三元復(fù)合驅(qū)軟柱塞分段抽油泵設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

李 強(qiáng)

（大慶油田采油工程研究院，黑龍江 大慶163453）①

三元復(fù)合驅(qū)采油技術(shù)可在水驅(qū)的基礎(chǔ)上提高原油采收率20%以上［1－2］，大慶油田先后成功進(jìn)行了7個(gè)三元復(fù)合驅(qū)礦場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效果。但是，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)舉升設(shè)備和井筒內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重，抽油機(jī)井檢泵周期大幅縮短，平均檢泵周期僅為10～30d，嚴(yán)重影響了三元復(fù)合驅(qū)的正常生產(chǎn)。大慶油田在三元復(fù)合驅(qū)抽油機(jī)井防垢、防卡方面做了大量的科研工作，通過試驗(yàn)優(yōu)選出長(zhǎng)柱塞短泵筒結(jié)構(gòu)抽油泵［3－4］，并制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，結(jié)合防垢技術(shù)，目前平均檢泵周期達(dá)到了300d，基本滿足了生產(chǎn)需要。但是，在結(jié)垢高峰期頻繁卡泵井檢泵周期不足200d，給抽油機(jī)井檢泵工作帶來了巨大的壓力。為了有效增強(qiáng)抽油泵對(duì)三元復(fù)合驅(qū)的適應(yīng)性，延長(zhǎng)檢泵周期，開展了軟柱塞分段抽油泵的研究工作［5－6］，這對(duì)于提高油井運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)率和三元復(fù)合驅(qū)整體開發(fā)效益具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)

軟柱塞分段抽油泵采用軟柱塞技術(shù)與分段舉升工藝進(jìn)行結(jié)合，整個(gè)系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)意義上的泵筒，將井下油管作為“泵筒”［7］，并在油管底部安裝固定閥系統(tǒng)。在抽油桿柱中串聯(lián)若干個(gè)軟柱塞。軟柱塞與常規(guī)軟柱塞相比進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，取消了游動(dòng)閥球，采用強(qiáng)開強(qiáng)閉閥進(jìn)行密封。軟柱塞結(jié)構(gòu)主要有抽油桿接箍、鎖緊環(huán)、扶正環(huán)、扶正擋環(huán)、出油口、密封環(huán)、支架、支撐桿、密封座組成。軟柱塞結(jié)構(gòu)如圖1。軟柱塞分段抽油泵結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟柱塞分段抽油泵結(jié)構(gòu)示意

2 工藝原理及特點(diǎn)

三元復(fù)合驅(qū)因強(qiáng)堿溶蝕地層黏土礦物，破壞其表面微觀結(jié)構(gòu)，最終使地層黏土礦物的剝離、分散、運(yùn)移.骨架顆粒石英、長(zhǎng)石以及硅質(zhì)巖屑在堿性條件下也有一定的溶解度.這些化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)被油層中的流體攜帶淤積，造成近井地帶堵塞，舉升設(shè)備嚴(yán)重結(jié)垢。

軟柱塞分段抽油泵（如圖2）是為了解決三元復(fù)合驅(qū)區(qū)塊抽油機(jī)在采油過程中，因垢與砂等成份而導(dǎo)致抽油泵的垢卡問題而設(shè)計(jì)的新型抽油泵。如圖2所示，上沖程時(shí)，油管底部固定閥系統(tǒng)開啟，各級(jí)軟柱塞在抽油桿的帶動(dòng)下與密封座進(jìn)行密封，在柱塞腔內(nèi)形成高壓，推動(dòng)彈性密封環(huán)膨脹并與油管進(jìn)行密封。由于密封環(huán)密封使各級(jí)軟柱塞把整個(gè)油管柱分成若干個(gè)密封腔室，各級(jí)軟柱塞承受的密封壓力變?yōu)檎麄€(gè)管柱的一部分。下沖程時(shí)，油管底部固定閥系統(tǒng)關(guān)閉，軟柱塞支架在抽油桿的帶動(dòng)下與密封座分開，彈性密封環(huán)在柱塞與油管之間的內(nèi)外壓差下逐漸恢復(fù)原狀，下行阻力減小，同時(shí)保證摩擦副獲得液體潤(rùn)滑。

1） 防卡能力強(qiáng) 軟柱塞密封環(huán)采用高分子非金屬材料，在內(nèi)外壓差作用下具有徑向伸縮性，能適應(yīng)不同大小的垢粒；各級(jí)軟柱塞將液柱分成了若干段，當(dāng)抽油機(jī)停機(jī)時(shí)，各級(jí)軟柱塞對(duì)懸浮在油液中的垢粒進(jìn)行阻擋，防止垢粒淤積在油管底部，有效防止停機(jī)卡泵。

2） 壽命長(zhǎng) 軟柱塞分段抽油泵采用多級(jí)分段舉升使軟柱塞密封環(huán)承受壓力減小，延長(zhǎng)了軟柱塞的使用壽命；另外采用多級(jí)分段舉升使抽油桿交變載荷點(diǎn)為多點(diǎn)，載荷分散，且抽油桿的載荷為逐漸變化，金屬疲勞點(diǎn)不集中，增強(qiáng)了抽油桿的抗疲勞性能，延長(zhǎng)抽油桿的使用壽命。

