有桿泵舉升錨定技術(shù)分析與工具設(shè)計(jì)

閆永維，李志廣，陳 冬，張子佳，李風(fēng)濤

(中國(guó)石油 大港油田石油工程研究院，天津 300280)

抽油機(jī)采油是石油開(kāi)采的主要手段。抽油泵的工作效率是影響產(chǎn)量的決定性因素，如何最大限度的提高泵效是抽油泵發(fā)展的主要方向。目前，大量的研究主要集中在如何改進(jìn)抽油泵本身的結(jié)構(gòu)上，隨著抽油泵的發(fā)展，其技術(shù)提升的空間也逐漸的減小。生產(chǎn)管柱在抽油泵工作所產(chǎn)生的交變載荷下會(huì)發(fā)生蠕動(dòng)現(xiàn)象，此現(xiàn)象使抽油泵的有效行程損失，導(dǎo)致泵效降低。在生產(chǎn)管柱上加裝錨定裝置，能夠在很大程度上解決該問(wèn)題，提高油井的產(chǎn)量。但是，老式錨定裝置在井下工作一段時(shí)間后，其機(jī)械結(jié)構(gòu)經(jīng)常失效，在提管柱時(shí)造成油井大修，難以推廣使用。

油管錨從坐封方式上分為機(jī)械式油管錨和液壓式油管錨2大類。機(jī)械式油管錨包括2種結(jié)構(gòu)：機(jī)械式卡瓦油管錨和機(jī)械式油管張力錨。機(jī)械式卡瓦油管錨是采用上提、下放或旋轉(zhuǎn)下放管柱方式完成油管錨的坐卡，易造成管柱彎曲及油管柱與抽油桿偏磨。機(jī)械式油管張力錨在釋放管柱時(shí)，對(duì)上部油管的強(qiáng)度要求比較高，且現(xiàn)場(chǎng)操作工序比較復(fù)雜，管柱所承受的預(yù)拉力需要精確計(jì)算，坐封、釋放管柱需要大力提拉，因此一直未能在現(xiàn)場(chǎng)推廣應(yīng)用。液壓油管錨是目前油田應(yīng)用最多的一種控制管柱伸縮錨定工具，主要由坐封機(jī)構(gòu)和雙向卡瓦錨定機(jī)構(gòu)等部分組成，通過(guò)油管加壓完成錨的坐卡。在長(zhǎng)期的應(yīng)用過(guò)程中，雙向卡瓦錨定管柱存在一些不利因素，例如油管錨解卡釋放時(shí)，上下卡瓦釋放不能同步，解封不到位等。

1 有桿泵舉升錨定技術(shù)

采用有桿泵系統(tǒng)進(jìn)行采油作業(yè)，尤其是深井作業(yè)的有桿泵系統(tǒng)，入井油管若采用自由懸掛方式，在抽油生產(chǎn)過(guò)程中將會(huì)產(chǎn)生：①交變載荷引起油管彈性形變，造成沖程損失；②油管伸縮導(dǎo)致油管漏失，降低泵效；③油管載荷的交替變化加速油管的疲勞破壞；④油管自由懸掛產(chǎn)生油管、套管、抽油桿之間的多重磨損，縮短其使用壽命[1]。

抽油泵在井下工作過(guò)程中，隨著上下沖程的變化，油管的受力也發(fā)生變化，上沖程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，油管里的液柱載荷作用在柱塞上，油管卸載縮短；下沖程時(shí)，游動(dòng)閥打開(kāi)，固定閥關(guān)閉，油管里的液柱載荷作用在油管上，油管加載伸長(zhǎng)，油管的彈性伸縮量使抽油泵的有效沖程減少，從而影響泵效[2]。

以常用的?38、?44、?57 mm整筒式抽油泵為例，所配套油管規(guī)格為73 mm(2英寸)，管柱在無(wú)錨定的情況下所產(chǎn)生的伸縮量如圖1所示。

從圖1可見(jiàn)，管柱在無(wú)錨定情況下產(chǎn)生的伸縮量隨下泵深度的增加而增大，且泵徑越大伸縮量越大。

管柱伸縮量占有效沖程的比例如圖2所示。

圖1 常用泵在不同深度所產(chǎn)生的管柱伸縮量

圖2 管柱伸縮量占有效沖程的占比

從圖2可以看出，油管的伸縮量對(duì)抽油泵有效沖程的影響為2%～24%，伸縮量成為影響泵效的不可忽視的因素，用油管錨錨定抽油管柱的下部是提高有桿抽油泵泵效的基本方法之一。

