油管油桿即時清洗設備的研制及應用

馬 潮，房利利，吳 鵬，房海濤

1.中國石油集團渤海石油裝備制造有限公司石油機械廠，河北任丘 062552

2.華北油田公司勘探開發研究院，河北任丘 062552

3.中國石油集團渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司，河北河間 062465

通過及時清除抽油桿外壁及油管內外壁上的結蠟和污垢，可以有效提升油井的產量[1]。傳統的清洗方法是在修井作業中利用修井機將油桿、油管起出，然后將其放置在管架上，再利用高溫、高壓熱水或蒸汽對其進行清洗。這種方法能源浪費嚴重，作業時間長，對環境的污染大。以雄安新區附近某采油廠為例，該采油廠年檢修約590余口井，檢修作業時，單井地面清蠟在150 kg以上。新環保法要求企事業單位和其他生產經營者應當對其所造成的損害依法承擔責任，因此對修井作業提出了更高的環保要求[2]。

1 系統設計

1.1 系統工作原理

傳統的清洗方法是在地面管架上對起出的油桿、油管進行清洗，如圖1所示。針對傳統作業存在的問題，設計了一種新式油管、油桿清洗設備。利用該設備可實現油管、油桿在提出井口過程中將其清洗干凈（即提即洗），從而不影響油井其他作業工序的進行。并可實現直接在井下對油管內壁進行連續清洗，單次作業深度可達500 m；同時現場生成的污油、污水全部密閉回收，不會對環境造成污染。該系統的工作原理如圖2所示。

圖1 傳統檢修作業地面油管油桿清蠟現場

圖2 清洗設備系統工作原理

系統主要由水箱、柱塞泵、鍋爐、軟管起下器、專用清洗器、回收泵、污水箱構成，具有加熱、清洗、回收三大功能。專用清洗器包括油桿外壁清洗器、油管內壁清洗器、油管外壁清洗器。工作時，利用鍋爐、柱塞泵和清洗器，形成有一定噴射角度的高溫、高壓扇形射流，將油桿、油管外壁的油污進行一次剝離[3]，然后利用清洗器上的密封膠圈刮除殘余污垢。待油桿全部起出后，可以利用連續軟管起下器，將抗拉膠管及特制清洗頭輸入井下油管內部，對油管內壁進行連續清洗。清洗過程中利用回收泵、連接設備上的專用回收接口，可將清洗過程中產生的污油、污水及時回收。

1.2 油桿外壁清洗工藝

提桿作業前，先將油桿清洗器安裝在采油樹上。如圖3所示，鍋爐中的熱水經過清洗泵加壓后，直接送入油桿清洗機構，在油桿提升過程中，油桿清洗機構內形成有一定噴射角度的高溫、高壓熱水，在溫度和清洗力的雙重作用下，將油桿清洗干凈，殘余的污垢[4]則利用頂部密封膠圈刮除。清洗產生的污水通過清洗器的回收接口，經回收泵回收。

1.3 油管內壁清洗工藝

圖3 油桿外壁清洗工藝示意

所有油桿起出完畢后，提出部分油管，安裝井口防噴器，連接油管內壁清洗器的井口裝置與油管，準備清洗油管內壁。利用軟管起下器將軟管及特制清洗頭送入油管內部。啟動鍋爐、清洗泵及軟管起下裝置將清洗頭逐步提升，該清洗頭同樣產生有一定噴射角度的高溫、高壓熱水，邊提升邊對油管內壁進行沖洗，清洗速度可達到1.5 m/s。產生的油水混合物自動向上浮動，通過井口裝置并利用回收泵進行回收。該清洗工藝過程如圖4所示。

圖4 油管內壁清洗示意

1.4 油管外壁清洗工藝

油管外壁清洗工藝與油桿外壁清洗工藝基本相同，只是油管外徑較大。一般情況下，經過清洗油管內壁后，油管外壁的結蠟已基本溶化，此時用油管外壁清洗機構上的刮油器裝置刮一下即可[3]。

