抽油機合理沖程長度的確定方法研究

江少波

（中石化勝利油田分公司 臨盤采油廠，德州 251500）

隨著我國油田開發的不斷深入，我國主力油田生產井的動液面不斷下降，含水率不斷升高。為了滿足產量要求，保障油田的穩產高產，油田的下泵深度不斷增加，泵徑不斷加大，使得抽油機的懸點載荷不斷上升，對沖程的要求不斷加大[1]。這就導致油田所使用抽油機的型號、沖程不斷加大，研制長沖程、低沖次、大負荷的抽油機成為抽油機設計的發展趨勢[2]。雖然抽油機沖程的增加，可以滿足油田采油工藝對長沖程抽油機的需求，但也給配套設備的選擇、油田運輸、制造成本帶來巨大的壓力，因此，如何合理地選擇抽油機的沖程，使之既能滿足油田對抽油機沖程的需求，又不使制造成本增加過快、配套設備不能滿足要求等影響其推廣使用，成為人們關注和研究的重點[3-4]。本文試圖從采油工藝、泵的有效沖程、作業工藝等角度，分析抽油機沖程選擇的確定依據，建立合理的抽油機沖程選擇方法，為新設計抽油機提供理論幫助。

1 考慮中桿柱靜變形對泵有效沖程影響的沖程選擇

由于抽油桿為細長的受拉桿柱，在抽吸作業時，受到拉伸載荷的作用，并且上沖程所承受的載荷大于下沖程的載荷，因此，桿柱上沖程的變形顯著大于下沖程。這樣一來，泵的有效沖程將顯著下降，將影響三抽系統的產液量，這就是所謂的沖程損失。為了保證泵的有效沖程長度，抽油機的沖程必須有足夠的長度，降低桿柱靜變形導致的沖程損失對三抽系統產液效果的影響。對于下泵深度較大、泵徑較大的抽油井，由于其懸點載荷較大，更應該考慮沖程損失的影響，選擇較長沖程的抽油機，其泵的有效沖程才能較大，滿足提液效果的要求。

例如，對于下泵深度為2500m，沉沒度為600m，泵徑為44mm的采油系統，設井液比重為1.0，抽油桿柱的平均直徑為25mm，則其抽油桿的靜變形在0.8～1.0m，這時，抽油泵的損失沖程與抽油機沖程比（稱為泵有效沖程的損失率ζ）對比如圖1所示。從圖1可以看出，隨著抽油機沖程的增加，其有效沖程的增加應相應增加，在小沖程時，其增加顯著，當沖程大于沖程損失的5倍后，再增加抽油機的沖程，泵的有效沖程相對值的增加逐漸趨于平緩，其沖程損失率逐漸趨于10%左右。

從提升排采系統效率的角度出發，泵有效沖程越接近抽油機的沖程越好，如果給定其沖程損失率不大于ζmax，則所選則的抽油機的沖程應滿足：

圖1 泵的有效沖程損失率與抽油機沖程的關系

式中，S為抽油機的沖程，m；δ_J為抽油桿柱的靜變形，m。

如選擇三抽桿柱的預測靜變形為1.0m，取泵的有效沖程損失率不大于0.15，則選擇抽油機的設計沖程應不小于6.6m。

2 采油工藝對抽油機沖程的要求

從開發工藝角度講，三抽系統選擇的根本目的是在規定的時間內，完成給定的產液量。由于抽油桿柱是在腐蝕環境下承受交變拉伸載荷作用的細長桿柱，因此，腐蝕疲勞是其主要的失效形式。系統的提液量可以通過式（2）進行計算，對于相同的提液量，采用長沖程抽油機，將減少沖次。這樣一來，首先，減少了往復抽吸走地層的擾動，可降低地層的出砂效應，改善地層的供液能力；其次，減少了抽油桿柱循環疲勞次數，延長抽油桿的壽命；再者，減少抽油機的交變載荷次數，也降低了抽油桿螺紋脫扣的概率，延長抽油桿柱的無故障運行時間。

一般來說，抽油桿的疲勞循環次數按照國家標準在非腐蝕環境下應該在4×107次以上，從抽油桿柱疲勞和聯結螺紋壽命的角度來看，選擇沖次為2～4次，抽油桿柱的壽命在10年以上，可以滿足油田要求。也就是說，對于質量合格的抽油桿柱，抽油機的沖次高低應該不是影響其壽命的主要因素。但是，對于腐蝕環境下的抽油桿柱，其疲勞壽命往往大幅度降低，降低桿柱的應力循環次數，將顯著延長桿柱的壽命[5-6]。另外，低沖次有利于抽油泵的充滿，這對于稠油和黏度較高的油藏開發是有利的。

式中，Q為排量，m3/d；η為泵效，與抽吸井液的物形、沉沒度、是否含氣、泵的加工質量等有關，一般在75%～80%；n為抽油機的沖次，min-1；Sb為泵的有效沖程，m。

圖2 抽油機沖程與桿柱應力循環次數的關系

從式（2）可以看出，對于給定排量的系統，增加抽油機的沖程可以降低抽油機的沖次，這就是所謂的長沖程、低沖次抽吸工藝，可以降低抽油桿的疲勞次數，增加泵的效率，延長抽油桿的壽命和抽油井的檢泵周期。因此，適當增加沖程，對于抽油系統是有利的。

