大泵油管防噴工藝管柱作業安全性

姚飛, 孫玉學, 蔡萌, 曹夢雨, 崔天奇

(1.東北石油大學石油工程學院, 大慶 163318; 2.大慶油田有限責任公司采油工程研究院, 大慶 163318; 3.黑龍江省油氣藏增產增注重點實驗室, 大慶 163318; 4.東北石油大學機械科學與工程學院, 大慶 163318)

剩余油開采是中國老油田的重要工作之一[1],注水作業是提升機采井舉升能力的重要措施[2-3]。抽油泵是機采井的主要舉升設備,為避免其長期運行后誘發躺井故障,需要進行定期檢泵[4],檢泵時需進行抽油桿起下作業。抽油桿起下過程油管內存在帶壓流體,若無相應封堵措施,則存在泄漏、溢流乃至井噴的風險,極大地影響安全生產目的。如長10油藏高18～21井發生的“7·28”火災事故[5],此事故便是檢泵過程井口油氣泄露且密封處摩擦放電引起。由此可知,桿柱起下作業的防噴安全性可直接影響油田作業的安全性。針對桿柱起下作業的防噴問題,眾多專家學者開展了對應研究,也給出了相應成果與結論。如姚博等[6]針對檢泵過程抽油桿易突發井噴或井噴失控等問題,研發了抽油桿防噴防頂裝置,一定程度上避免了油氣資源浪費問題。陳浩等[7]分析了桿柱下入過程中剪切閘板防噴器的性能,確定了不同閘板防噴器在不同井壓作用下的適用性。王排營等[8]針對抽油桿結鹽、結蠟導致的井噴及頂鉆問題開發了一種手動抽油桿防噴器,實現了起下作業過程的防噴防頂目的。廖洪千等[9]針對檢泵過程壓井導致儲層污染的問題開展研究,設計了新型不壓井采油管內防噴裝置,可密封壓力達到35 MPa,提升了檢泵作業的安全性。陳玉等[10]針對起下抽油桿過程中的井噴和桿柱落井等問題設計了一種抽油桿的防噴懸掛裝置,一定程度解決了起抽油桿時管內的誘噴和氣舉液體噴發等問題。梁華歆等[11]針對吐哈油田低壓區塊存在的結垢結蠟抽油桿斷脫等現象,研制了一種內嵌式的抽油桿防噴器,一定程度上解決了上述情形下過流通道關閉不迅速導致的井噴問題。張千千[12]針對起下桿柱井噴問題設計了插接桿防噴器結構,實現了現場起下插接桿作業時的井口特種作業裝置可控,提升了井控可靠性。李呈祥等[13]針對油井作業特點,設計了用于帶壓起下桿柱的萬能抽油桿夾持裝置及液動防噴器,在保證井場清潔性的同時提升了油井檢泵效率。綜上所述,早期學者多采用井口防噴器和液壓夾持裝置相結合的方式避免起下抽油桿防噴,但防噴裝置的防噴思想為利用密封膠芯等結構與抽油桿柱外壁擠壓,從而密封油管與抽油桿環形空間,實現防噴目的。但抽油桿柱是變徑結構,起下時不可避免的將對防噴膠芯等密封結構產生磨損,影響后續作業的防噴效果。針對上述問題,中國專家學者設計出多種防噴脫接器結構[14-17],使用可在起管柱時與抽油桿脫開的密封工作筒實現起下桿柱防噴目的,解決了早期防噴方案的弊端。但可查的防噴脫接器結構多針對Φ70 mm以下小泵抽油機井設計,且當前關于防噴脫接器研究的重點多針對結構強度[18-20]進行,并未分析防噴脫接器的防噴效果。前文已述,當前老油田的開發早已進入剩余油開采階段,大排量、大壓力和大口徑已成為注采井工藝及結構的主流,而此類井筒的防噴安全性更應成為油田安全作業的核心問題。因此,現針對Φ70 mm及以上抽油機井起下桿管過程中的防噴安全性隱患,優化設計了防噴脫接器結構,攻關形成了抽油井大泵油管防噴技術,基于理論分析和數值模擬方法建立了大泵油管防噴工藝管柱作業過程防噴安全性評價方法,設計了其作業過程防噴安全性評價圖版,實現了其作業過程防噴安全性的量化評價。研究成果可為不壓井作業安全性提供理論依據。

