盘根盒密封失效分析与结构改进引言随着全球经济的日益发展,世界对石油的需求量迅猛增长,经过上个世纪对常规油资源的大规模的开发后,稠油资源以其丰富的储量吸引了世人的注意,因而稠油油藏的开发技术也备受关注。

世界上稠油资源蕴藏最丰富的国家是加拿大,其次为委内瑞拉,前苏联,中东地区,美国,中国等。

目前我国已经在12个盆地发现了70多个稠油油田,稠油储量最多的是东北的辽河油区,其次是东部的胜利油区和西北的克拉玛依油区。

稠油由于粘度高和流动性差,用常规方法很难开采。

国内外自50年代投入开发以来,历经60年的开发,已经形成了以热动力为主的各种开发方式,其中蒸汽吞吐是使用范围最广泛的开发手段。

蒸汽吞吐开采稠油是一项行之有效的方法。

早在几十年前,世界上就开始应用蒸汽吞吐方法开采稠油油藏,并且取得了很好的效果。

我国自20世纪80年代以来,先后在辽河、新疆和河南等稠油油田推广应用了蒸汽吞吐开采技术,取得了显著的经济效益和社会效益。

克拉玛依油田风城油田浅层稠油油藏是呈西北向东南缓倾、边底水不活跃的单斜油藏, 埋深约300m, 主要分布在侏罗系齐古组, 油层岩性以泥质胶结的灰- 灰褐色细砂岩为主。

地层条件下原油粘滞阻力大, 流动性能差。

原油中的胶质是影响原油粘度的主要物质, 胶质含量越高原油粘度越大。

随着原油粘度的增大, 原油的表面张力就大幅度提高, 表面张力的提高, 使其粘结性提高, 回压阻力增加, 泄漏率增大, 被密封性能下降。

克拉玛依浅层稠油的开采方式基本上是蒸汽吞吐和面积汽驱。

在稠油开发过程中, 热采井井口原油泄漏一直困扰着现场工程技术人员和采油工人,已成为治理环境污染的一个老大难问题。

热采井井口跑油不仅造成油田污染, 同时还因频繁更换盘根,影响抽油机采油时率, 造成人力、物力、资源的浪费。

一、稠油热采井口泄漏原因分析1. 1偏磨偏磨在现场工况中占95% 。

在光杆往复运动中, 磨损达1~ 3万次后形成缝隙跑油。

偏磨原因如下:(1) 井斜、采油树斜、盘根盒斜等, 均可造成光杆的偏磨, 三者倾斜度的叠加加重了偏磨;(2) 抽油机的前倾、后倾、左右偏斜及毛辫子、悬绳器未调好均可引起偏磨;(3) 光杆的直线度误差直接引起偏磨;(4) 热采井井口光杆本身属单支承( 仅盘根处) 梁结构, 上、下自由度较大, 在往复运行中交变振动负荷很大, 引起偏磨。

1. 2安装及工况的问题(1) 新井安装、修井或井口螺栓未紧固好时致使盘根盒盖直接刮削破坏光杆。

(2) 在长时间生产中, 光杆在盘根盒盖、填料盒上下体内孔及金属压圈上摩擦, 破坏其原来较光洁的表面。

(3) 修井、碰泵、调参等作业打光杆卡子时, 用力过猛, 致使卡子咬伤光杆, 作业完毕, 必须用锉刀修磨, 否则卡子咬出的压痕深度达1~ 2mm, 割坏盘根而形成原油泄漏。

(4) 井底出砂, 随着原油带入盘根, 严重磨损光杆, 使其表面变粗糙; 戈壁风沙粘附于光杆表面, 形成砂磨。

1. 3密封材料的问题密封材料的材质及几何形状不能满足现场需要。

如橡胶盘根弹性好, 但不耐高温; 石墨盘根耐高温, 但无弹性; 它们圆环状的定型尺寸结构, 致使内孔磨损、刮削后只能废弃, 造成大量材料浪费。

1. 4密封盘根盒结构问题现场使用的盘根盒一部分不能调偏心, 能调偏心的大部分是注采两用盘根盒, 所调偏心轨迹仅限于在一个以O 为圆心、以偏心距e= 11. 5mm 为半径的线形圆周上, 不能在平面坐标X- Y 内任意调偏,其对中是静态对中, 不能达到动态对中。

