投球式多功能抽油泵研制與應(yīng)用

吳 非

(中國(guó)石油遼河油田分公司，遼寧 盤(pán)錦 124109)

0 引 言

隨著稠油油田開(kāi)發(fā)的逐漸深入，各類(lèi)開(kāi)發(fā)矛盾日益突出，相應(yīng)的沖砂、注汽、機(jī)械堵水等配套措施工作量進(jìn)一步增加。在上述作業(yè)過(guò)程中存在一些問(wèn)題：一是注汽、沖砂作業(yè)過(guò)程中需多次起下管柱，作業(yè)成本高，生產(chǎn)時(shí)率低；二是在機(jī)械堵水作業(yè)時(shí)需通過(guò)油管內(nèi)打壓實(shí)現(xiàn)封隔器坐封，但常規(guī)管式泵由于固定閥預(yù)置在泵體結(jié)構(gòu)內(nèi)，不能形成打壓座封通道。雖然桿式泵可以滿(mǎn)足上述需求，但受井斜大、井下溫度高、油稠等因素影響，桿式泵與井下油管密封和鎖緊部分故障率偏高，錨定失效、密封不嚴(yán)等情況時(shí)有發(fā)生，影響措施效果[1-6]。針對(duì)上述問(wèn)題，以常規(guī)管式泵結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，研制了一種投球式多功能抽油泵，通過(guò)后期投入固定凡爾球，實(shí)現(xiàn)油井沖砂、注汽以及機(jī)械堵水作業(yè)一次管柱完成，達(dá)到提高生產(chǎn)時(shí)率、降低作業(yè)成本的目的。

1 工藝結(jié)構(gòu)與工作原理

投球式多功能抽油泵(簡(jiǎn)稱(chēng)多功能泵，下同)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由泵筒、柱塞、開(kāi)放式固定凡爾總成及投放式固定凡爾球等部分組成。圖1a為多功能泵隨沖砂、注汽及機(jī)械堵水管柱入井狀態(tài)，此時(shí)固定凡爾球不在泵內(nèi)，整個(gè)管柱為中空結(jié)構(gòu)，流體可從管柱內(nèi)通過(guò)，根據(jù)需要實(shí)施注汽、沖砂或配合機(jī)械堵水管柱完成液壓封隔器打壓坐封。圖1b為措施后投入固定凡爾球狀態(tài)，當(dāng)注汽燜井、沖砂及打壓作業(yè)結(jié)束后，利用原井管柱從井口投入固定凡爾球，固定凡爾球在自重作用下落在滑塊套上，隨后與井下泵筒配套的柱塞隨抽油桿一起下入管內(nèi)。圖1c為抽油泵生產(chǎn)狀態(tài)，當(dāng)柱塞下入底部后，將支撐在滑塊套上的固定凡爾球頂入泵筒底部固定凡爾罩內(nèi)，上提柱塞調(diào)防沖距后即可以開(kāi)井生產(chǎn)。

圖1 投球式多功能抽油泵工作原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of the working principle of the ball-actuated multifunctional oil pump

圖2為多功能抽油泵的核心結(jié)構(gòu)——固定凡爾總成結(jié)構(gòu)示意圖。固定凡爾總成主要由滑塊套、支撐彈簧、固定凡爾座、凡爾球等部分組成，與常規(guī)管式泵固定閥結(jié)構(gòu)不同之處在于增加了滑塊、滑塊套、滑塊套支撐環(huán)和彈簧等結(jié)構(gòu)。圖2a為投入固定凡爾球前的空心管柱結(jié)構(gòu)，可以完成沖砂、注汽、座封等工序。上述工序結(jié)束后，由井口投入的固定凡爾球落在滑塊上部，隨后下入抽油桿及柱塞，當(dāng)柱塞下入底部后，在桿柱重量作用下，下壓推動(dòng)滑塊下行，進(jìn)而壓縮支撐彈簧，3組滑塊形成的喇叭口逐漸增大，最終將支撐在滑塊套上的固定凡爾球頂入泵筒底部固定凡爾罩內(nèi)，上提柱塞后，彈簧推動(dòng)滑塊復(fù)位(圖2b)。依靠彈簧、滑塊形成的開(kāi)放式固定凡爾罩結(jié)構(gòu)，可保證固定凡爾球正常起跳高度及快速?gòu)?fù)位的需要[7-10]。

