見聚井有桿抽油泵柱塞下行阻力

何巖峰　鐘　明　束方啟　張　凱　張傳敏　李良妹（常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州　213016）

見聚井有桿抽油泵柱塞下行阻力

何巖峰鐘明束方啟張凱張傳敏李良妹
（常州大學(xué)石油工程學(xué)院，江蘇常州213016）

根據(jù)抽油泵柱塞的組成結(jié)構(gòu)，柱塞的下行阻力主要來(lái)自于井液過(guò)游動(dòng)閥摩阻、井液過(guò)柱塞中心管道的摩阻、柱塞與泵筒摩阻等幾個(gè)方面。而傳統(tǒng)計(jì)算模型未考慮柱塞結(jié)構(gòu)，對(duì)下行阻力進(jìn)行過(guò)度簡(jiǎn)化，且模型中的阻力系數(shù)均是以水為介質(zhì)實(shí)驗(yàn)得到，不適用于稠油油藏聚驅(qū)井。為了明確稠油聚驅(qū)井生產(chǎn)條件、生產(chǎn)參數(shù)以及柱塞結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柱塞下行阻力的影響規(guī)律，分別設(shè)計(jì)了柱塞中心管和游動(dòng)閥與摩阻的敏感性實(shí)驗(yàn)以及柱塞泵筒間隙與摩阻的敏感性實(shí)驗(yàn)，回歸得到針對(duì)稠油聚驅(qū)井抽油泵柱塞下行各元件摩阻的計(jì)算模型。結(jié)果表明，對(duì)于稠油聚驅(qū)井，閥球上升高度對(duì)過(guò)閥阻力基本無(wú)影響；柱塞中心管摩阻對(duì)柱塞下行阻力的影響不可忽略；聚驅(qū)井抽油泵柱塞下行阻力對(duì)柱塞與泵筒間隙摩阻的影響最敏感；最后，與礦場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，該模型精度高于傳統(tǒng)模型。

聚驅(qū)井；抽油泵；下行阻力；相似原理；稠油油藏

稠油油田聚驅(qū)后，油井抽油桿柱斷脫的情況突出，且斷脫部位多發(fā)于抽油桿柱的中下部。前人的研究和實(shí)踐結(jié)果表明，抽油桿柱中和點(diǎn)以下部位發(fā)生斷裂的主要原因來(lái)自于桿柱的疲勞［1］。抽油機(jī)井在下沖程階段，抽油泵的下行阻力是抽油機(jī)驢頭懸點(diǎn)載荷的重要組成部分，抽油泵柱塞下沖程阻力過(guò)大是引起抽油桿疲勞的重要原因之一。因此研究柱塞的下行阻力對(duì)預(yù)防桿柱疲勞、延長(zhǎng)檢泵周期具有重要意義。根據(jù)抽油泵柱塞的組成結(jié)構(gòu)可知，柱塞的下行阻力主要來(lái)自于井液過(guò)游動(dòng)閥摩阻、井液過(guò)柱塞中心管道的摩阻、柱塞與泵筒摩阻等幾個(gè)方面。張琪［2］模型將柱塞下行阻力的計(jì)算簡(jiǎn)化為過(guò)閥阻力，并利用流量系數(shù)曲線計(jì)算流體通過(guò)游動(dòng)閥的流動(dòng)阻力；文獻(xiàn)［3］則認(rèn)為其流量系數(shù)難以確定，并提出用量綱分析方法求解下行阻力。該類模型均未充分考慮抽油泵柱塞結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行了過(guò)度簡(jiǎn)化，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差。文獻(xiàn)［4-6］在張琪模型的基礎(chǔ)上增加了柱塞與泵筒的摩擦力，然而彈性的流體在柱塞與泵筒間的縫隙流動(dòng)與牛頓流體截然不同［7］，因而以水作潤(rùn)滑劑得到的半干摩擦力計(jì)算模型對(duì)于稠油聚驅(qū)油井并不適用。文獻(xiàn)［8-10］對(duì)于井液過(guò)閥阻力的研究，考慮了閥球密度以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，認(rèn)為跳球高度對(duì)于泵閥開啟程度以及過(guò)閥阻力的影響不可忽略，但未考慮不同井液黏度條件下閥球上升高度對(duì)過(guò)閥阻力影響程度的問(wèn)題，而對(duì)于稠油見聚油井采用常規(guī)井跳球高度的計(jì)算模型，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差。因此，針對(duì)稠油油藏采出液特點(diǎn)，對(duì)孤東采油廠實(shí)際工況下的抽油泵運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，建立下行阻力計(jì)算的新模型。

