井筒自動(dòng)除硫裝置及其除硫方法

李　周　劉建儀　吳　昊　劉百川

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都　610500；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都　610500；3.冀東油田南堡作業(yè)區(qū)地質(zhì)研究所， 河北唐山　063200）

井筒自動(dòng)除硫裝置及其除硫方法

李周1劉建儀2吳昊1劉百川3

（1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院，四川成都610500；2.西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610500；3.冀東油田南堡作業(yè)區(qū)地質(zhì)研究所， 河北唐山063200）

針對(duì)目前某些氣田井筒硫沉積嚴(yán)重，現(xiàn)階段化學(xué)溶硫劑具有劇毒性、現(xiàn)場(chǎng)操作工藝復(fù)雜、除硫效果不明顯等問(wèn)題，提出了一種新型井筒自動(dòng)除硫裝置及其除硫方法。該裝置通過(guò)將天然氣的能量轉(zhuǎn)化為自身的動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)自身的旋轉(zhuǎn)，并從井底向井口運(yùn)動(dòng)，以液力除硫和機(jī)械除硫相結(jié)合，對(duì)井筒壁面上所沉積的硫進(jìn)行清除，實(shí)現(xiàn)了除硫的自動(dòng)化、節(jié)能化、高效化。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置可以在井生產(chǎn)期間對(duì)井筒壁面上所沉積的硫?qū)崿F(xiàn)有效清除，并且其具有操作簡(jiǎn)單、費(fèi)用低、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

井筒結(jié)硫；自動(dòng)化；除硫裝置；除硫方法

酸性氣藏在開(kāi)采過(guò)程中，溶解于酸性氣體中的單質(zhì)硫，會(huì)隨天然氣從地層流入井筒，由于壓力、溫度的下降，導(dǎo)致單質(zhì)硫在氣體中的溶解度降低。當(dāng)單質(zhì)硫含量超過(guò)天然氣含硫飽和度以后，氣體中的單質(zhì)硫?qū)⒉粩嗟貜奶烊粴庵形龀?，如果氣井氣流速度達(dá)不到攜帶出單質(zhì)硫的臨界速度時(shí)，單質(zhì)硫?qū)⒃诰餐ǖ乐谐练e下來(lái)［1-3］。隨著時(shí)間的推移，沉積量會(huì)逐漸增大，可能堵死射孔孔眼、井筒，更有甚者使氣井不能正常生產(chǎn)［4］。除此之外，單質(zhì)硫的沉積也會(huì)對(duì)井下管柱造成嚴(yán)重的腐蝕。

因此， 怎樣有效清除井筒沉積的單質(zhì)硫關(guān)系到氣井是否可以正常生產(chǎn)。目前，除硫技術(shù)主要有化學(xué)除硫，其主要是通過(guò)配制溶硫劑，來(lái)溶解井筒中沉積的硫。但是一般溶硫劑都有劇毒性，并且現(xiàn)場(chǎng)施工表明其施工工藝復(fù)雜，井筒溶硫效果不好［5-8］。如果采用機(jī)械除硫方式，則和機(jī)械除蠟一樣，現(xiàn)階段的機(jī)械除硫方式具有以下缺點(diǎn)：刮刀片的外徑固定，往往導(dǎo)致除硫裝置下放困難，無(wú)法下入到結(jié)硫更嚴(yán)重的地方；遇到硬度大的硫沉積時(shí)，容易使刀片卡??；機(jī)械帶來(lái)的能耗嚴(yán)重，需要地面動(dòng)力設(shè)備提供刮硫器的井下除硫動(dòng)力；整個(gè)除硫周期耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，除硫系統(tǒng)設(shè)備操作復(fù)雜。以上種種原因，使得除硫效果達(dá)不到預(yù)期［9］。因此，設(shè)計(jì)了一種利用井下氣液動(dòng)力轉(zhuǎn)化為除硫裝置除硫動(dòng)力的井筒自動(dòng)除硫裝置，來(lái)解決當(dāng)前的井筒硫沉積問(wèn)題。該裝置可以對(duì)井筒壁面上沉積的硫?qū)崿F(xiàn)快速有效的清除。

1　井筒自動(dòng)除硫裝置

1.1主體結(jié)構(gòu)

