抽油机井上下可调式盘根盒节能技术的应用

刘丽 赵海涛 邹继艳 滕少臣 姜乐（大庆油田有限责任公司第二采油厂）

油气资源从地下岩层中被开采出来经井下管柱、地面管线输送到计量间，由计量间再输送至转油站，转油站将油气再加压输往联合站进行处理，最后输送至油库，在整个油气开采过程中油气都是处在密闭的状态下进行。

但在抽油机井采油树上的盘根盒是油气生产流程中的一个薄弱环节，也是油气开采工艺中的重要组成部分[1]。盘根盒是依靠在光杆与盘根盒外壳间填充盘根达到密封，因盘根盒中间有一根光杆穿过且光杆始终做上、下往复运动，在生产中因磨损、腐蚀、偏磨等原因造成填充在光杆与盘根盒之间的盘根异常磨损，使用寿命大幅降低。在生产现场发现盘根盒出现油气泄漏情况后，第一选择是加大扭矩紧固压帽，但是盘根盒扭矩越大，盘根磨损越严重，更换盘根的周期越短，抽油机井电能消耗越大。同时，由于盘根磨损后密封作用下降，容易出现油气泄漏，造成环境污染，严重影响油井正常生产。

通过对抽油机能耗计量与分析，抽油机主要能耗节点有四连杆、皮带、盘根盒、减速杆、管柱、电动机、抽油杆、抽油泵等，其中盘根盒的能耗损失率达到15%，因此，对盘根盒进行优化设计，研制一种密封好、耐磨的盘根盒，是采油生产现场节能增效工作的一项长期重要任务。

1 盘根盒的位置与作用

游梁式抽油机，主要由驴头、游梁、横梁、连杆、曲柄、减速箱、电动机和辅助设备等几大部分组成。在其生产过程中，电动机的转动由皮带传输给变速箱，再由变速箱及曲柄连杆机构转变成抽油机驴头的上下往复运动。驴头通过光杆、抽油杆带动井下深井泵，从而把油层中的原油源源不断地抽到地面。

盘根盒位于抽油机井采油树的最上端，在盘根盒内加入的盘根也可称为密封填料，填料是正方形、长方形或者圆形的条状物，用于填充在盘根盒与光杆间的密封腔内，从而实现盘根盒的密封。最早出现的密封填料是由棉、麻等纤维材质制作而成，具有价格低廉、来源广泛、容易加工、密封可靠等诸多优点，所以一直沿用至今。盘根盒就是通过压帽不断压实位于盘根盒内的填料实现密封油管与光杆环形空间的密封装置，并采用多级密封，具有耐高温、耐高压，密封效果好的特点，同时因为盘根盒的根部设计有调节球头，可以调整盘根盒的偏心与角度，还能很好的适宜并应用在光杆偏斜的抽油机井。

2 盘根盒失效的原因分析

2.1 材质的影响

盘根的作用是将密封材料堵在轴泄漏通道内，防止气液的泄漏。最早的密封填料是一些廉价的易压缩的纤维织物，如棉麻织物等，后来发展到聚合物合成纤维，如聚四氟乙烯（PTFE）高分子合成纤维填料、酚醛纤维填料、橡胶填料、芳纶纤维填料等[2]。盘根材质的优缺点对比见表1。

表1 盘根材质的优缺点对比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of packing material

在选用盘根时，要对井口盘根进行科学准确的力学分析，了解井口的压力，对盘根进行科学的分析和选材。仅凭经验进行选择，会导致一些采油井在憋压操作时，井口压力升高，超出了盘根所能承受的压力范围，盘根在高压下发生刺漏现象，或者是在不同季节，面对不同的温度，盘根没有换取相适应的材料，导致盘根容易在高温或低温下容易发生失效[3-4]。

2.2 盒结构的影响

盘根盒结构设计中应具有防偏与对中功能，设计有扶正与偏磨补偿装置，同时要设计多级保护措施，避免单级失效后盘根盒立即失效。盘根盒拧紧后应该对盘根具有水平和垂直的挤压力作用，增加盘根盒的密封性和稳定性，并且盘根盒的结构设计要便于拆卸和安装。

2.3 松紧度的影响

盘根的松紧程度直接影响抽油机的能量利用效率，经过现场的实测[5]，以扭矩为指标表示盘根盒的松紧程度，测量不同扭矩下抽油机单日的耗电量，具体盘根盒扭矩与耗电量及系统效率的关系见表2。

表2 盘根盒扭矩与耗电量及系统效率的关系Tab.2 Relationship between packing box torque and power consumption and system efficiency

可见随着盘根盒拧紧程度的增加，抽油机系统效率呈下降趋势，因此在保证抽油机不漏油的情况下，盘根盒不宜拧的过紧。

2.4 光杆的影响

由于光杆和盘根直接接触，会对盘根盒的寿命产生很大影响。首先，光杆表面粗糙程度直接影响盘根盒的失效时间。抽油机井投产安装光杆后，随着使用时间的延长，光杆表面会出现“腐蚀斑点”。而光杆偏斜的抽油机井光杆在工作过程中还会因为“偏磨”，造成光杆表面严重轴向划伤，使光杆表面一侧出现较深的磨损性“凹坑”，使光杆的粗糙度增加，增加了光杆和盘根之间的摩擦力，其表面的凸起会对盘根造成刮磨，使盘根快速失效，在作业时应该及时使用锉刀或砂纸打磨光杆，使其保持光滑。当光杆与井口不对中，井场基础不平，以及深井和重负荷井、快冲次井中或由于盘根盒结构设计不合理，没有设置防偏装置，导致光杆偏斜，使光杆对盘根产生偏磨，造成盘根使用寿命降低。同时，光杆腐蚀，光杆温度较高等问题，都会加快盘根失效[6-7]。