圖2 固定凡爾總成結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of the structure of the fixed valve assembly

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 滑塊機(jī)構(gòu)

滑塊機(jī)構(gòu)主要由滑塊、滑塊套組成(圖3)。滑塊與滑塊套設(shè)計(jì)成斜坡形狀，相對(duì)滑動(dòng)順暢，并與軸線(xiàn)形成40 °夾角。當(dāng)抽油桿連接活塞下壓固定凡爾球時(shí)，抽油桿通過(guò)滑塊壓縮彈簧，隨著彈簧的壓縮，3個(gè)滑塊圍成的喇叭口開(kāi)口逐漸加大，當(dāng)開(kāi)口直徑大于凡爾球直徑時(shí)(最大開(kāi)口直徑比凡爾球直徑大4 mm)，凡爾球脫離滑塊后下落至固定凡爾座上。上提抽油桿后，彈簧開(kāi)始復(fù)位，并推動(dòng)滑塊復(fù)位，形成的封閉空間開(kāi)始發(fā)揮固定凡爾罩的功能，不影響抽油泵工作過(guò)程中凡爾球正常起落。

圖3 滑塊機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic diagram of the slider mechanism

2.2 支撐彈簧

支撐彈簧與滑塊機(jī)構(gòu)配合工作，其主要功能是實(shí)現(xiàn)固定凡爾球的單向通過(guò)性功能設(shè)計(jì)，即投入凡爾球時(shí)，凡爾球在設(shè)定的下壓載荷作用下進(jìn)入固定凡爾座內(nèi)，在泵正常工作時(shí)，不允許再次通過(guò)滑塊機(jī)構(gòu)返回滑塊上部。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

為確保支撐彈簧和滑塊工作可靠，綜合考慮井下工況、開(kāi)放式固定凡爾總成結(jié)構(gòu)及彈力需求，優(yōu)選彈簧材質(zhì)并設(shè)計(jì)支撐彈簧各項(xiàng)參數(shù)。支撐彈簧主要工作參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)為：最大載荷為凡爾球自重與抽油泵柱塞設(shè)計(jì)下壓載荷之和；最大變形量為滑塊組合與凡爾球的外接圓直徑達(dá)到最大時(shí)刻的彈簧壓縮量；高度、螺旋升角、圈數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)則根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸確定。

彈簧下壓載荷為：

F=Gb+Fp

(1)

圖4 支撐彈簧結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The schematic diagram of the support spring structure

因通常工況條件下，柱塞下壓載荷遠(yuǎn)大于凡爾球自重，凡爾球自重可忽略，即：

F=Fp

(2)

彈簧工作時(shí)，與滑套機(jī)構(gòu)尺寸相關(guān)的變形量如圖5所示。凡爾球通過(guò)滑塊時(shí)，彈簧變形量為：

λ1=(R-r0)cotθ

(3)

彈簧剪應(yīng)力為：

圖5 彈簧與滑塊相關(guān)變量關(guān)系圖Fig.5 The relationship between spring and slider related variables

τ=8KFD/(πd3)=8KFC/(πd2)

(4)

彈簧變形量為：

λ=8FD3n/Gd4=8FC3n/Gd

(5)

彈簧曲度系數(shù)為：

K=F/λ=Gd4/8D3n=Gd/8C3n

(6)

式中：F為作用于固定凡爾球上的載荷，kN；Gb為凡爾球重力，kN；Fp為抽油桿下入過(guò)程柱塞施加的下壓載荷，kN；λ1為凡爾球通過(guò)滑塊時(shí)的彈簧變形量，mm；R為固定凡爾球半徑，mm；r0為滑塊位于上端面時(shí)滑塊套的內(nèi)切圓半徑，mm；θ為滑塊滑道與軸向間的夾角，°；τ為彈簧剪應(yīng)力，MPa；K為彈簧曲度系數(shù)；D為彈簧中徑，m；d為彈簧絲直徑，m；λ為彈簧變形量，m；G為材料剪切彈性模量，MPa；C為彈簧旋繞比；n為彈簧有效工作圈數(shù)。

