研制新型噴提油管防污裝置

勝利油田分公司勝利采油廠 綠色作業(yè)QC小組

（山東 東營(yíng) 257041）

研制新型噴提油管防污裝置

勝利油田分公司勝利采油廠 綠色作業(yè)QC小組

（山東 東營(yíng) 257041）

勝利采油廠作業(yè)大隊(duì)是一支從事修井作業(yè)的專業(yè)隊(duì)伍，主要承擔(dān)勝坨油田的油水井維修任務(wù)。作業(yè)大隊(duì)每年修井作業(yè)2 100井次，其中由于砂埋泵筒、桿斷、泄油器打不開等原因?qū)е聡娞嵊凸埽从凸軆?nèi)井液無法正常泄入井筒內(nèi)，提出的油管卸開絲扣后井液噴濺在地面）施工230井次，造成大量油水外泄于地面。

噴提油管油水外排，不僅嚴(yán)重污染環(huán)境，而且也支付出高額環(huán)保費(fèi)用，增加了作業(yè)成本。綠色作業(yè)QC小組從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，成功研制并推廣應(yīng)用了新型噴提油管防污裝置，經(jīng)過一年的現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)，解決了噴提油管作業(yè)油水外排的問題，實(shí)現(xiàn)了修井作業(yè)清潔生產(chǎn)，取得了良好的效果。

小組簡(jiǎn)介

小組成立于2002年12月，命名為“綠色作業(yè)”，目的就是希望我們小組的研究成果能夠?qū)崿F(xiàn)清潔作業(yè)生產(chǎn)。成員共有11人，其中高級(jí)工程師3人，高級(jí)技師2人（表1）。

選擇課題

表1 小組概況表

修井作業(yè)施工中，由于砂埋泵筒、桿斷、工具失效等原因無法正常泄油，造成噴提油管施工，大量油水被帶出井筒外泄，嚴(yán)重染污環(huán)境，不符合油田清潔生產(chǎn)的要求。

噴提油管作業(yè)使大量油水外泄于地面，造成的主要影響有：①油水噴灑在作業(yè)工人身上，有損于工人身體健康；②油水噴灑在地面，一是造成原油流失，二是嚴(yán)重污染環(huán)境，三是地面濕滑施工存在安全隱患。

2008年修井作業(yè)2 106口，其中噴提油管發(fā)生污染232井次，修井作業(yè)無污染率89.0%，低于采油廠規(guī)定指標(biāo)98%，造成污染面積1.97×104m2，全年支付噴提油管污染治理費(fèi)用高達(dá)228.3萬元。為了解決噴提油管造成的污染問題，小組決定本次活動(dòng)課題為：研制新型噴提油管防污裝置。

設(shè)定目標(biāo)

（1）目標(biāo)：研制新型噴提油管防污裝置。

（2）目標(biāo)值：修井作業(yè)無污染率由89.0%提高到98%以上（依據(jù)《勝利采油廠清潔生產(chǎn)管理制度》規(guī)定修井作業(yè)無污染率≥98%）。

提出方案并確定最佳方案

1 提出方案

通過市場(chǎng)調(diào)查和網(wǎng)上信息查詢，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上目前沒有這類產(chǎn)品，現(xiàn)場(chǎng)也沒有可借鑒的防污裝置，小組多次召開會(huì)議，運(yùn)用“頭腦風(fēng)暴”法，對(duì)如何“研制新型噴提油管防污裝置”這個(gè)課題進(jìn)行了討論，充分發(fā)揮大家的創(chuàng)造力，提出了3個(gè)設(shè)計(jì)方案：①研制漏斗式噴提油管防污裝置；②研制密閉式噴提油管防污裝置；③研制內(nèi)置式噴提油管防污裝置。

（1）方案1：研制漏斗式噴提油管防污裝置（圖1）

在套管閘門處設(shè)計(jì)漏斗式防污裝置，噴提液流入漏斗內(nèi)，再經(jīng)過套管閘門回流到井筒，實(shí)現(xiàn)噴提油管油水不外泄的目的。設(shè)計(jì)防污裝置主要有漏斗和回流管組成，其工作原理為：將噴提漏斗連接在套管一側(cè)閘門，油管卸開后快速推至噴提漏斗上部，使噴提液由漏斗通過套管閘門流入井筒。

