雙作用抽油泵節(jié)能原理及應(yīng)用分析探討

汪煒（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

管式泵作為一種油田常用抽油泵，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低和檢泵周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在各大油田得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但其也存在一定不足，這主要表現(xiàn)為：其只在驢頭上行過(guò)程中排液，而在驢頭下行過(guò)程中是不排液的，這種現(xiàn)象可以看作是光桿行程上的或能耗上的一種浪費(fèi)。針對(duì)傳統(tǒng)管式泵的不足，采用了一種雙作用泵，在抽油泵上設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的進(jìn)油口和出油口，使上、下沖程都出油，從而提高泵效降低單耗。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

新型泵主要結(jié)構(gòu)部件由密封筒、密封柱塞以及上/下沖程進(jìn)/出油口等部件組成。雙作用泵體及柱塞結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

1）泵筒總成連接在油管下端，其篩管管下方連接二根油管，下端接絲堵或?qū)уF后下入井底[4-6]；柱塞總成與密封筒與柱塞連接后一同放入泵筒內(nèi)，坐封完成后上提0.3～0.5 m 防沖距后便可正常工作。

2）由上密封筒和上密封柱塞形成一處密封，由下柱塞總成和泵筒總成形成另一處密封，使抽油泵的密封性能更為可靠，同時(shí)也使抽油泵形成了兩個(gè)獨(dú)立的密封工作腔，也正因?yàn)檫@兩個(gè)工作腔配合各自的進(jìn)油和排出口使得抽油泵具備了高密封雙作用的特性。

1.2 下、上沖程工作原理

圖1 雙作用泵體及柱塞結(jié)構(gòu)

下沖程時(shí)：所有游動(dòng)閥的凡爾球打開，固定閥的凡爾球關(guān)閉。此時(shí)，同時(shí)發(fā)生的是下沖程進(jìn)油器凡爾球打開，上沖程凡爾球關(guān)閉，泵內(nèi)井液經(jīng)柱塞內(nèi)孔至油管和抽油桿環(huán)形空間傳到地面井口裝置經(jīng)輸油口排入輸油管網(wǎng)。油套環(huán)空內(nèi)的井液經(jīng)下沖程進(jìn)油器被吸入抽油泵，下、上沖程排液原理圖見(jiàn)圖2。

上沖程時(shí)：所有游動(dòng)閥的凡爾球關(guān)閉，固定閥的凡爾球打開，此時(shí)，同時(shí)發(fā)生的是下沖程進(jìn)油器凡爾球關(guān)閉，上沖程凡爾球打開，泵內(nèi)井液被提升到地面井口裝置經(jīng)輸油端口排入輸油管網(wǎng)。油套環(huán)空內(nèi)的井液經(jīng)底部固頂閥總成吸入抽油泵，下、上沖程排液原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 下、上沖程排液原理圖

1.3 排量對(duì)比

為明確雙作用泵與常規(guī)管式泵在排量上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)它們相同參數(shù)下的理論排量進(jìn)行驗(yàn)算和對(duì)比。

1.3.1 常規(guī)管式泵理論排量

式中：Q 為理論排量，m3/d；D 為泵筒直徑，m；s 為沖程，m；n 為沖速，min-1。排量示例：沖程3 m，沖速4 min-1，D 為44 mm時(shí)，理論排量為26.3 m3/d。

1.3.2 雙作用泵理論排量

1）下沖程排量計(jì)算公式與式（1）相同，當(dāng)沖程為3 m、沖速為4 min-1，泵筒直徑為44.45 mm時(shí)，下沖程理論排量為26.8 m3/d。

2）上沖程排量計(jì)算公式為

式中：Q上沖程為上沖程理論排量，m3/d；d 為上密封柱塞直徑，mm；其余物理量含義與上述相同。上沖程排量示例：沖程3 m，沖次4 min-1，D 為44.45 mm，d 為28 mm 時(shí)，下沖程理論排量為16.2 m3/d。

由下、上沖程工作原理分析可知，總排量為下沖程排量與上沖程排量之和（43 m3/d）。

其余參數(shù)下理論排量對(duì)比（表1），以44 mm 泵為例，從表中可以看出，在相同泵徑、沖程和沖速條件下，雙作用泵理論排量較常規(guī)管式泵有大幅提高，接近于調(diào)大一級(jí)管式泵（57 mm）理論排量，因此認(rèn)為該雙作用泵可替代泵徑大一級(jí)別的管式泵使用。

表1 理論排量對(duì)比

2 應(yīng)用分析

2.1 節(jié)能效果

為驗(yàn)證其提液和節(jié)能效果，在A 和B 兩井開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。由表2 可以看出，在地面參數(shù)相同、泵徑由? 57 mm 減小到? 44 mm 的情況下，實(shí)際理論排量降低幅度很小。應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出：兩試驗(yàn)井日增液5.3 t 和4.9 t，泵效提高17.6%和12.0%，日節(jié)電34 kWh 和77 kWh，單耗降低2.83 kWh/t 和3.58 kWh/t。

