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抽油井光杆密封器油气泄漏预警联动技术

发表时间：2020/11/30 来源：《基层建设》2020年第22期作者：张军杨鹏

[导读] 摘要：光杆密封器是抽油井密封光杆与井口的重要密封部件，主要以胶皮盘根或橡胶皮带为填料。

        新疆油田公司陆梁油田作业区新疆克拉玛依 834000
        摘要：光杆密封器是抽油井密封光杆与井口的重要密封部件，主要以胶皮盘根或橡胶皮带为填料。光杆随抽油机驴头上下往复直线运动，光杆密封器内的填料与光杆长时间磨擦，逐渐失去密封性能，需要定期旋紧光杆密封器压帽或及时更换密封填料，确保油井正常生产。更换密封填料过程操作繁锁，而且密封效果因井况不同差异较大。时常出现因填料磨损未及时调整或更换造成油气泄漏。油田现场偶尔发生光杆断脱故障造成井口密封失效，导致大量油气泄露。通过开展各项实验研究，研制抽油井新式光杆密封装置，能够自动压紧密封填料并与井口气体检测仪匹配，完善自动化预警系统，杜绝光杆密封器泄漏，取得积极效果。
        关键词：抽油井；光杆密封器；油气泄漏；预警联动
        1概况
        石南21井区位于准噶尔盆地古尔班通古特沙漠腹地，距离克拉玛依市区230km。自2004年3月开发，截止2019年末，共有油井514口，抽油井480口，占油井总数的93.4%。石南21井区应用自动化监控技术采取周期巡检与故障巡检相结合的方式进行现场生产管理，抽油井压力、温度、功图、计量、启停均能实现自动采集、报警及远程控制。但抽油井光杆密封器油气泄漏提前预警问题暂未解决，主要依靠人工检查发现或现场经验判断，时常出现巡检不及时、填料磨损未及时调整光杆密封器松紧或更换密封填料造成油气泄漏，增加了现场员工的管理难度及工作量，不符合精细化管理和环境保护的要求，同时增加了环保治理费用。
        2019年1月，针对石南21井区井口光杆密封器油气泄漏现象进行了调查统计：480口抽油井中大多数井光杆密封器密封周期在15～30之间。密封周期小于3天的5口井，大于3天小于10天的11口井，填料更换周期短，员工劳动强度大，平均每口井更换密封填料耗时45分钟以上，并且每天都需要员工旋紧光杆密封器压帽，16口井每个月井口环保清理费用高达4300元。该类油井更换填料、处理油污的工作占现场巡检人员日常工作量的30%以上。
        2井口光杆密封器油气泄漏机理
        2.1 井区伴生气分析
        根据石南21井区30井次单井溶解气分析资料，石南21井区油井采出液中含有CO2、O2等腐蚀性气体和高浓度的Cl-等腐蚀性阴离子。油井采出液会对抽油井光杆、油套管、集输管线等金属管材产生腐蚀，而且伴随着油井采出液含水的上升日趋严重。表现最为直观的是抽油井光杆腐蚀后产生点蚀“凹坑”，表面光洁度受损，填料磨损加剧，光杆密封器密封性能变差。
        2.2井口光杆密封器泄漏机理
        当光杆与光杆密封器内的密封填料磨损到一定程度时，光杆与填料之间产生一定间隙，光杆密封器内形成井口工艺的相对低压区。伴生在油水混合液内的天然气在井筒举升过程中随压力、温度变化不断析出。在滑脱作用下，天然气先于油水混合液向着井口工艺的低压区运动。根据这个现象，井口光杆密封器密封失效初期，先是少量的天然气从光杆与填料之间的间隙溢出，通过现场观察主要是在光杆运行接近下死点的过程中，有少量伴生天然气溢出。此时，深井泵固定凡尔关闭，游动凡尔打开，抽油泵排液出泵，抽油泵活塞之上的油气水混合液向井口方向举升，压力逐渐下降、温度随之降低，天然气也随之不断析出，出现了气体携带少量油水混合液从光杆与填料间隙溢出的现象。如果不能及时调整光杆密封器内的填料松紧度，或因填料磨损过多而未能及时更换填料，填料与光杆的间隙也会不断增大，导致密封失效油气水大量喷涌造成井口井场污染。
        石南21井区现场员工人数相对较少，距离生活基地近30km，采取周期巡检与故障巡检相结合的方式进行现场生产管理，每口抽油井的正常巡检周期主要随取样指令而定，一般为5天。操作员工主要依靠巡检经验判断光杆密封器内填料的松紧程度，在旋紧光杆密封器压帽时多采用加力杠，很少考虑密封填料的松紧度对抽油机系统效率的影响，多数情况下密封填料过紧，光杆与填料的摩擦增大、磨损加剧，遇到抽油井间出造成光杆与填料干磨老化迅速失去密封性能。这也是生产现场光杆密封器泄漏气液、填料更换周期短的一个重要原因。
        3提出可行的自动预警方案
        以井口光杆密封器油气泄漏机理为出发点，借助石南21井区自动化监控平台，在井口光杆密封器处安装气体检测仪，通过检测仪探头检测光杆密封器溢出的天然气浓度，将实时检测的天然气浓度值通过4～20mA直流信号传输至抽油井RPC控制箱，RPC控制箱设置井口天然气报警联动值，程序中将实时检测值与设定的报警值经过比较，当井口光杆密封器气体浓度检测值大于设置的报警值时，RPC控制箱立刻下发停机指令，实现抽油机停机功能。同时，检测的数据通过传输电台（或网桥信号）传输至中控室上位机，中控室上位机设置相应的报警值，当报警停机时，中控室也会弹出实时报警，监控人员及时发现并呼出。
        4.研制抽油井新型光杆密封装置
        针对常规光杆密封器存在的问题，经过近几年研究设计、改进完善，研制出一种具备光杆断脱自动防喷功效，利用注料枪填加密封填料，自动压紧密封填料的新型光杆密封装置，利用其特有的双空间压盖组件能与井口气体检测仪匹配。
        4.1 新型光杆密封装置结构
        新型光杆密封装置主要包括沿光杆轴向依次套设在光杆上的底座、填料函、压盖组件、调偏压盖和可燃气体检测仪等部件组成（如图4-1）。
        压盖组件包括：主压盖、主压盖隔栏、弹簧、副压盖和气体收集器。主压盖由调节手柄和限位隔板组成，限位隔板将主压盖内部分为上下两部份；下部安装压盖隔栏，与填料函螺纹连接；上部安装弹簧由副压盖调节弹簧松紧度，通过压紧填料隔栏压实填料腔内的粒状填料。
        气体采集盒由集气室与导管组成，由导管与副压盖内的通气孔螺纹连接。

