抽油機井上下可調式盤根盒節能技術的應用

劉麗 趙海濤 鄒繼艷 滕少臣 姜樂（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

油氣資源從地下巖層中被開采出來經井下管柱、地面管線輸送到計量間，由計量間再輸送至轉油站，轉油站將油氣再加壓輸往聯合站進行處理，最后輸送至油庫，在整個油氣開采過程中油氣都是處在密閉的狀態下進行。

但在抽油機井采油樹上的盤根盒是油氣生產流程中的一個薄弱環節，也是油氣開采工藝中的重要組成部分[1]。盤根盒是依靠在光桿與盤根盒外殼間填充盤根達到密封，因盤根盒中間有一根光桿穿過且光桿始終做上、下往復運動，在生產中因磨損、腐蝕、偏磨等原因造成填充在光桿與盤根盒之間的盤根異常磨損，使用壽命大幅降低。在生產現場發現盤根盒出現油氣泄漏情況后，第一選擇是加大扭矩緊固壓帽，但是盤根盒扭矩越大，盤根磨損越嚴重，更換盤根的周期越短，抽油機井電能消耗越大。同時，由于盤根磨損后密封作用下降，容易出現油氣泄漏，造成環境污染，嚴重影響油井正常生產。

通過對抽油機能耗計量與分析，抽油機主要能耗節點有四連桿、皮帶、盤根盒、減速桿、管柱、電動機、抽油桿、抽油泵等，其中盤根盒的能耗損失率達到15%，因此，對盤根盒進行優化設計，研制一種密封好、耐磨的盤根盒，是采油生產現場節能增效工作的一項長期重要任務。

1 盤根盒的位置與作用

游梁式抽油機，主要由驢頭、游梁、橫梁、連桿、曲柄、減速箱、電動機和輔助設備等幾大部分組成。在其生產過程中，電動機的轉動由皮帶傳輸給變速箱，再由變速箱及曲柄連桿機構轉變成抽油機驢頭的上下往復運動。驢頭通過光桿、抽油桿帶動井下深井泵，從而把油層中的原油源源不斷地抽到地面。

盤根盒位于抽油機井采油樹的最上端，在盤根盒內加入的盤根也可稱為密封填料，填料是正方形、長方形或者圓形的條狀物，用于填充在盤根盒與光桿間的密封腔內，從而實現盤根盒的密封。最早出現的密封填料是由棉、麻等纖維材質制作而成，具有價格低廉、來源廣泛、容易加工、密封可靠等諸多優點，所以一直沿用至今。盤根盒就是通過壓帽不斷壓實位于盤根盒內的填料實現密封油管與光桿環形空間的密封裝置，并采用多級密封，具有耐高溫、耐高壓，密封效果好的特點，同時因為盤根盒的根部設計有調節球頭，可以調整盤根盒的偏心與角度，還能很好的適宜并應用在光桿偏斜的抽油機井。

2 盤根盒失效的原因分析

2.1 材質的影響

盤根的作用是將密封材料堵在軸泄漏通道內，防止氣液的泄漏。最早的密封填料是一些廉價的易壓縮的纖維織物，如棉麻織物等，后來發展到聚合物合成纖維，如聚四氟乙烯（PTFE）高分子合成纖維填料、酚醛纖維填料、橡膠填料、芳綸纖維填料等[2]。盤根材質的優缺點對比見表1。

表1 盤根材質的優缺點對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of packing material

在選用盤根時，要對井口盤根進行科學準確的力學分析，了解井口的壓力，對盤根進行科學的分析和選材。僅憑經驗進行選擇，會導致一些采油井在憋壓操作時，井口壓力升高，超出了盤根所能承受的壓力范圍，盤根在高壓下發生刺漏現象，或者是在不同季節，面對不同的溫度，盤根沒有換取相適應的材料，導致盤根容易在高溫或低溫下容易發生失效[3-4]。

