采油(气)井口装置现状及发展趋势

采油(气)井口装置现状及发展趋势

钟功祥1张天津1肖力彤2李蓓蓓1吴臣德1

(1．西南石油大学机电工程学院，四川成都610500；2．四川石油管理局成都总机械厂，四川成都610500)

摘要：采油(气)井口装置是油气生产的重要设备，其性能的优劣关系到油气井能否安全、高效地生产。本文在介绍国外井口装置的总体发展现状及井口装置各部件结构的改进情况的基础上，指出了当前我国井口装置存在的不足。同时也对我国井口装置今后的发展提出了建议。

关键词：井口装置闸阀套管头油管头采油(气)树

0 引言

井口装置由套管头、油管头和采油树三部分组成，主要用于监控生产井口的压力和调节油(气)水井的流量；也可以用于酸化压裂、注水、测试等各种措施作业。石油工业的发展不断地对井口装置以及阀门的可靠性和控制性提出更高的要求，这便促使和推动着井口装置也处在不断的改进和发展之中。就井口装置的整体来看，其改进主要着眼于尺寸的减小和重量的减轻，也就是轻便灵活；从结构型式来看．主要着眼于闸阀的改进和发展，大力推广平行闸板阀的使用．并开展产品的可靠性分析研究。

1国外井口装置发展现状

1.1井口装置发展总体情况

目前，国外生产采油树最大工作压力是140MPa，组成采油树的法兰式连接闸阀最大额定工作压力达210MPa。国外许多公司都在不断开发并完善电潜泵井口装置及整体采油树．生产有单油管电潜泵井口装置、双油管井口装置及双通径的整体式采油树，还能根据油(气)田的工况和井内滞留流体来生产陆上(包括海洋平台用1的井口设备及水下井口装置。目前主要生产国家有美国、英国、意大利等十几个国家，美国的产品技术和生产能力处于世界领先地位。

1.2井口装置各部件结构的改进

1.2.1闸阀

闸阀作为井口装置中的主要部件，主要发展平板闸阀结构，其中暗杆式平板阀占有绝对优势。新生产的闸阀有FL和FIS型两种，工作压力13．79～34．5MPa。其结构特点：采用整体式闸板结构，可防止管线中的沉淀物进入阀体内腔。高承载能力的两个止推轴承用来吸收闸板开启和关闭时的载荷，从而将手轮旋转力减至最小。特殊惰性材料弹簧承载的唇型密封．既能保护金属密封面又能加强低压密封性能。FL型闸阀在每个阀座上使用的是单个唇形密封。FIS型闸阀使用的是内径和外径密封。另一种JS型闸阀的特征是阀座和阀板、阀体金属对金属的密封，特殊外径、内径的唇型密封既加强了低压密封又保护了阀座、阀板及阀体的金属密封面。Js型闸阀设计的主要特点是具有一个回转孔口的阀板(Reverse—bore gate)，这种闸板可在不考虑阀杆位置的情况下把闸板推向开启位置，这一特点使Js型闸阀持别适合于作采油树装置的底阀。

FMCl00系列闸阀采用锻造承压阀体结构、双滚针滑动轴承、安全剪切销和Teflon UV 型阀杆填料(专利产品)，可耐H2S、CO2和氯化物的腐蚀，工作温度为一24～177℃。工作压力在138MPa以上。FMC120型闸阀的工作压力从13．79～34．5MPa．规格从53～181mm。130型的工作压力从68．9～103MPa．规格从49～168mm。

最新生产的闸阀系列有VG一300和VG一20o。VG一300是高压系列闸阀．其工作压力从34．5～103MPa．规格从50～228．6mm。这种闸阀结构采用的是多向模锻承压阀体、阀帽，UV型具有热塑并充填的特氟隆(TEE1复合阀杆盘根．配备有多用途的接头．用于注入阀体润滑剂和阀杆密封剂。VG一200是低压系列闸阀．其工作压力从13．79～34．5MPa．规格从50．8～101．6mm。这种闸阀结构采用的是低合金钢承压铸件壳体、平行阀板结构、非橡胶唇形阀杆盘根并采用精密滚针轴承承受阀杆载荷．具有安全剪切销的功能。

1.2.2套管头

套管头包括套管头四通、套管悬挂器、盘根装置、顶丝、闸阀和压力表组成。是装在整个井口装置最下端的一个装置。作用是连接井内各层套管并密封套管间的环形空间。近年来，套管头结构不断得到改进，主要向操作简便、密封性能好(自动密封)、适用于深井多层套管以及整体化方向发展。

紧凑式套管头是将多层套管头的壳体制成一体，内部各层悬挂器通过相互承载传递重量，体积小，节约材料和连接件，减轻自身重量。其生产的套管挂主要有Aw、wC、JM、CA、CAM、FR、BRX一2等类型，可根据不同油井情况和套管与Cameron WF型套管头壳体和WF型套管四通相配合。

