增油短節(jié)提高抽油桿系統(tǒng)效率機(jī)理研究及其應(yīng)用

曲占慶，李小龍，程宇輝，楊林，楊陽(yáng)，肖雯

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東 青島266580；2.中國(guó)石化江蘇油田分公司試采二廠(chǎng)，江蘇 淮安211600；3.中海油研究總院，北京100027；4.中國(guó)石化勝利油田分公司采油工藝研究院，山東 東營(yíng)257000）

油田抽油機(jī)井生產(chǎn)過(guò)程中，普遍存在下泵深度大、抽油泵漏失、工作環(huán)境惡劣、抽油桿系統(tǒng)效率不高等問(wèn)題［1-5］。增油短節(jié)作為一種成本低廉、使用方便的井下工具，安裝在2 根抽油桿的連接處，具有減少?zèng)_程損失、減輕偏磨、減少漏失、提高泵效、減輕抽油桿疲勞載荷［6-7］以及延長(zhǎng)柱塞使用壽命等功能［8-11］，同時(shí)可替代扶正器、刮蠟器和變扣接頭，提高系統(tǒng)效率。本文對(duì)增油短節(jié)的作用機(jī)理進(jìn)行了闡述，對(duì)其提升效率問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)學(xué)求解，為其井下的合理排布提供了科學(xué)依據(jù)［12］。

1 作用機(jī)理

增油短節(jié)由抽油桿短節(jié)、游動(dòng)閥、閥座等組成，上、下與抽油桿連接，游動(dòng)閥、座配合，組成游動(dòng)閥總成，與短節(jié)成為一體［13］，游動(dòng)閥在短節(jié)中部可上下自由移動(dòng)，中部有過(guò)油孔（見(jiàn)圖1）。

圖1 增油短節(jié)

增油短節(jié)的工作原理：當(dāng)抽油桿下行卸載時(shí)，增油短節(jié)的游動(dòng)閥在摩擦力和下部壓力的作用下向上移動(dòng)，與閥座脫離，即游動(dòng)閥總成打開(kāi)，流體從游動(dòng)閥的過(guò)油孔沿凹槽通過(guò)；當(dāng)抽油桿上行加載時(shí)，游動(dòng)閥在壁摩擦力和上部液柱壓力的作用下向下移動(dòng)，直至與閥座壓緊，即游動(dòng)閥總成關(guān)閉，封閉流體流動(dòng)通道，此時(shí)，被封住的上部流體隨抽油桿上行，完成抽油過(guò)程。

將增油短節(jié)串接在抽油桿上，相當(dāng)于將抽油泵柱塞端面上的液柱質(zhì)量分散到每個(gè)增油短節(jié)的游動(dòng)閥總成上，從而減少了柱塞上的液柱壓力和泵的漏失量；同時(shí)，增油短節(jié)承載的液柱質(zhì)量就是其下部抽油桿減少的液柱質(zhì)量，這就減少了該部分抽油桿的伸長(zhǎng)量，降低了沖程損失，從而提高了泵效［14］。抽油桿受力模型如圖2所示。圖中，L 為抽油桿總長(zhǎng)，m—m′為抽油桿任一截面，x 為截取的抽油桿任一微元段的長(zhǎng)度，F(xiàn) 為抽油桿所受的拉力，F(xiàn)N為抽油桿x 微元段承受的壓力。

圖2 抽油桿受力模型示意

2 排布及數(shù)量?jī)?yōu)化

由于抽油桿自身具有質(zhì)量，其各截面上的軸向力是不相等的［15］。在求得x 微元段伸長(zhǎng)量的基礎(chǔ)上，積分即可求得整段抽油桿的伸長(zhǎng)量［16-17］。

首先，應(yīng)用截面法［18］，計(jì)算m—m′截面的軸向力Fx。假設(shè)抽油桿上沖程時(shí)，直徑不變，不考慮慣性載荷，由受力平衡方程∑Fx=0 得

其中 γ=ρGg

式中：A 為抽油桿截面積，m2；γ 為材料重度，N/m3；ρ，ρG分別為井筒液體和抽油桿材料的密度，kg/m3；S 為井筒液體截面積，m2；g 為重力加速度，m/s2。

應(yīng)用虎克定律，積分得x 微元段伸長(zhǎng)量：

式中：E 為油管的彈性模量，Pa。

假設(shè)井筒內(nèi)為單相流體，不考慮泵漏失，由式（2）得長(zhǎng)度為L(zhǎng) 的抽油桿伸長(zhǎng)量為

式中：C1，C2分別為由液柱質(zhì)量和自身質(zhì)量引起的抽油桿伸長(zhǎng)系數(shù)。

由式（3）可以看出，抽油桿伸長(zhǎng)量主要由2 部分組成，一是由于液柱質(zhì)量引起的伸長(zhǎng)量，二是由于抽油桿自身質(zhì)量引起的伸長(zhǎng)量。

因液柱質(zhì)量引起的抽油桿伸長(zhǎng)量（ΔLY）可表示為

式中：FY為因液柱質(zhì)量產(chǎn)生的拉力，N。

安裝增油短節(jié)不能消除抽油桿彈性伸長(zhǎng)的問(wèn)題，但是可通過(guò)減少抽油桿上的載荷來(lái)減少其伸長(zhǎng)量，以提高泵效。增油短節(jié)安裝如圖3所示。

