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        油管油桿即時(shí)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(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠,河北任丘 062552

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

        3.中國(guó)石油集團(tuán)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(guò)及時(shí)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(jī)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(duì)其進(jìn)行清洗。這種方法能源浪費(fèi)嚴(yán)重,作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),對(duì)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(shí),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(yíng)者應(yīng)當(dāng)對(duì)其所造成的損害依法承擔(dān)責(zé)任,因此對(duì)修井作業(yè)提出了更高的環(huán)保要求[2]。

        1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        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(duì)起出的油桿、油管進(jìn)行清洗,如圖1所示。針對(duì)傳統(tǒng)作業(yè)存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種新式油管、油桿清洗設(shè)備。利用該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)油管、油桿在提出井口過(guò)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(shí)現(xiàn)直接在井下對(duì)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(shí)現(xiàn)場(chǎng)生成的污油、污水全部密閉回收,不會(huì)對(duì)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(chǎng)

        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(zhuān)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(zhuān)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(shí),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(duì)油管內(nèi)壁進(jìn)行連續(xù)清洗。清洗過(guò)程中利用回收泵、連接設(shè)備上的專(zhuān)用回收接口,可將清洗過(guò)程中產(chǎn)生的污油、污水及時(shí)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(shù)上。如圖3所示,鍋爐中的熱水經(jīng)過(guò)清洗泵加壓后,直接送入油桿清洗機(jī)構(gòu),在油桿提升過(guò)程中,油桿清洗機(jī)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(guò)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(dòng)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(duì)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(dòng)向上浮動(dòng),通過(guò)井口裝置并利用回收泵進(jìn)行回收。該清洗工藝過(guò)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(guò)清洗油管內(nèi)壁后,油管外壁的結(jié)蠟已基本溶化,此時(shí)用油管外壁清洗機(jī)構(gòu)上的刮油器裝置刮一下即可[3]。

        2 部件設(shè)計(jì)選型與性能參數(shù)

        2.1 油桿外壁清洗器的設(shè)計(jì)

        在油桿外壁清洗工藝中,為了實(shí)現(xiàn)對(duì)清洗污水的回收,整個(gè)環(huán)節(jié)需要在一個(gè)密閉環(huán)節(jié)中運(yùn)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(zhǎng)約2 mm,寬約0.8 mm。抽油桿外螺紋臺(tái)肩最大外徑為50.8 mm,因此腔體通徑按55 mm設(shè)計(jì)即可滿(mǎn)足使用要求。在清洗器頂部利用彈性較強(qiáng)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(guò)進(jìn)口進(jìn)入腔體,通過(guò)噴頭產(chǎn)生高壓扇形水流,抽油桿被修井機(jī)提起時(shí),通過(guò)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(guò)回收接口回收至井場(chǎng)污水箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示,實(shí)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(shí)物

        2.2 油管外壁清洗器的設(shè)計(jì)

        油管外壁清洗器的設(shè)計(jì)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(jì),其成品如圖7所示。

        圖7 油管外壁專(zhuān)用清洗器實(shí)物

        2.3 油管內(nèi)壁清洗器的設(shè)計(jì)

        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(chǎng)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(zhuān)用清洗機(jī)構(gòu)示意

        2.4 軟管起下器的設(shè)計(jì)

        軟管起下器結(jié)構(gòu)如圖9所示,包括框架、排線(xiàn)器、膠管卷筒、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、減速器及電機(jī)。考慮到設(shè)備在后期會(huì)集成到二類(lèi)底盤(pán)車(chē)臺(tái)上,框架最大寬度尺寸控制在2 500 mm(防止車(chē)輛超寬)。排線(xiàn)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(jì)參數(shù),膠管卷筒直徑取1.5 m、長(zhǎng)2 m,則在卷筒上滿(mǎn)鋪一層膠管時(shí),膠管的展開(kāi)長(zhǎng)度約為314 m。傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用齒輪鏈條傳動(dòng),該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的擺線(xiàn)針輪減速器,其減速比為87。根據(jù)計(jì)算,電機(jī)選用11 kW變頻剎車(chē)電機(jī)(YEJ-160M-4),其制動(dòng)時(shí)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(méi)有可供參考的文獻(xiàn),經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),得出當(dāng)泵端壓力達(dá)到10 MPa時(shí),配合高溫?zé)崴肮斡湍z圈即可滿(mǎn)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(gè)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(jì)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(chǔ)水容器,即水箱。為使設(shè)備滿(mǎn)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(lái)看,我國(guó)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(mǎn)足2 000 m井深工況,即可滿(mǎn)足大部分油井的油管油桿清洗需要,而對(duì)于深層油井的洗井可以增配水罐車(chē)。

