KX341-115型洗井器结构分析与现场试验

张 军,韩兵奇,高栋梁,王发元

(中国石油大学机电装备教学实习总厂,山东东营,257061)

KX341-115型洗井器结构分析与现场试验

张 军,韩兵奇,高栋梁,王发元

(中国石油大学机电装备教学实习总厂,山东东营,257061)

为验证 KX341-115型洗井器设计的合理性,利用流体力学原理对其结构进行了分析,证明该洗井器各机构动作正常,结构合理。坐封时只压缩胶筒而不会剪断安全销钉,待泵压过高时,过载保护和卸油机构可及时动作,打开泄油口卸压,以保护地面泵。为了确保该洗井器的使用性能,在胜利油田胜利采油厂进行了现场试验,结果表明,该洗井器在正常生产时不影响动液面的上返和测试,可实现无漏安全洗井,效果显著。

洗井器;坐封;防漏;过载保护

Abstract:A washover unit is one of important tools in clean out operation,and the structure of the unit has been analyzed by the theory of fluid dynamics to verify it rational.The result proves that every mechanism of the washover unit works well with a perfect structure,and the safety pins can’t be clipped in setting down,the overload protection and the oil drainage unit can act in time,and open the drain hole to protect the pump when the pressure of the pump is high.To ensure the operating performance of the washover unit,a FT has been run in Shengli production factory,Shengli oil field,which proves that the unit doesn’t affect the well test and the returning fluid,and can wash over safely and full return.The effect of flushing is obvious very much.

Key words:washover units;set down;leak protection;overload protection

为了清除有杆抽油井中泵筒、阀及油套管壁上的结蜡、结垢和结盐等杂物,增大油流渗透力,提高泵效,降低负荷,延长油井的生产周期,油田经常采用定期或不定期热洗工艺。洗井器是洗井工艺中的重要工具,用于洗井时封隔油层,防止洗井液倒灌入油层、压迫油层、污染地层环境[1]。为保证洗井作业的顺利进行,洗井器必须具有有效封隔油层、防止洗井液漏失、保护地面设备等功能。

1 工作原理[2]

洗井器(如图1)是通过流体压差和工具自锁坐封,靠密封胶筒径向胀开密封油套环空,由中心管和阀球组成的止回阀限制流体单向流动,防止洗井液漏入地层。当洗井压力过高时,可在流体压力作用下剪断安全销钉,保护地面泵。

坐封时,从地面憋压,高压流体经油管柱、洗井器上接头的径向各孔流入油套环空。由于防砂皮碗外径略大于套管内径,靠其自身弹性与套管内壁作用形成密封。作用在防砂皮碗上端面上的流体,给防砂皮碗以向下的作用力,当泵压达到一定值时,坐封销钉被剪断,防砂皮碗推动卸油滑套和锁环挡帽、锁环座并带动锁环下移,压缩密封胶筒使其径向胀开密封油套环空,同时锁环的内锯齿牙正好卡在中心管的外锯齿牙上,防止胶筒回弹,实现坐封。

正常生产时,油井产液经砂锚、尾管、洗井器中心管、止回阀进入抽油泵及以上的油套管环形空间,经抽油泵抽汲后排至地面管汇。

洗井时,洗井液由油管进入,经洗井器上接头的径向各孔流入油套管环形空间,再返回地面,实现正循环洗井。当洗井压力过高时,下挡套上的安全销钉被剪断,密封胶筒回缩、下移。同时,在上部压力作用下,防砂皮碗推动卸油滑套下移,开启中心管上的泄油孔,使泵压下降,达到保护地面泵的目的。

油井掺液加药时,当掺液压力低于动液面开启止回阀的压力时,阀球在沉没压力的作用下上移,止回阀打开,产液将源源不断地进入洗井装置以上的空间;当掺液压力高于动液面开启止回阀压力时,止回阀关闭,阻止药液漏入地层。

油井检泵作业时,上提油管,连接在泵下的洗井器一起随油管上提,此时由于密封胶筒在套管摩擦力和工具上部贮存的液体压力共同作用下相对洗井器中心管下移,将安全销钉剪断。继续上提油管,洗井器上的泄油滑套相对中心管下移,使泄油孔敞开泄油,实现检泵作业时井液不污染井场。

