惠小龍(大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

三元復(fù)合驅(qū)防垢卡抽油泵研制及優(yōu)化設(shè)計

惠小龍
(大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

為了解決三元復(fù)合驅(qū)機(jī)采井頻繁結(jié)垢卡泵的問題，設(shè)計了防垢卡抽油泵。通過數(shù)值模擬，對防垢卡抽油泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場試驗，證實該泵具有較強(qiáng)的防垢卡能力，能夠滿足采油工藝的要求，對延長三元復(fù)合驅(qū)機(jī)采井的檢泵周期，保障持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)具有重要的意義。

抽油泵；三元復(fù)合驅(qū)；防垢；優(yōu)化設(shè)計

三元復(fù)合驅(qū)采油技術(shù)可以在水驅(qū)的基礎(chǔ)上將原油采收率提高20%以上，有效地緩解油田產(chǎn)量不斷遞減的趨勢，目前已成為油田產(chǎn)量接替的重要技術(shù)手段之一[1-6]。大慶油田先后成功進(jìn)行了7個三元復(fù)合驅(qū)礦場試驗，均取得了不錯的經(jīng)濟(jì)效果。但是，由于注入體系(主要是堿)與油藏內(nèi)的流體、巖石礦物發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，打破了原流體和巖石礦物之間的物理化學(xué)平衡狀態(tài)，導(dǎo)致三元采出液Si4+離子濃度隨pH值增加而增加，舉升設(shè)備和井筒內(nèi)壁出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象[7-8]。這使得抽油機(jī)井頻繁卡泵，不但檢泵周期大幅度縮短，而且生產(chǎn)成本大幅度增加，嚴(yán)重制約了三元復(fù)合驅(qū)的工業(yè)化推廣應(yīng)用[9-10]。為了解決三元復(fù)合驅(qū)抽油機(jī)井頻繁結(jié)垢卡泵的問題，有效提高抽油泵對三元復(fù)合驅(qū)的適應(yīng)性，開展了防垢卡抽油泵的設(shè)計研究工作[11]，這對于提高抽油機(jī)井的運轉(zhuǎn)時率和三元復(fù)合驅(qū)的整體開發(fā)效益具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)

為了提高防垢卡性能，防垢卡抽油泵在常規(guī)抽油泵的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，其中游動閥由2個縮減為1個，增加了直徑略大于泵筒的延長泵筒，柱塞增加了容垢空間和刮垢結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由柱塞、主泵筒、延長泵筒、變徑接箍、游動閥總成、固定閥總成等組成。其中，延長泵筒分為2個，分別為上延長泵筒和下延長泵筒，上、下延長泵筒與主泵筒之間通過變徑接箍連接。

1—上接箍；2—上延長泵筒；3—上變徑接箍；4—主泵筒；5—柱塞；6—游動閥總成；7—下變徑接箍；8—下延長泵筒；9—下接箍；10—固定閥總成。圖1 防垢卡抽油泵結(jié)構(gòu)

2 工作原理

防垢卡抽油泵上沖程工作過程如圖2所示，抽油機(jī)驅(qū)動抽油桿，帶動抽油泵的柱塞向上運動，經(jīng)過圖2中的a、b、c、d、e、f 共6個階段，到達(dá)上死點。由于在上死點處柱塞從泵筒中完全拉出，進(jìn)入到直徑更大的上延長泵筒中，管柱內(nèi)液體向下泄漏，射流沖刷柱塞和泵筒表面垢粒及雜質(zhì)，從而避免了泵筒與柱塞由于間隙小而易結(jié)垢卡泵的現(xiàn)象。在下沖程，柱塞下端進(jìn)入下延長泵筒中，既消除了主泵筒與柱塞的非配合面，又增加了上沖程泵筒刮垢長度，進(jìn)一步提高了防垢卡性能。

a—離開下死點；b—到達(dá)延長泵筒入口處；c—1/4進(jìn)入延長泵筒；d—1/2進(jìn)入延長泵筒；e—完全進(jìn)入延長泵筒；f—到達(dá)上死點。圖2 防垢卡抽油泵在上沖程的柱塞工作過程示意

3 防垢卡抽油泵的主要優(yōu)點

1) 防止卡泵。上死點時，柱塞體脫離下泵筒，垢與砂則通過放大空間下落，防止落垢沉積于柱塞和泵筒間隙而引發(fā)卡泵事故。

2) 提高酸洗效果。上死點停機(jī)時，柱塞體自然進(jìn)入上泵筒，間隙增大，可順利通過酸洗液，循環(huán)通道暢通。

3) 實現(xiàn)全沖程刮垢功能。柱塞體上部和下部均設(shè)計有刮垢結(jié)構(gòu)，上、下沖程可有效刮除泵筒內(nèi)表面存垢，防止因結(jié)垢產(chǎn)生的卡泵現(xiàn)象發(fā)生。

