抽油泵模擬試驗裝置關鍵設計分析

摘 要：抽油泵作為重要的舉升工藝設備，應用在90%以上的油井開采中。由于遼河油田地質結構的復雜性和開采工藝的特殊性，遼河油田應用于舉升工藝技術的抽油泵亦具有種類繁多，結構復雜精密的特點。隨著稠油開采工藝的不斷推廣和各項新技術的規模實施，亟需建立抽油泵舉升模擬試驗環境，對抽油泵舉升工藝技術進行研究。

關鍵詞：抽油泵；舉升工藝；模擬試驗系統

引言

稠油是21世紀重要的石油資源，占石油剩余可采儲量比例越來越高，目前全球稠油占比為53%，國內為40%，中深層（600～1400m）稠油占稠油儲量的70%，因技術原因大多未能開發。遼河油田是我國最大的稠油生產基地，由于地質條件復雜，油品種類多，開采難度很大，對舉升工藝技術提出了更高的要求。

由于物理模擬試驗技術具有投資少，參數調整方便，無需求解具體模型的優點，非常適合抽油泵舉升工藝研究。而抽油泵舉升物理模擬試驗系統研究是一個非常復雜的系統工程，具體包括“三抽”設備、油品性質、油井工作制度、油藏開發階段等需要研究的對象，而其中的每個環節都影響開發效果的好壞。建立抽油泵舉升物理模擬試驗系統可以化繁為簡，深入細致地研究泵效、適應性等抽油泵工作指標與抽油泵結構參數、使用環境因素等設計值之間的變化關系。建立全面模擬抽油泵復雜工況試驗參數的抽油泵舉升物理模擬試驗系統難度很大，國內外尚無成熟的產品與現場實用的配套技術[1]。

1 總體設計思路

抽油泵舉升物理模擬試驗系統的核心是研制一套能夠模擬不同類型抽油機工作狀態，不同抽油泵工作環境，不同井斜的抽油泵舉升試驗裝置，試驗抽油泵的泵效和適應性。

從抽油泵舉升模擬試驗裝置建設方面考慮，由于整個舉升系統是從地下到地上的有機整體，并且其組成部分聯系很緊密，所以對于模擬試驗裝置建設要全面考慮。地下部分要考慮地質參數、油井參數、各種類型的抽油泵試驗要求。而地上部分主要考慮抽油機。對于試驗來講，要能模擬抽油機的功能，方便地調整沖程、沖次等參數，還要具有一定的精度來保證數據不失真。因此對于抽油泵舉升模擬試驗裝置，主要考慮以下幾個問題：一是為了在不同的油井工作環境下進行試驗，如何調整試驗參數；二是對于不同的井身結構應如何進行井斜模擬；三是不同懸點載荷抽油機的舉升功能模擬，使抽油泵動力驅動裝置能夠模擬抽油機的往復運動，并能夠應用于各種角度，在沖程沖次上要求能夠連續調節，適應不同抽油泵試驗需求。

2 抽油泵舉升物理模擬試驗系統設計分析

2.1 井斜模擬設計

隨著油田開發深入，大斜度井、水平井越來越多，抽油泵下入角度也在不斷變化。對于普通抽油泵，從抽油泵自身結構特點可以看出，游動閥球閥座、固定閥球閥座的密封直接關系到泵效的大小，由于抽油泵下入位置的井斜不同，當井斜角較大時，可能導致閥球閥座不能及時關閉或關閉不嚴，從而影響抽油泵泵效。因此，井斜模擬系統中應包含抽油泵、驅動裝置的承載架、承載架調節裝置、承載架固定裝置，設計完成的井斜模擬裝置應該能夠滿足以下要求。

2.1.1 井斜角的連續平穩調節

實際工況中，抽油泵可能下在直井、斜井或水平井的任何位置，所以試驗過程中，抽油泵可能在井斜角0°～90°范圍內的任意角度進行試驗。地面試驗是將抽油泵固定在承載架上，由驅動裝置帶動其運行。要想使承載架從豎直位置（模擬直井）到水平位置（模擬水平井）的任意位置平穩調節，可以采用電動葫蘆配合安裝在承載架兩端的滑車進行。同時要考慮到在承載架接近水平位置時水平運動速度遠大于垂直運動速度的現象，要合理選配電動葫蘆的型號。

