大斜度井抽油泵结构改进及应用

2012-09-07李大建甘庆明

石油矿场机械 2012年12期

李大建，甘庆明，刘显，何淼，王百

（1.长庆油田分公司油气工艺研究院，西安710018；2.低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，西安710018；3.长庆油田分公司油田开发处，西安710018）①

为节约用地、降低开发成本，长庆油田主要采用丛式井组定向油井开发。目前，定向油井已经占到总井数的95%，单井场最多井数已达43口。随着开发层系的下移，井深增加，泵挂位置井斜角度也逐渐增大。常规管式抽油泵在大斜度井段生产时存在2方面的问题：①管杆偏磨严重；②泵阀关闭滞后，抽油泵漏失严重，泵效偏低［1］。

为了解决大斜度井有杆泵采油系统存在的问题，国内相关油田采用了不同的工艺技术，主要是在2个方面：

1）采用大斜度井无杆采油方式，例如：电潜泵、水力喷射泵、水力活塞泵、直线电机、气举法等。这些采油方式彻底解决了大斜度井有杆泵采油存在管杆偏磨以及抽油泵漏失等问题，但是主要应用于产液量较高的油井，投资成本较高。长庆油田的产液量较低（单井平均日产液在5.0m3／d），不适合采用以上无杆采油系统。

2）对大斜度井有杆泵采油系统进行改进［2］，例如：配套使用抽油杆旋转器［3］、钢质连续抽油杆、旋转井口［4］，给传统整筒泵（管式泵）固定阀设计弹簧装置，采用偏置阀式抽油泵等。这些工艺技术没有从根本上解决大斜度井段抽油泵生产存在的技术缺陷。

本文分析了普通整筒抽油泵的结构问题，改进了球阀及阀座结构，设计了新型扶正器，使有杆泵采油系统在大斜度井中成功应用。

1 常规管式抽油泵在大斜度井段的问题

普通整筒抽油泵采用传统的阀球、阀座、一级密封柱塞结构，在直井或者井斜角度＜25°的油井中应用时，工艺技术已经基本成熟，不存在问题。但在大斜度井段生产时，传统阀球、阀座结构存在阀球偏置旁落（如图1）、关闭滞后问题；抽油泵柱塞存在一定偏置、偏磨现象（如图2），导致抽油泵漏失严重、泵效偏低，无法正常生产。这一点从管式抽油泵室内排量模拟试验结果也能得到证实（如图3）。

图1 阀球受力示意

图2 泵柱塞受力示意

图3 泵排量系数试验曲线（冲程0.9m，冲次9min－1，清水介质）

2 结构改进

根据常规管式泵在大斜度井段生产存在的主要问题，提出大斜度井抽油泵研发的主要思路［5－9］：①改进柱塞结构，提高在大斜度井段生产的密封、防偏磨性能，降低柱塞漏失量；②改进固定阀、游动阀结构，实现强制启闭、关闭及时、复位准确，消除泵因阀球偏置旁落、关闭不严导致漏失偏大的弊端。

2.1 固定阀

固定阀采用弹簧结构，如图4，实现大斜度井段生产时强制开闭、关闭及时的功能［5］。克服弹簧阻力的水力损失为

式中，F为弹簧的压缩力，10N；ρ为液体密度，ρ＝1 000kg／m3；S 为固定阀座孔的截面积，0.000 415 m2，g为重力加速度，g＝9.807m／s2。

计算得H＝2.51m，远小于泵的沉没度，因此固定阀能正常打开。在关闭时，由于有弹簧力作用，能及时关闭。

图4 弹簧固定阀结构

2.2 游动阀

游动阀采用半球阀－中心连杆结构，如图5。根据阀球结构，阀座设计为反球面阀座，与密封单元为一体，如图6。半球阀与泵柱塞中心杆固定，在泵上下冲程过程中，半球阀与中心杆一起运动，半球阀座则相对柱塞中心杆运动，上冲程半球阀、阀座关闭，下冲程半球阀、阀座打开，实现阀球、阀座在大倾角条件下，强开、强闭、复位准确。

图5 半球阀

图6 游动阀座

2.3 柱塞密封结构

在传统抽油泵1级密封柱塞结构基础上，提出了3级密封柱塞结构（如图7）。密封单元之间设计导流导向扶正块，确保新型柱塞在泵筒中始终轴向居中，且不受井斜角的影响，消除柱塞因受垂直轴向力作用发生偏置、偏磨现象。密封单元之间相互独立，上下冲程过程中，各单元处于游离状态，在轴向上具有相互补偿功能，柱塞、泵筒间密封性能得到进一步加强。

图7 柱塞的三维图

2.4 三级过流通道

结合阀球、阀座、泵柱塞密封结构设计，改进后泵柱塞导流导向扶正块、半球阀与中心杆固定在一起，柱塞密封单元与出油罩相对固定，在轴向上沿泵柱塞中心连杆相对运动；下冲程时，井液通过泵固定阀进入泵筒，沿导流扶正块、半球阀进入柱塞单级密封单元、中心杆环空，从出油罩排出，完成井液沿柱塞一级过流，并依次向上完成二、三级过流，进入泵柱塞上端泵筒；上冲程时，柱塞密封单元与出油罩相对中心连杆向下运动，半球阀与阀座关闭，泵筒内井液排入油管内（如图8）。