空心抽油桿液力反饋泵應用及試驗研究

黃 華，王衛剛，姚 軍，劉 通，高慶華

（陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安710075）①

空心抽油桿液力反饋泵應用及試驗研究

黃 華，王衛剛，姚 軍，劉 通，高慶華

（陜西延長石油（集團）有限責任公司研究院，西安710075）①

在分析上大下小型、上小下大型、上下等徑型液力反饋泵工作原理基礎上，計算了3種液力反饋泵使用時提供液力反饋力的能力，選擇設計了上下等徑型液力反饋泵，并在2口井上試驗了空心抽油桿液力反饋泵采油工藝。結果表明：該工藝在提高系統效率、延長免修期、降低成本方面具有顯著優勢，是低滲透及特低滲透油藏開采時較理想的舉升工藝。

空心抽油桿；液力反饋泵；采油工藝

延長油田屬于低滲透、特低滲透油田，已經進入二次采油和三次采油階段，采用抽油機＋抽油桿＋普通管式泵采油方式進行原油舉升，暴露了很多難以解決的問題（例如：系統效率低、耗能高、免修期短、成本高等）。為了油田可持續發展，提高油田綜合采收率和實現高效節能產業目標，研究開發新的適合延長油田的原油舉升工藝、引進推廣國際先進舉升技術成為重點。無油管空心抽油桿采油工藝是利用空心抽油桿代替普通抽油桿和油管［1-2］，既作為動力傳遞工具又作為液體流通的通道。與普通“三抽”工藝相比，在節約油管材料、減少作業費用、降低成本等方面具有明顯優勢，在國內油田得到研究與應用［3-4］。本文針對延長油田具體情況就該采油工藝進行分析，并進行了現場試驗。

1 空心抽油桿采油系統

空心抽油桿采油系統主要由抽油機、空心光桿、井口、空心抽油桿、抽油泵等組成，從上到下為實心桿短節、軟管懸接頭、空心光桿、空心抽油桿、抽油桿扶正器、油管扶正器、抽油泵、篩管、尾管，其管柱組合如圖1所示。舉升原理為：抽油機通過懸繩器帶動實心桿短節，實心桿短節帶動空心光桿，空心光桿帶動空心抽油桿，空心抽油桿帶動泵柱塞，使泵柱塞在泵筒中上下往復運動，實現吸液和排液，排出的液體順著空心抽油桿內腔上升，經過空心光桿和軟管懸接頭從軟管流進地面集油裝置，完成原油舉升。

圖1 空心抽油桿采油系統

2 液力反饋泵的設計

從其他油田使用無油管空心抽油桿采油工藝的情況看，如果系統使用常規工作原理的抽油泵，下行程排液，受到空心抽油桿流通面積的影響，通常存在下行阻力大、下行困難的問題，對泵效及空心抽油桿使用壽命產生不良影響［1-4］。延長油田進入高含水期，大部分油井含水在80%以上，將增大下行阻力，使下行更加困難，是無油管空心抽油桿采油工藝使用時必須解決的問題。液力反饋泵因自身特殊結構具有液力反饋功能，能增加抽油桿柱下行動力，解決使用常規泵時桿柱下行困難的問題，故選用。

2.1 液力反饋泵的類型

液力反饋泵根據柱塞結構特點可分為上大下小型液力反饋泵、上小下大型液力反饋泵、上下等徑液力反饋泵3種類型［5］，其結構原理如圖2所示?？梢姡荷洗笙滦⌒鸵毫Ψ答伇迷硎巧闲谐涛?，下行程排液；上小下大型液力反饋泵原理是上行程排液，下行程吸液；上下等徑液力反饋泵原理是上行程排液，下行程吸液。

圖2 液力反饋泵原理

2.2 液力反饋泵的選型

使用液力反饋泵的目的是解決空心抽油桿柱下行困難的問題，那么選型的關鍵是看哪種泵提供的液力反饋能力大，致使桿柱下行動力大，能解決桿柱下行困難的問題。從抽油桿柱受力分析看，下行程時桿柱下行力就是抽油機的懸點載荷［6-7］。本文在相同使用條件下，分別計算使用常規泵及液力反饋泵時桿柱的下行動力。