图1 KX341-115型洗井器

2 结构分析

洗井器包括坐封机构、止回阀、过载保护和卸油机构3部分,主要由上接头、阀球、防砂皮碗、密封胶筒、坐封销钉、安全销钉、O形圈、中心管和下接头等部件组成。

2.1 坐封机构

坐封机构主要由防砂皮碗、卸油滑套、锁环挡帽、锁环、锁环座、坐封销钉、密封胶筒、隔环等部件组成。防砂皮碗内设环形空腔,形似碗状,安装于上接头径向各出液孔的下方,以备正常生产时沉砂之用,待洗井时,再将沉砂冲出井筒,对出砂油井起到防砂的作用。防砂皮碗外径略大于套管内径,下井后,靠自身弹性与套管内壁作用形成密封,用于工具坐封,一次性使用,属易损件。防砂皮碗下方安装有锁环座,由3个坐封销钉与中心管固定,且其内部配有锁环,保证了工具顺利下井,不坐封,且一旦坐封就由锁环与中心管锯齿牙咬合,防止胶筒回缩。密封胶筒安装在锁环座和下挡套之间,由坐封销钉和安全销钉控制其密封状态,是封隔油层的主要密封件。

坐封时,从地面憋压,高压流体经油管柱、洗井器上接头的径向各孔流入油套环空,作用在防砂皮碗上端面上。由于是憋泵坐封,流体基本趋于静止,作用在防砂皮碗上端面上的流体压力为泵压和静液柱压力。

当作用在坐封销钉上的剪切应力大于坐封销钉的许用剪切应力[τ]时,坐封销钉被剪断,防砂皮碗下行,密封胶筒被压缩而径向胀开,密封油套环空。此时,防砂皮碗以下密封空间井液被压缩,由于液体具有不可压缩性而使井液产生瞬时高压,对下挡套施加向上的作用力,以平衡密封胶筒对其向下的压力,保证安全销钉不剪断,密封胶筒平稳坐封。然后,井液经止回阀流入上接头,压力慢慢降低至初始值。

2.2 止回阀[3]

止回阀主要由阀球和中心管组成,是洗井器的关键技术。用于限制流体单向流动,保持密封胶筒以下井液压力不大于洗井或坐封压力,保证油井正常生产,避免洗井加药时污染油层,并为坐封和过载保护机构提供保证。为确保阀球与密封面的良好密封,锥形密封面采用表面淬火处理,各部件采用镀NiP处理。

2.3 过载保护和卸油机构

过载保护和卸油机构主要由卸油滑套、O形圈、安全销钉等部件组成。安全销钉安装在密封胶筒的下方,承载着密封胶筒以上流体的作用力。一旦流体压力过高,即可剪断安全销钉,对地面设备进行保护。检泵作业或管柱遇卡时,上提管柱,在防砂皮碗和密封胶筒与套管内壁摩擦力的作用下,中心管相对卸油滑套上行,打开中心管上的卸油孔,即可将井液泄入井内,防止井液污染井场。

洗井时,流体对密封件的作用力不仅有流体的静液柱压力,还有由于流体动量的变化对密封件产生的反作用力。

根据流体力学知识,对油套环空防砂皮碗以上流体列流体动量方程,有

式中,p为防砂皮碗处流体压力,Pa;Fy为流体对密封件的作用力,N;v为流体速度,m/s;A为防砂皮碗处油套环空面积,m2;ρ为流体密度,kg/m3;Q为流体流量,m3/s。

防砂皮碗处流体压力为

式中,∑Δp为流体压力损失,Pa;p0为泵压,Pa。

流体速度为

联立式(1)～(3),得

密封件与套管内壁的摩擦力[4]为

式中,μ为摩擦因数为预加过盈压力,Pa;d为防砂皮碗外径,m。

作用在安全销钉上的作用力为

通常,流体压力损失∑Δp与泵压p0相比甚小,可忽略。因此,由式(6)可知,在工具下井深度、油套管环空截面积和洗井泵流量一定的情况下,作用在安全销钉上的作用力仅与洗井泵压力有关。当泵压升高,使作用在安全销钉上的剪切应力大于许用剪切应力[τ]时,安全销钉被剪断,洗井压力突降,对地面设备进行保护。

