液氣混抽泵強制排氣增產技術研究

趙 輝，楊 峰，王海文

（1.中石化勝利油田分公司 東辛采油廠，山東 東營257094；2.中國石油大學（華東），山東 青島266580）＊

高氣油比油井受到氣體影響而造成抽油泵充滿度低［1］。為了減少進泵氣體，采用氣錨分離出部分氣體到油套環空，通常能取得較好效果［2］。氣錨分氣效率與氣油比有關，如果油井氣油比很大、間歇出氣量很大或者形成泡沫油，氣錨分離效果受影響［3］，使用氣錨后進泵氣體量仍很大，泵不能及時排出氣體，造成惡性循環。抽油泵因為氣體影響不能正常工作，每一個沖次不排液或者排液量很少，導致油井達不到設計產量。本文研究一種能夠強制排出進泵氣體的抽油泵，分析了泵的工作原理和適用條件，建立了泵工作參數計算模型。

1 結構和工作原理

液氣混抽泵（以下簡稱液氣泵）泵筒從下到上依次由長泵筒段、氣包段和短泵筒段等3段連接組成，固定閥、游動閥和泵柱塞與常規抽油泵相同。氣包段為雙層空腔結構，襯套上割有篩縫連通氣包空腔與泵腔，只要能夠保證長泵筒段、氣包段和短泵筒段同心，氣包段也可以不設置割縫襯套。

圖1分別表示液氣泵在上、下沖程工作中柱塞處于不同位置及固定閥和游動閥的開閉狀態。

1） 上沖程（如圖1a）。柱塞到達氣包段之前，工作原理與常規抽油泵相同。

2） 氣體進氣包（如圖1b）。柱塞下端面高于氣包段下端面，氣包空腔與泵內連通，泵內氣體與氣包內液體在密度差異重力作用下對流，氣體進入氣包空腔并上升至空腔上部。

3） 上死點（如圖1c）。泵筒內形成上氣下液的分布。

4） 下沖程（如圖1d）。柱塞向下運動，排擠泵腔內氣體到氣包空腔內，直至柱塞下端面到達氣液界面，這時氣體全部進入氣包空腔。

5） 氣體出氣包（如圖1e）。柱塞繼續向下運動，泵內壓力繼續升高，直至游動閥打開，泵開始排液，泵的工作情況與常規抽油泵完全充滿液體情況相似。當柱塞上端面低于氣包段上端面時，氣包空腔與泵上連通，氣包內氣體與泵上液體對流，氣體進入泵上油管內，泵上液體流入氣包空腔。

圖1 液氣泵工作示意

由上述液氣泵工作原理可以看出：進入泵的氣體通過氣包空腔排到泵上，氣體不經過游動閥，避免了氣體對打開游動閥的影響，能夠強制排氣。上沖程氣體進入氣包空腔置換出其中的液體，下沖程氣體排到泵上，而泵上的液體進入氣包空腔。上下沖程中，氣體從泵內排到泵上，是以泵上液體漏進泵腔為代價的，這是液氣泵的一個缺陷。

目前，液氣泵尚處于試驗階段，有44mm和56 mm 2種規格，泵的結構參數參照組合泵筒管式泵結構設計［4］。氣包段結構參數如表1。

表1 液氣泵氣包段結構參數

2 泵的排量和效率計算模型

常規抽油泵理論排量為

式中：Vt為泵1個沖次理論排量，m3；fp為泵柱塞截面積，m2；S為懸點沖程，m。

由于沖程損失、泵充滿程度、泵漏失和原油體積系數等因素，泵的實際排量一般少于理論排量，即

式中：V為泵1個沖次實際排量，m3；η為泵效，%。

泵的作用是給流體增加能量，泵效是能量轉換的效率，對抽油泵來說，是光桿的機械能傳遞到抽汲液體勢能的轉換效率。抽油泵是體積泵，可以用體積比表示泵效，因此式（2）中的泵效嚴格來說是體積泵效，也稱為抽油泵的排量系數［5－6］，而不是能量轉換意義上的泵效。

泵效可分解為4個部分，即

式中：ηγ為沖程損失對泵效的影響；ηB為原油體積系數對泵效的影響；β為泵充滿程度對泵效的影響；ηL為泵漏失對泵效的影響。

將泵效各影響因素表達式代入，則

式中：Sp為泵柱塞沖程；Bl為沉沒壓力條件下被抽汲液體的體積系數；Vv為進入泵內的液體體積；Vr為柱塞1個沖程讓出的泵內體積；Vl為漏失液體體積。

根據液氣泵的結構和工作原理，液氣泵的理論排量和實際排量仍可以用式（1）～（2）計算。影響泵效的4個因素中，沖程損失、原油體積系數對泵效的影響沒有明顯差別，而泵充滿程度和泵漏失有明顯差別。液氣泵在上沖程有氣體進入氣包空腔置換液體進入泵的過程，這個過程造成泵腔的充滿程度提高了，而同時泵漏失量增加了。

