雙柱塞串聯(lián)抽油泵技術(shù)試驗研究

陳鴻（大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠）

隨著油田提高采收率技術(shù)不斷進(jìn)步，尤其是聚合物驅(qū)、三元驅(qū)等技術(shù)的應(yīng)用，在采油過程中，地層中碳酸鹽、硅酸鹽等各類物質(zhì)以砂礫狀、黏稠狀伴隨地層采出液進(jìn)入井筒內(nèi)，在抽油泵附近產(chǎn)生沉積和積累，導(dǎo)致抽油泵在生產(chǎn)過程中發(fā)生砂礫卡泵或結(jié)垢卡泵，這成為影響檢泵周期縮短的主要因素。2020 年，大慶油田第六采油廠因卡泵、活塞拉傷造成檢泵作業(yè)井133 口，占全廠抽油機(jī)檢泵井的13.1%，檢泵周期733 天，較全廠檢泵周期短26 天；若能達(dá)到全廠檢泵周期，延長抽油機(jī)井運行時間，就少影響生產(chǎn)時數(shù)255.1×104h，躺井時間少影響原油產(chǎn)量2.86×104t。

1 出砂結(jié)垢原因

1.1 出砂

1）儲層巖石成熟度較低，膠結(jié)疏松。從砂巖礦物成分來看，較高的長石和巖屑含量反映了巖石的較低成熟度。巖石顆粒多呈現(xiàn)棱角狀，在細(xì)礫巖和砂礫巖中，普遍見“雜基”支撐結(jié)構(gòu)，并在巖心中見有泥質(zhì)支撐的漂浮礫石，反映了巖石結(jié)構(gòu)成熟度低的特點。從巖石力學(xué)的角度分析，地層的膠結(jié)性質(zhì)直接影響了巖石顆粒固有的剪切強(qiáng)度，并且由于膠結(jié)疏松，黏土、顆粒等更易于運移。

2）壓裂導(dǎo)致地層出砂。由于儲層巖石膠結(jié)疏松，壓裂后近井地帶巖石被剪切破壞，且應(yīng)力平衡被打破，導(dǎo)致地層出砂，并且經(jīng)過一段時間的開采，壓裂砂會返吐，出砂的類型一般為壓裂砂、常規(guī)地層砂、細(xì)粉砂等。

3）調(diào)補(bǔ)層、側(cè)鉆井、套損井出砂。對于砂巖油藏，縱向上發(fā)育砂巖組較多，調(diào)補(bǔ)層作業(yè)過程中注入灰漿容易污染井筒及近井地帶，油井開抽后灰漿隨井液采出，容易卡泵；隨著開發(fā)的進(jìn)行，套損井逐年增多，套損后油井出砂量大幅增加，且伴隨出泥漿和細(xì)粉砂[1]。

1.2 垢卡泵

當(dāng)油管內(nèi)懸浮的垢屑發(fā)生沉降時，垢屑會直接堆積在柱塞拉桿與泵筒之間的環(huán)空中，使得柱塞很容易被垢屑卡死，影響油井的正常生產(chǎn)[2]。

1）碳酸鹽垢的形成：經(jīng)取樣化驗分析，碳酸鹽垢主要為碳酸鈣。碳酸鹽垢是采油過程中常見的一種沉積物，通常產(chǎn)生于壓力降低溫度升高部位；因此，在壓力發(fā)生急劇或明顯變化的油井近井地帶、井筒中易形成碳酸鹽垢。

2）鐵垢的形成：地下水中含有大量溶解的二氧化碳。當(dāng)這些二氧化碳變成游離態(tài)的二氧化碳時，就會和鐵作用發(fā)生腐蝕[3]。同時油田水中往往含有硫化氫，干燥的硫化氫與二氧化碳一樣不具有腐蝕性，但溶于水的硫化氫就具有腐蝕性。

2 雙柱塞串聯(lián)抽油泵

2.1 原理設(shè)計

對于雙柱塞串聯(lián)抽油泵，采用上下雙柱塞串聯(lián)結(jié)構(gòu)，柱塞中間利用連桿進(jìn)行連接，使上下兩個柱塞同時參與密封，實現(xiàn)了一個沖速范圍內(nèi)，兩個柱塞分別對中間泵筒進(jìn)行砂、垢的清理，同時保證其整個運行過程中泵效不受影響。這種兩個柱塞交替工作和清理的過程，能有效防止柱塞與泵筒間隙內(nèi)固體顆粒的累積，使發(fā)生卡泵的隱患降到最低[4]。