1. 5原油粘度大随着原油粘度的增大, 原油回压高、阻力大也是造成原油泄漏的一个主要原因。

二、常规井口密封装置工作原理及缺陷2. 1常规式井口密封装置常规式井口密封装置结构如图1 所示。

该装置的工作原理是: 盘根4是依靠压盖2 用压盖螺栓1 轴向压紧, 使盘根轴向和径向变形, 间隙被填塞而达到密封的目的。

该装置主要存在以下缺陷:（1）密封圈的形状不合理, 抗挤压、抗磨损的能力较差, 其密封效果不甚理想。

（2）密封圈的材质一般采用丁腈橡胶, 耐热性较差, 弹性补偿性能不好, 易老化, 其工作性能不理想。

（3）密封圈安装和拆卸不方便。

（4）光杆上下往复运动时对井口中心产生一定的随机性和定向性偏摆, 由于没有调偏调斜机构, 导致光杆对密封装置中的盘根产生偏磨, 使盘根早期受损, 降低了盘根的使用寿命。

(5)没有防喷机构, 在出现井喷时, 没有有效的应对措施, 会导致原油损失和环境污染。

1—压盖螺栓; 2—压盖; 3—主体; 4—盘根; 5—衬套图1常规式井口密封装置结构简图2.2 改良型井口密封装置一改良型井口密封装置结构如图2 所示。

该装置的工作原理是: 主体4 下部与井口装置连接; 主体4 上部是圆柱形密封腔, 压帽1 通过压套2压紧一组矩形密封圈3 来达到密封井口的目的; 主体4 中部有两个调节丝杆5, 用来调节两个半圆形密封圈, 使其卡到光杆上, 用以控制井喷。

该装置主要存在以下缺陷:(1) 密封圈的形状不合理, 密封效果不理想。

(2)密封圈的材质选用不合理, 工作性能不理想。

(3)密封圈安装和拆卸不方便。

(4)密封盒采用圆柱形, 密封圈在光杆周围分布不均, 受挤压偏磨, 降低其使用寿命。

(5) 没有调偏调斜机构, 降低密封装置1—压帽; 2—压套; 3—密封圈; 4—主体; 5—调节丝杠;6—半圆密封圈图2改良型井口密封装置结构简图2.3 改良型井口密封装置二改良型井口密封装置结构如图3 所示。

1—压帽; 2—上压套; 3—锥形密封圈; 4—主体; 5—下压套;6—○形密封圈; 7—密封圈; 8—连接体图3改良型井口密封装置结构简图该装置的工作原理是: 连接体8 下部与井口装置用卡箍连接; 主体4 上部是圆锥形密封腔, 压帽1通过压套2 压紧一组锥形密封圈3 来达到密封井口的目的; 通过旋紧主体4 的下部螺纹挤压圆柱形防喷密封圈7, 来控制井喷。

该密封装置主要存在以下缺陷: (1)密封圈的材质选用不合理,工作性能不理想。

(2)锥形密封圈的综合性能提高不大, 而且还对密封腔的内部结构提出了新的要求, 加工成本提高。

(3)该密封装置没有设计具有一定间隙的衬套, 密封圈本身的锥形设计使其受力相对于矩形增大, 密封圈下端很容易被挤出。

(4)没有调偏调斜机构, 降低密封装置的使用寿命。

由此, 油田普遍使用的光杆密封装置在材料选用和结构设计上存在缺陷, 会降低密封圈的使用寿命, 提高密封装置在使用过程中的失效率。

三、针对偏心井口盘根盒密封圈腔体的改造由于现场安装及工况问题只能通过严格操作规程等人为因素进行避免操作失误造成的井口泄露。

所以，对于密封装置重点针对偏磨造成的泄露进行腔体的改进。

目前油田上所使用的偏心井口光杆密封器(盘根盒)是新疆油田公司机械制造总公司设计、制造的产品，该产品虽然满足了生产基本要求，但存在一定的弊端：橡胶盘根(密封圈)易损且寿命较短，跑油严重；普通盘根盒盘根(密封圈)填加不匹配，无法达到填加数量，给油井管理带来了难度，同时增加了员工劳动强度。

为了有针对性地解决偏心井口盘根盒使用弊端，在不改变原主体结构的基础上，对偏心井口盘根盒密封腔做了相应的改造设计．有效地解决了偏心井口光杆密封器盘根易损、寿命短的难题。

