雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵研究

智勤功,張中慧,王 峰,姜 東,周 娜,張方圓,孫淵平,蘇秋涵,肖 萍

(1.勝利油田石油工程技術(shù)研究院,山東 東營(yíng) 257000;2.勝利油田 臨盤采油廠,山東 德州 253000)

隨著勝利油田油井不斷開發(fā),低滲區(qū)塊越來越多地投入開發(fā),成為勝利油田穩(wěn)產(chǎn)的主要陣地之一[1]。這些低滲區(qū)塊的油井普遍存在產(chǎn)能遞減快的特點(diǎn),生產(chǎn)井泵掛深度逐步加深[2],進(jìn)入高含水開發(fā)期,抽油泵工作環(huán)境惡化[3]。由于放大生產(chǎn)壓差,平均含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高[4],由2010年的0.04‰升高到2015年的0.07‰,使泵漏失、卡泵問題增多。2020年統(tǒng)計(jì)低滲井維護(hù)作業(yè)2 700多井次,因抽油泵失效占63%,其中閥副刺損失效占49.6%(固定閥副占63%,上游動(dòng)閥副31%,下游動(dòng)閥副6%),是主要因素,其次上游動(dòng)閥罩失效占27.1%。

泵閥(閥罩、閥球、閥座)是舉升管柱構(gòu)成的微小部件[5],其成本占抽油泵成本不足10%,占整個(gè)管柱成本更低,但其失效會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量降低直至修井作業(yè)。針對(duì)泵閥失效,國(guó)內(nèi)外從泵閥失效原因、泵閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面開展了大量研究[6],在防砂方面,形成了諸如長(zhǎng)柱塞等具有擋砂、沉砂功能的防砂泵[7]。針對(duì)上游動(dòng)閥罩失效,開展了閥罩?jǐn)嗔咽Х治鯷8],閥罩過流阻力研究等[9],材料表面強(qiáng)化技術(shù)的采用,使得泵筒與柱塞耐磨性得以提升[10]。本文針對(duì)勝利油田近年來深抽井抽油泵失效形式和深抽井面臨的環(huán)境條件,采用仿真計(jì)算方法,分析閥副空蝕現(xiàn)象,從減少砂粒沉降至閥副著手,研制了雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得良好效果。

1 閥副失效分析

1.1 分析模型

常規(guī)抽油泵柱塞結(jié)構(gòu)如圖1所示,柱塞由上接頭、中間接頭、柱塞體、上泵閥、下泵閥、下接頭組成。固定閥結(jié)構(gòu)圖2所示,固定閥由閥罩、閥球、閥座及下接頭構(gòu)成。柱塞下行時(shí),壓縮泵腔內(nèi)流體,固定閥關(guān)閉,游動(dòng)閥開啟,泵腔排出流體;柱塞上行時(shí),泵腔體積增大壓力減小,游動(dòng)閥關(guān)閉,固定閥開啟,流體進(jìn)泵[11]。

1-上接頭;2-中間接頭;3-柱塞體;4-上泵閥;5、泵閥連接頭;6-下泵閥;7-下接頭。圖1 常規(guī)抽油泵柱塞結(jié)構(gòu)

1-閥罩;2-閥球;3-閥座;4-下接頭。圖2 常規(guī)抽油泵固定閥結(jié)構(gòu)

1.2 仿真設(shè)定條件和計(jì)算參數(shù)

因泵閥影響因素眾多,為便于模擬仿真分析,做以下假設(shè):

1) 流體為均質(zhì)組分,閥副(閥球、閥座)上、下流體各組分為均勻分布。

2) 閥副上、下各點(diǎn)密度、溫度相同。

分析采用的流體、結(jié)構(gòu)材料,流體為90 ℃水,密度985 kg/m3,黏度0.315 mPa·s,流體含0.2‰質(zhì)量分?jǐn)?shù)的砂粒,砂粒密度為2 600 kg/m3,砂粒粒徑為0.07 mm,流量30 m3/d。

閥球和閥座力學(xué)性能如表1。

表1 閥副材料力學(xué)性能

1.3 物理模型

在閥球開啟后,流體在閥罩內(nèi)的流動(dòng)是動(dòng)變截面的,截面差異大,需要選擇合適的流態(tài)模型。通過計(jì)算雷諾數(shù),確定流體流態(tài)為湍流并建立k-ε湍流模型,其控制方程為:

(1)

(2)

(3)

