一種新型分采泵的研制及在延長油田的應用

王衛(wèi)剛，趙亞杰，李留仁，姚 軍，劉 通

(1.陜西延長石油(集團)有限責任公司 研究院，陜西西安710075;2.西安石油大學 石油工程學院，陜西 西安710065)

目前，延長油田含油層系多，油層復合連片，不同層系在滲透率和能量方面相差較大，非均質(zhì)嚴重，油田常采用多層合采工藝。同時，為有效動用低壓層，需通過增大生產(chǎn)壓差，使生產(chǎn)時的井底流壓低于任意層段的地層壓力，實現(xiàn)井下各油層的動用，但其會造成嚴重的層間干擾。要使各層充分發(fā)揮作用，就必須采取分層采油工藝，以消除層間干擾問題，從而達到適度開采高壓油層，充分發(fā)揮低壓、低滲透油層的潛力。分層同采工藝技術(shù)研究對延長油田開發(fā)具有重要意義［1-2］。舊的分采泵分層同采工藝技術(shù)是由分采泵和封隔器2種工具組合配套而成。封隔器用來隔開2段油層形成2套壓力系統(tǒng)，分采泵2套抽油系統(tǒng)分別對每段油層進行抽汲采油［3-7］。本文設計了一種使用簡單、可靠、成本低廉的新型分采同出泵，可實現(xiàn)一套抽油舉升系統(tǒng)的分層同采。

圖1 分采混出泵原理Fig.1 Principle of layered oil producing pump

圖2 分采混出泵結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of layered oil producing pump

1 分采混出泵設計

如圖1所示，本文設計的分采混出泵在泵下2層段分層采油，泵上2層段液體混合，最后通過油管由一套抽油系統(tǒng)舉升至地面。分采混出泵結(jié)構(gòu)如圖2所示，在設計上遵循標準化的設計原則，所有的閥罩、閥球、閥座等采用標準件(符合SY/T5059—91《抽油泵》及SY5134—86《組合泵筒管式泵結(jié)構(gòu)及主要零部件尺寸》的要求)。以下對分采混出泵的非標準零部件進行設計計算。

1.1 基本參數(shù)及理論排量計算

(1)基本參數(shù)

分采混出泵生產(chǎn)時管柱下層采油實際泵徑32 mm，上層采油實際泵徑30.2 mm，總體相當于44泵，基本參數(shù)見表1。

表1 分采混出泵基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of layered oil producing pump

(2)理論排量計算

理論排量的計算公式為

式中:Q為泵的理論排量，m3/d;F為柱塞截面積，m3;S為懸點沖程，m;N為沖次，min—1;K為泵常數(shù)。

1.2 強度計算

(1)外套螺紋強度校核

螺紋強度校核式為

式中:p為最大載荷，kN;h為螺紋牙高，m;b為螺紋牙根部寬度，m;kz為螺紋載荷不均勻系數(shù);d為螺紋根部直徑，m;z為旋合圈數(shù)。

設計參數(shù):p=267 kN，h=1.083 ×10—3m ，b=1.57 × 10—3m，kz=0.56，d=195 × 10—3m，z=20。代入式(2)得 σw=51.1 MPa，τ=24.8 MPa。

已知 σs=353 MPa，于是［σw］ = σs/1.5=235.3 MPa，［στ］ = σs/4.5=78.4 MPa，故有

σw＜ ［σw］，τ＜ ［στ］，因此，外筒螺紋強度是足夠的。

(2)泵筒抗內(nèi)壓能力校核

以混出流量44泵為例計算，其泵筒材料為45鋼，［σ］ = σs/1.5=235.3 MPa，外徑 D=58 mm，內(nèi)徑d=44 mm，該泵筒為厚壁圓筒，內(nèi)壁上應力最大。其徑向、周向、軸向應力計算式分別為

式中:k為所求應力點半徑與內(nèi)徑之比;K為泵筒內(nèi)外徑之比;pi為內(nèi)壓。

設計參數(shù):k=1，K=1.25，pi=18 MPa(根據(jù)石油天然氣行業(yè)標準《抽油泵》SY/T5059—91)。分別代入式(3)—式(5)，計算得σr=—18 MPa，σθ=25 MPa，σz=32 MPa。

45號鋼，屬塑性材料，通常以屈服的形式失效，按第四強度理論進行校核:σr4＜［σ］，其中:相當應力

由規(guī)定知:σ1= σr=—18 MPa，σ2= σθ=25 MPa，σ3= σz=32 MPa，代入式(7)得 σr4=46.89 MPa，故有σr4＜［σ］，因此，泵筒抗內(nèi)壓能力足夠。

(3)柱塞強度校核

在柱塞從泵筒中取出過程中，由于柱塞外露部分為1.5 m，當水平放置時，在自重作用下將產(chǎn)生彎曲，簡化為恒力彎曲懸壁梁。柱塞強度

式中:D為柱塞外徑，m;d為柱塞內(nèi)徑，m;ρ為柱塞金屬密度，kg/m3;g為重力加速度，m/s2。

設計參數(shù):D=0.044 m，d=0.030 m，ρ=7.8 ×103kg/m3，g=9.8 m/s2。代入式(6)得 q=92.17 N/m。

最大正應力及最大剪應力均在懸臂處。于是有

故有σmax＜［σ］，τmax＜［τ］，因此，柱塞強度滿足要求。

2 室內(nèi)試驗分析

為檢驗分采混出泵管柱的可行性、可靠性及主要工具的綜合性能，以及能否進行現(xiàn)場試驗，需按照設計要求加工的新型分采混出泵進行室內(nèi)試驗［8-9］。

(1)柱塞通過泵筒性能試驗。試驗結(jié)果表明，柱塞全長的圓柱度及尺寸公差符合設計要求，抽油泵在井下工作時，保證柱塞能在整個沖程范圍內(nèi)運動，不發(fā)生卡泵現(xiàn)象。

(2)閥球與閥座的密封性能試驗。對分采混出泵、分采分出泵、球座、閥球等元件進行密封性試驗，全部合格。經(jīng)配研后閥球與閥座密封性能可靠，從而保證泵閥在井下關(guān)閉時，密封可靠，不發(fā)生漏失。

(3)泵總成密封和承壓強度試驗。將泵組件組裝后，進行泵總成密封和承壓強度試驗，結(jié)果見表2。表明3種不同型號泵的各錐管螺紋密封面、各端面密封面、進油閥密封面和抽油泵各受內(nèi)壓零件在井下液柱壓力作用下的密封性能和承壓強度均可靠。

表2 分采混出泵總成密封和承壓強度試驗結(jié)果Tab.2 Test results of assembly seal and bearing strength of layered oil producing pump

3 現(xiàn)場試驗

為了全面檢驗新設計的分采混出泵工藝技術(shù)在各種條件下的適用性能及使用的可靠程度，在開展了大量室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，在延長油田西部某采油廠進行了現(xiàn)場試驗，通過與管式泵進行對比，現(xiàn)場實施4口井的產(chǎn)液情況見表3。

表3 管式泵與分采混出泵油井產(chǎn)液量對比Tab.3 Liquid producing amount of the oil wells with different oil producing pump

現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，新設計的分采混出泵增產(chǎn)效果非常明顯，在延長油田很強的適應性。

4 結(jié)論

(1)新設計的分采混出泵各項設計指標均符合要求，各項性能達標。

(3)現(xiàn)場試驗表明，分采混出泵增產(chǎn)效果明顯，可以滿足延長油田分層同采的技術(shù)要求，在延長油田有很強的適應性，可以在延長油田推廣應用。

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