三元復(fù)合驅(qū)抽油機(jī)井結(jié)垢及懸點(diǎn)載荷試驗(yàn)研究

周瑞芬，柏 琳，李金玲，朱 闖

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田公司采油四廠，黑龍江大慶163318） ①

·試驗(yàn)研究·

三元復(fù)合驅(qū)抽油機(jī)井結(jié)垢及懸點(diǎn)載荷試驗(yàn)研究

周瑞芬1，柏 琳1，李金玲2，朱 闖1

（1.東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.大慶油田公司采油四廠，黑龍江大慶163318）①

三元復(fù)合驅(qū)抽油機(jī)井容易結(jié)垢，并引起卡泵事故。在室內(nèi)建立抽油機(jī)井模擬試驗(yàn)臺(tái)，在清水中加入能產(chǎn)生結(jié)垢的化學(xué)物質(zhì)模擬井液，在不同沖程和沖次下試驗(yàn)，并與清水井液的試驗(yàn)結(jié)果比較，得知結(jié)垢會(huì)引起懸點(diǎn)載荷和示功圖變化。研究結(jié)果為監(jiān)測(cè)這2個(gè)參數(shù)，預(yù)防結(jié)垢危害奠定基礎(chǔ)。

三元復(fù)合驅(qū)；懸點(diǎn)載荷；結(jié)垢；示功圖

大慶油田采用三元復(fù)合驅(qū)開(kāi)采后，原油含水率下降，產(chǎn)油量明顯增加。但是，泵筒結(jié)垢嚴(yán)重，頻繁出現(xiàn)卡泵現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)使抽油桿斷脫。從常規(guī)水驅(qū)轉(zhuǎn)為三元復(fù)合驅(qū)后，使得系統(tǒng)中流體的流動(dòng)規(guī)律與水驅(qū)相比差別很大，且更加復(fù)雜。目前只對(duì)聚驅(qū)溶液粘度影響桿的受力及偏磨現(xiàn)象有研究［1］，而對(duì)卡泵現(xiàn)象研究較少。為了降低卡泵作業(yè)率，延長(zhǎng)檢泵周期，需對(duì)三元復(fù)合驅(qū)驅(qū)油井柱塞與泵筒之間的摩擦力對(duì)懸點(diǎn)載荷的影響進(jìn)行研究。因此，在室內(nèi)建立三元復(fù)合驅(qū)抽油機(jī)井試驗(yàn)裝置，利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)三元復(fù)合驅(qū)采油井生產(chǎn)過(guò)程中柱塞與泵筒受力狀況進(jìn)行分析，查明造成卡泵的主要原因，指導(dǎo)防垢劑的加入，以保證采油的順利實(shí)施［2－4］。

1 試驗(yàn)裝置

對(duì)于三元復(fù)合驅(qū)機(jī)采井，井下泵筒和柱塞很容易結(jié)垢，這些垢大多是由于井液中含有Ca2＋、CO2－3、Mg2＋、Si4＋等離子引起的。為了研究機(jī)采井井下是如何結(jié)垢及結(jié)垢引起的載荷變化情況，在室內(nèi)建立抽油機(jī)井模擬試驗(yàn)臺(tái)，原理如圖1。

3 清水介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

圖1 抽油機(jī)井模擬試驗(yàn)臺(tái)原理

整個(gè)系統(tǒng)高5m，除泵筒采用有機(jī)玻璃材質(zhì)外，其他材質(zhì)與實(shí)際抽油機(jī)井相同。

1） 驅(qū)動(dòng)部分 由電動(dòng)機(jī)、減速器和曲柄組成。電動(dòng)機(jī)由變頻器控制，通過(guò)減速器帶動(dòng)曲柄做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。曲柄回轉(zhuǎn)半徑可調(diào)（100、200、300、400mm），實(shí)現(xiàn)抽油機(jī)沖程為200、400、600、800mm。

2） 抽油泵 由吸入閥、泵筒、活塞和排出閥組成。抽油泵為32mmⅡ級(jí)泵，柱塞長(zhǎng)600mm。抽油泵下端與油管短接相連。

3） 抽油桿（?19mm） 下端與抽油泵柱塞相連，上端通過(guò)鋼絲繩與曲柄相連。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)，曲柄通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)抽油桿及抽油泵作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)抽油過(guò)程。

4） 儲(chǔ)液罐及管線 材質(zhì)均為不銹鋼。

5） 檢測(cè)系統(tǒng) 由位移傳感器、力傳感器、數(shù)據(jù)采集板和計(jì)算機(jī)組成。測(cè)量懸點(diǎn)載荷及位移，并繪制示功圖。

2 試驗(yàn)?zāi)康募肮r參數(shù)

研究結(jié)垢對(duì)抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷的影響及示功圖的變化規(guī)律。結(jié)果用于指導(dǎo)油田在生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)懸點(diǎn)載荷變化及示功圖變化，預(yù)測(cè)結(jié)垢情況，以便適時(shí)在井中添加防垢劑，避免發(fā)生卡泵事故。