2 部件設計選型與性能參數

2.1 油桿外壁清洗器的設計

在油桿外壁清洗工藝中，為了實現對清洗污水的回收，整個環節需要在一個密閉環節中運行。為了產生高壓扇形水流，特別定制了一種噴頭，其結構為扁口結構，噴口截面長約2 mm，寬約0.8 mm。抽油桿外螺紋臺肩最大外徑為50.8 mm，因此腔體通徑按55 mm設計即可滿足使用要求。在清洗器頂部利用彈性較強的加厚膠皮套圈做密封結構及刮油裝置。連接井口配套法蘭后，熱水通過進口進入腔體，通過噴頭產生高壓扇形水流，抽油桿被修井機提起時，通過腔體內部被清洗干凈，殘余的污垢被膠皮套圈刮除，清洗產生的污油、污水通過回收接口回收至井場污水箱內。其結構示意如圖5所示，實物照片如圖6所示。

圖5 油桿外壁清洗器結構示意

圖6 油桿清洗器實物

2.2 油管外壁清洗器的設計

油管外壁清洗器的設計原理與油桿外壁清洗器相似，需考慮的是油管的結構及尺寸，API油管一般最大加厚外徑為95.25mm，則油管外壁清洗器的腔體內徑需要按照該尺寸進行設計，其成品如圖7所示。

圖7 油管外壁專用清洗器實物

2.3 油管內壁清洗器的設計

根據上述油管內壁清洗工藝要求，油管內壁清洗器主要由特制清洗頭、抗拉膠管、井口裝置等構成。特制清洗頭由扁口噴嘴及由圓鋼鍛件加工成的內徑小于油管內壁的環向噴頭構成。抗拉膠管采用市場上一款耐高壓高溫的膠管，膠管外徑30 mm，每百米質量約100 kg，可承受16 MPa的壓力及150℃的高溫，并保證在垂懸狀態下小于千分之一的變形量。井口裝置如圖8所示，包含用于連接抽油管與回收泵的油管三通、導向滑輪等結構。

圖8 油管內壁專用清洗機構示意

2.4 軟管起下器的設計

軟管起下器結構如圖9所示，包括框架、排線器、膠管卷筒、傳動結構、減速器及電機。考慮到設備在后期會集成到二類底盤車臺上，框架最大寬度尺寸控制在2 500 mm（防止車輛超寬）。排線器采用往復絲杠的工作原理，旋轉角速度與膠管卷筒旋轉角速度比值為1，導程與膠管直徑相同。根據框架結構設計參數，膠管卷筒直徑取1.5 m、長2 m，則在卷筒上滿鋪一層膠管時，膠管的展開長度約為314 m。傳動結構采用齒輪鏈條傳動，該結構簡單可靠，調整方便。減速器選用效率高、結構緊湊、體積小、運轉平穩的擺線針輪減速器，其減速比為87。根據計算，電機選用11 kW變頻剎車電機（YEJ-160M-4），其制動時間小于0.5 s，膠管提升速度可達到1.5 m/s。

2.5 系統壓力的確定

清洗壓力與油井結蠟程度成正比，即結蠟越嚴重，需求的壓力越高。在壓力的選擇上目前還沒有可供參考的文獻，經過多次試驗，得出當泵端壓力達到10 MPa時，配合高溫熱水及刮油膠圈即可滿足使用要求。

圖9 軟管起下器結構示意

2.6 系統流量的確定

系統流量可按下式確定：

式中：W為流量，m3/s；μ為流量系數，根據管路結構，取0.65；A為出口截面積，m2，系統中有4個噴嘴，流通截面積約為6.4×10-6m2；P為壓力，Pa，系統壓力為10× 106Pa；ρ為液體密度，kg/m3，此處為水的密度，取1 000 kg/m3。

經計算得到，W=0.65×6.4×10-6×（2×10×106/1 000）0.5=58.8×10-5（m3/s）。即理論系統流量約為2.12 m3/h，考慮各種損失，可將綜合流量定為3 m3/h。

2.7 確定水箱容積

在系統中，水是最基本的工作介質，因此需要設備自備儲水容器，即水箱。為使設備滿足緊湊的布局，需要確定最合理的水箱容積。從資源深度分布來看，我國石油可采資源有80%集中分布在淺層和中深層，而深層和超深層分布較少。因此若設備能滿足2 000 m井深工況，即可滿足大部分油井的油管油桿清洗需要，而對于深層油井的洗井可以增配水罐車。

