井筒自动除硫装置及其除硫方法

李　周　刘建仪　吴　昊　刘百川

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都　610500；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都　610500；3.冀东油田南堡作业区地质研究所， 河北唐山　063200）

井筒自动除硫装置及其除硫方法

李周1刘建仪2吴昊1刘百川3

（1.西南石油大学石油与天然气工程学院，四川成都610500；2.西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都610500；3.冀东油田南堡作业区地质研究所， 河北唐山063200）

针对目前某些气田井筒硫沉积严重，现阶段化学溶硫剂具有剧毒性、现场操作工艺复杂、除硫效果不明显等问题，提出了一种新型井筒自动除硫装置及其除硫方法。该装置通过将天然气的能量转化为自身的动力，实现自身的旋转，并从井底向井口运动，以液力除硫和机械除硫相结合，对井筒壁面上所沉积的硫进行清除，实现了除硫的自动化、节能化、高效化。室内试验结果表明，该装置可以在井生产期间对井筒壁面上所沉积的硫实现有效清除，并且其具有操作简单、费用低、机械结构简单等优点，具有良好的应用前景。

井筒结硫；自动化；除硫装置；除硫方法

酸性气藏在开采过程中，溶解于酸性气体中的单质硫，会随天然气从地层流入井筒，由于压力、温度的下降，导致单质硫在气体中的溶解度降低。当单质硫含量超过天然气含硫饱和度以后，气体中的单质硫将不断地从天然气中析出，如果气井气流速度达不到携带出单质硫的临界速度时，单质硫将在井筒通道中沉积下来［1-3］。随着时间的推移，沉积量会逐渐增大，可能堵死射孔孔眼、井筒，更有甚者使气井不能正常生产［4］。除此之外，单质硫的沉积也会对井下管柱造成严重的腐蚀。

因此， 怎样有效清除井筒沉积的单质硫关系到气井是否可以正常生产。目前，除硫技术主要有化学除硫，其主要是通过配制溶硫剂，来溶解井筒中沉积的硫。但是一般溶硫剂都有剧毒性，并且现场施工表明其施工工艺复杂，井筒溶硫效果不好［5-8］。如果采用机械除硫方式，则和机械除蜡一样，现阶段的机械除硫方式具有以下缺点：刮刀片的外径固定，往往导致除硫装置下放困难，无法下入到结硫更严重的地方；遇到硬度大的硫沉积时，容易使刀片卡住；机械带来的能耗严重，需要地面动力设备提供刮硫器的井下除硫动力；整个除硫周期耗费时间长，除硫系统设备操作复杂。以上种种原因，使得除硫效果达不到预期［9］。因此，设计了一种利用井下气液动力转化为除硫装置除硫动力的井筒自动除硫装置，来解决当前的井筒硫沉积问题。该装置可以对井筒壁面上沉积的硫实现快速有效的清除。

1　井筒自动除硫装置

1.1主体结构

井筒自动除硫装置［10-11］包括泵壳、泵体、芯轴、进流体头、胶筒、接头、叶轮和刮刀装置。其中泵体包括设置有泵腔的主体和封盖泵腔的盖体，泵体设置于泵壳内，主体和盖体均通过销钉与泵壳固定连接，芯轴设置于泵腔内，主体和盖体上均设置有安装芯轴的轴孔，盖体上的轴孔轴向贯穿盖体，主体的轴端面和盖体上均布置有多个贯穿轴端面和盖体的通孔，芯轴的两端分别固定连接于主体和盖体上。装置结构如图1所示。

图1　井筒自动除硫装置结构示意图

1.2刮刀片结构设计

刮刀片内部设置［12］的流体通道包括中心流道和多个连通中心流道与外部空间的喷嘴流道。喷嘴流道与刮刀片的轴心线位于同一平面内，直径均为0.6~1.0 mm。喷嘴流道包括1个中心喷嘴、1个射流喷嘴和1个侧喷嘴，中心喷嘴与刮刀片的轴心线同轴设置，射流喷嘴与刮刀片的轴心线呈14°夹角，侧喷嘴垂直于刮刀片的中心轴线。锁定、打开控制器主要用于刮刀片地面的锁定以及井筒除硫工作时的自动打开，其采用的是交替式开关的锁位原理。刮刀片的结构如图2所示。

1.3工作流程

井筒自动除硫装置进行井筒除硫的流程，包括以下步骤。

图2　刮刀片结构示意图

（1）选择刮刀片、弹簧，组装井筒自动除硫装置。

（2）将整个除硫装置下放到井底，在下放过程中，除硫装置经过井筒结硫处时，由于井筒的过流界面变小，刮刀片受到壁面的反作用力，井壁面的硫厚度越大，则给刮刀片的反作用力就越大，当反作用力大于一定值时，会使得循环锁紧/解锁结构的锁扣打开，导致刮刀片受到弹簧力的作用。

（3）由于重力的作用，除硫装置将继续下行，原本被锁住的刮刀片会相继打开，处于工作状态。当装置在向下运动过程中由于温度的升高胶筒膨胀，使得胶筒筒半径增大，减小了除硫装置与油管之间的过流界面或将油管完全堵死。

