雙沉砂結構深抽抽油泵研究

智勤功,張中慧,王 峰,姜 東,周 娜,張方圓,孫淵平,蘇秋涵,肖 萍

(1.勝利油田石油工程技術研究院,山東 東營 257000;2.勝利油田 臨盤采油廠,山東 德州 253000)

隨著勝利油田油井不斷開發,低滲區塊越來越多地投入開發,成為勝利油田穩產的主要陣地之一[1]。這些低滲區塊的油井普遍存在產能遞減快的特點,生產井泵掛深度逐步加深[2],進入高含水開發期,抽油泵工作環境惡化[3]。由于放大生產壓差,平均含砂質量分數升高[4],由2010年的0.04‰升高到2015年的0.07‰,使泵漏失、卡泵問題增多。2020年統計低滲井維護作業2 700多井次,因抽油泵失效占63%,其中閥副刺損失效占49.6%(固定閥副占63%,上游動閥副31%,下游動閥副6%),是主要因素,其次上游動閥罩失效占27.1%。

泵閥(閥罩、閥球、閥座)是舉升管柱構成的微小部件[5],其成本占抽油泵成本不足10%,占整個管柱成本更低,但其失效會導致產量降低直至修井作業。針對泵閥失效,國內外從泵閥失效原因、泵閥結構優化方面開展了大量研究[6],在防砂方面,形成了諸如長柱塞等具有擋砂、沉砂功能的防砂泵[7]。針對上游動閥罩失效,開展了閥罩斷裂失效分析[8],閥罩過流阻力研究等[9],材料表面強化技術的采用,使得泵筒與柱塞耐磨性得以提升[10]。本文針對勝利油田近年來深抽井抽油泵失效形式和深抽井面臨的環境條件,采用仿真計算方法,分析閥副空蝕現象,從減少砂粒沉降至閥副著手,研制了雙沉砂結構深抽抽油泵,現場應用取得良好效果。

1 閥副失效分析

1.1 分析模型

常規抽油泵柱塞結構如圖1所示,柱塞由上接頭、中間接頭、柱塞體、上泵閥、下泵閥、下接頭組成。固定閥結構圖2所示,固定閥由閥罩、閥球、閥座及下接頭構成。柱塞下行時,壓縮泵腔內流體,固定閥關閉,游動閥開啟,泵腔排出流體;柱塞上行時,泵腔體積增大壓力減小,游動閥關閉,固定閥開啟,流體進泵[11]。

1-上接頭;2-中間接頭;3-柱塞體;4-上泵閥;5、泵閥連接頭;6-下泵閥;7-下接頭。圖1 常規抽油泵柱塞結構

1-閥罩;2-閥球;3-閥座;4-下接頭。圖2 常規抽油泵固定閥結構

1.2 仿真設定條件和計算參數

因泵閥影響因素眾多,為便于模擬仿真分析,做以下假設:

1) 流體為均質組分,閥副(閥球、閥座)上、下流體各組分為均勻分布。

2) 閥副上、下各點密度、溫度相同。

分析采用的流體、結構材料,流體為90 ℃水,密度985 kg/m3,黏度0.315 mPa·s,流體含0.2‰質量分數的砂粒,砂粒密度為2 600 kg/m3,砂粒粒徑為0.07 mm,流量30 m3/d。

閥球和閥座力學性能如表1。

表1 閥副材料力學性能

1.3 物理模型

在閥球開啟后,流體在閥罩內的流動是動變截面的,截面差異大,需要選擇合適的流態模型。通過計算雷諾數,確定流體流態為湍流并建立k-ε湍流模型,其控制方程為:

(1)

(2)

(3)

1.4 閥副失效機理分析

采用Xflow軟件對44 mm泵進行仿真計算,分析固定閥副開啟、關閉時流體流動情況[12]。閥球關閉時,砂粒被流體裹挾落入閥座、閥球間隙,設定固定閥副關閉時壓差為20 MPa,閥球與閥座密封線部位落有粉細砂,形成0.07 mm縫隙。經仿真計算,縫隙流速達140 m/s,此處產生空化,圖3為空化相態圖。靠近閥座的部位呈氣態,說明產生了空化現象。縫隙處空化區域水發生了相變,變成了水蒸氣,水相占40%,氣相占60%。離開縫隙,氣相又急劇變為液相,氣相的消失伴隨著體積急劇縮小。空泡在縫隙處產生,并沿下游發展,在并沿下游發展,在閥座表面附近發生潰滅,相當于氣泡破裂,產生爆裂沖擊波,沖擊波遇到閥座金屬表面產生剝離作用,使金屬表面損壞。圖4是某深抽井泵內取出來的閥座照片,從照片可以看出,閥座與閥球接觸部位已經損壞,導致密封失效。

圖3 仿真計算云圖顯示閥副間隙空化沖蝕

圖4 失效閥座照片

2 雙沉砂結構深抽抽油泵設計

2.1 結構設計

避免砂粒落入閥副上是技術改進的關鍵,采用防止雜質沉積的結構設計可以達到這一目的[13]。長柱塞防砂卡抽油泵能較好地減少沉砂進入柱塞-泵筒縫隙和游動閥副[14-15],本文在此基礎上,設計了雙沉砂結構深抽抽油泵,為固定閥設計了沉砂結構。

