井口装置

第三章井口装置第一节概述井口装置是油气井最上部控制和调节油气生产的主要设备，包括套管头、油管头和采油(气)树三大部分，是悬挂井下油管柱、套管柱，密封油套管和两层套管之间的环形空间以控制油气井生产，回注(注蒸汽、注气、注水、酸化、压裂、注化学剂等)和安全生产的关键设备。本章着重介绍采油树、阀门及辅助装置。下图是井口装置结构：井口装置的作用1）连接井下的各层套管，密封各层套管环形空间，悬挂套管部分重量。2）悬挂油管及下井工具，承挂井内的油管柱的重量，密封油套环形空间。3）控制和调节油井生产。4）保证各项井下作业施工，便于压井作业、起下作业等措施施工和进行测压、清蜡等油井正常生产管理。5）录取油套压。一、套管头套管头是在整个井口装置的最下端，是连接套管和各种井油管头的一种部件，用以悬挂技术套管和生产套管并确保密封各层套管间的环形空间，为安装防喷器和油管头等上部井口装置提供过渡连接，并通过套管头本体上的两个侧口，可以进行补挤水泥和注平衡液等作业。1、型号表示方法套管头尺寸代号(包括连接套管和悬挂套管)是用套管外径的英寸值表示；本体间连接型式代号是用汉语拼音字母表示，F表示法兰连接，Q表示卡箍连接(图9-28)。双级套管头表示方法见下图。最大工作压力MPa上部悬挂套管尺寸代号，in中部悬挂套管尺寸代号，in下部悬挂套管尺寸代号，in连接套管尺寸代号，in本体连接型式代号套管头代号三级套管头表示方法2、结构型式分类套管头由本体、套管悬挂器和密封组件组成。套管头按悬挂套管的层数分为单级套管头、双级套管头和三级套管头。按本体间的连接形式分为卡箍式和法兰式。按套管悬挂器的结构型式分为卡瓦式和螺纹式。技本体的组合型式分为：a单体式：一个本体内装一个套管悬挂器。单级套管头示意图1—油管头；2—套管头；3—套管悬挂器（卡瓦式）；4—悬挂套管；5—连接套管双级套管头示意图1—上部套管头；2—下部套管头；3—油管头；4—上部套管悬挂器（卡瓦式）；5—上部悬挂套管；6—下部套管悬挂器（卡瓦式）；7—下部悬挂套管；8—连接套管（表层套管）三级套管头示意图1—油管头；2一上部套管头；3—中部套管头；4—下部套骨头；5—上部套臂悬挂器(卡瓦式)；6—上部悬挂套管；7—中部套管悬挂器(卡瓦式)；8—中部悬挂套管；9—下部套管悬挂器(卡瓦式)；10—下部悬挂套管；11—表层套管b组合式：一个本体内装多个套管悬挂器。组合式三级套管头示意图1—油管头；2—上部组合式套管头；3—下部套管头；4—上部套管悬挂器（螺纹式）；5—上部悬挂套管；6—中部套管悬挂器（螺纹式）；7—中部悬挂套管；8—下部套管悬挂器（卡瓦式）；9—下部悬挂套管；10—连接套管（表层套管）3、其它套管头1）独立螺纹套管头独立螺纹式套管头示意图1—油管头；2—止动压盖；3—套管头；4—套管悬挂器（螺纹式）；5—悬挂套管；6—连接套管2）TGA型双层套管头TGA型双层套管头示意图1—油层套管；2—技术套管；3—表层套管；4—下四通；5，10，14，19—钢圈；6，15，16—侧法兰；7—下悬挂器；8，17—主密封；9，18—顶丝；10—钢圈；11—试压孔；12—下层副密封；13—上四通；20—上层副密封；21—转换法兰；22—试压孔；23—上接油管头4、基本参数单级套管头、双级套管头和三级套管头基本参数分别见下三表。二、油管头油管头安装于采油树和套管头之间，其上法兰平面为计算油补距和井深数据的基准面。1、油管头结构油管头通常是一个两端带法兰的大四通，它安装在套管头的上法兰上，用以悬挂油管柱，并密封油管柱和油层套管之间的环形空间。它由油管头四通及油管悬挂器组成。油管头最小工作压力等于井口关井压力。一般在完井时选择额定工作压力等于地层破裂压力的油管头。油管头的额定工作压力应与油管悬挂器的额定工作压力相匹配。油管头一般有两种类型：1)上下带法兰的装置；2)上带法兰和下带螺纹的装置。2、油管悬挂器油管悬挂器是坐在油管四通本体内的锥座中，用来悬挂油管柱，并在所悬挂的油管和油管四通本体之间提供密封的一种装置。