渤海区域油田采油树泄漏预控技术研究

渤海区域油田采油树泄漏预控技术研究

张传合王轶尹晟尚关奎周石磊刘庆宏

中海石油环保服务（天津）有限公司天津300000

摘要：采油树是海上、陆地油田油井用于控制生产的装置。一般油井都是通过采油树，连接油管和套管，机采井的采油树还有电缆穿过，而钢丝作业时也要通过采油树完成。采油树组成部件主要有油管头、油管挂、连接法兰和一些阀门组成。阀门则包括油嘴（节流阀）、生产翼阀、清腊阀、主阀和套管阀。本文重点论述对油嘴和法兰部位进行泄漏治理和预控，对以往常见泄漏的类型、部位采取预控保护措施，将泄漏危害消灭在萌芽状态。

关键词：采油树；油嘴；法兰；泄漏治理；保护措施

1.技术研究背景

1.1采油树是海上、陆地油田用于控制生产，并为钢丝、电缆、连续油管等修井作业提供条件的装置。海上采油树因受海上气候条件及流体介质的侵蚀、冲洗和温度、压力、振动、焊接缺陷、密封材料的损坏等因素的影响，设备、管道、阀门等连接部位和器壁都不可避免地会泛起跑、冒、滴、漏等问题，一旦发生泄漏，即便更换也需要修井设备和人员的配合，故不是短时间能够解决的问题。在完成采油树更换前，泄漏的采油树附件，就将直接暴露在平台甲板，可能直接影响到作业海域的环境，危害海洋生态系统，还可能引发火灾事故或者人身伤亡事故。

本文提出一种临时措施，快速解决采油树泄漏，为修井赢得时间，是本课题研究的主要方向。

1.2采油树常见的泄漏类型和治理难度

采油树内常见泄漏类型有油嘴、法兰、阀门本体、仪表丝扣、阀门阀杆等部位。按照以往统计的数据分析，油嘴和法兰发生泄漏的比例较大。

采油树的结构紧凑，阀门、仪表和法兰比较集中，一旦发生泄漏，不易快速处置，在报警后，运输修井设备和压井处置需要一定的处置时间，这时已经造成了污染或者其他危害。

1.3泄漏的原因分析

发生泄漏的原因主要有:本体制造缺陷、丝扣密封垫损坏、法兰垫片损坏、盘根失效等，以油嘴和法兰为例。

油嘴是安装在采油树上的节流阀，主体有油嘴刻度盘，油嘴开关手轮以及油嘴心。油嘴的泄漏隐患点主要有阀门本体制造缺陷（如砂眼，凹陷等），法兰垫片，手轮盘根失效。

法兰的泄漏隐患点主要有阀门本体制造缺陷（如砂眼，凹陷等），法兰垫片损坏。

泄漏通常有两种表现形式，一是渗透泄漏和界面泄漏。

一般情况下，法兰使用石墨、石棉、聚四氟乙烯等密封垫片时，由于密封材料的组织疏松，致密性差，纤维与纤维之间有无数的微型缝隙，很容易被介质浸透，在一定压力作用下，介质就会通过纤维间的微型缝隙渗透到低压侧，即通过垫片本身的泄漏称之为渗透泄漏，橡胶类垫片虽是致密性非常好的材料，在高压下，也会发生渗透泄漏，所以采油树的法兰垫片也会发生渗漏。我们再来分析一个问题，在高压情况下，采油树的法兰有爆发泄漏事故的风险。通常渗透泄漏与介质的工作压力有关，压力越高，泄漏量越大，但是橡胶垫不完全遵循这一规律，只在介质压力开始增大时，泄漏量增大，而当介质达到一直值后，再增大压力，泄漏量反而减小，发生这种情况的原因是橡胶垫内部的微小孔穴，由于介质压力的作用而受压缩，使孔穴变小所致，如果压力不稳定地升高，垫片有可能快速破损以至原油喷射而出，形成界面泄漏，这是一个从“量变到质变”的过程。