2.2 盒結構的影響

盤根盒結構設計中應具有防偏與對中功能，設計有扶正與偏磨補償裝置，同時要設計多級保護措施，避免單級失效后盤根盒立即失效。盤根盒擰緊后應該對盤根具有水平和垂直的擠壓力作用，增加盤根盒的密封性和穩定性，并且盤根盒的結構設計要便于拆卸和安裝。

2.3 松緊度的影響

盤根的松緊程度直接影響抽油機的能量利用效率，經過現場的實測[5]，以扭矩為指標表示盤根盒的松緊程度，測量不同扭矩下抽油機單日的耗電量，具體盤根盒扭矩與耗電量及系統效率的關系見表2。

表2 盤根盒扭矩與耗電量及系統效率的關系Tab.2 Relationship between packing box torque and power consumption and system efficiency

可見隨著盤根盒擰緊程度的增加，抽油機系統效率呈下降趨勢，因此在保證抽油機不漏油的情況下，盤根盒不宜擰的過緊。

2.4 光桿的影響

由于光桿和盤根直接接觸，會對盤根盒的壽命產生很大影響。首先，光桿表面粗糙程度直接影響盤根盒的失效時間。抽油機井投產安裝光桿后，隨著使用時間的延長，光桿表面會出現“腐蝕斑點”。而光桿偏斜的抽油機井光桿在工作過程中還會因為“偏磨”，造成光桿表面嚴重軸向劃傷，使光桿表面一側出現較深的磨損性“凹坑”，使光桿的粗糙度增加，增加了光桿和盤根之間的摩擦力，其表面的凸起會對盤根造成刮磨，使盤根快速失效，在作業時應該及時使用銼刀或砂紙打磨光桿，使其保持光滑。當光桿與井口不對中，井場基礎不平，以及深井和重負荷井、快沖次井中或由于盤根盒結構設計不合理，沒有設置防偏裝置，導致光桿偏斜，使光桿對盤根產生偏磨，造成盤根使用壽命降低。同時，光桿腐蝕，光桿溫度較高等問題，都會加快盤根失效[6-7]。

3 上下可調式盤根盒的研制

3.1 研制背景

更換抽油機井光桿密封盤根是采油現場日常維修維護工作，難度較大，特別是冬季，受溫度影響，盤根取出和加入都十分困難。三次采油后，又因為采出液中腐蝕物的增多及結垢的影響，盤根磨損加快造成使用壽命縮短，增加了更換、維護的次數，延長停機時間，影響油井產量，而且盤根松緊度及潤滑的狀況直接影響電能的損耗。針對此情況研制了抽油機井上下可調式盤根，不僅解決了抽油機取、加盤根困難的問題，同時增加節電功能，提高操作的安全性、縮短操作時間，降低員工勞動強度。

3.2 上下可調式盤根盒主要結構

上下可調式盤根盒結構見圖1，主要由盤根盒手柄、壓帽、革蘭、墊片、付套手柄、付套、鎖片、頂芯及節能盤根盒壓蓋等部分組成。

圖1 上下可調式盤根盒結構Fig.1 Up and down adjustable packing box structure

該成果改變了盤根盒的原有內部結構，通過增加盤根盒頂芯與付套的設計，可以利用頂芯與付套之間的配合[8]，實現盤根盒主體上下移動變位，即可實現調節盤根盒密封腔深淺的目的。

3.3 實施方式及增益效果

在生產現場采油工人更換密封圈操作時，可利用盤根盒下部頂芯與上部付套實現旋轉變位，盤根盒下部頂芯上移實現一次性將舊密封圈頂出，無需工具摳取，更換密封圈的時間由原來的50 min縮短為10 min，工作效率提升了5倍以上，同時又通過壓帽、頂芯對密封圈實現雙向擠壓，實現對密封圈松緊度的調整。設計可以有效避免盤根磨損不均的問題，從而保證最大限度發揮密封圈密封作用，有效延長了密封圈的使用壽命，使用周期由原來的2～3個月提高到1 a以上。

