三元復合驅提撈抽油機用抽子改進

陳明戰

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院,黑龍江 大慶163453)

三元復合驅提撈抽油機用抽子改進

陳明戰

(大慶油田有限責任公司 采油工程研究院,黑龍江 大慶163453)

由于三元復合驅的采出液易結垢,使得提撈抽油機的抽子出現了一定的不適應性,例如下行遇阻、上行過載以及抽子壽命短等。為解決上述問題,通過對常規聚氨酯抽子進行室內模擬試驗及理論分析,得到了其材料特性以及工作特性,并指出了抽子材料、結構存在的問題,據此研發出了鋼絲骨架式抽子。經現場應用表明:該抽子大幅減少了下行遇阻、上行過載的幾率,使用壽命比常規抽子提高4～5倍,使得提撈抽油機更加適應三元復合驅工況。

三元復合驅;提撈抽油機;抽子

與常規提撈采油方式相比,提撈抽油機最大的區別在于直接將動力、傳動、卷揚及控制系統固定在井口,根據地層產能及液面恢復速度自動抽油[1]。提撈抽油機采油本是針對低產井的一種較高效人工舉升方式,由于在工作過程中是以油管作為泵筒,抽子從井底在油管內一直上行到井口,再下行到井底,并重復往返這個過程,能夠有效地對油管內壁進行刮垢、除蠟;同時,抽子膠筒本身采用高分子彈性材料,不結垢,因此在三元復合驅應用中表現出了較強的適應性,平均檢泵周期約400 d。常規抽油機、螺桿泵在三元復合驅結垢期經常發生因結垢導致卡泵、桿斷,平均檢泵周期只有約150 d[2]。

但是,在三元復合驅開發應用當中,抽子出現了下行過程遇阻、上行過載,以及使用壽命短的問題,平均7～10 d,導致抽子更換強度大,易造成不及時,液面在井口,不能夠保證三元受效期的供排協調。本文通過開展常規聚氨酯抽子理論研究以及試驗分析,模擬得到了三元采出液等實際工作條件下抽子材料的溫溶脹、載荷等特性,為抽子結構改進提供了有效的數據支持與指導方向,并最終開發了鋼絲骨架式抽子。

1 常規抽子試驗及理論分析

常規抽子結構如圖1所示,抽子膠筒即密封段固定在中心管上。上行程時,球閥坐封,油套液面差產生的壓差由導壓孔進入膠筒與中心管之間,并使膠筒發生膨脹,與油管內壁接觸形成密封,實現井液舉升。下行程時,球閥打開,膠筒與中心管之間內部壓力與膠筒外部壓力平衡,膠筒收縮,與油管內壁分離,便于下行。針對該抽子現場應用出現的問題,開展相應理論及試驗分析。

圖1 常規抽子結構

1.1 下行遇阻原因

1) 抽子結構設計問題。上行程時,在抽子上下壓差作用下膠筒發生膨脹,此時與地層巖石反應后產生的鈣、鎂、硅以及碳酸根、硫酸根等離子隨三元采出液經導壓孔進入中心桿與膠筒形成的空間,并在中心桿等金屬表面結垢。由于膠筒固定在中心桿上,下行程膠筒收縮后進入中心桿和膠筒形成空間的液體仍需從導壓孔排出,形成的垢不能夠有效帶出,并被壓實,厚度逐漸增加,導致膠筒無法收縮,下行時與油管內壁過盈接觸嚴重,易產生遇阻。同時砂、蠟等固體雜質也易進入膠筒與中心管之間空間沉積,進一步加劇了該作用影響。

2) 抽子聚氨酯材料溫溶脹作用。利用三元采出液、在50℃地層溫度條件下對抽子聚氨酯材料進行了溫溶脹及硬度測試實驗。實驗結果表明三元采出液中的試樣體積變化率相對較低,平均為4%左右;平均硬度由70.67A下降到66.67A,如圖2所示。結合現場條件,溫溶脹有一定的影響,但影響相對較小。

