煤层气井自调偏式井口密封装置研制与试验_庞涛.pdf

第 47 卷 第 5 期 煤田地质与勘探 Vol. 47 No.5 2019 年 10 月 COAL GEOLOGY wellhead sealing device; self-adjusting deflected; development and test 煤层气开发对于保护环境和调整我国能源结构 具有重要意义[1-5]。现有煤层气田的排采设备以从油 田移植过来的游梁式有杆泵为主[6-10]，而有杆抽油 井中 98以上的井口密封采用的是常规光杆密封装 置[11]。在煤层产气量大、泵的吸入口位置高于煤层 顶板的情况下，大量气体随水进入泵筒，由油管到 达井口。由于井口安装不正、地基变形、光杆偏磨 严重等问题，水、气会从光杆和盘根之间的空隙泄 漏出来，造成井口瓦斯浓度过高，遇明火易发生燃 爆，存在严重的安全隐患，且长期漏水、漏气会腐 蚀井口装置，缩短设备寿命。一些石油工作者[12-15] 在采油过程中研究出了一些装置来减少井口漏油， 对于产油井取得了一定的效果，但尚无应用于煤层 气井的案例。为解决这一问题，笔者研制出了一种 新型煤层气井自调偏式井口密封装置，该装置适用 于井口油管压力低、密封介质以水含气为主的煤 层气井这一生产特征，能够满足排采工艺的要求， 可以有效减少排采过程中井口出现的漏水、漏气问 题，确保安全生产。 1 结构组成及原理分析 1.1 结构组成 自调偏式井口密封装置由盘根密封盒、自调偏 部分、下接头 3 部分组成。盘根密封盒由两级扶正 环和填料盒组成；自调偏部分由高压柔性胶管和中 空的万向节结构总成组成，万向节结构总成包括上 ChaoXing 128 煤田地质与勘探 第 47 卷 下支撑体和承扭连接环；下接头由接头部分和承磨 环组成，结构组成如图 1。 1.2 工作原理 煤层气井生产过程中，由于密封盒与井口采用 挠性软管连接，密封盒可随光杆自动调节，光杆受 一级扶正环和二级扶正环加持，始终与密封盒中的 盘根保持同心，保证了井口的密封效果。同时，由 于挠性软管外部设置了万向节结构总成，密封盒所 受载荷及扭矩可传递给井口三通， 挠性软管不受力， 便于装置的安装和旋转压帽以压紧盘根。 2 设计要点及主要技术参数 2.1 密封盒 盘根密封盒包含盘根盒、一级扶正环、二级扶 正环、盘根和压帽图 1。一级扶正环和二级扶正环 形成两级扶正功能，分别设在盘根的两端，内径小 于盘根内径约 12 mm，当光杆依次穿过一级扶正 环、盘根和二级扶正环时，在两级扶正环的作用下， 盘根与光杆能够始终保持同心，压帽安装在盘根盒 上部以压紧盘根，形成对光杆的有效密封。 1光杆；2下接头；3承磨环；4软管固定环；5下支撑 体；6销轴；7承扭连接盘；8挠性软管；9上支撑体； 10一级扶正环；11盘根盒；12盘根；13二级扶正环； 14压帽；15上接头 图 1 自调偏式井口密封装置结构图 Fig.1 Schematic structure diagram of self-adjusting deflected wellhead sealing device 2.2 挠性软管自调偏连接总成 挠性软管自调偏连接总成包含挠性软管和万向 节结构总成图 2。 图 2 挠性软管自调偏连接总成结构图 Fig.2 Structural diagram of self-adjusting deflected assembly with flexible hose 挠性软管的两端通过压接或以其他方式固定于 密封盒总成下部和下接头总成上部。上接头两侧分 别设有相对称的 L 型上支撑体，两个上支撑体从上 接头向外延伸后再分别向下延伸，下接头的两侧分 别设有相对设置的 L 型下支撑体，两个下支撑体从 下接头向外延伸后再分别向上延伸，上支撑体和下 支撑体相互间隔 90设置，挠性软管的外部设有一 个承扭连接盘， 承扭连接盘的周缘设有依次间隔 90 的销轴，其中两个相对设置的销轴分别穿过两个上 支撑体末端的销轴孔，另外两个相对设置的销轴分 别穿过两个下支撑体末端的销轴孔图 3，由此，承 扭连接盘通过销轴与上支撑体和下支撑体相连接， 在 挠性软管外部形成万向节结构总成， 通过这种结构设 置，有效实现了盘根在光杆弯曲过程中的实时跟踪。 注图中数字代号与图 1 中相同。 图 3 平移调偏装置示意图 Fig.3 Schematic diagram of translation and deflection-adjusting device 承扭连接盘内径大于挠性软管，挠性软管可从 承扭连接盘中穿过并有一定的活动空间，从而在保 持挠性软管的挠性跟踪时提供上下接头的有效连 接。销轴能够使上、下支撑体和承扭连接盘呈角度 运动和发生小范围水平位移偏移图 3 中 a、b 长度 发生变化。 2.3 下接头总成 下接头总成的下部与井口三通连接或通过光杆 闸阀、球阀等防喷装置与井口三通相连接，下接头 的内侧嵌有一个承磨环， 承磨环内径稍小于下接头、 井口三通及油管内径，防止将井口偏磨转移到井下 装置图 1。 