长冲程抽汲作业钢丝绳密封技术综合分析

长冲程抽汲作业钢丝绳密封技术综合分析 2010年第39卷 第9期第9页 石油矿场机械 OILFIELDEQUIPMENT 文章编号:1001-3482(2010)09—009—04 长冲程抽汲作业钢丝绳密封技术综合分析 任连城,魏昌祥,周秋沙 (重庆科技学院,重庆401331) 摘要:介绍了几种钢丝绳井口密封装置的工作原理,通过对密封效果的对比,综合 分析了钢丝绳密 封的关键技术,提出采用旋转密封以及分级密封结构,是研制密封效果好,使用寿 命长的钢丝绳密 封装置的方向. 关键词:长冲程抽汲;钢丝绳;旋转密封;技术 中图分类号:TE923文献标识码:A ComprehensiveAnalysisofWireLineSealTechnologyforLong-strokeSwabbing RENLian—cheng,WEIChang—xiang,ZHOUQiu—sha (ChongqingUniversityofScience&Technology,Chongqing401331,China) Abstract:Severalkindsofcommonwirelinesealingdevicesusedonoilfieldareseparatelyintro— ducedandthestructureandsealingmechanicsofsevera1kindsofcommonwirelinesealingde— viceshasbeencompared.Therotatingsealsealingandsecondarysealmechanicswhicharethein thekeytechnologyforlengthenindurationandsealingeffectivenessofthewirelinesealisesp e— ciallyanalyzed. Keywords:long—strokeswabbing;wirerope;rotatingseal;secondaryseal 在油气田开发过程中经常要进行试油,捞油,气 井排液(排水采气)等抽汲作业,抽汲行程都很长,基 本上是从井下某一深度一直抽到井口,这些捞油设 备采用电力,机械或液压传动方式,通过钢丝绳来驱 动捞油抽子,进行捞油作业.与普通抽油机相比,这 些捞油设备具有消耗能源少,低产井采油效率高等 优点_1].由于抽汲行程太长,抽汲作业时不能采用 传统有杆抽油机的光杆,而只能采用柔性的钢丝绳 来代替.用柔性钢丝绳代替常规的抽油杆面临的首 要问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 除了钢丝绳本身的力学性能以外,最大的问 题就是钢丝绳的井口密封问题.在油田作业现场经 常因为井口密封不良造成作业区环境污染,严重时 导致不能正常作业.因此,井口密封问题一直是困 扰油田抽汲作业的一大难题].此外,对于常规的 有杆采油设备,由于常规的刚性抽油杆存在冲程小, 接箍多,起下抽油杆操作繁琐等问题,国内外的研究 人员相继提出了用柔性抽油杆——钢丝绳来代替抽 油杆的采油技术[3],柔性抽油杆同样面临井口密封 的问题.钢丝绳密封问题已经是制约油田采油,捞 油技术发展的一个瓶颈,因此,很好地解决钢丝绳密 封问题对油田生产特别是油田生产的自动化有着非 常重大的意义. 1井口钢丝绳密封方法 钢丝绳密封的难点在于钢丝绳自身在结构上存 在的螺旋槽,普通钢丝绳如图1所示.由图1可以 收稿日期:2010—03—19 基金项目:重庆市教委科学技术研究项目(KJ0901401) 作者简介:任连城(1973一),男,内蒙古四子王旗人,副教授,博士,主要从事石油矿场 机械方面的教学与科研工作,E—mail: rlcgp1999@yahoo.com.cn. 石油矿场机械2O10年9月 看出普通钢丝绳股和捻的旋向相反,而且 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面粗糙, 螺旋沟槽深,几乎不可能直接用于油田抽汲作业. 减小或消除钢丝绳螺旋槽的一种方法是用其他材料 来填平钢丝绳的沟槽,即镀(涂)层钢丝绳,目前镀锌 钢丝绳和涂塑钢丝绳较为多见,但都很少成功应用 于油田生产,主要原因是镀层(涂塑)钢丝绳在较大 的拉力下涂层材料与钢丝绳本体材料的弹性模量不 一 致,导致涂层剥落,起皮等.