孫連會(huì) 楊振濤 孫連治 陳輝 孫驥（華北油田公司第二采油廠）

1 背景及介紹

2018年開始，華北油田全面推廣加藥熱洗工藝[1]，追求油蠟密閉融化、管桿不再地面清蠟的清潔效果。熱洗后，管柱下部沒有泄油裝置時(shí)，則起出油管會(huì)有工作液等污染源產(chǎn)生，落地會(huì)形成污染，因此需同步完成環(huán)境保護(hù)處理[2-4]。

縱觀各油田因地制宜環(huán)保控污[5-6]處理模式基本有2種。一是落底收集法，采用地面鋪防滲布、圍堰等隔斷措施，先讓其自然落底，再收集處理，轉(zhuǎn)運(yùn)需人員車輛，防滲布還需要固廢處理，費(fèi)用在每噸4 000元以上。二是截流引出法，在起出過程中采用控制工具[7-10]將工作液處理在地面以上。華北油田根據(jù)自身低壓井多的情況，2018年利用低成本、輕便化“管口四件組”全面推廣截流引出法，油管控流防污罩[11]封堵上口、油管控流箱[12]控制下口、井口防噴器頂部的防護(hù)盤[13]收集井口散流、井口回流桶[14]將工作液回注油套環(huán)空，實(shí)現(xiàn)工作液不落地、地面不鋪防滲布的環(huán)保效果。

近期不斷推出的井下作業(yè)自動(dòng)化新技術(shù)，利用一個(gè)井口上大面積平臺(tái)及輔助裝置，將截流引出法推到了無人操作甚至智能化[15-16]的新高度。但自動(dòng)化修井設(shè)備成本都在百萬上下，耗資巨大且還有配套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)高、占地面積大、裝拆時(shí)間長(zhǎng)、維修速度慢等等問題需消化，所以距離行業(yè)全覆蓋還有一定距離，以井口有人操作為主的常規(guī)井下作業(yè)還要存續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間。那么對(duì)符合該油田特征因素的輕便化井口截流工具進(jìn)行迭代更新就仍具有重大意義。所以在“管口四件組”的基礎(chǔ)上，研制了井下作業(yè)帶液油管在線控污配套工具，采用分點(diǎn)施策閉環(huán)控制的辦法，實(shí)施對(duì)油管起出全流程的清潔管控，在保障工作液不落地的基礎(chǔ)上，提升工具組合的小型化、集成化及自動(dòng)化水平，進(jìn)一步節(jié)約成本提高施工速度降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2 總體思路

2.1 技術(shù)分析

華北油田進(jìn)入開發(fā)后期，地層壓力系數(shù)小于1的低壓井占絕大多數(shù)，井下作業(yè)時(shí)井口溢流的油井是極少數(shù)。如此可以分析、確定井口有人操作的常規(guī)作業(yè)起出帶液油管時(shí)可能產(chǎn)生污染源的全部節(jié)點(diǎn)，按操作時(shí)發(fā)生先后排序，計(jì)有5處。節(jié)點(diǎn)1為上提時(shí)，油管接箍上口工作液激動(dòng)會(huì)溢出、飄散、墜落，1 L左右；節(jié)點(diǎn)2為油管外壁黏附工作液，0.5 L左右，風(fēng)吹及管柱震動(dòng)也會(huì)墜落；節(jié)點(diǎn)3為油管在井口卸扣時(shí)，油管內(nèi)腔液柱壓差會(huì)使液流從螺紋結(jié)合處滲流，0.3 L左右；節(jié)點(diǎn)4為油管卸扣后，小距上提，內(nèi)腔工作液會(huì)在下口墜流，量大，常規(guī)直徑73 mm油管一般為29 L；節(jié)點(diǎn)5為卸扣油管上提后，井內(nèi)油管接箍上口也要激動(dòng)溢流，一般2 L左右。