常規原理管式泵在下行程時固定閥關閉，游動閥打開，泵筒中的液體進入空心抽油桿，抽油機懸點受到桿柱重力、慣性力、柱塞下行與泵筒間摩擦力、液體流過游動閥產生的阻力、桿柱和柱塞受到的浮力，那么桿柱下行動力為

式中：Pr為桿柱重力；Pg為慣性力；Pfd為柱塞下行與泵筒間摩擦力；PV為液體流過游動閥產生的阻力；Pf為桿柱和柱塞受到的浮力。

由于柱塞特殊結構，液力反饋泵下行時，管柱內液體跟著下行，所以抽油機懸點不僅受到桿柱重力、慣性力、柱塞下行與泵筒間摩擦力、液體流過游動閥產生的阻力、桿柱和柱塞受到的浮力，還受到管柱內液體重力。上大下小型液力反饋泵下行時排液，大柱塞游動閥打開，小柱塞游動閥關閉，桿柱內液體重力作用在小柱塞上（為ρg LSx），那么管柱下行動力為

式中：ρ為井液密度；L為泵掛深度；H為沉沒度；g為重力加速度；Sx為柱塞小端面積。

上小下大型液力反饋泵下行時吸液，大柱塞游動閥打開，小柱塞游動閥關閉，桿柱內液體重力作用在小柱塞上（為ρg LSx），那么管柱下行動力為

上下等徑液力反饋泵下行時吸液，下游動閥打開，上游動閥關閉，桿柱內液體重作用在上柱塞上（為ρg LSd），那么管柱下行動力為

式中：Sd為柱塞大端面積。

比較液力反饋泵和常規管式泵工作時下行動力，可得：在相同條件下，液力反饋泵工作時下行動力比常規管式泵的大，上大下小型、上小下大型和上下等徑型液力反饋泵工作時下行動力比常規管式泵分別大ρg LSx、ρg LSx和ρg LSd；不同類型的液力反饋泵工作時產生的反饋力不一樣，上大下小型和上小下大型工作時產生反饋力ρg LSx，而上下等徑型則產生反饋力ρg LSd。綜上所述，上下等徑型液力反饋泵提供下行動力最大，選擇作為試驗用泵型。

2.3 液力反饋泵固定方式選擇

目前，液力反饋泵使用時的固定方式主要有2種：一種是懸掛式，就是通過懸掛器把液力反饋泵懸掛在套管壁上；另一種是尾管支撐式，就是在泵下端連接尾管，尾管坐落于人工井底，泵靠尾管支撐于井內。比較2種方式可得：前者施工復雜，難度大；后者施工簡單，易操作。考慮操作簡單安全，本文選擇液力反饋泵的固定方式為尾管支撐式。

2.4 液力反饋泵的設計

根據液力反饋泵類型、固定方式的選擇，設計的上下等徑型、尾管支撐式液力反饋泵如圖3所示，主要由上泵筒、轉接頭、密封件、下泵筒、上柱塞總成、空心連桿、下柱塞總成等組成。

圖3 尾管支撐式上下等徑液力反饋泵

3 現場試驗及效果

3.1 試驗井選擇

采用空心抽油桿代替實心抽油桿和油管進行采油，主要是解決油井機采效率低、桿管偏磨嚴重、免修期短的問題，所以在選井時主要選系統效率低、存在偏磨且免修期短的油井。綜合考慮選擇延長油田杏子川采油廠郝137-1井和郝137-2井進行試驗，試驗前油井基本情況如表1。

表1 試驗井基本情況

3.2 現場試驗

試驗用主要設備如表2，其中空心抽油桿、空心光桿、短節、拉桿等均為購買，尾管支撐抽油泵根據設計委托外協加工。按照如圖1所示安裝采油系統，并進行試采，試采完成后系統進入正常工作階段，并跟蹤試驗效果。

