抽油桿受力狀況分析與提效配套技術(shù)研究

王春寶++邵延紅++趙光波++劉霞++鄭云拓

[摘 要]建立抽油泵正常工作過(guò)程中的力學(xué)模型，根據(jù)抽油桿的彈性伸長(zhǎng)量，計(jì)算了防沖距的合理取值，從而改善了抽油泵防沖距設(shè)計(jì)中常因采用經(jīng)驗(yàn)值而使泵效降低的問(wèn)題。結(jié)合抽油泵泵閥的開(kāi)啟條件，推導(dǎo)了抽油泵柱塞的滯后位移，進(jìn)而得到抽油泵在一定桿管泵組合下的排量系數(shù)及防沖距對(duì)泵效的影響關(guān)系式，為合理確定防沖距提供了依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]抽油泵；泵效；管柱伸縮；抽油桿；受力狀況；配套技術(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）32-0000-01

在有桿泵采油生產(chǎn)中，影響抽油泵泵效的因素主要有桿管柱的伸縮、井液中的含氣量、泵的充滿度及漏失等。由于余隙空間的存在，使得泵在抽油過(guò)程中，余隙空間被彈性能大的氣體所占據(jù)，致使上沖程時(shí)泵的固定凡爾開(kāi)啟滯后或根本打不開(kāi)（氣鎖），井液進(jìn)泵數(shù)量減少甚至進(jìn)不了泵，極大地影響了抽油效率。而且余隙越大，余隙內(nèi)殘留氣體越多，則氣體影響越大，造成有效沖程越小，泵效越低。在高油氣比油田的有桿泵采油中這種影響尤為明顯。目前人們主要從增加泵的沉沒(méi)度、加大沖程、降低沖次等方面進(jìn)行研究[，以提高抽油泵效率。本文通過(guò)對(duì)抽油桿的受力狀況及其彈性變形量的分析，研究合理的余隙容積，以提高泵效。

1 防沖距的理論分析

在抽油泵抽汲循環(huán)的上、下沖程過(guò)程中，液柱的重力從固定凡爾上轉(zhuǎn)到游動(dòng)凡爾上，使抽油桿柱和油管交替加載和卸載。因靜液柱重力引起的抽油桿柱和油管柱在工作過(guò)程中發(fā)生彈性伸長(zhǎng)，使抽油桿下沖程時(shí)下移的距離大于實(shí)際沖程的長(zhǎng)度，故防沖距的目的主要是考慮到抽油桿在軸向拉力的作用下會(huì)伸長(zhǎng)，避免桿柱與泵筒底部發(fā)生碰撞而上提的一定距離，桿柱的實(shí)際伸長(zhǎng)量一般都小于所提距離，所以活塞的實(shí)際沖程也小于理論沖程。

1.1 抽油桿受力分析

根據(jù)抽油桿柱在工作過(guò)程中的受力狀態(tài)，建立力學(xué)模型。由采油工藝可知桿柱所受合力為

F′r=W′r+Wfd+Wrd=（1-0.127ρf）Wr+Wr+ξWf）a/g

式中W′r為抽油桿柱在液體中的自重（kN）；Wrd為抽油桿柱動(dòng)載荷（kN）；Wfd為液柱動(dòng)載荷（kN）；ρf為井液密度（kg/m3）；Wr為抽油桿柱自重（kN）；Wf為作用于柱塞環(huán)形面積上的液柱重量（kN）；a為抽油桿加速度（m/s2）；ξ為泵桿管的截面差之比，ξ=（Ap-Ar）/（Ai-Ar）；Ai為油管內(nèi)徑的流通面積（m2）；Ap為柱塞面積（m2）；Ar為抽油桿截面積（m2）。