圖3 增油短節(jié)安裝示意

從井口至井底，每根增油短節(jié)之間抽油桿因液柱質(zhì)量引起的彈性伸長(zhǎng)量為

抽油桿安裝增油短節(jié)后，因增油短節(jié)的質(zhì)量相對(duì)很小，由此引起的抽油桿伸長(zhǎng)量可以忽略不計(jì)，則由液柱質(zhì)量引起的伸長(zhǎng)量（ΔLz）為

安裝增油短節(jié)前后抽油桿彈性伸縮差量（η）為

減少抽油桿彈性伸長(zhǎng)量，實(shí)際上就是增大了有效沖程，即η 值越大，抽油桿彈性伸長(zhǎng)量越小，有效沖程越大，從而泵效越高。因此，η 值的大小就是提升效率的高低。

當(dāng)L 為定值時(shí)，影響提升效率η 的變量即是M，求M 的極值就是求η 的極值。顯然，M 取極值的條件為L(zhǎng)i=Lj，即在井筒中均勻布置增油短節(jié)為最優(yōu)化排布。

安裝不同數(shù)量（n）的增油短節(jié)對(duì)應(yīng)著不同的M 極值，設(shè)M1代表安裝1 只短節(jié)的極值，M2代表安裝2 只短節(jié)的極值，以此類(lèi)推。

…

因此

當(dāng)安裝增油短節(jié)數(shù)n 為不定值時(shí)，只考慮液柱載荷情況下，η 與n 的關(guān)系如圖4所示。

圖4 η 與n 的關(guān)系

由式（3）可得出由液柱質(zhì)量引起的伸長(zhǎng)量與由抽油桿自身質(zhì)量引起的伸長(zhǎng)量之比為

取γ=7.85×104N/m3，ρ=1×103kg/m3； 若抽油桿直徑為25.4 mm，油管直徑為60.3 mm，則K≈0.296，由液柱質(zhì)量引起的抽油桿伸長(zhǎng)量占總伸長(zhǎng)量的比例約為0.228。

從圖5可以看出，當(dāng)安裝4 個(gè)增油短節(jié)時(shí)，可提升抽油桿系統(tǒng)效率9.12%；當(dāng)安裝9 個(gè)增油短節(jié)時(shí)，即可提升抽油桿系統(tǒng)效率10.26%。

所以，安裝4～9 個(gè)增油短節(jié)即可顯著提高抽油桿系統(tǒng)綜合效率，且從理論上講，抽油桿系統(tǒng)綜合效率提高幅度最高可達(dá)11.40%。

圖5 抽油桿綜合效率提高幅度與增油短節(jié)安裝數(shù)量的關(guān)系

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

江蘇油田馬8-11 井位于馬家嘴構(gòu)造馬8 斷塊，2006年2月完井，生產(chǎn)層位E2d2-1，生產(chǎn)井段1 305.5～1 309.2 m，2011年6月檢泵作業(yè)時(shí)，更換全部扶正器并安裝5 個(gè)增油短節(jié)。作業(yè)前該井日產(chǎn)液量7.3 t，作業(yè)后為7.9 t，增產(chǎn)率為8.22%，達(dá)到理論增產(chǎn)效率的86.53%。

江蘇油田黃88-22 井位于東臺(tái)坳陷高郵凹陷黃玨構(gòu)造黃88 斷塊，2009年1月完井，生產(chǎn)層位E2d1-2，生產(chǎn)井段2 351.0～2 358.9 m，2012年2月13日檢泵作業(yè)時(shí)安裝5 個(gè)增油短節(jié)，作業(yè)前日產(chǎn)液量3.4 t，作業(yè)后3.7 t，增產(chǎn)率8.82%，達(dá)到理論增產(chǎn)效率的92.84%。

江蘇油田高7-20 井位于高集構(gòu)造高7 斷塊，2004年1月完井，生產(chǎn)層位E1f2-3，生產(chǎn)井段1 710.6～1 743.0 m，2012年5月21日檢泵作業(yè)時(shí)安裝5 個(gè)增油短節(jié)，作業(yè)前日產(chǎn)液量5.9 t，作業(yè)后6.4 t，增產(chǎn)率8.47%，達(dá)到理論增產(chǎn)效率的89.21%。

4 結(jié)論

1）增油短節(jié)具有減少?zèng)_程損失、減輕偏磨、減少漏失、提高泵效、減輕抽油桿疲勞載荷以及延長(zhǎng)柱塞使用壽命等功能。

2）安裝增油短節(jié)理論上可減小11.40%抽油桿伸長(zhǎng)量，即提高抽油桿系統(tǒng)效率11.40%。增油短節(jié)效果與安裝數(shù)量呈正相關(guān)，安裝4 個(gè)增油短節(jié)時(shí)可提升抽油桿系統(tǒng)效率9.12%，安裝9 個(gè)時(shí)即可提升抽油桿系統(tǒng)效率10.26%；因此，推薦安裝數(shù)量為4～9 個(gè)。

3）抽油機(jī)井安裝增抽短節(jié)以沖程損失最小為原則，已確定安裝增油短節(jié)數(shù)量的情況下，均勻排布安裝效果最好。

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