（2）方案2：研制密閉式噴提油管防污裝置（圖2）

在封井器上部設(shè)計(jì)防污裝置，噴提液由防污裝置經(jīng)導(dǎo)流管進(jìn)入井筒，實(shí)現(xiàn)噴提油管油水不外泄的目的。設(shè)計(jì)密閉式防污裝置主要由兩瓣式排污筒、上密封環(huán)、下密封環(huán)、排污接頭、導(dǎo)流管組成。設(shè)計(jì)工作原理：噴提泄油時(shí)合上分瓣式排污筒，密封下端油管接箍和上端油管本體，卸開油管絲扣，油水泄入排污筒內(nèi)，再經(jīng)過導(dǎo)流管從套管進(jìn)入井筒，泄油完成后打開分瓣式排污筒，上提油管施工。

（3）方案3：研制內(nèi)置式噴提油管防污裝置（圖3）

在套管大四通內(nèi)部設(shè)計(jì)噴提器，并設(shè)計(jì)專用提升工具，利用封井器內(nèi)部空間，直接將油水由封井器內(nèi)部空間泄入井筒內(nèi)，實(shí)現(xiàn)噴提油管油水不外泄的目的。設(shè)計(jì)工作原理：外部結(jié)構(gòu)與油管懸掛器相似，利用專用提升工具將裝置直接放于大四通處，封井器上端安裝自封密封油管本體，卸開油管絲扣上提油管泄油直接流入井筒，上提油管施工。

2 方案優(yōu)選

（1）操作安全性能論證

結(jié)合3種方案的特點(diǎn)，從泄油途徑、安裝位置、增加井口高度3個(gè)方面進(jìn)行了對(duì)比分析（表2）。

由表2可知，3個(gè)方案設(shè)計(jì)的泄油途徑不同決定了防污裝置的安裝位置不同，方案1和方案3安裝防污裝置后，不增加井口操作高度，方案2設(shè)計(jì)安裝在封井器上部，排污筒至少設(shè)計(jì)高0.5m。

石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 6690-2008《井下作業(yè)井控技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：所有施工井均應(yīng)安裝相應(yīng)壓力級(jí)別的防噴器，為此，勝利采油廠作業(yè)大隊(duì)配備了2SFZ18-35型防噴器，井口高度一般為1.1m。方案2的排污筒高度設(shè)計(jì)至少0.5m，使得井口高度增加為1.6m，導(dǎo)致操作液壓鉗施工存在較大安全隱患。

表2 3個(gè)方案對(duì)比表

方案2的實(shí)施需要配套專用操作平臺(tái)，并且不易解決現(xiàn)場(chǎng)施工操作存在的安全問題。因此，經(jīng)過安全技術(shù)論證，方案2不符合安全生產(chǎn)的要求，淘汰方案2，下面將對(duì)方案1和方案3進(jìn)一步優(yōu)選。

（2）漏失量模擬試驗(yàn)

方案1由于油管中心與防污裝置中心存在距離差，油管向防污裝置移動(dòng)過程中部分油水直接泄露到地面。對(duì)方案1和方案3進(jìn)行漏失量模擬試驗(yàn)，尋找漏失量較小的方案。

受油水井大四通、套管閘門、防噴器等結(jié)構(gòu)的限制，油管中心與漏斗中心存在一定距離，通過查閱《井下作業(yè)技術(shù)手冊(cè)》，計(jì)算出油管與漏斗兩中心距最小值為85cm。模擬試驗(yàn)方法：用200L膠皮桶模擬防污裝置，每噴提1根油管，根據(jù)噴提油管內(nèi)徑和長(zhǎng)度計(jì)算出管內(nèi)總液量，測(cè)量出桶內(nèi)的液量，二者差值即為濺灑在地面的漏失量。2009年2月4日，在ST1-2-35井進(jìn)行了漏失量模擬試驗(yàn)，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析（表3）。

統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)結(jié)果，方案1在中心距85cm的情況下僅有不到20%的油水能通過漏斗回流到井筒，80%以上噴提液都直接排放到地面，無法徹底解決油水外排造成環(huán)境污染的問題，因此淘汰方案1。

