基于叶轮的辗辊式井下采油筛管研制(修改稿1).doc

基于叶轮的动过滤辗辊式井下采油筛管辛绍杰 钟力 岳波辉 苏兴天（上海电机学院机械学院） （大庆职业学院机电系） （大庆市锐虹机械制造有限公司）摘要：针对采油筛管在防砂过程中存在的砂堵等问题，提出一种基于叶轮的新型动过滤辗辊式井下采油筛管。新型采油筛管的叶轮辗辊一体式结构实现了井下流体动能转化为叶轮轴旋转的机械能，带动同轴上的辗辊转动。各辗辊独立转动，通过调整相邻辗辊缝隙，达到运动防砂与过滤的目的。试验和现场应用表明：基于叶轮的辗辊式采油筛管既防砂又不发生整体卡死，还具有结构简单、安装方便和防结垢等特点。关键词 辗辊式筛管 叶轮 动过滤 防砂 过滤 问题的提出采油筛管是一种油田普遍使用的重要采油工具，用于采油防砂。早期，油田使用较多的筛管是绕丝筛管，由于该筛管在下井时容易出现“乱丝”现象，造成筛管的损坏或缝隙变形，致使防砂失效。针对绕丝筛管的这一弊端，割缝筛管应运而生。割缝式筛管1是用电火花或激光加工工艺将套管割成0.25-2mm竖式短缝，再外包不锈钢网或不包不锈钢网。利用抽油泵往复工作时产生的正负压变化使弹性外层产生振动，弹落黏附在外壁上的砂粒，从而达到防止砂堵的目的，通过控制孔和缝的尺寸来达到控制进入泵内砂粒的大小。有些应用该型式筛管工作的油井4个月后会开始出现砂堵，也不能长时间完全控制砂堵的发生，使采油达不到预期效果。油井双层内梯形割缝筛管是目前割缝筛管用于解决砂磨抽油泵的最好的结构，该筛管具有降低井口含砂、减少砂进泵筒的作用，这种结构也不可避免的存在砂堵问题。为了解决目前采油筛管工作过程中不能长时间控制砂堵这一难题，提高采油效率，设计了一种应用效果较好的基于定轴轮系的动过滤辗辊式采油筛管2，它利用井底流动流体的动能经过齿轮传动装置驱动辗辊转动，转动的辗辊间的缝隙形成了滤油缝隙，液体的流动加上辗辊的转动产生的相对运动，实现了防砂和过滤的目的，这不同于其它类型筛管利用抽油泵往复工作时产生的正、负压转换来引导液体进入油管或利用抽油泵的负压使弹性筛管管壁产生弹性变化来防砂。由于该型采油筛管采用了三级齿轮传动，其结构复杂，制造及安装工艺要求高，制造成本高，同时，该筛管若有一对啮合齿轮卡死，传动装置将不能工作，成为辗辊无运动的静过滤形式，这些问题影响了该产品的推广。为解决这一问题，提出了一种无定轴轮系的新结构动过滤辗辊式采油筛管，该筛管的结构简单，部分辗辊的上部焊接一个叶轮，在抽油泵工作时，利用叶轮实现流体的动能转化为叶轮轴转动的机械能，通过叶轮直接驱动辗辊转动。由于每个叶轮只驱动同轴上的一个辗辊转动，各辗辊独立转动，不影响其它辗辊转动，因此，即使相邻两个辗辊卡死，也不会影响其他辗辊的工作，可有效地保护抽油泵，延长其使用寿命。滤砂过程中，动过滤是不可能转为静过滤形式的。同时，叶轮的安装要求不高，可直接焊接在辗辊轴的上端部。结构及工作原理1、基本结构基于叶轮的新型动过滤辗辊式井下采油筛管结构如图1、图2所示，包括辗辊、叶轮、上壳体、下壳体、轴、轴承、上接头、下接头、上支承座和下支承座等。上壳体的下端焊接有上支承座，上端焊接有上接头。上壳体与上支承座构成采油筛管的上工作腔，叶轮布置于上工作腔内。下壳体的下端焊接有下支承座和下接头，上端与上支承座焊接，辗辊按环形均布于下壳体中，辗辊由上、下支承座上轴承支撑。下壳体开有多个竖式进油通孔。环形布置的辗辊与上支承座、下支承座构成采油筛管的下工作腔。上支承座中间设有直径尺寸较小的流油通孔，实现上、下工作腔流体的流通。当抽油泵上冲程时，上工作腔内的叶轮在流体的冲击下实现流体动能到机械能的转化，下工作腔则实现筛管的滤砂功能。上接头上设有与油管连接的螺纹，下接头上布置有与油丝堵连接的螺纹。