空心抽油桿液力反饋泵應(yīng)用及試驗(yàn)研究

黃 華，王衛(wèi)剛，姚 軍，劉 通，高慶華

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安710075）①

空心抽油桿液力反饋泵應(yīng)用及試驗(yàn)研究

黃 華，王衛(wèi)剛，姚 軍，劉 通，高慶華

（陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司研究院，西安710075）①

在分析上大下小型、上小下大型、上下等徑型液力反饋泵工作原理基礎(chǔ)上，計(jì)算了3種液力反饋泵使用時(shí)提供液力反饋力的能力，選擇設(shè)計(jì)了上下等徑型液力反饋泵，并在2口井上試驗(yàn)了空心抽油桿液力反饋泵采油工藝。結(jié)果表明：該工藝在提高系統(tǒng)效率、延長免修期、降低成本方面具有顯著優(yōu)勢，是低滲透及特低滲透油藏開采時(shí)較理想的舉升工藝。

空心抽油桿；液力反饋泵；采油工藝

延長油田屬于低滲透、特低滲透油田，已經(jīng)進(jìn)入二次采油和三次采油階段，采用抽油機(jī)＋抽油桿＋普通管式泵采油方式進(jìn)行原油舉升，暴露了很多難以解決的問題（例如：系統(tǒng)效率低、耗能高、免修期短、成本高等）。為了油田可持續(xù)發(fā)展，提高油田綜合采收率和實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能產(chǎn)業(yè)目標(biāo)，研究開發(fā)新的適合延長油田的原油舉升工藝、引進(jìn)推廣國際先進(jìn)舉升技術(shù)成為重點(diǎn)。無油管空心抽油桿采油工藝是利用空心抽油桿代替普通抽油桿和油管［1-2］，既作為動(dòng)力傳遞工具又作為液體流通的通道。與普通“三抽”工藝相比，在節(jié)約油管材料、減少作業(yè)費(fèi)用、降低成本等方面具有明顯優(yōu)勢，在國內(nèi)油田得到研究與應(yīng)用［3-4］。本文針對(duì)延長油田具體情況就該采油工藝進(jìn)行分析，并進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

1 空心抽油桿采油系統(tǒng)

空心抽油桿采油系統(tǒng)主要由抽油機(jī)、空心光桿、井口、空心抽油桿、抽油泵等組成，從上到下為實(shí)心桿短節(jié)、軟管懸接頭、空心光桿、空心抽油桿、抽油桿扶正器、油管扶正器、抽油泵、篩管、尾管，其管柱組合如圖1所示。舉升原理為：抽油機(jī)通過懸繩器帶動(dòng)實(shí)心桿短節(jié)，實(shí)心桿短節(jié)帶動(dòng)空心光桿，空心光桿帶動(dòng)空心抽油桿，空心抽油桿帶動(dòng)泵柱塞，使泵柱塞在泵筒中上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吸液和排液，排出的液體順著空心抽油桿內(nèi)腔上升，經(jīng)過空心光桿和軟管懸接頭從軟管流進(jìn)地面集油裝置，完成原油舉升。

圖1 空心抽油桿采油系統(tǒng)

2 液力反饋泵的設(shè)計(jì)

從其他油田使用無油管空心抽油桿采油工藝的情況看，如果系統(tǒng)使用常規(guī)工作原理的抽油泵，下行程排液，受到空心抽油桿流通面積的影響，通常存在下行阻力大、下行困難的問題，對(duì)泵效及空心抽油桿使用壽命產(chǎn)生不良影響［1-4］。延長油田進(jìn)入高含水期，大部分油井含水在80%以上，將增大下行阻力，使下行更加困難，是無油管空心抽油桿采油工藝使用時(shí)必須解決的問題。液力反饋泵因自身特殊結(jié)構(gòu)具有液力反饋功能，能增加抽油桿柱下行動(dòng)力，解決使用常規(guī)泵時(shí)桿柱下行困難的問題，故選用。

2.1 液力反饋泵的類型

液力反饋泵根據(jù)柱塞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為上大下小型液力反饋泵、上小下大型液力反饋泵、上下等徑液力反饋泵3種類型［5］，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。可見：上大下小型液力反饋泵原理是上行程吸液，下行程排液；上小下大型液力反饋泵原理是上行程排液，下行程吸液；上下等徑液力反饋泵原理是上行程排液，下行程吸液。

