抽油桿倒扣器的研制與應用

張多多 劉國慶 李勇 黎濤 崔淑娟 王宏盛 陳富剛

（1.西安物華巨能爆破器材有限責任公司；2.北方爆破科技有限公司）

在油井修井作業檢泵過程中，起抽油桿時經常因為砂卡、蠟卡等原因造成活塞在泵筒內卡死使得抽油桿無法拔出。通常，遇到這種情況通常會采用三種方法來起抽油桿：一是使用管鉗反向旋轉抽油桿進行倒扣，這種方式的缺點是過大的抽油桿反向扭矩，可能會使管鉗反彈造成人員受傷，容易造成安全事故；二是以鋸桿的方式起出所有抽油桿，這種方式既影響施工進度又會造成了所有抽油桿報廢；三是用大噸位上提解卡，這種方式存在把抽油桿拔斷的風險，而且抽油桿可能會由于承受超過抽油桿材料屈服強度的應力發生塑性變形而報廢[1]。針對上述三種方法所存在的問題，研制了一種簡易的倒扣工具。

1 倒扣工具結構

該簡易抽油桿倒扣工具包括轉盤、卡瓦座、卡瓦、旋緊把手和鎖緊螺釘，其中轉盤是由空心無縫鋼管制作，轉盤和卡瓦座通過6根無縫鋼管焊接為一體，其中卡瓦座為實心鐵塊，抽油桿倒扣工具結構見圖1。卡瓦的結構（圖2），卡瓦內槽的直徑和抽油桿的直徑相同，內槽的鋸齒形牙硬度為HRC50-55。卡瓦兩個為一副，安裝在卡瓦座中，卡瓦座的下部槽的寬度小于卡瓦的寬度，當卡瓦裝在卡瓦座中時，可防止卡瓦從底部掉落。在卡瓦座的側面，開有M40的螺紋孔，鎖緊螺釘可從M40的螺紋孔中擰入，旋緊把手安裝在鎖緊螺母的一端，當抽油桿安裝在兩個卡瓦之間，旋轉旋緊把手可帶動鎖緊螺釘向卡瓦移動并對卡瓦施加壓力，使得兩個卡瓦將抽油桿鎖緊[2-5]。

圖1 抽油桿倒扣工具結構

圖2 卡瓦結構

2 工作原理

在實際操作過程中，作業人員可根據生產油管內的抽油桿尺寸規格，選擇相應尺寸規格的卡瓦。將兩個卡瓦裝到卡瓦座上，并將抽油桿穿入兩個卡瓦中間，然后轉動旋緊把手使鎖緊螺釘向卡瓦移動，兩個卡瓦之間的間距減小直到卡瓦將抽油桿鎖緊，然后由若干名作業人員合力對轉盤進行反向旋轉，對井內的抽油桿進行倒扣作業。

3 仿真驗證

在對抽油桿進行倒扣作業過程中，在抽油桿上作用有很大的力矩，該力矩會使得抽油桿上產生應力，如果應力大于抽油桿材料的屈服強度，抽油桿就會發生塑性變形而報廢[6-9]，工具也會承受較大的載荷，為了驗證該工具的結構強度及抽油桿在作業過程中所受的應力，對該簡易工具在工作過程中的關鍵部件進行有限元仿真。

3.1 仿真模型

在倒扣作業過程中，轉盤對抽油桿施加的扭矩基本是恒定的，是一個準靜態的受力狀態，因此仿真采用靜力結構分析，模型中對抽油桿底部施加固定約束，對轉盤施加一個恒定的扭矩1 200 N·m，圖3中所有的零件均采用四面體網格。轉盤和卡瓦座劃分70 523個網格單元，單個卡瓦劃分10 025個網格單元，局部抽油桿劃分5 000 個網格，網格的數量滿足精度要求，倒扣工具仿真網格劃分模型見圖3。

圖3 倒扣工具仿真網格劃分模型

圖4 作業時應力仿真云圖

3.2 仿真結果分析

圖4 為轉盤在作業時的應力仿真云圖，從圖4中可以看出，轉盤上的最大應力出現在卡瓦座上，應力值最大為57.384 MPa，卡瓦上的最大應力出現在卡瓦接近兩端的鋸形齒上，最大應力值為269.880 MPa，抽油桿上的最大應力出現在卡瓦與抽油桿接觸的部分，該部分應力最大值為131.110 MPa，抽油桿其在卡瓦和井內螺紋扣之間的部分的應力為108.96 MPa，均未超過對應零件材料的屈服強度，這說明該倒扣工具在作業過程中是安全可靠的。

4 現場應用

以緬甸CHK油田CDT-XX井為例：2019年4月25日，對該井進行施工，油套泄壓，出口返出大量氣體，H2S 含量0，開井觀察3 h，井口穩定。試提抽油桿，拔至12 t未能拔出，抽油桿卡死，反復多次嘗試未能解卡，準備使用研制的抽油桿倒扣工具（圖5）進行倒扣。將抽油桿過提5 t，將抽油桿倒扣工具安裝至抽油桿本體上，轉動旋緊把手使鎖緊螺母鎖死抽油桿卡瓦，4 名操作人員站至井口不同方位，抓緊轉盤，反向旋轉抽油桿倒扣器，旋至48圈時，噸位下降至1.2 t，倒扣成功，起出抽油桿83根。繼續起生產油管，油管起出68 根時，露出抽油桿，繼續使用簡易抽油桿倒扣工具對抽油桿進行倒扣，最終起出所有生產管柱。

圖5 抽油桿倒扣工具

后期，該抽油桿倒扣工具在緬甸CHK 油田和YNG 油田YNG32XX、YNG30XX、CHK11XX 等13口井進行抽油桿倒扣作業，均取得了較好的效果，相對人工管鉗倒扣的井，大大提升了倒扣效率，減輕了工人勞動強度，避免了大力解卡對抽油桿造成的損害，節省了人工成本和時間成本；對人工管鉗倒扣失敗的井，采用抽油桿倒扣器后也取得了成功；作業中未發生安全事故，且操作簡便，省時省力。

5 總結

該簡易抽油桿倒扣器制作相對簡單、使用方便，對設備的要求較低，使用傳統的管鉗進行倒扣，扭矩過大會造成管鉗反彈傷人，而此倒扣器為圓形，即使扭矩過大，也可由操作人員互相配合，松開工具，工具卡死在抽油桿上以抽油桿為圓心旋轉，不會造成安全事故，且使用該工具，可提高抽油桿的倒扣效率，節省人工成本和時間成本。