界面泄漏即是我们通常所讲的泄漏。造成界面泄漏的原因有螺栓预紧力不够，法兰密封面划伤，机械变形，以及振动等，造成密封垫片与法兰端面密合不严而发生泄漏。这种金属面和密封垫片的交界面上发生的泄漏即为界面泄漏。实践中发现，把柔软的材料夹在法兰密封端面之间，经压紧后即可形成密封，在通入介质后，法兰压紧面分离，螺栓被拉长，如果垫片有足够的回弹能力，不但其压缩变形的回弹量能补偿法兰压紧面的分离，而且使垫片上的残余压紧力仍不小于工作密封比压，这是法兰就能保持良好的密封。反之，如果垫片的回弹能力不足，垫片上的残余压紧力小于工作密封比压，密封就会失效，介质就会泄漏。

法兰的密封性能涉及到垫片性能，法兰密封面，螺栓预紧力，法兰错位和刚度以及操作条件等五个方面。

2.泄漏治理方案

油嘴的泄漏治理与法兰类似，本文主要以法兰为例。

渤海区域的原油采油树的工作压力一般在2-3MPa。对于采油树的发生的泄漏，针对高压的状态，通常的做法是上修井设备，先压井，然后更换新的采油树，再放喷恢复生产。这种处理办法有很大弊端：（1）操作复杂，更换时间长，修井设备昂贵；（2）更换成本太高。

这时我们采取注剂式密封技术，即带压安装堵漏夹具，堵漏夹具在泄漏的部位人为的制造一个新的密封体系，采用工具将填料注入新的密封体系内，保持一定的比压，封堵泄漏部位。采油树的结构与注水井类似，但没有注水井的运行压力高，在以往施工中，针对注水井的法兰中缝泄漏，带压堵漏的压力达到35MPa。

泄漏治理方案如下:

2.1施工准备

A、了解工艺流程和注意事项；

B、对施工区域及周边进行危险源识别，并准备好相应的预防措施；

C、根据施工位置的需求准备相应的操作空间，如有重大危险源告知是否启动专项预案；

D、对泄漏量大的位置进行标记。

2.2器材准备

治理前需准备的器材：气动液压泵、手动液压泵、上/下井口法兰夹具、密封注剂(四氟型和石墨型)、注剂阀、转向阀、隔离带、警示牌、配套敲击扳手、活口扳手、内六角扳手、工业胶粘剂、黄油、棉纱、加力杆、大锤、防爆轴流风机、螺丝刀等；

在以上的器材中，有几项关键器材：夹具，密封注剂和工业胶粘剂。这几项器材均与采油树的内部介质直接接触，因此材料的选择就十分重要，选材的方法如下：

夹具的选材：在国标承压设备带压密封夹具设计规范GBT26468中有明确说明，要选择耐腐蚀金属材料，在实际运用中，我们还要考虑采油树本体的材质，根据材料的基本性能，从使用、加工、经济等各方面全面考虑和合理选择。

密封注剂的选用：考虑到采油树的运行介质是原油和环境温度，选择耐腐蚀性能较好的四氟型或者石墨型密封注剂，在实际使用时选择一种或者两种交叉使用。

工业修补剂的选用：工业金属修补剂是修补泄漏部位本体的腐蚀凹坑，其类型的选择也很关键，修补剂主要使用部位是夹具与本体接触的密封面部位，其固化后的强度要不低于采油树本体材质的强度，使用还受到环境气候的影响，在渤海区域内选用耐候性好的型号（图1）。

