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        油管油桿即時清洗設(shè)備的研制及應(yīng)用

        2019-11-02 02:25:02房利利房海濤
        石油工程建設(shè) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:膠管油桿外壁

        馬 潮,房利利,吳 鵬,房海濤

        1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠,河北任丘 062552

        2.華北油田公司勘探開發(fā)研究院,河北任丘 062552

        3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司,河北河間 062465

        通過及時清除抽油桿外壁及油管內(nèi)外壁上的結(jié)蠟和污垢,可以有效提升油井的產(chǎn)量[1]。傳統(tǒng)的清洗方法是在修井作業(yè)中利用修井機將油桿、油管起出,然后將其放置在管架上,再利用高溫、高壓熱水或蒸汽對其進(jìn)行清洗。這種方法能源浪費嚴(yán)重,作業(yè)時間長,對環(huán)境的污染大。以雄安新區(qū)附近某采油廠為例,該采油廠年檢修約590余口井,檢修作業(yè)時,單井地面清蠟在150 kg以上。新環(huán)保法要求企事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營者應(yīng)當(dāng)對其所造成的損害依法承擔(dān)責(zé)任,因此對修井作業(yè)提出了更高的環(huán)保要求[2]。

        1 系統(tǒng)設(shè)計

        1.1 系統(tǒng)工作原理

        傳統(tǒng)的清洗方法是在地面管架上對起出的油桿、油管進(jìn)行清洗,如圖1所示。針對傳統(tǒng)作業(yè)存在的問題,設(shè)計了一種新式油管、油桿清洗設(shè)備。利用該設(shè)備可實現(xiàn)油管、油桿在提出井口過程中將其清洗干凈(即提即洗),從而不影響油井其他作業(yè)工序的進(jìn)行。并可實現(xiàn)直接在井下對油管內(nèi)壁進(jìn)行連續(xù)清洗,單次作業(yè)深度可達(dá)500 m;同時現(xiàn)場生成的污油、污水全部密閉回收,不會對環(huán)境造成污染。該系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

        圖1 傳統(tǒng)檢修作業(yè)地面油管油桿清蠟現(xiàn)場

        圖2 清洗設(shè)備系統(tǒng)工作原理

        系統(tǒng)主要由水箱、柱塞泵、鍋爐、軟管起下器、專用清洗器、回收泵、污水箱構(gòu)成,具有加熱、清洗、回收三大功能。專用清洗器包括油桿外壁清洗器、油管內(nèi)壁清洗器、油管外壁清洗器。工作時,利用鍋爐、柱塞泵和清洗器,形成有一定噴射角度的高溫、高壓扇形射流,將油桿、油管外壁的油污進(jìn)行一次剝離[3],然后利用清洗器上的密封膠圈刮除殘余污垢。待油桿全部起出后,可以利用連續(xù)軟管起下器,將抗拉膠管及特制清洗頭輸入井下油管內(nèi)部,對油管內(nèi)壁進(jìn)行連續(xù)清洗。清洗過程中利用回收泵、連接設(shè)備上的專用回收接口,可將清洗過程中產(chǎn)生的污油、污水及時回收。

        1.2 油桿外壁清洗工藝

        提桿作業(yè)前,先將油桿清洗器安裝在采油樹上。如圖3所示,鍋爐中的熱水經(jīng)過清洗泵加壓后,直接送入油桿清洗機構(gòu),在油桿提升過程中,油桿清洗機構(gòu)內(nèi)形成有一定噴射角度的高溫、高壓熱水,在溫度和清洗力的雙重作用下,將油桿清洗干凈,殘余的污垢[4]則利用頂部密封膠圈刮除。清洗產(chǎn)生的污水通過清洗器的回收接口,經(jīng)回收泵回收。

