抽油桿倒扣器的研制與應(yīng)用

張多多 劉國慶 李勇 黎濤 崔淑娟 王宏盛 陳富剛

（1.西安物華巨能爆破器材有限責(zé)任公司；2.北方爆破科技有限公司）

在油井修井作業(yè)檢泵過程中，起抽油桿時(shí)經(jīng)常因?yàn)樯翱?、蠟卡等原因造成活塞在泵筒?nèi)卡死使得抽油桿無法拔出。通常，遇到這種情況通常會(huì)采用三種方法來起抽油桿：一是使用管鉗反向旋轉(zhuǎn)抽油桿進(jìn)行倒扣，這種方式的缺點(diǎn)是過大的抽油桿反向扭矩，可能會(huì)使管鉗反彈造成人員受傷，容易造成安全事故；二是以鋸桿的方式起出所有抽油桿，這種方式既影響施工進(jìn)度又會(huì)造成了所有抽油桿報(bào)廢；三是用大噸位上提解卡，這種方式存在把抽油桿拔斷的風(fēng)險(xiǎn)，而且抽油桿可能會(huì)由于承受超過抽油桿材料屈服強(qiáng)度的應(yīng)力發(fā)生塑性變形而報(bào)廢[1]。針對上述三種方法所存在的問題，研制了一種簡易的倒扣工具。

1 倒扣工具結(jié)構(gòu)

該簡易抽油桿倒扣工具包括轉(zhuǎn)盤、卡瓦座、卡瓦、旋緊把手和鎖緊螺釘，其中轉(zhuǎn)盤是由空心無縫鋼管制作，轉(zhuǎn)盤和卡瓦座通過6根無縫鋼管焊接為一體，其中卡瓦座為實(shí)心鐵塊，抽油桿倒扣工具結(jié)構(gòu)見圖1?？ㄍ叩慕Y(jié)構(gòu)（圖2），卡瓦內(nèi)槽的直徑和抽油桿的直徑相同，內(nèi)槽的鋸齒形牙硬度為HRC50-55。卡瓦兩個(gè)為一副，安裝在卡瓦座中，卡瓦座的下部槽的寬度小于卡瓦的寬度，當(dāng)卡瓦裝在卡瓦座中時(shí)，可防止卡瓦從底部掉落。在卡瓦座的側(cè)面，開有M40的螺紋孔，鎖緊螺釘可從M40的螺紋孔中擰入，旋緊把手安裝在鎖緊螺母的一端，當(dāng)抽油桿安裝在兩個(gè)卡瓦之間，旋轉(zhuǎn)旋緊把手可帶動(dòng)鎖緊螺釘向卡瓦移動(dòng)并對卡瓦施加壓力，使得兩個(gè)卡瓦將抽油桿鎖緊[2-5]。

圖1 抽油桿倒扣工具結(jié)構(gòu)

圖2 卡瓦結(jié)構(gòu)

2 工作原理

在實(shí)際操作過程中，作業(yè)人員可根據(jù)生產(chǎn)油管內(nèi)的抽油桿尺寸規(guī)格，選擇相應(yīng)尺寸規(guī)格的卡瓦。將兩個(gè)卡瓦裝到卡瓦座上，并將抽油桿穿入兩個(gè)卡瓦中間，然后轉(zhuǎn)動(dòng)旋緊把手使鎖緊螺釘向卡瓦移動(dòng)，兩個(gè)卡瓦之間的間距減小直到卡瓦將抽油桿鎖緊，然后由若干名作業(yè)人員合力對轉(zhuǎn)盤進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，對井內(nèi)的抽油桿進(jìn)行倒扣作業(yè)。

3 仿真驗(yàn)證

在對抽油桿進(jìn)行倒扣作業(yè)過程中，在抽油桿上作用有很大的力矩，該力矩會(huì)使得抽油桿上產(chǎn)生應(yīng)力，如果應(yīng)力大于抽油桿材料的屈服強(qiáng)度，抽油桿就會(huì)發(fā)生塑性變形而報(bào)廢[6-9]，工具也會(huì)承受較大的載荷，為了驗(yàn)證該工具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及抽油桿在作業(yè)過程中所受的應(yīng)力，對該簡易工具在工作過程中的關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元仿真。

