井筒自動除硫裝置及其除硫方法

李　周　劉建儀　吳　昊　劉百川

（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都　610500；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都　610500；3.冀東油田南堡作業區地質研究所， 河北唐山　063200）

井筒自動除硫裝置及其除硫方法

李周1劉建儀2吳昊1劉百川3

（1.西南石油大學石油與天然氣工程學院，四川成都610500；2.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，四川成都610500；3.冀東油田南堡作業區地質研究所， 河北唐山063200）

針對目前某些氣田井筒硫沉積嚴重，現階段化學溶硫劑具有劇毒性、現場操作工藝復雜、除硫效果不明顯等問題，提出了一種新型井筒自動除硫裝置及其除硫方法。該裝置通過將天然氣的能量轉化為自身的動力，實現自身的旋轉，并從井底向井口運動，以液力除硫和機械除硫相結合，對井筒壁面上所沉積的硫進行清除，實現了除硫的自動化、節能化、高效化。室內試驗結果表明，該裝置可以在井生產期間對井筒壁面上所沉積的硫實現有效清除，并且其具有操作簡單、費用低、機械結構簡單等優點，具有良好的應用前景。

井筒結硫；自動化；除硫裝置；除硫方法

酸性氣藏在開采過程中，溶解于酸性氣體中的單質硫，會隨天然氣從地層流入井筒，由于壓力、溫度的下降，導致單質硫在氣體中的溶解度降低。當單質硫含量超過天然氣含硫飽和度以后，氣體中的單質硫將不斷地從天然氣中析出，如果氣井氣流速度達不到攜帶出單質硫的臨界速度時，單質硫將在井筒通道中沉積下來［1-3］。隨著時間的推移，沉積量會逐漸增大，可能堵死射孔孔眼、井筒，更有甚者使氣井不能正常生產［4］。除此之外，單質硫的沉積也會對井下管柱造成嚴重的腐蝕。

因此， 怎樣有效清除井筒沉積的單質硫關系到氣井是否可以正常生產。目前，除硫技術主要有化學除硫，其主要是通過配制溶硫劑，來溶解井筒中沉積的硫。但是一般溶硫劑都有劇毒性，并且現場施工表明其施工工藝復雜，井筒溶硫效果不好［5-8］。如果采用機械除硫方式，則和機械除蠟一樣，現階段的機械除硫方式具有以下缺點：刮刀片的外徑固定，往往導致除硫裝置下放困難，無法下入到結硫更嚴重的地方；遇到硬度大的硫沉積時，容易使刀片卡住；機械帶來的能耗嚴重，需要地面動力設備提供刮硫器的井下除硫動力；整個除硫周期耗費時間長，除硫系統設備操作復雜。以上種種原因，使得除硫效果達不到預期［9］。因此，設計了一種利用井下氣液動力轉化為除硫裝置除硫動力的井筒自動除硫裝置，來解決當前的井筒硫沉積問題。該裝置可以對井筒壁面上沉積的硫實現快速有效的清除。

1　井筒自動除硫裝置

1.1主體結構

井筒自動除硫裝置［10-11］包括泵殼、泵體、芯軸、進流體頭、膠筒、接頭、葉輪和刮刀裝置。其中泵體包括設置有泵腔的主體和封蓋泵腔的蓋體，泵體設置于泵殼內，主體和蓋體均通過銷釘與泵殼固定連接，芯軸設置于泵腔內，主體和蓋體上均設置有安裝芯軸的軸孔，蓋體上的軸孔軸向貫穿蓋體，主體的軸端面和蓋體上均布置有多個貫穿軸端面和蓋體的通孔，芯軸的兩端分別固定連接于主體和蓋體上。裝置結構如圖1所示。

圖1　井筒自動除硫裝置結構示意圖

1.2刮刀片結構設計

刮刀片內部設置［12］的流體通道包括中心流道和多個連通中心流道與外部空間的噴嘴流道。噴嘴流道與刮刀片的軸心線位于同一平面內，直徑均為0.6~1.0 mm。噴嘴流道包括1個中心噴嘴、1個射流噴嘴和1個側噴嘴，中心噴嘴與刮刀片的軸心線同軸設置，射流噴嘴與刮刀片的軸心線呈14°夾角，側噴嘴垂直于刮刀片的中心軸線。鎖定、打開控制器主要用于刮刀片地面的鎖定以及井筒除硫工作時的自動打開，其采用的是交替式開關的鎖位原理。刮刀片的結構如圖2所示。

1.3工作流程

井筒自動除硫裝置進行井筒除硫的流程，包括以下步驟。

圖2　刮刀片結構示意圖

（1）選擇刮刀片、彈簧，組裝井筒自動除硫裝置。

（2）將整個除硫裝置下放到井底，在下放過程中，除硫裝置經過井筒結硫處時，由于井筒的過流界面變小，刮刀片受到壁面的反作用力，井壁面的硫厚度越大，則給刮刀片的反作用力就越大，當反作用力大于一定值時，會使得循環鎖緊/解鎖結構的鎖扣打開，導致刮刀片受到彈簧力的作用。

（3）由于重力的作用，除硫裝置將繼續下行，原本被鎖住的刮刀片會相繼打開，處于工作狀態。當裝置在向下運動過程中由于溫度的升高膠筒膨脹，使得膠筒筒半徑增大，減小了除硫裝置與油管之間的過流界面或將油管完全堵死。