雙柱塞串聯(lián)抽油泵工作原理如圖1所示。當(dāng)柱塞上行至上止點時，上柱塞進(jìn)入上泵筒，下柱塞則在中間泵筒內(nèi)，保證密封的同時也保證了載荷的平穩(wěn)性。此時，上柱塞與中間泵筒脫離，完成了對砂、垢的清理。當(dāng)柱塞下行至下止點時，上柱塞位于中間泵筒內(nèi)，下柱塞處于下泵筒內(nèi)，此時，下柱塞脫離中間泵筒，完成了對砂、垢的清理。正常運行時，上下兩個柱塞同時參與密封，這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在一個沖速范圍內(nèi)，兩個柱塞在上、下止點分別對中間泵筒進(jìn)行砂、垢的清理，同時也保證了其整個運行過程中泵效不受影響；在上止點時，保證泵效同時也保證了系統(tǒng)載荷的平穩(wěn)性[5]。

圖1 雙柱塞串聯(lián)抽油泵原理

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙柱塞串聯(lián)抽油泵結(jié)構(gòu)見圖2。柱塞中間利用連桿進(jìn)行連接，泵筒從結(jié)構(gòu)上分為三段連接，上下兩段泵筒內(nèi)徑較中間段泵筒內(nèi)徑大，中間段以實現(xiàn)密封、清潔功能[6]。兩個串聯(lián)柱塞上、下邊緣處設(shè)計有向內(nèi)的倒角結(jié)構(gòu)，向內(nèi)的倒角結(jié)構(gòu)保證了柱塞上、下沖程過程中順利進(jìn)入中間泵筒，對泵筒內(nèi)壁全程刮削[7]，實現(xiàn)對整個泵筒內(nèi)壁砂、垢的清理，保證泵筒內(nèi)壁的清潔，進(jìn)而減少卡泵的概率。

圖2 雙柱塞串聯(lián)抽油泵結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)設(shè)計上實現(xiàn)了柱塞處于上止點時，下柱塞處于中間泵筒內(nèi)；柱塞處于下止點時，上柱塞處于中間泵筒內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以使抽油機(jī)在任意位置停機(jī)時，桿、管環(huán)空內(nèi)沉積的砂粒、垢粒沿著柱塞邊緣向內(nèi)的倒角進(jìn)入柱塞體內(nèi)部，降低了進(jìn)入柱塞與泵筒摩擦副的可能性。這些固體顆粒在抽油機(jī)啟動后，會隨采出液帶走，從而避免發(fā)生卡泵現(xiàn)象[8]。

兩個柱塞間設(shè)計采用連桿連接，連桿材質(zhì)選用45#優(yōu)質(zhì)合金碳素鋼。該連接桿內(nèi)徑設(shè)計為56 mm，外徑設(shè)計為65 mm，計算可得金屬橫截面積約為855 mm2。45#優(yōu)質(zhì)合金碳素鋼屈服強(qiáng)度按36 kg/mm2計算[9]，連桿承載能力可達(dá)30 780 kg；而泵深1 000 m、液柱壓強(qiáng)為10 MPa 的條件下，上沖程時連桿所承受的載荷為855 kg，可見遠(yuǎn)低于連桿設(shè)計承載能力。

2.3 特點

確保在正常運行時，上下兩個柱塞同時參與密封，保證泵效的同時也保證系統(tǒng)載荷的平穩(wěn)性；確保兩個活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠有效防止柱塞與泵筒間隙內(nèi)固體顆粒的積累，從而降低卡泵的隱患。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 總成密封試驗

將組裝后的雙柱塞串聯(lián)抽油泵（不裝柱塞總成）上端接試壓接頭；另一端為吸入閥，將壓力緩慢升至16 MPa 后，穩(wěn)壓3 min，壓降不超過0.5 MPa為合格?？偝擅芊庠囼灁?shù)據(jù)見表1，1#和4#兩臺雙柱塞串聯(lián)抽油泵穩(wěn)壓3 min，壓降為0.3 MPa，2#和3#兩臺雙柱塞串聯(lián)抽油泵穩(wěn)壓3 min，壓降為0.2 MPa，均滿足壓降不超過0.5 MPa 要求。