        1.3 油管內(nèi)壁清洗工藝

        圖3 油桿外壁清洗工藝示意

        所有油桿起出完畢后,提出部分油管,安裝井口防噴器,連接油管內(nèi)壁清洗器的井口裝置與油管,準(zhǔn)備清洗油管內(nèi)壁。利用軟管起下器將軟管及特制清洗頭送入油管內(nèi)部。啟動鍋爐、清洗泵及軟管起下裝置將清洗頭逐步提升,該清洗頭同樣產(chǎn)生有一定噴射角度的高溫、高壓熱水,邊提升邊對油管內(nèi)壁進(jìn)行沖洗,清洗速度可達(dá)到1.5 m/s。產(chǎn)生的油水混合物自動向上浮動,通過井口裝置并利用回收泵進(jìn)行回收。該清洗工藝過程如圖4所示。

        圖4 油管內(nèi)壁清洗示意

        1.4 油管外壁清洗工藝

        油管外壁清洗工藝與油桿外壁清洗工藝基本相同,只是油管外徑較大。一般情況下,經(jīng)過清洗油管內(nèi)壁后,油管外壁的結(jié)蠟已基本溶化,此時用油管外壁清洗機構(gòu)上的刮油器裝置刮一下即可[3]。

        2 部件設(shè)計選型與性能參數(shù)

        2.1 油桿外壁清洗器的設(shè)計

        在油桿外壁清洗工藝中,為了實現(xiàn)對清洗污水的回收,整個環(huán)節(jié)需要在一個密閉環(huán)節(jié)中運行。為了產(chǎn)生高壓扇形水流,特別定制了一種噴頭,其結(jié)構(gòu)為扁口結(jié)構(gòu),噴口截面長約2 mm,寬約0.8 mm。抽油桿外螺紋臺肩最大外徑為50.8 mm,因此腔體通徑按55 mm設(shè)計即可滿足使用要求。在清洗器頂部利用彈性較強的加厚膠皮套圈做密封結(jié)構(gòu)及刮油裝置。連接井口配套法蘭后,熱水通過進(jìn)口進(jìn)入腔體,通過噴頭產(chǎn)生高壓扇形水流,抽油桿被修井機提起時,通過腔體內(nèi)部被清洗干凈,殘余的污垢被膠皮套圈刮除,清洗產(chǎn)生的污油、污水通過回收接口回收至井場污水箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示,實物照片如圖6所示。

        圖5 油桿外壁清洗器結(jié)構(gòu)示意

        圖6 油桿清洗器實物

        2.2 油管外壁清洗器的設(shè)計

        油管外壁清洗器的設(shè)計原理與油桿外壁清洗器相似,需考慮的是油管的結(jié)構(gòu)及尺寸,API油管一般最大加厚外徑為95.25mm,則油管外壁清洗器的腔體內(nèi)徑需要按照該尺寸進(jìn)行設(shè)計,其成品如圖7所示。

        圖7 油管外壁專用清洗器實物

        2.3 油管內(nèi)壁清洗器的設(shè)計

        根據(jù)上述油管內(nèi)壁清洗工藝要求,油管內(nèi)壁清洗器主要由特制清洗頭、抗拉膠管、井口裝置等構(gòu)成。特制清洗頭由扁口噴嘴及由圓鋼鍛件加工成的內(nèi)徑小于油管內(nèi)壁的環(huán)向噴頭構(gòu)成。抗拉膠管采用市場上一款耐高壓高溫的膠管,膠管外徑30 mm,每百米質(zhì)量約100 kg,可承受16 MPa的壓力及150℃的高溫,并保證在垂懸狀態(tài)下小于千分之一的變形量。井口裝置如圖8所示,包含用于連接抽油管與回收泵的油管三通、導(dǎo)向滑輪等結(jié)構(gòu)。

