實(shí)心拉桿斷脫防失載懸繩器的研制與應(yīng)用

陸世宏，李學(xué)而，夏友山

（吐哈油田魯克沁采油管理區(qū)，新疆吐魯番 838202）

0 引言

魯克沁稠油油田開(kāi)采方式是空心桿泵上摻稀，桿柱所承受的載荷懸掛在空心桿頂端40 cm 長(zhǎng)的實(shí)心拉桿上（實(shí)心拉桿和驢頭懸繩器相連），實(shí)心拉桿長(zhǎng)期在抽油機(jī)交變載荷和疲勞應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生斷脫，造成抽油機(jī)失載，導(dǎo)致抽油機(jī)、井口設(shè)施損壞，并引起原油泄漏和環(huán)境污染。因此，魯克沁稠油油田制訂了《魯克沁采油管理區(qū)抽油機(jī)井實(shí)心拉桿管理細(xì)則》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為《管理細(xì)則》），要求定期檢查、更換實(shí)心拉桿預(yù)防此問(wèn)題的發(fā)生。但定期預(yù)防性更換實(shí)心拉桿造成平均每年16 萬(wàn)元成本支出，且無(wú)法完全避免實(shí)心拉桿斷脫失載問(wèn)題的發(fā)生，對(duì)生產(chǎn)安全、高效生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)等造成嚴(yán)重影響。

根據(jù)以上問(wèn)題，為避免實(shí)心拉桿斷脫造成抽油機(jī)失載及引發(fā)的抽油機(jī)與井口設(shè)施損壞、環(huán)境污染，節(jié)約預(yù)防性更換實(shí)心拉桿的成本支出，決定開(kāi)展實(shí)心拉桿斷脫防失載懸繩器的研制和應(yīng)用。通過(guò)設(shè)計(jì)、加工、安裝試驗(yàn)，實(shí)心拉桿斷脫防失載懸繩器達(dá)到了防失載的目標(biāo)，能夠預(yù)防損壞設(shè)備及引發(fā)的原油泄漏、環(huán)境污染，降低成本支出，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

1 抽油機(jī)實(shí)心拉桿運(yùn)行現(xiàn)狀

魯克沁油田為稠油油田，井深，游梁式抽油機(jī)負(fù)載重，油井最大載荷100～140 kN，最大平均載荷120 kN。實(shí)心拉桿在抽油桿柱頂端，與摻稀三通和懸繩器相連（圖1），作用是承受井下桿柱、液柱及摩擦等動(dòng)載荷。

圖1 實(shí)心拉桿、摻稀三通和懸繩器連接

魯克沁稠油油田投入開(kāi)發(fā)以來(lái)，游梁式抽油機(jī)實(shí)心拉桿每年都會(huì)出現(xiàn)斷脫問(wèn)題，隨著油井?dāng)?shù)量的增加和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，實(shí)心拉桿斷脫頻次、數(shù)量也不斷增加。實(shí)心拉桿斷脫后造成抽油機(jī)失載，失載后抽油機(jī)10 t 的后配重以9.8 m/s2的加速度下行，在反作用力下?lián)p壞減速器、橫梁軸承、電機(jī)等部件，造成油井停產(chǎn)。嚴(yán)重時(shí)可能損壞抽油機(jī)及井口設(shè)施設(shè)備，引起原油泄漏、環(huán)境污染等嚴(yán)重后果。為此，2016 年魯克沁油田編制修訂了《管理細(xì)則》，要求預(yù)防性定期檢查、更換實(shí)心拉桿，預(yù)防實(shí)心拉桿斷脫的發(fā)生?！豆芾砑?xì)則》中第十二條指出：14 型、16 型彎油梁式抽油機(jī)6 m 沖程油井實(shí)心拉桿運(yùn)行載荷循環(huán)次數(shù)超過(guò)1.2×106次時(shí)進(jìn)行更換，3.6 m 及4.8 m 沖程油井實(shí)心拉桿運(yùn)行載荷循環(huán)次數(shù)超過(guò)1.8×106次時(shí)進(jìn)行更換；16 型、18 型復(fù)合平衡式及塔架式抽油機(jī)的油井實(shí)心拉桿運(yùn)行載荷循環(huán)超過(guò)2.1×106次時(shí)進(jìn)行更換。

自《管理細(xì)則》實(shí)施以來(lái)，預(yù)防疲勞斷脫累積更換實(shí)心拉桿共1207 根，年均更新201 根；累積斷脫61 根，年均斷脫10 根，其中實(shí)心拉桿斷脫造成6 臺(tái)次抽油機(jī)有不同程度的損壞。更換實(shí)心拉桿和抽油機(jī)造成油井停產(chǎn)，累積產(chǎn)量損失486.2 t，年均減產(chǎn)81 t。累計(jì)經(jīng)濟(jì)損失209.59 萬(wàn)元，年均經(jīng)濟(jì)損失35萬(wàn)元，其中預(yù)防疲勞斷脫累積費(fèi)用占68.4%（表1）。因此，需要解決預(yù)防實(shí)心拉桿斷脫及斷脫問(wèn)題，減少經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染。