2.4 主要技术参数 根据煤层气井的生产特征和井口装置相关参 数，自调偏式井口密封装置的主要技术参数如表 1。 3 安装方法及注意事项 3.1 安 装 煤层气井自调偏式井口密封装置安装步骤① 停抽，将抽油机驴头停在距下死点约 0.4 m 的位置， 刹紧刹车；② 卸松原密封装置盘根压帽油井需先 关回压阀门，开放空阀门放空；③ 卸下原密封装 置，用铁链悬挂在悬绳器上；④ 在原密封装置与井 ChaoXing 第 5 期 庞涛 煤层气井自调偏式井口密封装置研制与试验 129 表 1 自调偏式井口密封装置主要技术指标 Table 1 Main technical inds of self-adjusting deflected wellhead sealing device 适用光杆直径/mm 工作压力/MPa最大允许调偏量/mm 工作温度/℃ 工作介质 质量/kg 外形尺寸/mm 25 ≤4 10 –480 水、煤层气 15 500134134 注表中参数以试验井排采设备为例，可针对具体设备做调整。 口三通间安装方卡；⑤ 检查抽油机周围无障碍物， 缓慢松开刹车，使光杆载荷通过方卡坐在井口三通 上；⑥ 继续松刹车，使悬绳器完全松开；⑦ 卸下 悬绳器、光杆上堵头；⑧ 将原密封装置从光杆上取 出；⑨ 将自调偏式井口密封装置以密封器、一级扶 正环、盘根、二级扶正环、压帽的顺序从光杆上部 套入，下放至方卡子位置；⑩ 安装悬绳器、光杆上 堵头； 检查抽油机周围无障碍物，开动电机、松 开刹车，待驴头上行、光杆载荷由方卡子转移到悬 绳器后，刹紧刹车，关闭电机； 松开方卡子，将 新型密封装置下放至三通位置并安装； 开动电 机、松开刹车，观察盘根是否渗漏、光杆是否发热， 观察变频器电流、电压情况，根据情况适当调整盘 根压帽。 3.2 注意事项 该装置在使用时应注意 ① 安装前检查光杆表 面是否光滑，如有毛刺应打磨平滑，防止划伤盘根， 影响装置密封性能； ② 在装置套入光杆前应先在光 杆上涂抹黄油，使盘根盒能够顺利通过光杆；③ 抽 油机开始运行时观察盘根是否渗漏、 光杆是否发热， 观察控制柜电流、电压变化情况，根据情况适当调 整盘根压帽也可通过示功仪观察；④ 发现光杆有 不均匀磨损时应立即监测偏移量，如井口偏移已达 可调偏最大值，应及时采取纠偏措施。 4 现场试验 为了验证本装置的密封效果，在贵州某煤层气 丛式井台进行了现场应用试验。该井台共有煤层气 井 5 口，1 口直井，4 口定向井，选取其中 1 口定向 井作为试验井，其余 4 口井作为对比井。5 口井同 时开始排采，抽油机冲次如表 2，井口油管压力均 为 0 MPa，运行 3 个月后检查应用效果。从图 4 可 以看出，在抽油机运行参数相近的情况下，安装有 常规井口密封装置的 4 口井井口均出现漏水情况， 表 2 试验井组冲次统计表 Table 2 Statistics of es of test well group 对比井 井别 1号 2号 3号 4号 试验井 冲次/次min–1 0.39 0.35 0.24 0.20 0.38 注排采初期冲次变化较大，各井冲次取压降阶段稳定值。 图 4 井口密封装置现场试验对比图 Fig.4 The contrastive diagram of the device with traditional device 井口装置出现了不同程度的腐蚀，而安装有自调偏 式井口密封装置的井口未出现过漏水现象，说明本 装置的密封效果较常规密封装置好。 5 结 论 a. 煤层气井自调偏式井口密封装置，其盘根密 封盒采用两级扶正环，在盘根密封填料的上下部位 加持光杆，使光杆与密封填料保持同心，形成对光 杆的有效密封。 b. 挠性软管保证了密封装置的自调偏功能，万 向节结构总成承受了密封盒所受载荷及扭矩，其组 合使密封装置既可随光杆偏移，又具有刚性，能够 很好地解决自调节和现场使用问题。 c. 下接头的承磨环防止将井口偏磨转移到井 下装置，也是本装置调偏的阀限，承磨环发生磨损 说明该井必须进行工程措施。 d. 现场试验表明，该密封装置设计合理，结构 简单，密封效果好，具有推广应用前景。 参考文献 [1] 裴柏林. 煤层气储层三维渗透率变化规律实验研究[J]. 煤田 地质与勘探，2013，41426–30. PEI Bolin. Experimental research on variation pattern of 3D permeability in coalbed methane reservoir[J]. Coal Geology Exploration，2013，41426–30. [2] 张新民，赵靖舟，张培河，等. 中国煤层气技术可采资源潜力[J]. 