2.3带压堵漏施工示意图（图2）

2.4法兰泄漏治理操作步骤

A、对施工现场进行隔离，严禁非施工人员进入施工现场，放置警示牌；

B、清理中缝及法兰圆周上的锈层及杂质；

C、打开注剂阀，并安装在夹具上；

D、按一定的比例调配工业粘补剂，调配均匀后凉置5分钟；

E、将调配好的工业粘补剂涂抹的在夹具的内侧的密封上，并压实，使其挤入密封线内，并保留一定厚度的工业粘补剂；

F、安装夹具，先安装带子扣的一半，用榔头轻轻的敲击夹具，使之与井口法兰外圆吻合；

图1

图2

G、然后安装另一半带有母扣的夹具，预紧螺栓；

H、在预紧螺栓的同事，调整母扣的，使之与子口相吻合；

I、子母扣完全吻合后，锁紧预紧螺栓，并将挤出的工业粘补剂擦除；

J、夹具安装时，人员应注意站位，严禁站在介质喷出的位置；

K、关闭离泄漏点最远的注剂阀，安装注剂枪头，并填充注剂；

L、注剂时人身应与注剂枪头保持大于15°夹角

M、连接气动液压泵，打开气源，进行注剂；

N、注剂时，随时观察枪头内的注剂，是否已注入完毕；

O、更换注剂时，应先关闭注剂阀，然后卸掉注剂压力，才能填充注剂；

P、填入注剂后应先开启气源，打开液压泵开关，给枪头一定压力后，方可重新打开注剂阀；

Q、当注剂从侧边的注剂阀处胶时，应关闭处胶的注剂阀，并卸掉注剂压力，将注剂枪头安装到出胶的注剂阀上；

R、打开注剂阀，重新注剂逐孔注入，临近泄漏点时，停止注剂，并拆下气动液压泵；

S、连接手动液压泵，继续注剂，直至泄漏点不在有介质漏出；

T、注剂完成后，根据介质压力+3～5MPa的注剂压力进行保压，保压时间60分钟左右，观察压力表数制，如无下降即可关闭注剂阀，卸掉注剂压力，拆卸手动液压泵，如压力略有下降，则继续保压观察；

U、保压结束后，清理施工现场，将带入施工现场的工器具及其他附件全部带理施工现场，能回收的回收使用，不能继续使用的，要集中处理；

V、通知甲方人员进行验收。

2.5注意事项

A、施工时必须佩戴劳保上岗，穿戴好必要的劳保用具，根据泄漏介质选择相应的劳保穿戴；

B、保证工作场所通风性好，保持空气新鲜，必要时，使用通风装置，以避免散发的介质对人体造成危害；

C、工作场所严禁烟火；

D、注剂、保压时注意观察，防止操作过程中零部件飞出伤人；

E、检查液压油是否有脏物，定期更换，原则上两个月更换一次；

F、施工完毕后，清理现场，将垃圾掩埋或集中处理。

油嘴的泄漏部位还有本体制造缺陷，制作带压堵漏夹具是将泄漏部位全包，以法兰外圆和其他规则面进行密封，设计密封线结构和敲击槽，能够很好的实现快速、有效的堵漏。

3.保护性泄漏预控措施

常规治理方案能解决泄漏问题，但是这种方案是有风险的，比如密封注剂会将法兰垫片打穿，而导致注剂进入到阀门本体或者穿过垫片进入管道。鉴于这种情况，我们提出一种保护性泄漏预控措施，有两类解决办法，一是增加保护措施，二是预装夹具。

3.1增加保护措施的做法是：

A、中缝泄漏治理时，采用法兰填充料填充法兰中缝，并注入加强胶填充，避免注剂直接冲击垫片，损坏垫片，法兰的外部采用整体喷涂先将法兰垫片保护起来；

B、注剂前，先采用隔套或其他材料将漏点防护起来，避免注剂通过漏点进入管道内，避免注剂挤压管道。

3.2预装夹具的做法是：

A.首先对根据产量、油质采油井进行分类、分析，划分成等级，比如高产井，中产井，低产井等等，

B.采集各类井的尺寸数据，整理成数据统计表

C.针对高产井、中产井设计、制作一定比例的带压堵漏夹具，可以在选定的优质井预先安装，这样在这些井发生渗漏或者泄漏时及时注剂堵漏，减少风险，降低损失。

4.总结

采油树是油气生产重要的设备，渤海区域的采油树运行压力属于中压，泄漏部位常见，可以采油注剂式密封技术很好的治理。在进行泄漏治理的基础上，我们进行了技术改进，即针对制造本体缺陷，采用隔套或其他材料将漏点进行保护，对于法兰，采用的改进做法是预先在法兰中缝注加强胶，保护垫片，防止后期安装夹具注剂时损坏垫片，这两类改进措施目的是保护，防止注剂进入泄漏本体，造成带压堵漏失败。

针对采油的泄漏治理，本文中论述的治理办法已经进行了多次的实践论证，有效的减少了因采油树发生泄漏造成的损失。

参考文献

[1]《法兰密封泄漏的原因分析》作者邢桂萍，罗广辉，郑新兵2008年中国石油天然气股份有限公司大庆石化分公司炼油厂,黑龙江,大庆,163711.