李 軍，付小坤，陳啟龍，劉 剛，郭 斌

中石化西北油田分公司

0 引言

塔河油田為具有底水的奧陶系碳酸鹽巖巖溶縫洞型油藏，具有極強(qiáng)的非均質(zhì)性，隨著油藏的不斷開(kāi)發(fā)，地層能量逐步衰減，油井供液能力下降，動(dòng)液面逐漸下降到常規(guī)有桿泵[1-4]泵掛極限深度。目前，塔河油田機(jī)抽井沉沒(méi)度持續(xù)降低，平均泵掛深度已達(dá)2 600 m，最大懸點(diǎn)載荷逐年升高，平均已達(dá)110 kN，塔河油田采油三廠近6年斷桿油井共97口，其中懸點(diǎn)載荷超過(guò)110 kN的斷桿油井占比60%，因此高懸點(diǎn)載荷是導(dǎo)致抽油桿斷裂的重要原因，特別是在部分機(jī)采單井或單元注水失效的情況下，深抽提液工藝對(duì)油藏開(kāi)發(fā)十分重要，斷桿頻率也會(huì)隨之增大。

目前常規(guī)有桿泵的排量和下深被抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷和抽油桿強(qiáng)度制約，為解決以上問(wèn)題，研制出了桿式減載抽油泵，該泵通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)柱塞和泵筒的結(jié)構(gòu)，利用油管液柱壓力、油管和套管之間的環(huán)空液柱壓力的差異性，使井筒內(nèi)的液體在柱塞上、下斷端面產(chǎn)生壓差載荷，形成向上的推力，達(dá)到減載、提液的效果。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該泵具有減載、深抽、提液及節(jié)能的效果，達(dá)到了預(yù)期工藝目的。

1 雙柱塞桿式減載抽油泵的結(jié)構(gòu)及原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

桿式減載抽油泵主要是由支撐總成、柱塞總成、泵筒總成、球閥總成和泵座總成五部分組成，泵體的上半部分與下半部分通過(guò)錐螺紋對(duì)接。支撐總成主要是由皮碗密封、機(jī)械密封、鎖爪組成；柱塞總成主要由小柱塞、大柱塞組成；泵筒總成主要由大泵筒(長(zhǎng))、小泵筒(短)、泵筒加長(zhǎng)筒組成，大泵筒上部設(shè)計(jì)呼吸孔，且在泵筒外部設(shè)計(jì)扶正結(jié)構(gòu)；球閥總成主要由進(jìn)油閥、出油閥組成；泵座總成主要由上接頭、支撐環(huán)和下接頭通過(guò)螺紋依次連接組成。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 桿式減載抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖

泵筒與泵座之間通過(guò)頂部鎖緊支撐總成上的彈性鎖爪與上部泵座卡緊鎖死，使泵體在正常工作時(shí)不與外工作筒脫開(kāi)。

1.2 工作原理與使用步驟

柱塞總成隨抽油桿一起往復(fù)運(yùn)動(dòng)，上行程時(shí)，泵腔內(nèi)壓力降低，在柱塞抽汲和沉沒(méi)壓力作用下，固定閥打開(kāi)，游動(dòng)閥關(guān)閉，大泵筒的泵腔逐漸被充滿(mǎn)，大、小柱塞形成的環(huán)形腔油壓與泵腔內(nèi)油壓相同，此時(shí)抽油桿柱所受的載荷為小柱塞兩端的壓差載荷，即上行時(shí)只承受小柱塞載荷;下行程時(shí)，泵腔內(nèi)液體受壓，固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開(kāi)，泵腔內(nèi)液體皮排出，泵腔與油管腔油壓相同，柱塞承受載荷為柱塞上部桿柱向下的自重減去大小柱塞環(huán)截面向上的壓差載荷。故通過(guò)柱塞上、下行程實(shí)現(xiàn)了小泵載荷大泵排量的高效生產(chǎn)。