1.4 閥副失效機(jī)理分析

采用Xflow軟件對(duì)44 mm泵進(jìn)行仿真計(jì)算,分析固定閥副開啟、關(guān)閉時(shí)流體流動(dòng)情況[12]。閥球關(guān)閉時(shí),砂粒被流體裹挾落入閥座、閥球間隙,設(shè)定固定閥副關(guān)閉時(shí)壓差為20 MPa,閥球與閥座密封線部位落有粉細(xì)砂,形成0.07 mm縫隙。經(jīng)仿真計(jì)算,縫隙流速達(dá)140 m/s,此處產(chǎn)生空化,圖3為空化相態(tài)圖?？拷y座的部位呈氣態(tài),說明產(chǎn)生了空化現(xiàn)象?？p隙處空化區(qū)域水發(fā)生了相變,變成了水蒸氣,水相占40%,氣相占60%。離開縫隙,氣相又急劇變?yōu)橐合?氣相的消失伴隨著體積急劇縮小?？张菰诳p隙處產(chǎn)生,并沿下游發(fā)展,在并沿下游發(fā)展,在閥座表面附近發(fā)生潰滅,相當(dāng)于氣泡破裂,產(chǎn)生爆裂沖擊波,沖擊波遇到閥座金屬表面產(chǎn)生剝離作用,使金屬表面損壞。圖4是某深抽井泵內(nèi)取出來的閥座照片,從照片可以看出,閥座與閥球接觸部位已經(jīng)損壞,導(dǎo)致密封失效。

圖3 仿真計(jì)算云圖顯示閥副間隙空化沖蝕

圖4 失效閥座照片

2 雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

避免砂粒落入閥副上是技術(shù)改進(jìn)的關(guān)鍵,采用防止雜質(zhì)沉積的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以達(dá)到這一目的[13]。長(zhǎng)柱塞防砂卡抽油泵能較好地減少沉砂進(jìn)入柱塞-泵筒縫隙和游動(dòng)閥副[14-15],本文在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵,為固定閥設(shè)計(jì)了沉砂結(jié)構(gòu)。

雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵主要由外筒、泵筒、加長(zhǎng)管、柱塞總成、沉砂固定閥總成等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖5所示。柱塞總成包括柱塞提升短節(jié)、上排液閥罩、上游動(dòng)閥副、柱塞連接頭、柱塞體、下游動(dòng)閥上接頭、下游動(dòng)閥罩、下游動(dòng)閥副、柱塞下接頭。沉砂固定閥總成包括外管下接頭、短筒、側(cè)向出液罩、固定閥副、固定閥下接頭、短筒下接頭。

2.2 沉砂原理

當(dāng)?shù)孛嬖O(shè)備因維修保養(yǎng)、供液不足及政策停井時(shí),泵筒內(nèi)流體攜帶的砂粒沉降落至側(cè)向出液罩圖上部,導(dǎo)入固定閥(固定閥由側(cè)向出液罩,固定閥副,固定閥下接頭構(gòu)成)與短筒的下沉砂腔。

泵上油管內(nèi)沉降的砂粒經(jīng)由接箍旋流槽進(jìn)入柱塞與外管環(huán)空,接箍?jī)?nèi)設(shè)換流槽其扶正作用[16],再經(jīng)由泵筒扶正接頭的旋流槽,進(jìn)入泵筒與外管之間的上沉砂腔,砂子沉降路徑如圖5中的箭頭所示。砂粒一旦進(jìn)入沉砂環(huán)空腔,不會(huì)再返出,可減少砂粒沉降至閥罩內(nèi),減少閥副沉積砂粒。

1-柱塞提升短節(jié);2-上排液閥罩;3-上游動(dòng)閥副;4-柱塞連接頭;5-柱塞體;6-下游動(dòng)閥上接頭;7-下游動(dòng)閥罩;8-下游動(dòng)閥副;9-柱塞下接頭;10-接箍;11-外管;12-泵筒扶正接頭;13-泵筒;14-泵筒下接箍;15-泵筒加長(zhǎng)管;16-外管下接頭;17-短筒;18-側(cè)向出液罩;19-固定閥副;20-固定閥下接頭;21-短筒下接頭;22-上沉砂腔;23-下沉砂腔。圖5 雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖

深層低滲地層出砂量較少,平均含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.07‰,沉砂過程主要出現(xiàn)在停井過程,沉砂環(huán)空空間可夠5 a沉砂需求,因此不需要設(shè)計(jì)過泵尾管沉砂腔。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

目前,雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵已經(jīng)設(shè)計(jì)應(yīng)用了3種泵型規(guī)格,其主要參數(shù)如表2。