1　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

流體機(jī)械的發(fā)展與其實(shí)驗(yàn)研究密不可分。抽油泵柱塞下行過(guò)程中，閥球閥座組合、柱塞中心管直徑、柱塞長(zhǎng)度、柱塞泵筒間隙尺寸、沖程沖次以及井液黏度等多方面因素都會(huì)對(duì)抽油泵柱塞下行阻力產(chǎn)生影響。為了明確不同生產(chǎn)條件、生產(chǎn)參數(shù)以及柱塞結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)柱塞下行阻力的影響規(guī)律，分別以不同黏度井液為介質(zhì)，對(duì)抽油泵柱塞各部件進(jìn)行單一素敏感性實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括：柱塞中心管和游動(dòng)閥與摩阻的敏感性實(shí)驗(yàn)；柱塞泵筒間隙與摩阻的敏感性實(shí)驗(yàn)。

用自制的抽油泵模型模擬現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)抽油泵內(nèi)流場(chǎng)。考慮到模擬裝置與真實(shí)抽油泵的尺寸不同，因此若要求真實(shí)流場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)的流場(chǎng)相似，應(yīng)確保兩個(gè)流場(chǎng)內(nèi)相應(yīng)點(diǎn)的速度和受力成比例［11］。實(shí)驗(yàn)按照幾何相似設(shè)計(jì)設(shè)備的尺寸、按照運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似確定實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍（表1），根據(jù)相似參數(shù)的不同，由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。考慮到抽油泵運(yùn)行過(guò)程中，主要受到重力、慣性力、液體黏度帶來(lái)的阻力影響，選擇的相似條件為弗勞德數(shù)和雷諾數(shù)。

表1　模擬實(shí)驗(yàn)裝置幾何參數(shù)

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1井液過(guò)柱塞中心管摩阻

柱塞中心管是泵內(nèi)油流進(jìn)入油管的通道，其摩阻對(duì)柱塞下行阻力的影響不可忽略。朱君［12］采用圓管中的沿程水頭損失計(jì)算，并認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)流量范圍內(nèi)，流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)被局限為層流，不易進(jìn)入紊流區(qū)。而實(shí)際上，由于見聚影響，井液黏度大幅增加，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的敏感性分析結(jié)果，當(dāng)井液黏度為100 mPa·s左右，沖程沖次乘積大于10時(shí)，柱塞中心管流道摩阻明顯增加，流體質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)狀態(tài)可能由層流變?yōu)槲闪鳎藭r(shí)需要根據(jù)非牛頓流體的沿程阻力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，重新回歸符合現(xiàn)場(chǎng)工況的阻力計(jì)算模型。

針對(duì)長(zhǎng)度和內(nèi)徑已知的柱塞中心管，根據(jù)相似原理，選取1～100 mPa·s的5種黏度等級(jí)井液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到井液黏度對(duì)井液過(guò)中心管摩阻與沖程沖次乘積（s·n）的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果如圖1。

圖1　不同井液黏度中心管摩阻與沖程沖次乘積（s·n）的關(guān)系

利用Origin軟件［13］由圖1的曲線回歸出井液過(guò)柱塞中心管摩阻與s·n和井液黏度間關(guān)系式

式中，F(xiàn)1為井液過(guò)柱塞中心管摩阻，N；μ為井液黏度，mPa·s。

結(jié)果表明，對(duì)于高黏、高沖次油井，柱塞中心管摩阻影響不可忽略。由圖1曲線可以看出，在實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，隨著流體黏度逐漸增大，黏度因素對(duì)抽油泵柱塞中心管摩阻的影響明顯變大。

2.2井液過(guò)游動(dòng)閥摩阻

2.2.1井液黏度對(duì)過(guò)閥壓降與s·n的關(guān)系該步實(shí)驗(yàn)根據(jù)相似原理，依次選取井液黏度為1 mPa·s、5 mPa·s、20 mPa·s、55 mPa·s、100 mPa·s，測(cè)取過(guò)閥摩阻壓降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2　不同井液黏度流體過(guò)閥摩阻與s·n的關(guān)系

