可拆裝式油套連通器的設(shè)計(jì)及力學(xué)分析

趙黎明，蔣海巖，田相雷，袁士寶，劉　召

在地層深處高溫高壓的環(huán)境下油層中大量的天然氣溶解在原油中，隨著石油開(kāi)采工作的進(jìn)行，由于壓力的不斷降低，這些溶解的天然氣不斷膨脹，逐漸從原油中分離出來(lái)，一部分氣體隨著原油流入油管，隨原油一起被抽出井筒；另一部分氣體進(jìn)入套管，稱為套管氣[1-3]。套管氣較多但達(dá)不到一定產(chǎn)量規(guī)模、不足以正?；厥盏挠途?，需要定期放空以防止井下抽油泵出現(xiàn)氣鎖；油井修井作業(yè)是油水井日常管理中必不可少的環(huán)節(jié)，為了作業(yè)的安全，在作業(yè)前都要排放套管氣，既造成了極大的資源浪費(fèi)又污染了環(huán)境，還存在安全隱患，增加了管理難度。有必要提供一種解決方案，將少量的油井套管氣及時(shí)回收，避免不必要的浪費(fèi)[4-6]。

在油井生產(chǎn)過(guò)程中，隨著壓力的不斷降低原油中的溶解氣不斷分離出來(lái)，當(dāng)套壓太高時(shí)，氣體進(jìn)入油管內(nèi)，抽油泵泵效嚴(yán)重降低，并且可能發(fā)生氣鎖。所以在套管氣量較大時(shí)，需要排放掉部分套管氣，降低套管內(nèi)壓力，避免氣體進(jìn)入抽油泵內(nèi)[7]。

套管氣的排放最快捷的方法就是直接將套管氣排放到空氣中，但是隨著節(jié)約資源意識(shí)的不斷提高，進(jìn)入套管中的溶解氣回收利用已經(jīng)開(kāi)始受到各個(gè)油田生產(chǎn)單位的普遍關(guān)注。目前套管氣的回收利用方法主要有利用單向閥回收套管氣，利用移動(dòng)式套管回收裝置收集套管氣，利用套管氣對(duì)抽油機(jī)舉升助流以及直接排放到空氣中等方式。移動(dòng)式套管氣回收裝置和套管氣舉升助流回收方式適用于氣量高的生產(chǎn)井，井口存在一定的套壓，對(duì)于修井作業(yè)仍有較大的影響，直接排放到空氣中的方式適用于套管氣量很小，沒(méi)有回收價(jià)值的生產(chǎn)井，而且會(huì)污染環(huán)境[8-14]。

雖然各種套管氣的回收方法各有特點(diǎn)，而且也取得了較好的效果，但是對(duì)于生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)的油井，油藏壓力低，分離出的溶解氣氣量少，以上的套管氣回收方式并不能得到很好的應(yīng)用，回收效果不理想，經(jīng)濟(jì)效益低?；谔坠軞饣厥辗绞降牟蛔?，設(shè)計(jì)出了適用于生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)的抽油井套管氣的回收裝置，該裝置可以自由拆卸安裝，方便快捷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益較高。

1　可拆裝油套連通器設(shè)計(jì)原理

可拆裝油套連通器根據(jù)單向閥及受力平衡原理，可以應(yīng)用于套管氣量較多的油井回收套管氣，特別是油井修井作業(yè)（如熱洗）時(shí)能夠?qū)⑻坠軞饧皶r(shí)回收，減少對(duì)環(huán)境的污染。

1.1　構(gòu)造設(shè)計(jì)

可拆裝式油套連通器連接管的兩端可以分別通過(guò)套管快速接頭與油管閥門(mén)和套管放空閥門(mén)連接，連接管上設(shè)置有單向閥，可以借助套管氣的動(dòng)力加速地面管線內(nèi)液體的流動(dòng)。所設(shè)計(jì)的可拆裝油套連通器主要由套管快速接頭和油管快速接頭、閘門(mén)、單向閥、除雜螺絲，以及金屬柔性連接管組成。裝置基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1　裝置結(jié)構(gòu)示意圖

其中，主要構(gòu)件的設(shè)計(jì)與功能如下：①套管快速接頭是使油套連通器的一端與套管快速連接起來(lái)；②閘門(mén)是控制套管氣的流動(dòng)，當(dāng)閘門(mén)打開(kāi)時(shí)，套管氣可以通過(guò)閘門(mén)和單向閥流入油管，當(dāng)閘門(mén)關(guān)閉時(shí)，套管氣不能進(jìn)入油管；③單向閥是在一定壓力下只允許套管氣流入油管，而油管中的流體不能流入套管中；④油管快速接頭是使油套連通器的一端與油管快速連接起來(lái)；⑤除雜螺絲是可以自由拆卸，定期對(duì)裝置內(nèi)的雜質(zhì)進(jìn)行清理；⑥金屬柔性連接管是用于將油套管聯(lián)通起來(lái)，材質(zhì)柔軟，可以在不同環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)。

1.2　組裝方法及力學(xué)分析

1.2.1組裝方法

可拆裝油套連通器是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)常用部件快速組裝而成，當(dāng)需要對(duì)套管氣進(jìn)行放空時(shí)，只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的組裝就可以得到一個(gè)可拆裝式油套連通器，將套管快速接頭連接在套管外接上，將需要放空的氣體引入到油管內(nèi)，利用氣體的動(dòng)力加速油管內(nèi)液體的流動(dòng)，液體內(nèi)的氣體最后通過(guò)地面流程中的氣液分離器進(jìn)行分離。