圖2 液力反饋泵原理

2.2 液力反饋泵的選型

使用液力反饋泵的目的是解決空心抽油桿柱下行困難的問題，那么選型的關(guān)鍵是看哪種泵提供的液力反饋能力大，致使桿柱下行動(dòng)力大，能解決桿柱下行困難的問題。從抽油桿柱受力分析看，下行程時(shí)桿柱下行力就是抽油機(jī)的懸點(diǎn)載荷［6-7］。本文在相同使用條件下，分別計(jì)算使用常規(guī)泵及液力反饋泵時(shí)桿柱的下行動(dòng)力。

常規(guī)原理管式泵在下行程時(shí)固定閥關(guān)閉，游動(dòng)閥打開，泵筒中的液體進(jìn)入空心抽油桿，抽油機(jī)懸點(diǎn)受到桿柱重力、慣性力、柱塞下行與泵筒間摩擦力、液體流過游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力、桿柱和柱塞受到的浮力，那么桿柱下行動(dòng)力為

式中：Pr為桿柱重力；Pg為慣性力；Pfd為柱塞下行與泵筒間摩擦力；PV為液體流過游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力；Pf為桿柱和柱塞受到的浮力。

由于柱塞特殊結(jié)構(gòu)，液力反饋泵下行時(shí)，管柱內(nèi)液體跟著下行，所以抽油機(jī)懸點(diǎn)不僅受到桿柱重力、慣性力、柱塞下行與泵筒間摩擦力、液體流過游動(dòng)閥產(chǎn)生的阻力、桿柱和柱塞受到的浮力，還受到管柱內(nèi)液體重力。上大下小型液力反饋泵下行時(shí)排液，大柱塞游動(dòng)閥打開，小柱塞游動(dòng)閥關(guān)閉，桿柱內(nèi)液體重力作用在小柱塞上（為ρg LSx），那么管柱下行動(dòng)力為

式中：ρ為井液密度；L為泵掛深度；H為沉沒度；g為重力加速度；Sx為柱塞小端面積。

上小下大型液力反饋泵下行時(shí)吸液，大柱塞游動(dòng)閥打開，小柱塞游動(dòng)閥關(guān)閉，桿柱內(nèi)液體重力作用在小柱塞上（為ρg LSx），那么管柱下行動(dòng)力為

上下等徑液力反饋泵下行時(shí)吸液，下游動(dòng)閥打開，上游動(dòng)閥關(guān)閉，桿柱內(nèi)液體重作用在上柱塞上（為ρg LSd），那么管柱下行動(dòng)力為

式中：Sd為柱塞大端面積。

比較液力反饋泵和常規(guī)管式泵工作時(shí)下行動(dòng)力，可得：在相同條件下，液力反饋泵工作時(shí)下行動(dòng)力比常規(guī)管式泵的大，上大下小型、上小下大型和上下等徑型液力反饋泵工作時(shí)下行動(dòng)力比常規(guī)管式泵分別大ρg LSx、ρg LSx和ρg LSd；不同類型的液力反饋泵工作時(shí)產(chǎn)生的反饋力不一樣，上大下小型和上小下大型工作時(shí)產(chǎn)生反饋力ρg LSx，而上下等徑型則產(chǎn)生反饋力ρg LSd。綜上所述，上下等徑型液力反饋泵提供下行動(dòng)力最大，選擇作為試驗(yàn)用泵型。

2.3 液力反饋泵固定方式選擇

目前，液力反饋泵使用時(shí)的固定方式主要有2種：一種是懸掛式，就是通過懸掛器把液力反饋泵懸掛在套管壁上；另一種是尾管支撐式，就是在泵下端連接尾管，尾管坐落于人工井底，泵靠尾管支撐于井內(nèi)。比較2種方式可得：前者施工復(fù)雜，難度大；后者施工簡單，易操作。考慮操作簡單安全，本文選擇液力反饋泵的固定方式為尾管支撐式。

2.4 液力反饋泵的設(shè)計(jì)

根據(jù)液力反饋泵類型、固定方式的選擇，設(shè)計(jì)的上下等徑型、尾管支撐式液力反饋泵如圖3所示，主要由上泵筒、轉(zhuǎn)接頭、密封件、下泵筒、上柱塞總成、空心連桿、下柱塞總成等組成。

