高效一體化抽油方法研究與應用

王忠山，李 紅，王曉文

高效一體化抽油方法研究與應用

王忠山1，李 紅1，王曉文2

（1．大連虹橋科技有限公司，遼寧大連116039；2．中石油吉林分公司，吉林松原138000）

抽油系統因低泵效造成大量無效運轉，改變抽油泵的結構和工作原理，使其在保持油井高產低沉沒度條件下，只要給它等待時間，就具備可靠充滿的功能，配套能定位停機等待泵充滿再運轉的智能化抽油機，消除無效運轉。優選大直徑大沖程抽油泵把運動速度和日抽油沖數降到最佳狀態，為高效一體化抽油系統硬件的建立和直接數字化測試軟件的編制創造條件，使功圖測試、產油計量、數據刷新、曲線圖表編制和信息網絡傳輸等工作都與抽油同時同步自動運行，網絡實時遠程監控。這種生產方式的轉變能大幅節能，降低生產成本，顯著提高油田開發水平和經濟效益。

抽油泵；抽油機；高效；一體化

我國大多數油田開發的基本特征是：“油藏低滲透”使開發“多井低產”，造成抽油系統嚴重低效。其根源是低泵效，新井泵效只有28．2%，老井平均泵效23．1%，總平均25%［1］。說明每次抽油時抽油泵有75%的容積沒抽到油，或者說每抽4次有3次是無效運轉。大量的無效運轉給抽油系統造成嚴重的危害，不但浪費大量的能源而且給價格昂貴的“三抽”設備造成嚴重的磨損和疲勞破壞，檢泵周期嚴重縮短，修井作業量大幅度增加。頻繁的作業造成嚴重的環境污染，更嚴重的是對油井測試的干擾破壞，使本來就因低產泵徑小難測的功圖又嚴重失真，不能準確認定有效沖程，油井是否正常也難確認。原有的抽油方法解決不了低泵效的問題，即使把工作制度縮到最小，排液能力也遠大于低產井的產液量。要提高泵效必須提高沉沒度，這就增加油層回壓而減產。

石油是多種碳氫化合物的混合體，氣液之間沒有嚴格的界線，只要環境溫度和壓力略有變化，氣體可以很快溶入油中也能瞬間從油中釋放出來。所謂泵效問題實質就是氣體對泵的影響，徹底消除氣影響是十分困難的。首先要從抽油泵的問題入手，再配套智能化抽油機，組成高效一體化抽油系統，只有這樣才能徹底解決抽油系統低泵效問題。

1　技術分析

1．1 高效抽油泵

1．1．1 結構

高效抽油泵主要由儲油器、泵筒、柱塞和常開固定閥構成，結構如圖1所示。

圖1　高效抽油泵結構

1） 儲油器。

儲油器是由外筒、定壓閥和上泵筒、下泵筒構成的環形空間。外筒由鍍鋅或不銹鋼薄壁管制造，上端的縮徑段開0．8 mm寬的進油縫隙通道，油在套管和儲油器的環形空間，油氣分離后經縫隙向下進入儲油器再次油氣分離，這是保障高泵效的決定性因素。儲油器是?57 mm以下所有泵徑的通用件，而且是長期使用的非易損件，最大外徑?102 mm，適合于各種油井自由起下，同時只承擔和油井之間不足0．1 M Pa的壓差，即使浮子閥損壞，定壓閥漏失也不影響泵正常工作。

油在進泵前經過相對固定閥高位的儲油器，進行油氣分離和儲存，使油進泵由原來的“油氣混抽”狀態變成“液柱壓入”狀態，盡量消除氣體對泵的影響。

2） 泵筒。

由上泵筒、排氣閥和下泵筒構成。上泵筒和柱塞的間隙小，防止上死點停機時間長漏失量過大。排氣閥是泵能充滿的可靠保障，也是上、下泵筒的對接件。排氣閥靠液柱壓力關閉，當柱塞上行通過排氣閥時，失去液柱壓力而打開，使泵內外壓力平衡，但因泵未充滿而形成液面差，泵上部氣體會排出，而液體會從常開的固定閥繼續進入，直到液面平衡而完全充滿為止，使抽油泵在低沉沒度條件下具備可靠的充滿功能。

3） 柱塞。

結構如圖2所示。由內管、柱塞、閥球和閥座組成。內管的上端有油桿螺紋和出油孔，下端有閥球，內管和柱塞構成的環形空間為漏失量的優選通道。取消柱塞上端的縮徑段并向內有傾角，以消除淤砂存砂。在上端第1個防砂槽中鉆孔，使孔以上壓力梯度消失，沒有漏失量，降低了泥砂進入泵間隙的幾率。漏失量從柱塞內的環形空間向上流動，從出油孔流出，這就形成有利于油不利于水更不利泥砂進入泵間隙的條件，改善泵的潤滑，延長使用壽命。

