拉桿泵受力分析及現(xiàn)場應(yīng)用

宋增彬（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

近20年來，受采出液含水率、井況等因素影響，油田的抽油機(jī)井桿管偏磨狀況日趨嚴(yán)重。在抽油桿上安裝一定數(shù)量的尼龍扶正器，可以避免抽油桿與油管直接接觸，起到了一定的防護(hù)作用。但是，由于扶正器竄位、磨桿、失效等原因，抽油桿因偏磨斷裂、油管磨漏等因素仍然是油田檢泵作業(yè)的主要因素之一[1]。2016—2020年因偏磨檢泵數(shù)據(jù)見表1。

表1 2016—2020年因偏磨檢泵數(shù)據(jù)Tab.1 Eccentric wear inspection pump data from 2016 to 2020

此外，抽油桿上的扶正器在生產(chǎn)時與采出液的相對位移中所形成的阻力，一方面會增加單井舉升能耗，另一方面會加劇桿柱與管柱的摩擦。因此，嘗試應(yīng)用拉桿泵，不但可取消抽油桿扶正器，還可減緩桿管偏磨。

1 拉桿泵

抽油桿的偏磨，主要發(fā)生在抽油機(jī)生產(chǎn)動作的下沖程過程中。通過桿柱受力分析，桿柱下沖程所受到的阻力，是桿、管偏磨的一個必要因素，阻力越大，偏磨越嚴(yán)重，桿柱受力中和點(diǎn)越上移，偏磨段也越長。應(yīng)用拉桿泵，利用拉桿泵工作時對活塞（桿柱）額外產(chǎn)生的下拉力，減小（抵消）桿柱下沖程中受到的阻力，理論上是可以減緩桿、管偏磨的。

1.1 拉桿泵的原理

拉桿泵是一種整筒式抽油泵，它的活塞、固定閥結(jié)構(gòu)與常規(guī)抽油泵不同。拉桿泵的活塞底端連接一根拉桿，通過泵的環(huán)形固定閥伸出泵筒。拉桿具有一定的長度，以保證拉桿泵活塞在上下沖程時，拉桿始終能夠穿過泵的環(huán)形固定閥，一端外漏于泵筒外部。

拉桿泵除了拉桿、環(huán)形固定閥之外，與常規(guī)整筒泵一樣，由活塞、泵筒、拉桿、泵配件組成，其中泵配件分為上游動閥、拉桿連接頭和環(huán)形固定閥。拉桿泵結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 拉桿泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Rod pump structure

1.2 拉桿泵的受力分析

假設(shè)有一個密閉容器，內(nèi)部裝滿液體，中間有一個隔斷，將密閉容器分為上下兩部分。一根直徑與液體同比重的柱子穿過隔斷，與隔斷接觸位置無摩擦且密封。當(dāng)上下兩部分的壓力不同，高壓為P1，低壓為P2時，柱子受到一個合力F，方向由高壓向低壓。這個合力與兩部分的壓力差和柱子的過隔斷的面積有關(guān)，與柱子的形狀沒有關(guān)系。即：

式中：F為合力，N；P1、P2為高壓、低壓，MPa。

拉桿泵在上沖程時，活塞游動閥關(guān)閉，環(huán)形固定閥打開。此時的活塞可以簡化成隔斷，活塞上部的泵筒為高壓區(qū)，活塞下部的泵筒為低壓區(qū)。此時的拉桿泵工作狀態(tài)與常規(guī)抽油泵無異。

拉桿泵在下沖程時，活塞游動閥打開，環(huán)形固定閥關(guān)閉。此時活塞上下端壓力一致，可以把環(huán)形固定閥簡化成隔斷，泵筒內(nèi)為高壓區(qū)，泵外為低壓區(qū)，拉桿為柱子。則拉桿受到一個合力，這個合力與拉桿直徑、高低壓區(qū)的壓差有關(guān)。

按照油田抽油機(jī)井平均泵掛深度950 m、泵沉沒度250 m、油壓0.5 MPa來計(jì)算，則拉桿泵在下沖程時，拉桿對于活塞所產(chǎn)生的下拉力為：

式中：ρ為采出液密度，計(jì)算中取950 kg/m3；h掛為泵掛深度，m；h沉為泵沉沒度，m；P油壓為管柱內(nèi)油壓，MPa；R為拉桿直徑，m。

現(xiàn)場試驗(yàn)中，應(yīng)用拉桿泵拉桿直徑為0.040 2 m，則可以計(jì)算出拉桿為活塞帶來的下拉力為8 901.7 N，約908 kg。

通過計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，拉桿泵的拉桿對活塞（桿柱）產(chǎn)生的下拉力與泵掛深度、泵沉沒度、拉桿直徑、流體密度、流壓有關(guān)，前三者是主要因素。

1.3 拉桿泵拉桿下拉力的驗(yàn)證

拉桿泵在下沖程時，能夠給予桿柱一個下拉力，如果這個下拉力完全抵消掉桿柱下沖程時受到的阻力，則桿柱的受力中和點(diǎn)將在桿柱最末端，全井抽油桿與油管間的磨損將會最小。

通過相同的井、管、桿、生產(chǎn)參數(shù)，分別下入了常規(guī)整筒泵和拉桿泵，通過相同的測試儀器、測試人員以及應(yīng)用了桿柱載荷記錄儀，可獲得不同的柱受力數(shù)據(jù)用于對比[2]。

以1口聚驅(qū)剛見效的抽油機(jī)井為例，泵徑57 mm，泵掛980.77 m。設(shè)計(jì)了3種采油工藝方案。工藝1：帶扶正器抽油桿+整筒泵（原井管柱）；工藝2：不帶扶正器抽油桿+整筒泵（原井泵、耐磨管）；工藝3：不帶扶正器抽油桿+拉桿泵（試驗(yàn)泵、耐磨管）。3種不同采油工藝方案測試數(shù)據(jù)見表2。