3.2 間隙漏失量測試

將密封性能試驗合格的抽油泵泵筒內(nèi)裝入選配好的柱塞，泵一端接試壓接頭，另一端接專用漏失量接頭，壓力升至10 MPa 后測漏失量。4 臺雙柱塞串聯(lián)抽油泵間隙漏失量測試數(shù)據(jù)見表1，分別為830～880、 850～800、 850～800、 820～860 mL/min，均滿足2 級間隙的φ70 mm 最大漏失量1 170 mL/min的要求。抽油泵漏失量標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表1 間隙漏失量測試數(shù)據(jù)

表2 抽油泵漏失量標(biāo)準(zhǔn) 單位：mL/min

3.3 試驗效果

在 L6-AS2823 和 L9-AS1201 共 2 口抽油機(jī)井上開展了初期現(xiàn)場試驗。為了對比效果更為客觀，試驗前后抽汲參數(shù)不變（泵徑均為φ70 mm，沖程均為 4.2 m，L6-AS2823 井沖速為 5 次/min，L9-AS1201井沖速為4 次/min）。下井后2 口井示功圖均為正常工況示功圖，無砂卡、垢卡等卡泵顯示。

2 口試驗井現(xiàn)場試驗初期效果見表3。平均單井產(chǎn)液增加13 t/d，產(chǎn)油增加0.55 t/d，年創(chuàng)效益121.5 萬元，平均檢泵周期延長107 天，年節(jié)約檢泵成本0.4 萬元。綜上所述，平均單井年創(chuàng)效益122 萬元。

表3 現(xiàn)場試驗初期效果

通過對初期效果分析，雙柱塞串聯(lián)抽油泵減少了出砂、結(jié)垢嚴(yán)重井在生產(chǎn)管理中由于停機(jī)帶來的隱患，提高了油井運行的可靠性，達(dá)到了延長檢泵周期、降低檢泵率、節(jié)約檢泵成本的目的。下步計劃擴(kuò)大試驗規(guī)模，并明確選井條件：

◇ 泵徑為φ57、φ70、φ83、φ95 mm；

◇沖程為3、4.2、5.5 m；

◇產(chǎn)液量為 0～30、30～60、60 t/d 以上；

◇含水率為90%以下、90%～95%、95%以上；

◇液面為 0～300、300～600、600 m 以上；

◇泵效為40%以下、40%～60%、60%～80%、80%以上。

4 結(jié)論

1）雙柱塞串聯(lián)抽油泵優(yōu)化了筒內(nèi)變徑柱塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了對整個泵筒內(nèi)壁砂、垢的清理，保證了泵筒內(nèi)壁的清潔。這不僅能夠有效地倒出油管內(nèi)因脫落而掉人泵筒的垢片，防止卡泵[10]，而且還可以減緩泵筒內(nèi)結(jié)垢的速度進(jìn)而減少卡泵發(fā)生的概率，對抽油機(jī)井檢泵周期的延長會起到促進(jìn)作用，節(jié)約檢泵成本。

2）經(jīng)室內(nèi)實驗檢測加工試制的φ70 mm 雙柱塞串聯(lián)抽油泵滿足抽油泵標(biāo)準(zhǔn)，工藝上滿足生產(chǎn)需求。通過L6-AS2823 和L9-AS1201 兩口抽油機(jī)井現(xiàn)場試驗表明，雙柱塞串聯(lián)抽油泵能夠滿足實際生產(chǎn)要求，適用于抽油機(jī)井舉升工藝。

3）優(yōu)化的雙柱塞串聯(lián)抽油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠始終保持一個柱塞在泵筒內(nèi)，起到減少泵的漏失量、提高泵效、降低抽油泵運行載荷的作用，有效改善油井的生產(chǎn)運行效果。

4）雙柱塞串聯(lián)抽油泵為治理卡泵和運行滯后等工況問題奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，現(xiàn)場試驗也取得了較好效果。但該技術(shù)畢竟是新技術(shù)，還需要研究其對于復(fù)雜井況的適應(yīng)性，并根據(jù)評價效果對此技術(shù)進(jìn)行修正完善。