三元復合驅(qū)軟柱塞分段抽油泵設計及試驗研究

李 強

（大慶油田采油工程研究院，黑龍江 大慶163453）①

三元復合驅(qū)采油技術(shù)可在水驅(qū)的基礎上提高原油采收率20%以上［1－2］，大慶油田先后成功進行了7個三元復合驅(qū)礦場現(xiàn)場試驗，并取得了較好的經(jīng)濟效果。但是，在試驗中發(fā)現(xiàn)舉升設備和井筒內(nèi)結(jié)垢嚴重，抽油機井檢泵周期大幅縮短，平均檢泵周期僅為10～30d，嚴重影響了三元復合驅(qū)的正常生產(chǎn)。大慶油田在三元復合驅(qū)抽油機井防垢、防卡方面做了大量的科研工作，通過試驗優(yōu)選出長柱塞短泵筒結(jié)構(gòu)抽油泵［3－4］，并制定了相應的技術(shù)規(guī)范，結(jié)合防垢技術(shù)，目前平均檢泵周期達到了300d，基本滿足了生產(chǎn)需要。但是，在結(jié)垢高峰期頻繁卡泵井檢泵周期不足200d，給抽油機井檢泵工作帶來了巨大的壓力。為了有效增強抽油泵對三元復合驅(qū)的適應性，延長檢泵周期，開展了軟柱塞分段抽油泵的研究工作［5－6］，這對于提高油井運轉(zhuǎn)時率和三元復合驅(qū)整體開發(fā)效益具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)

軟柱塞分段抽油泵采用軟柱塞技術(shù)與分段舉升工藝進行結(jié)合，整個系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)意義上的泵筒，將井下油管作為“泵筒”［7］，并在油管底部安裝固定閥系統(tǒng)。在抽油桿柱中串聯(lián)若干個軟柱塞。軟柱塞與常規(guī)軟柱塞相比進行了結(jié)構(gòu)改進，取消了游動閥球，采用強開強閉閥進行密封。軟柱塞結(jié)構(gòu)主要有抽油桿接箍、鎖緊環(huán)、扶正環(huán)、扶正擋環(huán)、出油口、密封環(huán)、支架、支撐桿、密封座組成。軟柱塞結(jié)構(gòu)如圖1。軟柱塞分段抽油泵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟柱塞分段抽油泵結(jié)構(gòu)示意

2 工藝原理及特點

三元復合驅(qū)因強堿溶蝕地層黏土礦物，破壞其表面微觀結(jié)構(gòu)，最終使地層黏土礦物的剝離、分散、運移.骨架顆粒石英、長石以及硅質(zhì)巖屑在堿性條件下也有一定的溶解度.這些化學反應產(chǎn)生的物質(zhì)被油層中的流體攜帶淤積，造成近井地帶堵塞，舉升設備嚴重結(jié)垢。

軟柱塞分段抽油泵（如圖2）是為了解決三元復合驅(qū)區(qū)塊抽油機在采油過程中，因垢與砂等成份而導致抽油泵的垢卡問題而設計的新型抽油泵。如圖2所示，上沖程時，油管底部固定閥系統(tǒng)開啟，各級軟柱塞在抽油桿的帶動下與密封座進行密封，在柱塞腔內(nèi)形成高壓，推動彈性密封環(huán)膨脹并與油管進行密封。由于密封環(huán)密封使各級軟柱塞把整個油管柱分成若干個密封腔室，各級軟柱塞承受的密封壓力變?yōu)檎麄€管柱的一部分。下沖程時，油管底部固定閥系統(tǒng)關(guān)閉，軟柱塞支架在抽油桿的帶動下與密封座分開，彈性密封環(huán)在柱塞與油管之間的內(nèi)外壓差下逐漸恢復原狀，下行阻力減小，同時保證摩擦副獲得液體潤滑。

1） 防卡能力強 軟柱塞密封環(huán)采用高分子非金屬材料，在內(nèi)外壓差作用下具有徑向伸縮性，能適應不同大小的垢粒；各級軟柱塞將液柱分成了若干段，當抽油機停機時，各級軟柱塞對懸浮在油液中的垢粒進行阻擋，防止垢粒淤積在油管底部，有效防止停機卡泵。

2） 壽命長 軟柱塞分段抽油泵采用多級分段舉升使軟柱塞密封環(huán)承受壓力減小，延長了軟柱塞的使用壽命；另外采用多級分段舉升使抽油桿交變載荷點為多點，載荷分散，且抽油桿的載荷為逐漸變化，金屬疲勞點不集中，增強了抽油桿的抗疲勞性能，延長抽油桿的使用壽命。

