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1、延长气田气井井口装置的选择 目 录1 绪论 . 11.1 选题的目的意义 . 11.2我国采气井口装置系统的现状 . 11.2.1我国采气井口装置的发展概况 . 11.2.2目前国产井口装置存在的问题 . 31.3 2 采气井口装置系统概述 . 52.1 采气井口装置的用途特点及分类 . 52.2采气井口产品规范、材料、温度级别 . 62.2.1采气井口产品规范级别 . 72.2.2采气井口材料级别 . 72.2.3采气井口温度级别 . 82.3采气井口装置的型号表示法及型号 . 82.4采气井口装置的结构及密封工作原理 . 92.4.1套管头 . 92.4.2油管头 . 152.4.3采气树
2、 . 182.5井口安全系统 . 212.6采气井口常见故障及处理 . 233 常用气井井口装置 . 263.1KQ65-105抗硫采气井口装置 . 263.1.1用途 . 263.1.2主要技术规范 . 263.2 KQ65-70抗硫采气井口装置 . 273.2.1用途 . 273.2.2主要技术规范 . 273.3 KQ78-70抗硫采气井口装置 . 283.3.1用途 . 283.3.2主要技术规范 . 293.4 KQ65-35 抗硫采气井口装置 . 293.4.1用途 . 293.4.2主要技术规范 . 29 I 4 延长气田气井井口装置选择 . 304.1延长气田地质情况 . 30
3、4.1.1延长气田地质概述 . 304.1.2延长气田气质情况 . 304.1.3延长气田气井试气报告 . 314.2延长气田气井井口装置选择标准 . 414.2.1产品规范级别 . 414.2.2封存流体的腐蚀性 . 424.2.3额定工作压力与公称通径 . 434.2.4产品性能等级 . 434.3选择步骤 . 434.4选择结果 . 444.4.1采气井口参数 . 444.4.2 采气井口的结构 . 445 结论 . 46参考文献 . 47致谢.49 II I西安石油大学本科毕业设计（论文）1绪论1.1 选题的目的意义井口装置主要包括：油管四通、油管悬挂器。采油树、地面安全阀。井下安全阀
4、、采油树帽。仪表、四通、变径法兰等。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。井口装置的特点：在特殊的情况下，可远距离控制阀门的开关；可以控制井下、井下介质的流动量；密封技术套管与油管的环空密封以及井下管柱连接；可向井下注入化学药剂；可连接井上与井下数据设备、动力设备的管线及密封；可通过井口装置进行井下的特殊作业。采气井口装置是气井生产的重要设备， 其性能的优劣关系到气井能否安全、高效地生产。井口装置是油气采收安全可控的唯一通道。油气从井下到井上油气输出的第一道控制设备，对于平台的正常安全生产起到关键性的作用。特别是对高压油气田而言，井
5、口装置良好的使用状况和安全性能对于井下、井口的任何不安全的情况都能很好控制和预防。确保井口的安全。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。1.2我国采气井口装置系统的现状采气(油)井口装置是用来开关、控制和引导气流、悬挂油管、密封生产套管和油管之间环形空间以及创造测试及井下作业条件的装置，是控制自喷井井口压力和原油天然气流量的承压设备，是控制油气井生产的重要地面