針對(duì)節(jié)點(diǎn)1，原“管口四件組”中的油管控流防污罩，利用壓差閥總成，液流上頂形成自動(dòng)正壓封堵，液流下行形成自動(dòng)負(fù)壓開啟，達(dá)到油管上提過程中封堵上口不溢流、卸扣后泄流又不影響排空速度的效果。它是靠人工實(shí)現(xiàn)與油管接箍的螺紋連接，雙手裝拆一次各需用時(shí)6 s以上。其創(chuàng)新方向是能否實(shí)現(xiàn)井口無人直接操作的自動(dòng)封堵[17]。

針對(duì)節(jié)點(diǎn)2，因?yàn)橐延械脑S多自封刮削類工具均是整體套入安裝[18]，拆卸用時(shí)均在180 s以上，嚴(yán)重影響井控?fù)寚姇r(shí)間，所以原“管口四件組”未涉及。其進(jìn)一步的創(chuàng)新方向是能否在井口快速拆除。

針對(duì)節(jié)點(diǎn)3，原“管口四件組”中的井口防噴器頂部的防護(hù)盤，利用其大于油管防噴器上法蘭的底板及集液槽可以接收此點(diǎn)滲流不落地。其進(jìn)一步的創(chuàng)新方向是能否在中心頂部有效安裝可以快速拆除的油管外壁刮削工具。

針對(duì)節(jié)點(diǎn)4和5，原“管口四件組”中的油管控流箱，利用其管體推板將油管前推使節(jié)點(diǎn)4工作液直接泄流到井口前的井口回流桶里，管箍截流板、立板、側(cè)護(hù)板、整流堵板合成將節(jié)點(diǎn)5的溢流控制排向井口回流箱，一部分墜落到井口防噴器頂部的防護(hù)盤上。它是靠人工把持，需要選擇箱前口與井口回流箱的對(duì)應(yīng)角度及把握油管下口不遠(yuǎn)離井口回流箱上口，有一定失敗風(fēng)險(xiǎn)。其進(jìn)一步的創(chuàng)新方向是能否實(shí)現(xiàn)無人直接操作的遠(yuǎn)程控制。

2.2 架構(gòu)設(shè)想

基于原“管口四件組”，增加外壁控污部分，構(gòu)想5節(jié)點(diǎn)全控制的新型井下作業(yè)帶液油管在線控污配套工具見圖1，它包括空中和井口兩部分?？罩胁糠郑凸苌峡谧詣?dòng)封流裝置安裝在大鉤2個(gè)吊環(huán)中間。井口部分，油管防噴器頂部法蘭盤以下套裝空心截流盤；空心截流盤以上、油管防噴器頂部法蘭盤圓周套裝速拆刮管器；空心截流盤上平面及速拆刮管器外側(cè)安裝井口油管自動(dòng)控流套；井口回流箱安裝在空心截流盤下端，連接套管閘門。

圖1 帶液油管在線控污配套工具Fig.1 Auxiliary tools for on-line pollution control with liquid tubing

新的“油管五件套”對(duì)應(yīng)大多數(shù)低壓井起帶液油管過程中的5個(gè)污染風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)。油管上口自動(dòng)封流裝置對(duì)應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)1工作液，速拆刮管器對(duì)應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)2工作液，空心截流盤對(duì)應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)3工作液，井口油管自動(dòng)控流套對(duì)應(yīng)控制節(jié)點(diǎn)4及5工作液，井口回流箱將節(jié)點(diǎn)3、4、5工作液通過套管閘門回流油套環(huán)空。5個(gè)節(jié)點(diǎn)工作液形成全程閉環(huán)控制，不接觸施工人員身體，不落地，直接回流油套環(huán)空輔助井控，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)該工序的綠色清潔作業(yè)。

在井口有人操作的常規(guī)作業(yè)模式下，空心截流盤、速拆刮管器、井口回流箱除井控等特殊情況外基本不動(dòng)，油管上口自動(dòng)封流裝置、井口油管控流裝置活動(dòng)頻繁，借助修井機(jī)氣壓、液壓、微電的剩余動(dòng)力實(shí)現(xiàn)井口外操控，以提高施工速度降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 油管上口自動(dòng)封流裝置