圖2　柱塞結構

4） 常開式固定閥。

結構如圖3所示。閥球裝在中心桿下端有斜度的孔道中，轉動調整套使閥球上下對準裝在閥體上的閥座，使其略向下微開再用壓緊帽固定。原有常閉式固定閥阻力很大，造成壓降使氣體大量釋放，改變為低阻常開式，阻力很小，而且柱塞停止時不關閉，可繼續進油。

圖3　常開式固定閥結構

1．1．2 工作原理

1） 充滿功能。

儲油器中的液柱已經對固定閥球（如圖3）產生壓力，當柱塞從下死點向上運動時，液柱壓力推動閥球滾向高位進入泵筒；當柱塞通過排氣閥到上死點停機時，排氣閥失去液柱壓力而打開，這時，泵內外雖然壓力平衡，但因泵沒充滿又形成液面差，泵內沒充滿部分的氣體排出，常開固定閥會繼續進油直到液面平衡而充滿。

2） 油套連通功能。

當柱塞下端的閥座（如圖2）下落到常開式固定閥上的壓緊帽（如圖3）上時，中心桿的上端就會插入柱塞閥座中，將柱塞閥球頂起不能關閉。柱塞閥座繼續下落壓縮固定閥的彈簧，重力壓在定位體上。因中心桿的下移使閥球脫離閥座不能關閉，管柱中的液體就會通過柱塞和固定閥下泄進入儲油器中，先是向上的流體使浮子閥（如圖1）向上堵塞進油通道，壓力升高打開儲油器下端的定壓閥泄入井中。作業結束只要上提柱塞脫離固定閥，柱塞閥和浮子閥自然下落復位，固定閥閥球和定壓閥球分別靠復位彈簧復位，回到正常工作狀態。油套連通可以減少很多不必要的修井作業等，特別是能消除原油嚴重的環境污染問題。

1．1．3 優選大直徑大沖程抽油泵

解決了低泵效，大量的無效運轉就徹底消失，在此基礎上再優選50．8 mm大直徑、6 m的大沖程抽油泵，效果是抽油大降速，光桿運動速度由游梁機最大瞬時速度2．4 m／s下降到高泵效的0．2 m／s，最大沖數由12 min－1降到1 min－1，低產井日沖數最大可降低1／100以上，這使抽油系統的各種矛盾由量變到質變。

1．2 高效抽油機

抽油泵具備可靠的充滿功能是有前提條件的，要求抽油機到上死點必須停機，給抽油泵等待充滿的時間，這決定了抽油機要以包括停機等待時間在內，泵充滿再啟動運轉的1個沖數為1個工作循環，由原來的連續運轉變成電制動的斷續周期工作制方式。這看似有點復雜化，實質上恰好相反，它使系統效率最優，油井測試直接數字化，導致抽油系統的簡化。當然游梁機高慣性力運轉根本不可能斷續工作，但高泵效為斷續周期工作的抽油機設計制造提供了的條件。集滾動螺旋傳動、載荷平衡差驅動和卷揚提升機構突出特征于一體的滾輪螺旋傳動機構抽油機完全具備電制動的斷續周期工作制度。

1．2．1 結構［2］

主要有單柱式機架、滾輪卷筒總成、滾輪螺旋傳動機構、平衡重及導軌、減速制動電機、網絡智能控制箱等組成。如圖4。

核心部件滾輪螺旋傳動機構（如圖5）主要由2個部件構成：一是螺旋體，其中心軸由軸承座固定；二是中心軸軸線與螺旋體成90°的滾輪卷筒，其外圓周中線上等距安裝多個滾輪，滾輪和螺旋體上的螺旋齒相嚙合，電機正反轉驅動螺旋體帶動滾輪卷筒上的平衡繩和提升繩上下往復運動。

1．2．2 特點

1） 結構簡化

載荷不變，電機功率與提升速度成正比，抽油大降速使最大抽油機功率由55 k W降到7．5 k W以下，這使抽油機靠電機正反轉換向較為容易，取消了龐大復雜的曲柄連桿機構及其加速變轉矩有害運動，大幅度減化了抽油機的結構。

圖4　高效抽油機結構

圖5　滾輪螺旋傳動機構

2） 驅動載荷狀態級別極度降低。

靠電機正反轉換向可以采用準確而恒定的直接平衡方式，使全部桿柱載荷和1／2的液柱載荷由平衡重抵消，大降速降低80%的動載荷，抽油機正常運轉的驅動載荷只有油井載荷的1／5左右，使載荷狀態級別由經常承受最大載荷的最高級L4下降到經常承受輕小載荷、偶爾承受最大載荷的最低級L1［3］。