        圖8 油管內(nèi)壁專用清洗機構(gòu)示意

        2.4 軟管起下器的設(shè)計

        軟管起下器結(jié)構(gòu)如圖9所示,包括框架、排線器、膠管卷筒、傳動結(jié)構(gòu)、減速器及電機。考慮到設(shè)備在后期會集成到二類底盤車臺上,框架最大寬度尺寸控制在2 500 mm(防止車輛超寬)。排線器采用往復(fù)絲杠的工作原理,旋轉(zhuǎn)角速度與膠管卷筒旋轉(zhuǎn)角速度比值為1,導(dǎo)程與膠管直徑相同。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù),膠管卷筒直徑取1.5 m、長2 m,則在卷筒上滿鋪一層膠管時,膠管的展開長度約為314 m。傳動結(jié)構(gòu)采用齒輪鏈條傳動,該結(jié)構(gòu)簡單可靠,調(diào)整方便。減速器選用效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)的擺線針輪減速器,其減速比為87。根據(jù)計算,電機選用11 kW變頻剎車電機(YEJ-160M-4),其制動時間小于0.5 s,膠管提升速度可達(dá)到1.5 m/s。

        2.5 系統(tǒng)壓力的確定

        清洗壓力與油井結(jié)蠟程度成正比,即結(jié)蠟越嚴(yán)重,需求的壓力越高。在壓力的選擇上目前還沒有可供參考的文獻(xiàn),經(jīng)過多次試驗,得出當(dāng)泵端壓力達(dá)到10 MPa時,配合高溫?zé)崴肮斡湍z圈即可滿足使用要求。

        圖9 軟管起下器結(jié)構(gòu)示意

        2.6 系統(tǒng)流量的確定

        系統(tǒng)流量可按下式確定:

        式中:W為流量,m3/s;μ為流量系數(shù),根據(jù)管路結(jié)構(gòu),取0.65;A為出口截面積,m2,系統(tǒng)中有4個噴嘴,流通截面積約為6.4×10-6m2;P為壓力,Pa,系統(tǒng)壓力為10× 106Pa;ρ為液體密度,kg/m3,此處為水的密度,取1 000 kg/m3。

        經(jīng)計算得到,W=0.65×6.4×10-6×(2×10×106/1 000)0.5=58.8×10-5(m3/s)。即理論系統(tǒng)流量約為2.12 m3/h,考慮各種損失,可將綜合流量定為3 m3/h。

        2.7 確定水箱容積

        在系統(tǒng)中,水是最基本的工作介質(zhì),因此需要設(shè)備自備儲水容器,即水箱。為使設(shè)備滿足緊湊的布局,需要確定最合理的水箱容積。從資源深度分布來看,我國石油可采資源有80%集中分布在淺層和中深層,而深層和超深層分布較少。因此若設(shè)備能滿足2 000 m井深工況,即可滿足大部分油井的油管油桿清洗需要,而對于深層油井的洗井可以增配水罐車。

        按單根油桿油管長8 m計算,2 000 m井深合計約有500根油桿油管。修井機提升油桿油管的速度一般為10 s/根,系統(tǒng)在油桿油管提升過程中供水清洗,非提升作業(yè)時內(nèi)部自循環(huán),故500根油管油桿清洗時間共計約5 000 s。在清洗油管內(nèi)壁時,清洗速度即提升速度為1.5 m/s,則油管內(nèi)壁清洗時間約為1 333 s。以上兩種工況綜合清洗時間約為1.75 h,即清洗單井油管油桿的綜合用水量為5.3 m3,因此將水箱容積定為6 m3即可滿足使用要求。

        2.8 鍋爐選型

        清洗過程中,鍋爐的工作狀態(tài)會發(fā)生變化。在油桿油管提升過程中清洗時,因為是間歇工作,需求的功率最??;在清洗油管內(nèi)壁時,因為是連續(xù)工作,需求的功率最大。

        (1)最大功率計算。單位時間內(nèi)將3 m3的水加熱到100℃所需的熱量可按下式計算:

