大斜度井抽油泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)及應(yīng)用

李大建，甘慶明，劉 顯，何 淼，王 百

（1.長(zhǎng)慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018；3.長(zhǎng)慶油田分公司 油田開(kāi)發(fā)處，西安710018）①

為節(jié)約用地、降低開(kāi)發(fā)成本，長(zhǎng)慶油田主要采用叢式井組定向油井開(kāi)發(fā)。目前，定向油井已經(jīng)占到總井?dāng)?shù)的95%，單井場(chǎng)最多井?dāng)?shù)已達(dá)43口。隨著開(kāi)發(fā)層系的下移，井深增加，泵掛位置井斜角度也逐漸增大。常規(guī)管式抽油泵在大斜度井段生產(chǎn)時(shí)存在2方面的問(wèn)題：①管桿偏磨嚴(yán)重；②泵閥關(guān)閉滯后，抽油泵漏失嚴(yán)重，泵效偏低［1］。

為了解決大斜度井有桿泵采油系統(tǒng)存在的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)相關(guān)油田采用了不同的工藝技術(shù)，主要是在2個(gè)方面：

1） 采用大斜度井無(wú)桿采油方式，例如：電潛泵、水力噴射泵、水力活塞泵、直線電機(jī)、氣舉法等。這些采油方式徹底解決了大斜度井有桿泵采油存在管桿偏磨以及抽油泵漏失等問(wèn)題，但是主要應(yīng)用于產(chǎn)液量較高的油井，投資成本較高。長(zhǎng)慶油田的產(chǎn)液量較低（單井平均日產(chǎn)液在5.0m3／d），不適合采用以上無(wú)桿采油系統(tǒng)。

2） 對(duì)大斜度井有桿泵采油系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)［2］，例如：配套使用抽油桿旋轉(zhuǎn)器［3］、鋼質(zhì)連續(xù)抽油桿、旋轉(zhuǎn)井口［4］，給傳統(tǒng)整筒泵（管式泵）固定閥設(shè)計(jì)彈簧裝置，采用偏置閥式抽油泵等。這些工藝技術(shù)沒(méi)有從根本上解決大斜度井段抽油泵生產(chǎn)存在的技術(shù)缺陷。

本文分析了普通整筒抽油泵的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，改進(jìn)了球閥及閥座結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了新型扶正器，使有桿泵采油系統(tǒng)在大斜度井中成功應(yīng)用。

1 常規(guī)管式抽油泵在大斜度井段的問(wèn)題

普通整筒抽油泵采用傳統(tǒng)的閥球、閥座、一級(jí)密封柱塞結(jié)構(gòu)，在直井或者井斜角度＜25°的油井中應(yīng)用時(shí)，工藝技術(shù)已經(jīng)基本成熟，不存在問(wèn)題。但在大斜度井段生產(chǎn)時(shí)，傳統(tǒng)閥球、閥座結(jié)構(gòu)存在閥球偏置旁落（如圖1）、關(guān)閉滯后問(wèn)題；抽油泵柱塞存在一定偏置、偏磨現(xiàn)象（如圖2），導(dǎo)致抽油泵漏失嚴(yán)重、泵效偏低，無(wú)法正常生產(chǎn)。這一點(diǎn)從管式抽油泵室內(nèi)排量模擬試驗(yàn)結(jié)果也能得到證實(shí)（如圖3）。

圖1 閥球受力示意

圖2 泵柱塞受力示意

圖3 泵排量系數(shù)試驗(yàn)曲線（沖程0.9m，沖次9min－1，清水介質(zhì)）

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

根據(jù)常規(guī)管式泵在大斜度井段生產(chǎn)存在的主要問(wèn)題，提出大斜度井抽油泵研發(fā)的主要思路［5－9］：①改進(jìn)柱塞結(jié)構(gòu)，提高在大斜度井段生產(chǎn)的密封、防偏磨性能，降低柱塞漏失量；②改進(jìn)固定閥、游動(dòng)閥結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制啟閉、關(guān)閉及時(shí)、復(fù)位準(zhǔn)確，消除泵因閥球偏置旁落、關(guān)閉不嚴(yán)導(dǎo)致漏失偏大的弊端。

2.1 固定閥

固定閥采用彈簧結(jié)構(gòu)，如圖4，實(shí)現(xiàn)大斜度井段生產(chǎn)時(shí)強(qiáng)制開(kāi)閉、關(guān)閉及時(shí)的功能［5］?？朔椈勺枇Φ乃p失為

式中，F(xiàn)為彈簧的壓縮力，10N；ρ為液體密度，ρ＝1 000kg／m3；S 為固定閥座孔的截面積，0.000 415 m2，g為重力加速度，g＝9.807m／s2。

計(jì)算得H＝2.51m，遠(yuǎn)小于泵的沉沒(méi)度，因此固定閥能正常打開(kāi)。在關(guān)閉時(shí)，由于有彈簧力作用，能及時(shí)關(guān)閉。

圖4 彈簧固定閥結(jié)構(gòu)

2.2 游動(dòng)閥

游動(dòng)閥采用半球閥－中心連桿結(jié)構(gòu)，如圖5。根據(jù)閥球結(jié)構(gòu)，閥座設(shè)計(jì)為反球面閥座，與密封單元為一體，如圖6。半球閥與泵柱塞中心桿固定，在泵上下沖程過(guò)程中，半球閥與中心桿一起運(yùn)動(dòng)，半球閥座則相對(duì)柱塞中心桿運(yùn)動(dòng)，上沖程半球閥、閥座關(guān)閉，下沖程半球閥、閥座打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)閥球、閥座在大傾角條件下，強(qiáng)開(kāi)、強(qiáng)閉、復(fù)位準(zhǔn)確。