下泵時(shí)，先將泵的下半部分(泵筒和柱塞)整體下入井口夾緊固定，并使柱塞螺紋接口伸出泵筒，再將泵的上半部分(泵筒加長(zhǎng)筒和閥桿)整體吊裝到井口，與下半部分對(duì)好，將泵下入到油井中預(yù)定深度，與泵座鎖緊固定；下放抽油桿碰泵后，向上提0.6 m防沖距，憋壓驗(yàn)泵、實(shí)測(cè)示功圖正常后，即可開(kāi)始正常抽汲；當(dāng)油井停抽需要起出抽油泵時(shí)，直接上提抽油桿柱使泵體上的彈性鎖爪與油管上的泵座鋼圈脫開(kāi)，然后出出至地面即可。

2 技術(shù)特點(diǎn)與參數(shù)

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

該泵具有現(xiàn)有常規(guī)桿式泵的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)結(jié)合減載器[5-17]的原理，改進(jìn)桿式泵的結(jié)構(gòu)以適用于深抽提液的油井中，主要有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

(1)該泵采用桿式泵結(jié)構(gòu)，由大、小柱塞串聯(lián)而成，上部為小柱塞，下部為大柱塞結(jié)構(gòu)，并在加長(zhǎng)接箍上設(shè)計(jì)有呼吸孔，使得大柱塞上端面與小柱塞的下端面之間的環(huán)空部分與油套聯(lián)通，大柱塞下端面受到的力為油管內(nèi)液體的作用，上端面受到的力為套管液柱作用，從而使大柱塞上下端面形成壓差載荷，可以實(shí)現(xiàn)深抽提液，并且達(dá)到減載的目的。

在分析受力時(shí)，忽略柱塞與泵筒間的摩擦力、慣性載荷、振動(dòng)載荷、桿柱浮力，以方便對(duì)比減載型桿式泵、常規(guī)桿式泵的受力情況，減載桿式泵受力示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 上行程受力示意圖

圖3 下行程受力示意圖

常規(guī)桿式泵受力情況分析，以?44 mm桿式泵為例：

F0上=G桿柱+(p液柱-p沉沒(méi))×S0柱塞

(1)

F0下=G桿柱

(2)

式中：F0上、F0下—常規(guī)桿式泵的上、下行程載荷，kN；

G桿柱—抽油桿重量，kN；

p液柱—油管內(nèi)液柱在泵掛位置的壓力，MPa；

p沉沒(méi)—油、套管環(huán)空內(nèi)液柱在泵掛位置的壓力，MPa；

S0柱塞—常規(guī)桿式泵柱塞的橫截面積，mm2。

減載型桿式泵受力情況分析，以?44/32 mm減載型桿式泵為例：

F1上=G桿柱+Fa+Fb-Fc=G桿柱+p液柱×S小柱塞+p沉沒(méi)×(S大柱塞-S小柱塞)-p沉沒(méi)×S大柱塞=G桿柱+(p液柱-p沉沒(méi))×S小柱塞

(3)

F1下=G桿柱-Fd+Fe=G桿柱-p液柱×(S大柱塞-S小柱塞)+p沉沒(méi)×(S大柱塞-S小柱塞)=G桿柱-(p液柱-p沉沒(méi))×(S大柱塞-S小柱塞)

(4)

式中：F1上、F1下—減載型桿式泵的上、下行程載荷，kN；

G桿柱—抽油桿自重，kN；

Fa—上行程時(shí)液柱作用在小柱塞端面上壓力，kN；

Fb—上行程時(shí)沉沒(méi)壓力作用在大柱塞與小柱塞端面差值處壓力，kN；

S柱塞—柱塞的橫截面積，mm2；

Fc—上行程時(shí)沉沒(méi)壓力對(duì)大柱塞端面的頂托力，kN；

Fd—液柱載荷對(duì)大柱塞與小柱塞端面差值處的作用力，kN；

Fe—下行程時(shí)沉沒(méi)壓力作用在大柱塞與小柱塞端面差值處壓力，kN。

減載型桿式泵和常規(guī)桿式泵，兩種泵受力分析對(duì)比：

ΔF上=F1上-F0上=G桿柱+(p液柱-p沉沒(méi))×S小柱塞[G桿柱+(p液柱-p沉沒(méi))×S0柱塞]=-(p液柱-p沉沒(méi))×(S大柱塞-S小柱塞)

(5)

ΔF下=F1下-F0下=G桿柱-(p液柱-p沉沒(méi))×(S大柱塞-S小柱塞)-G桿柱=-(p液柱-p沉沒(méi))×(S大柱塞-S小柱塞)