另一种方法是通过改 变钢丝绳的自身结构来降低钢丝绳的螺旋槽,即密 封钢丝绳_5].目前在市场上比较常见的密封钢丝绳 多应用于客运索道,货运索道,缆机吊车,大型房屋 顶悬挂结构,桥梁,矿山提升等一些密封要求不高的 领域.图2是某生产厂的密封钢丝绳,该钢丝绳为 特殊1+l×24结构单旋钢丝绳,为了减小外层钢丝 之问的沟槽,外层钢丝经锻打成Z字形,这种钢丝 绳的表面要比普通钢丝绳的表面光滑便于密封.但 是从现场情况看井口密封问题仍然不能很好地解 决,而且经过锻打处理后的钢丝绳弹性增大,非常不 利于绞车的盘绳,导致绞车滚筒,滑轮直径都成倍地 增加. 1普通钢丝绳 图2现场使用的单螺旋密封钢丝绳 目前油田现场的试油,捞油抽汲作业采用的钢 丝绳井口密封基本上是从密封装置(即所谓的防喷 盒)上来解决的. 最初的钢丝绳井口密封基本上沿用了抽油机光 杆密封的结构,即通过压紧密封盒,使得密封盒与钢 丝绳之间有足够的接触压力以实现井口密封,典型 的结构如图3所示j.该结构的密封装置工作原理 与普通光杆密封盒的工作原理基本相同,通过调节 预紧套,经上压盖,上挡环压紧密封填料,使得密封 填料与钢丝绳之间有一定的预压紧力.在上行程过 程中钢丝绳通过钢丝绳与密封填料之间的摩擦力对 密封填料有向上的挤压拉动作用,而上挡环加工成 内锥面的,在阻止密封填料向上运动的同时向内挤 压密封填料,从而增加了密封填料与钢丝绳之间的 接触压力,提高了密封效果;在下行程过程中,钢丝 绳向下运动,对密封填料有向下的作用力,这个作用 力经下挡环作用到压紧弹簧上,此时弹簧压缩,在轴 向给填料密封让出J,一定的空问,减小了下行过程 中密封填料与钢丝绳之间的接触压力,从而降低了 钢丝绳下行的阻力.这种结构的密封装置有一定的 优点,但是由于钢丝绳与密封填料之间的接触压力 是通过预压套来预先压紧,上下行程中钢丝绳与密 封填料之间的接触压力是通过上,下行程钢丝绳与 密封填料之问的作用力来改变,这种改变幅度有限, 导致这种密封盒的预压紧力不能太大,否则钢丝绳 在下行过程中因阻力过大而卡死.因此,该结构的 钢丝绳密封装置使用效果不好,寿命也不长,现场基 本上没有使用. 1压紧弹簧;2-,套简;3下挡环;4一密封填料; 5一上挡环;6-预紧套;7上压盖;8-钢丝绳 图3类似于光杆密封的钢丝绳密封装置 由于抽汲作业上下行程过程的密封压力要求不 同,下行程的密封压力要求很低,而且要尽可能地降 第39卷第9期任连城,等:长冲程抽汲作业钢丝绳密封技术综合分析 低钢丝绳下行过程的阻力,出现了液压密封的钢丝 绳井口密封装置一,液压防喷盒.液压防喷盒由液 压活塞,回位弹簧,缸体,密封胶筒和手压泵等组 成],在现场一般需要2个人配合操作,其中1人操 作绞车,另1人操作手压泵.在抽汲时,当液面到达 井口时,用手压泵给密封活塞加压,密封活塞下行下 压密封胶筒使其变形而达到密封效果.当上行程完 毕钢丝绳下行时,打歼手压泵的回液阀泄压,密封胶 筒在回位弹簧在作用下复位,密封胶筒与钢丝绳之 间脱开.液压防喷盒的钢丝绳与密封胶筒只有上冲 程接触,这样就可减少胶筒的磨损,延长其使用寿 命.不足之处是手压泵起压较慢,当抽汲液面到达 井口时,要连续加压数次才能使密封活塞下行而压 死密封胶皮,不能瞬间封住井口,地层液容易渗漏出 井口而污染环境.如果加压过早,又易提前压死胶 皮,而造成抽汲钢丝绳与胶皮干磨,降低胶皮的使用 寿命.此外,整个系统复杂,需要2个人配合操作, 操作比较复杂.图4是文献[8]提出的一种新型液 压防喷盒,工作原理与文献[7]提到的液压防喷盒的 工作原理基本一样. l8 19 20 21 0彤圈;3一压力油接头;5中心管; 1一下部接头;2,4— 6一简体;7复位弹簧;8一密封件座;9手柄; 1O密封件;11刮分压环;12密封腔;13调节接头; 14一压环;15,销子;16一隔环;17一町动头; 18,21一销轴;19一滑轮;2O,挡杆 图4液压防喷盒结构 为了改进液压防喷盒的不足,又出现了如图5 所示的气动防喷盒_g].气动防喷盒的工作原理与液 压防喷盒相同,上行程充气推动活塞压缩密封胶筒 实现密封,下行程放气,密封胶简在复位弹簧的作用 下与钢丝绳脱开,减小了钢丝绳与密封件之问的接 触压力,从而增加了密封盒的使用寿命.与液压防 喷盒相比,气动防喷盒的优点是实现了自动控制,简 化了控制操作,增加了操作的准确度.液压防喷盒 与气动防喷盒是目前油田现场使用最为广泛的,基 本上反映了目前钢丝绳密封装置的最新技术. 