6、设施。这种设施应具有适应性广，安全可靠，操作性能良好，互换性强，耐腐蚀，耐磨损和寿命长等方面的技术指标。1.2.1我国采气井口装置的发展概况我国采气井口装置在二十世纪五六十年代，大多沿袭苏联的井口装置1，也有仿照罗马尼亚的产品。不可否认，这些井口装置为建国以来石油工业的发展做出过贡献，但是随着石油和天然气工业的发展，尤其是含硫高压油气田的相继开发;使采气井口装置与现场使用要求的矛盾越来越突出。从已开发的天然气分析来看，含硫1西安石油大学本科毕业设计（论文）化氢、二氧化碳的天然气藏占相当大的比例。气田中，硫化氢、二氧化碳介质引起的腐蚀最为危险。腐蚀不仅造成钻杆、油管、套管的断裂，而且使采气井口装
7、置失灵、闸门断裂、脆裂、轴承破裂以及压力表爆破。如四川卧龙河气田于1963年完钻试采的高产气井，由于丝杆断裂，闸板锈死，闸板面严重刺坏，使试采工作不能正常开展，被迫将该气田陆续完钻的井全部封闭;又如据威远气田威二井统计，在七个半月内断丝杆六根，爆破压力表20多个，并于1966年3月25日，相继发现采气树套管一翼两个闸门丝杆断裂被迫压井，换井口，造成国家财产的严重损失，威胁着气田的正常开采和人员安全。1967年8月组织有关人员对四川油气田各有关使用单位进行调查，一致认为原仿罗马尼亚生产的20.7MPa采气井口，存在的主要问题是:不能抗含硫天然气的腐蚀，使用压力较低，结构陈旧，体积庞大，操作笨重，
8、开关不灵;仿苏的老20.7MPa(即CY-20.7)，开关力矩大。为了在关键时候迅速控制井口，研制新型的特别是防硫采气井口装置，成为60年代迫切需要解决的重要问题。为此，开展了多方面的技术攻关。通过对井口装置使用情况，环境状况和介质的分析;腐蚀机理的认识;腐蚀程度及部位的测试，采取了一套有效的防腐措施:如材料选择，工程设计，防腐剂、涂层，腐蚀性气体的排除和阴极保护，为研制新型采气(油)井口装置奠定了基础。在1976年由原一机部有关厂家和石油部有关单位组成防硫采气井口装置的联合设计小组，先后研制并试验投产。1968年4月完成了CQ-2.5MPa型采气井口装置的全套设计，在此基础上于1968年11
9、月完成了CQ-4.5MPa型采气井口装置的整套设计;1974年6月又完成了适应更高压力的CQ-5.5MPa型采气井口装置的设计。这些产品的陆续投产，基本上扭转了含硫油气田开采的被动局面，得到了大面积的推广和应用。随着钻采工艺的发展和深部油气藏的开发，深井和超深井相继出现，压力也越来越高，采气井口装置工作环境更为恶劣。现在，世界钻井深度记录已达12000m，开采记录超过8000m，井口工作压力高达215.3MPa，关井井口流动温度达356，超深井中硫化氢达28-46%，二氧化碳达3-10%。在上述条件下服役，井口装置各零部件会出现多种形式的失效，这就要求提供高耐压强度，高抗腐蚀的井口装置。随着科
10、技的发展，新的仪器，新的理论的出现，测试技术、工具的更新和完善，特别是应用计算机对KQ-69.0平板阀壳体应力进行了有限元法分析;高压井口装置的模拟试验;低温、高温抗腐蚀井口用材料的不断出现;金属对金属密封的增加;平行闸板阀的采用等为高压井口装置的设计，生产提供了广阔的前景。四川石油钻采工艺研究所1979年着手研究KQ-89.1型采气井口装置，1979年试制，1980年开始进行现场工业性使用，现已推广使用2。2西安石油大学本科毕业设计（论文）1.2.2目前国产井口装置存在的问题尽管我国采气井口装置有了很大发展，并且现在已经能生产103.5MPa超高压采气井口装置。然而，从整体来看还不能适应生产
11、的发展。归纳起来，存在以下几方面问题。产品类型单调、规格不齐全现在我国生产采气井口装置的制造厂有10多家，但目前还不能根据油气田的工况和介质来生产陆上和海上的各种采气井口装置，满足生产发展的需要。设计理论、产品检验还不十分科学和完善我国尚处于根据最大工作压力进行产品的常规设计和经验设计阶段。在产品的试验和检验方面，还停留在厂内液压试验和通径检验等常规方法。而国外不仅有液体试压，还有气体试压。如对井口装置的额定压力是183MPa，使用气体试压到260.8MPa，且对每个树形阀均进行试压。采气井口装置受压壳体强度试验表明，我国设计的壳体安全系数过分偏大(计算或实测值均如此)，强度裕量大。国内各生产