（4）由于膠筒的封隔作用，氣液會推動整個裝置向上運動，地層氣體或者液體通過進流體頭沿著流通通道進入裝置，氣液沖擊半閉式葉輪，將地層氣液動能轉化為除硫裝置機械能，從而驅動整個裝置旋轉。當遇阻時，刮刀片開始工作，當刮刀片難以克服阻力除硫時，刮刀片可以改變工作半徑，只去除表層的硫，減小了卡轉的可能，而難以除去的硫由下一組工作半徑更大的刮刀片來去除。裝置的旋轉和向上運動同時進行，實現了除硫裝置的自動除硫。氣液通過通道從刮刀片中高速噴射出，既粉碎了硫，達到除硫的效果，也驅動整個裝置旋轉。當除硫階段完成，除硫裝置由于氣流的推動作用上升到井口，取下裝置，除硫完成。

1.4裝置關鍵參數的選擇

裝置下放之前，必須對裝置的某些關鍵參數進行選擇，主要遵循以下原則。

（1）根據結硫的厚度，選擇合適工作半徑的刮刀片，刮刀片的最大工作半徑始終小于井筒的半徑。

（2）根據結硫的硬度，選擇刮刀片的強度，使刮刀片的強度適合井筒所結硫的強度。

（3）刮刀片的工作半徑自上而下依次增大。

（4）根據結硫的硬度選擇除硫裝置所需的彈簧的強度。

2　裝置優點

自動除硫裝置實現了以下突破：克服了除硫裝置刮刀片外徑固定，而導致刀片容易卡住的問題；設置了膠筒，其可以在除硫裝置下方過程中，隨著溫度的升高而膨脹使油管過流面積減小甚至封死，提高了液力值，實現了利用井下氣液動能轉化為除硫裝置工作機械能，達到自動除硫效果；克服了現有除硫裝置系統復雜、操作復雜的問題，使得井筒除硫操作變得簡單；在裝置兩端添加過濾板，防止了因井筒氣液中大顆粒雜質進入，使葉輪發生卡阻和對刮刀片中的流通通道造成堵塞的發生；為了提高除硫能力，該裝置的刮刀片上設置有與中間通道連通、允許氣液高速流過的通道，實現了高速氣液除硫和機械除硫2種除硫方式的結合。

3　室內試驗

井筒自動除硫裝置對于防腐性能要求較高，但是現場施工簡單，其流程如下：井筒硫沉積位置與厚度確定→除硫裝置組裝→通過井口下放裝置→膠筒膨脹，裝置開始工作→除硫完成，回收裝置。

裝置的某些具體參數的設定需根據氣井的具體情況而定，為防止意外情況發生應在裝置上部接頭處安裝打撈設備。

根據裝置的特點，在室內對裝置的關鍵性能進行了模擬評價試驗。選用的井筒模擬管徑為?82mm，井筒壁面上有2.3~6.2 mm厚的單質硫，選用除硫刀片直徑為?80 mm、?78 mm以及?76 mm，加熱管壁，保持溫度為60 ℃。試驗現象：裝置下放過程順利，待膠筒膨脹后，運動方向由向下轉為向上，裝置開始旋轉并清除壁面上的硫，單質硫被氣流不斷地攜帶出井筒，最后裝置被氣流推出井筒。通過檢測發現井口氣體中的單質硫含量較應用前增加16.7%。

試驗結果表明，本自動除硫裝置可以對高含硫氣井井筒沉積的單質硫進行有效清除，為氣井的正常生產提供有力保障。

4　結論

（1）該裝置除硫刀片經過特殊設計之后，具有下放簡單、不被卡住、可變半徑等優點，因此可以順利下放到井筒結硫位置。

（2）該裝置可以通過井中流體對半閉式渦輪的沖擊以及水力噴射可以使整個裝置旋轉除硫。

（3）該裝置實現了機械除硫和水力除硫的結合，除硫效果明顯，試驗井井口氣體中單質硫含量較應用前增加16.7%。

（4）室內試驗體現了本裝置除硫的直接性、簡單性、有效性以及環保性等優點。

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（修改稿收到日期2015-04-20）

〔編輯付麗霞〕

Automatic wellbore desulphurizing equipment and its desulphuring method

LI Zhou1, LIU Jianyi2, WU Hao1,LIU Baichuan3
（1. Oil and Gas Engineering College, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 2. State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China; 3. Institute of Geology, Nanpu Operating Area of Jidong Oilfield, Tangshan 063200, China）

In line with such problems as severe sulphur deposition in gas field wellbores, acute toxicity of chemical sulphur dissolving agent at present, complex operation process at site and unfavorable desulphuring effectiveness, this paper presents a new kind of automatic wellbore desulphuring equipment and its desulphuring method. This equipment converts the natural gas energy into its own power and realizes its rotation. It moves from hole bottom to wellhead and remove sulphur deposited on wellbore walls both hydraulically and mechanically. This equipment removes sulphur automatically, efficiently and saves energy. Indoor test results show that this equipment can effectively remove the sulphur on the wellbore wall surface during gas production, and it is characterized by easy operation, low cost, simple mechanical structure. It enjoys a good application prospect.

sulphur deposition on wellbore; automatic; desulphurizing equipment; desulpuring method

TE938文獻識別碼：B

1000 – 7393（ 2015 ） 03 – 0125 – 03

10.13639/j.odpt.2015.03.029

國家自然科學基金“高含硫氣藏井筒硫沉積機理研究”（編號：51474181）。

李周，1990年生。在讀碩士研究生，主要從事油氣田開發研究工作。電話：15928095469。E-mail：2326982929@qq.com。

引用格式：李周，劉建儀，吳昊，等.井筒自動除硫裝置及其除硫方法［J］. 石油鉆采工藝，2015，37（3）：125-127.