鄯善油田液力反饋泵深抽設(shè)計(jì)與應(yīng)用

董澤昌，陳 軍，李海濤，陶 文，相 博

(吐哈油田公司鄯善采油廠)

一、液力反饋泵結(jié)構(gòu)及原理

液力反饋泵由不同直徑的兩臺(tái)抽油泵組成，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是雙泵串聯(lián)，配套長(zhǎng)短不一的泵筒與柱塞，其中長(zhǎng)柱塞配套短泵筒，短柱塞配套長(zhǎng)泵筒，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖 1 液力反饋泵結(jié)構(gòu)示意圖

1上泵筒接箍 2上泵筒 3上部閥罩 4閥球 5閥座 6柱塞接頭 7上柱塞 8下部閥罩 9柱塞下接頭 10進(jìn)出油接頭 11進(jìn)油閥球 12進(jìn)油閥座 13異徑接頭 14下柱塞 15泵筒異徑接頭 16下泵筒 17下泵筒接箍

工作原理：下沖程時(shí)，進(jìn)油閥關(guān)閉，上柱塞與上泵筒之間的環(huán)形腔體積壓縮減小，壓力增大，腔內(nèi)原油在壓力作用下頂開(kāi)出油閥，并排入油管中。上沖程時(shí)，出油閥關(guān)閉，上柱塞與上泵筒之間的環(huán)形腔體積增大，壓力減小，沉沒(méi)壓力頂開(kāi)進(jìn)油閥，原油進(jìn)入上柱塞與上泵筒之間的環(huán)形腔中。

液力反饋原理：通過(guò)串聯(lián)兩臺(tái)非等徑抽油泵，利用抽油泵上大小柱塞上的進(jìn)、排油閥協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)液力反饋?zhàn)饔谩Ｏ聸_程時(shí), 出油閥處于關(guān)閉狀態(tài)，泵上端為桿柱重力、液柱載荷及摩擦慣性載荷等力, 下端為油套環(huán)空沉沒(méi)壓力, 兩者存在一個(gè)液柱壓力差, 在此壓差作用下, 小柱塞產(chǎn)生方向向下力, 即為液壓反饋力。

二、液力反饋泵應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.液力反饋泵的選型

根據(jù)不同直徑柱塞串聯(lián)后特點(diǎn)，液力反饋泵有上大下小、上小下大、上下等徑3種。針對(duì)常規(guī)有桿泵在使用過(guò)程中出現(xiàn)抽油桿柱失穩(wěn)彎曲、油管呼吸效應(yīng)、因垢卡下行困難和垢卡無(wú)法開(kāi)井的問(wèn)題，利用液力反饋泵解決，首先在選型上需要考慮各種類型反饋泵產(chǎn)生反饋的大小，所選泵型與地面設(shè)備是否匹配，并使桿柱下行時(shí)有比較大的動(dòng)力；其次應(yīng)考慮結(jié)垢嚴(yán)重后導(dǎo)致井卡無(wú)法開(kāi)井時(shí)的解決方法。

通過(guò)受力分析，得知不同類型的液力反饋泵產(chǎn)生的反饋力大小不同，上大下小、上小下大型的反饋力與小柱塞面積成正比，而上下等徑型則與柱塞面積成正比，在要求排量相等情況下等徑液力反饋泵產(chǎn)生的反饋力最大。但在礦場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用中，等徑液力反饋泵容易出現(xiàn)密封腔失效、泵頭連接部位脫扣等問(wèn)題；另外必須考慮井卡時(shí)為實(shí)現(xiàn)洗井解卡措施等因素，因此選用上大下小泵型作為鄯善油田主要使用泵型。

鄯善油田普遍采用IICYJQ14-6-73HP抽油機(jī)，允許最大載荷140 kN，最大扭矩73 kN·m，平均泵深2 200 m。依據(jù)抽油桿柱設(shè)計(jì)原則，在工作載荷不超過(guò)最大許用載荷的80%，確保日均單井產(chǎn)液量在2～80 m3之間的條件下，可確定柱塞直徑在32～70 mm之間進(jìn)行不同直徑匹配，方能滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