圖5 半球閥

圖6 游動(dòng)閥座

2.3 柱塞密封結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)抽油泵1級(jí)密封柱塞結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提出了3級(jí)密封柱塞結(jié)構(gòu)（如圖7）。密封單元之間設(shè)計(jì)導(dǎo)流導(dǎo)向扶正塊，確保新型柱塞在泵筒中始終軸向居中，且不受井斜角的影響，消除柱塞因受垂直軸向力作用發(fā)生偏置、偏磨現(xiàn)象。密封單元之間相互獨(dú)立，上下沖程過(guò)程中，各單元處于游離狀態(tài)，在軸向上具有相互補(bǔ)償功能，柱塞、泵筒間密封性能得到進(jìn)一步加強(qiáng)。

圖7 柱塞的三維圖

2.4 三級(jí)過(guò)流通道

結(jié)合閥球、閥座、泵柱塞密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后泵柱塞導(dǎo)流導(dǎo)向扶正塊、半球閥與中心桿固定在一起，柱塞密封單元與出油罩相對(duì)固定，在軸向上沿泵柱塞中心連桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)；下沖程時(shí)，井液通過(guò)泵固定閥進(jìn)入泵筒，沿導(dǎo)流扶正塊、半球閥進(jìn)入柱塞單級(jí)密封單元、中心桿環(huán)空，從出油罩排出，完成井液沿柱塞一級(jí)過(guò)流，并依次向上完成二、三級(jí)過(guò)流，進(jìn)入泵柱塞上端泵筒；上沖程時(shí)，柱塞密封單元與出油罩相對(duì)中心連桿向下運(yùn)動(dòng)，半球閥與閥座關(guān)閉，泵筒內(nèi)井液排入油管內(nèi)（如圖8）。

圖8 泵柱塞一級(jí)過(guò)流示意

3 大斜度井抽油泵工作原理

1） 上沖程 柱塞在中心桿作用下一起向上運(yùn)動(dòng)，固定閥在井液壓力作用下被打開(kāi)，完成進(jìn)液過(guò)程。

2） 下沖程 固定閥關(guān)閉，柱塞導(dǎo)流導(dǎo)向扶正塊、半球閥隨中心連桿一起向下運(yùn)動(dòng)，而柱塞密封單元、反球面閥座、出油罩向下運(yùn)動(dòng)滯后，半球閥與閥座分離，泵筒內(nèi)井液通過(guò)導(dǎo)流塊、半球閥進(jìn)入泵柱塞與中心桿環(huán)空，通過(guò)出油罩排出，并逐級(jí)向上，進(jìn)入泵上油管中，完成排液過(guò)程。

4 導(dǎo)向扶正器結(jié)構(gòu)

在大斜度井采用有桿泵采油系統(tǒng)，由于井斜角度較大，導(dǎo)致管桿偏磨嚴(yán)重。根據(jù)大斜度井管桿偏磨特征（主要為線性偏磨），在傳統(tǒng)扶正器結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，研發(fā)出新型導(dǎo)向扶正器（如圖9）。主要特點(diǎn)為：

1） 扶正器3個(gè)圓弧面與油管內(nèi)壁弧面相同，確保扶正器在任何情況下與油管內(nèi)壁處于面接觸，避免了因線性接觸導(dǎo)致偏磨加劇現(xiàn)象。

2） 同時(shí)在導(dǎo)向扶正器表面鍍自潤(rùn)滑材料，在扶正器弧面與油管內(nèi)壁弧面接觸時(shí)，自潤(rùn)滑材料在接觸面之間形成潤(rùn)滑保護(hù)層，使接觸面之間摩擦力大幅降低，可有效降低接觸面之間的偏磨，起到管桿扶正防偏磨作用。

圖9 導(dǎo)向扶正器照片

通過(guò)計(jì)算，在造斜點(diǎn)以下每根抽油桿端部連接導(dǎo)向扶正器，在井眼軌跡曲率變化較大（≥25°／30 m）的井段配套應(yīng)用扶正抽油桿（尼龍注塑扶正塊抽油桿，每根抽油桿安裝3個(gè)扶正塊）。扶正效果好。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

大斜度井抽油泵采用“多級(jí)密封、半球型閥、浮動(dòng)閥座、柱塞扶正、強(qiáng)啟閉結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)，抽油泵工作時(shí)基本不受井斜角的限制，適用油井井斜角0～90°，可以在定向井、大斜度井以及水平井（水平井段）中進(jìn)行生產(chǎn)，此時(shí)需要進(jìn)行管桿扶正防磨優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在室內(nèi)性能檢測(cè)合格后，2011—2012年，研制的大斜度井抽油泵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共10口井，均生產(chǎn)正常，泵掛位置井斜角最大為80°，泵效平均提高6.8%。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 大斜度井抽油泵現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

1） 傳統(tǒng)的管式抽油泵適用于井斜角度＜25°的油井。在大斜度井中應(yīng)用時(shí)，管桿偏磨嚴(yán)重、泵效低。

2） 研制了大斜度井抽油泵，改進(jìn)了固定閥結(jié)構(gòu)、游動(dòng)閥結(jié)構(gòu)、柱塞密封結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向扶正結(jié)構(gòu)，適用于井斜角度為0～90°油井。對(duì)高氣油比油井適應(yīng)能力較強(qiáng)，提高了泵效率。

3） 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，研發(fā)的大斜度井抽油泵是成功的，但對(duì)于低產(chǎn)液量油井，泵效較低，需要進(jìn)一步分析原因、制定對(duì)策。

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