1 大泵油管防噴工藝技術

1.1 工藝管柱結構

針對Φ70 mm及以上抽油機井起下桿管過程中的防噴安全性隱患,定型了防噴脫接器,攻關形成了抽油井大泵油管防噴技術,工藝管柱結構如圖1所示,工藝管柱的關鍵防噴工具為防噴脫接器,其結構如圖2所示。

圖1 大泵油管防噴工藝管柱結構Fig.1 Blowout prevention process string structure of big pump tubing

1為中心桿;2為卡爪;3為彈簧A;4為支撐套;5為彈簧B;6為保護套;7為鎖套;8為防噴滑套;9為傳動銷;11為波形簧;12為密封工作筒;13為對接爪;14為限位接頭圖2 防噴脫接器結構Fig.2 Structure of blowout preventer

防噴脫接器技術參數如表1所示。

表1 防噴脫接器技術參數表

1.2 工藝管柱防噴原理

工藝管柱的工作過程可以大致分為三個階段:即下管柱、開井生產以及起桿柱檢泵階段,結合圖1所示結構,闡述工藝管柱三個階段的工作原理。

(1)下管柱階段。下管柱前將防噴脫接器連接至泵上方,下管柱時密封體與工作筒接觸密封,實現管柱下入過程油管防噴。

(2)開井生產階段。管柱下入預定深度后,將抽油桿與限位接頭連接下入,與脫接器中心桿對接后下行,推動密封段與工作筒脫離,打開通道正常生產。

(3)起桿柱檢泵階段。起桿柱檢泵階段,抽油桿上提并帶動脫接器上行,密封段與工作筒再次配合密封,實現起桿柱檢泵階段防噴目的。

結合防噴工藝技術原理可知,Φ70 mm及以上抽油機大泵油管防噴技術主要采用定制的防噴脫接器來實現抽油機井的油管防噴,其作業過程中的的防噴安全性主要受到脫接器強度及其密封體密封能力的影響。脫接器需要對接后方可使用,故首先對防噴脫接器對接過程的強度開展分析。

2 防噴脫接器對接過程強度分析

2.1 數值模型建立

參照圖2所示防噴脫接器結構,建立防噴脫接器對接過程分析幾何模型如圖3所示。防噴脫接器對接過程涉及到金屬彈塑性變形、動載效應等因素,要求應力計算結果較為精準。使用C3D8I六面體單元劃分防噴脫接器脫接過程的網格,如圖4所示,網格數量為69.4萬。

圖3 防噴脫接器對接過程強度分析幾何模型Fig.3 Geometric modeling for strength analysis of blowout preventer during butting

圖4 防噴脫接器脫接過程數值分析模型網格劃分Fig.4 Numerical analysis model grid division of the detachment process of the blowout preventer

參照防噴脫接器對接過程進行載荷與邊界條件設置,其中固定垂直于防噴脫接器剖面以及限位接頭端面自由度,中心桿端面施加對接載荷6 kN后卸載,載荷與邊界條件設定如圖5所示,仿真過程使用的材料參數則如表2所示。其中,卡簧材料為65Mn,在仿真中使用彈簧單元等效替代;密封工作筒材料為45鋼,中心桿材料為42CrMo,其余零部件材料為40Cr。

表2 仿真分析模型涉及的材料性能參數

圖5 防噴脫接器對接過程模擬載荷與邊界條件設置Fig.5 Setting of load and boundary conditions for simulation of butt joint process simulation ofblowout preventer

2.2 數值模擬結果與分析

在外部載荷的作用下,當物體內的某一點的應力狀態滿足一定的關系時發生屈服,即塑性變形,發生屈服時應力所滿足的關系稱為屈服準則,也常用于零部件強度判定。防噴脫接器所用材料為彈塑性材料,常使用Von-Mises準則判定強度是否符合要求,該準則的表達式為