最常用的是锥形油管挂，见下图。其它常用油管挂还有带电缆穿心的偏心油管挂、自密封油管挂及双油管挂等。自密封油管挂双油管挂3、油管头的其它配置偏心式油管头配置无套管头简易采油树的油管头双油管头配置3、油管头作用：(1)悬挂井内油管柱；(2)密封油管和套管的环形空间；(3)为下接套管头，上接采油树提供过渡；(4)通过油管头四通体上的两个侧口(接套管阀门)，完成套管注入及洗井等作业。第二节采油树及配件采油树是阀门和配件的组成总成，用于油气井的流体控制，并为生产管柱提供入口。它包括油管头上法兰以上的所有设备。可以对采油树总成进行多种不同的组合以满足任何一种特殊用途的需要。采油树按不同的作用可分为采油（自喷、人工举升）、采气、注水、热采、压裂、酸化等专用装置。按类型分：自喷井采油树和人工举升井采油树。根据使用压力等级的不同而形成系列。一、采油树1、采油树结构3一套管头顶法兰；4一油管头大四通；5一卡箍短节；10一采油树底法兰；13一节流器；14一小四通；15一压力表；16一弯接头；17一压力表截止阀；18一接头2、采油(气)井采油树及油管头技术要求采油(气)井采油树及油管头应符合SY5156-93标准的要求。1）主要零件本体、盖、法兰、卡箍、阀杆、阀板、阀座、金属垫环、顶丝、悬挂器本体、螺栓和螺母等。2）材料（1)主要零件用金属材料①本体、盖和法兰的材料力学性能应符合表中的规定。夏比V型缺口冲击要求应符合表中的规定，当采用较小尺寸的试样时，其试验数值乘以冲击试验化学材料表中内相应的修正系数。选用材料应符合表中的规定，化学成分应符合表中的规定。②油管挂本体、套管挂本体、阀杆、顶丝、阀板和阀座选用的材料应符合冲击试验化学材料表内有关材料的规定。③金属垫环材料的硬度应符合下表的规定。④不锈钢垫环槽堆焊的不锈钢厚度应不小于3.2mm，焊条材料应采用奥氏体不锈钢。⑤采油(气)井井口装置用螺栓和螺母的材料应符合下表的规定。（2)非金属密封材料非金属密封件材料应能承受本体所承受的额定工作压力和工作温度。此外，当主要零件需要抗腐蚀和抗硫化物应力开裂时，密封件材料也需要具有用应的抗腐蚀和抗硫化物应力开裂的能力。二、配件1、抽油杆柱井口涉及的抽油杆柱有光杆、抽油杆（短节）、空心抽油杆，本课程重点介绍前两者。1）光杆光杆是将抽油机的往复运动传递给抽油杆的重要部件，上部通过光杆卡子和悬绳器与抽油机连接，下部通过光杆接箍与抽油杆连接，在抽油机的带动下在光杆密封盒内作往复运动。有的光杆体上还套有光杆衬套，其目的是保护光杆。光杆分为普通型和一端镦粗型两种。普通型光杆的两头螺纹直径相同，其规格和尺寸见下表。2）抽油杆抽油杆是有杆抽油设备的重要部件。由抽油杆和过渡接箍等组合而成的抽油杆柱的上端经光杆与抽油机驴头相连接，下端与抽油泵柱塞相连接，其作用是将地面抽油机驴头悬点的往复运动传给抽油泵柱塞，从而达到抽汲地下原油的目的。抽油杆分为常规抽油杆和特种抽油杆两大类，井口抽油杆短节一般是常规抽油杆。常规抽油杆是一种具有圆形断面而两头镦粗的金属细长杆件，镦粗部分有连接螺纹和卡扣扳手用的方形断面。抽油杆的杆体直径有13mm，16mm，19mm，22nlm，25mm和29mm（即1/2in、5/8in、3/4in、7/8in、1in和11/2in)六种，长度一般为7.2m和8.0m，API标准规定为7.82m和9.1m。抽油杆的结构如下图所示。为了调节抽油杆柱的长度，还配有多种长度的短抽油杆国标和API标准将常规抽油杆分为C、D和K三个等级。其中，C级抽油杆用于轻、中负荷的油井，由碳钢或锰钢制造；D级抽油杆用于中、重负荷的油井，由碳钢或合金钢制造；K级抽油杆用于轻、中负荷且有腐蚀性的油井，由镍铝合金钢制造。抽油杆一般经过镦粗、整体热处理、外螺纹滚压加工、喷丸强化、油溶性涂料防护等加工过程，以使其获得一定的抗疲劳或抗腐蚀疲劳性能。