煤层气抽油机井光杆密封材料研究

高鹏飞

[摘 要]本文通过分析煤层气井井口盘根盒喷水原因，总体概括为偏磨、光杆受损的问题、密封材料的问题和排水管道的问题，抓住水从光杆和密封材料间隙喷出的源头，重点分析了传统橡胶制品（盘根）对排采水的密封原理和存在的问题，对盘根盒密封材料作出改进，从物性材质方面对比橡胶制品和棉纺织品，认为棉纺织品对水的密封性能远远超过橡胶制品；其柔软性也使得它不受形态影响，不受盘根盒规格限制，填料空间足量充填，再结合现场应用到煤层气井上，密封时间成倍增长，密封效果得到明显改善。从成本方面分析单井用量，棉纺织品大大降低了排采经费，综合分析认为棉纺织品为最佳光杆密封材料。

[关键词]煤层气 盘根盒 光杆 密封填料 棉纺织品

中图分类号：TE933.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）25-0044-02

煤层气作为新能源，日益受到国家的关注。煤层气的开采是通过抽采煤层水降低煤层压力，将以吸附在煤基质颗粒表面为主并部分游离于煤层孔隙和溶解于煤层水中的甲烷气体解析出来的过程[1]。

煤层气开发过程中，水力压裂造缝给地层注入大量的清水和压裂液，还有煤层中的高矿化度煤层水，降低煤层压力需要将这些水以一定速度抽排出来。目前主要采用抽油机抽吸的方式。现在中石油煤层气临汾分公司主要采用五型、六型、八型、十型抽油机，泵型为32、38、44、56、70，排采井的日产水量也从零点几方至一百多方不等，其中盘根盒喷水的井占比86.6%。井场水淹，冬季结冰，影响工作环境，煤层水污染耕地，公共关系问题不断，对现场属地管理造成很大麻烦，由于喷出水对抽油机基础的侵蚀，存在很大安全隐患，同时还因频繁更换盘根，影响抽油机开机时率， 造成人力、物力、财力的浪费。

一、盘根盒喷水原因分析

为了降低煤层压力，抽油机抽排水的能力必须大于地层供水能力，所以必须增加排采强度。在排采设备不变的情况下，加快冲次，光杆对密封材料的摩擦强度增加，密封材料密封性能降低；产水量急剧增加，管道结垢加重；偏磨也在加剧，最终井口盘根盒开始喷水。造成喷水的原因主要有偏磨影响、光杆受损的问题、密封材料的问题、煤层水结垢影响等。

二、 盘根的密封原理及存在问题

目前井场采用的光杆密封装置大部分为盘根盒，盘根盒内密封材料均为橡胶盘根。在煤层气井抽采过程中，盘根盒喷水严重，跑冒滴漏时有发生，盘根已经不能满足对排采水的密封要求。

盘根盒结构如图1所示。

1. 盘根盒的密封原理

盘根盒主体4通过缩小内径向上托住格兰5，盘根3夹在格兰和压盖之间，通过压帽1与盘根盒主体4之间的螺纹轴向旋钮压紧，使盘根发生轴向和径向变形，光杆与盘根盒主体之间的间隙被填塞而达到密封的目的。

2.密封材料盘根主要存在以下问题

（1）盘根的形状不合理，抗挤压能力太强，抗磨损的能力较差，材料流失严重，径向形变微小，密封时间太短。（2）盘根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）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，导致光杆对盘根产生偏磨，使盘根早期受损，影响密封效果，降低了盘根的使用寿命。（4）盘根为固态橡胶制品，硬性较大，没有柔软性，橡胶跟水之间没有融合性，遇水无膨胀性，很难起到密封作用。

