雙卡式桿式泵的研制及應(yīng)用

牛彩云，張宏福，甘慶明，李大建

（1.長(zhǎng)慶油田公司 油氣工藝研究院，西安710018；2.低滲透油氣田勘探開(kāi)發(fā)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，西安710018）①

桿式泵最大優(yōu)勢(shì)是檢泵作業(yè)不起油管，作業(yè)成本低。國(guó)外桿式泵應(yīng)用占有桿泵的85%～90%［1］，國(guó)內(nèi)桿式泵用量非常小，不足有桿泵的10%，一方面是由于桿式泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)密封及支承件性能要求高，設(shè)計(jì)制造相對(duì)因難；另一方面是井筒狀況復(fù)雜，作業(yè)質(zhì)量要求高，一線施工單位對(duì)其性能爭(zhēng)議較大，使用習(xí)慣存在一定差異性［2］。因此，桿式泵在國(guó)內(nèi)應(yīng)用少。

長(zhǎng)慶油田油井?dāng)?shù)量多，目前定向井開(kāi)發(fā)井?dāng)?shù)已突破4萬(wàn)口；單井產(chǎn)量低，平均單井日產(chǎn)液量4 m3/d；開(kāi)采層位逐年下移，平均井深超過(guò)2 000 m。為降低作業(yè)成本，2009年開(kāi)始研究桿式泵，通過(guò)近幾年的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，定型了以機(jī)械與皮碗雙密封的雙卡式桿式泵，目前應(yīng)用數(shù)量突破5 000口。本文通過(guò)對(duì)雙卡式桿式泵結(jié)構(gòu)及應(yīng)用現(xiàn)狀分析，為桿式泵后續(xù)改進(jìn)、發(fā)展及推廣提供一定的借鑒。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)組成

雙卡式桿式泵為定筒式頂部固定，采用機(jī)械、皮碗雙密封方式，其結(jié)構(gòu)由抽油泵、支承總成、防噴器3大部分組成。抽油泵主要由泵筒總成、柱塞總成、支承密封總成（包括機(jī)械支承座、機(jī)械支承卡套、皮碗等）及泵下頂桿等部件組成；支承總成主要由上接頭、支承座圈、支承主體等組成；防噴器采用球形單流閥結(jié)構(gòu)，上端與支承總成相連，主要有閥球、彈簧等，作用是防止井內(nèi)液體發(fā)生井噴。雙卡式桿式泵結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 桿式泵結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

圖2 桿式泵工作原理

雙卡式桿式泵作業(yè)時(shí)，首先將泵的外筒、機(jī)械支承密封定位部分連接到油管柱中，下到泵掛預(yù)定位置；再將泵筒、柱塞和泵支承密封所組成的抽汲部分連接到抽油桿柱的下端，隨抽油桿柱一起下入泵外筒的密封定位處，靠抽油桿自重實(shí)現(xiàn)桿式泵坐封；同時(shí)防噴閥球下移打開(kāi)防噴器。正常生產(chǎn)時(shí)，桿式泵的抽汲原理同管式泵。檢泵時(shí)，上提抽油桿，泵隨之起出，而油管則不動(dòng)，從而達(dá)到降低作業(yè)成本的目的。

1.3 基本參數(shù)

長(zhǎng)慶油田單井產(chǎn)量低，設(shè)計(jì)泵徑以小排量（28、32、38 mm）抽油泵為主，泵長(zhǎng)6 370 mm，泵體最大外徑、連接油管、抽油桿螺紋等參數(shù)如表1。

表1 雙卡式桿式泵基本參數(shù)

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

截至2013－05，長(zhǎng)慶油田共推廣應(yīng)用桿式泵5 011口井，目前在用4 251口，平均日產(chǎn)液量3.11 m3/d，日產(chǎn)油量1.44 t/d，含水42.9%，泵效35.4%。與管式泵相比，油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)較為接近，但檢泵周期約為管式泵的2/3，井下作業(yè)總量較管式泵高15%，起油管比例達(dá)到了70%。最主要原因?yàn)榫矤顩r和桿式泵自身結(jié)構(gòu)所引起的。從目前現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用看，桿式泵不適合結(jié)蠟、結(jié)垢井。

1） 與管式泵相比，桿式泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)上多了支承總成部分，由此產(chǎn)生的故障占桿式泵井下作業(yè)總量的15%。

2012年，長(zhǎng)慶油田桿式泵井下作業(yè)總量482井次，支承總成引起的作業(yè)量為71井次，占作業(yè)總量的14.5%；2013年，桿式泵井下作業(yè)總量730井次，支承總成引起的作業(yè)量為120井次，占作業(yè)總量的16.4%。2 a的井下作業(yè)數(shù)據(jù)表明，支承總成故障基本在15%左右。從結(jié)構(gòu)上看，桿式泵坐封后，機(jī)械支承座與支承座圈錐面定位密封，支承卡套彈性爪壓縮鎖定，皮碗過(guò)盈配合密封（如圖3），這種情況是桿式泵生產(chǎn)、坐封最佳狀況。但實(shí)際操作中，支承卡套與機(jī)械支承座端面公差L僅為0.46 mm（如圖4），如果在加工、裝配中產(chǎn)生累積誤差，或者井筒有蠟、垢等因素，容易出現(xiàn)座圈與卡套配合不到位，引起坐封不到位、卡爪打不開(kāi)（如圖5），多次坐封引起密封面磨損（如圖6）等，導(dǎo)致桿式泵無(wú)法正常工作［3］。