2.常規(guī)有桿泵下沖程受力分析

抽油桿柱在下沖程時(shí)，桿柱受到的靜載荷主要有2個(gè)：抽油桿柱自重G桿及桿柱在井液中受到的浮力載荷F浮；同時(shí),桿柱還受到抽油桿上行慣性載荷F慣、管桿之間和其它摩擦載荷F摩、井內(nèi)液體流動(dòng)阻力F阻、抽油泵半干摩擦力F摩干等多種動(dòng)載。假設(shè)抽油桿柱中性點(diǎn)到泵之間的距離為L(zhǎng)，則該L段抽油桿自重G桿為:

G桿=F浮+F慣+F摩+F阻+F摩干

(1)

結(jié)合以上公式可以推導(dǎo)出抽油桿失穩(wěn)彎曲長(zhǎng)度公式為:

(2)

依據(jù)式 (2)，以鄯善油田為例，含水97%，平均泵掛深度2 260 m計(jì)算, 油田抽油桿中性點(diǎn)位于泵上410～760 m之間, 全油田平均長(zhǎng)度為579 m。

從中性點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果可知, 隨著油田含水的逐步升高, 抽油桿失穩(wěn)彎曲長(zhǎng)度逐步加大, 從而導(dǎo)致管桿偏磨加劇。因此針對(duì)特高含水期抽油桿柱失穩(wěn)彎曲引起的偏磨，應(yīng)用液力反饋原理改善井下桿柱受力狀況，研究不同反饋泵泵型、泵徑特征，進(jìn)行加重桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì),可以確保桿柱不產(chǎn)生失穩(wěn)彎曲。

3. 液力反饋泵下沖程受力分析

液力反饋泵驢頭經(jīng)過(guò)上死點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，柱塞上、下產(chǎn)生的壓力差將出油閥打開(kāi),泵筒內(nèi)外壓力差使進(jìn)油閥關(guān)閉。運(yùn)動(dòng)開(kāi)始階段雖然出油閥打開(kāi)，但進(jìn)油閥依然關(guān)閉,因此爐頭承受了包含桿柱自重G桿、油管內(nèi)液柱重量F液等載荷。同時(shí)，還受到液體通過(guò)出油閥凡爾時(shí)阻力F阻，液體對(duì)井內(nèi)桿柱產(chǎn)生浮力F浮。此外,還要受到慣性載荷F慣、半干摩擦載荷F摩干、摩擦載荷F摩。由此可以看出液力反饋泵與常規(guī)桿泵在下沖程中的不同之處在于泵端受力增加了一個(gè)反饋力F液，其方向向下。同樣，假設(shè)抽油桿中性點(diǎn)到泵之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，由式(1)和式(2)可推導(dǎo)出液力反饋泵桿柱失穩(wěn)距離計(jì)算公式為：

(3)

由式(3)可以看出液力反饋抽油泵與普通管式泵相比具有易下行功能。同時(shí)井筒內(nèi)液體密度與反饋力成正比, 密度越大，反饋力越大，下行越容易。

以WX 7-11井為例，采用?38 mm常規(guī)桿式泵，泵深2 000 m，日產(chǎn)液27 m3，含水98%，抽油機(jī)生產(chǎn)參數(shù)：沖程為6 m，沖次為4次/min，動(dòng)液面1 800 m，桿柱設(shè)計(jì)為：?25 mm×600 m+?22 mm×600 m+?19 mm×800 m。采用?38/57 mm液力反饋泵，其它參數(shù)不變情況下，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)功圖對(duì)比措施后較措施前最小懸點(diǎn)載荷增加11.16 kN(見(jiàn)圖2)，中性點(diǎn)距離下移349 m。

圖2 WX 7-11井液力反饋泵使用前后最小載荷變化對(duì)比

4. 排量設(shè)計(jì)

依據(jù)抽油泵工作特點(diǎn)，常規(guī)抽油泵的理論排量計(jì)算公式為:

