剪切式泄油器的研制与应用

赵东波 李峰 刘文朝 赵松柏 周艳春

1 研究背景

泄油器是修井作業时将油管内液体排入井中避免原油溢出地面的工具，在修井现场广泛应用。装在深井泵的上部与油管连接，在抽油泵正常工作时泄油器处于关闭状态。在修井作业过程中打开泄油器使井液泄漏至井筒内，可改善井口操作条件，减少井场污染，同时提高井内液面，在一定程度上避免井喷。

目前油田使用的泄油器以提拉抽油杆和投棒撞击为操作方式的居多，但这两种泄油器由于其操作方式及结构经常发生打不开、误操作打开、抽油杆断无法泄油等事故，导致修井作业过程中原油污染地面、作业安全系数降低、增加修井作业工作量等。

2 现有泄油器应用情况

目前油田生产、作业中使用的泄油器种类繁多，大致可分为液压式和机械式两大类，按照操作方式分类：机械式中有提拉抽油杆、旋转油管、投棒撞击等;液压式中有爆破式等。目前各油田使用的泄油器存在不同的缺陷：①.泄油器打不开和打开关不上;②.通用性差;③.结构复杂，成本高;④.安装、操作复杂等。

3 研制新型泄油器

机械式的泄油器中提拉抽油杆、投棒撞击因必须采用辅助工具打开，导致不确定因素增加，旋转油管泄油器因其设计复杂增加了制造成本。而液压爆破式的泄油器操作简单、价格低廉。但是现有液压爆破方式必须根据油井情况选择爆破片，导致其通用性差，且爆破片没有保护，当油井压差大时容易误开启，因此在采用液压打开方式的同时必须摒弃这一缺点。根据以上要求，设计了剪切式泄油器。

3.1  结构原理

该泄油器设计主体为一空心轴杆，上下接头有螺纹与油管连接，泄油孔设置在泄油器上部，泄油孔上、下各装两个密封圈，防止加压过程中上、下部泄漏，无法剪断销钉。在空心轴杆上套装有剪切筒和防脱扶正器，剪切筒与主体用销钉固定用以覆盖泄油孔;防脱扶正器与主体用螺纹连接，避免销钉剪断后剪切筒落入井底，并防止因泄油器偏磨导致起、下管柱过程中泄油器打开。该泄油器设计采用液体加压达到销钉抗剪强度后剪断销钉，使剪切筒下落后露出泄油孔泄油。

3.2  改进设计

经过验证，发现此设计存在缺陷，即泄油孔与剪切销钉孔为同一孔，这样在泄油器使用过程中，可能会由于压差大，导致泄油孔打开，也可能因腐蚀导致剪切销钉与主体黏合，导致泄油孔无法打开。针对此缺陷，进行了改进设计。

在原设计基础上，将剪切销钉位置下移，在剪切筒下部加入至少四个销轴与主体固定，既加强了剪切筒与主体的连接，又使泄油孔被剪切筒完全保护。剪切销钉基体在泄油器内部，有效减少了井液腐蚀。

3.3 重要技术指标——销钉材料、尺寸设计

销钉的材料和尺寸大小决定其强度，强度大小则关系到泄油器是否会提前开启或无法开启。经研究发现，铜合金既保持了纯铜的优良特性，又具有较高的强度，在耐磨和耐蚀条件下适用。其中特殊黄铜加入了Al、Si、Pb、Sn等合金元素以提高耐蚀性和耐磨性。因此，将销轴材料确定为某牌号特殊黄铜[1]。

为了确定销钉尺寸，通过考察生产中抽油泵最高泵挂及井口、管柱承压，将销钉开启压力定为33MPa。随后根据剪切强度[2]公式1及2计算出销钉横截面积，确定了销钉尺寸。

3.4 室内试验和现场实验

完成设计后，针对剪切式泄油器，开展了室内和现场实验。

根据实验结果可看出，该泄油器安全可靠。现场实验发现，剪切式泄油器打开时的泵车压力因泄油器下入深度而不同。因此，在现场使用中，泵车压力需由泄油器开启压力减去泵挂深度折算压力。

4 应用效果

多次实验后，将泄油器投入现场试用。五口油井的泄油器在作业前皆正常打开（见图3）。试用成功后，该产品投入推广。

截止2019年底剪切式泄油器已在冀东油田推广一千余套，通过对每套泄油器使用效果及数据进行跟踪对比可发现剪切式泄油器因泄油成功率高、误开率低，极大地降低了生产成本，使用后产生的经济效益显著;并且由于操作简单、减少环境污染、提高了安全系数，产生的社会效益同样显著（见表4）。

剪切式泄油器经过长期的推广使用，其成本低、结构简单、安全可靠的特性广为人知，越来越受到生产单位的欢迎。

参考文献

[1]  京玉海 罗丽萍.机械制造基础（上册）.北京：清华大学出版社，2005

[2]  郭光林等.工程力学.北京：机械工业出版社，2014

[3]  李维钺.中外有色金属及其合金力学性能速查手册.北京：机械工业出版社，2007

[4]  聂毓琴，孟广伟.材料力学.北京：机械工业出版社，2009