3） 成本低 取消常規(guī)泵筒，采用油管作為“泵筒”，節(jié)省泵筒成本。軟柱塞通過密封環(huán)進(jìn)行密封，如果密封環(huán)損壞可更換密封環(huán)柱塞體可繼續(xù)使用，節(jié)省成本。

4） 維護(hù)簡(jiǎn)單 多級(jí)軟柱塞實(shí)施分級(jí)連續(xù)舉升，更換軟柱塞體無需動(dòng)管，只需起桿，維護(hù)簡(jiǎn)單。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)井深 1 200m

抽油機(jī)參數(shù) 沖程3m，沖次6min－1

試驗(yàn)介質(zhì) 水、水加砂溶液，室溫

測(cè)試儀器

井下功圖測(cè)試儀、動(dòng)液面測(cè)試儀、流量計(jì)

3.2 結(jié)果分析

為了評(píng)價(jià)軟柱塞分段抽油泵的軟柱塞防卡能力，2013－08在機(jī)械采油檢測(cè)試驗(yàn)大廳模擬試驗(yàn)井中開展了軟柱塞與常規(guī)抽油泵砂卡對(duì)比試驗(yàn)。在試驗(yàn)井中分別下入軟柱塞和常規(guī)抽油泵，通過在井口中摻入一定量的砂粒，模擬三元現(xiàn)場(chǎng)的結(jié)垢現(xiàn)象。當(dāng)抽油機(jī)運(yùn)行一定時(shí)間后，進(jìn)行軟柱塞和常規(guī)抽油泵的功圖測(cè)試，評(píng)價(jià)軟柱塞的防卡能力。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)常規(guī)抽油泵對(duì)管柱中懸浮的砂粒比較敏感，功圖顯示載荷抖動(dòng)較大，如圖3所示。軟柱塞在運(yùn)行過程中對(duì)砂粒不太敏感，功圖上下載荷較平穩(wěn)，沒有波動(dòng)，如圖4所示。

圖3 常規(guī)抽油泵測(cè)試功圖

圖4 軟柱塞抽油泵測(cè)試功圖

為了評(píng)價(jià)軟柱塞分段抽油泵的分段舉升性能，在試驗(yàn)井每隔300m下入1個(gè)76mm軟柱塞，并在每個(gè)柱塞上端連接1個(gè)井下功圖測(cè)試儀。試驗(yàn)過程中通過測(cè)試井下軟柱塞功圖、泵效、動(dòng)液面，評(píng)價(jià)分段軟柱塞抽油泵工作特性。表1是測(cè)試不同液面下軟柱塞分段抽油泵的泵效。軟柱塞分段抽油泵隨著動(dòng)液面的增加，呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。主要原因是動(dòng)液面越深，作用在密封環(huán)上的壓力較大，由于密封環(huán)是開口環(huán)，因此漏失也變大。

表1 不同液面下軟柱塞分段抽油泵的效率

圖5～7為在動(dòng)液面850m時(shí)，井下功圖測(cè)試儀測(cè)試的各級(jí)軟柱塞的功圖。通過分析認(rèn)為三級(jí)軟柱塞均參與工作，達(dá)到了分段舉升的效果，但是舉升能力從下往上依次減小。目前抽油機(jī)平均動(dòng)液面約650m，軟柱塞分段抽油泵在850m時(shí)，泵效為77.5%，能夠滿足三元復(fù)合驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)舉升要求。

圖5 軟柱塞A的井下測(cè)試功圖

圖6 軟柱塞B的井下測(cè)試功圖

圖7 軟柱塞C的井下測(cè)試功圖

4 結(jié)論

1） 軟柱塞分段抽油泵采用軟柱塞技術(shù)與分段舉升工藝進(jìn)行結(jié)合，取消了傳統(tǒng)意義上的泵筒，通過軟柱塞與油管密封進(jìn)行工作。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以最大程度發(fā)揮軟柱塞和分段舉升的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2） 室內(nèi)試驗(yàn)表明：軟柱塞分段抽油泵在有砂粒的工況下，運(yùn)行載荷比較平穩(wěn)，可以有效地防止因垢?；蛏傲Ｒ鸬目ū?。通過在油管中不同位置下入3級(jí)軟柱塞進(jìn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，各級(jí)軟柱塞均參加了工作，達(dá)到了分段舉升的效果，能夠滿足三元復(fù)合驅(qū)現(xiàn)場(chǎng)的舉升要求。

3） 軟柱塞分段抽油泵在井下作業(yè)時(shí)需要準(zhǔn)確的測(cè)量抽油桿和油管的長(zhǎng)度，通過合理設(shè)計(jì)軟柱塞的工作位置，來防止軟柱塞在工作中碰撞油管接箍的現(xiàn)象。

［1］王玉普，程杰成.三元復(fù)合驅(qū)過程中的結(jié)垢特點(diǎn)和機(jī)采方式適應(yīng)性［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，27（2）：20－22.

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