        按單根油桿油管長(zhǎng)8 m計(jì)算,2 000 m井深合計(jì)約有500根油桿油管。修井機(jī)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(guò)程中供水清洗,非提升作業(yè)時(shí)內(nèi)部自循環(huán),故500根油管油桿清洗時(shí)間共計(jì)約5 000 s。在清洗油管內(nèi)壁時(shí),清洗速度即提升速度為1.5 m/s,則油管內(nèi)壁清洗時(shí)間約為1 333 s。以上兩種工況綜合清洗時(shí)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(mǎn)足使用要求。

        2.8 鍋爐選型

        清洗過(guò)程中,鍋爐的工作狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化。在油桿油管提升過(guò)程中清洗時(shí),因?yàn)槭情g歇工作,需求的功率最??;在清洗油管內(nèi)壁時(shí),因?yàn)槭沁B續(xù)工作,需求的功率最大。

        (1)最大功率計(jì)算。單位時(shí)間內(nèi)將3 m3的水加熱到100℃所需的熱量可按下式計(jì)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(jì)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(jì)算,則需要燃燒器最大功率為389 kW。

        (2)最小功率計(jì)算。提升油管油桿過(guò)程中,約有10 s的時(shí)間需要用高壓熱水,約有50 s的時(shí)間在安置管桿,該過(guò)程不需用高壓熱水。10 s時(shí)間內(nèi)需要的水量約為3×10/3 600=0.008 4 m3。50 s時(shí)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(jì)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(jī)型均可滿(mǎn)足要求。

        2.9 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

        同時(shí)控制系統(tǒng)需要對(duì)水溫、水壓及收卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用溫度傳感器測(cè)量鍋爐出口水溫,通過(guò)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(duì)鍋爐的進(jìn)出口水壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),為防止安全閥失效,需要超壓報(bào)警。用編碼器檢測(cè)膠管的下降和上升速度及距離,通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速,變頻器采用旋鈕控制,低壓?jiǎn)?dòng),實(shí)時(shí)顯示清洗器的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)清洗器在油井中的深度達(dá)到設(shè)定值時(shí),停止下降。油管內(nèi)壁清洗作業(yè)時(shí),在清洗噴頭距離井口20m處開(kāi)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(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

        圖11 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)示意

        表1 整機(jī)性能參數(shù)

        3 應(yīng)用及推廣

        該設(shè)備及相關(guān)機(jī)構(gòu)已申請(qǐng)國(guó)家專(zhuān)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(yàn),經(jīng)清洗后的油井,其日產(chǎn)油量均有提升,生產(chǎn)曲線(xiàn)如圖12所示。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示。清洗過(guò)的油桿、油管達(dá)到了預(yù)期的效果,無(wú)需再進(jìn)行二次地面處理,其清洗效果對(duì)比如圖14所示,且現(xiàn)場(chǎng)做到了油污不落地。油井檢修作業(yè)時(shí)間因此縮減50%,油井得以更快復(fù)產(chǎn)。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        該設(shè)備已成功地通過(guò)了現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)應(yīng)用,經(jīng)后期開(kāi)發(fā)可做成撬裝式結(jié)構(gòu)或者利用二類(lèi)底盤(pán)改裝成油田專(zhuān)用車(chē)[5]。在油桿清洗機(jī)構(gòu)上,也可繼續(xù)研究加裝超聲波探傷裝置,實(shí)現(xiàn)在油桿提升過(guò)程中的在線(xiàn)監(jiān)測(cè),對(duì)不適合再次下井的油桿及時(shí)進(jìn)行剔除更換。

        圖12 某油田采油井生產(chǎn)曲線(xiàn)

        圖13 清洗作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

        圖14 清洗效果對(duì)比

        隨著社會(huì)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(shí)間,又能實(shí)現(xiàn)環(huán)保作業(yè),具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,應(yīng)用前景廣闊。

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