張孝寧 陳樹(shù)勇 柳轉(zhuǎn)陽(yáng) 張孝燕(中油遼河油田公司)
研究區(qū)域?yàn)辇R108塊,區(qū)塊構(gòu)造上位于遼河盆地西部凹陷西斜坡南部,歡喜嶺上臺(tái)階中段上傾部位,開(kāi)發(fā)目的層為沙三下蓮花油層,含油面積4.1 km2,石油地質(zhì)儲(chǔ)量2 157×104t[1]。
研究區(qū)域目前開(kāi)井1 641口,由于負(fù)荷的交變影響,油井在生產(chǎn)過(guò)程中,光桿懸點(diǎn)處極易發(fā)生斷脫。光桿斷脫后,可造成油井停產(chǎn)、油氣泄露、環(huán)境污染、抽油機(jī)空載運(yùn)行、損壞電氣設(shè)備等事故。如打撈困難,從而導(dǎo)致油井發(fā)生檢泵作業(yè),增加了作業(yè)成本的支出。目前,作業(yè)區(qū)每年出現(xiàn)斷光桿現(xiàn)象約80井次,其中造成井口跑油污染事故約20井次,造成油井檢泵約35井次。針對(duì)這一問(wèn)題,一直采用在下死點(diǎn)打備用卡子的方法予以解決,但該方法仍然存在不足之處。
研究區(qū)域?qū)儆谔爻碛陀吞?,采用蒸汽吞吐的開(kāi)采方式,使用的抽油設(shè)備90%以上為游梁式抽油機(jī)。當(dāng)油井生產(chǎn)進(jìn)入一個(gè)周期吞吐中后期時(shí),原油黏度增大時(shí),抽油機(jī)光桿負(fù)荷卡子在運(yùn)行中會(huì)承受較大的交變載荷。由于大部分抽油機(jī)上行時(shí)負(fù)荷較大,因此95%以上的光桿斷脫事故發(fā)生在上死點(diǎn)負(fù)荷卡子處。
抽油機(jī)光桿斷脫毫無(wú)征兆,日常巡檢過(guò)程中,無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。為了防止光桿斷脫后,下部桿柱落入油井之中,目前在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,預(yù)防抽油機(jī)光桿防斷脫方法是在抽油機(jī)下死點(diǎn),密封器上方20 cm處打一備用卡子。光桿在上部負(fù)荷卡子處斷脫后,由于備用卡子的阻擋,讓下部光桿及井內(nèi)桿柱懸掛在井口的光桿密封器上,避免了斷裂的下部光桿落入井筒內(nèi),而這種防斷脫方法成功率約為40%左右。另外由于備用卡子的阻擋,光桿劇烈撞擊井口后懸掛在光桿密封裝置上部,容易損壞光桿密封裝置及附近進(jìn)口流程,造成額外的經(jīng)濟(jì)損失。
2.1.1 安全隱患
光桿發(fā)生斷脫的瞬間,如果有員工在井口擦密封器上的油污,則斷脫容易擠壓手。光桿斷脫產(chǎn)生的巨大振動(dòng)力可導(dǎo)致懸繩器上物體落下,造成更大的人身傷害。在稠油開(kāi)發(fā)區(qū)塊,油井一般采取蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)開(kāi)發(fā),一旦出現(xiàn)油井光桿斷脫而備卡子又失靈的情況,油井內(nèi)便有可能?chē)姵龈邷匾后w,灼傷井場(chǎng)員工,同時(shí)發(fā)生汽竄井噴事故[2]。
2.1.2 光桿斷脫影響油井生產(chǎn)時(shí)率
上死點(diǎn)到盤(pán)根盒有3~5 m距離,斷脫時(shí),懸繩器下的方卡子要承受桿柱的重量和活塞上液柱的重量,還要承受沖擊載荷,此時(shí)很難保證備用卡子起作用。通過(guò)對(duì)研究區(qū)域2018—2019年光桿斷脫情況進(jìn)行分類(lèi),主要有以下三種情況:
1)光桿斷脫后,防斷脫卡子起作用,光桿被托在盤(pán)根盒上(約占斷脫井40%),油井恢復(fù)正常生產(chǎn)需要時(shí)間為3~5 h。
2)光桿斷脫后,防斷脫卡子雖然起到托住光桿的作用,使之沒(méi)有落入井內(nèi),但因光桿下落沖擊負(fù)荷大,砸壞光桿密封器,造成不同程度的跑油,甚至大面積污染(約占斷脫井20%),光桿斷裂砸壞井口到恢復(fù)油井正常生產(chǎn)所需時(shí)間4~12 h。