Qt=fpsn

(4)

式中:fp—柱塞面積，m2；s—光桿沖程，m；n—沖數(shù)，次/min。

選用上大下小型反饋泵后，由于上下不等徑，在進(jìn)行理論排量計(jì)算一部分人采用小柱塞或者大柱塞面積直接計(jì)算，這樣的計(jì)算結(jié)果顯然不準(zhǔn)確。抽油泵的理論排量定義為：理想狀態(tài)下，柱塞上、下一次進(jìn)入和排出液體的體積都等于柱塞讓出的體積V。依據(jù)液力反饋泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及公式(4)，不難得出該類型反饋泵的理論排量計(jì)算公式為：

(5)

式中:D大—大柱塞直徑，m；D小—小柱塞直徑，m。

假定抽油機(jī)沖程為6 m，則各型抽油泵在不同沖次條件下的理論排量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各種泵型理論排量計(jì)算結(jié)果表

三、應(yīng)用效果

鄯善油田從2017年3月開(kāi)始在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用液力反饋泵深抽技術(shù)，全油田已累計(jì)應(yīng)用46口井，已起出10口。從現(xiàn)場(chǎng)起出情況看，2口井管桿還有較輕微的偏磨，但偏磨井段由原來(lái)泵上330～510 m變?yōu)楸蒙?30～1 200 m，偏磨段上移說(shuō)明不是桿柱失穩(wěn)引起的偏磨，分析其原因是受井身結(jié)構(gòu)影響，導(dǎo)致偏磨[10]。從檢泵周期對(duì)比看，在平均泵掛增加近100 m條件下，平均延長(zhǎng)檢泵周期186 d(見(jiàn)表2)。其中WX 3-409井措施前因偏磨、出砂造成頻繁桿斷、管破及井卡，檢泵周期92 d，應(yīng)用液力反饋泵深抽技術(shù)后，檢泵周期延長(zhǎng)至368 d(見(jiàn)圖3)，延長(zhǎng)周期276 d，防偏磨效果顯著。由此可以看出實(shí)施液力反饋泵深抽采油技術(shù)后, 能有效改善管桿柱受力狀況，防止桿管偏磨, 延長(zhǎng)檢泵周期。

同時(shí)，該深抽技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)使用期間，17口井因結(jié)垢嚴(yán)重井、輕微結(jié)垢井出現(xiàn)下行困難、甚至卸載或者無(wú)法開(kāi)機(jī)情況，在不動(dòng)管柱條件下，采用25 t吊車將柱塞拔出泵筒后進(jìn)行大排量正循環(huán)洗井工藝，成功解卡14口，成功率82.3%，節(jié)約近77萬(wàn)元作業(yè)費(fèi)用。上提柱塞解卡工藝的成功應(yīng)用，說(shuō)明液力反饋泵對(duì)結(jié)垢引起的井卡有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能減少油田作業(yè)費(fèi)用，具有較高的推廣價(jià)值。

表2 常規(guī)桿式泵與液力反饋泵深抽使用效果對(duì)比表

圖 3 WX3-409井采用液力反饋泵深抽前后對(duì)比

四、結(jié)論

(1)液力反饋深抽采油技術(shù)將液力反饋原理運(yùn)用到防偏磨和井卡的設(shè)計(jì)中, 不僅提供了桿柱的下行動(dòng)力, 確保抽油桿在上下行過(guò)程中均處于拉伸狀態(tài), 有效地解決了高含水期常規(guī)有桿泵桿柱失穩(wěn)彎曲的問(wèn)題, 而且提高了抽油桿、油管使用使命，延長(zhǎng)了油井免修期。

(2)液力反饋泵不動(dòng)管柱洗井解卡技術(shù)的成功應(yīng)用，為高含水期結(jié)垢油井解決井卡提供了一種新方案，不僅可以延長(zhǎng)檢泵周期而且能節(jié)約大幅度作業(yè)費(fèi)用，進(jìn)而降低油田維護(hù)成本，提高開(kāi)發(fā)效益。