在我国，抽油杆已经标准化，标准规定的抽油杆型号表示方法为：在石油开采中，为了满足某些特殊采油条件的要求，开发出了多种特种抽油杆，这些抽油杆与常规抽油杆相比在用材、结构、性能和用途等方面存在着很大差别。目前，应用较多的特种抽油杆有超高强度抽油杆、玻璃钢抽油杆、空心抽油杆、连续抽油杆和柔性抽油杆等。(1)超高强度抽油杆。与D级抽油杆相比，这种抽油杆是一个新的强度等级，性能指标更高，具有更高的承载能力，最小应力为0～102MPa时，许用应力值超出D级抽油杆35%以上。我国超高强度抽油杆有两种类型：通过选用适当的材料，将性能提高到超级强度等级的抽油杆，为材料型超高强度抽油杆，代号为HL，抗拉强度达966～1136MPa；采用表面淬火工艺，将性能提高到超级强度等级的抽油杆，为工艺型超高强度抽油杆，代号为HY，抗拉强度达980～1176MPa。超高强度抽油杆的型号表示方法为：高强度抽油杆型号举例：CYG7/8HL9140表示的是直径为7/8in(22.2mm)，长度为9140mm(30ft)的HL型抽油杆。(2)空心抽油杆。空心抽油杆除承担常规抽油杆的工作任务传递动力外，还可通过其内孔向井内注入各种药剂或热载体，以降低原油粘度、控制油井结蜡；同时，内孔也可以作为井液出井通道，这时井液的流速较高，携带砂粒和机械杂质的能力增强。因此，空心抽油杆特别适用于稠油井、含砂井和需要连续注入介质的抽油井。如图所示为空心抽油杆结构示意图3）抽油杆接箍抽油杆接箍两端带有内螺纹，可以根据需要将不同直径的抽油杆组合起来组成抽油杆柱。抽油杆接箍按结构特征的不同分为普通接箍、异径接箍和特种接箍。普通接箍如下图所示，它用于连接等直径抽油杆，图(b)为带扳手平面的I型接箍，图(b)为不带扳手平面的Ⅱ型接箍。其国标规定的型号表示方法为：2、抽油机悬绳器抽油机悬绳器上接钢丝绳，下接光杆，是用于保证光杆在工作过程中处于中心位置，使抽油杆的运动始终与驴头弧面保持相切的柔性传动件。其结构如下图所示。3、抽油井光杆密封器抽油井口光杆密封器是一种在保证光杆能在其中作上、下往复运动的同时，密封油管与光杆环形空间的井口动密封装置，起防止原油泄漏的作用。针对不同油井实际生产条件，近几年出现了多种形式的新型井口光杆密封装置，取得了良好的经济和社会效益。如下图所示为油田应用较为广泛的常规井口光杆密封装置结构图。4、节流阀节流器是用来控制产量的部件，型号表示方法与井口阀相同。有固定式和可调式两种。连接形式有卡箍、法兰和螺纹等方式。1）固定式节流器固定式节流器用于油井(采油树)上，有加热式和非加热式两种。非加热式节流器如下图所示。固定式节流阀通过更换内部的固定孔径元件——油嘴，达到控制流量的目的。油嘴是节流元件，通过调换不同孔眼直径的油嘴，来控制油井的合理生产压差，油嘴的结构如下图所示，是用高碳合金钢经热处理制成的。孔眼直径有从2-20mm多种，每差0.5mm为一等级。2）可调式节流器可调式节流器(针阀)一段用于气井(采气树)上，调节开关大小可控制流量。可调式节流器属针阀，有手动和液动两种。下图是手动可调节流器，有一个从外部控制节流面积的孔和一个对应的指示机构。5、三通和四通常见的四通和三通有法兰式、卡箍及螺栓式。采用四通的采油树为双翼采油树，采用三通的采油树为单翼采油树。有些平台采油树的三通与清蜡阀和主阀或井口安全阀组成—体，则成为整体式采油树。API螺栓式四通API螺栓式三通6、法兰法兰是带有螺栓孔的凸缘并用于连接承压设备的密封结构的端部连接。符合APl规范的法兰即为API法兰。盲法兰没有中心通孔，用于完全封闭法兰端面或出口连接。盲法兰与所要封闭的出口法兰应具有相同的压力等级并可配相同的密封元件。按连接方式不同，法兰可分为螺纹式法兰和焊颈式法兰。螺纹式法兰的一侧为密封面，另—侧为内螺纹。焊颈式法兰的一侧为密封面，另一侧为焊接坡口。用于井口装置和采油树的API法兰常见的有6B型、6BX型和扇形法兰。下表为这三种法兰的额定工作压力和尺寸范围。7、钢圈钢圈是用于法兰连接的密封元件。钢圈材料：相对较软的