雙作用抽油泵節(jié)能原理及應(yīng)用分析探討

汪煒（大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠）

管式泵作為一種油田常用抽油泵，其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和檢泵周期長等優(yōu)點，在各大油田得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但其也存在一定不足，這主要表現(xiàn)為：其只在驢頭上行過程中排液，而在驢頭下行過程中是不排液的，這種現(xiàn)象可以看作是光桿行程上的或能耗上的一種浪費。針對傳統(tǒng)管式泵的不足，采用了一種雙作用泵，在抽油泵上設(shè)計兩個獨立的進油口和出油口，使上、下沖程都出油，從而提高泵效降低單耗。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

新型泵主要結(jié)構(gòu)部件由密封筒、密封柱塞以及上/下沖程進/出油口等部件組成。雙作用泵體及柱塞結(jié)構(gòu)見圖1。

1）泵筒總成連接在油管下端，其篩管管下方連接二根油管，下端接絲堵或?qū)уF后下入井底[4-6]；柱塞總成與密封筒與柱塞連接后一同放入泵筒內(nèi)，坐封完成后上提0.3～0.5 m 防沖距后便可正常工作。

2）由上密封筒和上密封柱塞形成一處密封，由下柱塞總成和泵筒總成形成另一處密封，使抽油泵的密封性能更為可靠，同時也使抽油泵形成了兩個獨立的密封工作腔，也正因為這兩個工作腔配合各自的進油和排出口使得抽油泵具備了高密封雙作用的特性。

1.2 下、上沖程工作原理

圖1 雙作用泵體及柱塞結(jié)構(gòu)

下沖程時：所有游動閥的凡爾球打開，固定閥的凡爾球關(guān)閉。此時，同時發(fā)生的是下沖程進油器凡爾球打開，上沖程凡爾球關(guān)閉，泵內(nèi)井液經(jīng)柱塞內(nèi)孔至油管和抽油桿環(huán)形空間傳到地面井口裝置經(jīng)輸油口排入輸油管網(wǎng)。油套環(huán)空內(nèi)的井液經(jīng)下沖程進油器被吸入抽油泵，下、上沖程排液原理圖見圖2。

上沖程時：所有游動閥的凡爾球關(guān)閉，固定閥的凡爾球打開，此時，同時發(fā)生的是下沖程進油器凡爾球關(guān)閉，上沖程凡爾球打開，泵內(nèi)井液被提升到地面井口裝置經(jīng)輸油端口排入輸油管網(wǎng)。油套環(huán)空內(nèi)的井液經(jīng)底部固頂閥總成吸入抽油泵，下、上沖程排液原理圖見圖2。

圖2 下、上沖程排液原理圖

1.3 排量對比

為明確雙作用泵與常規(guī)管式泵在排量上的優(yōu)勢，對它們相同參數(shù)下的理論排量進行驗算和對比。

1.3.1 常規(guī)管式泵理論排量

式中：Q 為理論排量，m3/d；D 為泵筒直徑，m；s 為沖程，m；n 為沖速，min-1。排量示例：沖程3 m，沖速4 min-1，D 為44 mm時，理論排量為26.3 m3/d。

1.3.2 雙作用泵理論排量

1）下沖程排量計算公式與式（1）相同，當(dāng)沖程為3 m、沖速為4 min-1，泵筒直徑為44.45 mm時，下沖程理論排量為26.8 m3/d。

2）上沖程排量計算公式為

式中：Q上沖程為上沖程理論排量，m3/d；d 為上密封柱塞直徑，mm；其余物理量含義與上述相同。上沖程排量示例：沖程3 m，沖次4 min-1，D 為44.45 mm，d 為28 mm 時，下沖程理論排量為16.2 m3/d。

由下、上沖程工作原理分析可知，總排量為下沖程排量與上沖程排量之和（43 m3/d）。

其余參數(shù)下理論排量對比（表1），以44 mm 泵為例，從表中可以看出，在相同泵徑、沖程和沖速條件下，雙作用泵理論排量較常規(guī)管式泵有大幅提高，接近于調(diào)大一級管式泵（57 mm）理論排量，因此認(rèn)為該雙作用泵可替代泵徑大一級別的管式泵使用。

