旁通閥液力反饋抽油泵研究及應用

(中國石油遼河油田分公司 鉆采工藝研究院，遼寧 盤錦 124010)

遼河油田的稠油井開發后期，油層埋藏深、井況復雜、舉升難度大、檢泵頻次高、系統效率低。采用有桿泵舉升，一方面由于稠油的黏度高、流動阻力大，使泵效較低；另一方面，管桿偏磨問題嚴重，桿柱斷脫是油井倒井的主要原因。現場實踐和理論模擬表明，桿柱受力是井眼軌跡、流體性質、工作參數等因素綜合作用的結果。在直井中，桿柱上行程時，桿柱處于受拉應力狀態；下沖程時，抽油桿中和點之上是受拉狀態，之下處于受壓狀態，呈正弦屈曲或螺旋屈曲狀態[1-4]。在定向井或大斜度井中，需要根據三維井眼軌跡進行受力分析和計算。對于稠油井，泵充滿程度主要取決于工作參數和流體黏度，需要設計相匹配的抽油泵。針對這些問題，研制了旁通閥液力反饋抽油泵。

1 工作原理

旁通閥液力反饋泵設計原理如圖1所示。上沖程時，抽油桿帶動上、下柱塞一起上行，出油閥組關閉，泵腔體積增大，壓力下降，旁通固定閥開啟，井液在沉沒壓力作用下進入環形泵腔，完成進液過程。下行程時，上泵和下泵的環形泵腔體積減小，壓力升高，旁通固定閥在自重和彈簧力的作用下關閉，出油閥開啟，完成排液過程。此時，泵外壓力低，管柱內液體載荷作用在下柱塞截面上，形成向下的液壓反饋力，幫助桿柱下行。

a 上沖程 b 下沖程

2 結構組成

在采油生產過程中，通過進、出油閥的交替關閉，使得泵上液柱壓力產生液壓反饋力，增大泵下行力，進而克服下行阻力[5-8]。該種方式應用的是液力反饋原理。本文所述旁通閥液力反饋泵采用旁通進油閥，如圖2所示，泵閥采用彈簧復位球閥，柱塞兩端設計防砂結構，異徑泵筒采用上下2個內徑不同的常規泵筒，通過中間接箍連接而成，泵筒兩端帶有上下2個接頭和護帽。

旁通閥液力反饋泵通過損失排量而增加柱塞下行力。采用式(1)進行理論排量計算。

(1)

式中：Q為理論排量，m3/d；Du為上柱塞直徑，m；Dd為下柱塞直徑，m；S為沖程，m；N為沖次，min-1。

反饋力的大小與油套管的壓差成正比,只要油井動液面深度一定，反饋力的大小是一定的。反饋力的大小采用式(2)計算。

(2)

式中：F為液壓反饋力，N；H為動液面深度，m；p為井口壓力，Pa。

1—泵筒上接箍；2—上泵筒；3—中間接箍；4—下泵筒；5—泵筒下接頭。

3 技術特點及適應范圍

1) 旁通閥液力反饋泵進油閥的流道短、通徑大，吸入性能好，阻力小，提高了抽油泵的充滿程度和效率。

2) 復位彈簧具有扶正作用，克服了斜井、水平井導致的閥球關閉滯后和閥球偏落的問題。

3) 上柱塞采用螺旋刮砂結構，可防止砂卡，延長油井檢泵周期。

4) 泵筒底部連通，油管內液體可泄入井內，井下不用泄油器；可不動管柱進行熱采、正反洗井、沖砂、壓井、測試等作業。

泵規格參數如表1所示，能夠適應以下井況：

1) 適用泵掛位置井斜小于65°的斜井、水平井。

2) 適用于原油黏度小于6 000 mPa·s的稠油熱采井。

3) 適用于下行阻力大，偏磨嚴重的油井。

4 應用實例分析

研制的旁通閥液力反饋抽油泵在現場試驗和應用130余井次，取得了較好效果。以曙2-6-33井為例，該井為1口大斜度井，正常檢泵周期4個月。2015-05，桿柱斷脫檢泵，進行了系統優化設計[9-10]，設計桿柱組合為?25.4 mm(1in)×600 m+?22.2 mm(in)×824 m+?19.1 mm(in)×1 600 m。根據桿柱受力計算(如圖3)，該井中和點在2 570 m，中和點以下井段下沖程時存在屈曲應力。采用液力反饋泵，可為桿柱下行提供動力，避免下行程中桿柱彎曲，同時提高泵充滿程度。

表1 旁通閥液力反饋泵規格參數

圖3 桿柱軸向受力計算

優化設計后，該井的生產情況如圖4所示，油井免修期由不到6個月提高到了30個月，目前仍然在正常生產，說明該工藝技術對于高含水老油田穩產、低產井長期持續生產具有較好效果。

5 結論

1) 設計了旁通閥液力反饋抽油泵，解決了大斜度稠油井檢泵周期短、系統效率低的問題。該工藝技術為油田開發后期井況較復雜的低產井采油提供了新的思路。

圖4 生產動態曲線

2) 該泵通過損失排量達到為管柱下行提供動力的目的，結構設計巧妙，能夠提高泵充滿程度，同時減小桿柱交變載荷，對復雜井況適應性較強。

3) 現場應用表明，對于大斜度井、稠油井等復雜井況，通過優化舉升工藝系統，保證配套措施的全面性和完整性，是舉升系統長期高效安全運行的關鍵。