雙柱塞桿式減載抽油泵的研制與應用

李 軍，付小坤，陳啟龍，劉 剛，郭 斌

中石化西北油田分公司

0 引言

塔河油田為具有底水的奧陶系碳酸鹽巖巖溶縫洞型油藏，具有極強的非均質性，隨著油藏的不斷開發，地層能量逐步衰減，油井供液能力下降，動液面逐漸下降到常規有桿泵[1-4]泵掛極限深度。目前，塔河油田機抽井沉沒度持續降低，平均泵掛深度已達2 600 m，最大懸點載荷逐年升高，平均已達110 kN，塔河油田采油三廠近6年斷桿油井共97口，其中懸點載荷超過110 kN的斷桿油井占比60%，因此高懸點載荷是導致抽油桿斷裂的重要原因，特別是在部分機采單井或單元注水失效的情況下，深抽提液工藝對油藏開發十分重要，斷桿頻率也會隨之增大。

目前常規有桿泵的排量和下深被抽油機懸點載荷和抽油桿強度制約，為解決以上問題，研制出了桿式減載抽油泵，該泵通過優化改進柱塞和泵筒的結構，利用油管液柱壓力、油管和套管之間的環空液柱壓力的差異性，使井筒內的液體在柱塞上、下斷端面產生壓差載荷，形成向上的推力，達到減載、提液的效果。經現場試驗表明，該泵具有減載、深抽、提液及節能的效果，達到了預期工藝目的。

1 雙柱塞桿式減載抽油泵的結構及原理

1.1 總體結構

桿式減載抽油泵主要是由支撐總成、柱塞總成、泵筒總成、球閥總成和泵座總成五部分組成，泵體的上半部分與下半部分通過錐螺紋對接。支撐總成主要是由皮碗密封、機械密封、鎖爪組成；柱塞總成主要由小柱塞、大柱塞組成；泵筒總成主要由大泵筒(長)、小泵筒(短)、泵筒加長筒組成，大泵筒上部設計呼吸孔，且在泵筒外部設計扶正結構；球閥總成主要由進油閥、出油閥組成；泵座總成主要由上接頭、支撐環和下接頭通過螺紋依次連接組成。具體結構見圖1所示。

圖1 桿式減載抽油泵結構示意圖

泵筒與泵座之間通過頂部鎖緊支撐總成上的彈性鎖爪與上部泵座卡緊鎖死，使泵體在正常工作時不與外工作筒脫開。

1.2 工作原理與使用步驟

柱塞總成隨抽油桿一起往復運動，上行程時，泵腔內壓力降低，在柱塞抽汲和沉沒壓力作用下，固定閥打開，游動閥關閉，大泵筒的泵腔逐漸被充滿，大、小柱塞形成的環形腔油壓與泵腔內油壓相同，此時抽油桿柱所受的載荷為小柱塞兩端的壓差載荷，即上行時只承受小柱塞載荷;下行程時，泵腔內液體受壓，固定閥關閉，游動閥打開，泵腔內液體皮排出，泵腔與油管腔油壓相同，柱塞承受載荷為柱塞上部桿柱向下的自重減去大小柱塞環截面向上的壓差載荷。故通過柱塞上、下行程實現了小泵載荷大泵排量的高效生產。

下泵時，先將泵的下半部分(泵筒和柱塞)整體下入井口夾緊固定，并使柱塞螺紋接口伸出泵筒，再將泵的上半部分(泵筒加長筒和閥桿)整體吊裝到井口，與下半部分對好，將泵下入到油井中預定深度，與泵座鎖緊固定；下放抽油桿碰泵后，向上提0.6 m防沖距，憋壓驗泵、實測示功圖正常后，即可開始正常抽汲；當油井停抽需要起出抽油泵時，直接上提抽油桿柱使泵體上的彈性鎖爪與油管上的泵座鋼圈脫開，然后出出至地面即可。

2 技術特點與參數

2.1 技術特點

該泵具有現有常規桿式泵的基本結構特點，通過結合減載器[5-17]的原理，改進桿式泵的結構以適用于深抽提液的油井中，主要有以下幾點優勢：

(1)該泵采用桿式泵結構，由大、小柱塞串聯而成，上部為小柱塞，下部為大柱塞結構，并在加長接箍上設計有呼吸孔，使得大柱塞上端面與小柱塞的下端面之間的環空部分與油套聯通，大柱塞下端面受到的力為油管內液體的作用，上端面受到的力為套管液柱作用，從而使大柱塞上下端面形成壓差載荷，可以實現深抽提液，并且達到減載的目的。

在分析受力時，忽略柱塞與泵筒間的摩擦力、慣性載荷、振動載荷、桿柱浮力，以方便對比減載型桿式泵、常規桿式泵的受力情況，減載桿式泵受力示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 上行程受力示意圖

圖3 下行程受力示意圖

常規桿式泵受力情況分析，以?44 mm桿式泵為例：

F0上=G桿柱+(p液柱-p沉沒)×S0柱塞

(1)

F0下=G桿柱

(2)