液壓油管錨主要由坐封機(jī)構(gòu)、卡瓦錨定機(jī)構(gòu)、解封機(jī)構(gòu)等組成，有單向卡瓦和雙向卡瓦2種形式。雙向卡瓦液壓油管錨較好地保留了雙向錨定封隔器可以雙向錨定油管的優(yōu)點(diǎn)，受力合理，有效地控制了管柱的伸縮。但雙向卡瓦錨定管柱在解卡釋放時(shí)，上、下卡瓦不能同步釋放，解封不到位，容易造成油井的大修作業(yè)。例如中國(guó)實(shí)用新型專利《油管錨》，由上接頭、內(nèi)管、錐體、卡瓦、密封筒、防動(dòng)銷釘、下接頭組成。油管錨隨油管下井后抽油時(shí)，內(nèi)管壓力升高，液壓從內(nèi)管內(nèi)傳入密封筒與內(nèi)管形成的環(huán)形空間內(nèi)，使密封筒產(chǎn)生向上推力。上推力大于防動(dòng)銷釘承受能力時(shí)，防動(dòng)銷釘被剪斷，密封筒上行，錐體與密封筒之間的距離縮短，卡瓦在錐體作用下張開(kāi)錨定在套管上，使抽油管柱被錨定。當(dāng)油井作業(yè)上提油管時(shí)，旋轉(zhuǎn)油管，使內(nèi)管旋轉(zhuǎn)，在卡瓦作用下，錐體不旋轉(zhuǎn)，從而使錐體與內(nèi)管之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使內(nèi)管與套管聯(lián)通，從而實(shí)現(xiàn)泄油和解錨。雖然該油管錨結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但坐封成功率低、自鎖效果不理想。

2 單向卡瓦液壓油管錨

2.1 工作原理[3-5]

為消除管柱伸縮對(duì)泵效的影響，在管柱的合適位置配套錨定裝置，使管柱不再隨上下沖程而發(fā)生伸縮變化。

單向卡瓦液壓油管主要由上接頭、中心管、鎖緊環(huán)、限位套、缸套、活塞、錐體、卡瓦、彈簧、下接頭等組成，如圖3所示。

坐封時(shí)，從油管加壓，壓力通過(guò)中心管的傳壓孔作用在上活塞和卡瓦座上，上活塞帶動(dòng)錐體上行，由中心管的外凸臺(tái)限位錐體上行距離。同時(shí)，卡瓦座在壓力作用下，帶動(dòng)馬牙筒向上移動(dòng)，坐封銷釘被截?cái)?，卡瓦座繼續(xù)上行，并推動(dòng)卡瓦上行，卡瓦沿錐體向上并逐步打開(kāi)，錨定在套管壁上。與此同時(shí)，馬牙環(huán)將馬牙筒鎖住，停止加壓后，卡瓦座不會(huì)下移，保證卡瓦不回縮，確保錨定可靠性。

1—上接頭；2—中心管；3—彈簧；4—O型膠圈；5—傳壓孔；6—O形密封圈I；7—上活塞；8—錐體；9—卡瓦；10—卡瓦座；11—O形密封圈II；12—O形密封圈III；13—傳壓孔；14—馬牙筒；15—固定活塞；16—馬牙環(huán)；17—解封銷釘；18—O形密封圈IV；19—泄壓孔；20-活塞；21—泄壓孔；22—控制銷釘；23—背緊環(huán)；24—定位銷釘；25—下接頭；26—O形密封圈V。

解封時(shí)，上提抽油管柱帶動(dòng)中心管、固定活塞上移，解封銷釘被剪斷，中心管帶動(dòng)活塞、錐體上行，卡瓦逐步回縮，解除錨定。下活塞失去控制向下移動(dòng)，馬牙環(huán)失去下活塞的束縛，解除對(duì)馬牙筒的限制。油管柱內(nèi)的液體通過(guò)泄壓孔、泄壓空流入油套環(huán)空，達(dá)到油管與套管連通泄壓的目的。

該單向卡瓦液壓油管錨連接在生產(chǎn)管柱的下端，隨管柱下入至井筒預(yù)定位置。如圖4所示。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算[6-15]

為避免錨定器存在的解封困難問(wèn)題，有必要在錐體設(shè)置解封距離。

單向卡瓦液壓油管錨在錨定狀態(tài)時(shí)，彈簧壓縮錐體與卡瓦形成自鎖關(guān)系，在解封瞬間卡瓦仍處于錨定狀態(tài)，這樣控制銷釘才能被剪斷釋放掉，而解封力(由控制銷釘確定)與彈簧力需要匹配計(jì)算。

圖4 單向卡瓦液壓油管錨安裝位置

單向卡瓦液壓油管錨的工作原理是靠錐體撐開(kāi)卡瓦，使其卡定在套管內(nèi)壁處，其受力狀態(tài)如圖4所示。

圖5 錐體與卡瓦受力分析

利用錐體和卡瓦的受力平衡關(guān)系，可推導(dǎo)出以下關(guān)系式：

(1)

式中：P為預(yù)先設(shè)定壓緊錐體的力；T為解卡錨定器的力，本文設(shè)定T=120 kN；N為錐體與卡瓦的接觸壓力；F為卡瓦與套管的接觸壓力；f為摩擦因數(shù)，0.3≤f≤0.5,取f=0.3；α為錐體和爪簧的半錐度角，取α=8°。

