宋增彬（大慶油田有限責任公司第四采油廠）

近20年來，受采出液含水率、井況等因素影響，油田的抽油機井桿管偏磨狀況日趨嚴重。在抽油桿上安裝一定數(shù)量的尼龍扶正器，可以避免抽油桿與油管直接接觸，起到了一定的防護作用。但是，由于扶正器竄位、磨桿、失效等原因，抽油桿因偏磨斷裂、油管磨漏等因素仍然是油田檢泵作業(yè)的主要因素之一[1]。2016—2020年因偏磨檢泵數(shù)據(jù)見表1。

表1 2016—2020年因偏磨檢泵數(shù)據(jù)Tab.1 Eccentric wear inspection pump data from 2016 to 2020

此外，抽油桿上的扶正器在生產(chǎn)時與采出液的相對位移中所形成的阻力，一方面會增加單井舉升能耗，另一方面會加劇桿柱與管柱的摩擦。因此，嘗試應用拉桿泵，不但可取消抽油桿扶正器，還可減緩桿管偏磨。

1 拉桿泵

抽油桿的偏磨，主要發(fā)生在抽油機生產(chǎn)動作的下沖程過程中。通過桿柱受力分析，桿柱下沖程所受到的阻力，是桿、管偏磨的一個必要因素，阻力越大，偏磨越嚴重，桿柱受力中和點越上移，偏磨段也越長。應用拉桿泵，利用拉桿泵工作時對活塞（桿柱）額外產(chǎn)生的下拉力，減?。ǖ窒U柱下沖程中受到的阻力，理論上是可以減緩桿、管偏磨的。

1.1 拉桿泵的原理

拉桿泵是一種整筒式抽油泵，它的活塞、固定閥結構與常規(guī)抽油泵不同。拉桿泵的活塞底端連接一根拉桿，通過泵的環(huán)形固定閥伸出泵筒。拉桿具有一定的長度，以保證拉桿泵活塞在上下沖程時，拉桿始終能夠穿過泵的環(huán)形固定閥，一端外漏于泵筒外部。

拉桿泵除了拉桿、環(huán)形固定閥之外，與常規(guī)整筒泵一樣，由活塞、泵筒、拉桿、泵配件組成，其中泵配件分為上游動閥、拉桿連接頭和環(huán)形固定閥。拉桿泵結構見圖1。

圖1 拉桿泵結構Fig.1 Rod pump structure

1.2 拉桿泵的受力分析

假設有一個密閉容器，內部裝滿液體，中間有一個隔斷，將密閉容器分為上下兩部分。一根直徑與液體同比重的柱子穿過隔斷，與隔斷接觸位置無摩擦且密封。當上下兩部分的壓力不同，高壓為P1，低壓為P2時，柱子受到一個合力F，方向由高壓向低壓。這個合力與兩部分的壓力差和柱子的過隔斷的面積有關，與柱子的形狀沒有關系。即：

式中：F為合力，N；P1、P2為高壓、低壓，MPa。

拉桿泵在上沖程時，活塞游動閥關閉，環(huán)形固定閥打開。此時的活塞可以簡化成隔斷，活塞上部的泵筒為高壓區(qū)，活塞下部的泵筒為低壓區(qū)。此時的拉桿泵工作狀態(tài)與常規(guī)抽油泵無異。

拉桿泵在下沖程時，活塞游動閥打開，環(huán)形固定閥關閉。此時活塞上下端壓力一致，可以把環(huán)形固定閥簡化成隔斷，泵筒內為高壓區(qū)，泵外為低壓區(qū)，拉桿為柱子。則拉桿受到一個合力，這個合力與拉桿直徑、高低壓區(qū)的壓差有關。

按照油田抽油機井平均泵掛深度950 m、泵沉沒度250 m、油壓0.5 MPa來計算，則拉桿泵在下沖程時，拉桿對于活塞所產(chǎn)生的下拉力為：

式中：ρ為采出液密度，計算中取950 kg/m3；h掛為泵掛深度，m；h沉為泵沉沒度，m；P油壓為管柱內油壓，MPa；R為拉桿直徑，m。

現(xiàn)場試驗中，應用拉桿泵拉桿直徑為0.040 2 m，則可以計算出拉桿為活塞帶來的下拉力為8 901.7 N，約908 kg。

通過計算和分析發(fā)現(xiàn)，拉桿泵的拉桿對活塞（桿柱）產(chǎn)生的下拉力與泵掛深度、泵沉沒度、拉桿直徑、流體密度、流壓有關，前三者是主要因素。

1.3 拉桿泵拉桿下拉力的驗證

拉桿泵在下沖程時，能夠給予桿柱一個下拉力，如果這個下拉力完全抵消掉桿柱下沖程時受到的阻力，則桿柱的受力中和點將在桿柱最末端，全井抽油桿與油管間的磨損將會最小。

通過相同的井、管、桿、生產(chǎn)參數(shù)，分別下入了常規(guī)整筒泵和拉桿泵，通過相同的測試儀器、測試人員以及應用了桿柱載荷記錄儀，可獲得不同的柱受力數(shù)據(jù)用于對比[2]。