3.1 结构偏心井口光杆密封器(盘根盒)主要南胶皮闸门、偏心接头、密封圈腔体、密封圈(盘根)、压盖及压帽组成。

目前与油田配套的偏心井口光杆密封器(盘根盒)规格有D25 mm和D28 mm两种。

密封圈腔体分为两部分：一部分是承装盘根部分；另一部分是依靠压盖的配合挤压部分。

两部分组合后形成完整的腰鼓状腔体空间。

3.2 特点偏心井口光杆密封器(盘根盒)是针对抽油井压力测试而设计的，有别于普通抽油井井口装置，它在保证光杆正常运动的同时，必须让H；压力计下放空间。

为此，偏心井口光杆密封器(盘根盒)设计结构紧凑是它的一大特点，连续的螺旋腰鼓状橡胶密封圈是配套的密封件，填加和掏除可实现一次性连续。

3.3 存在的问题偏心井口密封器在油区抽油井使用中存在的问题：①螺旋橡胶盘根在使用较短时间后因磨损无法恢复弹性，密封光杆跑油严重；②长冲程抽油机井盘根设计长度较短，易跑油；③在原螺旋橡胶盘根无法保证光杆密封的情况下改加普通盘根，但因盘根腔体是腰鼓型，只能在中部加2个普通盘根，若多加将被压盖吃悼，会造成严重跑油，为此现场员工只能在底部和上部加手套、大布，因而增加了员T的劳动强度，又增加了占产时率；④由于于盘根易损导致频繁更换，严重时每日更换～次，增加了员工劳动强度，同时跑油严重导致环境污染。

3.4 设计思路根据偏心井口光杆密封器在抽油井上实际使用情况，结合偏心井口光杆密封器必须满足压力计下放测压的要求，在原偏心井口光杆密封器的基础上，对偏心井口密封器(盘根盒)密封圈腔体进行设计改造，将原腰鼓状腔体设计改为圆柱形腔体设计，将原配套填加连续螺旋腰鼓状橡胶密封圈改为填加普通盘根。

这样即保证了光杆的密封要求，又解决了连续螺旋腰鼓状橡胶密封圈易损、油井跑油难题；同时使用普通盘根可解决盘根的货源和储备问题，填加操作方便。

该设计改造方案降低了员工劳动强度，降低了生产成本，减少了占产时率，增加了原油产量。

3.5 设计结构设计改造后的偏心井口盘根盒密封圈腔体主体与原盘根盒基本相同，由连接螺母、偏心器、盘根腔体组成，不同之处是将腰鼓状腔体设计改为圆柱形腔体设计；同时，另配套设计与普通盘根盒压盖相同尺寸的压盖。

3.6 安装(1)腔体更换安装。

按照不动管柱作业措施施工要求，将原盘根盒自连接螺母以上部分卸除，将设计改造后的偏心井口盘根盒密封圈腔体穿人光杆，依靠连接螺母对中连接同定到位，再将普通盘根盒压盖，原压帽依次安装到位即可。

(2)盘根的填加更换。

设计改造后的偏心井口盘根盒密封圈腔体盘根的填加、更换操作与普通盘根盒盘根的操作相同，按照《中国石油天然气股份有限公司企业标准——抽油井操作规程》的更换盘根操作规程进行操作。

四、密封材料的设计及改进油田井口光杆密封装置用的密封盘根属消耗品,用量较大, 其质量好坏、寿命长短直接影响到密封装置的密封性能。

因此, 选择合理的盘根对整个密封装置的密封性能和工作性能是至关重要的。

4.1常规密封盘根的密封（1）常规密封盘根的密封机制盘根装入密封腔以后, 经压盖对它作轴向压缩,由于盘根的塑性, 使它产生径向力, 并与光杆紧密接触。

与此同时, 盘根中浸渍的润滑剂被挤出, 在接触面之间形成油膜。

由于接触状态并不是特别均匀, 接触部位便出现“边界润滑”状态, 类似滑动轴承,因此称为“轴承效应”; 而未接触的凹部形成小油槽, 有较厚的油膜, 当光杆与盘根有相对运动时, 接触部位与非接触部位组成一道不规则的迷宫, 起阻止液流泄漏的作用, 此称“迷宫效应”（2）盘根密封作用原理图 4 光杆密封装置常规密封盘根的示意图如图 4所示, 压盖通过压套来轴向压紧密封盘根, 使密封盘根轴向和径向变形, 密封腔的间隙被填塞而达到密封的目的。