3) 部分油井油管內壁結垢,通徑變小,導致下行遇阻。該原因與抽子本身關系不大,需定期根據電參、載荷等生產參數定期酸洗、熱洗,必要時進行機械清垢。

圖2 抽子膠筒在不同介質及溫度條件下體積變化率

1.2 上行過載原因

1.2.1 上行抽子液壓膨脹理論分析

當抽子向上運動時,由于受外形限制,根據流體力學伯努利方程,作用在膠筒上的總載荷上部小、下部大,導致下部變形量大,如圖3所示。

圖3 常規抽子膠筒液壓變形示意

利用有限元方法進行分析,如圖4所示,常規聚氨酯抽子承壓前外形為圓柱體,承壓后(3.5MPa)成圓錐體,下部變形最大,與油管接觸密封,磨損量大。

同時,進行了室內實驗驗證,抽子在運行24 h后,下部磨損1～2 mm,局部產生破損,如圖5所示,與理論分析一致。

圖4 常規抽子承壓后形變形情況

圖5 室內試驗常規抽子磨損圖片

1.2.2 抽子載荷構成計算及試驗分析

上行程中,作用在抽子上的載荷主要由2部分構成:①抽子上部實際舉升液柱高度產生的載荷,即水力載荷;②膠筒與油管內壁之間的摩擦載荷。水力載荷即舉升的實際液柱高度產生的壓力,應考慮到抽子上部液柱高度、油管內抽子下部和油套環空液面高度、井口套壓及回壓的影響,則抽子實際承壓為:

式中:pt為井口回壓,MPa;ρ為舉升液體密度,kg/m3;Ht1為抽子上部舉升液柱高度,m;Ht2為抽子下部油管內液面高度,m;Hc為油套環空內液面高度,m;pc為套壓,MPa。

作用在抽子上的水力載荷為:

式中:rt為油管內徑,m;rr為鋼絲繩抽油桿外徑,m。

如果測定了抽子承受的總載荷F,則抽子與油管內壁之間的摩擦載荷為:

通過室內模擬試驗得到了不同承壓條件下抽子總載荷,并利用上述公式計算出了對應的水力載荷,繪制曲線如圖6所示。

圖6 不同承壓條件下抽子載荷曲線

根據試驗結果可以看到,隨著壓力的升高,總載荷也升高,并與承壓呈線性關系?？傒d荷曲線與水力載荷曲線之間部分即為摩擦載荷。計算不同承壓條件下摩擦載荷占總載荷的比例,均保持在70%左右,并且比例較高。

分析認為,抽子膠筒承壓后沒有有效的約束條件,發生過度膨脹,與油管過盈配合過大;并且當膠筒磨損變薄后,膨脹過度更加嚴重,導致摩擦載荷增大,產生上行過載。

1.3 耐磨性能分析

作為井下關鍵設備,抽子膠筒最初采用了耐磨性能相對較好的聚氨酯,其形態為彈性體(TPU),在較寬的硬度范圍具有較高的彈性及強度、優異的耐磨性、耐油性、耐疲勞性及抗振動性。

但在現場應用中,并不能夠完全適應井下工況。現場單井抽子平均每天在油管內從井底到井口運行40個沖程,每個沖程平均800 m,則每天抽子有效舉升運行距離為32 000 m。但在工作7～10 d約224 000～320 000 m后,平均泵效即由77%下降到約40%,液面基本在井口附近。導致抽子膠筒更換強度大,現場不能夠保證及時得到更換,不能保證三元受效低含水期高效生產。

2 抽子結構改進

基于以上分析,對抽子膠筒的材料、結構、外形等方面進行了優化改進,同時整體考慮抽子的防垢工藝要求。

抽子膠筒材質選用橡膠。雖然聚氨酯較橡膠耐磨性能更高,但與鋼絲之間粘接強度較低,膨脹變形后易分離、破碎,嚴重時碎塊會使抽子發生硬卡,導致檢泵作業。

結構方面,在內部靠近外表布置彈簧鋼絲骨架,如圖7～8所示。橡膠內部加入鋼絲骨架后,一方面可以利用彈簧鋼較穩定的彈性控制抽子橡膠本體承壓時膨脹量及溫溶脹量在合理的范圍內,有效降低抽子運行時與油管的摩擦載荷;另一方面,由原來單純的聚氨酯等彈性材料與油管內壁接觸密封并摩擦,變為橡膠等彈性材料與油管密封為主、彈簧鋼與油管接觸承載為主的匹配關系,減少橡膠的磨損速度,從而在較長時間內能夠保證泵效,提高使用壽命。