通過以上對(duì)比分析，決定將方案3做為下步實(shí)施方案。

表3 噴提油管油水漏失量統(tǒng)計(jì)表

3 實(shí)施方案分解

根據(jù)方案3設(shè)計(jì)原理要求，對(duì)該方案進(jìn)行了分解，主要為：滑塊卡瓦型體選擇、主體方案選擇、材質(zhì)選擇和專用提升工具選擇。

（1）方案分解1：滑塊卡瓦型體選擇（圖4）

圖4 滑塊卡瓦型體選擇

小組成員提出了兩種方案：梯型滑塊、燕尾型滑塊。

對(duì)于兩種方案的選擇，進(jìn)行了受力分析。由于內(nèi)置式防污裝置整體設(shè)計(jì)參數(shù)未確定，無法計(jì)算其承受最大應(yīng)力，但在承受同樣重量負(fù)荷情況下，受力面積越大，其承受應(yīng)力越小，安全性能越高。通過計(jì)算可知，S燕尾＝1 558.6mm2＞S梯＝895.4mm2。因此，在同樣的受力狀態(tài)下，燕尾型體比梯型體承受應(yīng)力要小，裝置安全系數(shù)高，最終確定滑塊型體為燕尾型。

（2）方案分解 2：主體方案選擇

由于滑塊卡瓦確定為燕尾型，防污裝置主體內(nèi)軌道相應(yīng)配套設(shè)計(jì)，必須滿足以下兩個(gè)條件：①上提油管時(shí)，油管能順利通過防污裝置；②下放油管時(shí)，防污裝置能起到油管吊卡的作用，承受井內(nèi)全部油管重量，并保證安全可靠。

主體最小內(nèi)徑、軌道錐度、滑塊卡瓦厚度3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)決定“兩個(gè)滿足條件”，并且3個(gè)參數(shù)相互影響。防污裝置主體的參數(shù)大小決定噴提油管能否順利通過和能否承受井內(nèi)油管重量，在防污裝置承受重量負(fù)荷和材質(zhì)強(qiáng)度一定的情況下，受力面積越大，裝置所承受剪應(yīng)力就越小，其安全性能就越高。小組成員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，決定采用正交試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)選參數(shù)。

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)：①試驗(yàn)?zāi)康摹Ｍㄟ^正交試驗(yàn)，找出適合防污裝置主體的關(guān)鍵參數(shù)，達(dá)到滿足噴提油管能順利通過、安全性能最高的目的，保證其安全承受井內(nèi)油管重量。②確定考察的指標(biāo)。試驗(yàn)中把防污裝置的受力面積作為考察指標(biāo)。③確定因素，選水平，制定因素水平表。影響防污裝置受力面積的因子主要有主體最小內(nèi)徑、軌道錐度、滑塊卡瓦厚度，它們之間相互影響和制約。根據(jù)因子的可能取值范圍，結(jié)合套管大四通、防噴器、油管技術(shù)參數(shù)，決定在本試驗(yàn)中采用的因素位級(jí)（表4）。④設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（表5）。⑤試驗(yàn)結(jié)果的分析。

表4 因素位級(jí)表

表 5 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)表

·直接看

直接比較9個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，容易看出：第8號(hào)試驗(yàn)的受力面積最大為1449.7mm2，說明防污裝置承受剪應(yīng)力最小、安全性能最好，A2B3C2組合即主體最小內(nèi)徑115mm、軌道錐度20°、滑塊卡瓦厚度60mm達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。

·算一算，比一比

首先對(duì)于各列，比較受力面積各位級(jí)之和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的大小。如因子A（主體最小內(nèi)徑即第一列），Ⅱ比Ⅰ、Ⅲ都大，則占有第1列的因素的位級(jí)Ⅱ，受力面積通常比其它位級(jí)高，即主體最小內(nèi)徑115mm；再如因子B（軌道錐度即第2列），Ⅲ比Ⅰ、Ⅱ都大，這表明了軌道錐度因素以位級(jí)Ⅲ為好，即軌道錐度 20°。

在本試驗(yàn)中，第2列的R=2 350.2，極差最大，表明軌道錐度是重要因素；第1列的R=152.6，極差較大，表明主體最小內(nèi)徑是二等重要因素；第3列R=75.2，極差較小，說明滑塊卡瓦厚度是次要因素。