1） 工況一 定沖程，改變沖次，分別測(cè)量懸點(diǎn)載荷和示功圖。

2） 工況二 定沖次，改變沖程，分別測(cè)量懸點(diǎn)載荷和示功圖。

沖程定為0.2、0.4、0.6、0.8m；沖次定為3.3、4.5、6.9、9.0min－1。

在不銹鋼儲(chǔ)液罐中加入0.5L清水，啟動(dòng)電機(jī)，待其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后開(kāi)始試驗(yàn)。每種工況采集數(shù)據(jù)1 h，取平均值［5］。

3.1 懸點(diǎn)載荷

懸點(diǎn)載荷測(cè)量數(shù)據(jù)如圖2～3。根據(jù)振動(dòng)載荷和慣性載荷公式［6］，振動(dòng)載荷與沖程成正比、慣性載荷與沖程成正比。由圖2知，當(dāng)沖次為3.3min－1時(shí)，隨著沖程的增加，最大懸點(diǎn)載荷逐漸增加，最小懸點(diǎn)載荷逐漸減小，主要原因是沖程的增加，導(dǎo)致振動(dòng)載荷和慣性載荷增加。在上沖程時(shí)，振動(dòng)載荷和慣性載荷為正值，所以最大懸點(diǎn)載荷增加；在下沖程時(shí)，振動(dòng)載荷和慣性載荷為負(fù)值，所以最小懸點(diǎn)載荷減小。當(dāng)沖次為4.5、6.9、9.0min－1時(shí)，懸點(diǎn)載荷的變化規(guī)律也是如此。當(dāng)沖程為＜0.6m時(shí)，在任何沖次下，懸點(diǎn)載荷變化平緩。當(dāng)沖程0.6～0.8m時(shí)，懸點(diǎn)載荷變化比較明顯。尤其是在沖次為9 min－1時(shí)，懸點(diǎn)載荷呈現(xiàn)了突變，說(shuō)明慣性載荷變化幅度增加。由圖3可知：當(dāng)沖程為0.2、0.4、0.6m時(shí)，懸點(diǎn)最大載荷隨著沖次的增加而增加，懸點(diǎn)最小載荷隨著沖次的增加而減小，但是變化并不明顯；當(dāng)沖程為0.8m時(shí)，在沖次6.9min－1時(shí)，最大懸點(diǎn)載荷有明顯增加，最小懸點(diǎn)載荷變化并不明顯，最大懸點(diǎn)載荷的變化值比最小懸點(diǎn)載荷的變化值大，主要是上沖程慣性載荷要大于下沖程慣性載荷。

圖2 定沖次時(shí)懸點(diǎn)載荷隨沖程變化曲線（清水介質(zhì)）

圖3 定沖程時(shí)懸點(diǎn)載荷隨沖次變化曲線（清水介質(zhì)）

3.2 示功圖

典型的示功圖如圖4～5，可看出，幾種工況下的示功圖類似于長(zhǎng)方形，這是由于抽油桿尺寸短，振動(dòng)和慣性載荷很小造成的。最大懸點(diǎn)載荷隨沖次的增加而增加，最小懸點(diǎn)載荷隨沖次的增加而減小。

圖4 沖程為0.4m的示功圖（清水介質(zhì)）

圖5 沖程為0.6m的示功圖（清水介質(zhì)）

4 結(jié)垢介質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果

在不銹鋼儲(chǔ)液罐中加入0.5L清水，并添加化學(xué)物質(zhì)，邊加入邊攪拌。啟動(dòng)電機(jī)，待其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后開(kāi)始試驗(yàn)。每種工況采集數(shù)據(jù)1h，取平均值［5］。

4.1 試驗(yàn)介質(zhì)

為模擬三元復(fù)合驅(qū)井液的離子濃度［4］，在0.5 L清水中按表1添加化學(xué)物質(zhì)。CaCO3和CaSiO3為結(jié)垢的成分。化學(xué)反應(yīng)方程式為：

表1 清水中所加化學(xué)物質(zhì) g

4.2 懸點(diǎn)載荷

懸點(diǎn)載荷測(cè)量數(shù)據(jù)如圖6～7。由圖6知：在結(jié)垢時(shí)期當(dāng)沖程為0.2、0.4、0.6m時(shí)，隨著沖次的增加，最大懸點(diǎn)載荷增加，最小懸點(diǎn)載荷減小，變化趨勢(shì)基本一致；而在沖程0.8m時(shí)，當(dāng)沖次＞6.9 min－1時(shí)，懸點(diǎn)最大載荷與懸點(diǎn)最小載荷有突變。由圖7知，在結(jié)垢時(shí)期當(dāng)沖次為3.3、4.5、6.9min－1時(shí)，隨著沖程的增加，最大懸點(diǎn)載荷增加，最小懸點(diǎn)載荷減小，變化趨勢(shì)基本一致；而在沖次為9min－1時(shí)，在沖程＞0.6m時(shí)，懸點(diǎn)最大載荷與懸點(diǎn)最小載荷都有突變，這時(shí)的載荷變化規(guī)律與清水情況下載荷的變化規(guī)律有所不同。