三、光杆密封材料改进

传统光杆密封材料使用橡胶制品，现改进为棉纺织品。橡胶制品主要使用普通盘根和锥型盘根，棉纺织品主要使用废旧布料，针对这两种材料如图2所示，从物性材质作出以下分析：

1. 橡胶制品

普通盘根和锥形盘根均为丁腈橡胶制品，具有耐油、耐老化性，但在水、空气、固体杂质和光杆运动的共同作用下，很容易磨出橡胶碎屑，材料缺失，导致密封性能丧失。

光杆在盘根中的上下往复运动，不论光杆偏向哪边，最后都形成一边有压力一边无压力的状态，导致密封效果缺失。

随着摩擦次数的增加，光杆的不定点摩擦，盘根的圆形孔径磨成椭圆，材料缺失严重，给水的喷出开辟了通道。

2. 棉纺织品

一般的棉纺织品都是混纺布料，不仅成本很低，而且能提高布料的性能，柔软、光滑、厚实，弹性优异，耐磨耐热耐腐蚀，韧性强，不容易磨破，吸水后具有膨胀性，形变性好，吸水挤水性能好，不易产生静电[2]。布料中的水分能保持在一个平衡状态，随光杆运动擦拭光杆表面，保持光杆表面的光滑度，具有持久良好的密封效果。

布料缠绕在光杆周围，受光杆纵向摩擦，布料在运动中由于堆积形变作用形成径向挤压，两者之间的压力始终在一个固定值，在光杆上下运动过程中，前半个冲程松懈的布料随光杆做滚动摩擦，到后半个冲程布料堆积起来之后形成滑动摩擦，大大降低布料的磨损程度。光杆上、下冲程运动中，布料在盘根盒中的形态变化，如图3所示：

新安装的布料由人工挤压，比较均匀。以一个冲次为例：当光杆上冲程运动时，由于摩擦力作用，布料随光杆向上滚动，上部布料的紧密程度增大，布料对光杆的挤压力也在增大，布料和光杆间的缝隙减小；下部布料紧密程度减小，布料吸水膨胀，起到水封作用，阻碍下部水流上流，起到密封作用。当光杆下冲程运动时，由于摩擦力作用，布料随光杆向下滚动，下部布料紧密程度增大，布料对光杆的挤压力增大，而且布料中上冲程吸收的部分水分被挤压随排采水排出；上部布料紧密程度减小，吸收下部布料中的部分水，膨胀挤压下部布料，并且擦拭光杆，保证光杆的光滑度。整个冲次布料吸水后膨胀，对光杆形成360o挤压应力，又增加了密封效果。

另外，我们开发煤层气遵循低成本理念，三种密封材料在煤层气井盘根盒中应用，普通盘根盒用普通盘根8个/井次，每次更换的费用8×8元，均以30-45o斜口剪开，上下斜口错开120o安装[3]，费力又昂贵；高压盘根盒用锥型盘根1个/井次，每次更换的费用1×18元，外加环形注油海绵，成本高昂，工序繁杂；用棉纺织品，不论盘根盒什么规格均可用废旧布料10cm×100cm/井次，简单高效，便宜又耐用。每种用料用量和形态如图4所示：

四、使用效果对比

2015年12月开始使用棉纺织品作为光杆密封材料在中石油煤层气有限责任公司临汾分公司煤层气排采井上进行了加装试验，单次作业密封时长明显增加，有效遏制了盘根盒喷水的问题，改善了井场工作环境，减少了污染耕地问题，节约了生产成本，减轻了工人的劳动强度，提高了开机时率，也不再限制排采强度，具有良好的推广前景。其应用的具体情况见表1。

表1中高压代表高压盘根盒，普通代表普通盘根盒，h代表小时，t代表天。

五、总结

1.针对煤层气井盘根盒喷水问题，对光杆密封材料做出改进，实际应用效果良好。

2.用棉纺织品作为密封材料，来源广泛，成本低廉，操作方便，实用性强，经久耐用。而且改变了传统井口光杆密封用圆环型橡胶、石墨橡胶密封的工艺技术，使煤层气井在排水采气中因光杆与井口盘根盒不对中、偏磨而形成缝隙喷水破坏工作环境的现象得到良好改善。

3.改变了频繁更换盘根、浪费材料、增加劳动强度的弊端，增加了开机时率，间接提高了产气量，减少摩阻，降低能耗，具有较好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 倪小明，苏现波，张小东.煤层气开发地质学.化学工业出版社.2010-1-1.

[2] 面料成份大全.中国服装采购网整理编辑.2007-2-6.

[3] 中石油煤层气有限责任公司排采岗位操作卡（试行版）.2013年8月15日.