        图4-1 抽油井新型光杆密封器及油气泄漏预警防护装置
        新型光杆密封装置填料采用橡胶颗粒填料、石墨粉、润滑脂混合而成，利用专用注料枪进行添加。
        对于环空测试井口，只需要对现有的光杆密封器压盖进行改造，即可实现与可燃气体检测仪匹配的功能。
        4.2 新型光杆密封装置特点
        新型光杆密封装置实现了更换或添加填料不再掏取废旧填料，操作便利，避免了原材料浪费和掏取出的废旧填料产生含油固废造成环境二次污染。填料更换周期内不再需要人工进行旋紧填料的操作，由弹簧自动压紧压实密封填料。
        在光杆断裂落入井筒的瞬间，井筒内的气液通过带孔隔板上的孔道涌入防喷球室，防喷球在气液压力和浮力的顶托作用下封堵光杆让出的通道，实现防喷功能，避免大量油气泄露导致环境污染事故。
        适用于间出干磨或高含水抽油井，以及因高含水造成的光杆易腐蚀油井与密封填料更换周期短的抽油井，石墨颗粒对于光杆有一定的防腐保护作用。
        由于抽油井新型光杆密封器压盖组件采取两级密封，下部采取螺纹旋紧挤压填料实体密封，上部采取弹簧预紧力密封，上部腔体内除光杆与弹簧之外为空腔。当下部的填料密封失效初期会有少量伴生气析出进入弹簧腔体，一部分伴生气随光杆带出，另一部分伴生气经过通气孔和导管进入集气室，安装在集气室的可燃气体检测仪即可监测到井口光杆密封器的密封状况。
        为了检测新型光杆密封器的安全性能与密封性能，2019年6月24日，在新疆石油管理局采油工具性能检测站进行了密封耐压实验，从第三方出具的耐压实验检测报告可知，充压10.2MPa，稳压10min，无可见渗漏，完全满足生产现场实际需要。
        5效果评价
        5.1安装实验
        先后选取16口井陆续进行现场实验。其中8口普通井口的抽油井更换整体光杆密封器，8口环空井口的抽油井只需更换光杆密封器压盖组件，并且安装可燃气体监测仪，自2019年7月正式投用。