計(jì)算得P=23.82 kN。

根據(jù)胡克定律P=KΔx可得：

K=P/Δx

(2)

式中：K為彈簧的剛度； Δx為彈簧最大壓縮量。

由于彈簧的最大壓縮量為定值，即：Δx=16 mm。

計(jì)算可得：K=1.488 kN/mm

彈簧有效圈數(shù)為3圈，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，1圈彈簧的剛度Kd值為514 N/mm。選擇Kd=514 N/mm，直徑為14 mm,中徑為90 mm的彈簧。

將修正后的Kd值和Δx代入式(2)，可得：P=24.67 kN。

則由式(2)可知，解卡錨定器時(shí)的力T=124.3 kN>120 kN。

即：選擇Kd=514 N/mm，直徑14 mm、中徑90 mm的彈簧，在解封力為120 kN時(shí)錨定器不解卡，可以錨定住。

單向卡瓦液壓油管錨在工作狀態(tài)時(shí)，抽油泵上沖程過(guò)程中，管柱內(nèi)液柱壓力作用在柱塞上，這時(shí)整個(gè)管柱由拉伸狀態(tài)變?yōu)榛乜s狀態(tài)?；乜s狀態(tài)會(huì)對(duì)錨定裝置產(chǎn)生向上的提拉力，有必要將提拉力與單向卡瓦液壓油管錨的解封力做對(duì)比分析，保證這種提拉力不會(huì)將錨定裝置解封。

以抽油泵最大允許下泵深度為邊界，計(jì)算產(chǎn)生的最大提拉力，并與錨定裝置設(shè)定的解封力進(jìn)行對(duì)比。由圖6可知，120 kN的解封力大于各種型號(hào)抽油泵在上沖程產(chǎn)生的提拉力，不會(huì)造成錨定裝置的意外解封，達(dá)到有桿泵舉升中雙向錨定的效果。

圖6 管柱伸縮力與錨定裝置解封力對(duì)比

2.3 技術(shù)參數(shù)

適用套管規(guī)格

最大外徑

114 mm

內(nèi)通徑

62 mm

坐封壓力

10 MPa

解封載荷

120 kN

兩端連接螺紋

2.4 技術(shù)特點(diǎn)

1) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。采用單卡瓦錨定方式，具有和雙向錨定一樣的控制油管管柱伸縮功能。在常規(guī)抽油過(guò)程中，下沖程時(shí)，動(dòng)液面以上的液柱給油管柱加載，加載力通過(guò)單向卡瓦傳遞到套管上，雖然存在力的作用，但不會(huì)引起油管管柱的伸長(zhǎng)。在上沖程時(shí)，油管內(nèi)液柱載荷卸載，油管管柱不會(huì)產(chǎn)生收縮。

2) 錨定可靠。該單向卡瓦液壓油管錨采用壓縮式彈簧結(jié)構(gòu)，在工作過(guò)程中，壓縮式彈簧支撐上活塞、錐體，確?？ㄍ咤^定的可靠性。

3) 單卡瓦錨定解封防砂卡。單卡瓦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、解封安全可靠，中心管凸臺(tái)強(qiáng)制帶動(dòng)活塞、錐體上行，卡瓦逐步回縮，解除錨定，具有防砂卡功能。

4) 錨定管柱與施工作業(yè)泄油工藝合二為一。該油管錨坐封時(shí)可用于有桿泵抽油井錨定管柱，解封時(shí)也可以作為抽油井作業(yè)時(shí)管柱泄油的工具。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

對(duì)于出砂嚴(yán)重的井，使用雙向油管錨容易造成生產(chǎn)管柱砂卡，最終導(dǎo)致油井大修，延誤油井的正常生產(chǎn)。如果大修不成功，則可能導(dǎo)致油井報(bào)廢，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。在采油管柱優(yōu)化中使用新研制的單向卡瓦液壓油管錨可以避免砂卡，同時(shí)消除抽油機(jī)井在生產(chǎn)中由于管柱伸縮造成泵效下降的問(wèn)題。以大港油田出砂嚴(yán)重的港淺9-6井為例，其優(yōu)化前、后管柱如圖7，生產(chǎn)工況參數(shù)曲線如圖8所示。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比如表1，可見(jiàn)泵效提高顯著。

圖7 港淺9-6井優(yōu)化前、后管柱示意

4 結(jié)論

1) 有桿抽油井使用錨定裝置，使管柱不再隨上下沖程伸縮，有效提高了泵效。

2) 有桿舉升管柱配套的錨定裝置采用壓縮式彈簧，確保卡瓦錨定的可靠性。坐封時(shí)可用于有桿泵抽油井錨定管柱，解封時(shí)也可以作為管柱泄油的工具，達(dá)到錨定管柱與泄油工藝合二為一的效果，能夠克服現(xiàn)有液壓油管錨存在的坐封成功率低、自鎖效果不好的問(wèn)題。

圖8 港淺9-6井生產(chǎn)工況參數(shù)曲線

表1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比