三元復合驅抽油機井結垢及懸點載荷試驗研究

周瑞芬，柏 琳，李金玲，朱 闖

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田公司采油四廠，黑龍江大慶163318） ①

·試驗研究·

三元復合驅抽油機井結垢及懸點載荷試驗研究

周瑞芬1，柏 琳1，李金玲2，朱 闖1

（1.東北石油大學機械科學與工程學院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田公司采油四廠，黑龍江大慶163318）①

三元復合驅抽油機井容易結垢，并引起卡泵事故。在室內(nèi)建立抽油機井模擬試驗臺，在清水中加入能產(chǎn)生結垢的化學物質模擬井液，在不同沖程和沖次下試驗，并與清水井液的試驗結果比較，得知結垢會引起懸點載荷和示功圖變化。研究結果為監(jiān)測這2個參數(shù)，預防結垢危害奠定基礎。

三元復合驅；懸點載荷；結垢；示功圖

大慶油田采用三元復合驅開采后，原油含水率下降，產(chǎn)油量明顯增加。但是，泵筒結垢嚴重，頻繁出現(xiàn)卡泵現(xiàn)象，嚴重的會使抽油桿斷脫。從常規(guī)水驅轉為三元復合驅后，使得系統(tǒng)中流體的流動規(guī)律與水驅相比差別很大，且更加復雜。目前只對聚驅溶液粘度影響桿的受力及偏磨現(xiàn)象有研究［1］，而對卡泵現(xiàn)象研究較少。為了降低卡泵作業(yè)率，延長檢泵周期，需對三元復合驅驅油井柱塞與泵筒之間的摩擦力對懸點載荷的影響進行研究。因此，在室內(nèi)建立三元復合驅抽油機井試驗裝置，利用實測數(shù)據(jù)進行分析計算，對三元復合驅采油井生產(chǎn)過程中柱塞與泵筒受力狀況進行分析，查明造成卡泵的主要原因，指導防垢劑的加入，以保證采油的順利實施［2－4］。

1 試驗裝置

對于三元復合驅機采井，井下泵筒和柱塞很容易結垢，這些垢大多是由于井液中含有Ca2＋、CO2－3、Mg2＋、Si4＋等離子引起的。為了研究機采井井下是如何結垢及結垢引起的載荷變化情況，在室內(nèi)建立抽油機井模擬試驗臺，原理如圖1。

3 清水介質試驗結果

圖1 抽油機井模擬試驗臺原理

整個系統(tǒng)高5m，除泵筒采用有機玻璃材質外，其他材質與實際抽油機井相同。

1） 驅動部分 由電動機、減速器和曲柄組成。電動機由變頻器控制，通過減速器帶動曲柄做回轉運動。曲柄回轉半徑可調(diào)（100、200、300、400mm），實現(xiàn)抽油機沖程為200、400、600、800mm。

2） 抽油泵 由吸入閥、泵筒、活塞和排出閥組成。抽油泵為32mmⅡ級泵，柱塞長600mm。抽油泵下端與油管短接相連。

3） 抽油桿（?19mm） 下端與抽油泵柱塞相連，上端通過鋼絲繩與曲柄相連。當電動機帶動曲柄旋轉時，曲柄通過鋼絲繩帶動抽油桿及抽油泵作上下往復運動，從而實現(xiàn)抽油過程。

4） 儲液罐及管線 材質均為不銹鋼。

5） 檢測系統(tǒng) 由位移傳感器、力傳感器、數(shù)據(jù)采集板和計算機組成。測量懸點載荷及位移，并繪制示功圖。

2 試驗目的及工況參數(shù)

研究結垢對抽油機懸點載荷的影響及示功圖的變化規(guī)律。結果用于指導油田在生產(chǎn)過程中監(jiān)測懸點載荷變化及示功圖變化，預測結垢情況，以便適時在井中添加防垢劑，避免發(fā)生卡泵事故。