图1 辗辊式井下采油筛管结构简图1 上壳体；2叶轮；3上支承座；4轴承；5下壳体；6辗辊；7下支承座；8轴承；9下接头；10进油通孔；11上接头；12流油通孔；13轴2、工作原理抽油泵上冲程时，抽油泵游动凡尔关闭，游动凡尔下部低压，固定凡尔打开，油管外的地下流体（包含原油、水、天然气）在地层压力和采注压力作用下向井底流动，流体经筛管外壁槽、辗辊间的滤油缝隙进入采油筛管下工作腔，下工作腔内的流体经流油通道，经导流唇垂直作用于叶轮的叶片上，推动叶轮2旋转，旋转的叶轮将流体动能转化为机械能，驱动辗辊14转动。相邻辗辊间的滤油缝隙满足了对进入抽油泵流体的防砂和过滤的需要。由于辗辊转动时的负载非常小，所以需要叶轮所提供的动力也很小。当抽油泵下冲程时，抽油泵固定关闭，游动凡尔打开，叶轮理论上不旋转。事实上，由于固定凡尔关闭的滞后，导致泵内流体反方向作用于叶轮，使叶轮反方向瞬间转动，使得缝隙外的砂粒吐出。在采油筛管的上、下工作腔之间设有直径尺寸较小的流油通道，下工作腔的流体通过突然缩小的流油通道时，会形成一定的压差，流体速度会瞬间增大，高速液流经导流唇的引流作用垂直作用于叶轮的叶片上，满足叶轮和同轴上的辗辊转动所需要的动力。 结构特点分析新型基于叶轮的动过滤辗辊型筛管在结构上既不同于割缝筛管，也不同于基于轮系的动过滤筛管，由于它巧妙的结构使其具有优良的性能，主要表现在如下方面：1、基于叶轮的新型动过滤采油筛管的使用寿命长目前油田应用较为广泛的割缝式采油筛管、膨胀防砂筛管等筛管均属于不含有随流体流动而运动的活动构件的过滤装置，称为静过滤采油筛管。静过滤筛管在工作时，筛管的割缝位置不会发生改变，构成每个缝隙有效过滤面的是缝形截面的四条线无相对运动，含有砂粒的流体将穿过缝隙进入抽油泵，长久使用下来，割缝的同一位置在受到不同颗粒砂石的反复磨损摩擦后，缝隙会渐渐的变大，影响了滤砂效果，使采油达不到预期效果，为此，便需要更换采油筛管，影响了采油效率。而动过滤采油筛管的滤油缝隙是通过相邻的两个辗辊转动形成的，辗辊的外表面为转动工作面，其上面的任意一条母线不会受到砂石的反复磨损摩擦，使得采油筛管的使用寿命较高，对于设计合理的筛管结构，筛管的滤缝的尺寸变化很小，在一个洗井作业周期中一般不用更换，同时，辗辊的转动滤砂过程也使得辗辊表面不易结垢，对提高采油效率有重要意义。2、新型采油筛管结构简单、安装方便，制造成本低基于定轴轮系的辗辊式采油筛管的传动系包括三级外啮合齿轮传动，第一级和第三级为直齿圆柱齿轮传动，第二级圆锥齿轮传动用于改变传动方向，第三级传动的主动轮分别与每个辗辊上的直齿轮啮合，辗辊上的直齿轮带动辗辊转动。与基于定轴轮系的辗辊式采油筛管相比，新型辗辊式采油筛管采用叶轮辗辊一体的结构形式，叶轮辗辊同轴的结构使得新结构筛管无多余的传动环节，叶轮直接驱动辗辊，无中间传动环节，所消耗的能量小，对叶轮的叶片数、叶片的结构形式及尺寸要求低。同时，各辗辊互不关联，独立转动，即使上冲程相邻两个辗辊滤砂时被砂粒卡死，也不会影响筛管其他辗辊的工作。何况，抽油泵下冲程时叶轮的瞬间反转也会把辗辊间被卡砂粒吐出。新结构辗辊式采油筛管与基于定轴轮系的辗辊式采油筛管相比，其结构简单、加工件少、制造成本低，对叶轮的安装精度要求也不高，安装工艺简单，可在辗辊安装完毕后将叶轮直接焊接到辗辊轴上。新型动过滤辗辊式采油筛管的加工工艺也较激光割缝简单，所用加工设备较为通用，无需专用的生产装备。3、新型采油筛管叶轮的布置型式有利于叶轮的转动新型采油筛管的叶轮轴是顺着流体流动方向的，上冲程时叶片下部的高流速流体冲向叶片，而叶片的上部与抽油泵固定凡尔上部的低压流体连通，在高流速流体的作用下，各叶片产生一个使叶轮转动的转矩，由于辗辊与叶轮同轴直接驱动且辗辊转动阻力很小，叶轮可以轻易驱动辗辊转动。沿着流体流动方向布置叶轮叶片，减少了湍流引起的能量降低，使得叶片工作面受到较大地冲击力，有利于叶轮的转动。同时，在抽油泵上冲程时，碾辊正转也加速了流体的流动，使得流体快速进入采油管柱。另外，由于叶轮的搅拌，也降低了流体粘度，改善了抽油泵的吸入性能。