（4）由于胶筒的封隔作用，气液会推动整个装置向上运动，地层气体或者液体通过进流体头沿着流通通道进入装置，气液冲击半闭式叶轮，将地层气液动能转化为除硫装置机械能，从而驱动整个装置旋转。当遇阻时，刮刀片开始工作，当刮刀片难以克服阻力除硫时，刮刀片可以改变工作半径，只去除表层的硫，减小了卡转的可能，而难以除去的硫由下一组工作半径更大的刮刀片来去除。装置的旋转和向上运动同时进行，实现了除硫装置的自动除硫。气液通过通道从刮刀片中高速喷射出，既粉碎了硫，达到除硫的效果，也驱动整个装置旋转。当除硫阶段完成，除硫装置由于气流的推动作用上升到井口，取下装置，除硫完成。

1.4装置关键参数的选择

装置下放之前，必须对装置的某些关键参数进行选择，主要遵循以下原则。

（1）根据结硫的厚度，选择合适工作半径的刮刀片，刮刀片的最大工作半径始终小于井筒的半径。

（2）根据结硫的硬度，选择刮刀片的强度，使刮刀片的强度适合井筒所结硫的强度。

（3）刮刀片的工作半径自上而下依次增大。

（4）根据结硫的硬度选择除硫装置所需的弹簧的强度。

2　装置优点

自动除硫装置实现了以下突破：克服了除硫装置刮刀片外径固定，而导致刀片容易卡住的问题；设置了胶筒，其可以在除硫装置下方过程中，随着温度的升高而膨胀使油管过流面积减小甚至封死，提高了液力值，实现了利用井下气液动能转化为除硫装置工作机械能，达到自动除硫效果；克服了现有除硫装置系统复杂、操作复杂的问题，使得井筒除硫操作变得简单；在装置两端添加过滤板，防止了因井筒气液中大颗粒杂质进入，使叶轮发生卡阻和对刮刀片中的流通通道造成堵塞的发生；为了提高除硫能力，该装置的刮刀片上设置有与中间通道连通、允许气液高速流过的通道，实现了高速气液除硫和机械除硫2种除硫方式的结合。

3　室内试验

井筒自动除硫装置对于防腐性能要求较高，但是现场施工简单，其流程如下：井筒硫沉积位置与厚度确定→除硫装置组装→通过井口下放装置→胶筒膨胀，装置开始工作→除硫完成，回收装置。

装置的某些具体参数的设定需根据气井的具体情况而定，为防止意外情况发生应在装置上部接头处安装打捞设备。

根据装置的特点，在室内对装置的关键性能进行了模拟评价试验。选用的井筒模拟管径为Ø82mm，井筒壁面上有2.3~6.2 mm厚的单质硫，选用除硫刀片直径为Ø80 mm、Ø78 mm以及Ø76 mm，加热管壁，保持温度为60 ℃。试验现象：装置下放过程顺利，待胶筒膨胀后，运动方向由向下转为向上，装置开始旋转并清除壁面上的硫，单质硫被气流不断地携带出井筒，最后装置被气流推出井筒。通过检测发现井口气体中的单质硫含量较应用前增加16.7%。

试验结果表明，本自动除硫装置可以对高含硫气井井筒沉积的单质硫进行有效清除，为气井的正常生产提供有力保障。

4　结论

（1）该装置除硫刀片经过特殊设计之后，具有下放简单、不被卡住、可变半径等优点，因此可以顺利下放到井筒结硫位置。

（2）该装置可以通过井中流体对半闭式涡轮的冲击以及水力喷射可以使整个装置旋转除硫。

（3）该装置实现了机械除硫和水力除硫的结合，除硫效果明显，试验井井口气体中单质硫含量较应用前增加16.7%。

（4）室内试验体现了本装置除硫的直接性、简单性、有效性以及环保性等优点。

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（修改稿收到日期2015-04-20）

〔编辑付丽霞〕

Automatic wellbore desulphurizing equipment and its desulphuring method

LI Zhou1, LIU Jianyi2, WU Hao1,LIU Baichuan3
（1. Oil and Gas Engineering College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 3. Institute of Geology, Nanpu Operating Area of Jidong Oilfield, Tangshan 063200, China）

In line with such problems as severe sulphur deposition in gas field wellbores, acute toxicity of chemical sulphur dissolving agent at present, complex operation process at site and unfavorable desulphuring effectiveness, this paper presents a new kind of automatic wellbore desulphuring equipment and its desulphuring method. This equipment converts the natural gas energy into its own power and realizes its rotation. It moves from hole bottom to wellhead and remove sulphur deposited on wellbore walls both hydraulically and mechanically. This equipment removes sulphur automatically, efficiently and saves energy. Indoor test results show that this equipment can effectively remove the sulphur on the wellbore wall surface during gas production, and it is characterized by easy operation, low cost, simple mechanical structure. It enjoys a good application prospect.

sulphur deposition on wellbore; automatic; desulphurizing equipment; desulpuring method

TE938文献识别码：B

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0125 – 03

10.13639/j.odpt.2015.03.029

国家自然科学基金“高含硫气藏井筒硫沉积机理研究”（编号：51474181）。

李周，1990年生。在读硕士研究生，主要从事油气田开发研究工作。电话：15928095469。E-mail：2326982929@qq.com。

引用格式：李周，刘建仪，吴昊，等.井筒自动除硫装置及其除硫方法［J］. 石油钻采工艺，2015，37（3）：125-127.