可互換作業(yè)桿式抽油泵研制

朱洪征，陸　梅，崔文昊，岳潘東，常莉靜（1．長慶油田分公司a．油氣工藝研究院；b．油田開發(fā)處，西安710018；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018）

可互換作業(yè)桿式抽油泵研制

朱洪征1a，2，陸梅1a，2，崔文昊1a，2，岳潘東1b，常莉靜1a，2
（1．長慶油田分公司a．油氣工藝研究院；b．油田開發(fā)處，西安710018；2．低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，西安710018）①

長慶油田的油層埋藏深、單井產(chǎn)量低、油井的維護性作業(yè)量大，應(yīng)用桿式泵解決了這些油井的深抽和作業(yè)費用高的問題。由于結(jié)構(gòu)及密封方式的限制，傳統(tǒng)的桿式泵在調(diào)整泵徑時必須起出油管柱，增加了修井作業(yè)的工作量和費用。研制了可互換作業(yè)的桿式抽油泵，使得支承總成可以與不同泵徑的抽油泵配合使用。對機械卡套的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，統(tǒng)一坐封力和解封力。使用可互換作業(yè)的桿式抽油泵，在油井需調(diào)整泵徑時無需起出油管柱，降低了生產(chǎn)成本。

桿式泵；互換性；支承總成

桿式泵的最大優(yōu)勢是檢泵作業(yè)時不起油管，作業(yè)成本低［1-2］。國外桿式泵應(yīng)用占有桿泵的85%～90%。國內(nèi)桿式泵用量不足有桿泵的10%。2009年長慶油田開始推廣試驗桿式泵，實現(xiàn)了修井起泵作業(yè)不動油管柱、縮短作業(yè)時間、降低作業(yè)費用目的［3］。但是，調(diào)整泵徑時必須起出油管。桿式泵檢泵周期約為管式泵的2／3，井下作業(yè)總量較管式泵高15%，起油管比例達到70%，僅因調(diào)整泵徑起油管井數(shù)占小修井比例12．7%，并未真正發(fā)揮桿式泵的技術(shù)優(yōu)勢。

針對上述問題，創(chuàng)新研制了可互換作業(yè)桿式抽油泵，其最大特點是不同泵徑支承總成結(jié)構(gòu)尺寸一致，具有互換性和通用性?，F(xiàn)場試驗取得了良好的效果，杜絕了調(diào)整泵徑起油管現(xiàn)象，一定程度上發(fā)揮桿式泵的技術(shù)優(yōu)勢。

1　可互換作業(yè)桿式泵設(shè)計

1．1 總體結(jié)構(gòu)

可互換作業(yè)的桿式抽油泵由支承總成和抽油泵組成，支承總成主要由上接頭、機械支承座、機械支承卡套、支承座圈、皮碗等組成；抽油泵主要由泵筒總成、柱塞總成、球閥及泵下頂桿等部件組成。與普通桿式泵的結(jié)構(gòu)相比，具有以下特點：?28mm、?32mm、?38mm 3種不同泵徑桿式泵采用統(tǒng)一尺寸支承總成，根據(jù)生產(chǎn)需求要調(diào)整泵徑時，直接用抽油桿起出泵筒，更換所需直徑的泵，而不需要起出油管，降低作業(yè)成本?？苫Q作業(yè)的桿式抽油泵結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1　可互換作業(yè)桿式抽油泵結(jié)構(gòu)

1．1．1 機械支承主體

機械支承總成由機械支承座（如圖2）和機械支承座圈（如圖3）組成，二者的密封方式同閥球閥座，可在一定角度實現(xiàn)密封，其結(jié)構(gòu)決定了實現(xiàn)不同泵徑桿式泵在修井作業(yè)時具有互換性和通用性，減少更換泵徑而起油管井次。