以1口聚驅剛見效的抽油機井為例，泵徑57 mm，泵掛980.77 m。設計了3種采油工藝方案。工藝1：帶扶正器抽油桿+整筒泵（原井管柱）；工藝2：不帶扶正器抽油桿+整筒泵（原井泵、耐磨管）；工藝3：不帶扶正器抽油桿+拉桿泵（試驗泵、耐磨管）。3種不同采油工藝方案測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 3種不同采油工藝方案測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of three different oil production process schemes

1）量化了防噴盒+活塞的磨阻對于桿柱的受力影響。防噴盒和活塞對于桿柱的作用力與桿柱運行方向相反，始終表現(xiàn)為阻力，通過安裝在光桿上端的桿柱載荷記錄儀，對比上沖程和下沖程行程中停機時桿柱載荷數(shù)據(jù)，獲得了防噴盒和活塞對于桿柱的作用力大小約為65 kg。

2）抽油桿扶正器對于節(jié)電率影響較大。抽油桿上有無扶正器，節(jié)電差異較大，措施效果對比見表3，桿柱不帶扶正器，節(jié)電率能夠提高15.02%；拉桿泵與整筒泵相比，會對桿柱產(chǎn)生額外的向下拉力，能耗略有增加[3-6]。

表3 措施效果對比Tab.3 Comparison of measures and effects

3）與整筒泵相比，拉桿泵能夠下移桿柱受力中和點。抽油桿載荷記錄儀所測數(shù)據(jù)見表4，下沖程時，泵上第1根抽油桿處受力狀況：整筒泵工藝狀態(tài)為擠壓力，拉桿泵工藝狀態(tài)為下拉力，說明應用拉桿泵之后，該處桿柱受力不再向上，中和點在泵下；拉桿泵與整筒泵對比，在桿柱上作用力在800～900 kg。而該井進行理論拉力計算得到的下拉力為819 kg，與測試數(shù)據(jù)較為相符[7-9]。

表4 抽油桿載荷記錄儀數(shù)據(jù)Tab.4 Sucker rod load recorder data kg

2 拉桿泵的現(xiàn)場應用

拉桿泵的試驗應用較早，在2017年，先后下井了6臺拉桿泵。由于措施、結蠟、桿斷等原因，先后起出了4口井。但有2口井服役時間較長。2021年，再次現(xiàn)場應用了5口井，并取消了抽油桿扶正器。

2.1 平均最小載荷上升幅度較大

在用的7口拉桿泵試驗井數(shù)據(jù)見表5，平均泵效由應用前的49.82%穩(wěn)定在48.90%，保持穩(wěn)定趨勢。對比示功圖載荷數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，應用拉桿泵后，單井平均最小載荷由12.96 kN上升到23.68 kN，增加了10.72 kN，即單井增加了1 091 kg的下拉力。

表5 拉桿泵試驗井數(shù)據(jù)Tab.5 Data of rod pump test well

拉桿泵的超長時間服役，有以下兩點原因：

1）拉桿泵配件升級使用。由于拉桿泵在活塞下端連接了一根拉桿，穿過泵筒和環(huán)形固定閥外露出泵筒。拉桿自身擠占了一部分泵筒體積，使得泵筒排量偏小。為了彌補這部分體積（或者說是排量），需要應用比實際需求更大的泵徑。上述的2口井應用的是?70 mm整筒泵，拉桿直徑為?40.2 mm，其排量等同于?57 mm泵排量。也就是說，?57 mm泵的液量通過?70 mm泵的配件進行生產(chǎn)，對延長配件壽命是有利的。

2）拉桿泵的環(huán)形固定閥結構較為合理。拉桿穿過環(huán)形閥，與其內腔形成面密封且能夠相對滑動。正常生產(chǎn)過程中，環(huán)形閥的開合都是通過拉桿在上下運行時與其內腔形成的摩擦力進行的，這個力要遠遠低于常規(guī)固定閥靠壓差開合時產(chǎn)生的力。因此，固定閥與座之間的磨損較小。

2.2 節(jié)能效果分析

拉桿泵試驗井節(jié)能效果見表6，平均有功功率由應用前的4.85 kWh下降到應用后的4.46 kWh，下降了8.0%，平均百米噸液耗電由0.84 kWh/(100 m·t)下降到0.71 kWh/(100 m·t)，平均節(jié)電率達到了15.48%，平均系統(tǒng)效率上升了6.14%，年節(jié)電能力達到了4.42×104kWh，取得了較好的節(jié)能效果。

表6 拉桿泵試驗井節(jié)能效果Tab.6 Energy saving effect of rod pump test well

3 結論

通過理論計算和現(xiàn)場試驗對比發(fā)現(xiàn)，拉桿泵能夠利用管柱內外的壓力差，對桿柱形成下拉力，減緩桿管摩擦磨損；固定閥結構合理，能夠較好的延長檢泵周期；取消抽油桿扶正器，平均節(jié)電率達到15.48%，取得了較好的節(jié)能效果。

此外，拉桿泵的下拉力與泵的沉沒度關系較大，對于套管液面過高的井，拉桿泵所產(chǎn)生的下拉力較小。如果只是依靠拉桿泵來治理桿管偏磨，則需要格外注意泵的沉沒度。

通過少量試驗井的現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)拉桿泵足以將下沖程時桿柱中和點下移至泵下[10]。但是對于其他泵徑、其他物性的采出液，是否需要在拉桿下部額外配重，還需要進一步研究、探索和驗證。