3） 成本低 取消常規(guī)泵筒，采用油管作為“泵筒”，節(jié)省泵筒成本。軟柱塞通過密封環(huán)進行密封，如果密封環(huán)損壞可更換密封環(huán)柱塞體可繼續(xù)使用，節(jié)省成本。

4） 維護簡單 多級軟柱塞實施分級連續(xù)舉升，更換軟柱塞體無需動管，只需起桿，維護簡單。

3 性能試驗

3.1 試驗工況

試驗井深 1 200m

抽油機參數(shù) 沖程3m，沖次6min－1

試驗介質(zhì) 水、水加砂溶液，室溫

測試儀器

井下功圖測試儀、動液面測試儀、流量計

3.2 結(jié)果分析

為了評價軟柱塞分段抽油泵的軟柱塞防卡能力，2013－08在機械采油檢測試驗大廳模擬試驗井中開展了軟柱塞與常規(guī)抽油泵砂卡對比試驗。在試驗井中分別下入軟柱塞和常規(guī)抽油泵，通過在井口中摻入一定量的砂粒，模擬三元現(xiàn)場的結(jié)垢現(xiàn)象。當抽油機運行一定時間后，進行軟柱塞和常規(guī)抽油泵的功圖測試，評價軟柱塞的防卡能力。試驗后發(fā)現(xiàn)常規(guī)抽油泵對管柱中懸浮的砂粒比較敏感，功圖顯示載荷抖動較大，如圖3所示。軟柱塞在運行過程中對砂粒不太敏感，功圖上下載荷較平穩(wěn)，沒有波動，如圖4所示。

圖3 常規(guī)抽油泵測試功圖

圖4 軟柱塞抽油泵測試功圖

為了評價軟柱塞分段抽油泵的分段舉升性能，在試驗井每隔300m下入1個76mm軟柱塞，并在每個柱塞上端連接1個井下功圖測試儀。試驗過程中通過測試井下軟柱塞功圖、泵效、動液面，評價分段軟柱塞抽油泵工作特性。表1是測試不同液面下軟柱塞分段抽油泵的泵效。軟柱塞分段抽油泵隨著動液面的增加，呈現(xiàn)降低的趨勢。主要原因是動液面越深，作用在密封環(huán)上的壓力較大，由于密封環(huán)是開口環(huán)，因此漏失也變大。

表1 不同液面下軟柱塞分段抽油泵的效率

圖5～7為在動液面850m時，井下功圖測試儀測試的各級軟柱塞的功圖。通過分析認為三級軟柱塞均參與工作，達到了分段舉升的效果，但是舉升能力從下往上依次減小。目前抽油機平均動液面約650m，軟柱塞分段抽油泵在850m時，泵效為77.5%，能夠滿足三元復合驅(qū)現(xiàn)場舉升要求。

圖5 軟柱塞A的井下測試功圖

圖6 軟柱塞B的井下測試功圖

圖7 軟柱塞C的井下測試功圖

4 結(jié)論

1） 軟柱塞分段抽油泵采用軟柱塞技術(shù)與分段舉升工藝進行結(jié)合，取消了傳統(tǒng)意義上的泵筒，通過軟柱塞與油管密封進行工作。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以最大程度發(fā)揮軟柱塞和分段舉升的技術(shù)優(yōu)勢。

2） 室內(nèi)試驗表明：軟柱塞分段抽油泵在有砂粒的工況下，運行載荷比較平穩(wěn)，可以有效地防止因垢粒或砂粒引起的卡泵。通過在油管中不同位置下入3級軟柱塞進行測試發(fā)現(xiàn)，各級軟柱塞均參加了工作，達到了分段舉升的效果，能夠滿足三元復合驅(qū)現(xiàn)場的舉升要求。

3） 軟柱塞分段抽油泵在井下作業(yè)時需要準確的測量抽油桿和油管的長度，通過合理設計軟柱塞的工作位置，來防止軟柱塞在工作中碰撞油管接箍的現(xiàn)象。

［1］王玉普，程杰成.三元復合驅(qū)過程中的結(jié)垢特點和機采方式適應性［J］.大慶石油學院學報，2003，27（2）：20－22.

［2］康少冬，褚英鑫，夏惠芬，等.三元復合驅(qū)舉升工藝適應性認識［J］.鉆采工藝，2003，26（6）：44－47.

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［4］吳非，劉秀蘭，羅恩勇，等.新型長柱塞耐砂抽油泵研制［J］.特種油氣藏，2004，11（1）：54－55.

［5］李強，孫春龍，莫非.新型自封式軟柱塞抽油泵的研究與應用［J］.通用機械，2009（6）：37－38.

［6］崔立峰.軟密封柱塞抽油泵系列的完善與應用［J］.特種油氣藏，2003，10（5）：65：66.

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