圖2　機械支承座

圖3　機械支承座圈

1．1．2 機械支承卡套

機械支承卡套（如圖4）是個彈性爪壓縮鎖定機構(gòu)，機械支承卡爪壁厚直接決定了坐封和解封力大小，保證機械支承總成的支承座和座圈在抽油泵抽汲過程中密封可靠。

圖4　機械支承卡套

1．2 互換性原理

實現(xiàn)不同泵徑桿式泵在修井作業(yè)時具有互換性和通用性，減少更換泵徑起油管井次，其決定性結(jié)構(gòu)為機械支承座和機械支承座圈。可互換作業(yè)的桿式泵采用頂部固定機械與皮碗密封方式，機械密封主要靠支承座與支承座圈，密封形式類似于球閥、球座，實現(xiàn)桿式泵的機械密封。支承總成改為通用件，支承皮碗異徑接頭與不同泵徑接合，形成了不同泵徑的桿式泵，確保了支承總成結(jié)構(gòu)統(tǒng)一而泵徑可以調(diào)整。

1．3 理論計算

可互換作業(yè)桿式泵主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　可互換作業(yè)的桿式泵主要技術(shù)參數(shù)

1．3．1 下泵深度

頂部固定雙卡式桿式泵泵筒承受內(nèi)壓和液柱引起的拉伸載荷，并且上行程時泵筒外部處于較低的壓力下，泵筒處于擴張，會加大柱塞間隙，造成漏失量增大。

泵筒內(nèi)外壓差是由井液造成的，其計算式為

式中：p為泵筒受到的折合壓力，MPa，p1為泵筒內(nèi)壓力，MPa；p2為泵筒外壓力，MPa。

式中：ρ為井液密度，kg／m3；H為下井深度，m；pB為井口回壓，MPa，依據(jù)實際情況確定。

式中：h為油井沉沒度，m。

抽油泵的泵筒采用第四強度理論進行強度［4］計算，即

強度條件為

式中：σd4為計算相當應(yīng)力，MPa；［σ］為許用應(yīng)力，MPa；σθ為計算軸向應(yīng)力，MPa；k為泵筒內(nèi)外直徑之比。

實際生產(chǎn)中油井存在一定的沉沒度、井口回壓，取沉沒度值為200m，井口回壓1MPa。計算得

1．3．2 機械卡套厚度

在有桿泵的工作過程中，機械卡套與支承接頭之間的接觸是一個基本問題。在抽油過程中一旦機械卡套被拉脫，有桿泵將無法正常工作，機械支承卡套結(jié)構(gòu)直接決定了泵的坐封、解封力。對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，經(jīng)過計算分析，確定最終結(jié)構(gòu)，如表2。

建立懸臂梁彎曲模型［5］：

式中：F為懸臂梁端部集中力；θA為懸伸端彎曲度；E為鋼質(zhì)梁的彈性模量；l為支承臂長度，mm，取l＝79mm；R為卡套開口外徑，mm，取R＝59．5mm；r為卡套開口內(nèi)徑，mm，取r＝51mm。

計算得F解封＝11 k N，F(xiàn)坐封＝3．58kN，符合現(xiàn)場實際要求。

表2　桿式泵機械支承卡套結(jié)構(gòu)尺寸

2　室內(nèi)試驗

2．1 支承總成互換性試驗

檢測統(tǒng)一后的支承總成尺寸是否達到互通、互換要求，改進后不同泵徑桿式泵的機械支承座圈和支承座進行相互裝配，并進行密封加壓試驗，試驗介質(zhì)為10號柴油，壓力32 MPa不滲、不漏，試壓數(shù)據(jù)如表3。

表3　支承總成互換后試壓數(shù)據(jù)

2．2 坐封力和解封力試驗

檢測改進后的桿式抽油泵支承總成坐封力、解封力是否達到設(shè)計要求。?32mm／?38mm支承卡爪解封力14．8kN，坐封力4kN。?28mm支承總成解封力10．9kN，坐封力2kN。室內(nèi)試驗表明，坐封力和解封力與計算結(jié)果基本一致（如表4）。

表4　坐封力和解封力試驗檢測結(jié)果

測試在規(guī)定的壓力下，柱塞與泵筒的漏失量是否在合適的范圍內(nèi)，以保證抽油泵在下井工作后不會因漏失量過大而降低泵效。間隙漏失量測試，試驗壓力10MPa，介質(zhì)為10號輕柴油，漏失量＜100mL／min，密封間隙等級達到Ⅰ級［6］。