2.1.2 抽油泵固定與連接系統

試驗時抽油泵固定在承載架上，上下端要與油井工況模擬連接，泵體要進行固定，柱塞要通過光桿與抽油機模擬裝置相連接。設計抽油泵固定與連接系統時要考慮固定裝置對不同外徑抽油泵裝夾及試驗時的同心度要求；抽油泵光桿在下沖程受大噸位載荷壓力時，可能出現的彎折現象。

2.1.3 井斜模擬架的平穩起放及固定

承載架從垂直狀態開始下放，沒有水平推力是無法完成的，可以采用齒輪齒條進行驅動，由于水平速度與垂直速度無法合理搭配，操作中出現承載架離開齒輪齒條后瞬間前進現象，帶來極大的安全隱患。通過試驗，應用斜坡原理，合理設計斜坡角度及斜坡長度，可以達到平穩起放承載架的目的。另外，在一定角度試驗時，為保證試驗安全，設計時需要考慮對承載架進行鎖定。

2.2 抽油機模擬設計

抽油機是油井上為抽油泵提供動力的設備，抽油機使用的是軟連接，通過弧形運動實現抽油桿的直線運動。在抽油泵地面試驗過程中，由于需要改變抽油泵傾斜角度、沖程、沖次實時調節，所以抽油機在試驗系統中應用受到限制，需要考慮用其他方式代替抽油機，實現為抽油泵往復運動提供動力。

隨著液壓技術及電子技術的發展，把液壓技術應用于油田，設計研究適合試驗時應用的液壓往復式試驗裝置，帶動抽油泵運行，可以滿足抽油泵舉升試驗對傾角調節、沖程沖次實時調節的需求。在設計液壓驅動系統中，要重點考慮液壓缸的平衡驅動，保證上下沖程的平穩運行；系統裝機功率配備，最大限度節省能源消耗，由于試驗過程對拉壓噸位需求變化很大，可以考慮應用兩種以上動力系統，匹配不同噸位需求；沖程沖次連續調節及安全保護[2]。

2.3 油井工況模擬設計

由于油井條件復雜，不同區塊油井抽油泵工況不同，為實現不同油井對單相、兩相、三相流模擬及計量需求；不同沉沒度、舉升高度模擬需求[3]。

2.3.1 對于不同相流模擬

考慮到室內試驗對環境和人員保護的要求，要盡量應用易清潔、易分解、無毒無害的試驗介質，對于單向流可以采用加入化學藥劑的清水，實現油品粘度的模擬；多相流要考慮介質的加入方式及處理方法，尤其是對設備的要求，保證試驗過程的安全。同時，還要考慮計量問題，尤其是多相流計量方法的選擇。

2.3.2 沉沒度與舉升高度的模擬

沉沒度和舉升高度是抽油泵工作過程的兩個重要參數，在生產過程中，對于下入深度不同的抽油泵，其泵吸入口與排除口所承受的靜壓力不同，從而影響抽油泵的各項性能指標。在室內試驗系統設計時，可以同過建立抽油泵的入口及出口壓力來實現沉沒度與舉升高度的模擬。由于抽油泵工作時排出的液體是斷續流，非連續流，需要對斷續流進行處理，使其變為連續流，保證沉沒度和舉升高度模擬壓力的穩定，可以采用蓄能器實現壓力穩定，根據試驗需求，選擇蓄能器類型，合理設計蓄能器參數，達到預期的壓力穩定波動要求。

3 結束語

文章根據抽油泵實際工況需求，對設計室內模擬試驗系統的一些關鍵點進行闡述，包括油井井斜模擬、抽油機模擬方式、油井工況模擬中的介質類型、沉沒度與舉升高度穩定模擬等關鍵問題，為抽油泵舉升模擬試驗技術研究提供一些參考意見。

參考文獻

[1]萬仁溥，羅英俊.采油技術手冊（第四分冊）[M].北京：石油工業出版社，1993.

[2]曲玉辰.試驗用多功能往復式液壓動力裝置[J].液壓與氣動，2012（8）：7-9.

[3]曲玉辰.氣囊式蓄能器在抽油泵模擬試驗系統上的應用[J].液壓與氣動，2012（3）：90-92.

作者簡介：曲玉辰（1977-），男，碩士，工程師，主要從事油田開采工藝技術試驗研究。