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)1工作液的井口外操控自動(dòng)封堵，設(shè)計(jì)了油管上口自動(dòng)封流裝置（圖2）。主要由封堵組件、換向連接套、液壓缸、定位組件、電控系統(tǒng)組成。定位組件安裝在提升設(shè)備的兩個(gè)吊環(huán)之間；液壓缸、換向連接套、封堵組件合計(jì)全長(zhǎng)460 mm、最大直徑90 mm，依次垂直串聯(lián)在定位組件下方；電控系統(tǒng)布置在遠(yuǎn)離井口處。

圖2 油管上口自動(dòng)封流裝置Fig.2 Automatic sealing device at the upper port of the tubing

封堵組件的彈性塞，用于封堵油管上口。彈性塞為耐油橡膠，錐形，大徑大于油管接箍?jī)?nèi)徑6～10 mm，中徑大于油管內(nèi)腔直徑4～6 mm，方便進(jìn)入油管內(nèi)腔。電控系統(tǒng)用于遠(yuǎn)程電控彈性塞上下活動(dòng)。電控開關(guān)的電源，選用修井機(jī)隨車直流電源，24 V安全電壓，經(jīng)濟(jì)且方便。定位組件可隨機(jī)選擇，夾板組只有一端連接在1個(gè)吊環(huán)上，適用雙吊卡作業(yè)工藝，井口一般2人操作；兩端連接在2個(gè)吊環(huán)上，適用單吊卡作業(yè)工藝[19]，井口可以1人操作甚至無人操作。

工作原理：電控開關(guān)向電液換向閥一端供電，活塞桿伸出，推拉頭推動(dòng)空心套下行，封堵組件的重力錐頭、氣囊、彈性塞依次進(jìn)入油管接箍封閉內(nèi)腔，空中灑落形成污染的風(fēng)險(xiǎn)被消除。油管卸扣后在小距上提前，電控開關(guān)向電液換向閥另一端供電，活塞桿縮回，推拉頭帶動(dòng)空心套上行，封堵組件退回油管接箍以上解除封堵。

3.2 速拆刮管器

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)2工作液的刮削、以及可以快速拆除的功能，設(shè)計(jì)了速拆刮管器（圖3）。主要由前瓣套、后瓣套、快速銷、速拆刮液盤四部分組成，2個(gè)瓣套通過快速銷結(jié)合成同中心線的階梯狀空心筒體，2個(gè)法蘭套形成的下空腔箍套井口防噴器法蘭盤，2個(gè)支撐環(huán)上空腔圍繞油管安裝速拆刮油盤，頂護(hù)板上平面承載油管吊卡及管柱。

圖3 速拆刮管器Fig.3 Quick release scraper

快速銷用于前瓣套、后瓣套的快速聯(lián)合及分解?？焖黉N本體在圓柱體的基礎(chǔ)上切掉2個(gè)弧形保留2個(gè)弧形，成上大下小扁鏟狀。兩瓣套需聯(lián)合時(shí)，快速銷底部造型利于迅速進(jìn)入有重合空間的上銷耳、中銷耳、下銷耳，快速銷手柄旋轉(zhuǎn)90°，大間距的兩個(gè)弧形面擠壓三孔的不重合部分至基本重合，兩瓣套貼緊結(jié)合成一體。反之，快速銷手柄回旋90°，3～5 s提出，5～10 s兩瓣套快速脫離油管防噴器法蘭盤。彈簧鎖扣用于速拆刮液盤的快速分解。

速拆刮液盤由主刮液盤、彈簧鎖扣、定盤螺栓、補(bǔ)刮液盤組成。彈簧鎖扣首先完成對(duì)主刮液盤和補(bǔ)刮液盤的彈性鎖緊，以支持兩盤的彈性刮削板對(duì)上行油管進(jìn)行外壁刮削。彈簧鎖扣的拉柄上抬再上提用時(shí)3～5 s，壓簧放松即解除鎖緊，主刮液盤3～5 s外拉脫離油管實(shí)現(xiàn)迅速拆除。