最新生产的一种快速连接装置一VG—LOC TM Con．neetor卡瓦连接方式是当表层套管固定后，根据钻井设计套管头的安装高度，切割表面套管，水平套入套管头，通过上紧底部支承螺柱，压紧卡瓦切入套管表层，从而达到连接作用。套管悬挂器有Mandrel型、WE型和W 型三种。

Mandrel型为心轴式悬挂器，其密封区域控制锥面与对应的锥面接触，强制金属对金属的密封，同时，悬挂器上端的加长颈与井口部件底部的锥面，形成金属对金属密封。WE 型设有平动密封，当拧紧螺帽时，便把压缩板拉到卡瓦座圈上，压缩密封元件，从而形成卡座圈密封和悬挂器与套管之间的密封。

W 型被公认为是最可靠的自动重量坐定悬挂器，它可自由，当它承受套管重量时，就密封环形空间，一只正向金属活动器限制套管卡瓦座圈的移动，并防止密封挤出。

1.2.3油管头

由油管头四通、油管悬挂器、盘根装置、顶丝、闸阀、压力表和法兰组成。装在套管头上面，主要承受油管柱内的压力、承受油管柱和采油(气)树以及其它装置的负荷。

电潜泵油管头装置中油管挂内的油管悬挂器，利用增加装穿电缆装置来实现电潜泵的

采油作业。这种形式的电缆接头，根据电压、电流、工作温度分为多种级别供用户选择，电压从3000～5000V，电流分别为70、125、140、164A，工作温度从一60～178oC。

意大利的油管头有DP70、DP4、DP7三种类型。各种类型的法兰规格均较齐全，侧面均为法兰栽丝连接形式，下法兰的两次密封采用Y形结构。其中DP70适合单油管悬挂。DP4适合双油管悬挂，其四通壳体增设紧顶螺钉。控制双管悬挂的方向和位置。DF'／型适合多油管悬挂，在其四通壳体上有四只紧顶螺钉，以控制悬挂器的安装方向和深度。

该悬挂器可分为DP4HS MS型、B8M 型和DP4H5型。DP4HS MS型油管悬挂器为潜油电泵作业使用。为井下潜油泵电缆提供了可靠的封隔装置，悬挂器本体与油管连接，电缆心轴插入并固定，底部输出端连接装置与心轴连接，固定螺钉按位置锁紧悬挂器。B8M型为缠绕式悬挂器结构，配备TSB型球形单向背压阀，通过上紧上法兰顶丝，减小盘根、密封与壳体及油管之间的间隙。DP4H5型为伸长颈结构，带井下安全阀及控制管线接口。

1.2.4采油(气)树

采油(气)树是指井口装置总闸门以上的主体部分，外形像树，所以叫采油(气)树，主要由套管闸门、总闸门、生产闸门、清蜡闸门、油管四通或三通、油嘴等部件组成。其作用是控制和调节油井的自喷生产。引导喷出的油气进入输油管线，保证录取油压、套压、计量油、气产量、取样及清蜡等工作。近年来主要发展整体式结构，海洋平台采油作业，由于受平台面积及钻井成本等的限制一般首先选用整体式结构。

此外，国外井口装置(主要是在密封方面)现在也趋向高温、高压和超高温、超高压的研制。可以断定，在井口装置中由于压力和温度的变化而导致的在金属密封部件间的运动经过有限次数的循环后。可导致井口装置的失效。可以进一步断定，在未来的井口装置发展中，金属密封将扮演着很重要的角色，所以必须研制出有效的技术方法以制造出稳定的密封环境来处理在井口装置中的高压所带来的危险。

2 我国井口装置与国外先进水平差距

我国井口装置和国外先进水平相比还存在差距，主要表现在如下几个方面[41：①结构形式单一。在国内闸阀虽然现在也采用平板闸阀，但还是以楔型闸阀为主，不能根据压力、井深、油气层储量和工况等因素来决定选用闸阀；②压力级别过密，温度额定值范围小；③材料。我国可供采油(气)井口装置使用的主要零件材料较少。如阀体，不论其在任何工况下，都使用35CrMo，国外则较多；④铸锻件。美国高压铸件都是使用ADO精炼，外观和内在质量较好；⑤其它方面。美国制造公司能根据工况来选用轴承、弹簧和密封件，我国还不能达到。在机械加工手段、工艺规程和质量控制等方面也存在较大差距。

3对发展我国井口装置的建议

3.1应在全行业规范设计准则

虽然API Spee 6A 标准对承压壳体设计规定了ASME许用应力、变形能量理论、试验应力分析等设计方法，但出于各生产厂家采用的设计方法不同造成产品的互换性差，也给产品的维修带来不便。有的厂家由于设计准则不合理，安全系数选得太大在原材料和加工方面造