12、厂家没有统一的标准，互换性差。现有设备的一些性能指标不明。由于对采气井口装置从设计到最终报废都没有进行可靠性研究，所以，出厂装置的固有可靠性水平不清楚，装置出厂前尚不能提出实现设备可靠性所必须采取的一系列措施。目前正在油气田服役的很多国产采气井口装置已工作多年，它们的“完好程度”，它们的潜在功能水平，它们的判废或替换等等，由于没有性能指标可遵循，无法作出正确判断。缺乏一套科学的使用、维护、管理方法。现场对于服役的采气井口装置的维护、替换或判废的决策，由于缺乏科学的理论依据和科学管理制度，完全由技术主管部门“拍脑袋”决定，这样决策往往非常危险，使现场使用管理人员缺乏安全感。由于上述问题的存在，同
13、世界先进技术国家相比就存在着较大的差距3。1.3 （1）文献资料调研，了解置的现状和发展趋势，重点围绕如今采气井口装置存在的问题，写开题报告。3西安石油大学本科毕业设计（论文）（2）介绍国内外采气井口采气井口装置的用途、特点及分类，产品规范、材料、温度级别，型号表示法及型号，采气井口装置的结构及密封工作原理以及采气井口常见故障及处理。（3）介绍常用的采气井口装置，分析各自的适用情况。（4）介绍采气井口装置选择的标准和方法。（5）依据延长气田的实际地质状况和气井井口装置选择的标准优选出适合延长气田实际生产需求的井口装置。（6）总结毕业设计的收获，心得体会。为完成（1）系统了解采气井口装置的结构、
14、用途、类型等资料。（2）查阅井口装置和采油树设备规范，API 6A标准。（3）查阅延长油气田开发志。（4）查找延长气田的试井资料，并分析。 4西安石油大学本科毕业设计（论文）2 采气井口装置系统概述 气井的井口装置由套管头、油管头和采油树组成(见图2-1)，其主要作用是:悬挂下人井里的油管;密封油管和套管之间的环形空间;通过油管或环形空间进行采气、压井、洗井、酸化、加缓蚀剂等作业;操纵气井的开关和调节气井的压力和产量大小。采油树油管头套管头图2-1采气井口装置图2.1 采气井口装置的用途特点及分类2.1.1采气井口装置的用途采气井口装置用于自喷气井，既能作为生产井口，也能作为压裂、酸化及其他作
15、业时的井口4。采气井口装置的作用有以下几个方向：(1)开关控制和引导井内气流，即在开采过程中，从油管内将气引到地面上来并对天然气流量、压力、方向进行控制；(2)悬挂油管，即悬挂下人井中的油管柱； 5西安石油大学本科毕业设计（论文）(3)连接井下套管，承托下人油气井中的各层套管柱； (4)密封套管和油管之间的环形空间；(5)创造测试和井下作业条件，便于测压、清蜡、洗井、循环、压井和油气井增产等各种措施的实施。 2.1.2采气井口装置的特点(1)与油管链接采用螺纹链接，悬挂油管既方便又快速5；(2)油管挂采用橡胶复合密封结构，还可以使用金属密封，增强了产品的密封性能；(3)设计有防磨及试压取出工具
16、，方便防磨套的取出和对井口装置进行试压； (4)上法兰设计有试压、二次注脂装置；(5)采气树主阀和油管头侧翼阀门设计为两只阀门，增大了采气井口装置的保险安全性。2.1.3采气井口装置的分类按不同的使用进行分类6（见表2-1）表2-1 采油（气）井口装置及代号表2.2采气井口产品规范、材料、温度级别6西安石油大学本科毕业设计（论文）2.2.1采气井口产品规范级别产品规范级别有PSL1、PSL2、PS13、PSL47。井口装置和采油树主要零件推荐的最低PSL见表2-2。注1：主要零件最少包括油管头、油管悬挂器、油管头异径连接装置、下部主阀。 注2：是否高浓度H2S：若100mg/L H2S的暴露半