井筒自動(dòng)除硫裝置［10-11］包括泵殼、泵體、芯軸、進(jìn)流體頭、膠筒、接頭、葉輪和刮刀裝置。其中泵體包括設(shè)置有泵腔的主體和封蓋泵腔的蓋體，泵體設(shè)置于泵殼內(nèi)，主體和蓋體均通過(guò)銷釘與泵殼固定連接，芯軸設(shè)置于泵腔內(nèi)，主體和蓋體上均設(shè)置有安裝芯軸的軸孔，蓋體上的軸孔軸向貫穿蓋體，主體的軸端面和蓋體上均布置有多個(gè)貫穿軸端面和蓋體的通孔，芯軸的兩端分別固定連接于主體和蓋體上。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　井筒自動(dòng)除硫裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2刮刀片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮刀片內(nèi)部設(shè)置［12］的流體通道包括中心流道和多個(gè)連通中心流道與外部空間的噴嘴流道。噴嘴流道與刮刀片的軸心線位于同一平面內(nèi)，直徑均為0.6~1.0 mm。噴嘴流道包括1個(gè)中心噴嘴、1個(gè)射流噴嘴和1個(gè)側(cè)噴嘴，中心噴嘴與刮刀片的軸心線同軸設(shè)置，射流噴嘴與刮刀片的軸心線呈14°夾角，側(cè)噴嘴垂直于刮刀片的中心軸線。鎖定、打開(kāi)控制器主要用于刮刀片地面的鎖定以及井筒除硫工作時(shí)的自動(dòng)打開(kāi)，其采用的是交替式開(kāi)關(guān)的鎖位原理。刮刀片的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3工作流程

井筒自動(dòng)除硫裝置進(jìn)行井筒除硫的流程，包括以下步驟。

圖2　刮刀片結(jié)構(gòu)示意圖

（1）選擇刮刀片、彈簧，組裝井筒自動(dòng)除硫裝置。

（2）將整個(gè)除硫裝置下放到井底，在下放過(guò)程中，除硫裝置經(jīng)過(guò)井筒結(jié)硫處時(shí)，由于井筒的過(guò)流界面變小，刮刀片受到壁面的反作用力，井壁面的硫厚度越大，則給刮刀片的反作用力就越大，當(dāng)反作用力大于一定值時(shí)，會(huì)使得循環(huán)鎖緊/解鎖結(jié)構(gòu)的鎖扣打開(kāi)，導(dǎo)致刮刀片受到彈簧力的作用。

（3）由于重力的作用，除硫裝置將繼續(xù)下行，原本被鎖住的刮刀片會(huì)相繼打開(kāi)，處于工作狀態(tài)。當(dāng)裝置在向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于溫度的升高膠筒膨脹，使得膠筒筒半徑增大，減小了除硫裝置與油管之間的過(guò)流界面或?qū)⒂凸芡耆滤馈?/p>

（4）由于膠筒的封隔作用，氣液會(huì)推動(dòng)整個(gè)裝置向上運(yùn)動(dòng)，地層氣體或者液體通過(guò)進(jìn)流體頭沿著流通通道進(jìn)入裝置，氣液沖擊半閉式葉輪，將地層氣液動(dòng)能轉(zhuǎn)化為除硫裝置機(jī)械能，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)。當(dāng)遇阻時(shí)，刮刀片開(kāi)始工作，當(dāng)刮刀片難以克服阻力除硫時(shí)，刮刀片可以改變工作半徑，只去除表層的硫，減小了卡轉(zhuǎn)的可能，而難以除去的硫由下一組工作半徑更大的刮刀片來(lái)去除。裝置的旋轉(zhuǎn)和向上運(yùn)動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了除硫裝置的自動(dòng)除硫。氣液通過(guò)通道從刮刀片中高速噴射出，既粉碎了硫，達(dá)到除硫的效果，也驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)。當(dāng)除硫階段完成，除硫裝置由于氣流的推動(dòng)作用上升到井口，取下裝置，除硫完成。

1.4裝置關(guān)鍵參數(shù)的選擇

裝置下放之前，必須對(duì)裝置的某些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行選擇，主要遵循以下原則。

（1）根據(jù)結(jié)硫的厚度，選擇合適工作半徑的刮刀片，刮刀片的最大工作半徑始終小于井筒的半徑。

（2）根據(jù)結(jié)硫的硬度，選擇刮刀片的強(qiáng)度，使刮刀片的強(qiáng)度適合井筒所結(jié)硫的強(qiáng)度。

（3）刮刀片的工作半徑自上而下依次增大。

（4）根據(jù)結(jié)硫的硬度選擇除硫裝置所需的彈簧的強(qiáng)度。

2　裝置優(yōu)點(diǎn)