表1 理論排量對比

2 應(yīng)用分析

2.1 節(jié)能效果

為驗證其提液和節(jié)能效果，在A 和B 兩井開展現(xiàn)場試驗。由表2 可以看出，在地面參數(shù)相同、泵徑由? 57 mm 減小到? 44 mm 的情況下，實際理論排量降低幅度很小。應(yīng)用前后數(shù)據(jù)對比可以看出：兩試驗井日增液5.3 t 和4.9 t，泵效提高17.6%和12.0%，日節(jié)電34 kWh 和77 kWh，單耗降低2.83 kWh/t 和3.58 kWh/t。

2.2 其他問題及改進

2.2.1 坐封、密封易失效

1）現(xiàn)象簡述。試驗井A 應(yīng)用兩周發(fā)現(xiàn)流壓上升，泵況變差。經(jīng)現(xiàn)場核實，抽汲13 個沖程，井口壓力由0.4 MPa 上升到2.0 MPa，憋泵過程中，上沖程壓力不變，下沖程壓力上升較快，停機穩(wěn)壓，壓力緩慢下降，卸壓后，能啟抽。起泵后，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)固定坐封膠圈脫落。

表2 試驗井效果統(tǒng)計

2）問題分析。雙作用泵坐封為額定壓力坐封，靠泵筒內(nèi)4 個有球型頭、內(nèi)置彈簧的卡柱坐封并配合O 型膠圈密封。這種結(jié)構(gòu)在密封處壓力過高時，會造成卡柱處蠕動形成坐卡失效或膠圈的變形，甚至脫落。

3）改進方式。坐封結(jié)構(gòu)由原來的窄面接觸坐封改為寬面接觸坐封，增大接觸密封面積，提高密封可靠性；密封方式由矩形槽改為梯形槽，密封膠圈也由矩形斷面改為梯形，密封效果更好，結(jié)構(gòu)改進圖見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)改進圖

2.2.2 下沖程進油通道容易堵塞、無防砂措施

1）現(xiàn)象簡述。試驗井生產(chǎn)初期，產(chǎn)液量增加，流壓下降，上下電流增加，生產(chǎn)較正常。但在泵工作109 天后，功圖反映載荷降低，實測電流降低，量油產(chǎn)量下降，反映為泵漏失，報檢泵。泵起至地面后現(xiàn)場觀察柱塞無磨損，分析凡爾球墊住，常開漏失。起出泵后發(fā)現(xiàn)4 個進液孔淤堵嚴(yán)重，過流空間較小。

2）問題分析。在原雙作用泵下沖程進油通道結(jié)構(gòu)中，有4 個進油孔，進液由這4 個通道匯集到一個主通道中，而后進入環(huán)形空間。主通道口由1 個凡爾球自由坐封。此種結(jié)構(gòu)，凡爾球易墊住，造成泵漏。且進油孔數(shù)較少、孔徑偏大，不易吸液和易進泥砂。

3）改進方式。將下沖程進油孔改為由10 組進油孔組成的，每組都由10 個直徑為2 mm 的圓形孔，外部套割縫篩管，可起到擴大吸液面積和防砂作用。

2.2.3 空心抽油桿螺紋連接處抗拉強度低

1）現(xiàn)象簡述.試驗井措施后正常生產(chǎn)124 天后發(fā)現(xiàn)桿下不去停機，吊車處理無果，熱洗處理仍然無效，遂檢泵作業(yè)。施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)直徑? 28 mm 的上空心密封柱塞在聯(lián)接絲扣處斷，損傷為硬拉斷傷。

2）問題分析。試驗泵的空心柱塞是由4 根1.25 m 長的空心桿靠螺紋聯(lián)接而成，螺紋聯(lián)接抗拉強度低，易斷裂，遇卡阻力后載荷增大，便在螺紋聯(lián)接處被硬拉斷。

3）改進方式。取消螺紋連接，采用5 m 長的整體空心抽油桿，解決螺紋聯(lián)接強度低的問題，結(jié)構(gòu)改進圖見圖4。

圖4 結(jié)構(gòu)改進圖

3 結(jié)論

1）設(shè)計了一種雙作用泵，通過兩個密封筒和兩組密封柱塞的相對獨立密封腔設(shè)計，實現(xiàn)驢頭上下行過程均排液。

2）對坐封、密封易失效；下沖程進油通道容易堵塞、無防砂措施；空心抽油桿螺紋連接處抗拉強度低問題采取針對性措施，有利于延長其使用壽命。

3）現(xiàn)場試驗表明，雙作用泵能實現(xiàn)縮小泵直徑情況下理論排量變化小、能耗低和單耗降低幅度較大的效果，有利于油田節(jié)能降耗。