(1)

式(1)中:σ為屈服應力,MPa;σ1、σ2、σ3分別為第1、2、3主應力,MPa。

確定防噴脫接器對接過程的強度評價準則后,提取數值模擬結果如圖6所示。由圖6所示結果可知,防噴脫接器對接時,鎖套在彈簧力作用下向右運行,直到卡爪變形后完全卡入密封工作筒內。當卡爪完成對接后,其根部等效應力達到最大值,約為195.4 MPa,鎖套與密封工作筒接觸區域等效應力接近材料屈服強度,當中心桿對接載荷卸去后,防噴脫接器的整體等效應力水平略有下降。從防噴脫接器的整個對接過程載荷變化可知,整個對接過程中防噴脫接器的強度符合使用要求。

圖6 防噴脫接器對接過程等效應力分布情況Fig.6 Equivalent stress distribution during the docking process of the blowout preventer

3 起抽油桿過程防噴脫接器密封系統強度及密封性能分析

由圖2所示防噴脫接器結構可知,起抽油桿過程中,流體由其左側對接爪的間隙處流入密封工作筒內。此時,防噴脫接器的工作狀態如圖7所示。由圖7所示結構可知,當流體進入密封工作筒空間后,防噴脫接器通過結構中鎖套與密封工作筒的接觸實現密封。故在起管柱作業時,防噴脫接器接觸密封區域強度及密封性能的優劣將直接決定作業的安全性。因此,以防噴脫接器接觸密封區域為對象,開展了起管柱過程防噴脫接器強度及密封性能的數值分析。

圖7 防噴脫接器起管柱時的密封關鍵區域Fig.7 Key sealing areas when lifting the pipe string of the blowout preventer

3.1 數值模型建立

起抽油桿過程中,密封工作筒與鎖套之間在傳動結構的壓力作用下發生擠壓,接觸面產生接觸應力,依靠接觸應力實現該位置的密封。故將三維模型進行簡化,抽取防噴脫接器密封系統建立軸對稱模型,如圖8所示。

圖8 防噴脫接器密封系統幾何模型Fig.8 Geometric model of blowout preventer sealing system

采用CAX4R四結點雙線性軸向四邊形單元劃分網格,網格劃分情況如圖9所示,共劃分1.78萬個結構化四邊形單元。

圖9 防噴脫接器密封系統網格劃分Fig.9 Grid division of blowout preventer sealing system

參照結構特點進行載荷與邊界條件設置,中心桿軸線及密封工作筒螺紋連接段約束全部自由度,支撐套左側端面施加對接載荷6 kN,中心桿外壁、密封工作筒內壁等位置施加流體載荷15 MPa,載荷及邊界條件設定情況如圖10所示,仿真過程的材料屬性定義與2.1節相同,具體參數如表2所示。

圖10 防噴脫接器密封系統載荷及邊界設置Fig.10 Load and boundary setting of blowout preventer sealing system

3.2 密封系統強度模擬與結果分析

起管柱過程中,防噴脫接器密封系統不同套壓作用下的等效應力分布情況如圖11所示。由圖示變化情況可知,在套壓由0 MPa上升至15 MPa過程中,防噴脫接器密封系統的等效應力峰值一直位于鎖套與密封工作筒的接觸點位置,等效應力峰值基本保持為165 MPa左右;隨著套壓提升密封工作筒內壁的等效應力水平存在上升趨勢。提取套壓不超過30 MPa的情況下,密封工作筒內壁及密封系統整體的等效應力峰值變化趨勢如圖12所示。由圖12可知,當套壓由0上升至15 MPa過程中,密封工作筒內壁的等效應力峰值由19.32 MPa上升至102 MPa,且等效應力上升速度也呈現隨套壓上升趨勢,當套壓上升至25 MPa時,防噴脫接器密封系統的等效應力峰值點轉移至密封工作筒內壁,當套壓達到30 MPa時,防噴脫接器密封系統的等效應力峰值僅為204.6 MPa,安全系數達到3.84,而正常起管柱時套壓無法達到此壓力值[21-22],故起管柱過程中防噴脫接器密封系統強度滿足要求。