采油筛管的设计1、技术参数 设计的采油筛管的主要参数为：（1）过流面积：S=1175mm2（2）外径尺寸：f=89mm（3）总长度L=800mm，有效长度L0=610mm（4）流油通孔（内径）f0=35mm（5）防砂直径d0.3mm2、材料及热处理方式新型采油筛管的叶轮、轴及轴承、辗辊、上壳体、下壳体、上支承座、下支承座等零部件需要在油液中工作，所以选用耐酸，防腐蚀材料。这里，辗辊及叶轮选用1Cr18Ni9Ti调质处理，硬度为260HBW。3、辗辊及辗辊组的设计碾辊是采油筛管的关键零件，辗辊轴由两端轴承支撑，辗辊的中间部分为等直径的光滑圆柱体，上端焊有叶轮的辗辊结构如图3所示，为五段阶梯轴，最右端为安装并焊接叶轮处。而无叶轮的辗辊只有前者的左侧三段。新型采油筛管选择八根相同的辗辊按环形布置组成辗辊组。相邻两辗辊间的缝隙为0.3mm（可以根据采油需要选择不同的值）图3 辗辊结构简图辗辊的设计应保证筛管工作时辗辊的强度和刚度在满足使用要求的前提下，应使缝隙的最小有效过流面积趋于最大。为此，要求辗辊不能发生失稳且在弹性范围内,有较少的变形位移。只允许其变形位移所造成的缝隙宽变化在0.05 mm 以内, 亦即每个辗辊的节点最大位移0.025 mm , 并以此为基点限制筛管的适用载荷和有效缝长。环形布置的八根辗辊，其中四根安装叶轮，均匀布置。辗辊工作时，安装叶轮的四根辗辊首先转动，其余四根辗辊则在流体剪力的作用下微动。4、叶轮的设计叶轮是流体动能转化为机械能的最主要部件，也是采油筛管中的关键部件之一，如图4所示。叶轮的回转平面垂直于叶轮轴线，叶轮叶片在该平面内绕叶轮轴旋转。在采油筛管结构参数确定的条件下，通过输入及输出流体参数，由叶轮模型可直接得出辗辊的运行特性。考虑到叶轮的所受力矩、噪声和成本因素，采用三叶片叶轮。考虑到辗辊转动所需功率要求和上工作腔直径的限制，叶轮的直径设定为32mm。叶片采用2mm钢板制成翘曲形状，与叶轮回转平面成15角焊接在叶轮轮毂上。设计的叶轮与辗辊同轴的轮辊一体的结构形式既有利于安装，又可消除附加外力。叶轮直接焊接到辗辊支撑轴的上端。图4 三叶片叶轮结构简图应用分析 基于叶轮的动过滤辗辊式采油筛管的结构简单、安装方便，更为重要的是它具有好穿透性和可靠的防砂效果，为抽油机井的抽油泵提供了保护。液体通过辗辊光滑的圆柱构成的缝隙时，阻力非常小，再加之碾辊的转动，使得井下流体通过碾辊时的阻力很小，同时，转动的碾辊也推动了液体的流动，改善了流体的流动性能。采用转动的辗辊转动防砂，既可以防砂又不能发生砂堵问题。井下流体流经两根转动辗辊间的缝隙后进入筛管时，其携带过来的砂粒，是轻易不能黏附在转动的辗辊上。另外，新型采油筛管无需配备专门的附加动力，仅利用采出过程中地下流体的动能便可实现筛管的工作。大庆油田有限责任公司采油工艺研究院对新型动过滤辗辊式采油筛管的技术检测表明，新结构的叶轮启动压力仅为0.1MPa便开始旋转，远低于基于轮系的动过滤采油筛管。在完成了产品改进设计后，2008年3月在大庆油田采油二厂、采油一厂和采油九厂等多个单位投入使用，效果很好。井下流体经过转动辗辊间的缝隙进入采油管柱，辗辊的间隙根据油井采油的需要调整，调整范围在0.3mm1.7mm之间。滤砂直径控制在0.3mm1.7mm之间。目前，油田一级泵要求流体中的颗粒直径在0.2mm0.7mm之间，二级泵要求在0.7mm1.2mm之间，三级泵要求在1.2mm1.7mm之间，可看出，新型筛管能够满足各级抽油泵的生产要求。两年的新型采油筛管的油井试验和使用证明，新型筛管具有防砂效果好、穿透性高和采油施工工艺简单等特点，投运的油井平均单井年节约检泵一次，节省费用7000余元。新型动过滤辗辊式采油筛管由于其独特的防砂结构，不仅不能产生砂堵，还将延长油井的热洗周期，降低产油成本，已为油田用户带来巨大的经济效益。目前，已有380套的新型采油筛管在大庆油田采油井投产使用。它不仅可用于油田一般的采油井、含砂量大和压裂的井，还可用于污水泵的保护，市场需求量很大。结 论（1）基于叶轮的新型动过滤辗辊式井下采油筛管较基于轮系的采油筛管省去了轮系传动，使得新结构简单、安装方便。