圖3 桿式泵最佳生產(chǎn)情況

圖4 桿式泵配合示意

圖5 彈性卡爪打不開(kāi)

圖6 支承座圈錐面密封損壞

2） 與同規(guī)格管式泵相比，桿式泵固定閥尺寸更小，更容易發(fā)生刺漏。

以長(zhǎng)慶油田常用28 mm和32 mm兩種泵徑為例，桿式泵固定閥球直徑為28.58 mm，閥座內(nèi)徑為20.96 mm（如圖7）；普通管式泵固定閥球直徑為38 mm，閥座內(nèi)徑為30 mm（如圖8）。兩者相比，桿式泵閥座直徑小，進(jìn)油孔面積小。以5 m3/d產(chǎn)量計(jì)算，桿式泵過(guò)流流速為10.01 m/min，管式泵過(guò)流流速為4.91 m/min，其流速為管式泵2倍。因此，液體對(duì)桿式泵球座的沖擊力更大，增大了端面發(fā)生刺漏的風(fēng)險(xiǎn)。圖9為現(xiàn)場(chǎng)壓緊接頭端面刺漏和閥罩端面刺漏照片。

圖7 桿式泵固定閥

圖8 管式泵固定閥

圖9 壓緊端面刺漏和閥罩端面刺漏

3） 32 mm/38 mm 桿式泵與73 mm（2英寸）油管之間間隙小，容易引起油管內(nèi)卡泵；而28 mm桿式泵與32 mm/38 mm支承總成尺寸不同，不能互換，調(diào)整泵徑就必須起油管，這兩者都增大了起油管比例。

從桿式泵結(jié)構(gòu)分析，泵體最大外徑為支承卡套，其中32 mm/38 mm桿式泵泵體最大外徑一致，均為59.5 mm，與73 mm（2英寸）平式油管內(nèi)通徑59.61 mm相比，間隙僅為0.055 mm，起泵時(shí)很容易卡泵；而且28 mm桿式泵與32 mm/38 mm支承總成尺寸不同（如表2），調(diào)整泵徑就必須起油管。以桿式泵作業(yè)數(shù)據(jù)為例：2012年因調(diào)整泵徑起油管井?dāng)?shù)占小修井總數(shù)的12.7%，2013年上半年桿式泵油管內(nèi)卡泵占小修井?dāng)?shù)總數(shù)的13.8%。

表2 桿式泵關(guān)鍵尺寸

上述3點(diǎn)是影響桿式泵推廣應(yīng)用的核心問(wèn)題，而其他問(wèn)題，例如游動(dòng)閥罩?jǐn)唷㈤y失靈、拉桿斷脫、卡泵等故障，即便用管式泵，也會(huì)出現(xiàn)相同的故障，在分析時(shí)暫不考慮這些因素。

3 結(jié)論

1） 雙卡式桿式泵突破了傳統(tǒng)桿式泵單純機(jī)械式密封或皮碗式密封的設(shè)計(jì)，增加了運(yùn)行可靠性和密封性；采用頂部固定，可使泵處于自由懸垂?fàn)顟B(tài)，在一定程度具有自動(dòng)對(duì)正功能［4］，適合長(zhǎng)慶油田定向井使用。

2） 長(zhǎng)慶油田井深、產(chǎn)液量低，比較適合桿式泵自身特點(diǎn)發(fā)揮［5］，但并不是所有井都適合桿式泵，應(yīng)根據(jù)桿式泵適用條件有選擇地應(yīng)用。

3） 目前長(zhǎng)慶油田桿式泵的應(yīng)用并沒(méi)有達(dá)到降低作業(yè)成本和降低作業(yè)頻次的目的，主要原因?yàn)榫蚕灩赣绊懞蜅U式泵自身結(jié)構(gòu)所引起。

4） 桿式泵的研制是一條很長(zhǎng)的路，只有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，才能真正發(fā)揮桿式泵優(yōu)勢(shì)［6］。

［1］ 趙從楷.國(guó)外有桿深井泵發(fā)展?fàn)顩r［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1986，15（4）：62－70.

［2］ 宮健.桿式泵采油配套技術(shù)的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2001（4）：55－56.

［3］ 姜士湖，賈善坡，閆相禎，等.桿式泵鎖爪與支撐接頭的接觸數(shù)值模擬分析［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（2）：41－44.

［4］ 萬(wàn)仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊(cè)（修訂本）［K］.北京：石油工業(yè)出版社，2008：185.

［5］ 李生榮.桿式泵的選擇與設(shè)計(jì)［J］.鉆采工藝，1992（3）：59－61.

［6］ 李君勤.淺談美國(guó)有桿抽油泵的特點(diǎn)及對(duì)發(fā)展我國(guó)抽油泵的幾點(diǎn)意見(jiàn)［J］.石油鉆采機(jī)械，1984（3）：30－33.