圖11 防噴脫接器密封系統不同套壓作用下等效應力分布Fig.11 Equivalent stress distribution of the sealing system of the blowout preventer under different casing pressures

圖12 密封工作筒內壁等效應力隨套壓變化Fig.12 Equivalent stress on the inner wall of the sealed working cylinder changes with sleeve pressure

3.3 密封系統密封性能模擬與結果分析

起管柱過程中,防噴脫接器密封系統不同套壓作用下的接觸應力分布如圖13所示。由圖13所示變化可知,當套壓由0上升至15 MPa過程中,防噴脫接器密封系統的接觸應力峰值一直位于鎖套與密封工作筒的接觸點位置,且接觸應力峰值呈現隨套壓增加而遞減的趨勢;當套壓由0上升至15 MPa過程中,防噴滑套與密封工作筒接觸點的接觸應力由234.1 MPa下降至136 MPa。提取鎖套與密封工作筒內壁接觸區域的接觸應力隨套壓變化情況如圖14所示。由圖14可知接觸點的接觸應力值呈現隨套壓上升而下降趨勢,當套壓達到30.85 MPa時,鎖套與密封工作筒內壁接觸區域的接觸應力低于套壓值,此時防噴脫接器密封系統失去密封能力。模擬結果表明,起抽油桿過程中,防噴脫接器密封系統的防噴壓力界限為30.85 MPa。

圖13 防噴脫接器密封系統不同套壓作用下接觸應力分布Fig.13 Distribution of contact stress of blowout preventer sealing system under different casing pressures

圖14 防噴脫接器密封系統不同套壓作用下接觸應力變化Fig.14 Change of contact stress of blowout preventer sealing system under different casing pressure

4 工藝管柱起下作業過程管柱屈曲行為分析

前文已述,工藝管柱下管柱時通過防噴脫接器實現下入防噴,起抽油桿時將帶動脫接器上行,密封段與工作筒再次實現配合密封。故下管柱和起桿柱檢泵過程中抽油泵下端液壓力均可對油管產生逐漸升高的上頂力,當上頂力過大時有可能引起油管屈曲,影響檢泵后繼續生產。故應該對工藝管柱下管柱和起桿柱檢泵過程中工藝管柱的屈曲行為開展分析。

4.1 數值模型建立

參照文獻[23]中所述方法建立大泵油管防噴工藝管柱的屈曲分析數值模型。其中下管柱時工藝管柱主要受力為管柱自重和下端液壓力產生的上頂力,起桿柱檢泵時工藝管柱受力主要為管柱自重、管柱內部流體自重、防噴脫接器對接密封后下端液壓產生的上頂力以及可能因管柱屈曲引發油套管接觸而產生的摩擦力,由于防噴脫接器可安全密封的套壓界限約為30.85 MPa,模擬過程中套管套壓施加為30.85 MPa,載荷及邊界條件施加情況如圖15所示,工藝管柱及工具長度如表3所示;油管材料為P110,屈服強度約為758 MPa。

表3 大泵油管防噴工藝管柱及工具長度

圖15 大泵油管防噴工藝管柱載荷與邊界條件設定Fig.15 Setting of string load and boundary conditions for blowout prevention process of big pump tubing

4.2 數值分析結果與分析

起抽油桿檢泵過程中,工藝管柱的屈曲行為如圖16所示。由圖示結果可知,工藝管柱在不同工況下的受力和變形均不相同,其中下管柱工況下,管柱向下伸長了0.278 m,管柱最大應力分布在井口,應力約為66.5 MPa;二次作業時,防噴脫接器對接密封,隨著套壓升高,管柱向上恢復變形至0.053 m,向上縮短了0.225 m。管柱最大應力減小至12.73 MPa。兩種工況下管柱的最大應力均遠低于材料屈服強度,管柱均未發生屈曲。綜合有限元分析結果可知,在給定工況下,管柱最大變形量為0.278 m,各工況下管柱均未發生屈曲。綜合起抽油桿檢泵過程防噴脫接器密封性能及起下作業過程工藝管柱屈曲行為分析結果可知,防噴脫接器在起下作業過程中的防噴壓力界限約為30.85 MPa。由于抽油機井正常生產時,作業壓力遠低于此數值[21-22],故起下作業過程中,大泵油管防噴工藝管柱均可以滿足防噴性能要求。