表1 2017—2022 年實(shí)心拉桿斷脫經(jīng)濟(jì)損失費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

2 研究思路

利用懸繩器的原理，設(shè)計(jì)加工一個(gè)復(fù)式懸繩器，結(jié)構(gòu)分主、副兩部分，主、副懸繩器之間用螺母、螺桿鏈接。正常工作時(shí)，井下負(fù)載懸掛在主懸繩器上。主、副懸繩器之間用螺母、螺桿鏈接，解決不能調(diào)整的問(wèn)題；同時(shí)，在主懸繩器上平面加工凹臺(tái)，放入鋼環(huán)，代替原來(lái)的擋板，解決了擋板螺栓頻繁斷裂的問(wèn)題。當(dāng)實(shí)心拉桿斷脫時(shí)，井下載荷從主懸繩器落在摻稀三通處安裝的副懸繩器上，抽油機(jī)依然運(yùn)轉(zhuǎn)，不影響正常生產(chǎn)。此時(shí)，載荷傳感器因無(wú)載荷顯示異常。

復(fù)式懸繩器的功能是實(shí)現(xiàn)失載時(shí)井下載荷依然在懸繩器上，避免大批量周期更換實(shí)心拉桿造成的經(jīng)濟(jì)損失，杜絕斷脫損害抽油機(jī)、井口設(shè)施以及污染等風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文將設(shè)計(jì)的復(fù)式懸繩器稱(chēng)為防失載懸繩器。

3 研制實(shí)施

按照防失載懸繩器思路，進(jìn)行實(shí)地?cái)?shù)據(jù)測(cè)量，完成設(shè)計(jì)圖初設(shè)，并將設(shè)計(jì)圖提交專(zhuān)業(yè)部門(mén)和加工單位審核、修改，完成防失載懸繩器最終設(shè)計(jì)（圖2）。

圖2 防失載懸繩器設(shè)計(jì)

對(duì)設(shè)計(jì)圖及部件材料進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)和強(qiáng)度計(jì)算，螺栓強(qiáng)度經(jīng)校核滿足要求，單條螺栓能夠承受的力為：F=π×d12÷4×σs=3.14×21.8352÷4×685=256.7 kN=25.67 t。兩條M24×2 雙頭螺栓可承受51.34 t。按照抽油機(jī)最大負(fù)荷18 t 計(jì)算，安全系數(shù)可達(dá)到2.85，遠(yuǎn)大于工程設(shè)計(jì)通常采用的1.5 的安全系數(shù)，安全性滿足要求。安全性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 防失載懸繩器安全性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

按照設(shè)計(jì)圖加工制作了50 臺(tái)套防失載懸繩器，依據(jù)《管理細(xì)則》第十二條選取了實(shí)心拉桿運(yùn)行載荷循環(huán)次數(shù)達(dá)到要求的抽油機(jī)井更新安裝了防失載懸繩器（圖3、圖4）。安裝時(shí)，副繩器距離三通1 mm 左右，確保正常狀態(tài)下，副懸繩器不受桿柱載荷。

圖3 防失載懸繩器實(shí)物

圖4 防失載懸繩器安裝狀態(tài)

4 應(yīng)用效果

2022 年3 月安裝了50 臺(tái)抽油機(jī)井防失載懸繩器，截止到10 月僅發(fā)生一起抽油機(jī)懸掛載荷的頂部實(shí)心拉桿斷脫事件。發(fā)生實(shí)心拉桿斷脫后，井下所有載荷利用摻稀三通掛在防失載懸繩器副盤(pán)上，抽油機(jī)未失去載荷，依然可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)，只是載荷傳感器因無(wú)載荷顯示異常，監(jiān)控信號(hào)中斷。監(jiān)控信號(hào)中斷后，立即安排人員現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)并更換了實(shí)心拉桿，未造成油井停井，未影響管理區(qū)安全生產(chǎn)。

截止目前，依據(jù)《管理細(xì)則》對(duì)運(yùn)行載荷循環(huán)次數(shù)超過(guò)2.1×106次的實(shí)心拉桿需更換的抽油機(jī)安裝了防失載懸繩器，共更換100 臺(tái)，未發(fā)生一起實(shí)心拉桿斷脫事件，防失載懸繩器加工安裝成本僅為2000 元，年節(jié)約成本可達(dá)14.9 萬(wàn)元。

由此可見(jiàn)，此防失載懸繩器效果顯著，更換簡(jiǎn)便實(shí)用，提高了管理區(qū)油井生產(chǎn)運(yùn)行率，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，基本杜絕了實(shí)心拉斷脫引起的設(shè)備損壞、原油泄漏及環(huán)境污染事件，具有重大社會(huì)效益和良好推廣應(yīng)用前景。