3.1 仿真模型

在倒扣作業(yè)過程中，轉(zhuǎn)盤對抽油桿施加的扭矩基本是恒定的，是一個(gè)準(zhǔn)靜態(tài)的受力狀態(tài)，因此仿真采用靜力結(jié)構(gòu)分析，模型中對抽油桿底部施加固定約束，對轉(zhuǎn)盤施加一個(gè)恒定的扭矩1 200 N·m，圖3中所有的零件均采用四面體網(wǎng)格。轉(zhuǎn)盤和卡瓦座劃分70 523個(gè)網(wǎng)格單元，單個(gè)卡瓦劃分10 025個(gè)網(wǎng)格單元，局部抽油桿劃分5 000 個(gè)網(wǎng)格，網(wǎng)格的數(shù)量滿足精度要求，倒扣工具仿真網(wǎng)格劃分模型見圖3。

圖3 倒扣工具仿真網(wǎng)格劃分模型

圖4 作業(yè)時(shí)應(yīng)力仿真云圖

3.2 仿真結(jié)果分析

圖4 為轉(zhuǎn)盤在作業(yè)時(shí)的應(yīng)力仿真云圖，從圖4中可以看出，轉(zhuǎn)盤上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡瓦座上，應(yīng)力值最大為57.384 MPa，卡瓦上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡瓦接近兩端的鋸形齒上，最大應(yīng)力值為269.880 MPa，抽油桿上的最大應(yīng)力出現(xiàn)在卡瓦與抽油桿接觸的部分，該部分應(yīng)力最大值為131.110 MPa，抽油桿其在卡瓦和井內(nèi)螺紋扣之間的部分的應(yīng)力為108.96 MPa，均未超過對應(yīng)零件材料的屈服強(qiáng)度，這說明該倒扣工具在作業(yè)過程中是安全可靠的。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

以緬甸CHK油田CDT-XX井為例：2019年4月25日，對該井進(jìn)行施工，油套泄壓，出口返出大量氣體，H2S 含量0，開井觀察3 h，井口穩(wěn)定。試提抽油桿，拔至12 t未能拔出，抽油桿卡死，反復(fù)多次嘗試未能解卡，準(zhǔn)備使用研制的抽油桿倒扣工具（圖5）進(jìn)行倒扣。將抽油桿過提5 t，將抽油桿倒扣工具安裝至抽油桿本體上，轉(zhuǎn)動(dòng)旋緊把手使鎖緊螺母鎖死抽油桿卡瓦，4 名操作人員站至井口不同方位，抓緊轉(zhuǎn)盤，反向旋轉(zhuǎn)抽油桿倒扣器，旋至48圈時(shí)，噸位下降至1.2 t，倒扣成功，起出抽油桿83根。繼續(xù)起生產(chǎn)油管，油管起出68 根時(shí)，露出抽油桿，繼續(xù)使用簡易抽油桿倒扣工具對抽油桿進(jìn)行倒扣，最終起出所有生產(chǎn)管柱。

圖5 抽油桿倒扣工具

后期，該抽油桿倒扣工具在緬甸CHK 油田和YNG 油田YNG32XX、YNG30XX、CHK11XX 等13口井進(jìn)行抽油桿倒扣作業(yè)，均取得了較好的效果，相對人工管鉗倒扣的井，大大提升了倒扣效率，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，避免了大力解卡對抽油桿造成的損害，節(jié)省了人工成本和時(shí)間成本；對人工管鉗倒扣失敗的井，采用抽油桿倒扣器后也取得了成功；作業(yè)中未發(fā)生安全事故，且操作簡便，省時(shí)省力。

5 總結(jié)

該簡易抽油桿倒扣器制作相對簡單、使用方便，對設(shè)備的要求較低，使用傳統(tǒng)的管鉗進(jìn)行倒扣，扭矩過大會(huì)造成管鉗反彈傷人，而此倒扣器為圓形，即使扭矩過大，也可由操作人員互相配合，松開工具，工具卡死在抽油桿上以抽油桿為圓心旋轉(zhuǎn)，不會(huì)造成安全事故，且使用該工具，可提高抽油桿的倒扣效率，節(jié)省人工成本和時(shí)間成本。