圖3 尾管支撐式上下等徑液力反饋泵

3 現(xiàn)場試驗(yàn)及效果

3.1 試驗(yàn)井選擇

采用空心抽油桿代替實(shí)心抽油桿和油管進(jìn)行采油，主要是解決油井機(jī)采效率低、桿管偏磨嚴(yán)重、免修期短的問題，所以在選井時(shí)主要選系統(tǒng)效率低、存在偏磨且免修期短的油井。綜合考慮選擇延長油田杏子川采油廠郝137-1井和郝137-2井進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)前油井基本情況如表1。

表1 試驗(yàn)井基本情況

3.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

試驗(yàn)用主要設(shè)備如表2，其中空心抽油桿、空心光桿、短節(jié)、拉桿等均為購買，尾管支撐抽油泵根據(jù)設(shè)計(jì)委托外協(xié)加工。按照如圖1所示安裝采油系統(tǒng)，并進(jìn)行試采，試采完成后系統(tǒng)進(jìn)入正常工作階段，并跟蹤試驗(yàn)效果。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)用主要設(shè)備

3.3 試驗(yàn)效果分析

采油系統(tǒng)正常采油后，對(duì)油井產(chǎn)液量、系統(tǒng)效率和日耗電量進(jìn)行了跟蹤，計(jì)算了截稿前油井的免修期，并與試驗(yàn)前的效果進(jìn)行了比較，結(jié)果如表3。

由表3可知：在泵掛和工作制度不變的情況下，試驗(yàn)后產(chǎn)液量、系統(tǒng)效率較試驗(yàn)前有所增加，其主要原因在于利用空心抽油桿代替普通抽油桿和油管，剛性好且無油管的伸縮量，增加了柱塞的有效行程，液力反饋增加了泵的進(jìn)口壓力和流量，且無間隙漏油，提高了泵的充滿度，因此其產(chǎn)液量和系統(tǒng)效率得到提高；試驗(yàn)后免修期較試驗(yàn)前明顯延長了，其主要原因在于利用空心抽油桿代替普通抽油桿和油管，提高了剛性，且使用上下等徑液力反饋泵，改善了抽油桿柱下行時(shí)受力情況，使抽油桿柱處于受拉狀態(tài)避免產(chǎn)生彎曲，從而減弱了偏磨，因此延長了免修期。

表3 現(xiàn)場試驗(yàn)前后效果對(duì)比

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4 結(jié)論

1） 由于存在液力反饋原理，上大下小型、上小下大型、上下等徑型液力反饋泵使用時(shí)較常規(guī)抽油泵能提供較大的抽油桿柱下行動(dòng)力；在相同條件下，上下等徑型液力反饋泵提供的液力反饋力最大。

2） 空心抽油桿液力反饋泵采油工藝?yán)每招某橛蜅U代替普通抽油桿和油管，使用液力反饋泵代替常規(guī)泵，很好地解決了抽油桿柱下行困難的問題，提高了系統(tǒng)效率，改善了抽油桿柱受力狀態(tài)，減緩了桿柱偏磨，延長了油井免修期。

3） 空心抽油桿液力反饋泵采油工藝去掉了油管，減少了單井入井投入，作業(yè)時(shí)省去了起下油管的工序，縮短了作業(yè)時(shí)間，降低了作業(yè)費(fèi)用，間接降低了原油生產(chǎn)成本，是低滲透、特低滲透油藏理想的舉升工藝。

Research and Application of Hollow Sucker Rod Hydraulic Feedback Pump

There are three main types of hydraulic feedback pump，the upper big and lower small type，or the upper small and lower big type，the up and down same type，according to the structure of plunge.On the base of introduce and analysis of operating principle of three types of hydraulic feedback pump，the capacity of providing hydraulic feedback force for these three models of pump were calculated and researched.The up and down same type hydraulic feedback pump was selected and designed to test with hollow sucker rod on the two wells.The experimental results show that the production technology is an ideal lifting process for low permeability reservoirs，and can improve efficiency of system，extend pump inspection cycle and reduce the cost etc.

hollow sucker rod；hydraulic feedback pump；production technology

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.016

1001-3482（2014）11-0065-04①

2014-05-12

黃 華（1978-），男，湖北恩施人，高級(jí)工程師，博士，主要從事采油工程研究，E-mail：280123569＠qq.com。