雙沉砂結構深抽抽油泵主要由外筒、泵筒、加長管、柱塞總成、沉砂固定閥總成等部分組成,其結構如圖5所示。柱塞總成包括柱塞提升短節、上排液閥罩、上游動閥副、柱塞連接頭、柱塞體、下游動閥上接頭、下游動閥罩、下游動閥副、柱塞下接頭。沉砂固定閥總成包括外管下接頭、短筒、側向出液罩、固定閥副、固定閥下接頭、短筒下接頭。

2.2 沉砂原理

當地面設備因維修保養、供液不足及政策停井時,泵筒內流體攜帶的砂粒沉降落至側向出液罩圖上部,導入固定閥(固定閥由側向出液罩,固定閥副,固定閥下接頭構成)與短筒的下沉砂腔。

泵上油管內沉降的砂粒經由接箍旋流槽進入柱塞與外管環空,接箍內設換流槽其扶正作用[16],再經由泵筒扶正接頭的旋流槽,進入泵筒與外管之間的上沉砂腔,砂子沉降路徑如圖5中的箭頭所示。砂粒一旦進入沉砂環空腔,不會再返出,可減少砂粒沉降至閥罩內,減少閥副沉積砂粒。

1-柱塞提升短節;2-上排液閥罩;3-上游動閥副;4-柱塞連接頭;5-柱塞體;6-下游動閥上接頭;7-下游動閥罩;8-下游動閥副;9-柱塞下接頭;10-接箍;11-外管;12-泵筒扶正接頭;13-泵筒;14-泵筒下接箍;15-泵筒加長管;16-外管下接頭;17-短筒;18-側向出液罩;19-固定閥副;20-固定閥下接頭;21-短筒下接頭;22-上沉砂腔;23-下沉砂腔。圖5 雙沉砂結構深抽抽油泵結構示意圖

深層低滲地層出砂量較少,平均含砂質量分數為0.07‰,沉砂過程主要出現在停井過程,沉砂環空空間可夠5 a沉砂需求,因此不需要設計過泵尾管沉砂腔。

2.3 主要技術參數

目前,雙沉砂結構深抽抽油泵已經設計應用了3種泵型規格,其主要參數如表2。

表2 雙沉砂結構深抽抽油泵主要參數

2.4 閥罩優化

深抽抽油泵承受的壓差大,在高壓差作用下,閥球開啟后對罩沖擊力大[8]。新設計了抗沖擊閥罩,其結構如圖6所示。其主要包括圓筒外體、限位擋頭、閥球腔室、導向扶正筋、歸位斜面。圓筒體上、下內壁設有尺寸規格一致的螺紋。在閥球腔室內設有限位擋頭,限位擋頭下方設有導向扶正筋。在閥球腔室下部設有歸位斜面。歸位斜面的坡度為30～50°。導向扶正筋的弧度為26～32°。該距離可使閥罩、閥座沖擊應力同時達到最低。導向扶正筋的直徑與球閥直徑的差值為1～2 mm。限位擋頭高度為4～6 mm。軟件仿真計算結果表明,閥罩受閥球沖擊應力降低60.2%。

上閥罩外徑與泵筒外徑相近,大于柱塞直徑,受力截面積增大80%以上,應力大幅度減小,提高了抗疲勞能力。

1-圓筒外體;2-限位擋頭;3-閥球腔室;4-導向扶正筋;5-歸位斜面;6-螺紋。圖6 優化后閥罩結構

3 現場應用

至2022-12,在勝利油田現河、臨盤、純梁等采油廠進行了123口井的現場應用,實施成功率為100%。與傳統的抽油泵技術相比,該技術大幅度減少了深抽泵閥副刺損失效和上游動閥罩失效,平均生產周期達到840 d,較改進前延長400 d以上,取得良好使用效果。

表3是典型區塊數據,區塊油井產油含砂質量分數為0.16‰,因閥副沖蝕、砂卡柱塞頻繁,區塊檢泵周期216 d。配套應用雙沉砂結構深抽抽油泵技術實施46口井,平均加深泵掛570 m,平均日增液3.3 m3/d,平均日增油1.9 t/d,平均泵效由15.8%提高至38.5%,油井平均生產周期延長至842 d,提升了581 d。

表3 某區塊雙沉砂結構深抽抽油泵應用效果

1) 典型井例1。史X-217井。該井前期44 mm泵下深1 800 m,產液含砂質量分數0.12‰,日產油2.6 t/d,生產周期136 d。2019-12下雙沉砂結構深抽抽油泵,加深泵掛至2 600 m,截至2023-02生產1 126 d,日增油6 t/d,措施工藝實現了延壽增油的良好效果。

2) 典型井例2。LPPX-X152井。該井屬于斷塊油藏,儲層出少量粉細砂,產出液含砂的質量分數約0.23‰,前期因固定閥副刺損,生產周期361 d。配套應用雙沉砂結構深抽抽油泵,實施泵深2 200 m,沖程5.1 m,沖次2.4 min-1,實施430 d因管漏停抽1.5 d后作業,解剖抽油泵,上沉砂腔內和固定閥沉砂腔內均有沉積的細粉砂。

4 結論

1) 設計了雙沉砂結構,分別承接泵上油管內的沉降砂粒和泵筒內沉降砂粒,減少了閥副部位砂粒沉積,減輕了空化射流和狹縫噴砂射流對閥座的破壞。

2) 優化了柱塞外置的上游動閥罩結構,使閥罩應力降低,有利于減少閥罩部位損壞。

3) 沉砂結構深抽抽油泵經123井次應用,深抽泵閥副刺損失效和上游動閥罩失效問題大幅度減少,平均生產周期達到840 d,較改進前延長400 d以上,初步滿足了深抽井長效工作的需求。