1） 工況一 定沖程，改變沖次，分別測量懸點載荷和示功圖。

2） 工況二 定沖次，改變沖程，分別測量懸點載荷和示功圖。

沖程定為0.2、0.4、0.6、0.8m；沖次定為3.3、4.5、6.9、9.0min－1。

在不銹鋼儲液罐中加入0.5L清水，啟動電機，待其運轉平穩(wěn)后開始試驗。每種工況采集數(shù)據(jù)1 h，取平均值［5］。

3.1 懸點載荷

懸點載荷測量數(shù)據(jù)如圖2～3。根據(jù)振動載荷和慣性載荷公式［6］，振動載荷與沖程成正比、慣性載荷與沖程成正比。由圖2知，當沖次為3.3min－1時，隨著沖程的增加，最大懸點載荷逐漸增加，最小懸點載荷逐漸減小，主要原因是沖程的增加，導致振動載荷和慣性載荷增加。在上沖程時，振動載荷和慣性載荷為正值，所以最大懸點載荷增加；在下沖程時，振動載荷和慣性載荷為負值，所以最小懸點載荷減小。當沖次為4.5、6.9、9.0min－1時，懸點載荷的變化規(guī)律也是如此。當沖程為＜0.6m時，在任何沖次下，懸點載荷變化平緩。當沖程0.6～0.8m時，懸點載荷變化比較明顯。尤其是在沖次為9 min－1時，懸點載荷呈現(xiàn)了突變，說明慣性載荷變化幅度增加。由圖3可知：當沖程為0.2、0.4、0.6m時，懸點最大載荷隨著沖次的增加而增加，懸點最小載荷隨著沖次的增加而減小，但是變化并不明顯；當沖程為0.8m時，在沖次6.9min－1時，最大懸點載荷有明顯增加，最小懸點載荷變化并不明顯，最大懸點載荷的變化值比最小懸點載荷的變化值大，主要是上沖程慣性載荷要大于下沖程慣性載荷。

圖2 定沖次時懸點載荷隨沖程變化曲線（清水介質）

圖3 定沖程時懸點載荷隨沖次變化曲線（清水介質）

3.2 示功圖

典型的示功圖如圖4～5，可看出，幾種工況下的示功圖類似于長方形，這是由于抽油桿尺寸短，振動和慣性載荷很小造成的。最大懸點載荷隨沖次的增加而增加，最小懸點載荷隨沖次的增加而減小。

圖4 沖程為0.4m的示功圖（清水介質）

圖5 沖程為0.6m的示功圖（清水介質）

4 結垢介質試驗結果

在不銹鋼儲液罐中加入0.5L清水，并添加化學物質，邊加入邊攪拌。啟動電機，待其運轉平穩(wěn)后開始試驗。每種工況采集數(shù)據(jù)1h，取平均值［5］。

4.1 試驗介質

為模擬三元復合驅井液的離子濃度［4］，在0.5 L清水中按表1添加化學物質。CaCO3和CaSiO3為結垢的成分?；瘜W反應方程式為：

表1 清水中所加化學物質 g

4.2 懸點載荷

懸點載荷測量數(shù)據(jù)如圖6～7。由圖6知：在結垢時期當沖程為0.2、0.4、0.6m時，隨著沖次的增加，最大懸點載荷增加，最小懸點載荷減小，變化趨勢基本一致；而在沖程0.8m時，當沖次＞6.9 min－1時，懸點最大載荷與懸點最小載荷有突變。由圖7知，在結垢時期當沖次為3.3、4.5、6.9min－1時，隨著沖程的增加，最大懸點載荷增加，最小懸點載荷減小，變化趨勢基本一致；而在沖次為9min－1時，在沖程＞0.6m時，懸點最大載荷與懸點最小載荷都有突變，這時的載荷變化規(guī)律與清水情況下載荷的變化規(guī)律有所不同。

