光桿斷脫自動(dòng)防噴裝置的研制＊

李海濤 趙 凱 溫麗娟

(中國(guó)石油吐哈油田分公司鄯善采油廠(chǎng))

0 引 言

吐哈油田勘探開(kāi)發(fā)區(qū)域內(nèi)多數(shù)地區(qū)遍布坎兒井、濕地、水渠和農(nóng)田，生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，環(huán)保形勢(shì)嚴(yán)峻[1]。抽油機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中的光桿斷脫致使盤(pán)根密封失效、井口失控，從而造成油氣泄漏和環(huán)境污染，引起安全環(huán)保生產(chǎn)事故[2]。為此，研制出一種抽油井光桿斷脫自動(dòng)防噴裝置。該裝置適用于現(xiàn)有抽油井井口裝配工藝，滿(mǎn)足采油采氣技術(shù)要求，尤其能起到抽油井光桿斷脫后井口的密封作用，消除安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

1 防噴裝置原理

受井下桿式泵工作時(shí)固定凡爾受泵體腔內(nèi)壓力作用而密封的原理啟發(fā)[3]，在井口盤(pán)根盒上安裝倒置凡爾球座裝置，在光桿斷脫掉入井筒后，隱藏于側(cè)孔通道的密封球進(jìn)入主體裝置中心孔處，借助井筒及系統(tǒng)壓力作用，密封球被座封在裝置上部密封環(huán)，起到密封井口的作用。

2 防噴裝置的研制

2.1 研究思路

1)光桿斷脫后實(shí)現(xiàn)井口完全密封，最小承壓范圍大于井口生產(chǎn)閘門(mén)所承受的壓力(2.5 MPa)。

2)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)密封。

3)安裝及使用簡(jiǎn)單，不影響現(xiàn)有的生產(chǎn)流程及后期井口日常操作。

2.2 實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)

根據(jù)研究思路設(shè)計(jì)了多款防噴裝置雛形，開(kāi)展室內(nèi)靜態(tài)承壓、動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)驗(yàn)。

2.2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

以水為介質(zhì)，模擬井筒液分別開(kāi)展室內(nèi)承壓和動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)。

1)靜態(tài)承壓實(shí)驗(yàn)

采取密封打壓，階梯升壓為0.3，0.5，1.0，1.5，2.0，4.0，6.0，8.0 MPa。要求裝置穩(wěn)壓30 min，全階段無(wú)壓降和泄漏。

2)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

分別模擬承壓2.0，1.0，0.5，0.3 MPa下光桿斷脫入井情況。要求裝置分別在高壓和低壓情況下都能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)密封。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

隨機(jī)選擇40口抽油機(jī)井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝，跟蹤裝置安裝、運(yùn)行及維護(hù)情況，收集相關(guān)問(wèn)題并進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)反復(fù)論證，對(duì)初期設(shè)計(jì)的裝置進(jìn)行了如下改進(jìn)。

1)密封球體材料改進(jìn)

前期考慮為避免球體與光桿摩擦使光桿受損而采用尼龍材料，而后在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，尼龍密封球會(huì)因壓力過(guò)高而變形，不能起到完全密封的作用，因此,采用剛性較好的鋼球代替。

2)密封球體進(jìn)入中心孔密封方式改進(jìn)

前期采用尼龍球配合壓縮彈簧的方式使尼龍球在光桿斷脫后在彈簧的作用下進(jìn)入中心孔密封[4]，但尼龍球換為鋼球后，若繼續(xù)采用鋼球和彈簧壓緊的方式，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致光桿和鋼球互相摩擦受損而影響密封。根據(jù)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)研，創(chuàng)新性的采用釹鐵硼強(qiáng)磁鐵加工的密封環(huán)，取消彈簧壓緊方式，將密封球側(cè)直型孔室改為與鋼球外徑相當(dāng)?shù)陌牖⌒?，預(yù)留一定的活動(dòng)空間，改用磁力作用引導(dǎo)鋼球進(jìn)入中心孔的方式進(jìn)行密封。

3)密封球側(cè)孔室堵頭改進(jìn)

前期未考慮該裝置在維護(hù)過(guò)程中更換密封球拆卸堵頭存在泄壓風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)安裝情況和巡檢人員的建議，增加堵頭泄壓閥門(mén)，進(jìn)一步確保該裝置運(yùn)行和日常檢查零風(fēng)險(xiǎn)。

4)裝置內(nèi)部防偏磨改進(jìn)

在部分敏感區(qū)域，采油井口為滿(mǎn)足測(cè)試需要采用偏心井口。偏心井口為長(zhǎng)喉管設(shè)計(jì)，易造成喉管和光桿不完全同心的情況，在井口安裝該裝置后，易造成該裝置內(nèi)鋼制密封環(huán)與光桿偏磨。因此，在該裝置內(nèi)部添加尼龍光桿限位扶正器，避免偏磨[5-6]。

2.3 裝置主要技術(shù)參數(shù)和工作原理

1)主要技術(shù)參數(shù)

外形尺寸：226 mm×150 mm×133 mm；

最大承壓：15 MPa；

最小通徑：32 mm；

扣型連接：NU73 mm；

適用光桿直徑：28 mm；

本體材質(zhì)：鐵錳鋁系奧氏無(wú)磁結(jié)構(gòu)鋼；

密封球材質(zhì)：鐵銅鈮鉭超硬度順磁合金；

密封球直徑：38 mm；

密封環(huán)材質(zhì)：釹鐵硼永磁合金；

密封環(huán)磁力：1.5 T。

2)工作原理

光桿斷脫掉入井筒后，隱藏于側(cè)孔通道的密封鋼球在主體裝置中心孔液體流動(dòng)形成的負(fù)壓作用下被推至主體裝置中心孔處，由于上部密封環(huán)材質(zhì)為釹鐵硼磁鐵，借助磁力作用和井筒及系統(tǒng)壓力作用，密封鋼球被座封在裝置上部磁鐵密封環(huán)，起到了密封井筒的作用，裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝位置見(jiàn)圖1，結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖1 裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝位置

圖2 裝置結(jié)構(gòu)示意

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2018年9月—2019年6月，在吐哈油田所屬鄯善、吐魯番和三塘湖3個(gè)采油廠(chǎng)敏感區(qū)域的331口單井安裝了光桿斷脫自動(dòng)防噴裝置。

2019年6月2日，WX3-X1井光桿在位于懸繩器下端3 cm處斷裂，斷裂光桿落入井中，光桿斷脫自動(dòng)防噴裝置成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封井，未出現(xiàn)泄漏，有效避免了井場(chǎng)污染和生產(chǎn)安全環(huán)保事故。2019年8月9日，WX3-X2井光桿斷裂，光桿斷脫自動(dòng)防噴裝置同樣成功實(shí)現(xiàn)自動(dòng)封井，未出現(xiàn)泄漏。

4 結(jié)束語(yǔ)

光桿斷脫自動(dòng)防噴裝置具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單合理，現(xiàn)場(chǎng)操作方便，安全性高等特點(diǎn)，可以降低生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，避免光桿斷脫后造成的油氣污染和安全環(huán)保事故，在抽油機(jī)井上具有井控和環(huán)保推廣價(jià)值。該裝置已獲得國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的實(shí)用新型專(zhuān)利證書(shū)，且已完成國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)，目前正等待批復(fù)。

在該裝置的研制過(guò)程中，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，從室內(nèi)到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，從設(shè)計(jì)加工到結(jié)構(gòu)改進(jìn)，都充分體現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)方法的重要性，具有一定的借鑒意義。