抽油機光桿防斷脫懸繩器的研制與應(yīng)用

張孝寧 陳樹勇 柳轉(zhuǎn)陽 張孝燕（中油遼河油田公司）

1 區(qū)域概況

研究區(qū)域為齊108塊，區(qū)塊構(gòu)造上位于遼河盆地西部凹陷西斜坡南部，歡喜嶺上臺階中段上傾部位，開發(fā)目的層為沙三下蓮花油層，含油面積4.1 km2，石油地質(zhì)儲量2 157×104t[1]。

研究區(qū)域目前開井1 641口，由于負荷的交變影響，油井在生產(chǎn)過程中，光桿懸點處極易發(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、抽油機空載運行、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。針對這一問題，一直采用在下死點打備用卡子的方法予以解決，但該方法仍然存在不足之處。

2 現(xiàn)場中存在的問題及原因分析

2.1 存在的問題

研究區(qū)域?qū)儆谔爻碛陀吞?，采用蒸汽吞吐的開采方式，使用的抽油設(shè)備90%以上為游梁式抽油機。當油井生產(chǎn)進入一個周期吞吐中后期時，原油黏度增大時，抽油機光桿負荷卡子在運行中會承受較大的交變載荷。由于大部分抽油機上行時負荷較大，因此95%以上的光桿斷脫事故發(fā)生在上死點負荷卡子處。

抽油機光桿斷脫毫無征兆，日常巡檢過程中，無法及時發(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)運行過程中，預(yù)防抽油機光桿防斷脫方法是在抽油機下死點，密封器上方20 cm處打一備用卡子。光桿在上部負荷卡子處斷脫后，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口流程，造成額外的經(jīng)濟損失。

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。在稠油開發(fā)區(qū)塊，油井一般采取蒸汽吞吐或蒸汽驅(qū)開發(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)便有可能噴出高溫液體，灼傷井場員工，同時發(fā)生汽竄井噴事故[2]。

2.1.2 光桿斷脫影響油井生產(chǎn)時率

上死點到盤根盒有3～5 m距離，斷脫時，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，此時很難保證備用卡子起作用。通過對研究區(qū)域2018—2019年光桿斷脫情況進行分類，主要有以下三種情況：

1）光桿斷脫后，防斷脫卡子起作用，光桿被托在盤根盒上（約占斷脫井40%），油井恢復(fù)正常生產(chǎn)需要時間為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，使之沒有落入井內(nèi)，但因光桿下落沖擊負荷大，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)所需時間4～12 h。

3）光桿斷脫后，因光桿下落沖擊負荷過大，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，光桿斷脫后停井時間過長，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。

2.2 影響因素

游梁式抽油機長期高強度運轉(zhuǎn)過程中，光桿在有規(guī)律的上下運動時產(chǎn)生應(yīng)變負荷，交變應(yīng)力與負荷在光桿懸點處受力最大，承受這點負荷的即負荷卡子[4]。負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)力在一點的集度稱為應(yīng)力”[5]。

抽油機最大最小負荷的計算方法[6]：泵深在1 000～1 300 m，計算懸點的最大負荷為52.1～68.3 kN，最小負荷29.5～38.8 kN，公式為：

式中：Pmax為抽油機懸點最大載荷，kN；Pmin為抽油機懸點最小載荷，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。

負荷卡子應(yīng)力點分析見圖1，光桿負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，當交變應(yīng)力達到或超出光桿可承受的交變載荷值時[7]，它就會產(chǎn)生破壞性作用。當超過光桿的應(yīng)力極限時，往往會從受損處引起斷裂，所以光桿斷脫時，斷脫點95%以上都是在懸繩器之上、負荷卡子卡牙底平面處。

圖1 負荷卡子應(yīng)力點分析Fig.1 Stress point analysis diagram of load clamp

3 設(shè)計及工作原理

抽油機附件懸繩器是井下載荷與地面設(shè)備的連接裝置。懸掛在抽油機驢頭頂部的毛辮子，通過懸繩器兩側(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在懸繩器上端，從而實現(xiàn)井下載荷與地面抽油機設(shè)備的連接。

3.1 光桿防斷脫懸繩器的設(shè)計

針對常規(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“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)，當光桿在平衡鐵上方承重方卡子下方斷裂時，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)。

3.2 新型懸繩器工作原理

光桿防斷脫懸繩器結(jié)構(gòu)見圖2，在光桿正常上下運行時，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，當光桿斷裂脫落時，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，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，使抽油機正常生產(chǎn)運行，起到斷后防脫的作用。斷脫后光桿下落3 cm，不會下落3～5 m，沖擊負荷會大大減小，避免了因沖擊負荷過大造成光桿震動斷脫、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

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

2019年，在齊108塊7-01C、觀18、06-04等3口井上進行了安裝試驗。7-01C井側(cè)鉆后井斜大，生產(chǎn)中負荷加大，開采蓮Ⅲ油層，原油黏度較高[10]，2020年6月該井光桿在負荷卡子處斷脫，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“抽油機光桿防斷脫懸繩器”后，有以下的優(yōu)點：

1）按照操作規(guī)程安裝該裝置，程序簡單、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，抽油機設(shè)備的結(jié)構(gòu)，安裝方便，可以重復(fù)使用。且采用機械鋼結(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)時率。同時也避免了井場污染，降低了抽油機相關(guān)設(shè)備維修成本，減少了工人勞動強度。

4）該裝置各配件均耐磨損，制作成本低、操作簡便，不增加日常成本，避免了部分重復(fù)性成本支出。

5 經(jīng)濟效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

截至到2020年底共斷脫1井次，抽油機光桿防斷脫懸繩器加工成本為1 200元/個，加工了3個抽油機光桿防斷脫懸繩器共計3 600元，減少作業(yè)成本2萬元，提高油井生產(chǎn)時率增油5.6 t，減少污染補償費1萬元，獲經(jīng)濟效益3.04萬元。

5.2 社會效益

“抽油機光桿防斷脫懸繩器”操作簡單實用性強，有效減輕了員工的勞動強度，提高了油井生產(chǎn)時率，實現(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，推進了環(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題。研究區(qū)域毗鄰紅海灘旅游區(qū)，地處自然保護區(qū)，區(qū)塊內(nèi)葦田、稻田和魚池密布，良好的“綠色”環(huán)境能讓各地游客來此了解油田、了解抽油機、了解環(huán)保生產(chǎn)，增加了采油廠、油田公司的美譽度。

6 推廣應(yīng)用前景

該技術(shù)主要應(yīng)用于石油行業(yè)抽油機井上，使用的前提是，抽油機在上死點時，驢頭下端距懸繩器上平面要有25 cm的距離。主要適用于兩個方面：適用稠油井，由于油稠負荷大易斷脫井；適用于出砂嚴重、結(jié)蠟嚴重而負荷過大易斷脫井。該項成果目前處于推廣應(yīng)用初期階段，由于其安裝方法簡單方便，可在各油田同類問題油井中推廣應(yīng)用。