將影響液氣泵泵效各因素表達式代入式（3）得

式中：Vgr為上沖程從氣包空腔置換到泵的液體體積。

將式（5）進行變換得

式（6）中，（Vv＋Vgr＋Vl）幾乎與Vr相等，因此第2項近似為零。比較式（6）與式（4），可以認為常規泵與液氣泵的體積泵效差別不大。進入氣包空腔的氣體體積與置換進入泵的液體體積相同，從體積上相互低消了。換個角度說，如果不考慮其他漏失因素，在上沖程從氣包空腔漏失進泵的液體，下沖程時又悉數排回到泵上。

3 分析

3.1 液氣泵的作用

由上述計算模型可以看出，常規泵與液氣泵的實際排量差別不大。由于液氣泵特有的結構和工作原理，每個沖次都能排出一部分氣體，避免抽油泵氣鎖。通過強制排出進入泵內的氣體，使抽油泵恢復排液功能，隨著油井產量增加，氣液滑脫減輕，進泵氣油比進一步降低，達到穩定生產狀態。

3.2 適應的進泵氣油比

如果進泵全部為氣體，按照液氣泵的工作原理，柱塞到達上死點時，氣包空腔里的液體流入長泵筒段，氣體進入氣包，下沖程進入長泵筒的液體經游動閥排到泵上，液氣泵在純氣的情況下仍然能夠正常工作。

如果進泵全部為液體，氣包空腔里的液體壓力為泵出口壓力，大于泵內液體壓力，在上沖程連通的時候，壓力趨于一致，有少量液體從氣包空腔膨脹進泵，其他方面與常規泵相同。因此，液氣泵適應的進泵氣油比的情況是“有氣則排，無氣照常工作”。

3.3 柱塞上死點位置對液氣泵工作效果的影響

上死點時柱塞的位置對液氣泵工作效果有很大影響。如果柱塞底端面處于氣包段上端，氣體在氣包段的分布按氣包環空和泵腔截面積比例分布。

如果上死點時柱塞底端面太高，進入短泵段，在短泵段讓出的體積被氣體占據，這樣就增加了下沖程壓縮氣體的行程，降低泵效。

如果上死點時柱塞底端面低于氣包段上部，能夠增加進入氣包空腔氣體比例，但氣液對流時間短，效果不明顯。如果柱塞底端面位于氣包段下部，氣液來不及對流，影響氣包段作用發揮。如果柱塞底端面未進入氣包段，氣包段不起作用，與常規泵完全相同。

由此可知，要求上死點時柱塞底端面處于氣包段上端，如圖1c所示。

3.4 液氣泵井示功圖的特點

由于氣包環空截面積遠大于泵腔截面積（如表1），大部分氣體進入氣包空腔，下沖程柱塞壓縮泵內氣體到達氣液界面的行程大幅縮短，根據氣油比情況，游動閥有可能在柱塞進入長泵筒段前打開，進入長泵筒段后，泵處于完全充滿狀態，實測液氣泵井示功圖充滿程度很高。由上述排量與泵效計算模型分析可知，雖然泵充滿程度高，由于漏失量增加，泵的實際排量并不增加。

上沖程柱塞底端面高于氣包段時，氣包空腔里的高壓液體與泵腔連通，能在示功圖上觀察到載荷略微下降，這是判斷上提防沖距是否合適的判斷依據之一。

3.5 泡沫油的影響

泡沫油氣液難以分離，在泵內形成上氣下液的分布狀態不明顯，降低氣體進入氣包空腔的速度，影響液氣泵排液速度，但仍能強制排出氣體，避免常規泵氣鎖狀態的發生。

3.6 進泵氣油比與氣包段長度優化

氣包段能夠強制排氣，同時也造成漏失和能量損耗，根據進泵氣油比，合理設置氣包段長度非常必要。氣包段長度要小于泵柱塞長度，表1給出的氣包段長度為0.7m，是否是最優長度尚待試驗證實。

