大斜度井抽油泵結構改進及應用

李大建，甘慶明，劉 顯，何 淼，王 百

（1.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室，西安710018；3.長慶油田分公司 油田開發處，西安710018）①

為節約用地、降低開發成本，長慶油田主要采用叢式井組定向油井開發。目前，定向油井已經占到總井數的95%，單井場最多井數已達43口。隨著開發層系的下移，井深增加，泵掛位置井斜角度也逐漸增大。常規管式抽油泵在大斜度井段生產時存在2方面的問題：①管桿偏磨嚴重；②泵閥關閉滯后，抽油泵漏失嚴重，泵效偏低［1］。

為了解決大斜度井有桿泵采油系統存在的問題，國內相關油田采用了不同的工藝技術，主要是在2個方面：

1） 采用大斜度井無桿采油方式，例如：電潛泵、水力噴射泵、水力活塞泵、直線電機、氣舉法等。這些采油方式徹底解決了大斜度井有桿泵采油存在管桿偏磨以及抽油泵漏失等問題，但是主要應用于產液量較高的油井，投資成本較高。長慶油田的產液量較低（單井平均日產液在5.0m3／d），不適合采用以上無桿采油系統。

2） 對大斜度井有桿泵采油系統進行改進［2］，例如：配套使用抽油桿旋轉器［3］、鋼質連續抽油桿、旋轉井口［4］，給傳統整筒泵（管式泵）固定閥設計彈簧裝置，采用偏置閥式抽油泵等。這些工藝技術沒有從根本上解決大斜度井段抽油泵生產存在的技術缺陷。

本文分析了普通整筒抽油泵的結構問題，改進了球閥及閥座結構，設計了新型扶正器，使有桿泵采油系統在大斜度井中成功應用。

1 常規管式抽油泵在大斜度井段的問題

普通整筒抽油泵采用傳統的閥球、閥座、一級密封柱塞結構，在直井或者井斜角度＜25°的油井中應用時，工藝技術已經基本成熟，不存在問題。但在大斜度井段生產時，傳統閥球、閥座結構存在閥球偏置旁落（如圖1）、關閉滯后問題；抽油泵柱塞存在一定偏置、偏磨現象（如圖2），導致抽油泵漏失嚴重、泵效偏低，無法正常生產。這一點從管式抽油泵室內排量模擬試驗結果也能得到證實（如圖3）。

圖1 閥球受力示意

圖2 泵柱塞受力示意

圖3 泵排量系數試驗曲線（沖程0.9m，沖次9min－1，清水介質）

2 結構改進

根據常規管式泵在大斜度井段生產存在的主要問題，提出大斜度井抽油泵研發的主要思路［5－9］：①改進柱塞結構，提高在大斜度井段生產的密封、防偏磨性能，降低柱塞漏失量；②改進固定閥、游動閥結構，實現強制啟閉、關閉及時、復位準確，消除泵因閥球偏置旁落、關閉不嚴導致漏失偏大的弊端。

2.1 固定閥

固定閥采用彈簧結構，如圖4，實現大斜度井段生產時強制開閉、關閉及時的功能［5］。克服彈簧阻力的水力損失為

式中，F為彈簧的壓縮力，10N；ρ為液體密度，ρ＝1 000kg／m3；S 為固定閥座孔的截面積，0.000 415 m2，g為重力加速度，g＝9.807m／s2。

計算得H＝2.51m，遠小于泵的沉沒度，因此固定閥能正常打開。在關閉時，由于有彈簧力作用，能及時關閉。

圖4 彈簧固定閥結構

2.2 游動閥

游動閥采用半球閥－中心連桿結構，如圖5。根據閥球結構，閥座設計為反球面閥座，與密封單元為一體，如圖6。半球閥與泵柱塞中心桿固定，在泵上下沖程過程中，半球閥與中心桿一起運動，半球閥座則相對柱塞中心桿運動，上沖程半球閥、閥座關閉，下沖程半球閥、閥座打開，實現閥球、閥座在大傾角條件下，強開、強閉、復位準確。

