有桿泵最小沉沒壓力的確定

張興濤，李偉峰，2，張曉斌， 洪千里

(1.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)研究中心，陜西延安 716000；

2. 西北大學(xué)地質(zhì)系，陜西西安 710069；

3. 中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710018)

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有桿泵最小沉沒壓力的確定

張興濤1，李偉峰1，2，張曉斌3， 洪千里1

(1.延長油田股份有限公司勘探開發(fā)研究中心，陜西延安 716000；

2. 西北大學(xué)地質(zhì)系，陜西西安 710069；

3. 中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西西安710018)

摘要：在有桿泵抽油生產(chǎn)過程中，抽油泵的沉沒壓力及其對應(yīng)的沉沒度是有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計的重要指標(biāo)，對有桿抽油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。文中詳細(xì)介紹了國內(nèi)外有桿泵抽油生產(chǎn)過程中抽油泵的沉沒壓力及其對應(yīng)的沉沒度的研究情況，以有桿泵的充滿程度為目標(biāo)，綜合考慮沉沒壓力、流體通過固定閥孔的阻力損失等因素，建立了有桿泵抽油最低沉沒壓力的計算方法，并利用該方法分析了有桿泵的泵徑、沖程、沖次及井液流體黏度等因素對最低沉沒壓力的影響。通過東部油田某口實際油井計算結(jié)果表明，有桿泵達到相同充滿程度所需的最低沉沒壓力隨泵徑和沖程的增大而減小，隨沖次和流體黏度的增大而增大，為有桿抽油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：有桿泵；沉沒壓力計算；最低沉沒壓力

在有桿泵抽油生產(chǎn)過程中，抽油泵的沉沒壓力及其對應(yīng)的沉沒度是有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計的重要指標(biāo)。一般來說，沉沒度對有桿抽油系統(tǒng)存在兩方面的影響：一方面，有桿泵在工作時需要一定的沉沒壓力來打開進油閥，如果沉沒度太小，容易造成抽油泵供液不足，影響泵效；另一方面，沉沒度如果太大，所需的抽油桿和油管就越多，需投入的材料費就越大。當(dāng)泵掛深度給定時，井液進泵的動力由沉沒壓力供給，在抽油泵抽汲井液的上沖程過程中，沉沒壓力的大小對泵內(nèi)壓力及泵充滿程度有著重要的影響。對于有桿抽油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義[1-4]。

油田現(xiàn)場上有桿泵沉沒壓力的確定，基本上都是靠經(jīng)驗值，大部分油田都在用一個固定值，這樣不科學(xué)。因為隨著油井生產(chǎn)的進行與各種措施的實行，油層的供液狀況、油藏流體物性參數(shù)、抽油設(shè)備的生產(chǎn)狀況都在不斷發(fā)生變化，如果不對油井的生產(chǎn)參數(shù)做相應(yīng)的調(diào)整，勢必影響油井的正常生產(chǎn)，甚至發(fā)生油井故障。

有關(guān)最低沉沒壓力，國內(nèi)外學(xué)者如蔣漢青、夏惠芬、王克亮、Podio等[5-8]進行了一定研究。其中，姚建設(shè)等[9]根據(jù)固定閥球的受力平衡計算出了高密度硬質(zhì)合金閥和普通閥開啟時所需要的最小沉沒度，并通過室內(nèi)試驗分析了流體黏度、流量和閥球質(zhì)量等因素對流體過閥阻力的影響。楊堃等[10]根據(jù)雙河油田特高含水期開發(fā)的特點，應(yīng)用油氣藏工程的相關(guān)理論，求出了各個開發(fā)單位的最小沉沒壓力，同時結(jié)合雙河油田開發(fā)過程中的實際數(shù)據(jù)，計算出各單元的合理沉沒壓力，提供了現(xiàn)場油井管柱設(shè)計的參考依據(jù)。為保證流體能夠順利進泵，有桿抽油系統(tǒng)必須選取合適的最低沉沒壓力，但在生產(chǎn)過程中，僅僅研究最低沉沒壓力沒有實際意義，必須同時考慮泵效的要求。因此，本文以充滿程度為目標(biāo)建立了最低沉沒壓力的確定方法，相應(yīng)的計算結(jié)果可以為現(xiàn)場有桿抽油系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 最低沉沒壓力計算方法