3.4 針對現場工況調整改進

根據現場工況特點，對上下可調式盤根盒進一步改進，增設了新型節能盤根盒壓蓋。內部鑲入新型聚醚酮酮材質扶正環，聚醚酮酮[9]是一種新型的具有超高性能的特種工程塑料。聚醚酮酮分子結構中具有剛性的重復單元，使它具有較高的結晶度和優秀的熱力學性能，具有良好的耐磨性、電性能、潤滑性、耐燃性、耐輻射性、耐溶劑性，經過纖維增加強度后，使它有了很好的耐沖擊性能及振動阻尼性，通過增強后可以作為特種的高性能工程塑料進行使用，廣泛用于國防裝備、航空航天器件、醫療衛生裝置等領域。

現階段對盤根盒的結構改進除了提高密封功能之外，還要考慮調偏和其他輔助功能，同時還要保證盤身拆裝和維修便捷[10]。通過鑲入新型聚醚酮酮材質扶正環，可以提高盤根盒耐磨性，同時因其具有的自潤滑性可以對光桿進行潤滑且扶正，壓縮彈簧起到蓄能的作用，在盤根盒壓帽內的浸油毛氈可以對光桿均勻涂油進行潤滑降低摩擦阻力，節能設計的盤根盒可達到單井每日節約電能11 kWh，填補了盤根盒領域新型結構的空白。

4 推廣應用的效果和價值

該成果已經在600口抽油機井上陸續試用推廣，有效提高了盤根的使用周期，提高員工工作效率2～5倍。該裝置具有使用操作方便、密封性好、結構合理、工作安全可靠、不易損壞、成本低的特點。極大地減輕了員工操作難度及強度，提高了作業安全系數。裝置的應用每年減少更換密封圈操作5次，增加原油產量1.5 t；節約密封圈用量50個，節省材料費用200元；每噸原油按2 000元計算，每口井年可創經濟效益3200元；2012—2018年共創經濟效益384萬元。該成果2018年在設計上增加了節能盤根盒壓蓋，并且在大慶油田繼續推廣應用400口抽油機井，單井每日節電11 kWh，節電費用160.6萬元，截止目前大慶油田共推廣應用600口抽油機井，共創經濟效益925萬余元。

5 結論

1）分析了影響盤根盒失效的特性以及其使用壽命的影響因素，認為盤根應該選擇合適的材質進行制作，在實際操作中應保持井口不泄漏的情況下適度擰緊盤根盒，光桿對盤根盒的壽命有直接影響，應該保持光桿位置中正，光滑，在盤根盒設計時應該考慮扶正糾偏等裝置的設置，注意盤根盒的多級保護與密封。

2）研制了一種抽油機井上下可調式盤根盒，該成果改變了盤根盒的原有內部結構，通過增加盤根盒頂芯與付套的設計，利用頂芯與付套之間的配合，實現盤根盒主體上下移動變位，達到調節盤根盒密封腔深淺的目的。通過增設新型節能盤根盒壓蓋，填補了盤根盒領域新型結構的空白，性能達到國內先進水平。

3）上下可調式抽油機井盤根盒具有操作性好、實用性強、安全性高等特點，該成果目前不僅在大慶油田生產現場進行了應用，還在新疆油田的抽油機井上進行了推廣應用，節約大量材料，取得很好的經濟效益，在中國石油集團公司都擁有很好的推廣應用前景。

4）隨著國家《安全生產法》和《環境保護法》的頒布與實施，油田對生產中的安全環保工作更加重視，不斷推進節能、環保新技術的發展應用，本次論述的上下可調式盤根盒技術，對抽油機井盤根盒的調偏、防噴、環保、潤滑、節能等功能的設計對指導油田生產，提高油井管理水平具有重要的意義。光桿盤根密封技術的提升，實現盤根盒智能化、小型化、多功能，將是盤根盒未來發展的方向。