利用Origin軟件由圖2的曲線回歸出過(guò)閥摩阻與s·n和井液黏度之間的關(guān)系式為

式中，F(xiàn)2為井液過(guò)游動(dòng)閥摩阻，N。

2.2.2不同井液黏度條件下閥球尺寸對(duì)過(guò)閥壓降與s·n的關(guān)系游動(dòng)閥的阻力因素有流體黏度、流速及泵閥結(jié)構(gòu)。下沖程時(shí)，游動(dòng)閥一直處于開啟狀態(tài)，在開啟狀態(tài)初期，由于柱塞速度低，游動(dòng)閥處油流速度也較低，閥球的上升高度緩慢增加，此時(shí)，油流阻力不足以維持閥球持續(xù)跳高，使閥球處于不斷下落的趨勢(shì)中。在此過(guò)程中，閥球的上升高度對(duì)柱塞下行阻力影響較大。然而由于聚合物溶液與清水的流變性有較大差別，見聚井采出液黏度遠(yuǎn)大于水驅(qū)采出液，其井液的攜帶能力也遠(yuǎn)超水驅(qū)井井液。因此，需要實(shí)驗(yàn)研究不同井液黏度條件下閥球上升高度對(duì)過(guò)閥阻力的影響。

針對(duì)已知內(nèi)徑的閥座，更換不同直徑閥球，測(cè)量不同黏度井液過(guò)閥壓降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖5所示。曲線總體趨勢(shì)表現(xiàn)為過(guò)閥壓降隨s·n的增加先減小后增大，曲線存在向下的拐點(diǎn)。閥球直徑越大，曲線遞減段的斜率越小，井液黏度越大，曲線遞減段的斜率越大，表現(xiàn)為曲線拐點(diǎn)的橫坐標(biāo)逐漸趨于0。

對(duì)于中低黏度油井，閥球的上升高度對(duì)過(guò)閥阻力存在明顯影響，且閥球直徑越大影響越大。分析原因?yàn)楫?dāng)沖程沖次組合較小時(shí)，過(guò)閥流體流量較小，閥球上升高度的逐漸增加，此時(shí)流體流通面積增加，流體過(guò)閥阻力減小；隨著抽汲參數(shù)的增大，過(guò)閥流體流量逐漸增加，閥球碰到閥罩后高度不再增加，此時(shí)流體流通面積不再增加，流體過(guò)閥阻力隨沖次增大逐漸增大。閥球直徑越大，球重影響越明顯，其上升高度對(duì)流通面積的影響越大，最終對(duì)過(guò)閥阻力的影響越大。而對(duì)于高黏油井，閥球上升高度對(duì)過(guò)閥阻力的影響程度減小，分析原因?yàn)殡S著井液黏度的增加，井液的攜帶能力逐漸增強(qiáng)，此時(shí)，過(guò)閥阻力僅與沖程沖次組合以及閥球直徑相關(guān)。

圖3　低黏度井液過(guò)閥摩阻與s·n的關(guān)系

圖4　中黏度井液過(guò)閥摩阻與s·n的關(guān)系

圖5　高黏度井液過(guò)閥摩阻與s·n的關(guān)系

利用Origin軟件由圖5的曲線回歸出針對(duì)稠油聚驅(qū)井高黏井液過(guò)閥摩阻與s·n和閥球直徑之間的關(guān)系式為

式中，F(xiàn)3為高黏井液過(guò)游動(dòng)閥摩阻，N；d為閥球直徑，mm。

2.2.3不同井液黏度條件下閥座內(nèi)徑對(duì)過(guò)閥壓降與s·n的關(guān)系針對(duì)相同的井液黏度，更換不同內(nèi)徑尺寸的閥座及配套閥球，測(cè)量井液過(guò)閥壓降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　不同尺寸閥座過(guò)閥阻力與s·n的關(guān)系

由圖6可以看出，對(duì)于高沖次油井，閥座內(nèi)徑越大過(guò)閥阻力越小；低沖次油井，一定實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的閥座內(nèi)徑變化對(duì)過(guò)閥阻力基本無(wú)影響。