抽油機井管理的核心是確定合理的沉沒壓力(沉沒度)，即工作制度，使抽油系統(tǒng)效率高、能耗小、免修期長，最終達到最佳經(jīng)濟效益。油田的實際生產(chǎn)中，影響抽油泵沉沒壓力的因素很多，著重體現(xiàn)在油井產(chǎn)能、流體物性、設(shè)備特性和工作參數(shù)等方面。在下泵深度給定的情況下，流體進泵的動力由沉沒壓力來提供，沉沒壓力的大小不僅影響流體是否能夠順利進泵，同時還對泵內(nèi)壓力及泵充滿程度有重要影響。最低沉沒壓力是生產(chǎn)過程中能夠保證流體順利進泵的最小沉沒壓力，它必須要大于流體通過固定閥產(chǎn)生的阻力和固定閥球的重力。其計算過程如下。

1.1 沉沒壓力

沉沒壓力表示動液面以下抽油泵吸入口處的流體壓力，其公式為：

(1)

式中ps——沉沒壓力，Pa；

pc——井口套壓，Pa；

Lf——動液面深度，m；

Lp——泵掛深度，m；

ρg——油套環(huán)空中氣體的密度，kg/m3；

ρo——油套環(huán)空中原油的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h——深度，m。

1.2 流體通過固定閥孔的阻力損失

流體通過固定閥孔的阻力損失公式為：

(2)

式中Δpv——流體通過固定閥產(chǎn)生的壓力降，Pa；

ρ1——流體密度，kg/m3；

vL——流體通過固定閥孔的流速，m/s；

KV——固定閥流量系數(shù)，無量綱。

1.3 最低沉沒壓力

流體能夠順利進泵的條件為：沉沒壓力克服流體通過固定閥孔局部阻力損失后的剩余壓力對閥球所產(chǎn)生的作用力大于泵內(nèi)流體作用在閥球上的壓力和閥球的重力。

(ps-Δpv)AV≥G+F1

(3)

其中：

F1=AVh1gρ1

式中F1——泵內(nèi)流體對閥球的作用力，N；

G——固定閥球重力，N；

AV——固定閥孔截面積，m2；

h1——泵內(nèi)流體高度，m；

ρ1——泵內(nèi)流體密度，kg/m3；

dm——閥球直徑，m；

ρm——閥球密度，kg/m3。

由式(1)、式(2)、式(3)得到最低沉沒壓力為：

(4)

2 最低沉沒壓力敏感性分析

根據(jù)以上建立的最低沉沒壓力確定方法，以泵充滿程度為目標(biāo)，可以得到不同泵徑、沖程和沖次下的最低沉沒壓力。以東部某油田某油井為例，該油井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1所示，最低沉沒壓力相關(guān)計算結(jié)果如表2 所示。

從表2可以看出，不同泵徑、沖程和沖次下泵的最低沉沒壓力是不同的，為了進一步分析最低沉沒壓力的影響因素，采用控制單一變量方法對表2中的數(shù)據(jù)進行敏感性分析。

表1　油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)及流體物性參數(shù)表

表2　不同泵徑、沖程及沖次時的最低沉沒壓力表

續(xù)表

2.1 泵徑對最低沉沒壓力的影響

由圖1可以看出，在沖程、沖次一定的情況下，隨著泵徑的增大，達到相同充滿程度所需要的最低沉沒壓力減小。這是因為，泵徑增大后，固定閥閥孔直徑增大，流體通過固定閥的水力損失減小，因而所需的最低沉沒壓力減小。