煤田地质与勘探，2007，35423–26. ZHANG Xinmin， ZHAO Jingzhou， ZHANG Peihe， et al. China coalbed gas technically recoverable resource potential[J]. Coal Geology Exploration，2007，35423–26. [3] 郑欢. 中国煤炭产量峰值与煤炭资源可持续利用问题研究[D]. ChaoXing 130 煤田地质与勘探 第 47 卷 成都西南财经大学，2014. [4] 李景明，巢海燕，李小军，等. 中国煤层气资源特点及开发对 策[J]. 天然气工业，2009，2949–13. LI Jingming，CHAO Haiyan，LI Xiaojun，et al. Characteristics of coalbed methane resource and the development strategies[J]. Natural Gas Industry，2009，2949–13. [5] 康向涛. 煤层水力压裂裂缝扩展规律及瓦斯抽采钻孔优化研 究[D]. 重庆重庆大学，2014. [6] 黎彬，李拥军，廖开贵，等. 螺杆泵排水采气技术在川渝某气 田的应用[J]. 钻采工艺，20084128–129. LI Bin，LI Yongjun，LIAO Kaigui，et al. Application of screw pump drainage gas production technology in a gas field in Si- chuan[J]. Drilling Production Technology，20084128–129. [7] 任源峰， 吕卫东， 冯义堂. 煤层气井电泵排采工艺技术的研究 及应用[J]. 中国煤层气，2006133–36. REN Yuanfeng，LYU Weidong，FENG Yitang. Study and ap- plication of drainage technology using electric pump in CBM wells[J]. China Coalbed Methane，2006133–36. [8] 李芳. 煤层气井电潜泵排采技术研究与应用[D]. 北京中国 石油大学北京，2011. [9] 刘春花，刘新福，周超，等. 煤层气井有杆泵排水采气设备示 功图[J]. 煤田地质与勘探，2014，42538–43. LIU Chunhua，LIU Xinfu，ZHOU Chao，et al. Dynamometer card of sucker rod pumps in coalbed methane wells[J]. Coal Geology Exploration，2014，42538–43. [10] 庞涛. 焦坪矿区煤层气井排采工艺技术研究[D]. 北京煤炭 科学研究总院，2014. [11] 刘新福，綦耀光，刘春花，等. 新型有杆抽油井口光杆密封装 置[J]. 石油机械，2008，36847–50. LIU Xinfu，QI Yaoguang，LIU Chunhua，et al. New wellhead polished rod sealing device for rod-pumping well[J]. China Pe- troleum Machinery，2008，36847–50. [12] 赵晓波，高栋梁，韩兵奇，等. FPGF–Ⅱ型自定位光杆密封器 研制[J]. 石油矿场机械，2013，421088–91. ZHAO Xiaobo，GAO Dongliang，HAN Bingqi，et al. Devel- opment of FPGF–II type self-aligning polished rod sealing units[J]. Oil Field Equipment，2013，421088–91. [13] 韩兵奇，高栋梁，王发元．抽油井光杆密封装置[J]. 油气田 地面工程，2012，31996–97. HAN Bingqi， GAO Dongliang， WANG Fayuan. Drain well light rod sealing device[J]. Oil-Gas Field Surface Engineering，2012， 31996–97. [14] 李枫， 刘彩玉. 游梁式抽油机光杆密封装置的改造[J]. 润滑与 密封，20054177. LI Feng，LIU Caiyu. Improving on the structure of the polished rod sealing device of beam pumping units[J]. Lubrication Engi- neering，20054177. [15] 吴宗泽. 机械设计师手册[M]. 北京机械工业出版社，2002. 责任编辑 范章群 ChaoXing