1.2 防沖距的計(jì)算

防沖距的大小主要取決于抽油桿柱的彈性變形量，且抽油桿柱伸長(zhǎng)量Δl計(jì)算公式為

Δl=F′rLr（ArE）

為了防止碰泵，防沖距x0的取值范圍為

x0≥Δl=F′rLr（ArE）=（（1-0.127ρf）Wr+（Wr+ξWf）a/g）Lr/（ArE）

2 游動(dòng)閥開(kāi)啟的條件及柱塞位移

當(dāng)柱塞上沖程達(dá)到上死點(diǎn)時(shí)，設(shè)固定閥關(guān)閉，泵筒內(nèi)壓力近似為泵的沉沒(méi)壓力，此時(shí)游動(dòng)閥不能立即打開(kāi)，泵筒內(nèi)為密閉容腔，隨著柱塞下沖程的進(jìn)行，泵筒內(nèi)液體被壓縮，壓力升高。當(dāng)游動(dòng)閥所受的液體力足以克服游動(dòng)閥重量和井筒壓力時(shí)，游動(dòng)閥才能打開(kāi)，而且游動(dòng)閥開(kāi)啟前，密閉容腔內(nèi)質(zhì)量無(wú)交流，因此，游動(dòng)閥開(kāi)啟時(shí)，柱塞的位移量Δx為

Δx=（xpm+x0）（1-ρs/ρod）

式中：xpm、x0分別為抽油機(jī)沖程和防沖距（m）；ρs、ρod分別為泵筒內(nèi)沉沒(méi)壓力和開(kāi)啟壓力下的液體密度（kg/m3）。同一個(gè)抽油泵在同一口油井上以同一沖次正常工作時(shí)，其泵效為：

η=Q實(shí)/Q理=xpm實(shí)/xpm=（xpm-Δx）/xpm

式中：Q實(shí)、Q理分別為抽油泵的實(shí)際排量和理論排量（m3/d）；xpm實(shí)為抽油泵的實(shí)際沖程（m）。

3 優(yōu)化實(shí)例分析

（1）防沖距與泵效的關(guān)系。以1000m泵掛深度為例，動(dòng)液面為750m，沖程4.2m，沖次6min-1，泵徑為70mm，桿徑為22mm，進(jìn)行編程分析同一抽油泵在不同防沖距和油氣比時(shí)泵效的變化情況。

從圖可以看出，隨著油氣比的增大，有效沖程減小，泵效降低；當(dāng)油氣比一定時(shí)，隨著防沖距的增加，泵的有效沖程也是減小的，泵效亦降低。因此，在一定的沖程條件下，油氣比一定，防沖距越小，抽油泵的余隙體積越小，泵筒的充滿系數(shù)越大，泵效越高。因此合理的防沖距是提高泵效的有效途徑之一。（2）防沖距與泵徑、桿徑的關(guān)系。仍以1000m泵掛深度，750m動(dòng)液面，4.2m沖程，6min-1沖次為例。當(dāng)改變抽油桿和抽油泵直徑的時(shí)候，防沖距大小的變化情況見(jiàn)圖。從圖3中可以看出，當(dāng)不同的桿徑和泵徑相組合時(shí)，泵徑不變，防沖距隨著桿徑的減小而增大；桿徑不變，防沖距隨著泵徑的增大而增大。因此在選用不同泵桿組合時(shí)應(yīng)采用相應(yīng)的最優(yōu)防沖距值，從而改善以往抽油泵設(shè)計(jì)防沖距時(shí)采用經(jīng)驗(yàn)值導(dǎo)致泵效降低的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)抽油泵工作過(guò)程的理論分析，推導(dǎo)了抽油泵防沖距的計(jì)算公式，為合理確定抽油泵防沖距、提高抽油泵泵效提供了依據(jù)。（2）抽油泵的泵效取決于油井的油氣比和抽油泵的防沖距，在油氣比相同的條件下，防沖距大，泵效低。（3）防沖距的大小與泵徑、桿徑有關(guān)，其組合不同，防沖距的大小不同，根據(jù)油井參數(shù)和桿泵組合形式，應(yīng)用防沖距計(jì)算公式，可確定油井的最佳防沖距。

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