3） 機構的使用等級下降。

抽油機由原來的連續運轉變成停機等待泵充滿再運轉的斷續周期工作制，降低了機構的使用等級。日產5 t的油井累計運轉只有8 h左右，16 h左右低能耗無磨損，延長了設備的使用壽命，油井產量越低，下降的等級也越低。

4） 不受轉矩限制。

中心軸只有載荷無轉矩，加大滾輪的強度，增加嚙合滾輪數量和增加驅動螺旋體數量都能加大轉矩，有利于重型抽油機制造。

5） 有可靠的理論基礎和豐富的實踐經驗。

抽油大降速使抽油機正常進入起重機設計規范，絕大多數抽油機工作級別在M 8以下［3］，抽油機的設計有了可靠的理論基礎和豐富的實踐經驗，其設計技巧和制造工藝可以借用，大量標準件也可以廉價方便地使用。

6） 抽油機乘勢啟動與欠滿運行。

如圖6所示，抽油機正反轉要乘平衡重或載荷高勢能的短暫時機啟動，當光桿從下死點A啟動上行時，其載荷低于平衡重W，電機乘平衡重的拉動啟動上行；當光桿到上死點C時，載荷大于平衡重W′，電機又乘載荷的拉動反轉啟動下行，如此正反轉都有乘勢啟動的優越條件，可見不用啟動器就可以快速啟動。

圖6　理論示功圖

所謂欠滿運行是不要等待抽油泵完全充滿就運轉，在功圖上出現的F E線段越短越好。停機等待時間過長使泵全部充滿，在泵漏失量的作用下，液柱載荷會轉移到固定閥上，使載荷下降到平衡重W′點以下的D點，電機反轉啟動失去載荷的助力作用，還可能產生光桿下行跟不上懸繩器現象，產生撞擊打亂正常的自動運轉。同時，如果每個沖數都全充滿就說明排液量可能小于油井供液量，影響油井產油量。

1．3 智能網絡測控系統

1．3．1 組成

由智能測控器、網絡報務器和管理機構3部分構成，如圖7。

圖7　高效一體化抽油智能網絡測控系統

1） 智能測控器。

研發抽油機專用遠程智能測控器，采用標準編程語言，可實時多任務操作，互相兼容靈活開放式接口，多種標準通信協議和通信方式，極強的抗干擾能力和環境適應能力，在－40～70℃、濕度5%～95%的條件下正常工作，數據長期存儲不丟失，操作方便［4-5］。

2） 服務器。

服務器只是接在互聯網寬帶的1臺電腦上，也可將工作軟件寫入網站電腦中，1臺服務器可以和無數個智能測控器對接和進行人機對話。

3） 管理機構。

管理機構的數據庫是各油田已經具備的，服務器和數據庫可以直接對接，實時數據和原始數據經數據處理再由互聯網寬帶分別供給不同級別、不同業務的管理者，只有油井直接管理者——采油隊可以進行人機對話。

1．3．2 特點

1） 功圖測試數字化。

功圖是非常重要的綜合性測試數據，精準測試不取決于軟件而取決于硬件條件，優選大泵徑50．8 mm，使有利功圖測試的液柱載荷比小泵徑增加1倍多，抗干擾能力強。抽油大降速使干擾功圖測試的動載荷縮小80%，特別是因加速和變轉矩運動產生的波動載荷基本全部消除，所以測得的功圖即不用解釋也不用診斷，甚至不需要智能控制器處理，而是在傳感器上直接讀取的，達到直接數字化測試，而且無論什么樣的油井都能可靠地達到一致的水平，為所有測試數據精準實時化起決定性的作用。

2） 自動運行控制。

由于功圖可以直接讀取有效沖程就得出泵效，用這一沖數的泵效高低就能確定下一沖數的停機等待時間長短，如此循環下去，保證抽油機排液量自動適應油井供液量。

3） 產油計量精準實時并與抽油伴隨運行。

抽油泵是精準的容器，12 L的容積是地面翻斗流量計的4倍多，計量誤差會更小，功圖能精準地得到有效沖程，使計量數據誤差理論上可小于±0．5%以下，而且計量和抽油相伴運行，累計值也可靠而準確。

4） 測試信息網絡傳輸實時可靠。

抽油機以1個沖數為1個工作循環，1個循環進行1次數據刷新，沖數的大幅度減少使網絡傳輸的信息量減少，節省傳輸費用而且有效防止數據丟失，保障傳輸的可靠性。

2　現場應用

高效一體化抽油方法經過機泵組合、機泵聯控、智能抽油系統和高效一體化4個研發過程，耗時10 a。2010-06-07在吉林油田乾東11-3井進行現場原理驗證性試驗，在抽油系統高效、直接數字化測試和網絡實時遠程監控等3個方面取得重大突破。