3)光桿斷脫后,因光桿下落沖擊負(fù)荷過(guò)大,備用防斷脫卡子失靈(約占斷脫井40%),造成不成同程度跑油污染及作業(yè)打撈等工作量,恢復(fù)生產(chǎn)至少需要12 h。
另外由于油井出砂、含蠟、油稠等因素,光桿斷脫后停井時(shí)間過(guò)長(zhǎng),容易造成油井砂卡、蠟卡,必須洗井或者作業(yè)[3],恢復(fù)油井正常生產(chǎn)需要8~72 h,冬季也容易造成原油凍堵管線(xiàn)。
游梁式抽油機(jī)長(zhǎng)期高強(qiáng)度運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,光桿在有規(guī)律的上下運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變負(fù)荷,交變應(yīng)力與負(fù)荷在光桿懸點(diǎn)處受力最大,承受這點(diǎn)負(fù)荷的即負(fù)荷卡子[4]。負(fù)荷指物體所承載的重量。應(yīng)力定義為“單位面積上所承受的附加內(nèi)力,材料發(fā)生形變時(shí)其內(nèi)部產(chǎn)生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力,把分布內(nèi)力在一點(diǎn)的集度稱(chēng)為應(yīng)力”[5]。
抽油機(jī)最大最小負(fù)荷的計(jì)算方法[6]:泵深在1 000~1 300 m,計(jì)算懸點(diǎn)的最大負(fù)荷為52.1~68.3 kN,最小負(fù)荷29.5~38.8 kN,公式為:
式中:Pmax為抽油機(jī)懸點(diǎn)最大載荷,kN;Pmin為抽油機(jī)懸點(diǎn)最小載荷,kN;P桿為抽油桿在空氣中的重量,kg/m;P液為抽油桿在液體中的重量,kg;S為沖程,m;n為沖次,次/min;ρ桿為桿的密度,kg/m3;S桿為桿的橫截面積,m2;ρ液為液體密度,kg/m3;S液為液柱的橫截面積,m2。
負(fù)荷卡子應(yīng)力點(diǎn)分析見(jiàn)圖1,光桿負(fù)荷卡子咬合處有牙印,加上慣性力與油井產(chǎn)出液的摩擦阻力,油井出液的浮力、拉力、壓力、橫向的切力,當(dāng)交變應(yīng)力達(dá)到或超出光桿可承受的交變載荷值時(shí)[7],它就會(huì)產(chǎn)生破壞性作用。當(dāng)超過(guò)光桿的應(yīng)力極限時(shí),往往會(huì)從受損處引起斷裂,所以光桿斷脫時(shí),斷脫點(diǎn)95%以上都是在懸繩器之上、負(fù)荷卡子卡牙底平面處。
圖1 負(fù)荷卡子應(yīng)力點(diǎn)分析Fig.1 Stress point analysis diagram of load clamp
抽油機(jī)附件懸繩器是井下載荷與地面設(shè)備的連接裝置。懸掛在抽油機(jī)驢頭頂部的毛辮子,通過(guò)懸繩器兩側(cè)通孔固定在懸繩器上,方卡子的卡牙緊固住穿過(guò)懸繩器中心孔的光桿,在光桿承受的井下桿柱及液柱載荷的作用下坐實(shí)在懸繩器上端,從而實(shí)現(xiàn)井下載荷與地面抽油機(jī)設(shè)備的連接。
針對(duì)常規(guī)懸繩器光桿防斷脫存在的不足,把在常規(guī)懸繩器上使用的防斷脫的備卡子移到平衡鐵與毛辮子之間的位置,即在平衡鐵下方做一個(gè)“凹”字形懸繩器,把備卡子安裝在“凹”字形懸繩器的U形槽內(nèi),當(dāng)光桿在平衡鐵上方承重方卡子下方斷裂時(shí),U形槽內(nèi)的備卡子能瞬間卡住光桿,防止下落,油井可以繼續(xù)正常生產(chǎn)。