17、径距井口15m以上时认为是高浓度H2S确定100mgL H2S暴露半径的位置。其中，X暴露半径，m；Q确定的H2S每天逸散的最大体积，m3d；H2S克分子分数H2S在混合气体内可得到逸散的mol分数。注3：是否靠的很近：(1)100mg/L的暴露半径距井口大于15m，并包含除公共道路口外的任何公共区城；（2）500mgLH2S暴露半径大于15m并包括除公共道路在内的公共B线的任何部分；（3）井位于任何环境敏感区，如公园、野生生物保护区、市区等；（4）井位于距明火或火焰燃烧设备45m之内；(5)井位国家或联邦的给水区；(6)井位于或接近内陆航运水系附近；(7)井位于或接近生活给水区附近；(8)井
18、位于任何主宅105m以内。除以上考虑的最低要求外，还应符合当地的法规要求。 2.2.2采气井口材料级别材料级别有从AA、BB、CC、DD、EE、FF、HH。材料要求见表2-37。 7西安石油大学本科毕业设计（论文）续表：表2-3材料要求表2.2.3采气井口温度级别温度级别有K、L、N、P、R、S、T、U、V。额定温度值见表2-4。表2-4 额定温度值表2.3采气井口装置的型号表示法及型号（1）型号表示法：产品代号(用汉语拼音字母表)，公称通径(用数字表示，单位mm主通径在前面)，额定工作压力(MPa)，执行标准及年号8。标准代号通常可以省略。例如，公称通径主通径为78mm，旁通径为65mm，额
19、定丁作压力为70MPa，采用SYT 5127-2M2标准生产的采气井口装置的表示如下： KQ7865-70SYT 5127-2002按照SYT 5127-2002井口装置和采油树规范要求，现在国内生产的井门装置的主要型号有：KQ65-14，KQ80-14，KQ65-21，KQ65-35，KQ80-35，KQ65-70，KQ78-70，KQ65-105，KQ78-105等。同时，也可以按照用户的要求设计制造。 例：KQ65-70抗硫采气井口装置8西安石油大学本科毕业设计（论文）K Q 65 - 70压力70MPa通径 65mm采气抗硫（2）型号（常用产品）：KQ65-21（KQKQ65-35（K
20、QQ65-70（QQ65-105（KQQ78（KQQ78（KQ采气井口装置零件或部件的额定工作压力应按其端部或出口连接的额定工作压力确定。当端部或出口连接的额定工作压力不同时，应按其较小的额定工作压力来确定9。采气井口装置额定工作压力分为14MPa、21MPa、35MPa、70MPa、105MPa、140MPa六种压力级别。根据GB/T 22513-2008石油天然气工业钻井和采油设备井口装置和采油树设备（IDT，ISO10423:2003)标准，已取消了额定工作压力级别为7MPa和25MPa，原CQ250、CQ600、KQ600型井口装置也不再生产，但现场仍有部分废弃型号的CQ250、CQ3
21、50、KQ600在用10。2.4采气井口装置的结构及密封工作原理2.4.1套管头用于悬挂各种套管，密封各层套管的环形空间，安装在套管柱顶部或另一个套管头上的部件叫套管头。通过悬挂器支撑其后各层套管的质量；承受防喷器的质量；在内外套管之间形成压力密封；为释放套管柱之间的压力提供一个出口；可进行钻采工艺方而的特殊作业。套管头主要出套管头壳体(本体)、套管悬挂总成等组成。根据生产标准可分为标准套管头和简易套管头；根据结构可分为卡瓦悬挂式套管头和座封式会管头；根据用途可分为单级套管头和多级套管头。另外还可分为螺纹式套管头和焊接式套管头等。9西安石油大学本科毕业设计（论文）套管头的基本参数较多，且层数较
