決方案，將少量的油井套管氣及時回收，避免不必要的浪費[4-6]。

在油井生產過程中，隨著壓力的不斷降低原油中的溶解氣不斷分離出來，當套壓太高時，氣體進入油管內，抽油泵泵效嚴重降低，并且可能發生氣鎖。所以在套管氣量較大時，需要排放掉部分套管氣，降低套管內壓力，避免氣體進入抽油泵內[7]。

套管氣的排放最快捷的方法就是直接將套管氣排放到空氣中，但是隨著節約資源意識的不斷提高，進入套管中的溶解氣回收利用已經開始受到各個油田生產單位的普遍關注。目前套管氣的回收利用方法主要有利用單向閥回收套管氣，利用移動式套管回收裝置收集套管氣，利用套管氣對抽油機舉升助流以及直接排放到空氣中等方式。移動式套管氣回收裝置和套管氣舉升助流回收方式適用于氣量高的生產井，井口存在一定的套壓，對于修井作業仍有較大的影響，直接排放到空氣中的方式適用于套管氣量很小，沒有回收價值的生產井，而且會污染環境[8-14]。

雖然各種套管氣的回收方法各有特點，而且也取得了較好的效果，但是對于生產時間較長的油井，油藏壓力低，分離出的溶解氣氣量少，以上的套管氣回收方式并不能得到很好的應用，回收效果不理想，經濟效益低。基于套管氣回收方式的不足，設計出了適用于生產時間較長的抽油井套管氣的回收裝置，該裝置可以自由拆卸安裝，方便快捷，結構簡單，經濟效益較高。

1　可拆裝油套連通器設計原理

可拆裝油套連通器根據單向閥及受力平衡原理，可以應用于套管氣量較多的油井回收套管氣，特別是油井修井作業（如熱洗）時能夠將套管氣及時回收，減少對環境的污染。

1.1　構造設計

可拆裝式油套連通器連接管的兩端可以分別通過套管快速接頭與油管閥門和套管放空閥門連接，連接管上設置有單向閥，可以借助套管氣的動力加速地面管線內液體的流動。所設計的可拆裝油套連通器主要由套管快速接頭和油管快速接頭、閘門、單向閥、除雜螺絲，以及金屬柔性連接管組成。裝置基本結構如圖1所示：

圖1　裝置結構示意圖

其中，主要構件的設計與功能如下：①套管快速接頭是使油套連通器的一端與套管快速連接起來；②閘門是控制套管氣的流動，當閘門打開時，套管氣可以通過閘門和單向閥流入油管，當閘門關閉時，套管氣不能進入油管；③單向閥是在一定壓力下只允許套管氣流入油管，而油管中的流體不能流入套管中；④油管快速接頭是使油套連通器的一端與油管快速連接起來；⑤除雜螺絲是可以自由拆卸，定期對裝置內的雜質進行清理；⑥金屬柔性連接管是用于將油套管聯通起來，材質柔軟，可以在不同環境下進行作業。

1.2　組裝方法及力學分析

1.2.1組裝方法

可拆裝油套連通器是根據現場常用部件快速組裝而成，當需要對套管氣進行放空時，只需要通過簡單的組裝就可以得到一個可拆裝式油套連通器，將套管快速接頭連接在套管外接上，將需要放空的氣體引入到油管內，利用氣體的動力加速油管內液體的流動，液體內的氣體最后通過地面流程中的氣液分離器進行分離。

1.2.2力學分析

1）套管壓力大于油管壓力時（P套＞P油），此時套管內氣量較大，在壓差的作用下，單向閥打開，套管氣進入油管內，氣體具有的動力可以加速油管內流體的流動。

2）當油管壓力大于或等于套管壓力時（P套≤P油），由于連通器中單向閥的作用，當油管壓力大于或等于套管壓力，即當套管內氣體較少時，氣體只能從套管向油管單向流動，此時套管內壓力不足以打開單向閥，單向閥呈關閉狀態。根據油壓和套壓數據，該情況下可拆除連通器正常進行修井作業。

3）修井作業時，抽油泵停止生產，此時油壓接近于大氣壓（P油≈0.1MPa），可以直接打開油管四通閥門，套管中天然氣進入集油管線，降低套管壓力，排出套管中天然氣，減少修井作業過程中的安全隱患。可拆裝油套連通器能夠及時排放套管氣，充分利用套管氣能量，滿足正常修井作業的安全要求，節省人力物力，安全可靠，可以推廣使用。

4）裝置工作壓差計算。

①裝置正常工作狀態：

其中：P套為套壓，MPa；P油為油壓，MPa；Pmin為單向閥開啟最小壓力，MPa。

②裝置最大載荷計算。裝置承受載荷最大時即套壓達到最大，油井停止生產，此時油壓接近于大氣壓。

其中：Fmax為裝置承受最大載荷，kN/m2；K為安全系數；S為單向閥截面積，m2。

2　可拆裝油套連通器的安裝及應用

當需要對套管氣進行放空時，將套管快速接頭連接至套管外接，用四分管絲扣上，將油管快速接頭連接至取樣閘門絲扣處，將套管快速接頭和用金屬柔性連接管連接起來，然后在另一端安裝閘門、單向閥和除雜螺絲，連接好之后與油管快速接頭連接，打開閘門及采油樹的取樣閥門和套管閥門即可實現套管氣進入油管線，單向閥單向流通方向為從套管到油管。

可拆裝油套連通器安裝結構示意圖如圖2所示。

圖2　可拆裝油套連通器安裝結構示意圖

進行修井作業時，當套管內套管氣量較大時，安裝好可拆裝油套連通器后，打開閘門，套管內的氣體便可以通過油套連通器進入油管。隨著套管內氣體壓力的不斷降低，當套管內壓力和油管內壓力相等時，便可以將油套連通器拆卸下來，進行修井作業了。

在實際生產中，套管內氣體攜帶有少量的雜質，油套連通器金屬柔性管內雜質不斷積累，可以在套管氣放空后關閉閘門，打開除雜螺絲，通過氣體動力將金屬柔性管內的雜質清除，也可以檢查單向閥是否完好。如存在管線阻塞也可以打開閘門，利用套管氣壓力沖刷管線和單向閥，對管線進行清潔。

3　實例計算

根據文獻[1]中，生產井為安裝裝置之前數據，生產套壓0.6～1.0MPa，油壓0.2～0.7MPa，根據實際情況，可拆裝油套聯通器中單向閥選用AK-32氣控單向閥，公稱直徑32mm，承壓范圍100kPa～2MPa，最大載荷24kN/m2，單向閥開啟最小壓差0.15MPa，計算得P套-P油=0～0.8MPa，單向閥的最小開啟壓力在該范圍內，所以可拆裝油套聯通器可以在該生產條件下正常工作。取安全系數為1.5，得到單向閥工作時受到最大載荷Fmax=7.23kN/m2,裝置可以正常工作。

4　結論

通過對現場可拆裝油套連通器應用的分析，可以得出以下結論。

1）可拆裝油套連通器能較好的應用于套管氣較大的油井回收套管氣，特別是油井修井作業（如熱洗）時能夠將套管氣及時回收，避免不必要的浪費。

2）在需要對套管氣進行排空時可安裝好可拆裝油套連通器對套管氣進行排空，當不需要時更可以將可拆裝油套連通器拆卸，避免對正常生產作業的影響。可拆裝油套連通器可以將油管與套管連接起來，利用套管內氣體的動力加速管線內流體的流動速度，結構簡單，操作簡便，價格低廉，具有很好的應用前景。

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