利用Origin軟件由圖6曲線回歸出?24 mm閥座和?36 mm閥座時(shí)，過(guò)閥摩阻與s·n的關(guān)系式為

式中，F(xiàn)Φ36為?36 mm閥座時(shí)井液過(guò)游動(dòng)閥摩阻，N；FΦ24為?24 mm閥座時(shí)井液過(guò)游動(dòng)閥摩阻，N。

2.3井液過(guò)柱塞與泵筒間隙摩阻

利用縫隙流理論及牛頓內(nèi)摩擦力公式計(jì)算抽油泵柱塞與泵簡(jiǎn)間摩擦力時(shí)。常與實(shí)際工程中摩擦阻力值相差較遠(yuǎn)，主要是因?yàn)槌橛捅弥c泵筒間存在半干摩擦阻力，而理論計(jì)算值只考慮液體產(chǎn)生的摩擦阻力。因此，計(jì)算抽油泵柱塞與泵筒間的摩擦力時(shí)，多采用半干摩擦力公式，然而半干摩擦力公式是以水作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)公式，忽略了井液黏度的影響，對(duì)于稠油聚驅(qū)油井并不適用。

本實(shí)驗(yàn)選取5組間隙尺寸，依次為0.05 mm、0.75 mm、0.10 mm、0.125 mm、0.15 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖8。

圖7　不同間隙尺寸柱塞下行阻力與s·n的關(guān)系

圖8　不同黏度井液柱塞下行阻力隨間隙尺寸變化趨勢(shì)

結(jié)果表明：當(dāng)間隙尺寸介于0.05～0.125 mm之間時(shí)，柱塞下行阻力隨間隙尺寸的增加明顯減小。當(dāng)間隙尺寸大于0.125 mm時(shí)，繼續(xù)增大柱塞泵筒間隙，柱塞下行阻力變化趨于平緩。

利用Origin軟件由圖8回歸出高黏井液柱塞泵筒間隙摩阻與間隙尺寸的關(guān)系式為

式中，F(xiàn)4為高黏井液過(guò)柱塞泵筒間隙摩阻，N；δ為間隙尺寸，mm。

根據(jù)抽油泵柱塞各部件的單一素敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為對(duì)于常規(guī)井，閥球上升高度對(duì)過(guò)閥阻力影響明顯；而對(duì)于稠油聚驅(qū)井，閥球上升高度對(duì)過(guò)閥阻力基本無(wú)影響，且對(duì)于采出液黏度較高、沖次較低的油井柱塞的下行阻力受閥球閥座組合的影響較小，而對(duì)柱塞泵筒間隙尺寸的影響最為敏感。因此，對(duì)于稠油油藏聚驅(qū)井抽油泵柱塞結(jié)構(gòu)的優(yōu)化應(yīng)首先考慮柱塞與泵筒的間隙尺寸。

3　礦場(chǎng)驗(yàn)證

根據(jù)孤東采油廠普遍應(yīng)用的不同結(jié)構(gòu) ?70 mm抽油泵泵筒及配套柱塞，進(jìn)行礦場(chǎng)測(cè)試。測(cè)試井基本參數(shù)由現(xiàn)場(chǎng)提供，在測(cè)試中，柱塞長(zhǎng)度1 219 mm，配合間隙0.09～0.21 mm，柱塞中心管內(nèi)徑39 mm，閥座內(nèi)徑33 mm，閥球內(nèi)徑43 mm，沖程3.6 m，沖次可調(diào)，井液黏度1～400 mPa·s。室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與礦場(chǎng)測(cè)試結(jié)果比對(duì)情況如表2所示。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與礦場(chǎng)測(cè)試結(jié)果相吻合，最大相對(duì)誤差為5.49%。

4　實(shí)例計(jì)算

井1人工井底1 45 1m，油層溫度56.74 ℃，套管內(nèi)徑159.42 mm，油管內(nèi)徑76 mm，原油密度967.2 kg/m3，地面脫氣油黏度1 238 mPa·s，泵徑70 mm，下泵深度1 002.4 m，沖程3.6 m，沖次3.5 次/min，動(dòng)液面389 m，靜壓13.297 MPa，日產(chǎn)液量68.5 t，桿徑22 mm，桿長(zhǎng)988 m。

表2　室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與礦場(chǎng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