3 现场试验

为了测试洗井器各机构的性能,先后在胜利油田胜利采油厂的4口井进行了现场试验。

a) STT123-21井 泵挂深度1 400 m,生产层位砂四3(9-10),生产管柱为全井生产。2004-10-26上修新井投产作业,预计日产液量15 t,日产油量10.5 t,含水30%,含水较低,粘度较大,需要定期洗井维护。2004-10-27,根据设计要求下入该工具,上提下放管柱指重显示无卡阻。从地面憋压坐封,泵压为10 MPa,停泵10 min后压降为0,密封良好。

b) STT143-21井 泵挂深度2 300 m,生产管柱为全井生产。2005-05-24上修检泵作业,预计日产液量10.6 t,日产油量5.3 t,含水50.2%,动液面1 412.3 m,泵挂较深,含水较低,粘度较大,地层能量较低,需要定期洗井维护。2005-05-26,根据设计要求下入洗井器,反洗井显示最高泵压3 MPa,循环正常,用水45 m3,全部返出。

c) YAA42-14井 泵挂1 650 m,管杆结蜡严重,需加装洗井装置,定期维护。2006-02-25下入该工具,26日试抽正常,交井生产。日产液量7.8 t,日产油量1.8 t,含水77%,电流40～25 A。2006-03-05,由于产液量降低,对该井进行洗井维护,用脱油污水60 m3,反循环洗井,泵压6 MPa。洗后产液量19.2 t,产油量3.8 t,含水80%,电流21～24 A,效果良好。

d) YAA42-11井 泵挂2 200 m,生产管柱为全井生产,预计日产液量14.3 t,日产油量4.3 t,含水71.3%,含盐量大,易结垢,需下入洗井装置,定期维护。2007-08-13下入该工具,从地面憋压坐封,泵压显示为9.6 MPa,停泵10 min,泵压降为0。14日试抽正常,交井生产。2008-01-08,由于产液量低,对该井进行洗井维护,正洗井,泵压3 MPa。由于井下局部堵塞,洗井泵压力升至8 MPa时,安全销钉被剪断,泵压突然下降,对地面设备保护良好。

4 特点

a) 洗井器安装时无需专用工具锚定,下到预定位置后靠液体压力即可自行锚定。

b) 无需管柱压重坐封,避免了泵上油管柱弯曲而引起管杆偏磨。

c) 采用坐封机构双密封结构,保证在防砂皮碗与套管内壁摩擦失效后,靠密封胶筒仍能正常密封油层,防止洗井液漏失。

d) 正常生产时,洗井器不影响动液面的上返和测试。

e) 洗井或掺液时可有效防止漏失。

f) 检泵作业或管柱遇卡时,上提管柱即可将抽油泵以上的井液泄入井内,防止井液污染井场。

g) 该工具能消除管柱长期蠕动对密封件的磨损,使用寿命长,性能稳定。

5 结语

洗井器是洗井工艺中的重要工具,为了达到洗井冲砂的目的,必须保证洗井器的良好密封性能,防止油层污染及压力过高时压坏地层。同时,要有超压保护功能,对地面设备进行保护,降低作业成本,提高经济效益。现场试验表明,KX341-115型洗井器可实现无漏安全洗井,洗井效果明显,值得大量推广使用。

[1] 国建军,赵玉华.特种抽油泵及常用井下工具手册[K].北京:石油工业出版社,2002.

[2] 张 军,韩兵奇,高栋梁.KX341-115型扩张式安全防漏洗井器的研制[J].石油矿场机械,2008,37(11):87-89.

[3] 杨源泉.阀门设计手册[K].北京:机械工业出版社,1992.

[4] 沃森 R H.密封件与密封手册[K].北京:国防工业出版社,1990.

Structural Analysis and FT of KX341-115 Washover Units

ZHANG Jun,HAN Bing-qi,GAO Dong-liang,WANG Fa-yuan
(Mechanical&Electrical Equipment Factory,China University ofPetroleum,Dongying257061,China)

TE925

A

1001-3482(2010)08-0084-04

2010-01-26

张 军(1965-),男,山东东营人,工程师,从事石油机械产品的设计工作,E-mail:hanbq@chinaacc.com。