表2 現場試驗用主要設備

3.3 試驗效果分析

采油系統正常采油后，對油井產液量、系統效率和日耗電量進行了跟蹤，計算了截稿前油井的免修期，并與試驗前的效果進行了比較，結果如表3。

由表3可知：在泵掛和工作制度不變的情況下，試驗后產液量、系統效率較試驗前有所增加，其主要原因在于利用空心抽油桿代替普通抽油桿和油管，剛性好且無油管的伸縮量，增加了柱塞的有效行程，液力反饋增加了泵的進口壓力和流量，且無間隙漏油，提高了泵的充滿度，因此其產液量和系統效率得到提高；試驗后免修期較試驗前明顯延長了，其主要原因在于利用空心抽油桿代替普通抽油桿和油管，提高了剛性，且使用上下等徑液力反饋泵，改善了抽油桿柱下行時受力情況，使抽油桿柱處于受拉狀態避免產生彎曲，從而減弱了偏磨，因此延長了免修期。

表3 現場試驗前后效果對比

［1］ 余澤華，于新哉，王淑娟，等.新型無油管采油裝置［J］.石油機械，1999，27（12）：37-38.

［2］ 羅燕，張雷，孫衍東，等.液力反饋無油管采油技術［J］.石油機械，2006，35（1）：42-44.

［3］ 趙曉，邢慶河，張士誠.空心抽油桿在油井舉升中的應用［J］.油氣田地面工程，2006，25（7）：5-6.

［4］ 卜文勝，方紹燕.液力反饋空心桿采油技術研究與應用［J］.勝利油田職工大學學報，2006，20（6）：66-67.

［5］ 崔之健，胡洪平，蔣樹農，等.新型空心液力反饋稠油泵及其結構優化設計［J］.石油機械，2006，34（9）：39-41.

［6］ 袁謀，姜東，羅文利，等.液力反饋型空心桿采油工藝抽油機懸點載荷分析［J］.石油大學學報，2001，25（4）：49-53.

［7］ 馮國強，韓岐清，滕國權，等.液力反饋泵無油管采油工藝桿柱力學分析［J］.西南石油大學學報，2010，32（1）：160-164.

4 結論

1） 由于存在液力反饋原理，上大下小型、上小下大型、上下等徑型液力反饋泵使用時較常規抽油泵能提供較大的抽油桿柱下行動力；在相同條件下，上下等徑型液力反饋泵提供的液力反饋力最大。

2） 空心抽油桿液力反饋泵采油工藝利用空心抽油桿代替普通抽油桿和油管，使用液力反饋泵代替常規泵，很好地解決了抽油桿柱下行困難的問題，提高了系統效率，改善了抽油桿柱受力狀態，減緩了桿柱偏磨，延長了油井免修期。

3） 空心抽油桿液力反饋泵采油工藝去掉了油管，減少了單井入井投入，作業時省去了起下油管的工序，縮短了作業時間，降低了作業費用，間接降低了原油生產成本，是低滲透、特低滲透油藏理想的舉升工藝。

Research and Application of Hollow Sucker Rod Hydraulic Feedback Pump

There are three main types of hydraulic feedback pump，the upper big and lower small type，or the upper small and lower big type，the up and down same type，according to the structure of plunge.On the base of introduce and analysis of operating principle of three types of hydraulic feedback pump，the capacity of providing hydraulic feedback force for these three models of pump were calculated and researched.The up and down same type hydraulic feedback pump was selected and designed to test with hollow sucker rod on the two wells.The experimental results show that the production technology is an ideal lifting process for low permeability reservoirs，and can improve efficiency of system，extend pump inspection cycle and reduce the cost etc.

hollow sucker rod；hydraulic feedback pump；production technology

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.016

1001-3482（2014）11-0065-04①

2014-05-12

黃 華（1978-），男，湖北恩施人，高級工程師，博士，主要從事采油工程研究，E-mail：280123569＠qq.com。