分別使用本模型、張琪模型和朱君模型對(duì)井1的柱塞下行阻力進(jìn)行了計(jì)算（表3），對(duì)于稠油油藏見聚井新模型的誤差小于傳統(tǒng)方法（誤差從24.46%降低至4.48%）。并根據(jù)礦場(chǎng)提供的多口典型井實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)用本模型進(jìn)行了試算，計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果相吻合（表4）。由此可得出結(jié)論：針對(duì)稠油油藏聚驅(qū)井抽油泵柱塞下行阻力的計(jì)算，采用新模型能夠明顯提高計(jì)算精度，從而為聚驅(qū)井抽油泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供更好的幫助。

表3　不同下行阻力模型計(jì)算結(jié)果與礦場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果比較

表4　實(shí)際井例與模型計(jì)算結(jié)果比較

5　結(jié)論

（1）根據(jù)抽油泵柱塞結(jié)構(gòu)，將柱塞下行摩阻分為井液過(guò)柱塞中心管摩阻、過(guò)游動(dòng)閥摩阻以及過(guò)柱塞泵筒間隙摩阻等3方面分別進(jìn)行敏感性分析。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，柱塞中心管摩阻對(duì)柱塞下行阻力的影響不可忽略，且隨著沖次的增加，影響逐漸增大。

（3）對(duì)于常規(guī)井，閥球上升高度對(duì)過(guò)閥阻力影響明顯；而對(duì)于稠油聚驅(qū)井，閥球上升高度對(duì)過(guò)閥阻力基本無(wú)影響。

（4）對(duì)于稠油聚驅(qū)井，改變閥球閥座組合，對(duì)于抽油泵減阻無(wú)明顯效果。聚驅(qū)井抽油泵柱塞下行阻力對(duì)柱塞與泵筒間隙摩阻的影響最為敏感。

（5）根據(jù)抽油泵柱塞各部件的單一素敏感性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用Origin軟件回歸得到稠油聚驅(qū)井抽油泵柱塞下行各元件阻力與s·n和井液黏度相關(guān)的計(jì)算模型，為稠油聚驅(qū)井抽油泵柱塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

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〔編輯付麗霞〕

Downward resistance of pump plunger in the polymer flooding well

HE Yanfeng, ZHONG Ming, SHU Fangqi, ZHANG Kai, ZHANG Chuanmin, LI Liangmei
（Petroleum Engineering College of Changzhou University, Changzhou 213016, China）

The downward resistance of plunger mainly comes from friction drag of well fluid passing the traveling valve, friction drag of well fluid passing the central pipeline of plunger, friction drag between plunger and pump barrel as well as other aspects. However, the traditional calculation model oversimplifies downward resistance without considering plunger structure. All of resistance coefficients of model are obtained by doing experiments with water as the medium, and they are not applicable to the polymer flooding well of heavy oil reservoir. In order to define production conditions and production parameters of the polymer flooding well of heavy oil reservoir, as well as plunger structure parameters’ effects on plunger downward resistance, the sensibility experiment versus friction drag between the central pipeline of plunger and traveling valve, and between plunger pump barrel clearance versus friction drag, have been designed respectively. Then the calculation model of friction drag of various downward elements of plunger in the polymer flooding well of heavy oil reservoir will be obtained. With regard to the polymer flooding well, the results show that the rising height of valve ball basically has no influence on resistance passing the valve, the effect of friction drag of the central pipeline of plunger on downward resistance of plunger cannot be neglected, and the effect of downward resistance of pump plunger in the polymer flooding well on friction drag between plunger and pump barrel clearance is the mostsensitive. Finally, the comparison with experimental data of the oil field indicates that accuracy is higher than that of traditional model.

polymer flooding well; oil-well pump; downward resistance; similarity principle; heavy oil reservoir

TE355

A

1000 – 7393（ 2015 ） 04 – 0117 – 05

10.13639/j.odpt.2015.04.029

何巖峰，1973年生。2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（北京）并獲得博士學(xué)位，主要從事采油工程理論與技術(shù)研究工作，副教授，博士。E-mail:heyanfeng@cczu.edu.cn。

2015-04-20）

引用格式：何巖峰，鐘明，束方啟，等.見聚井有桿抽油泵柱塞下行阻力研究［J］.石油鉆采工藝，2015，37（4）：117-121.