22、多，且层数越多的套管头，其参数越复杂。套管头一般涉及的参数有：连接套管外径D、悬挂套管外径D1、本体额定工作压力、本体垂直通径Dt。如果套管头的层数较多，其参数又分为上中下部本体额定工作压力和上中下本体垂直通径。单层套管头、双层套管头和三层套管头的基本参数如表2-5、表2-6、表2-7所示。表2-5单层套管头表表2-6双层套管头表 10西安石油大学本科毕业设计（论文）表2-7 三层套管头参数表 11西安石油大学本科毕业设计（论文）（1）正规套管头如图2-2所示，由13个部件组成。外层套管用丝扣和本体连接，内层套管悬挂在套管悬挂器上，两层套管之间由悬挂器上面的盘根密封。套管之间如果因固井不好串气
23、时，气可以由阀排放，或由压力表观察压力大小。1-套管头体；2-套管悬挂器；3-垫环；4-平板阀；5-丝扣法兰；6-接头；7-截止阀；8-弯头；9-压力表；10内层套管；11盲法兰；12-外层套管；13-螺栓螺母图2-2单层套管头图图2-3是两种规格不同的套管头组合，可以下三层套管。图2-3多层套管头图套管头的规格有177.8毫米139.7毫米，244.47毫米177.8毫米，244.47毫米139.7毫米，399.7毫米244 .47毫米， 399.7毫米177.8毫米等多种。 12西安石油大学本科毕业设计（论文）(2)简易套管头对于浅并、低压井和井身结构简单的井，使用简易套管头11。简易套管
24、头是气矿自制的套管头，有多种形式。套管和套管之间用环形铁板密封(图2-4)，或用卡瓦密封(图2-5)。如果套管之间有串气，可由支撑管或加固短节上的孔排放。正规套管头悬挂在悬挂器上，套管受热膨胀或遇冷收缩时可以自由伸缩;而简易套管头两端用丝扣连接，不能自由伸缩，因此容易在套管本体和丝扣上形成应力，使套管破裂或造成密封不严。套管头根据套管悬挂器的形式不同可以分为心轴式和卡瓦式结构的悬挂器。如图2-4、图2-5 所示。心轴式套管悬挂器：在套管头 图2-5心轴式套管头图 13西安石油大学本科毕业设计（论文）1-升高短节；2-放气；3-支撑管；4-环形贴板；5-接箍；6-外层套管；7-内层套管图2-6环
25、形铁板式简易套管头图 14西安石油大学本科毕业设计（论文）1-井口法兰；2-加固短节；3-内层套管；4-电焊处；5-密封圈；6-上底法兰；7-下底法兰；8-内卡瓦；9-放气日；10-外层套管；11-电焊处图2-7悬挂卡瓦式简易套管头图2.4.2油管头油管头用来悬挂井内的油管和密封油套管之间的环形空间13。安装在最上层的套管头或最小套管挂上的部件。用来悬挂油管，密封油、套管环形空间的部件叫油管头。它是在钻穿气层前，将其装在最上层的套管头上，再与防喷器连接。在完钻以后，利用它悬挂油管柱，密封油管与生产套管之间的环形空间并可以进行各种工艺作业。油管头由油管四通和一个悬挂封隔机构(油管挂)、平板阀等组
26、成，根据采气工艺的需要，它既可悬挂单根油管柱，也可悬挂多根油管柱。图2-8是油管悬挂器为金属密封的油管头，部为金属密封和橡胶密封相结合的套管密封装置。图2-8 油管悬挂器图 15西安石油大学本科毕业设计（论文）在油管头的一侧旁通可安装压力表，以观察和控制油管柱与套管柱之间环形空间内的压力变化，在两侧旁通都安装间阀，以便控制套管压力满足井下特殊作业需要油管四通的两侧可先固定闸阀，下完油管后，最后接上带有双头外螺纹短节的油管挂，油管柱就悬挂在这个油管托上。双头外螺纹短节上有油管螺纹。油管挂与油管四通内壁之间的间隙用一组方形填料和O形密封圈密封，也可以采用金属密封圈进行密封。油管四通的顶丝孔内还装有
27、V形圈和压环，用填料压帽压紧密封填料将顶丝L杆部分密封住，顶丝的作用是防止井内液体作用在油管挂上的上顶力将油管挂顶出。为了防止在安装或井下作业时损坏油管挂上部的内螺纹，在油管挂上端内还旋有一个护丝，在井下安装采气树时，可将护丝去掉。油管头的结构有锥座式和直座式两种。（1）锥座式油管头图2-9所示，由10个部分组成。油管挂是一个锥体，外面有三道密封圈，油管挂坐在大四通的内锥面L，在油管自重作用下密封圈和内锥面密合，隔绝了油套管之间的环形空间。顶丝紧紧顶住油管挂的上斜面，防止在上顶力作用下油管挂位移。油管挂上部是88.9毫米钻杆丝扣，起油管时，松开顶丝，卸掉护丝，接上88.9毫米钻杆扣即可提起油管
