低漏失增效抽油泵研制及應(yīng)用

張宏錄

（中石化華東石油局工程院，南京210031） ①

低漏失增效抽油泵研制及應(yīng)用

張宏錄

（中石化華東石油局工程院，南京210031）①

針對(duì)低滲透油藏低產(chǎn)低效井因加深泵掛后造成的抽油泵間隙漏失量大的問題，研制了低漏失增效抽油泵。介紹了增效抽油泵的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、性能特點(diǎn)、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)、彈性密封體材料的耐磨試驗(yàn)及現(xiàn)場應(yīng)用情況。2008—2011年在河南油田現(xiàn)場應(yīng)用16口井，工藝成功率100%，平均單井泵效提高5.68%，累計(jì)增產(chǎn)原油474t。

低漏失；增效抽油泵；泵效；工作原理；現(xiàn)場應(yīng)用

普通抽油泵的泵筒和柱塞均為鋼性材料，二者之間存在間隙，無法實(shí)現(xiàn)零間隙密封狀態(tài)，因此，普通抽油泵的漏失問題一直存在，而且隨著油井生產(chǎn)時(shí)間的延長，泵筒和柱塞之間的間隙逐漸增大，漏失越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致泵效較低、壽命較短?，F(xiàn)有的帶傳壓孔式軟密封柱塞在結(jié)構(gòu)上無密封體肩部保護(hù)設(shè)計(jì)，密封材料成分單一，因此耐磨性受到影響，檢泵周期短。對(duì)于低滲透油藏低產(chǎn)低效井，泵深＞1 850m，隨著泵深的加大，上沖程時(shí)柱塞上部的壓力增加，液體漏失更加嚴(yán)重。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理［2］

低漏失抽油泵主要由泵筒、柱塞總成、固定閥總成3部分組成，其中柱塞總成由上防砂槽機(jī)構(gòu)、彈性體機(jī)構(gòu)、下防砂槽機(jī)構(gòu)組成，如圖1。上沖程時(shí)，柱塞壓力升高，液體經(jīng)柱塞中心孔使彈性體擴(kuò)張，使柱塞與泵筒間隙減小；下沖程時(shí)，柱塞內(nèi)外壓力平衡，彈性體收縮，柱塞與泵筒間隙變大。

圖1 低漏失增效抽油泵結(jié)構(gòu)

2 性能特點(diǎn)［3］

1） 泵效高且零間隙彈性密封 常規(guī)抽油泵由于是金屬之間的密封配合，柱塞與泵筒之間有間隙，在壓差作用下，不可避免地存在液體的流失，而且隨著磨損，間隙會(huì)越來越大，泵效會(huì)逐漸降低。長柱塞彈性密封抽油泵是金屬柱塞與彈性泵筒之間的零間隙密封配合。在抽汲過程中，彈性密封環(huán)受管柱壓力作用，實(shí)現(xiàn)液力自緊密封及磨損量自動(dòng)補(bǔ)償，使其與柱塞始終為零間隙密封。在出廠試壓壓力20 MPa下，穩(wěn)壓10min無滲漏。

2） 防砂性強(qiáng) 彈性柱塞加金屬柱塞結(jié)構(gòu)，保證彈性密封段與柱塞始終處于密封狀態(tài)，且彈性密封環(huán)與柱塞之間是緊密封，無間隙，極大減小了砂粒進(jìn)入密封間隙的機(jī)會(huì)，避免砂卡、砂磨。在彈性泵筒的鋼性密封套內(nèi)加工有刮砂槽，少量進(jìn)入密封間隙的砂粒可在此沉積，避免劃傷配合密封面。彈性密封環(huán)可對(duì)進(jìn)入密封間隙的少量砂粒有包容作用，從而形成良性摩擦機(jī)理，提高其耐磨性。

3） 節(jié)能 由于柱塞與彈性泵筒始終處于零間隙密封狀態(tài)，漏失液少，抽同樣體積的液體，沖次可減少1～2次，減輕振動(dòng)，提高抽油機(jī)工作的穩(wěn)定性。試驗(yàn)證明可節(jié)電10%。