例如，采用75泵的排采系統，設定排液量為每天50m3，如果抽油系統的靜變形為1.0m，設定泵效為0.8，則沖程與沖次的變化關系如圖2所示。從圖2可以看出，在3.5～6m區間，有一個沖程變化的相對平緩區，這時，抽油機的沖次在2～4次變化，抽油桿的疲勞壽命可以滿足采油工況的要求。因此，從采油工藝角度來講，長沖程、低沖次對油田開發是有利的，但沖程大于5m以后，對于大多數油田，其影響將逐漸減弱，但增加沖程將顯著增加抽油機的制造成本。可見，選擇多大沖程的抽油機更為合適，需要考慮油田的實際狀況而定。例如，對于桿柱的腐蝕疲勞為主要破壞形式的油田，建議優選沖程大于6m的抽油機，盡量降低沖次，以延長桿柱的壽命。

3 相鄰條件對抽油機沖程選擇的影響

抽油機通過光桿驅動抽油桿、抽油泵組成三抽系統，選擇不同沖程的抽油機將影響相鄰系統的選擇，如抽油泵、光桿的選擇等，這些設備的選擇受到制造、下井、運輸等條件的限制。

3.1 修井作業設備對抽油機沖程選擇的影響

三抽系統的光桿、抽油泵等均需要用作業系統起升并下放到井下，目前，我國油田一般采用如圖3所示的小修作業機完成常規修井作業。從圖3可知，井架的基本高度為18m左右，即：井架天車的最大有效高度Lmax=18m，游動滑車系統的高度L1=2～3m，地面井口的高度為L2=1～1.5m，考慮安全距離為1～1.5m，則其最大起升有效高度為L=12～14m。換言之，使用現有的井下小修作業系統，其最大起升高度一般不大于12m，即下入井下的抽油泵的泵筒最大長度在12m以內，按照現在泵的結構，其最大沖程應該不大于10m，也就是說，按照目前小修作業系統的起升條件，使用現有的三抽排采工藝，其抽油機的最大沖程應該不大于10m。設計的抽油機如果超過上述沖程時，其井下泵的起下就需要采用大修作業機或附屬起升系統才能完成，這將較大幅度地增加油田的作業和維護成本。

圖3 小修作業示意圖

3.2 制造能力對三抽系統沖程的限制

目前，三抽系統使用的抽油泵一般為整筒泵，這樣可以增加泵的壽命，減少泵的磨損，提升泵效，按照現在整筒泵的加工和熱處理條件，泵筒越長，其加工成本、熱處理的難度越高，目前，熱處理（或鍍鉻）的有效長度一般為10m左右，也就是說，從整筒泵的制造能力來講，三抽系統的有效沖程一般不大于9m。

當然，如果使用非整筒泵，目前可以用多節泵對接起來，其對于三抽系統的沖程長度則沒有限制。

為了完成井口的密封，在進行三抽作業時，必須安裝光桿，目前，光桿的加工、熱處理能力限制了光桿的長度，一般光桿的長度不大于13m。從泵、光桿的制造能力看，目前抽油機的最大沖程一般不應大于10m。

3.3 運輸能力對三抽系統沖程的限制

增加沖程后，光桿、抽油泵的長度均需要增加，人們需要利用車輛將這些設備運輸到作業現場，目前油田廣泛使用的載重車輛的車槽長一般為8～10m，其有效運輸長度不大于12m，如果使用的泵和光桿的長度大于12m，將需要特殊運輸車輛才能完成，這將為油田的生產帶來不便。根據泵和光桿的運輸長度，考慮到批量生產對油田的影響，目前合適的抽油機最大沖程長度在8～10m。

4 沖程長度與抽油機成本的關系

對于游梁式抽油機，一般其主軸承中心（機架）的高度和整機長度可用式（3）計算，即增加沖程，其整機高度和長度線性增加。根據結構件與尺寸的關系，在給定懸點負荷的條件下，其結構件的重量將依體積增加，可以用式（4）進行初步估算。由此可見，增加沖程，將顯著增加抽油機的結構尺寸和重量，增加抽油機的制造成本。

式中，HV為主軸承（支架）的中心高，m；Lmax為抽油機的總長，m；Q為抽油機的重量，t。

對于電機換向或鏈條換向的抽油機，一般增加沖程，只增加支架的高度，其長度和寬度增加不大，其重量增加也較小。所以，電機換向抽油機和鏈條式抽油機，具有長沖程抽油機的相關優勢。

5 結語

按照采油工藝和減小靜變形引起的沖程損失的角度，抽油機的沖程應該越大越好，選擇長沖程低沖次工藝，有利于提升采油系統的壽命。按照運輸、作業、制造等的約束限制，抽油機的沖程不能大于目前配套設備的能力。綜合上面因素，按照現有的設備條件，抽油機的最大沖程應該在10m以下。

如果考慮到抽油機的綜合制造成本、管理維護、采油工藝等綜合因素，對于稀油油田，選擇抽油機的主力沖程在3～6m，稠油油田，選擇在4～8m是可行的。當然，油田如何選擇抽油機的沖程，需要考慮采油工藝和綜合成本，這里主要從抽油機設計的角度分析將來主力抽油機沖程的合理區間。

[1]張曉東，賈國超.關于我國抽油機發展的幾點思考[J].石油礦場機械，2008，37（1）：24-27.

[2]金鐘輝，彭勇，費凡，等.數字化抽油機技術現狀和發展趨勢[J].石油機械，2014，42（12）：35-42.

[3]張彬，綦耀光，丁峰.游梁式抽油機實現低沖次的方法比較[J].現代制造技術與裝備，2010，（4）：42-46.

[4]白曉剛.抽油機選型及節能優化設計方法研究[D].大慶：大慶石油學院，2017：8.

[5]何涌杰.高含水條件下高強度抽油桿的腐蝕特征研究[D].青島：中國石油大學（華東），2016：11.

[6]綦耀光，石臨嵩，丁全祥，等.長沖程抽油機性能評價[J].中國石油大學學報，1996，20（1）：114-119.