快速銷旋轉(zhuǎn)90°即上提的簡(jiǎn)單操作使解除瓣套聯(lián)合的速度以秒計(jì)，隨后速拆刮液盤的彈簧鎖扣一抬一提的簡(jiǎn)單操作也使分離以秒計(jì)，這樣就徹底消除了因拆卸耗時(shí)導(dǎo)致井控失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 空心截流盤

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)3工作液的途中接流設(shè)計(jì)空心截流盤見圖4。主要由空心盤體、增高彈性板、補(bǔ)位膠圈組成。先在油管防噴器法蘭盤下填入補(bǔ)位膠圈，再將空心盤體從空心套穿過法蘭盤，套裝在防噴器殼體以上，空心盤體的底平板及截流檐先收集再通過引流槽將井口上墜流引出。補(bǔ)位膠圈填補(bǔ)了防噴器法蘭盤與殼體之間的縮徑空間，使空心盤體居中穩(wěn)定?？招奶资狗绹娖鞣ㄌm盤裸露，利于其上安裝速拆刮管器。

圖4 空心截流盤Fig.4 Hollow connection plate

制備要點(diǎn)：空心盤體的底平板兩端圓弧間距1 200 mm，留露防噴器兩端扳手方楞，不影響使用扳手開關(guān)防噴器，兩端平行邊線間距經(jīng)試驗(yàn)選擇980 mm，不影響井口移動(dòng)吊卡掛摘吊環(huán)等操作，又可最大限度形成截流面積；空心盤體的空心套內(nèi)徑略大于法蘭盤外徑為382 mm，便于套入；補(bǔ)位膠圈高度同空心套、外徑略小于空心套內(nèi)徑、內(nèi)徑略大于法蘭盤下收縮體直徑為237 mm，材質(zhì)為具有彈性的耐油橡膠，使用前需將圓環(huán)斷開以方便安裝。

3.4 井口油管自動(dòng)控流套

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)4及5工作液的井口外遠(yuǎn)程控制功能，設(shè)計(jì)了井口油管自動(dòng)控流套見圖5。主要由滑軌底盤、剪叉機(jī)構(gòu)、支撐架、折疊圓套、液壓缸、電控系統(tǒng)組成?；壍妆P底部配套固定在空心截流盤上平面一側(cè)。材質(zhì)為輕薄防水綢的折疊圓套與空心截流盤軸心相同，隨剪叉機(jī)構(gòu)上升可以超過1 000 mm高度，下落可以在配重環(huán)的牽引下收縮到150 mm以下。電控系統(tǒng)都在井口之外安裝，類同油管上口自動(dòng)封流裝置的電控系統(tǒng)。

圖5 井口油管自動(dòng)控流套Fig.5 Auto-controlling flow sleeve of wellhead tubing

工作原理：井口外使用一個(gè)一柄三位兩控的開關(guān)控制電控系統(tǒng)給液壓缸伸出端供液，活塞桿伸出推動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)上升，連帶支撐架側(cè)面水平控制的折疊圓套上升一定高度，圓周無縫的折疊圓套控制了油管在井口卸扣被提起時(shí)內(nèi)腔工作液的橫向噴射，使其縱向流淌到空心截流盤里，消除了此節(jié)點(diǎn)工作液落地的污染隱患。反之，電控系統(tǒng)給液壓缸收縮端供液，活塞桿收縮拉動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)回落，折疊圓套跟隨回落到速拆刮管器上平面以下，恢復(fù)準(zhǔn)備狀態(tài)。