光桿防斷脫懸繩器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2,在光桿正常上下運(yùn)行時(shí),安裝在平衡鐵下方“凹”字形懸繩器U形槽內(nèi)的備卡子不受力,當(dāng)光桿斷裂脫落時(shí),光桿向下發(fā)生快速位移,平衡鐵下的備卡子也迅速下落,在卡子下落到3 cm時(shí),卡子下平面與“凹”字形懸繩器內(nèi)平面接觸,托住卡子的下落趨勢(shì),使抽油機(jī)正常生產(chǎn)運(yùn)行,起到斷后防脫的作用。斷脫后光桿下落3 cm,不會(huì)下落3~5 m,沖擊負(fù)荷會(huì)大大減小,避免了因沖擊負(fù)荷過(guò)大造成光桿震動(dòng)斷脫、卡子失靈或砸壞光桿密封器而出現(xiàn)大面積污染[8-9]。
圖2 光桿防斷脫懸繩器結(jié)構(gòu)Fig.2 Schematic diagram of polished rod anti breaking rope hanger
2019年,在齊108塊7-01C、觀18、06-04等3口井上進(jìn)行了安裝試驗(yàn)。7-01C井側(cè)鉆后井斜大,生產(chǎn)中負(fù)荷加大,開(kāi)采蓮Ⅲ油層,原油黏度較高[10],2020年6月該井光桿在負(fù)荷卡子處斷脫,光桿防斷脫懸繩器防脫成功,斷后防脫效果較好。截至到2020年12月31日,其他油井未發(fā)生斷脫事故。在安裝“抽油機(jī)光桿防斷脫懸繩器”后,有以下的優(yōu)點(diǎn):
1)按照操作規(guī)程安裝該裝置,程序簡(jiǎn)單、安全可靠,此外,該裝置研制的成功提高了崗位工人在井口工作時(shí)的安全系數(shù),避免了因光桿斷所造成的各種安全環(huán)保事故。
2)該裝置不破壞原采油工藝,抽油機(jī)設(shè)備的結(jié)構(gòu),安裝方便,可以重復(fù)使用。且采用機(jī)械鋼結(jié)構(gòu),性能穩(wěn)定,并保證各部件質(zhì)量合格。
3)裝置安裝后,完全杜絕了光桿斷停抽產(chǎn)生的不良影響,保證了原油上產(chǎn),提高了油水井生產(chǎn)時(shí)率。同時(shí)也避免了井場(chǎng)污染,降低了抽油機(jī)相關(guān)設(shè)備維修成本,減少了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
4)該裝置各配件均耐磨損,制作成本低、操作簡(jiǎn)便,不增加日常成本,避免了部分重復(fù)性成本支出。
截至到2020年底共斷脫1井次,抽油機(jī)光桿防斷脫懸繩器加工成本為1 200元/個(gè),加工了3個(gè)抽油機(jī)光桿防斷脫懸繩器共計(jì)3 600元,減少作業(yè)成本2萬(wàn)元,提高油井生產(chǎn)時(shí)率增油5.6 t,減少污染補(bǔ)償費(fèi)1萬(wàn)元,獲經(jīng)濟(jì)效益3.04萬(wàn)元。
“抽油機(jī)光桿防斷脫懸繩器”操作簡(jiǎn)單實(shí)用性強(qiáng),有效減輕了員工的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了油井生產(chǎn)時(shí)率,實(shí)現(xiàn)了班組創(chuàng)效最大化。該裝置的研制為油田的安全生產(chǎn)做出了貢獻(xiàn),推進(jìn)了環(huán)保生產(chǎn)技術(shù)革新。避免了因光桿斷裂而造成井口原油溢出的污染問(wèn)題。研究區(qū)域毗鄰紅海灘旅游區(qū),地處自然保護(hù)區(qū),區(qū)塊內(nèi)葦田、稻田和魚(yú)池密布,良好的“綠色”環(huán)境能讓各地游客來(lái)此了解油田、了解抽油機(jī)、了解環(huán)保生產(chǎn),增加了采油廠(chǎng)、油田公司的美譽(yù)度。
該技術(shù)主要應(yīng)用于石油行業(yè)抽油機(jī)井上,使用的前提是,抽油機(jī)在上死點(diǎn)時(shí),驢頭下端距懸繩器上平面要有25 cm的距離。主要適用于兩個(gè)方面:適用稠油井,由于油稠負(fù)荷大易斷脫井;適用于出砂嚴(yán)重、結(jié)蠟嚴(yán)重而負(fù)荷過(guò)大易斷脫井。該項(xiàng)成果目前處于推廣應(yīng)用初期階段,由于其安裝方法簡(jiǎn)單方便,可在各油田同類(lèi)問(wèn)題油井中推廣應(yīng)用。