1.2.2力學(xué)分析

1）套管壓力大于油管壓力時(shí)（P套＞P油），此時(shí)套管內(nèi)氣量較大，在壓差的作用下，單向閥打開(kāi)，套管氣進(jìn)入油管內(nèi)，氣體具有的動(dòng)力可以加速油管內(nèi)流體的流動(dòng)。

2）當(dāng)油管壓力大于或等于套管壓力時(shí)（P套≤P油），由于連通器中單向閥的作用，當(dāng)油管壓力大于或等于套管壓力，即當(dāng)套管內(nèi)氣體較少時(shí)，氣體只能從套管向油管單向流動(dòng)，此時(shí)套管內(nèi)壓力不足以打開(kāi)單向閥，單向閥呈關(guān)閉狀態(tài)。根據(jù)油壓和套壓數(shù)據(jù)，該情況下可拆除連通器正常進(jìn)行修井作業(yè)。

3）修井作業(yè)時(shí)，抽油泵停止生產(chǎn)，此時(shí)油壓接近于大氣壓（P油≈0.1MPa），可以直接打開(kāi)油管四通閥門(mén)，套管中天然氣進(jìn)入集油管線，降低套管壓力，排出套管中天然氣，減少修井作業(yè)過(guò)程中的安全隱患?？刹鹧b油套連通器能夠及時(shí)排放套管氣，充分利用套管氣能量，滿足正常修井作業(yè)的安全要求，節(jié)省人力物力，安全可靠，可以推廣使用。

4）裝置工作壓差計(jì)算。

①裝置正常工作狀態(tài)：

其中：P套為套壓，MPa；P油為油壓，MPa；Pmin為單向閥開(kāi)啟最小壓力，MPa。

②裝置最大載荷計(jì)算。裝置承受載荷最大時(shí)即套壓達(dá)到最大，油井停止生產(chǎn)，此時(shí)油壓接近于大氣壓。

其中：Fmax為裝置承受最大載荷，kN/m2；K為安全系數(shù)；S為單向閥截面積，m2。

2　可拆裝油套連通器的安裝及應(yīng)用

當(dāng)需要對(duì)套管氣進(jìn)行放空時(shí)，將套管快速接頭連接至套管外接，用四分管絲扣上，將油管快速接頭連接至取樣閘門(mén)絲扣處，將套管快速接頭和用金屬柔性連接管連接起來(lái)，然后在另一端安裝閘門(mén)、單向閥和除雜螺絲，連接好之后與油管快速接頭連接，打開(kāi)閘門(mén)及采油樹(shù)的取樣閥門(mén)和套管閥門(mén)即可實(shí)現(xiàn)套管氣進(jìn)入油管線，單向閥單向流通方向?yàn)閺奶坠艿接凸堋?/p>

可拆裝油套連通器安裝結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　可拆裝油套連通器安裝結(jié)構(gòu)示意圖

進(jìn)行修井作業(yè)時(shí)，當(dāng)套管內(nèi)套管氣量較大時(shí)，安裝好可拆裝油套連通器后，打開(kāi)閘門(mén)，套管內(nèi)的氣體便可以通過(guò)油套連通器進(jìn)入油管。隨著套管內(nèi)氣體壓力的不斷降低，當(dāng)套管內(nèi)壓力和油管內(nèi)壓力相等時(shí)，便可以將油套連通器拆卸下來(lái)，進(jìn)行修井作業(yè)了。

在實(shí)際生產(chǎn)中，套管內(nèi)氣體攜帶有少量的雜質(zhì)，油套連通器金屬柔性管內(nèi)雜質(zhì)不斷積累，可以在套管氣放空后關(guān)閉閘門(mén)，打開(kāi)除雜螺絲，通過(guò)氣體動(dòng)力將金屬柔性管內(nèi)的雜質(zhì)清除，也可以檢查單向閥是否完好。如存在管線阻塞也可以打開(kāi)閘門(mén)，利用套管氣壓力沖刷管線和單向閥，對(duì)管線進(jìn)行清潔。

3　實(shí)例計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)[1]中，生產(chǎn)井為安裝裝置之前數(shù)據(jù)，生產(chǎn)套壓0.6～1.0MPa，油壓0.2～0.7MPa，根據(jù)實(shí)際情況，可拆裝油套聯(lián)通器中單向閥選用AK-32氣控單向閥，公稱直徑32mm，承壓范圍100kPa～2MPa，最大載荷24kN/m2，單向閥開(kāi)啟最小壓差0.15MPa，計(jì)算得P套-P油=0～0.8MPa，單向閥的最小開(kāi)啟壓力在該范圍內(nèi)，所以可拆裝油套聯(lián)通器可以在該生產(chǎn)條件下正常工作。取安全系數(shù)為1.5，得到單向閥工作時(shí)受到最大載荷Fmax=7.23kN/m2,裝置可以正常工作。

4　結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可拆裝油套連通器應(yīng)用的分析，可以得出以下結(jié)論。

1）可拆裝油套連通器能較好的應(yīng)用于套管氣較大的油井回收套管氣，特別是油井修井作業(yè)（如熱洗）時(shí)能夠?qū)⑻坠軞饧皶r(shí)回收，避免不必要的浪費(fèi)。

2）在需要對(duì)套管氣進(jìn)行排空時(shí)可安裝好可拆裝油套連通器對(duì)套管氣進(jìn)行排空，當(dāng)不需要時(shí)更可以將可拆裝油套連通器拆卸，避免對(duì)正常生產(chǎn)作業(yè)的影響?？刹鹧b油套連通器可以將油管與套管連接起來(lái)，利用套管內(nèi)氣體的動(dòng)力加速管線內(nèi)流體的流動(dòng)速度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，具有很好的應(yīng)用前景。

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