4 應用實例

鹽22區塊為低孔特低滲油藏，采用整體壓裂方式投產，地面原油密度 0.84g／cm3，黏 度18.5 mPa·s，飽和壓力19.2MPa，氣油比149.6m3／t。針對區塊高氣油比、低泵效，先后在8口井上配套應用了組合氣錨和傘形多級分離氣錨，8口井平均產量由 4.9m3／d 上 升 為 5.3m3／d，平 均 泵 效 由20.20%上升為24.50%，8口井總體使用氣錨效果不明顯。而在其中氣油比約為30的YJN22－42井和YJN22－45井上，分別使用組合氣錨和傘形多級分離氣錨取得較好效果。本文以YJN22X48井為例說明在氣油比＞50的油井上使用液氣泵的效果，由于高氣油比導致泡沫的原因，動液面測不準。

4.1 常規抽油泵的生產情況

采用深抽工藝，下泵深度2 400m，采用常規44mm抽油泵，未使用氣錨，25mm連續桿，沖程4.2m，沖次3.5min－1，日產液量4.8t／d，日產氣量411m3／d，含水6.5%，泵效15%。套管出氣在井口輸入地面管線，日產氣量包含套管產氣量和油管產氣量。按王偉章研究的方法［7］，該井經抽油泵產出液的氣油比約為50m3／t。

2011－07－11實測示功圖如圖2所示。

圖2 YJN22X48井使用常規抽油泵采油實測示功圖

由生產數據和圖2可以看出：抽油泵受氣體影響嚴重，下沖程卸載困難，有效排液沖程很短，上沖程加載緩慢，最大載荷高達120kN，按D級抽油桿強度計算，抽油桿應力范圍比1.53，超應力范圍。造成最大載荷大的原因主要有：產量低、滑脫明顯、泵上流體平均密度大；油井實際動液面遠比測試得到的動液面深。

4.2 液氣泵的生產情況

在YJN22X48井使用液氣泵采油，其他工藝參數與使用常規抽油泵時相同，投產后日產液量明顯上升。2011－09－07實測示功圖如圖3所示，對應日期的日產液量為22.2t／d，日產氣量2 417m3／d，含水7.5%，泵效69%。

由圖3可以看出：下沖程0.7m后開始卸載，符合液氣泵示功圖特點，抽油泵充滿程度較高，泵效大幅提高，最大載荷降為107.3kN，抽油桿應力范圍比為1.06。

圖3 YJN22X48井使用液氣泵采油的實測示功圖

4.3 對比分析

YJN22X48井使用液氣泵采油前后日產液量與日產氣量如圖4～5所示。2011－07－17前使用常規泵采油，之后由于氣體影響而停產。2011－08－06使用液氣泵投產。由圖4～5可以看出：油井產油量和產氣量都同期大幅提高，其增產的機理在于用液氣泵能夠強制排出已經進入泵的氣體，解決了常規泵受氣體影響嚴重的問題，實現了氣液同步混抽。同時由于產量增加，泵下、泵上氣液滑脫現象減弱，泵上流體平均密度降低，液柱載荷減小，降低了抽油桿應力范圍比。

圖4 YJN22X48井使用液氣泵采油前后日產液量

圖5 YJN22X48井使用液氣泵采油前后日產氣量

表2為鹽家區塊實施液氣混泵采油的油井生產數據。由表2中數據可以看出：油井含氣大的井增產效果明顯，其中，YJN22X48井增產效果最好；而日產氣量少的井，例如YJA925X2井，增產效果不明顯。由于氣包空腔具有強制排氣作用，能夠降低活塞壓縮泵內氣體的無效行程，所以液氣泵對氣體影響嚴重的油井增產效果好。

表2 鹽家區塊實施液氣混泵油井增油數據

5 結論

1） 根據液氣泵結構和工作原理，建立了液氣泵工作參數計算模型，可用于進行液氣泵油氣混抽工藝方案設計計算、示功圖解釋和工況診斷的理論依據。

2） 液氣泵是對常規抽油泵進行了改進，采用氣包空腔輸送氣體，具有強制排氣作用，可以避免抽油泵氣鎖，適用于高氣油比油井，尤其適用于前期常規抽油泵采油受氣體影響嚴重的油井，能夠通過強制排出氣體，使抽油泵正常工作。

3） 由于液氣泵結構和工作原理的限制，液氣泵通過氣包空腔把進泵氣體轉移到泵上，是以泵上液體漏進泵腔為代價的，在受氣體影響不明顯的油井上使用液氣泵，不能提高泵效。

4） 在高氣油比的鹽家油田進行了液氣泵采油的現場試驗，試驗井泵效由15%上升到69%，產量大幅度提高，取得良好效果。今后將在注氮氣和注二氧化碳吞吐井上試驗。

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