2.2 沖程對最低沉沒壓力的影響

由圖2可以看出，在泵徑和沖次一定的情況下，最低沉沒壓力隨著沖程的增大而降低。因為，沖程增大后，余隙比減小，余隙流體對充滿程度影響也減小，使泵的充滿程度增加，即長沖程在較低的沉沒壓力下就可以達到較高的充滿程度，可見，增大沖程有助于提高抽油泵的泵效。

2.3 沖次對最低沉沒壓力的影響

由圖3可以看出，在泵徑和沖程相同的情況下，最低沉沒壓力隨著沖次的增大而增大。因為，增大沖次后，柱塞運動速度加快，流體進泵的時間變短，這不利于提高泵的充滿程度，并且沖次較高時流體慣性對充滿程度的影響較大，固定閥球的跳動次數(shù)增加，柱塞運動的無效沖程增大，使泵的充滿程度降低。因而高沖次情況下達到相同充滿程度所需要的最低沉沒壓力較大。

2.4 流體黏度對最低沉沒壓力的影響

由圖4可以看出，在泵徑、沖程和沖次一定的情況下，最低沉沒壓力隨著流體黏度的增加而不斷增大。這是因為，隨著流體黏度的增加，流體通過固定閥的阻力損失增大，流體在相同時間內(nèi)的進泵流量減小，泵的充滿程度也隨之降低，所以在抽汲黏度較高的流體時，必須增大最低沉沒壓力來保證達到較高的充滿程度。

3 結(jié)束語

通過對有桿泵的充滿程度為目標(biāo)建立了有桿泵抽油最低沉沒壓力的計算方法，并利用該方法分析了有桿泵的泵徑、沖程、沖次及井液流體黏度等因素對最低沉沒壓力的影響，得到結(jié)論為：

(1)泵徑、沖程、沖次及流體黏度等因素對最低沉沒壓力有影響。

(2)達到相同充滿程度所需的最低沉沒壓力隨泵徑和沖程的增大而減小，隨沖次和流體黏度的增大而增大。

參考文獻

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[9]張彥廷,萬邦烈.抽油泵合理沉沒度的確定.石油鉆采工藝,1999,21(2),23-24.

[10]李俊海,吳田忠.有桿泵合理沉沒度的確定方法.江漢石油學(xué)院學(xué)報，2001，21(2):36-37.

Minimum Submergence Pressure Calculation of Sucker Rod Pump

Zhang Xingtao1, Li Weifeng1，2, Zhang Xiaobin3, Hong Qianli1

(1.ResearchCenterofExplorationandDevelopment,YanchangOilfiledCo.,Ltd.,Yan’an,Shaanxi716000,China；2.DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China；3.PetroleumExplorationand

DevelopmentResearchInstituteofPetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi710018，China)

Abstract:In the oil production with sucker rod pump, the submergence pressure of the sucker rod pump and corresponding submergence depth are important indexes to the sucker rod pumping system design and are significance to guide optimal design of sucker rod pumping system parameters. We introduced domestic and foreign research on submergence pressure and corresponding submergence depth of the sucker rod pump oil production. According to the full extent of rod pump, taking submergence pressure and loss of resistance of fluids through fixed valve pore, we established a method to calculate the minimum submergence pressure of the sucker rod pump and analyzed the influence of pump diameter, pump stroke, pumping and fluid viscosity on the minimum submergence pressure. The calculation results of an oil well in the eastern oilfield showed that in the same level of full extent of rod pump, the minimum submergence pressure decreased with the increase of the diameter and stroke and increased with the increase of the pumping and fluid viscosity, providing reference for parameter optimization design of rod pumping system.

Key words:sucker rod pump; submergence pressure calculation; minimum submergence pressure

中圖分類號：TE35

文獻標(biāo)識碼:A

作者簡介：第一張興濤(1975年生)，男，碩士，工程師， 主要從事油田開發(fā)工作。郵箱：379255596@qq.com。