剪切式泄油器的研制與應用

趙東波 李峰 劉文朝 趙松柏 周艷春

1 研究背景

泄油器是修井作業(yè)時將油管內(nèi)液體排入井中避免原油溢出地面的工具，在修井現(xiàn)場廣泛應用。裝在深井泵的上部與油管連接，在抽油泵正常工作時泄油器處于關(guān)閉狀態(tài)。在修井作業(yè)過程中打開泄油器使井液泄漏至井筒內(nèi)，可改善井口操作條件，減少井場污染，同時提高井內(nèi)液面，在一定程度上避免井噴。

目前油田使用的泄油器以提拉抽油桿和投棒撞擊為操作方式的居多，但這兩種泄油器由于其操作方式及結(jié)構(gòu)經(jīng)常發(fā)生打不開、誤操作打開、抽油桿斷無法泄油等事故，導致修井作業(yè)過程中原油污染地面、作業(yè)安全系數(shù)降低、增加修井作業(yè)工作量等。

2 現(xiàn)有泄油器應用情況

目前油田生產(chǎn)、作業(yè)中使用的泄油器種類繁多，大致可分為液壓式和機械式兩大類，按照操作方式分類：機械式中有提拉抽油桿、旋轉(zhuǎn)油管、投棒撞擊等;液壓式中有爆破式等。目前各油田使用的泄油器存在不同的缺陷：①.泄油器打不開和打開關(guān)不上;②.通用性差;③.結(jié)構(gòu)復雜，成本高;④.安裝、操作復雜等。

3 研制新型泄油器

機械式的泄油器中提拉抽油桿、投棒撞擊因必須采用輔助工具打開，導致不確定因素增加，旋轉(zhuǎn)油管泄油器因其設(shè)計復雜增加了制造成本。而液壓爆破式的泄油器操作簡單、價格低廉。但是現(xiàn)有液壓爆破方式必須根據(jù)油井情況選擇爆破片，導致其通用性差，且爆破片沒有保護，當油井壓差大時容易誤開啟，因此在采用液壓打開方式的同時必須摒棄這一缺點。根據(jù)以上要求，設(shè)計了剪切式泄油器。

3.1? 結(jié)構(gòu)原理

該泄油器設(shè)計主體為一空心軸桿，上下接頭有螺紋與油管連接，泄油孔設(shè)置在泄油器上部，泄油孔上、下各裝兩個密封圈，防止加壓過程中上、下部泄漏，無法剪斷銷釘。在空心軸桿上套裝有剪切筒和防脫扶正器，剪切筒與主體用銷釘固定用以覆蓋泄油孔;防脫扶正器與主體用螺紋連接，避免銷釘剪斷后剪切筒落入井底，并防止因泄油器偏磨導致起、下管柱過程中泄油器打開。該泄油器設(shè)計采用液體加壓達到銷釘抗剪強度后剪斷銷釘，使剪切筒下落后露出泄油孔泄油。

3.2? 改進設(shè)計

經(jīng)過驗證，發(fā)現(xiàn)此設(shè)計存在缺陷，即泄油孔與剪切銷釘孔為同一孔，這樣在泄油器使用過程中，可能會由于壓差大，導致泄油孔打開，也可能因腐蝕導致剪切銷釘與主體黏合，導致泄油孔無法打開。針對此缺陷，進行了改進設(shè)計。

在原設(shè)計基礎(chǔ)上，將剪切銷釘位置下移，在剪切筒下部加入至少四個銷軸與主體固定，既加強了剪切筒與主體的連接，又使泄油孔被剪切筒完全保護。剪切銷釘基體在泄油器內(nèi)部，有效減少了井液腐蝕。

3.3 重要技術(shù)指標——銷釘材料、尺寸設(shè)計

銷釘?shù)牟牧虾统叽绱笮Q定其強度，強度大小則關(guān)系到泄油器是否會提前開啟或無法開啟。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，銅合金既保持了純銅的優(yōu)良特性，又具有較高的強度，在耐磨和耐蝕條件下適用。其中特殊黃銅加入了Al、Si、Pb、Sn等合金元素以提高耐蝕性和耐磨性。因此，將銷軸材料確定為某牌號特殊黃銅[1]。

為了確定銷釘尺寸，通過考察生產(chǎn)中抽油泵最高泵掛及井口、管柱承壓，將銷釘開啟壓力定為33MPa。隨后根據(jù)剪切強度[2]公式1及2計算出銷釘橫截面積，確定了銷釘尺寸。

3.4 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場實驗

完成設(shè)計后，針對剪切式泄油器，開展了室內(nèi)和現(xiàn)場實驗。

根據(jù)實驗結(jié)果可看出，該泄油器安全可靠?，F(xiàn)場實驗發(fā)現(xiàn)，剪切式泄油器打開時的泵車壓力因泄油器下入深度而不同。因此，在現(xiàn)場使用中，泵車壓力需由泄油器開啟壓力減去泵掛深度折算壓力。

4 應用效果

多次實驗后，將泄油器投入現(xiàn)場試用。五口油井的泄油器在作業(yè)前皆正常打開（見圖3）。試用成功后，該產(chǎn)品投入推廣。

截止2019年底剪切式泄油器已在冀東油田推廣一千余套，通過對每套泄油器使用效果及數(shù)據(jù)進行跟蹤對比可發(fā)現(xiàn)剪切式泄油器因泄油成功率高、誤開率低，極大地降低了生產(chǎn)成本，使用后產(chǎn)生的經(jīng)濟效益顯著;并且由于操作簡單、減少環(huán)境污染、提高了安全系數(shù)，產(chǎn)生的社會效益同樣顯著（見表4）。

剪切式泄油器經(jīng)過長期的推廣使用，其成本低、結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠的特性廣為人知，越來越受到生產(chǎn)單位的歡迎。

參考文獻

[1]? 京玉海 羅麗萍.機械制造基礎(chǔ)（上冊）.北京：清華大學出版社，2005

[2]? 郭光林等.工程力學.北京：機械工業(yè)出版社，2014

[3]? 李維鉞.中外有色金屬及其合金力學性能速查手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2007

[4]? 聶毓琴，孟廣偉.材料力學.北京：機械工業(yè)出版社，2009