        式中:Q為總熱量,J;C為介質(zhì)的比熱容,水為4.2 kJ/(kg·℃);M為總質(zhì)量,kg;δT為溫度變化,℃。

        經(jīng)計算,Q=4.2 kJ/(kg·℃) ×1 000 kg/m3×3 m3× 100℃ =1 260× 106J,則功率P=Q/t=350 kW,按熱效率為90%計算,則需要燃燒器最大功率為389 kW。

        (2)最小功率計算。提升油管油桿過程中,約有10 s的時間需要用高壓熱水,約有50 s的時間在安置管桿,該過程不需用高壓熱水。10 s時間內(nèi)需要的水量約為3×10/3 600=0.008 4 m3。50 s時間內(nèi)將0.008 4 m3的水加熱到100℃需要的熱量為Q=4.2 kJ/(kg·℃) ×1 000 kg/m3×0.008 4m3×100℃=3.528×106J,則功率P=70.56 kW,按熱效率為90%計算,則需要燃燒器最小功率為78.4 kW。因此選取適合的百得或百特斯燃燒器做成比例機型均可滿足要求。

        2.9 控制系統(tǒng)設(shè)計

        控制系統(tǒng)電路如圖10所示,采用井場用電為系統(tǒng)提供能源,利用控制柜對柱塞泵、冷卻風(fēng)扇、回收泵等進(jìn)行控制。

        同時控制系統(tǒng)需要對水溫、水壓及收卷機構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。采用溫度傳感器測量鍋爐出口水溫,通過智能表顯示,利用燃燒器自帶的比例調(diào)節(jié)儀調(diào)整火焰大小。采用壓力傳感器對鍋爐的進(jìn)出口水壓進(jìn)行監(jiān)測,為防止安全閥失效,需要超壓報警。用編碼器檢測膠管的下降和上升速度及距離,通過變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速,變頻器采用旋鈕控制,低壓啟動,實時顯示清洗器的運動速度。當(dāng)清洗器在油井中的深度達(dá)到設(shè)定值時,停止下降。油管內(nèi)壁清洗作業(yè)時,在清洗噴頭距離井口20m處開啟警示提醒。

        圖10 控制電路

        2.10 系統(tǒng)性能參數(shù)

        各主要部件集成為系統(tǒng)后,其主體結(jié)構(gòu)如圖11所示,整機性能參數(shù)見表1。

        圖11 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)示意

        表1 整機性能參數(shù)

        3 應(yīng)用及推廣

        該設(shè)備及相關(guān)機構(gòu)已申請國家專利,目前已在華北油田、大港油田、遼河油田進(jìn)行了數(shù)十口井的試驗,經(jīng)清洗后的油井,其日產(chǎn)油量均有提升,生產(chǎn)曲線如圖12所示。試驗現(xiàn)場如圖13所示。清洗過的油桿、油管達(dá)到了預(yù)期的效果,無需再進(jìn)行二次地面處理,其清洗效果對比如圖14所示,且現(xiàn)場做到了油污不落地。油井檢修作業(yè)時間因此縮減50%,油井得以更快復(fù)產(chǎn)。

        4 結(jié)束語

        該設(shè)備已成功地通過了現(xiàn)場的試驗應(yīng)用,經(jīng)后期開發(fā)可做成撬裝式結(jié)構(gòu)或者利用二類底盤改裝成油田專用車[5]。在油桿清洗機構(gòu)上,也可繼續(xù)研究加裝超聲波探傷裝置,實現(xiàn)在油桿提升過程中的在線監(jiān)測,對不適合再次下井的油桿及時進(jìn)行剔除更換。

        圖12 某油田采油井生產(chǎn)曲線

        圖13 清洗作業(yè)現(xiàn)場

        圖14 清洗效果對比

        隨著社會的進(jìn)步,環(huán)保作業(yè)將是今后主要的發(fā)展方向。本設(shè)備既能提高清洗效果,縮短油井檢修時間,又能實現(xiàn)環(huán)保作業(yè),具有較高的社會經(jīng)濟效益,應(yīng)用前景廣闊。

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