圖6 定沖程程時(shí)懸點(diǎn)載荷隨沖次變化曲線（結(jié)垢介質(zhì)）

圖7 定沖程次時(shí)懸點(diǎn)載荷隨沖程變化曲線（結(jié)垢介質(zhì)）

4.3 示功圖

由圖8～9可以看出，示功圖上下邊出現(xiàn)了波動(dòng)，這些變化是由于結(jié)垢引起摩擦載荷增加，致使最大懸點(diǎn)載荷增加約30%，最小懸點(diǎn)載荷減小。上、下沖程時(shí)產(chǎn)生的波動(dòng)是由于柱塞和泵筒之間存有垢粒，隨著柱塞上下抽吸，垢粒在泵筒中游動(dòng)，因此造成沖程越大、沖次越大，摩擦載荷越大，致使示功圖波動(dòng)越大。

圖8 沖程為0.4m的示功圖（結(jié)垢介質(zhì)）

圖9 沖程為0.6m的示功圖（結(jié)垢介質(zhì)）

5 對(duì)比分析

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)論是在清水還是結(jié)垢狀態(tài)下，當(dāng)沖程（沖次）一定時(shí)，隨著沖次（沖程）的增加，最大懸點(diǎn)載荷增加，最小懸點(diǎn)載荷減小。不同的是結(jié)垢時(shí)的示功圖出現(xiàn)了波動(dòng)，不在是單一的示功圖變的肥大，其原因是柱塞與泵筒之間有垢粒，隨著柱塞的上下抽吸，垢粒在泵筒中上下竄動(dòng)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，造成摩擦載荷增加。對(duì)于上沖程，摩擦載荷是正值，所以最大懸點(diǎn)載荷增加；對(duì)于下沖程，摩擦載荷是負(fù)值，所以最小懸點(diǎn)載荷減小，因此在示功圖中表現(xiàn)出波動(dòng)。

6 結(jié)論

1） 當(dāng)沖程一定時(shí)，隨著沖次的增加，最大懸點(diǎn)載荷逐漸增大，最小懸點(diǎn)載荷逐漸減小。

2） 當(dāng)沖次一定時(shí)，隨著沖程的增加，最大懸點(diǎn)載荷逐漸增大，最小懸點(diǎn)載荷逐漸減小。

3） 在相同工況下，清水介質(zhì)的示功圖是光滑的矩形曲線；有結(jié)垢時(shí)，由于摩擦載荷的增加，示功圖出現(xiàn)了波動(dòng)，

4） 在生產(chǎn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)懸點(diǎn)載荷和示功圖，根據(jù)變化規(guī)律采取相應(yīng)措施，可以避免結(jié)垢造成的卡泵事故發(fā)生。

［1］ 李金玲，李天德，陳修君，等.強(qiáng)堿三元復(fù)合驅(qū)結(jié)垢對(duì)機(jī)采井的影響及解決措施［J］.大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2008，27（3）.89－91.

［2］ 程杰成，廖廣志，楊振宇，等.大慶油田三元復(fù)合驅(qū)礦場(chǎng)試驗(yàn)綜述［J］.大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2001，20（2）：46－49.

［3］ 王玉普，程杰成.三元復(fù)合驅(qū)過(guò)程中的結(jié)垢特點(diǎn)和機(jī)采方式適應(yīng)性［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，27（2）：20－22.

［4］ 徐典平，薛家鋒，包亞臣，等.三元復(fù)合驅(qū)油井結(jié)垢機(jī)理研究［J］.大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā)，2001，20（2）：98－100.

［5］ 沈迪成，艾萬(wàn)誠(chéng)，盛曾順，等.抽油泵［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：154.

［6］ 董世民，張世軍.抽油機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：15－38.

Experiment Research of Scaling and Suspended Load of ASP Flooding Pumping Well

ZHOU Rui－fen1，BAI Lin1，LI Jin－ling2，ZHU Chuang1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.No.4 Oil Production Plant，Daqing Oilfield Canpany，Daqing163318，China）

It is easy to produce stuck pump and cause accident in ASP flooding pumping wells.The test－bed of pumping well in indoor was established，addition of chemical substances it can produce scale in water to simulate drilling fluid.Test in different stroke and the number punching，the results of clean water test，scaling rod load and changes in dynamometer were compared.Research results through the monitoring of these two parameters，the basis for the prevention of fouling hazard.

ASP flooding；rod load；scaling；dynamometer

1001－3482（2012）04－0044－04

TE933.1

A

2011－10－27

黑龍江省教育廳項(xiàng)目（11551012）資助

周瑞芬（1972－），女，河北唐山人，副教授，博士，主要從事油井桿柱力學(xué)性能研究，E－mail：zhourf0218＠163.com。