同時,對膠筒形狀進行了改進優化。承壓前外形由圓柱體改為圓錐體,下部較上部外徑要大。下部由于有鋼環用于固定鋼絲,承壓后基本不生形變或較小,從而實現承壓后(2～3 MPa)整體為圓柱體,如圖9所示,有效降低了上行摩擦載荷,減小了上行過載幾率。下行時與油管內壁由面接觸變為線接觸或無接觸,減小了下行遇阻幾率。

圖7 彈簧鋼絲骨架

圖8 鋼絲骨架式抽子

圖9 改進后抽子承壓后形變

改進后抽子膠筒可在中心桿上軸向滑動,桿體上開有導流刮垢槽,下行程時導流刮垢槽對膠筒內部進行刮垢,井液有效對膠筒與桿體之間進行沖刷,保證膠筒能夠有效收縮;另外,整體取消球閥,避免結垢后發生漏失。

針對三元易結垢特點,在桿體及密封斷面進行防垢涂層處理,防止結垢后導致垢堵、密封失效、漏失等問題發生。

最終形成了適應于三元復合驅提撈工藝的抽子結構,如圖10所示。

圖10 鋼絲骨架式抽子

3 現場應用效果

鋼絲骨架式抽子在三元復合驅提撈抽油機井共試驗應用47口,與常規聚氨酯抽子相比,高泵效期較長,平均泵效70%,液面350～550 m,能夠保證供排協調;平均有效使用壽命達到2個月,相對于常規聚氨酯抽子提高了約5倍;期間沒有出現上行過載和下行遇阻。有效保證了產液要求,降低了現場維護強度。2種抽子的使用效果對比如圖10～11所示。

圖11 改進后抽子與常規抽子泵效對比曲線

圖12 改進后抽子與常規抽子動液面對比曲線

4 結論

1) 研制了新型鋼絲骨架式抽子,能夠在三元復合驅工況下保證抽子在油管內順利運行,大幅降低了下行遇阻與上行過載幾率。

2) 內襯鋼絲骨架能夠大幅提高抽子的使用壽命,對橡膠膨脹變形也起到了控制作用。

3) 聚氨酯相對橡膠更加適應提撈工況,應進一步研究聚氨酯與鋼之間的粘接工藝,進一步提高抽子的使用壽命。

[1] 徐 光,凌云峰,曹寶良,等.新型智能間歇式采油原理分析及應用[J].機電設備,2006,23(5):6-10.

[2] 周瑞芬,柏 琳,李金玲,等.三元復合驅抽油機井結垢及懸點載荷試驗研究[J].石油礦場機械,2012,.41(4):44-47.

Improvement of Swab Used in ASP Flooding Bailing Pumping Unit Production

CHEN Ming-zhan
(Production Engineering and Research Institute,Daqing Oilfield,Daqing,163453,China)

Due to the scaling issue of ASP production,the swap used in bailing pumping unit production showed some sort of inadaptability,such as resistance in down stroke,overload in up stroke,as well as short life span.To fix the problems mentioned above,the material and operating characteristics of normal polyurethane swab cup were figured out by indoor test and theory analysis.And the existing material and structural issues were pointed out.Base on the analysis result,a steel wire framework type swab was developed.Through field test and application,the new type swab effectively reduced the chance of resistance in down stroke and overload in up stroke.The life span was increased by 4～5 times compared to traditional polyurethane type.It made bailing pumping unit much more adapt to ASP production condition.

ASP flooding;bailing pumping unit;swab

TE933.303

B

1001-3482(2014)02-0089-04

2013-08-08

陳明戰(1980-),男,河南禹州人,工程師,主要從事人工舉升相關工藝和技術研究。