表2 雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵主要參數(shù)

2.4 閥罩優(yōu)化

深抽抽油泵承受的壓差大,在高壓差作用下,閥球開啟后對(duì)罩沖擊力大[8]。新設(shè)計(jì)了抗沖擊閥罩,其結(jié)構(gòu)如圖6所示。其主要包括圓筒外體、限位擋頭、閥球腔室、導(dǎo)向扶正筋、歸位斜面。圓筒體上、下內(nèi)壁設(shè)有尺寸規(guī)格一致的螺紋。在閥球腔室內(nèi)設(shè)有限位擋頭,限位擋頭下方設(shè)有導(dǎo)向扶正筋。在閥球腔室下部設(shè)有歸位斜面。歸位斜面的坡度為30～50°。導(dǎo)向扶正筋的弧度為26～32°。該距離可使閥罩、閥座沖擊應(yīng)力同時(shí)達(dá)到最低。導(dǎo)向扶正筋的直徑與球閥直徑的差值為1～2 mm。限位擋頭高度為4～6 mm。軟件仿真計(jì)算結(jié)果表明,閥罩受閥球沖擊應(yīng)力降低60.2%。

上閥罩外徑與泵筒外徑相近,大于柱塞直徑,受力截面積增大80%以上,應(yīng)力大幅度減小,提高了抗疲勞能力。

1-圓筒外體;2-限位擋頭;3-閥球腔室;4-導(dǎo)向扶正筋;5-歸位斜面;6-螺紋。圖6 優(yōu)化后閥罩結(jié)構(gòu)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

至2022-12,在勝利油田現(xiàn)河、臨盤、純梁等采油廠進(jìn)行了123口井的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,實(shí)施成功率為100%。與傳統(tǒng)的抽油泵技術(shù)相比,該技術(shù)大幅度減少了深抽泵閥副刺損失效和上游動(dòng)閥罩失效,平均生產(chǎn)周期達(dá)到840 d,較改進(jìn)前延長(zhǎng)400 d以上,取得良好使用效果。

表3是典型區(qū)塊數(shù)據(jù),區(qū)塊油井產(chǎn)油含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.16‰,因閥副沖蝕、砂卡柱塞頻繁,區(qū)塊檢泵周期216 d。配套應(yīng)用雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵技術(shù)實(shí)施46口井,平均加深泵掛570 m,平均日增液3.3 m3/d,平均日增油1.9 t/d,平均泵效由15.8%提高至38.5%,油井平均生產(chǎn)周期延長(zhǎng)至842 d,提升了581 d。

表3 某區(qū)塊雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵應(yīng)用效果

1) 典型井例1。史X-217井。該井前期44 mm泵下深1 800 m,產(chǎn)液含砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.12‰,日產(chǎn)油2.6 t/d,生產(chǎn)周期136 d。2019-12下雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵,加深泵掛至2 600 m,截至2023-02生產(chǎn)1 126 d,日增油6 t/d,措施工藝實(shí)現(xiàn)了延壽增油的良好效果。

2) 典型井例2。LPPX-X152井。該井屬于斷塊油藏,儲(chǔ)層出少量粉細(xì)砂,產(chǎn)出液含砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約0.23‰,前期因固定閥副刺損,生產(chǎn)周期361 d。配套應(yīng)用雙沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵,實(shí)施泵深2 200 m,沖程5.1 m,沖次2.4 min-1,實(shí)施430 d因管漏停抽1.5 d后作業(yè),解剖抽油泵,上沉砂腔內(nèi)和固定閥沉砂腔內(nèi)均有沉積的細(xì)粉砂。

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了雙沉砂結(jié)構(gòu),分別承接泵上油管內(nèi)的沉降砂粒和泵筒內(nèi)沉降砂粒,減少了閥副部位砂粒沉積,減輕了空化射流和狹縫噴砂射流對(duì)閥座的破壞。

2) 優(yōu)化了柱塞外置的上游動(dòng)閥罩結(jié)構(gòu),使閥罩應(yīng)力降低,有利于減少閥罩部位損壞。

3) 沉砂結(jié)構(gòu)深抽抽油泵經(jīng)123井次應(yīng)用,深抽泵閥副刺損失效和上游動(dòng)閥罩失效問題大幅度減少,平均生產(chǎn)周期達(dá)到840 d,較改進(jìn)前延長(zhǎng)400 d以上,初步滿足了深抽井長(zhǎng)效工作的需求。