通過試驗(yàn)分析，滿足油管能正常通過防污裝置條件下，其受力面積最大、安全性能最高的主體設(shè)計(jì)方案為：軌道錐度20°、主體最小內(nèi)徑115mm、滑塊卡瓦厚度60mm。

（3）方案分解 3：材質(zhì)選擇（圖 5）

圖5 材質(zhì)選擇

確定了防污裝置主體方案后，對(duì)加工材質(zhì)進(jìn)行了選擇，主要從鋼材強(qiáng)度、硬度和價(jià)格方面比較（表6）。

表6 材質(zhì)對(duì)比評(píng)價(jià)表

石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5035-2004《吊環(huán)、吊卡、吊鉗》規(guī)定：最大靜載荷≤150t時(shí)，要求吊卡安全系數(shù)達(dá)到3以上。由于防污裝置需要承受井內(nèi)油管的重量，相當(dāng)于油管吊卡的作用，對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

·噴提油管最大負(fù)荷。勝坨油田油井泵掛深度在2 000m左右，假設(shè)井內(nèi)全部為φ89mm油管，在不計(jì)算油管浮力的情況下，噴提油管施工作業(yè)時(shí)最大負(fù)荷計(jì)算為：

油管重量G1=2 000×136=272kN

管內(nèi)液柱重量 G2=1.0×103×0.004 5×2 000×10=90kN

噴提油管的最大負(fù)荷Q=G1+G2=362kN

實(shí)際上，勝利采油廠油水井管柱為φ89mm和φ73油管組合，正常上提負(fù)荷不超過300kN，但理論強(qiáng)度校核仍按計(jì)算最大值362kN進(jìn)行計(jì)算。

·防污裝置承受最大剪應(yīng)力。防污裝置應(yīng)力集中部位在3個(gè)滑塊卡與下壓蓋接合處，承受最大剪應(yīng)力分別為：

式中 τmax—防污裝置承受的最大剪應(yīng)力，MPa；

Q—噴提油管最大負(fù)荷，N；

S—燕尾型卡瓦受力面積，mm2。

防污裝置安全系數(shù)分別為：

·結(jié)論。通過以上校核計(jì)算可知，45#鋼和42CrMo 鋼均滿足 τmax最大＜[τ]許要求，但 45#鋼安全系數(shù)1.48＜3，達(dá)到不安全要求，而42CrMo鋼安全系數(shù)3.46＞3，滿足安全要求。因此，材質(zhì)最終選擇42CrMo鋼材。

（4）方案分解4：專用提升工具選擇（圖6）

圖6 專用提升工具選擇

提升工具作用就是將防污裝置從套管大四通內(nèi)取出，小組成員提出了兩種方案：掛鉤型和絲扣型，并進(jìn)行了對(duì)比分析。

掛鉤型提升工具設(shè)計(jì)為底部帶彎鉤的拉桿，頂部為環(huán)形把手，人工用力鉤掛住防污裝置內(nèi)部將其取出（圖7）。該方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)為：當(dāng)井內(nèi)油管重量負(fù)荷較大時(shí)，防污裝置與大四通內(nèi)壁卡緊，人工用力不易取出，同時(shí)也存在一定安全隱患。

絲扣型提升工具設(shè)計(jì)為底部帶公扣的提升筒，其扣型與防污裝置上壓蓋內(nèi)螺紋扣型一致，上部可插入螺栓，利用修井機(jī)提升系統(tǒng)將防污裝置取出，可消除人工用力舉升存在的安全隱患（圖8）。

通過兩種方案的對(duì)比，決定采用絲扣型專用提升工具設(shè)計(jì)方案。

4 確定最佳方案

通過分析論證，2009年3月4日小組召開了全體會(huì)議，集體研究決定，最終確定了研制內(nèi)置式噴提油管防污裝置的最佳方案（圖9）。

制定對(duì)策

制定對(duì)策如表7所示。

實(shí)施對(duì)策

1 防污裝置加工

勝利采油廠油水井管柱結(jié)構(gòu)主要為φ89mm和φ73油管組合，因此要求防污裝置的規(guī)格必須與油管相配套。小組成員根據(jù)最佳方案要求，確定出防污裝置的主要技術(shù)參數(shù)，并完成了工具加工圖紙繪制。