3 上下可调式盘根盒的研制

3.1 研制背景

更换抽油机井光杆密封盘根是采油现场日常维修维护工作，难度较大，特别是冬季，受温度影响，盘根取出和加入都十分困难。三次采油后，又因为采出液中腐蚀物的增多及结垢的影响，盘根磨损加快造成使用寿命缩短，增加了更换、维护的次数，延长停机时间，影响油井产量，而且盘根松紧度及润滑的状况直接影响电能的损耗。针对此情况研制了抽油机井上下可调式盘根，不仅解决了抽油机取、加盘根困难的问题，同时增加节电功能，提高操作的安全性、缩短操作时间，降低员工劳动强度。

3.2 上下可调式盘根盒主要结构

上下可调式盘根盒结构见图1，主要由盘根盒手柄、压帽、革兰、垫片、付套手柄、付套、锁片、顶芯及节能盘根盒压盖等部分组成。

图1 上下可调式盘根盒结构Fig.1 Up and down adjustable packing box structure

该成果改变了盘根盒的原有内部结构，通过增加盘根盒顶芯与付套的设计，可以利用顶芯与付套之间的配合[8]，实现盘根盒主体上下移动变位，即可实现调节盘根盒密封腔深浅的目的。

3.3 实施方式及增益效果

在生产现场采油工人更换密封圈操作时，可利用盘根盒下部顶芯与上部付套实现旋转变位，盘根盒下部顶芯上移实现一次性将旧密封圈顶出，无需工具抠取，更换密封圈的时间由原来的50 min缩短为10 min，工作效率提升了5倍以上，同时又通过压帽、顶芯对密封圈实现双向挤压，实现对密封圈松紧度的调整。设计可以有效避免盘根磨损不均的问题，从而保证最大限度发挥密封圈密封作用，有效延长了密封圈的使用寿命，使用周期由原来的2～3个月提高到1 a以上。

3.4 针对现场工况调整改进

根据现场工况特点，对上下可调式盘根盒进一步改进，增设了新型节能盘根盒压盖。内部镶入新型聚醚酮酮材质扶正环，聚醚酮酮[9]是一种新型的具有超高性能的特种工程塑料。聚醚酮酮分子结构中具有刚性的重复单元，使它具有较高的结晶度和优秀的热力学性能，具有良好的耐磨性、电性能、润滑性、耐燃性、耐辐射性、耐溶剂性，经过纤维增加强度后，使它有了很好的耐冲击性能及振动阻尼性，通过增强后可以作为特种的高性能工程塑料进行使用，广泛用于国防装备、航空航天器件、医疗卫生装置等领域。

现阶段对盘根盒的结构改进除了提高密封功能之外，还要考虑调偏和其他辅助功能，同时还要保证盘身拆装和维修便捷[10]。通过镶入新型聚醚酮酮材质扶正环，可以提高盘根盒耐磨性，同时因其具有的自润滑性可以对光杆进行润滑且扶正，压缩弹簧起到蓄能的作用，在盘根盒压帽内的浸油毛毡可以对光杆均匀涂油进行润滑降低摩擦阻力，节能设计的盘根盒可达到单井每日节约电能11 kWh，填补了盘根盒领域新型结构的空白。

4 推广应用的效果和价值

该成果已经在600口抽油机井上陆续试用推广，有效提高了盘根的使用周期，提高员工工作效率2～5倍。该装置具有使用操作方便、密封性好、结构合理、工作安全可靠、不易损坏、成本低的特点。极大地减轻了员工操作难度及强度，提高了作业安全系数。装置的应用每年减少更换密封圈操作5次，增加原油产量1.5 t；节约密封圈用量50个，节省材料费用200元；每吨原油按2 000元计算，每口井年可创经济效益3200元；2012—2018年共创经济效益384万元。该成果2018年在设计上增加了节能盘根盒压盖，并且在大庆油田继续推广应用400口抽油机井，单井每日节电11 kWh，节电费用160.6万元，截止目前大庆油田共推广应用600口抽油机井，共创经济效益925万余元。

5 结论

1）分析了影响盘根盒失效的特性以及其使用寿命的影响因素，认为盘根应该选择合适的材质进行制作，在实际操作中应保持井口不泄漏的情况下适度拧紧盘根盒，光杆对盘根盒的寿命有直接影响，应该保持光杆位置中正，光滑，在盘根盒设计时应该考虑扶正纠偏等装置的设置，注意盘根盒的多级保护与密封。

2）研制了一种抽油机井上下可调式盘根盒，该成果改变了盘根盒的原有内部结构，通过增加盘根盒顶芯与付套的设计，利用顶芯与付套之间的配合，实现盘根盒主体上下移动变位，达到调节盘根盒密封腔深浅的目的。通过增设新型节能盘根盒压盖，填补了盘根盒领域新型结构的空白，性能达到国内先进水平。

3）上下可调式抽油机井盘根盒具有操作性好、实用性强、安全性高等特点，该成果目前不仅在大庆油田生产现场进行了应用，还在新疆油田的抽油机井上进行了推广应用，节约大量材料，取得很好的经济效益，在中国石油集团公司都拥有很好的推广应用前景。

4）随着国家《安全生产法》和《环境保护法》的颁布与实施，油田对生产中的安全环保工作更加重视，不断推进节能、环保新技术的发展应用，本次论述的上下可调式盘根盒技术，对抽油机井盘根盒的调偏、防喷、环保、润滑、节能等功能的设计对指导油田生产，提高油井管理水平具有重要的意义。光杆盘根密封技术的提升，实现盘根盒智能化、小型化、多功能，将是盘根盒未来发展的方向。