1扶正套;2一密封胶筒;3复位弹簧;4缸体; 5一活塞;6--管线;7一气动开关;8气源装置 图5气动防喷盒 2钢丝绳密封装置的总体分析 前面提到的各种钢丝绳密封装置基本上反映了 我国钢丝绳密封装置的发展历程,每一种密封装置 都有其自身的优点,而且每一种新的密封装置都是 对前面的一种密封装置的改进.目前在油田现场应 用最成熟,最广泛的是液压密封盒或气动密封防喷 盒,但是由于其工作原理所限,这些密封装置的密封 胶筒都是静止的,由于钢丝绳自身的螺旋结构(即使 是密封钢丝绳也存在一定深度的沟槽),密封件与钢 丝绳之间的接触压力不能太大,否则钢丝绳会出现 抽丝,打扭现象[1"],此外太大的接触压力会加剧 密封盒的磨损,降低密封件的使用寿命.所以,目前 的钢丝绳密封装置密封件与钢丝绳之问的接触压力 不能太大,现场经常可以看到绞车上提时井口密封 会出现较大量的泄漏现象. 综上所述,目前油田抽汲作业钢丝绳井口密封 不良的关键原因是钢丝绳不同于普通光杆,它自身 存在着螺旋槽,要求钢丝绳与密封件之间有较高的 接触压力才能有较好的密封效果;但是当钢丝绳与 密封件之间的接触压力增加时,也由于钢丝绳自身 的螺旋结构,钢丝绳上行或下行的过程中必然要施 石油矿场机械2O10年9月 加给密封件一个旋转的扭矩,扭矩的大小取决于钢 丝绳与密封件之间的接触压力,接触压力越大旋转 扭矩也越大.目前采用的钢丝绳井口密封装置中的 密封件是静止不旋转的,所以这个旋转扭矩将反作 用在钢丝绳上使得钢丝绳发生打扭,严重时会发生 抽丝现象,所以钢丝绳与密封件之间的接触压力又 不能太大.现场采取了折中的办法,根据实践经验 在钢丝绳与密封件之间施加一个适当的作用力,使 得钢丝绳与密封件之间既能有一定的密封效果同时 又不会产生使钢丝绳打扭或抽丝现象.这种密封结 构的密封效果不很理想. 根据前面的分析,要想较好地改善钢丝绳密封 效果,必须要解决好上述矛盾:即密封效果要求钢丝 绳与密封件之间接触压力较大,而钢丝绳Ih身结构 又要求钢丝绳与密封件之间接触压力要小.本文认 为在研制新的钢丝绳密封装置时,要解决上述矛盾 应该重点考虑以下3点: a)在结构上进一步解决好上,下行程密封件 与钢丝绳之间的接触压力要求不同的问题.在上 行程过程中要求密封压力高,此时钢丝绳与密封 件之间必须要求有一定的接触压力,而在下行程 过程中密封压力较低,为了降低钢丝绳的摩擦阻 力,要求密封件与钢丝绳之间的接触压力尽量要 小.关于这一点,目前的液压,气动防喷盒已经解 决得较好了,缺点在于需要额外的一套液压或气 压系统,可以考虑在结构上采用液压自密封原理 来解决这一问题. b)密封件在结构上应采用旋转结构.现有 钢丝绳密封结构的缺点是密封件与钢丝绳之问没有 相对旋转.如果密封件在结构上采用旋转结构,当 钢丝绳与密封件之间的接触压力增加时,密封件就 能随着钢丝绳的上下移动而在密封盒内沿自身轴线 自由旋转,从而很好地解决钢丝绳打扭抽丝的现象, 同时也可以大大降低钢丝绳对密封件的磨损,增加 密封件的使用寿命. c)整个密封装置应采用分级密封.从现场的 情况来看,钢丝绳与密封件之间的接触压力不能太 大,即使加入密封脂,也有泄漏,此时如果增加钢丝 绳与密封件之间的接触压力必然会急剧加速密封件 的磨损,所以钢丝绳密封不应该采用1级密封,而应 该采用2级甚至是多级密封.第1级为"高压密 封",要求有一定的密封效果,同时要有一定的泄漏 量,泄漏的液体进入第2级密封盒.第2级密封盒 内部应设置一个有一定容积的积液腔,第1级密封 泄漏的液体直接存在第2级密封的积液腔,在下冲 程时,第1级密封件与钢丝绳之间接触压力降低,钢 丝绳向下运动时带动积液腔的液力向下返回到井 内,可以对钢丝绳起到润滑作用,以缓减钢丝绳对密 封件的磨损增加密封件的使用寿命. 3结语 要提高钢丝绳密封装置的密封效果和使用效 果,最好的方法就是 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 一种可以旋转的,分级密封 的密封装置,这是研发新型钢丝绳密封装置必须要 考虑的问题.笔者设计出一种可旋转的钢丝绳分级 密封装置,并申请了国家专利,鉴于篇幅所限,具体 工作原理和结构拟另撰文叙述. 参考文献: Eli孟庆武,刘树林,王春华,等.油田捞油设备述评[J].石 油矿场机械,2006,35(4):44—46. 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