表7 制定對(duì)策表

2009年3月12日至3月24日，小組成員與黃河石油機(jī)械廠結(jié)合，加工了防污裝置樣品（圖10）。

2 防污裝置強(qiáng)度檢測(cè)

防污裝置加工成功后，2009年4月3日在山東創(chuàng)佳石油機(jī)械制造有限公司進(jìn)行強(qiáng)度校核，壓力最大值為500kN，承壓30min后裝置3個(gè)滑塊卡瓦和主體部分完好無損，完全滿足噴提油管負(fù)荷需要，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

作業(yè)27隊(duì)施工的NHT82-4X3井由于砂埋泵筒泄油器打不開導(dǎo)致噴提施工作業(yè)，2009年4月5日在該井進(jìn)行了首次試驗(yàn)，安裝防污裝置后，噴提油管過程中油水不再外排，使用效果較好。2009年4月5日至4月28日，應(yīng)用該防污裝置進(jìn)行噴提油管施工試驗(yàn)11井次，未產(chǎn)生污染，取得了良好的應(yīng)用效果（表 8）。

表8 內(nèi)置式噴提油管防污裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

效果確認(rèn)

1 目標(biāo)值檢查

防污裝置應(yīng)用后，2009年5～12月份修井作業(yè)無污染率為：（1 414-15）/1 414×100%＝98.9%，實(shí)現(xiàn)了小組的活動(dòng)目標(biāo)（表9）。

2 經(jīng)濟(jì)效益

（1）節(jié)約環(huán)保費(fèi)用。2009年應(yīng)用防污裝置后噴提油管施工未產(chǎn)生地面污染的共計(jì)：155＋11-15＝151井次，較2008年噴提油管作業(yè)平均單井環(huán)保費(fèi)用0.98萬元計(jì)算，可節(jié)約環(huán)保費(fèi)用：F1＝151×0.98=147.9萬元。

（2）成本支出。防污裝置加工共30套，每套成本0.7萬元，檢測(cè)費(fèi)用0.1萬元，則活動(dòng)成本：F2=加工費(fèi)＋檢測(cè)費(fèi)用＝0.7×30+0.1×30=24 萬元。

因此，本次活動(dòng)取得直接經(jīng)濟(jì)效益：F=F1－F2=147.9-24=123.9萬元。

3 社會(huì)效益

（1）解決了噴提油管油水外排污染環(huán)境的問題，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

表9 2009年5～12月份噴提油管施工污染井次統(tǒng)計(jì)表

（2）改善了一線工人噴提油管施工的勞動(dòng)條件，消除了施工安全隱患，實(shí)現(xiàn)了安全高效作業(yè)。

（3）內(nèi)置式噴提油管防污裝置的設(shè)計(jì)成功，創(chuàng)造性地解決了噴提油管防污染技術(shù)瓶頸，該項(xiàng)防污染技術(shù)在油田作業(yè)系統(tǒng)具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

標(biāo)準(zhǔn)化

制定了作業(yè)大隊(duì)QHSE/SCZY-26-015《內(nèi)置式噴提油管防污裝置操作規(guī)程》，并上報(bào)勝利采油廠技術(shù)監(jiān)督科審批。同時(shí)，對(duì)作業(yè)大隊(duì)職工進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)，在勝利采油廠作業(yè)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

總結(jié)及下步打算

內(nèi)置式噴提油管防污裝置的成功研制和推廣應(yīng)用，解決了噴提油管油水外排污染環(huán)境的問題，改善了一線作業(yè)工人勞動(dòng)的勞動(dòng)條件，收到了預(yù)期效果。同時(shí)，鍛煉了小組成員運(yùn)用QC活動(dòng)解決生產(chǎn)實(shí)際問題的能力，提高了小組成員的技術(shù)攻關(guān)能力和質(zhì)量管理水平。今后我們將進(jìn)一步開展QC小組活動(dòng)，在工作中積極創(chuàng)新，下次我們將選擇《提高地層充填防砂一次成功率》為活動(dòng)課題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)。

??萍

2010-07-08