自動(dòng)除硫裝置實(shí)現(xiàn)了以下突破：克服了除硫裝置刮刀片外徑固定，而導(dǎo)致刀片容易卡住的問(wèn)題；設(shè)置了膠筒，其可以在除硫裝置下方過(guò)程中，隨著溫度的升高而膨脹使油管過(guò)流面積減小甚至封死，提高了液力值，實(shí)現(xiàn)了利用井下氣液動(dòng)能轉(zhuǎn)化為除硫裝置工作機(jī)械能，達(dá)到自動(dòng)除硫效果；克服了現(xiàn)有除硫裝置系統(tǒng)復(fù)雜、操作復(fù)雜的問(wèn)題，使得井筒除硫操作變得簡(jiǎn)單；在裝置兩端添加過(guò)濾板，防止了因井筒氣液中大顆粒雜質(zhì)進(jìn)入，使葉輪發(fā)生卡阻和對(duì)刮刀片中的流通通道造成堵塞的發(fā)生；為了提高除硫能力，該裝置的刮刀片上設(shè)置有與中間通道連通、允許氣液高速流過(guò)的通道，實(shí)現(xiàn)了高速氣液除硫和機(jī)械除硫2種除硫方式的結(jié)合。

3　室內(nèi)試驗(yàn)

井筒自動(dòng)除硫裝置對(duì)于防腐性能要求較高，但是現(xiàn)場(chǎng)施工簡(jiǎn)單，其流程如下：井筒硫沉積位置與厚度確定→除硫裝置組裝→通過(guò)井口下放裝置→膠筒膨脹，裝置開(kāi)始工作→除硫完成，回收裝置。

裝置的某些具體參數(shù)的設(shè)定需根據(jù)氣井的具體情況而定，為防止意外情況發(fā)生應(yīng)在裝置上部接頭處安裝打撈設(shè)備。

根據(jù)裝置的特點(diǎn)，在室內(nèi)對(duì)裝置的關(guān)鍵性能進(jìn)行了模擬評(píng)價(jià)試驗(yàn)。選用的井筒模擬管徑為?82mm，井筒壁面上有2.3~6.2 mm厚的單質(zhì)硫，選用除硫刀片直徑為?80 mm、?78 mm以及?76 mm，加熱管壁，保持溫度為60 ℃。試驗(yàn)現(xiàn)象：裝置下放過(guò)程順利，待膠筒膨脹后，運(yùn)動(dòng)方向由向下轉(zhuǎn)為向上，裝置開(kāi)始旋轉(zhuǎn)并清除壁面上的硫，單質(zhì)硫被氣流不斷地?cái)y帶出井筒，最后裝置被氣流推出井筒。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)井口氣體中的單質(zhì)硫含量較應(yīng)用前增加16.7%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本自動(dòng)除硫裝置可以對(duì)高含硫氣井井筒沉積的單質(zhì)硫進(jìn)行有效清除，為氣井的正常生產(chǎn)提供有力保障。

4　結(jié)論

（1）該裝置除硫刀片經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)之后，具有下放簡(jiǎn)單、不被卡住、可變半徑等優(yōu)點(diǎn)，因此可以順利下放到井筒結(jié)硫位置。

（2）該裝置可以通過(guò)井中流體對(duì)半閉式渦輪的沖擊以及水力噴射可以使整個(gè)裝置旋轉(zhuǎn)除硫。

（3）該裝置實(shí)現(xiàn)了機(jī)械除硫和水力除硫的結(jié)合，除硫效果明顯，試驗(yàn)井井口氣體中單質(zhì)硫含量較應(yīng)用前增加16.7%。

（4）室內(nèi)試驗(yàn)體現(xiàn)了本裝置除硫的直接性、簡(jiǎn)單性、有效性以及環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)。

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（修改稿收到日期2015-04-20）

〔編輯付麗霞〕

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文獻(xiàn)識(shí)別碼：B

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0125 – 03

10.13639/j.odpt.2015.03.029

國(guó)家自然科學(xué)基金“高含硫氣藏井筒硫沉積機(jī)理研究”（編號(hào)：51474181）。

李周，1990年生。在讀碩士研究生，主要從事油氣田開(kāi)發(fā)研究工作。電話：15928095469。E-mail：2326982929@qq.com。

引用格式：李周，劉建儀，吳昊，等.井筒自動(dòng)除硫裝置及其除硫方法［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（3）：125-127.