表2 3種不同采油工藝方案測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of three different oil production process schemes

1）量化了防噴盒+活塞的磨阻對于桿柱的受力影響。防噴盒和活塞對于桿柱的作用力與桿柱運(yùn)行方向相反，始終表現(xiàn)為阻力，通過安裝在光桿上端的桿柱載荷記錄儀，對比上沖程和下沖程行程中停機(jī)時桿柱載荷數(shù)據(jù)，獲得了防噴盒和活塞對于桿柱的作用力大小約為65 kg。

2）抽油桿扶正器對于節(jié)電率影響較大。抽油桿上有無扶正器，節(jié)電差異較大，措施效果對比見表3，桿柱不帶扶正器，節(jié)電率能夠提高15.02%；拉桿泵與整筒泵相比，會對桿柱產(chǎn)生額外的向下拉力，能耗略有增加[3-6]。

表3 措施效果對比Tab.3 Comparison of measures and effects

3）與整筒泵相比，拉桿泵能夠下移桿柱受力中和點(diǎn)。抽油桿載荷記錄儀所測數(shù)據(jù)見表4，下沖程時，泵上第1根抽油桿處受力狀況：整筒泵工藝狀態(tài)為擠壓力，拉桿泵工藝狀態(tài)為下拉力，說明應(yīng)用拉桿泵之后，該處桿柱受力不再向上，中和點(diǎn)在泵下；拉桿泵與整筒泵對比，在桿柱上作用力在800～900 kg。而該井進(jìn)行理論拉力計(jì)算得到的下拉力為819 kg，與測試數(shù)據(jù)較為相符[7-9]。

表4 抽油桿載荷記錄儀數(shù)據(jù)Tab.4 Sucker rod load recorder data kg

2 拉桿泵的現(xiàn)場應(yīng)用

拉桿泵的試驗(yàn)應(yīng)用較早，在2017年，先后下井了6臺拉桿泵。由于措施、結(jié)蠟、桿斷等原因，先后起出了4口井。但有2口井服役時間較長。2021年，再次現(xiàn)場應(yīng)用了5口井，并取消了抽油桿扶正器。

2.1 平均最小載荷上升幅度較大

在用的7口拉桿泵試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)見表5，平均泵效由應(yīng)用前的49.82%穩(wěn)定在48.90%，保持穩(wěn)定趨勢。對比示功圖載荷數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用拉桿泵后，單井平均最小載荷由12.96 kN上升到23.68 kN，增加了10.72 kN，即單井增加了1 091 kg的下拉力。

表5 拉桿泵試驗(yàn)井?dāng)?shù)據(jù)Tab.5 Data of rod pump test well

拉桿泵的超長時間服役，有以下兩點(diǎn)原因：

1）拉桿泵配件升級使用。由于拉桿泵在活塞下端連接了一根拉桿，穿過泵筒和環(huán)形固定閥外露出泵筒。拉桿自身擠占了一部分泵筒體積，使得泵筒排量偏小。為了彌補(bǔ)這部分體積（或者說是排量），需要應(yīng)用比實(shí)際需求更大的泵徑。上述的2口井應(yīng)用的是?70 mm整筒泵，拉桿直徑為?40.2 mm，其排量等同于?57 mm泵排量。也就是說，?57 mm泵的液量通過?70 mm泵的配件進(jìn)行生產(chǎn)，對延長配件壽命是有利的。

2）拉桿泵的環(huán)形固定閥結(jié)構(gòu)較為合理。拉桿穿過環(huán)形閥，與其內(nèi)腔形成面密封且能夠相對滑動。正常生產(chǎn)過程中，環(huán)形閥的開合都是通過拉桿在上下運(yùn)行時與其內(nèi)腔形成的摩擦力進(jìn)行的，這個力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)固定閥靠壓差開合時產(chǎn)生的力。因此，固定閥與座之間的磨損較小。

2.2 節(jié)能效果分析

拉桿泵試驗(yàn)井節(jié)能效果見表6，平均有功功率由應(yīng)用前的4.85 kWh下降到應(yīng)用后的4.46 kWh，下降了8.0%，平均百米噸液耗電由0.84 kWh/(100 m·t)下降到0.71 kWh/(100 m·t)，平均節(jié)電率達(dá)到了15.48%，平均系統(tǒng)效率上升了6.14%，年節(jié)電能力達(dá)到了4.42×104kWh，取得了較好的節(jié)能效果。

表6 拉桿泵試驗(yàn)井節(jié)能效果Tab.6 Energy saving effect of rod pump test well

3 結(jié)論

通過理論計(jì)算和現(xiàn)場試驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，拉桿泵能夠利用管柱內(nèi)外的壓力差，對桿柱形成下拉力，減緩桿管摩擦磨損；固定閥結(jié)構(gòu)合理，能夠較好的延長檢泵周期；取消抽油桿扶正器，平均節(jié)電率達(dá)到15.48%，取得了較好的節(jié)能效果。

此外，拉桿泵的下拉力與泵的沉沒度關(guān)系較大，對于套管液面過高的井，拉桿泵所產(chǎn)生的下拉力較小。如果只是依靠拉桿泵來治理?xiàng)U管偏磨，則需要格外注意泵的沉沒度。

通過少量試驗(yàn)井的現(xiàn)場數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)拉桿泵足以將下沖程時桿柱中和點(diǎn)下移至泵下[10]。但是對于其他泵徑、其他物性的采出液，是否需要在拉桿下部額外配重，還需要進(jìn)一步研究、探索和驗(yàn)證。