3.5 井口回流箱

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)3、4、5工作液的收集和轉(zhuǎn)流設(shè)計(jì)了井口回流箱見圖6。主要由凹體箱、過濾提籃、固定濾網(wǎng)、連線短節(jié)組成。上部大矩形下部小矩形形成階梯狀的凹體箱可以蓄積100 L以上工作液，可以確保一根油管工作液完全注入不落地。過濾提籃上層的細(xì)濾網(wǎng)可以將大部分密度小于水的、易稠易凝的油塊油球?yàn)V住并上提撈出。固定濾網(wǎng)可以防止油塊油球進(jìn)入連線短節(jié)，從而防止了油塊油球堵塞管路。利用凹體結(jié)構(gòu)，可以一部分支撐在套管閘門上方一部分支撐在地面上，也可以獨(dú)立支撐在地面上，實(shí)現(xiàn)了井口周圍前后左右隨機(jī)安放。

圖6 井口回流箱Fig.6 Wellhead return barrel

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 工作流程

1）吊環(huán)掛好油管吊卡后繃緊，井口外控制油管上口自動(dòng)封流裝置下行封堵節(jié)點(diǎn)1的油管內(nèi)腔。

2）油管開始上提，速拆刮管器自動(dòng)刮削節(jié)點(diǎn)2的油管外壁。

3）油管開始井口卸扣，空心截流盤截收節(jié)點(diǎn)3的螺紋結(jié)合處滲流。

4）油管卸扣結(jié)束后，井口外控制井口油管自動(dòng)控流套升起折疊圓套，油管小距上提，折疊圓套控制節(jié)點(diǎn)4的油管下口泄流及節(jié)點(diǎn)5的井內(nèi)油管上口激動(dòng)溢流橫向無噴濺，泄流同時(shí)，井口外控制油管上口自動(dòng)封流裝置上行以解除油管上口封堵。

5）工作液縱向落到空心截流盤上平面自動(dòng)轉(zhuǎn)流井口回流箱，井口回流箱自動(dòng)將工作液回流油套環(huán)空，泄流結(jié)束，井口外控制井口油管自動(dòng)控流套下落，折疊圓套回落到速拆刮管器上平面以下備用。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

該帶液油管在線控污配套工具研制成功后，2021年以6.35萬元的費(fèi)用加工了5套，在華北油田第二采油廠5個(gè)常規(guī)小修作業(yè)隊(duì)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。工具簡(jiǎn)約小巧，搬運(yùn)方便，主體安裝一次用時(shí)不超過0.35 h，拆除一次不超過0.2 h。起出過程中，對(duì)應(yīng)5個(gè)污染風(fēng)險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)順序使用：工作液在不被施工人員直接接觸的情況下，全程受控零落地；占據(jù)井口的速拆刮管器的拆除在10 s以內(nèi)，不影響井控的正常進(jìn)行；對(duì)比2018年推廣的“管口四件組”中的油管控流防污罩、油管控流箱等人工操作，自動(dòng)化升級(jí)使每根油管起出提速10 s以上。目前，該廠除少量不能壓洗的井使用車載式環(huán)保桿管在線清洗裝置外，自配的應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)全部使用該配套工具，未發(fā)生過工作液落地事件，整體使用效果穩(wěn)定，完全滿足井下作業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)需要。

5 結(jié)論

1）帶液油管在線控污配套工具對(duì)起管過程中的5個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)閉環(huán)管控，在工作液零落地的基礎(chǔ)上，使施工人員不直接觸碰工作液和控污工具，達(dá)到清潔作業(yè)的要求，提高了健康水平降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2）速拆刮管器的拆除在10 s以內(nèi)，不影響應(yīng)急井控的正常進(jìn)行，不增加安全風(fēng)險(xiǎn)。

3）配套工具單價(jià)1.3萬元以下，對(duì)比價(jià)格低廉，小型模塊集成體積不超過0.4 m3，無需另備車輛搬運(yùn)，現(xiàn)場(chǎng)裝拆也方便，單根起管用時(shí)提速10 s以上，有助企業(yè)降本增效工作的成功開展。

4）對(duì)常規(guī)井下作業(yè)在符合本油田特征因素的前提下，利用小成本小制作的迭代更新來實(shí)現(xiàn)跨代程度的科技進(jìn)步具有一定的借鑒意義和推廣價(jià)值。