圖5 半球閥

圖6 游動閥座

2.3 柱塞密封結構

在傳統抽油泵1級密封柱塞結構基礎上，提出了3級密封柱塞結構（如圖7）。密封單元之間設計導流導向扶正塊，確保新型柱塞在泵筒中始終軸向居中，且不受井斜角的影響，消除柱塞因受垂直軸向力作用發生偏置、偏磨現象。密封單元之間相互獨立，上下沖程過程中，各單元處于游離狀態，在軸向上具有相互補償功能，柱塞、泵筒間密封性能得到進一步加強。

圖7 柱塞的三維圖

2.4 三級過流通道

結合閥球、閥座、泵柱塞密封結構設計，改進后泵柱塞導流導向扶正塊、半球閥與中心桿固定在一起，柱塞密封單元與出油罩相對固定，在軸向上沿泵柱塞中心連桿相對運動；下沖程時，井液通過泵固定閥進入泵筒，沿導流扶正塊、半球閥進入柱塞單級密封單元、中心桿環空，從出油罩排出，完成井液沿柱塞一級過流，并依次向上完成二、三級過流，進入泵柱塞上端泵筒；上沖程時，柱塞密封單元與出油罩相對中心連桿向下運動，半球閥與閥座關閉，泵筒內井液排入油管內（如圖8）。

圖8 泵柱塞一級過流示意

3 大斜度井抽油泵工作原理

1） 上沖程 柱塞在中心桿作用下一起向上運動，固定閥在井液壓力作用下被打開，完成進液過程。

2） 下沖程 固定閥關閉，柱塞導流導向扶正塊、半球閥隨中心連桿一起向下運動，而柱塞密封單元、反球面閥座、出油罩向下運動滯后，半球閥與閥座分離，泵筒內井液通過導流塊、半球閥進入泵柱塞與中心桿環空，通過出油罩排出，并逐級向上，進入泵上油管中，完成排液過程。

4 導向扶正器結構

在大斜度井采用有桿泵采油系統，由于井斜角度較大，導致管桿偏磨嚴重。根據大斜度井管桿偏磨特征（主要為線性偏磨），在傳統扶正器結構基礎上，研發出新型導向扶正器（如圖9）。主要特點為：

1） 扶正器3個圓弧面與油管內壁弧面相同，確保扶正器在任何情況下與油管內壁處于面接觸，避免了因線性接觸導致偏磨加劇現象。

2） 同時在導向扶正器表面鍍自潤滑材料，在扶正器弧面與油管內壁弧面接觸時，自潤滑材料在接觸面之間形成潤滑保護層，使接觸面之間摩擦力大幅降低，可有效降低接觸面之間的偏磨，起到管桿扶正防偏磨作用。

圖9 導向扶正器照片

通過計算，在造斜點以下每根抽油桿端部連接導向扶正器，在井眼軌跡曲率變化較大（≥25°／30 m）的井段配套應用扶正抽油桿（尼龍注塑扶正塊抽油桿，每根抽油桿安裝3個扶正塊）。扶正效果好。

5 現場試驗

大斜度井抽油泵采用“多級密封、半球型閥、浮動閥座、柱塞扶正、強啟閉結構”設計，抽油泵工作時基本不受井斜角的限制，適用油井井斜角0～90°，可以在定向井、大斜度井以及水平井（水平井段）中進行生產，此時需要進行管桿扶正防磨優化設計。

在室內性能檢測合格后，2011—2012年，研制的大斜度井抽油泵現場試驗共10口井，均生產正常，泵掛位置井斜角最大為80°，泵效平均提高6.8%。試驗數據如表1。

表1 大斜度井抽油泵現場試驗數據

6 結論

1） 傳統的管式抽油泵適用于井斜角度＜25°的油井。在大斜度井中應用時，管桿偏磨嚴重、泵效低。

2） 研制了大斜度井抽油泵，改進了固定閥結構、游動閥結構、柱塞密封結構和導向扶正結構，適用于井斜角度為0～90°油井。對高氣油比油井適應能力較強，提高了泵效率。

3） 根據現場試驗情況，研發的大斜度井抽油泵是成功的，但對于低產液量油井，泵效較低，需要進一步分析原因、制定對策。

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