2．1 系統高效

2．1．1 高效泵用在游梁機

高效泵用在原游梁機生產，工作制度不變，產液量由原來的4 m3增加到11 m3，泵效由25．6%提高到37．2%。泵徑增加到?44 mm使產液量大幅度增加，證明高效泵確有高效的功能，只是游梁機不能給它等待時間，沒有充滿的機會。

2．1．2 具備可靠的充滿功能

使用高效抽油機在簡單自控的情況下，泵效可以保持在85%～90%，實際抽油泵已接近充滿，如圖8c，再次證明已具備在低沉沒度條件下能可靠充滿的功能，也證明電機乘勢啟動電流已經小于正常運轉電流，8型抽油機用5．5 k W電機運轉電流僅為9 A，取代配套30 k W電機簡單可行。

2．1．3 單產電耗數倍降低

有功電鍍表計量游梁機日耗電120 k W·h，高效機52 k W·h，減少60%，單產電耗游梁機最好井30 k W·h／m3，高效機8．5 k W·h／m3，減少72%。

2．1．4 系統效率數倍提高

有功電度表計量，游梁機本區塊最好井為12．1%，高效機為42．5%，提高3．5倍。

2．2 直接數字化測試

圖8是現場直接數字化測試界面，其中：圖8 a～b為每個沖數數字自動刷新的顯示界面；圖8c是該沖數隨抽油機運行的功圖和電流曲線；圖8d是載荷、電流、有效沖程和光桿沖程4個參數的瞬時變量柱狀圖。實際生產并不需要這種瞬息萬變的圖，目的是證明測試數據實時直接數字化的真實性和可靠性。

圖8　現場直接數字化測試界面

2．3 網絡實時遠程監控

圖9是在手機上接到的功圖及其實時測控數據界面，授權者使用智能手機可以在任意地址對抽油機進行操作控制、修改參數和工作程序，實現網絡實時遠程監控。

圖9　功圖及實時測控數據界面

3　結語

高效一體化抽油方法徹底解決低泵效問題，再配套智能化抽油機，組成了高效一體化抽油系統。通過采用一體化的抽油系統，生產方式發生了轉變，功圖測試、產油計量、參數調整、生產報表填寫與傳輸等原來都是抽油系統的子系統，單獨各自存在的，現在全部由自動化信息化的設備完成。這種生產方式的轉變能大幅節能，降低生產成本，顯著提高油田開發水平和經濟效益。

［1］ 王巖樓，張傳緒，于俊波，等．低滲透油田機械采油節能降耗技術［M］．北京：石油工業出版社，2010．

［2］ 艾白布·阿不力米提，劉永紅，林榮桔，等．高效雙向抽油機及抽油泵設計與試驗研究［J］．石油礦場機械2013，42（1）：54-58．

［3］ G B／T3811—2008，起重機設計規范［S］．

［4］ 郭慶榮，李全，曹佳，等．塔架式抽油機PL C控制系統設計［J］．石油礦場機械2012，41（12）：29-32．

［5］ 宗美巧，周力帥，唐長書，等．一種PL C控制的深井抽汲機研制及應用［J］．石油礦場機械2013，42（6）：29-32．

Research and Develop ment of High-efficiency and Com pact Pum ping Unit

WANG Zhongshan1，LI Hong1，WANG Xiaowen2
（1.D alian H ongqiao Science and Technology Com pany，D alian116039，China；2.CNPC Jilin Oilfield Com pany，Songyuan138000，China）

Low pu m p efficiency resulted in plenty of inefficient running of pu m ping system．W hen pu m p structure and w orking principle are changed to its waiting time in high productivity with low sub mergence depth well，the adequate filling function will be satisfied，and an intelligent pu mping unit is developed with the full-matched equip ment for stepping and positioning，w hich is waiting for pu m p filling and then restart，eliminating inefficient running．O ptimized large diameter and long stroke unit makes the running speed and daily-stroke to optimal condition，and to make dynam o meter test，production measuring，data refresh，curve and graphic illustration，and info net are in synchronized auto-service．T he changed production method greatly offers energy-saving and low production cost，and increase oilfield develop ment level and econo mic benefit．

pu m p；pu m ping unit；high efficiency；integration

T E933．1

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．01．020

1001-3482（2015）01-0083-06

2014-05-15

王忠山（1939-），男，吉林松原人，高級工程師，主要從事抽油生產設備技術研發工作，E-mail：dlhqkj＠163．co m。