經(jīng)初選及計(jì)算校核，確定彈簧各項(xiàng)參數(shù)：彈簧材質(zhì)為SUS304-WPB；彈簧中徑為60 mm，因彈簧為錐形，故彈簧大徑為65 mm，小徑為54 mm；彈簧絲直徑為3 mm；原始長(zhǎng)度為44 mm，壓縮后長(zhǎng)度為35 mm，形變量為9 mm；彈簧節(jié)距為9 mm。

2.3 泵筒處理工藝

多功能泵需經(jīng)過(guò)沖砂、注汽、打壓座封等工序，目前常用的碳氮共滲泵筒在高溫注汽條件下易回彈變形，泵筒耐腐蝕性也較差，易銹蝕結(jié)垢，導(dǎo)致抽油泵故障率偏高[11]。因此，在泵筒內(nèi)表面的處理上采用了鎳磷復(fù)合鍍工藝。該處理工藝屬于低溫加熱過(guò)程，可確保泵筒管材在低溫和高溫條件下均不變形、不彎曲，可保持較好的直線(xiàn)度，同時(shí)鎳磷復(fù)合鍍層屬于不銹鋼性質(zhì)，耐腐蝕性好，不結(jié)垢，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)工況的需求。

3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)不同油井產(chǎn)液量需求，設(shè)計(jì)了柱塞直徑分別為38、44、57 mm的3種規(guī)格的多功能抽油泵(表1，泵常數(shù)為泵型選擇時(shí)計(jì)算日產(chǎn)液量時(shí)的基礎(chǔ)參數(shù)，日產(chǎn)液量為泵常數(shù)、沖程、沖次3個(gè)參數(shù)的乘積)，現(xiàn)場(chǎng)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇使用。

表1 投球式多功能抽油泵參數(shù)Table 1 The parameters of the ball-actuated multi-function oil pump

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

截至目前，多功能抽油泵累計(jì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用29井次，其中，沖砂采油一次管柱5井次，注汽采油一次管柱10井次，機(jī)械堵水采油一次管柱14井次，作業(yè)一次成功率為100%，平均單井提前開(kāi)井1.0 d，通過(guò)提高生產(chǎn)時(shí)率累計(jì)增油2 305 t，累計(jì)節(jié)省作業(yè)費(fèi)用20.1×104元。

典型井例分析：曙3-07-8井為曙三區(qū)的一口稀油井，油層深度為1 447.3～1 510.4 m，因砂埋油層需作業(yè)沖砂恢復(fù)產(chǎn)能。常規(guī)作業(yè)工序?yàn)椋浩鸪鲈軛U、下沖砂管、沖砂、起出沖砂管、下泵管、下抽油桿。Φ44 mm投球式多功能抽油泵作業(yè)工序?yàn)椋浩鸪鲈軛U、下沖砂采油一次管柱、沖砂、投凡爾球、下抽油桿。沖砂結(jié)束后，上提至泵掛深度后由井口投入固定凡爾球，下入活塞生產(chǎn)。相比常規(guī)作業(yè)，節(jié)省了起出沖砂管和下入泵管2道工序，節(jié)省作業(yè)費(fèi)用8 000元，提前開(kāi)井0.5 d，作業(yè)后該井恢復(fù)了正常生產(chǎn)，目前已開(kāi)井235.0 d，平均日產(chǎn)液為12.7 t/d，日產(chǎn)油為2.1 t/d，泵效為55.4%。

5 結(jié) 論

(1) 研制了可投球式多功能抽油泵及配套管柱，實(shí)現(xiàn)了沖砂采油、注汽采油、機(jī)械堵水采油一次管柱完成，有效提高了油井生產(chǎn)時(shí)率，降低了作業(yè)費(fèi)用。

(2) 該抽油泵具有成本低、實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足了部分油井精簡(jiǎn)工序的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值，為油田降本增效提供了技術(shù)保障。