按單根油桿油管長8 m計算，2 000 m井深合計約有500根油桿油管。修井機提升油桿油管的速度一般為10 s/根，系統在油桿油管提升過程中供水清洗，非提升作業時內部自循環，故500根油管油桿清洗時間共計約5 000 s。在清洗油管內壁時，清洗速度即提升速度為1.5 m/s，則油管內壁清洗時間約為1 333 s。以上兩種工況綜合清洗時間約為1.75 h，即清洗單井油管油桿的綜合用水量為5.3 m3，因此將水箱容積定為6 m3即可滿足使用要求。

2.8 鍋爐選型

清洗過程中，鍋爐的工作狀態會發生變化。在油桿油管提升過程中清洗時，因為是間歇工作，需求的功率最小；在清洗油管內壁時，因為是連續工作，需求的功率最大。

（1）最大功率計算。單位時間內將3 m3的水加熱到100℃所需的熱量可按下式計算：

式中：Q為總熱量，J；C為介質的比熱容，水為4.2 kJ/（kg·℃）；M為總質量，kg；δT為溫度變化，℃。

經計算，Q=4.2 kJ/（kg·℃） ×1 000 kg/m3×3 m3× 100℃ =1 260× 106J，則功率P=Q/t=350 kW，按熱效率為90%計算，則需要燃燒器最大功率為389 kW。

（2）最小功率計算。提升油管油桿過程中，約有10 s的時間需要用高壓熱水，約有50 s的時間在安置管桿，該過程不需用高壓熱水。10 s時間內需要的水量約為3×10/3 600=0.008 4 m3。50 s時間內將0.008 4 m3的水加熱到100℃需要的熱量為Q=4.2 kJ/（kg·℃） ×1 000 kg/m3×0.008 4m3×100℃=3.528×106J，則功率P=70.56 kW，按熱效率為90%計算，則需要燃燒器最小功率為78.4 kW。因此選取適合的百得或百特斯燃燒器做成比例機型均可滿足要求。

2.9 控制系統設計

控制系統電路如圖10所示，采用井場用電為系統提供能源，利用控制柜對柱塞泵、冷卻風扇、回收泵等進行控制。

同時控制系統需要對水溫、水壓及收卷機構進行監測。采用溫度傳感器測量鍋爐出口水溫，通過智能表顯示，利用燃燒器自帶的比例調節儀調整火焰大小。采用壓力傳感器對鍋爐的進出口水壓進行監測，為防止安全閥失效，需要超壓報警。用編碼器檢測膠管的下降和上升速度及距離，通過變頻器調節驅動電機的轉速，變頻器采用旋鈕控制，低壓啟動，實時顯示清洗器的運動速度。當清洗器在油井中的深度達到設定值時，停止下降。油管內壁清洗作業時，在清洗噴頭距離井口20m處開啟警示提醒。

圖10 控制電路

2.10 系統性能參數

各主要部件集成為系統后，其主體結構如圖11所示，整機性能參數見表1。

圖11 系統主體結構示意

表1 整機性能參數

3 應用及推廣

該設備及相關機構已申請國家專利，目前已在華北油田、大港油田、遼河油田進行了數十口井的試驗，經清洗后的油井，其日產油量均有提升，生產曲線如圖12所示。試驗現場如圖13所示。清洗過的油桿、油管達到了預期的效果，無需再進行二次地面處理，其清洗效果對比如圖14所示，且現場做到了油污不落地。油井檢修作業時間因此縮減50%，油井得以更快復產。

4 結束語

該設備已成功地通過了現場的試驗應用，經后期開發可做成撬裝式結構或者利用二類底盤改裝成油田專用車[5]。在油桿清洗機構上，也可繼續研究加裝超聲波探傷裝置，實現在油桿提升過程中的在線監測，對不適合再次下井的油桿及時進行剔除更換。

圖12 某油田采油井生產曲線

圖13 清洗作業現場

圖14 清洗效果對比

隨著社會的進步，環保作業將是今后主要的發展方向。本設備既能提高清洗效果，縮短油井檢修時間，又能實現環保作業，具有較高的社會經濟效益，應用前景廣闊。