2.2 其他問(wèn)題及改進(jìn)

2.2.1 坐封、密封易失效

1）現(xiàn)象簡(jiǎn)述。試驗(yàn)井A 應(yīng)用兩周發(fā)現(xiàn)流壓上升，泵況變差。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)，抽汲13 個(gè)沖程，井口壓力由0.4 MPa 上升到2.0 MPa，憋泵過(guò)程中，上沖程壓力不變，下沖程壓力上升較快，停機(jī)穩(wěn)壓，壓力緩慢下降，卸壓后，能啟抽。起泵后，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)固定坐封膠圈脫落。

表2 試驗(yàn)井效果統(tǒng)計(jì)

2）問(wèn)題分析。雙作用泵坐封為額定壓力坐封，靠泵筒內(nèi)4 個(gè)有球型頭、內(nèi)置彈簧的卡柱坐封并配合O 型膠圈密封。這種結(jié)構(gòu)在密封處壓力過(guò)高時(shí)，會(huì)造成卡柱處蠕動(dòng)形成坐卡失效或膠圈的變形，甚至脫落。

3）改進(jìn)方式。坐封結(jié)構(gòu)由原來(lái)的窄面接觸坐封改為寬面接觸坐封，增大接觸密封面積，提高密封可靠性；密封方式由矩形槽改為梯形槽，密封膠圈也由矩形斷面改為梯形，密封效果更好，結(jié)構(gòu)改進(jìn)圖見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)圖

2.2.2 下沖程進(jìn)油通道容易堵塞、無(wú)防砂措施

1）現(xiàn)象簡(jiǎn)述。試驗(yàn)井生產(chǎn)初期，產(chǎn)液量增加，流壓下降，上下電流增加，生產(chǎn)較正常。但在泵工作109 天后，功圖反映載荷降低，實(shí)測(cè)電流降低，量油產(chǎn)量下降，反映為泵漏失，報(bào)檢泵。泵起至地面后現(xiàn)場(chǎng)觀察柱塞無(wú)磨損，分析凡爾球墊住，常開漏失。起出泵后發(fā)現(xiàn)4 個(gè)進(jìn)液孔淤堵嚴(yán)重，過(guò)流空間較小。

2）問(wèn)題分析。在原雙作用泵下沖程進(jìn)油通道結(jié)構(gòu)中，有4 個(gè)進(jìn)油孔，進(jìn)液由這4 個(gè)通道匯集到一個(gè)主通道中，而后進(jìn)入環(huán)形空間。主通道口由1 個(gè)凡爾球自由坐封。此種結(jié)構(gòu)，凡爾球易墊住，造成泵漏。且進(jìn)油孔數(shù)較少、孔徑偏大，不易吸液和易進(jìn)泥砂。

3）改進(jìn)方式。將下沖程進(jìn)油孔改為由10 組進(jìn)油孔組成的，每組都由10 個(gè)直徑為2 mm 的圓形孔，外部套割縫篩管，可起到擴(kuò)大吸液面積和防砂作用。

2.2.3 空心抽油桿螺紋連接處抗拉強(qiáng)度低

1）現(xiàn)象簡(jiǎn)述.試驗(yàn)井措施后正常生產(chǎn)124 天后發(fā)現(xiàn)桿下不去停機(jī)，吊車處理無(wú)果，熱洗處理仍然無(wú)效，遂檢泵作業(yè)。施工現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)直徑? 28 mm 的上空心密封柱塞在聯(lián)接絲扣處斷，損傷為硬拉斷傷。

2）問(wèn)題分析。試驗(yàn)泵的空心柱塞是由4 根1.25 m 長(zhǎng)的空心桿靠螺紋聯(lián)接而成，螺紋聯(lián)接抗拉強(qiáng)度低，易斷裂，遇卡阻力后載荷增大，便在螺紋聯(lián)接處被硬拉斷。

3）改進(jìn)方式。取消螺紋連接，采用5 m 長(zhǎng)的整體空心抽油桿，解決螺紋聯(lián)接強(qiáng)度低的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)改進(jìn)圖見(jiàn)圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)圖

3 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了一種雙作用泵，通過(guò)兩個(gè)密封筒和兩組密封柱塞的相對(duì)獨(dú)立密封腔設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)驢頭上下行過(guò)程均排液。

2）對(duì)坐封、密封易失效；下沖程進(jìn)油通道容易堵塞、無(wú)防砂措施；空心抽油桿螺紋連接處抗拉強(qiáng)度低問(wèn)題采取針對(duì)性措施，有利于延長(zhǎng)其使用壽命。

3）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，雙作用泵能實(shí)現(xiàn)縮小泵直徑情況下理論排量變化小、能耗低和單耗降低幅度較大的效果，有利于油田節(jié)能降耗。