（2）新结构筛管由于每个叶轮只驱动同轴上的一个辗辊转动，各辗辊独立转动，不影响其它辗辊转动，因此，使得工作更加可靠、使用寿命延长。（3）八个辗辊的布置形式使得筛管结构更加合理，筛管在井下的水平受力平衡，加工也更为方便，制造成本低。参考文献1 刘大红,宋秀英,刘艳红,张恒,李春福.割缝筛管防砂设计及应用J. 石油机械, 2004,32(8)：13-162 辛绍杰，苏兴天.辗辊式井下采油筛管的研制及应用J. 石油机械，2007，35（1）：19-21“上海市教育委员会重点学科建设项目“机械制造及其自动化”资助，项目编号：J51902”辗辊式防砂筛管 2006年9月获国家实用新型专利。专利号：ZL2005 2 0114039.2联系人：辛绍杰 作者简介：辛绍杰，教授，生于1963年，1986年毕业于大庆石油学院石油矿业机械专业，2002年获机械设计及理论博士学位，主要从事机械设计和石油机械的科研和教学工作。 地址：（200245）上海市闵行区文井路88号。电话：（021）64306661-3009。基于叶轮的动过滤辗辊式井下采油筛管辛绍杰 钟力 岳波辉 苏兴天（上海电机学院机械学院） （大庆职业学院机电系） （大庆市锐虹机械制造有限公司）摘要：针对采油筛管在防砂过程中存在的砂堵等问题，提出一种基于叶轮的新型动过滤辗辊式井下采油筛管。新型采油筛管的叶轮辗辊一体式结构实现了井下流体动能转化为叶轮轴旋转的机械能，带动同轴上的辗辊转动。各辗辊独立转动，通过调整相邻辗辊缝隙，达到运动防砂与过滤的目的。试验和现场应用表明：基于叶轮的辗辊式采油筛管既防砂又不发生整体卡死，还具有结构简单、安装方便和防结垢等特点。关键词 辗辊式筛管 叶轮 动过滤 防砂 过滤 Dynamical-filtering Roller-type downhole production screen pipe based on blade wheel Xin Shaojie Zhong Li Yue Bohui Su Xingtian（Mechanical School，Shanghai Dianji University）ABSTRACTS: For the sand plug existing in downhole production screen pipe, a new structure of dynamical-filtering roller-type screen pipe based on blade wheel is put forward. The structure of Screen pipe with Blade wheel and Roller-type Screen unified have changed the kinetic energy of downhole fluid into mechanical energy of blade wheel axle to drive the rollers run. By adjust the clearance among the running rollers , Running roller-type by oneself perform sand prevention and filtering. Field experiments show that this kind of screen pipe can not only prevent sand, and but also avoid screen pipe sticking. Moreover ,it features simple structure, easily install and Impeller dynamic filter based on rolling roll underground oil ScreenScreen for oil recovery