抽油机光杆防断脱悬绳器的研制与应用

张孝宁 陈树勇 柳转阳 张孝燕（中油辽河油田公司）

1 区域概况

研究区域为齐108块，区块构造上位于辽河盆地西部凹陷西斜坡南部，欢喜岭上台阶中段上倾部位，开发目的层为沙三下莲花油层，含油面积4.1 km2，石油地质储量2 157×104t[1]。

研究区域目前开井1 641口，由于负荷的交变影响，油井在生产过程中，光杆悬点处极易发生断脱。光杆断脱后，可造成油井停产、油气泄露、环境污染、抽油机空载运行、损坏电气设备等事故。如打捞困难，从而导致油井发生检泵作业，增加了作业成本的支出。目前，作业区每年出现断光杆现象约80井次，其中造成井口跑油污染事故约20井次，造成油井检泵约35井次。针对这一问题，一直采用在下死点打备用卡子的方法予以解决，但该方法仍然存在不足之处。

2 现场中存在的问题及原因分析

2.1 存在的问题

研究区域属于特稠油油田，采用蒸汽吞吐的开采方式，使用的抽油设备90%以上为游梁式抽油机。当油井生产进入一个周期吞吐中后期时，原油黏度增大时，抽油机光杆负荷卡子在运行中会承受较大的交变载荷。由于大部分抽油机上行时负荷较大，因此95%以上的光杆断脱事故发生在上死点负荷卡子处。

抽油机光杆断脱毫无征兆，日常巡检过程中，无法及时发现。为了防止光杆断脱后，下部杆柱落入油井之中，目前在生产运行过程中，预防抽油机光杆防断脱方法是在抽油机下死点，密封器上方20 cm处打一备用卡子。光杆在上部负荷卡子处断脱后，由于备用卡子的阻挡，让下部光杆及井内杆柱悬挂在井口的光杆密封器上，避免了断裂的下部光杆落入井筒内，而这种防断脱方法成功率约为40%左右。另外由于备用卡子的阻挡，光杆剧烈撞击井口后悬挂在光杆密封装置上部，容易损坏光杆密封装置及附近进口流程，造成额外的经济损失。

2.1.1 安全隐患

光杆发生断脱的瞬间，如果有员工在井口擦密封器上的油污，则断脱容易挤压手。光杆断脱产生的巨大振动力可导致悬绳器上物体落下，造成更大的人身伤害。在稠油开发区块，油井一般采取蒸汽吞吐或蒸汽驱开发，一旦出现油井光杆断脱而备卡子又失灵的情况，油井内便有可能喷出高温液体，灼伤井场员工，同时发生汽窜井喷事故[2]。

2.1.2 光杆断脱影响油井生产时率

上死点到盘根盒有3～5 m距离，断脱时，悬绳器下的方卡子要承受杆柱的重量和活塞上液柱的重量，还要承受冲击载荷，此时很难保证备用卡子起作用。通过对研究区域2018—2019年光杆断脱情况进行分类，主要有以下三种情况：

1）光杆断脱后，防断脱卡子起作用，光杆被托在盘根盒上（约占断脱井40%），油井恢复正常生产需要时间为3～5 h。

2）光杆断脱后，防断脱卡子虽然起到托住光杆的作用，使之没有落入井内，但因光杆下落冲击负荷大，砸坏光杆密封器，造成不同程度的跑油，甚至大面积污染（约占断脱井20%），光杆断裂砸坏井口到恢复油井正常生产所需时间4～12 h。

3）光杆断脱后，因光杆下落冲击负荷过大，备用防断脱卡子失灵（约占断脱井40%），造成不成同程度跑油污染及作业打捞等工作量，恢复生产至少需要12 h。

另外由于油井出砂、含蜡、油稠等因素，光杆断脱后停井时间过长，容易造成油井砂卡、蜡卡，必须洗井或者作业[3]，恢复油井正常生产需要8～72 h，冬季也容易造成原油冻堵管线。

2.2 影响因素

游梁式抽油机长期高强度运转过程中，光杆在有规律的上下运动时产生应变负荷，交变应力与负荷在光杆悬点处受力最大，承受这点负荷的即负荷卡子[4]。负荷指物体所承载的重量。应力定义为“单位面积上所承受的附加内力，材料发生形变时其内部产生了大小相等但方向相反的反作用力抵抗外力，把分布内力在一点的集度称为应力”[5]。

抽油机最大最小负荷的计算方法[6]：泵深在1 000～1 300 m，计算悬点的最大负荷为52.1～68.3 kN，最小负荷29.5～38.8 kN，公式为：

式中：Pmax为抽油机悬点最大载荷，kN；Pmin为抽油机悬点最小载荷，kN；P杆为抽油杆在空气中的重量，kg/m；P液为抽油杆在液体中的重量，kg；S为冲程，m；n为冲次，次/min；ρ杆为杆的密度，kg/m3；S杆为杆的横截面积，m2；ρ液为液体密度，kg/m3；S液为液柱的横截面积，m2。