圖16 不同工況下管柱受力及軸向位移變化Fig.16 Changes of stress and axial displacement of pipe string under different working conditions

綜上所述,工藝管柱的防噴壓力界限約為30.85 MPa,可滿足大泵抽油機井起下作業的防噴安全性需求。

5 工藝管柱作業過程防噴安全性評價圖版設計

前述內容中獲得了大泵油管防噴工藝管柱工具的防噴壓力界限。借助此防噴壓力界限,結合起抽油桿過程中工藝管柱的受力情況,建立大泵油管防噴工藝管柱安全性量化評價方法。由圖17所示結果可知,起抽油桿過程中,工藝管柱受到的軸向力主要有吊卡提供的大鉤載荷F、井口所用密封皮碗對管柱的摩擦力f(約為9.1 kN)、管柱與管柱內殘存液體的總重力G、井下壓力為P時對工藝管柱下端面產生的上頂力F頂,其中管柱及殘存液體的總重力和井下壓力對工藝管柱產生的上頂力的計算公式分別為

(2)

(3)

圖17 起抽油桿過程工藝管柱受力情況分析Fig.17 Analysis of the stress on the process string of the sucker rod starting process

式(2)中:G為井筒內管柱與管柱內殘存液體的總重力,kN;h為井筒內管柱剩余長度,m;ρ為管內液體密度,取1 000 kg/m3;g為重力加速度,取10 m/s2;A1為油管內壁所圍圓形空間截面積(約為3 021.99 mm2);F頂為井下壓力對管柱產生的上頂力,kN;A2為工藝管柱承受上頂力的下端面截面積(約為4 186.7 mm2);P套為井口套壓,MPa。

當起管柱過程中井筒內管柱長度為h時,則為了保證起抽油桿時管柱不發生噴管事故,則必須滿足

F頂≤f+G

(4)

將式(4)展開后,得到

(5)

代入A1、A2、ρ、g的數值后,得到

(6)

本文所研究的大泵油管防噴工藝管柱,其射孔頂界約為1 200 m,故工藝管柱起管柱時,井筒內工藝管柱長度應處于0～1 200 m。將此條件作為起管柱安全套壓計算的前提條件,得到此防噴工藝管柱作業全程中,其安全套壓應處于2.17～25.47 MPa。基于井筒內大泵油管防噴工藝管柱長度及安全套壓范圍,結合其防噴工具的安全壓力界限,可設計出大泵油管防噴工藝管柱作業過程的防噴安全性評價圖版如圖18所示。基于此防噴安全性評價圖版,可實現大泵油管防噴工藝管柱在不同井深、不同井下環境應用時防噴安全性的量化評價。

圖18 工藝管柱作業過程防噴安全性評價圖版Fig.18 Assessment chart for blowout prevention safety during process string operation

6 結論

針對Φ70 mm及以上抽油機井起下桿管過程中的防噴安全性隱患開展研究,獲得了以下結果及結論。

(1)定型設計了大泵油管防噴脫接器,攻關形成了抽油井大泵油管防噴技術。分析了防噴脫接器對接過程強度、起抽油桿過程防噴脫接器密封系統強度和密封性能、工藝管柱起下作業過程的管柱屈曲行為,確定了工藝管柱的防噴壓力界限約為30.85 MPa。

(2)結合工藝管柱作業過程受力分析,建立了工藝管柱作業過程防噴安全性分析方法,設計了工藝管柱作業過程防噴安全性評價圖版,實現了工藝管柱作業過程防噴安全性的量化評價。

(3)結合大泵抽油機起下作業載荷特點,確定了本文所設計的大泵油管防噴工藝管柱可滿足大泵抽油機井起下作業的防噴安全性需求。