4） 適用于深抽 因各彈性密封環(huán)受管柱壓力作用，在深抽生產(chǎn)壓差大的情況下，彈性密封環(huán)的伸縮補(bǔ)償量也會(huì)相應(yīng)增大，始終保持良好的密封性能，穩(wěn)定產(chǎn)液量。?38型泵可下到2 600m，?44型泵可下到2 200m以上。

5） 壽命長 常規(guī)抽油泵的壽命主要取決于柱塞和泵筒之間的磨損程度，由于該泵主要是金屬柱塞與彈性泵筒之間的摩擦，其磨損量較常規(guī)抽油泵小，且彈性密封環(huán)具有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，因此與常規(guī)泵相比，使用壽命長。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 防砂槽

防砂槽為環(huán)形槽結(jié)構(gòu)，如圖2。在柱塞上加工了若干環(huán)型槽，圖中b為槽寬；d為槽深；a為槽間距；D0－Di為柱塞與泵筒間隙。其作用一是防砂，防止對(duì)金屬柱塞及彈性體的磨損；二是當(dāng)彈性體磨損達(dá)到一定程度時(shí)，減少液體的漏失。

防砂槽的每一個(gè)環(huán)型槽中實(shí)際的速度場在x、y、z3個(gè)方向都有分量，即

v＝［vx，vy，vz］

因此，張量在x、y、z3個(gè)方向也都有分量，使得在沿泵筒方向的分量比常規(guī)泵要小。3個(gè)分量的大小與環(huán)形槽深c和槽間距a有關(guān)，求得速度分布在沿泵筒方向比常規(guī)泵小，即一部分流體還沒有流過泵筒時(shí)，柱塞就換向了。這樣就達(dá)到了低摩阻、低漏失量、提高泵效的目的。

圖2 防砂槽結(jié)構(gòu)

3.2 彈性密封體

3.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

對(duì)彈性密封體長度、端面傾斜角和厚度進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化條件是泵徑?38mm，泵深1 800 m，沖程4.8m，沖次4min－1。

當(dāng)彈性密封體長度、端面傾斜角、彈性密封體厚度的任意1個(gè)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，接觸力發(fā)生變化，依據(jù)接觸力的變化，計(jì)算出摩擦力的變化量，從而繪制摩擦力的變化曲線。依據(jù)摩擦力的變化區(qū)間，確定彈性密封體長度、端面傾斜角、彈性密封體厚度參數(shù)。

3.2.2 長度

最大摩擦力與長度的關(guān)系如圖3，可以看出：當(dāng)彈性體長度為70～86mm時(shí)，最大摩擦力為上升趨勢(shì)；當(dāng)彈性體長度為86～90mm時(shí)，最大摩擦力趨于平穩(wěn)；當(dāng)彈性體長度為95～120mm時(shí)，大摩擦力趨于上升。因此確定最佳彈性體長度為90mm時(shí)，最大摩擦力為最小值199N。

圖3 最大摩擦力與長度關(guān)系曲線

3.2.3 端面傾斜角

最大摩擦力與端面角的關(guān)系如圖4，可以看出：當(dāng)端面角為10～30°時(shí)，曲線趨于平緩，其數(shù)值為165N；當(dāng)端面角為30～47°時(shí)，曲線處于上升趨勢(shì)，其數(shù)值為165.0～197.5N；當(dāng)端面角為47～60°時(shí)，曲線處于下降趨勢(shì)，其數(shù)值為167.5～197.5N。因此最佳單面角為15°。

圖4 最大摩擦力與端面角關(guān)系曲線

3.2.4 優(yōu)化結(jié)果

彈性密封體參數(shù)優(yōu)化結(jié)果為：長度95mm，端面傾斜角15°，厚度4mm。

4 彈性體材料耐磨試驗(yàn)

4.1 材料優(yōu)選

根據(jù)密封體材料的性能進(jìn)行初步優(yōu)選，優(yōu)選出6種彈性密封體復(fù)合材料，其中橡膠占總材料的80%，高強(qiáng)度纖維占總材料的20%，如表1。