负荷卡子应力点分析见图1，光杆负荷卡子咬合处有牙印，加上惯性力与油井产出液的摩擦阻力，油井出液的浮力、拉力、压力、横向的切力，当交变应力达到或超出光杆可承受的交变载荷值时[7]，它就会产生破坏性作用。当超过光杆的应力极限时，往往会从受损处引起断裂，所以光杆断脱时，断脱点95%以上都是在悬绳器之上、负荷卡子卡牙底平面处。

图1 负荷卡子应力点分析Fig.1 Stress point analysis diagram of load clamp

3 设计及工作原理

抽油机附件悬绳器是井下载荷与地面设备的连接装置。悬挂在抽油机驴头顶部的毛辫子，通过悬绳器两侧通孔固定在悬绳器上，方卡子的卡牙紧固住穿过悬绳器中心孔的光杆，在光杆承受的井下杆柱及液柱载荷的作用下坐实在悬绳器上端，从而实现井下载荷与地面抽油机设备的连接。

3.1 光杆防断脱悬绳器的设计

针对常规悬绳器光杆防断脱存在的不足，把在常规悬绳器上使用的防断脱的备卡子移到平衡铁与毛辫子之间的位置，即在平衡铁下方做一个“凹”字形悬绳器，把备卡子安装在“凹”字形悬绳器的U形槽内，当光杆在平衡铁上方承重方卡子下方断裂时，U形槽内的备卡子能瞬间卡住光杆，防止下落，油井可以继续正常生产。

3.2 新型悬绳器工作原理

光杆防断脱悬绳器结构见图2，在光杆正常上下运行时，安装在平衡铁下方“凹”字形悬绳器U形槽内的备卡子不受力，当光杆断裂脱落时，光杆向下发生快速位移，平衡铁下的备卡子也迅速下落，在卡子下落到3 cm时，卡子下平面与“凹”字形悬绳器内平面接触，托住卡子的下落趋势，使抽油机正常生产运行，起到断后防脱的作用。断脱后光杆下落3 cm，不会下落3～5 m，冲击负荷会大大减小，避免了因冲击负荷过大造成光杆震动断脱、卡子失灵或砸坏光杆密封器而出现大面积污染[8-9]。

图2 光杆防断脱悬绳器结构Fig.2 Schematic diagram of polished rod anti breaking rope hanger

4 现场应用效果

2019年，在齐108块7-01C、观18、06-04等3口井上进行了安装试验。7-01C井侧钻后井斜大，生产中负荷加大，开采莲Ⅲ油层，原油黏度较高[10]，2020年6月该井光杆在负荷卡子处断脱，光杆防断脱悬绳器防脱成功，断后防脱效果较好。截至到2020年12月31日，其他油井未发生断脱事故。在安装“抽油机光杆防断脱悬绳器”后，有以下的优点：

1）按照操作规程安装该装置，程序简单、安全可靠，此外，该装置研制的成功提高了岗位工人在井口工作时的安全系数，避免了因光杆断所造成的各种安全环保事故。

2）该装置不破坏原采油工艺，抽油机设备的结构，安装方便，可以重复使用。且采用机械钢结构，性能稳定，并保证各部件质量合格。

3）装置安装后，完全杜绝了光杆断停抽产生的不良影响，保证了原油上产，提高了油水井生产时率。同时也避免了井场污染，降低了抽油机相关设备维修成本，减少了工人劳动强度。

4）该装置各配件均耐磨损，制作成本低、操作简便，不增加日常成本，避免了部分重复性成本支出。

5 经济效益分析

5.1 经济效益

截至到2020年底共断脱1井次，抽油机光杆防断脱悬绳器加工成本为1 200元/个，加工了3个抽油机光杆防断脱悬绳器共计3 600元，减少作业成本2万元，提高油井生产时率增油5.6 t，减少污染补偿费1万元，获经济效益3.04万元。

5.2 社会效益

“抽油机光杆防断脱悬绳器”操作简单实用性强，有效减轻了员工的劳动强度，提高了油井生产时率，实现了班组创效最大化。该装置的研制为油田的安全生产做出了贡献，推进了环保生产技术革新。避免了因光杆断裂而造成井口原油溢出的污染问题。研究区域毗邻红海滩旅游区，地处自然保护区，区块内苇田、稻田和鱼池密布，良好的“绿色”环境能让各地游客来此了解油田、了解抽油机、了解环保生产，增加了采油厂、油田公司的美誉度。

6 推广应用前景

该技术主要应用于石油行业抽油机井上，使用的前提是，抽油机在上死点时，驴头下端距悬绳器上平面要有25 cm的距离。主要适用于两个方面：适用稠油井，由于油稠负荷大易断脱井；适用于出砂严重、结蜡严重而负荷过大易断脱井。该项成果目前处于推广应用初期阶段，由于其安装方法简单方便，可在各油田同类问题油井中推广应用。