抽油杆倒扣器的研制与应用

2021-05-21张多多刘国庆李勇黎涛崔淑娟王宏盛陈富刚

石油石化节能 2021年5期

张多多刘国庆李勇黎涛崔淑娟王宏盛陈富刚

（1.西安物华巨能爆破器材有限责任公司；2.北方爆破科技有限公司）

在油井修井作业检泵过程中，起抽油杆时经常因为砂卡、蜡卡等原因造成活塞在泵筒内卡死使得抽油杆无法拔出。通常，遇到这种情况通常会采用三种方法来起抽油杆：一是使用管钳反向旋转抽油杆进行倒扣，这种方式的缺点是过大的抽油杆反向扭矩，可能会使管钳反弹造成人员受伤，容易造成安全事故；二是以锯杆的方式起出所有抽油杆，这种方式既影响施工进度又会造成了所有抽油杆报废；三是用大吨位上提解卡，这种方式存在把抽油杆拔断的风险，而且抽油杆可能会由于承受超过抽油杆材料屈服强度的应力发生塑性变形而报废[1]。针对上述三种方法所存在的问题，研制了一种简易的倒扣工具。

1 倒扣工具结构

该简易抽油杆倒扣工具包括转盘、卡瓦座、卡瓦、旋紧把手和锁紧螺钉，其中转盘是由空心无缝钢管制作，转盘和卡瓦座通过6根无缝钢管焊接为一体，其中卡瓦座为实心铁块，抽油杆倒扣工具结构见图1。卡瓦的结构（图2），卡瓦内槽的直径和抽油杆的直径相同，内槽的锯齿形牙硬度为HRC50-55。卡瓦两个为一副，安装在卡瓦座中，卡瓦座的下部槽的宽度小于卡瓦的宽度，当卡瓦装在卡瓦座中时，可防止卡瓦从底部掉落。在卡瓦座的侧面，开有M40的螺纹孔，锁紧螺钉可从M40的螺纹孔中拧入，旋紧把手安装在锁紧螺母的一端，当抽油杆安装在两个卡瓦之间，旋转旋紧把手可带动锁紧螺钉向卡瓦移动并对卡瓦施加压力，使得两个卡瓦将抽油杆锁紧[2-5]。

图1 抽油杆倒扣工具结构

图2 卡瓦结构

2 工作原理

在实际操作过程中，作业人员可根据生产油管内的抽油杆尺寸规格，选择相应尺寸规格的卡瓦。将两个卡瓦装到卡瓦座上，并将抽油杆穿入两个卡瓦中间，然后转动旋紧把手使锁紧螺钉向卡瓦移动，两个卡瓦之间的间距减小直到卡瓦将抽油杆锁紧，然后由若干名作业人员合力对转盘进行反向旋转，对井内的抽油杆进行倒扣作业。

3 仿真验证

在对抽油杆进行倒扣作业过程中，在抽油杆上作用有很大的力矩，该力矩会使得抽油杆上产生应力，如果应力大于抽油杆材料的屈服强度，抽油杆就会发生塑性变形而报废[6-9]，工具也会承受较大的载荷，为了验证该工具的结构强度及抽油杆在作业过程中所受的应力，对该简易工具在工作过程中的关键部件进行有限元仿真。

3.1 仿真模型

在倒扣作业过程中，转盘对抽油杆施加的扭矩基本是恒定的，是一个准静态的受力状态，因此仿真采用静力结构分析，模型中对抽油杆底部施加固定约束，对转盘施加一个恒定的扭矩1 200 N·m，图3中所有的零件均采用四面体网格。转盘和卡瓦座划分70 523个网格单元，单个卡瓦划分10 025个网格单元，局部抽油杆划分5 000 个网格，网格的数量满足精度要求，倒扣工具仿真网格划分模型见图3。

图3 倒扣工具仿真网格划分模型

图4 作业时应力仿真云图

3.2 仿真结果分析

图4 为转盘在作业时的应力仿真云图，从图4中可以看出，转盘上的最大应力出现在卡瓦座上，应力值最大为57.384 MPa，卡瓦上的最大应力出现在卡瓦接近两端的锯形齿上，最大应力值为269.880 MPa，抽油杆上的最大应力出现在卡瓦与抽油杆接触的部分，该部分应力最大值为131.110 MPa，抽油杆其在卡瓦和井内螺纹扣之间的部分的应力为108.96 MPa，均未超过对应零件材料的屈服强度，这说明该倒扣工具在作业过程中是安全可靠的。

4 现场应用

以缅甸CHK油田CDT-XX井为例：2019年4月25日，对该井进行施工，油套泄压，出口返出大量气体，H2S 含量0，开井观察3 h，井口稳定。试提抽油杆，拔至12 t未能拔出，抽油杆卡死，反复多次尝试未能解卡，准备使用研制的抽油杆倒扣工具（图5）进行倒扣。将抽油杆过提5 t，将抽油杆倒扣工具安装至抽油杆本体上，转动旋紧把手使锁紧螺母锁死抽油杆卡瓦，4 名操作人员站至井口不同方位，抓紧转盘，反向旋转抽油杆倒扣器，旋至48圈时，吨位下降至1.2 t，倒扣成功，起出抽油杆83根。继续起生产油管，油管起出68 根时，露出抽油杆，继续使用简易抽油杆倒扣工具对抽油杆进行倒扣，最终起出所有生产管柱。

图5 抽油杆倒扣工具

后期，该抽油杆倒扣工具在缅甸CHK 油田和YNG 油田YNG32XX、YNG30XX、CHK11XX 等13口井进行抽油杆倒扣作业，均取得了较好的效果，相对人工管钳倒扣的井，大大提升了倒扣效率，减轻了工人劳动强度，避免了大力解卡对抽油杆造成的损害，节省了人工成本和时间成本；对人工管钳倒扣失败的井，采用抽油杆倒扣器后也取得了成功；作业中未发生安全事故，且操作简便，省时省力。