表1 6種膠筒橡膠材料組分

4.2 試驗(yàn)裝置及原理

試驗(yàn)裝置如圖5。用平面磨床作為柱塞耐磨試驗(yàn)裝置的動(dòng)力，將柱塞連接桿與磨床的滑塊連接在一起，當(dāng)滑塊以6mm／s的速度、0.6m行程在滑軌上作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑塊帶動(dòng)柱塞以相同的速度和相同的行程在泵筒內(nèi)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)彈性密封體磨損間隙＞0.1mm時(shí)，通過調(diào)節(jié)螺帽調(diào)節(jié)柱塞與泵筒之間的間隙，使柱塞在泵筒內(nèi)做下1個(gè)周期的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖5 柱塞耐磨試驗(yàn)裝置

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

2009－02－02—03－19，對(duì)6組不同材料的膠筒進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)間為16h，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2。

表2 彈性密封體耐磨試驗(yàn)結(jié)果mm

由表2可以看出：在相同試驗(yàn)條件下，丁腈橡膠的磨損量最小，僅為0.083mm；氟橡膠次之，磨損量為0.093mm；其余的磨損量＞0.2mm。說明丁腈橡膠的耐磨性能較好，其次是氟橡膠、三元乙丙橡膠等。

5 現(xiàn)場應(yīng)用及效果分析

5.1 現(xiàn)場應(yīng)用情況

截至2011－06，該技術(shù)在采油一廠共應(yīng)用16口井，工藝成功率100%，有效率92.3%，平均單井泵效提高5.68%，累計(jì)增產(chǎn)原油474t。

5.2 典型井例

雙H12－178井于2009－04－03下入低漏失泵進(jìn)行試驗(yàn)，生產(chǎn)管柱如圖6。分別于2009－08－14和2009－09－05下調(diào)沖次進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況如表3。

圖6 雙H12－178井生產(chǎn)管柱

表3 雙H12－178井措施前后對(duì)比

可以看出，低漏失泵在調(diào)整沖次情況下，產(chǎn)液量沒有下降。該井采用常規(guī)泵生產(chǎn)時(shí)每天耗電為314 kW·h，目前采用低漏失泵每天耗電219kW·h，每天節(jié)電95kW·h，節(jié)電30%。截至2009－12，該井共節(jié)電24 795kW·h。

6 結(jié)論

1） 低漏失增效抽油泵的柱塞密封配合由軟硬結(jié)合的彈性密封柱塞與金屬泵筒構(gòu)成，在抽汲過程中，彈性柱塞與金屬泵筒之間為“零間隙”配合。該泵具有泵效高、檢泵周期長、防砂、節(jié)能、適深抽等優(yōu)點(diǎn)。

2） 低漏失增效抽油泵提高了低產(chǎn)低效井的泵效，延長了低產(chǎn)低效井的檢泵周期，對(duì)提高此類井開發(fā)有著重要的意義。

［1］ 黎 勇，高 敏.延長出砂井抽油泵壽命的綜合方法［J］.內(nèi)蒙古石油化工，2006（12）：182－183.

［2］ 于新哉，王志明，王澤香，等.特種桿式抽油泵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（12）：71－74.

［3］ 黃輝才，孫寶全，陳劍波，等.YLFK型長柱塞抽稠泵研制與應(yīng)用［J］.石油礦場機(jī)械，2009，38（10）：81－82.

Development and Applications of Synergistic Oil－well Pump of Low Leakage

ZHANG Hong－lu
（Engineering Research Institute，Huadong Petroleum Bureau of SINOPEC，Nanjing210031，China）

For low permeability reservoirs ineffective due to deepen pump Wells low hanging after resulting from the pump clearance outside the large quantity of problems developed low loss synergistic pump.The pump efficiency structure and work principle，characteristics，key structure design，elastic sealing body materials wear－resisting test and field application were introduced.2008－2009in Henan oilfield field application 16Wells，craft success rate 100%，the single well pump efficiency improving 5.68%，the cumulative yield 474tons of crude oil.

low leakage；synergistic oil－well pump；pump efficiency；working principle；field application

1001－3482（2012）01－0079－04

TE933.3

A

2011－07－27

中石化河南油田分公司“低漏失增效抽油泵的研制”科研項(xiàng)目（2008科通字第23號(hào)）

專利項(xiàng)目：一種彈性密封柱塞及低漏失抽油泵（ZL 2009 2 0309187.8）

張宏錄（1966－），男，河南光山人，高級(jí)工程師，1989年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院采油工程專業(yè)，主要從事機(jī)械采油工藝技術(shù)研究及推廣工作，E－mail：zhl5456＠sina.com。