圖6 定沖程程時懸點載荷隨沖次變化曲線（結垢介質）

圖7 定沖程次時懸點載荷隨沖程變化曲線（結垢介質）

4.3 示功圖

由圖8～9可以看出，示功圖上下邊出現(xiàn)了波動，這些變化是由于結垢引起摩擦載荷增加，致使最大懸點載荷增加約30%，最小懸點載荷減小。上、下沖程時產(chǎn)生的波動是由于柱塞和泵筒之間存有垢粒，隨著柱塞上下抽吸，垢粒在泵筒中游動，因此造成沖程越大、沖次越大，摩擦載荷越大，致使示功圖波動越大。

圖8 沖程為0.4m的示功圖（結垢介質）

圖9 沖程為0.6m的示功圖（結垢介質）

5 對比分析

對比試驗結果可以看出，無論是在清水還是結垢狀態(tài)下，當沖程（沖次）一定時，隨著沖次（沖程）的增加，最大懸點載荷增加，最小懸點載荷減小。不同的是結垢時的示功圖出現(xiàn)了波動，不在是單一的示功圖變的肥大，其原因是柱塞與泵筒之間有垢粒，隨著柱塞的上下抽吸，垢粒在泵筒中上下竄動產(chǎn)生滾動摩擦，造成摩擦載荷增加。對于上沖程，摩擦載荷是正值，所以最大懸點載荷增加；對于下沖程，摩擦載荷是負值，所以最小懸點載荷減小，因此在示功圖中表現(xiàn)出波動。

6 結論

1） 當沖程一定時，隨著沖次的增加，最大懸點載荷逐漸增大，最小懸點載荷逐漸減小。

2） 當沖次一定時，隨著沖程的增加，最大懸點載荷逐漸增大，最小懸點載荷逐漸減小。

3） 在相同工況下，清水介質的示功圖是光滑的矩形曲線；有結垢時，由于摩擦載荷的增加，示功圖出現(xiàn)了波動，

4） 在生產(chǎn)過程中監(jiān)測懸點載荷和示功圖，根據(jù)變化規(guī)律采取相應措施，可以避免結垢造成的卡泵事故發(fā)生。

［1］ 李金玲，李天德，陳修君，等.強堿三元復合驅結垢對機采井的影響及解決措施［J］.大慶石油地質與開發(fā)，2008，27（3）.89－91.

［2］ 程杰成，廖廣志，楊振宇，等.大慶油田三元復合驅礦場試驗綜述［J］.大慶石油地質與開發(fā)，2001，20（2）：46－49.

［3］ 王玉普，程杰成.三元復合驅過程中的結垢特點和機采方式適應性［J］.大慶石油學院學報，2003，27（2）：20－22.

［4］ 徐典平，薛家鋒，包亞臣，等.三元復合驅油井結垢機理研究［J］.大慶石油地質與開發(fā)，2001，20（2）：98－100.

［5］ 沈迪成，艾萬誠，盛曾順，等.抽油泵［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：154.

［6］ 董世民，張世軍.抽油機設計計算與計算機實現(xiàn)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：15－38.

Experiment Research of Scaling and Suspended Load of ASP Flooding Pumping Well

ZHOU Rui－fen1，BAI Lin1，LI Jin－ling2，ZHU Chuang1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.No.4 Oil Production Plant，Daqing Oilfield Canpany，Daqing163318，China）

It is easy to produce stuck pump and cause accident in ASP flooding pumping wells.The test－bed of pumping well in indoor was established，addition of chemical substances it can produce scale in water to simulate drilling fluid.Test in different stroke and the number punching，the results of clean water test，scaling rod load and changes in dynamometer were compared.Research results through the monitoring of these two parameters，the basis for the prevention of fouling hazard.

ASP flooding；rod load；scaling；dynamometer

1001－3482（2012）04－0044－04

TE933.1

A

2011－10－27

黑龍江省教育廳項目（11551012）資助

周瑞芬（1972－），女，河北唐山人，副教授，博士，主要從事油井桿柱力學性能研究，E－mail：zhourf0218＠163.com。