3　現(xiàn)場應(yīng)用情況

在室內(nèi)試驗成功的基礎(chǔ)上，2014年可互換作業(yè)的桿式抽油泵共在長慶油田應(yīng)用了30口井，目前均生產(chǎn)正常。以于X井為例，2014-07-25開展了可互換作業(yè)的桿式抽油泵現(xiàn)場試驗，下?32mm桿式泵并坐封后，上提抽油桿解封，現(xiàn)場實測解封力50kN?？紤]井筒因素，結(jié)合室內(nèi)與現(xiàn)場測試結(jié)果，解封力符合設(shè)計要求。起出?32mm桿式泵重新下?28mm桿式泵后成功坐封。

長慶油田有4000多口桿式泵，年井下作業(yè)3500井次，全部采用可互換作業(yè)的桿式抽油泵后，由此折算逢調(diào)整泵徑檢泵時有445口井不用動管柱。單井節(jié)省作業(yè)施工費用￥0．8萬元，少影響產(chǎn)油1．0t，單井合計經(jīng)濟效益￥1．0萬元。這445口井可增加濟效益為445×1．0＝￥445萬元（未計重復(fù)檢泵），潛在的效益更大。

4　結(jié)論

1） 可互換作業(yè)的桿式抽油泵的支承總成改為通用件，使得在同一口油井更換不同規(guī)格的泵而不需起出油管，實現(xiàn)了互換性和通用性。

2） 現(xiàn)場試驗表明可互換作業(yè)的桿式抽油泵能夠有效減少了調(diào)整泵徑起油管頻次，降低了作業(yè)成本。

［1］ 趙從楷．國外有桿深井泵發(fā)展狀況［J］．石油礦場機械，1986，15（4）：62-70．

［2］ API RP 11AR，Recommended practice for care and use of subsurface pumps［S］．2000．

［3］ 牛彩云，曾亞勤，張洪福．雙卡式桿式泵的研制及應(yīng)用［J］．石油礦場機械，2014，23（1）：60-62．

［4］ 萬邦烈．采油機械的設(shè)計計算［J］．北京：石油工業(yè)出版社，1988：106-107．

［5］ 姜士湖，賈善坡，閆相禎，等．桿式泵鎖爪與支撐接頭的接觸數(shù)值模擬分析［J］．石油礦場機械，2004，33（2）：41-44．

［6］ GB／T 18607—2008，抽油泵及其組件規(guī)范［S］．

Development of Rod Pump Interchangeable Operation

ZHU Hongzheng1a，2，LU Mei1a，2，CUI Wenhao1a，2，YUE Pandong1b，CHANG Lijing1a，2
（1．a(chǎn)．Oil&Gas Technology Research Institute；b．Department of Oilfield Development，Changqing Oilfield Company，Xi’an 710018，China；2．National Engineering Laboratory for Exploration and Development of Low-permeability Oil and Gas Fields，Xi’an 710018，China ）

Oil wells in Changqing Oilfield were buried deep，low single well production．Years ofmaintenance operations of oil wells costs a large amountmoney，the application of rod pump solves the low production cost of deep pumping wells and high operation problems．Because of the limitation of structure and sealing way，traditional rod pump in adjusting pump diametermust be out of the tubing string，as it increases the workload and costs of operation workload．Rod pump is developed interchangeable operations，makes the bearing assembly can be used with different pump diameter of pump．Optimize themechanical card set of structure，and unified setting and un-sealed forces．interchangeable operation rod pump is used when oil wells need to adjust the pump diameter without the tubing string to reduce the production cost．

rod pump；interchangeability；prop up assembly

TE933．303

B

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．020

1001－3482（2015）08－0082－04

①2015-02-10

朱洪征（1981-），男，陜西藍田人，工程師，碩士，2011年畢業(yè)于西安石油大學(xué)，主要從事采油工藝研究，Email：zhz10＿cq＠petrochina．com．cn。