式中：F0上、F0下—常規桿式泵的上、下行程載荷，kN；

G桿柱—抽油桿重量，kN；

p液柱—油管內液柱在泵掛位置的壓力，MPa；

p沉沒—油、套管環空內液柱在泵掛位置的壓力，MPa；

S0柱塞—常規桿式泵柱塞的橫截面積，mm2。

減載型桿式泵受力情況分析，以?44/32 mm減載型桿式泵為例：

F1上=G桿柱+Fa+Fb-Fc=G桿柱+p液柱×S小柱塞+p沉沒×(S大柱塞-S小柱塞)-p沉沒×S大柱塞=G桿柱+(p液柱-p沉沒)×S小柱塞

(3)

F1下=G桿柱-Fd+Fe=G桿柱-p液柱×(S大柱塞-S小柱塞)+p沉沒×(S大柱塞-S小柱塞)=G桿柱-(p液柱-p沉沒)×(S大柱塞-S小柱塞)

(4)

式中：F1上、F1下—減載型桿式泵的上、下行程載荷，kN；

G桿柱—抽油桿自重，kN；

Fa—上行程時液柱作用在小柱塞端面上壓力，kN；

Fb—上行程時沉沒壓力作用在大柱塞與小柱塞端面差值處壓力，kN；

S柱塞—柱塞的橫截面積，mm2；

Fc—上行程時沉沒壓力對大柱塞端面的頂托力，kN；

Fd—液柱載荷對大柱塞與小柱塞端面差值處的作用力，kN；

Fe—下行程時沉沒壓力作用在大柱塞與小柱塞端面差值處壓力，kN。

減載型桿式泵和常規桿式泵，兩種泵受力分析對比：

ΔF上=F1上-F0上=G桿柱+(p液柱-p沉沒)×S小柱塞[G桿柱+(p液柱-p沉沒)×S0柱塞]=-(p液柱-p沉沒)×(S大柱塞-S小柱塞)

(5)

ΔF下=F1下-F0下=G桿柱-(p液柱-p沉沒)×(S大柱塞-S小柱塞)-G桿柱=-(p液柱-p沉沒)×(S大柱塞-S小柱塞)

(6)

ΔF=(p液柱-p沉沒)×(S大柱塞-S小柱塞)=ρgh×(S大柱塞-S小柱塞)

(7)

式中：ρ—液體密度，g/cm3；g—重力加速度，m/s2；h—油、套管環空之間的液面深度，m。

由此可以看出，?44 mm/?32 mm減載型桿式泵因其結構的特殊性，與?44 mm常規桿式泵對比，泵的實際排量相同，但上行、下行載荷均會降低且液面越深，載荷降幅越大。

(2)該泵上部小泵采用了長柱塞短泵筒結構，柱塞始終位于泵筒內，出液口改進為直出液口，具備一定防砂、防垢能力。

(3)該泵短泵筒加長筒上部設置有解封接頭，并采用頂部固定結構，可通過長柱塞的上閥罩作用在小泵上端的解封接頭實現泵的解封，將泵筒提出泵座，進行正注、檢泵等作業。

(4)采用雙游動閥結構，雙閥起到雙密封作用，可有效減少深井漏失嚴重的問題，提高泵效。

2.2 技術參數

桿式減載抽油泵已經研制出89-32/44RHAMC(JZ)一種類型，該泵型號的主要參數為：小柱塞直徑32 mm，小柱塞長度7.8 m，大柱塞直徑44 mm，大柱塞長度1.2 m，泵筒加長筒8.1 m，短泵筒1.2 m，長泵筒8.1 m，閥桿8.7 m，泵排量系數2.23，最大下深4 300 m。

3 現場應用

截至2022年7月20日，已現場試驗11井次，試驗結果表明，桿式減載泵能達到減載、深抽提液的目的，其中2口井試驗前后生產參數見表1。

表1 現場試驗數據

TK1井為塔河油田某區塊的一口開發井，累計產油10.2×104t，該井注水、注氣效果評價較差，具有深抽提液的開發需求。試驗前，該井泵掛3 500 m，液面3 100 m，桿柱組合為割縫小篩管+?38 mm深抽桿式泵+?25.4 mm抽油桿200 m+變絲+ ?19.05 mm抽油桿1 347 m+變絲+?22.2 mm抽油桿1 043 m+變絲+?25.4 mm抽油桿893 m+抽油桿短節+?25.4 mm抽油桿2根(16 m)+?38 mm光桿短節1 m+?38 mm光桿。生產期間最大載荷為145 kN，最小載荷為105 kN。

2020年8月應用減載泵后，在同等泵掛、液面、含水和機抽桿柱組合基本不變的情況下，該井日產液27.3 t，日產液量較前期提高9.8 t，最大載荷126 kN，最小載荷84 kN，示功圖見圖4、圖5，和前期生產相比，日產液有所增加，載荷有所降低，目前已正常生產709 d，達到了深抽、提液和減載的目的，并且降低了斷桿風險，降低了采油成本。

圖4 常規桿式泵示功圖

圖5 應用減載抽油泵生產示功圖

4 結論

(1)雙柱塞桿式減載抽油泵解決了常規抽油泵的排量和下深被抽油機懸點載荷和抽油桿強度制約的問題，達到了機采井減載、深抽和提液的目的。

(2)雙柱塞桿式減載抽油泵結構簡單，密封可靠，現場應用效果較好，具有很大的推廣前景。