28、。油管挂厂部的油管短节两端扣型不同，可根据需要接88.9毫米外加厚油管或接73毫米外加厚油管。锥座式油管头在进行不压井作业时也比较方便，只要把顶丝顶紧，把堵塞器投人油管堵住油管通道后即可更换总闸门；如果卸掉上法兰以上部分，安上不压井起下钻装置即可起出油管。锥座式油管头的缺点是锥面密封压得很紧，上提油管费力，密封圈容易损坏。为了克服这一缺点，在新式采气井口上都设计成直座式油管头。 16西安石油大学本科毕业设计（论文） 1-压冒；2-顶丝；3、4 、5 -密封圈下座、“V”密封圈、密封圈上座；6-护丝；7-“O”形密封圈；8-油管挂；9-推管短节；10-大四通图2-9锥座式油管头图（2）直座式油管
29、头如图2-10所示，由12个部分组成。油管挂坐在大四通内的45o锥面上，中间垫有金属托圈，其上垫有用氟橡胶制成的密封圈以保护密封。油管挂和.上法兰的孔之间也装有两道复合式自封盘根保持密封，因此在油管挂内不装堵塞器的情况下，即可更换顶丝孔中损坏了的复合式自封盘根。上法兰有小孔与油管挂上部环形空间连通，通过此孔可测出环形空间的压力，以了解油管挂密封圈和油管挂上的复合式封盘根的密封是否良好。直座式油管头的油管挂和人四通两侧的侧翼阀孔道甲，设计有安放堵塞器的座子，必要时可送入堵塞器堵塞油管或侧翼阀孔道，在不压井情况下换总闸门或套管闸门。 17西安石油大学本科毕业设计（论文）l-上法兰；2-护丝；3-自
30、封盘根；4-测压接头；5-油管挂；6-压帽；7-顶丝；8-大四通；9-密封圈；l0-金属托圈；11-圆螺母；12-油管短节图2-10直座式油管头图2.4.3采气树用于控制气井生产和进行日常维修作业，安装在套管头下部连接法兰以上的各种阀门、子通或四通、油管挂等的总称为采气树，由阀门(包括闸阀和针形节流阀)、大小头、小四通、油管头变径法兰、缓冲器、截止阅和压力表等组成。其作用是开关气井、调节压力、气量、循环压井、下井下压力计测运气层压力和井口压力等作业14。 18西安石油大学本科毕业设计（论文） 1、12-压力表缓冲器:2-测压闸阀；3-小四通；4-油管闸门:5-针形阀；6、7-总闸门；8-上法兰
31、；9油管头（又称大四通）；10、11 -套管闸门；13-底法兰图2-11采气树图油管头以上的部分称为采气树(或采气树)，闸阀、针形阀和小四通组成。用来进行开关井，调节压力，气量，循环压井，下压力计测压和测量井口.压力等作业。（1）采气树各部件的作用如下总闸门安装在上法兰以上，是控制气井的最后一个闸门，所以非常重要。它一般处于开启状态，如果要关井，可以关油管闸门。总闸门一般装有两个，以保证安全。小四通通过小四通可以采气、放喷或压井。油管闸门当用油管采气时，用来开关井。针形阀简称针阀用来调节井的压力和产量。测压闸门通过测压闸门使气井在不停产时进行下压力计测压、取样。其上接油压表，以观察采气时的油管压力。 19西安石油大学本科毕业设计（论文）压力表缓冲器装在压力表截止阀和压力表之间，缓冲器内装有隔离液，隔离液对来自气井的压力起缓冲作用，防止压力表突然受压损坏，在含硫气井上，隔离液还能防止硫化氢进入压力表，使压力表免受硫化氢的腐浊。套管闸门一侧装有压力表，可观察采气时的套管压力；需要时可以从套管采气，试油时，也可作一侧接采气管线，为气举的进口。(2)采气树各部件的结构如下闸门按闸板形式分有楔形闸板和平行闸板两种。楔形闸板闸门用于KY-210、KQ-350、KQ-700采气树，如图2-20所示。阀杆为明杆结构，能显示开关状态。采用轴承转勤，操作轻便灵活