(6)

ΔF=(p液柱-p沉沒(méi))×(S大柱塞-S小柱塞)=ρgh×(S大柱塞-S小柱塞)

(7)

式中：ρ—液體密度，g/cm3；g—重力加速度，m/s2；h—油、套管環(huán)空之間的液面深度，m。

由此可以看出，?44 mm/?32 mm減載型桿式泵因其結(jié)構(gòu)的特殊性，與?44 mm常規(guī)桿式泵對(duì)比，泵的實(shí)際排量相同，但上行、下行載荷均會(huì)降低且液面越深，載荷降幅越大。

(2)該泵上部小泵采用了長(zhǎng)柱塞短泵筒結(jié)構(gòu)，柱塞始終位于泵筒內(nèi)，出液口改進(jìn)為直出液口，具備一定防砂、防垢能力。

(3)該泵短泵筒加長(zhǎng)筒上部設(shè)置有解封接頭，并采用頂部固定結(jié)構(gòu)，可通過(guò)長(zhǎng)柱塞的上閥罩作用在小泵上端的解封接頭實(shí)現(xiàn)泵的解封，將泵筒提出泵座，進(jìn)行正注、檢泵等作業(yè)。

(4)采用雙游動(dòng)閥結(jié)構(gòu)，雙閥起到雙密封作用，可有效減少深井漏失嚴(yán)重的問(wèn)題，提高泵效。

2.2 技術(shù)參數(shù)

桿式減載抽油泵已經(jīng)研制出89-32/44RHAMC(JZ)一種類(lèi)型，該泵型號(hào)的主要參數(shù)為：小柱塞直徑32 mm，小柱塞長(zhǎng)度7.8 m，大柱塞直徑44 mm，大柱塞長(zhǎng)度1.2 m，泵筒加長(zhǎng)筒8.1 m，短泵筒1.2 m，長(zhǎng)泵筒8.1 m，閥桿8.7 m，泵排量系數(shù)2.23，最大下深4 300 m。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2022年7月20日，已現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)11井次，試驗(yàn)結(jié)果表明，桿式減載泵能達(dá)到減載、深抽提液的目的，其中2口井試驗(yàn)前后生產(chǎn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

TK1井為塔河油田某區(qū)塊的一口開(kāi)發(fā)井，累計(jì)產(chǎn)油10.2×104t，該井注水、注氣效果評(píng)價(jià)較差，具有深抽提液的開(kāi)發(fā)需求。試驗(yàn)前，該井泵掛3 500 m，液面3 100 m，桿柱組合為割縫小篩管+?38 mm深抽桿式泵+?25.4 mm抽油桿200 m+變絲+ ?19.05 mm抽油桿1 347 m+變絲+?22.2 mm抽油桿1 043 m+變絲+?25.4 mm抽油桿893 m+抽油桿短節(jié)+?25.4 mm抽油桿2根(16 m)+?38 mm光桿短節(jié)1 m+?38 mm光桿。生產(chǎn)期間最大載荷為145 kN，最小載荷為105 kN。

2020年8月應(yīng)用減載泵后，在同等泵掛、液面、含水和機(jī)抽桿柱組合基本不變的情況下，該井日產(chǎn)液27.3 t，日產(chǎn)液量較前期提高9.8 t，最大載荷126 kN，最小載荷84 kN，示功圖見(jiàn)圖4、圖5，和前期生產(chǎn)相比，日產(chǎn)液有所增加，載荷有所降低，目前已正常生產(chǎn)709 d，達(dá)到了深抽、提液和減載的目的，并且降低了斷桿風(fēng)險(xiǎn)，降低了采油成本。

圖4 常規(guī)桿式泵示功圖

圖5 應(yīng)用減載抽油泵生產(chǎn)示功圖

4 結(jié)論

(1)雙柱塞桿式減載抽油泵解決了常規(guī)抽油泵的排量和下深被抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷和抽油桿強(qiáng)度制約的問(wèn)題，達(dá)到了機(jī)采井減載、深抽和提液的目的。

(2)雙柱塞桿式減載抽油泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封可靠，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果較好，具有很大的推廣前景。