        图6-1 环空测试井口安装效果图
        现场员工接收到中控室的“井口天然气报警”的呼叫指令后，第一时间到达井场。此时，抽油机已经联动保护停机，现场只有两种情况：一是光杆密封器内的密封填料松紧度不足，只需旋紧光杆密封器压盖即可；二是需要补充填料，利用注料枪快速添加填料，实现最初的设计目标，杜绝井口污染的发生。
        6326井于2019年7月26日20点18分37秒井口可燃气体报警，设定联动停机报警值为体积浓度的10%，中控室监屏岗第一时间发现报警并向现场巡检人员呼出，现场巡检人员到达井口后发现光杆密封器有少量天然气溢出，立即进行填料松紧度调整，避免了井口泄漏污染。
        6306井于2019年7月21-23日多次出现井口可燃气体报警，现场巡检人员每次只是调整填料松紧度，没有及时更换填料造成几天来连续报警，更换填料后，报警消除。
        截止2019年8月20日，16口光杆密封器密封周期短、易泄漏的抽油井全部安装预警联动防护装置，达到了预警联动的防护效果，及时报警，杜绝了井口光杆密封器泄漏造成的污染，受到了一线员工的好评。
        5.1.2添加填料时间
        常规光杆密封器更换填料时必须将抽油机停在接近下死点位置，通过“卸”、“挂”、“掏”、“压”、“紧”等步骤完成操作。整个操作过程平均耗时在45分钟以上，若在冬季或遇到光杆与井口不对中，操作时间会更长。
        新型光杆密封器更换填料时将抽油机停在任意位置，通过“松”、“注”两个步骤即可轻松完成操作，只需15分钟左右，提高劳动效率与开井时率。并且避免了常规光杆密封器更换填料时，操作员工攀爬井口或保温箱造成的不安全因素，站在井口即完成操作。
        5.1.3有效密封周期
        以2019年7月2日安装的6885、6326为例：两口抽油井进行实验前均使用节能型光杆密封器，6885井含水96%，由于高含水造成光杆有一定的腐蚀现象，每3天更换一次填料，井口时常出现油气泄漏。6326井含水42.5%，伴生气量899m3，功图显示供液不足，井口间出干磨现象严重，每2天更换一次填料，时常出现光杆发烫、填料老化失效，井口光杆密封器大量油气泄漏。使用新型光杆密封器后，填料更换周期分别由3天延长至125天、2天延长至34天，实验近9个月以来，取得了较好的密封效果。光杆密封器密封周期由原来的平均3.6天，延长至40.4天。
        5.2效益分析
        5.2.1经济效益
        （1）密封填料材料费用：
        普通光杆密封器与节能型光杆密封器均以最长密封周期测算，新型光杆密封器以平均密封周期40.4天测算，密封材料费用比为：6.3：3.2：1。
        （2）提高开井时率
        新型光杆密封器加注填料15分钟，每次更换填料可节约30分种以上。以16口井更新光杆密封器前后的平均密封周期计算。由此可见，使用新型光杆密封器每口抽油井每年可提高开井时率3天以上。
        （3）节约费用
        密封填料材料费用、更换密封填料占产效益、减少井口清理费用及预防原油落地、节省含油污泥处置费用共计52.1万元。
        （4）投入费用
        投入费用分为4部分：可燃气体检测仪购置费用、井口线缆材料费用、环空测试井口光杆密封器压盖改造费用、新型光杆密封器加工费用及现场各类施工费用共计20万元。
        （5）当年投入产出比
        投入产出比：20万元：52.1万元=1：2.6
        5.2.2社会效益
        （1）光杆密封器泄漏初期实时预警联动，保护停机，杜绝井口污染发生；
        （2）利用注料枪快速添加填料，减少了废旧填料等含油固废的产生；
        （3）减少采油一线操作员工井口清理、更换填料等实物工作量30%。
        6结论与认识
        目前，碎料密封技术是一项比较成熟的密封技术，可在油田逐步推广。大量的抽油机废旧皮带、废旧轮胎都可以用成型的颗粒机进行加工制作，对于废物利用找到了一条可行的途径，有益于环境保护。新型光杆密封器具备光杆断脱自动防喷功能，适用于各类抽油井口，密封周期长，更换填料操作简便，安全可靠，具有较好的经济效益和社会效益。根据井口光杆密封器泄漏机理研制新型光杆密封器与气体检测仪匹配，与油田自动化监控结合，完善了自动化预警系统，杜绝光杆密封器泄漏造成的井口污染，为绿色矿山建设提供技术保障。
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        作者简介：
        张军，本科学历，2007年毕业于石油大学（华东）石油工程专业，采油高级技师，集团公司技能专家，从事油气田开发设备管理及现场监督工作。