4 數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計

由于初次試驗時發(fā)現(xiàn)柱塞在上沖程、快運動到上死點時，抽油桿柱發(fā)生劇烈振動，嚴(yán)重影響到了抽油機(jī)的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。因此，通過FLUENT軟件對柱塞運動過程進(jìn)行模擬，分析振動產(chǎn)生原因，從而對防垢卡抽油泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4.1 計算模型及模擬結(jié)果

本文數(shù)值模擬采用2D軸對稱模型，如圖3所示。泵筒結(jié)構(gòu)為?70 mm的泵筒，柱塞尺寸為?69.85 mm，介質(zhì)為水。

1—壓力入口；2、3、4—運動面；5、7—變形面；6—壓力出口。圖3 防垢卡抽油泵fluent計算模型

對模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，設(shè)置1為壓力入口，初始壓力為井底壓力1 MPa。當(dāng)入口流量為零時，將改變1的邊界條件，設(shè)置為壁面wall；2、3、4為運動面；6為壓力出口，壓力為液柱壓力10 MPa；5、7為變形面，5和7設(shè)置為軸axis；其他面均設(shè)置為壁面wall。運用fluent的動網(wǎng)格技術(shù)，模擬柱塞運動過程，運動速度為柱塞的運動速度。

通過計算，得出入口流量，當(dāng)流量為零時，即為固定閥關(guān)閉點，從而尋找到固定閥關(guān)閉時間。從固定閥關(guān)閉時刻開始，將入口設(shè)置為壁面，計算柱塞上下表面壓差，得出上下表面壓差隨柱塞配合段長度的變化曲線，如圖4所示。從圖4的模擬結(jié)果可以看出，在配合段長度從15 mm變化到0 mm過程中，壓差從9 MPa減小到4.85 MPa，變化平穩(wěn)。但是，在配合段長度為零后，即柱塞完全被拔出的瞬間，壓差突然從4.85 MPa減小到0.7 MPa，此時在抽油桿上的拉力將發(fā)生突變，反應(yīng)到抽油機(jī)上就會有很強(qiáng)烈的沖擊振動。

a 有限元數(shù)值模擬

b 壓力變化曲線

4.2 柱塞結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

通過以上數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，造成抽油桿柱發(fā)生振動的主要原因是柱塞拔出泵筒瞬間壓力突變，造成抽油桿載荷發(fā)生突變。因此，只要通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，減緩壓力的變化速度，就可以減緩振動。為了使柱塞在拔出泵筒過程中上下壓差能平穩(wěn)變化，對圓柱形柱塞進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，即，將柱塞下端加工成圓錐，從而使壓差均勻降低，改進(jìn)后柱塞結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 帶尾椎抽油泵結(jié)構(gòu)示意

隨后對底部帶錐度的柱塞進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果如圖6所示，可以看出，在整個柱塞運動過程(包括拔出泵筒過程)中，柱塞上下表面壓差變化均勻、平穩(wěn)，這樣可以保證抽油桿上的拉力均勻變化，不會出現(xiàn)因載荷突變而產(chǎn)生劇烈振動的情況。

a 有限元數(shù)值模擬

b 壓力變化曲線

5 試驗研究

為了檢驗柱塞優(yōu)化設(shè)計后的實際減振效果，在模擬試驗井中進(jìn)行了優(yōu)化前后抽油泵對比試驗。通過在井口摻入一定量的砂粒來模擬三元現(xiàn)場結(jié)垢工況，然后在試驗井中分別下入帶有優(yōu)化前圓柱柱塞和優(yōu)化后尾部帶尾椎柱塞的抽油泵，測試其相應(yīng)示功圖，分析評價優(yōu)化后防垢卡抽油泵的工作性能。

5.1 試驗工況

試驗井深

1 200 m

泵掛深度

900 m

抽油機(jī)參數(shù)

沖程3 m，沖次4 min-1

試驗介質(zhì)

水加砂溶液，室溫

測試儀器

井下功圖測試儀

5.2 結(jié)果分析

圖7～8是優(yōu)化前后防垢卡抽油泵在模擬試驗

圖7 優(yōu)化前防垢卡抽油泵測試示功圖

井中所測得的示功圖，由圖可以看出：優(yōu)化前，在柱塞拔出泵筒過程中，振動載荷最高達(dá)到25 kN，振動幅度為總載荷的40%；在優(yōu)化后，振動載荷最高則只有5.5 kN，振動幅度僅有總載荷的10%。因此，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，柱塞在拔出泵筒過程中振動幅度得到了顯著降低，達(dá)到了優(yōu)化設(shè)計要求。

圖8 優(yōu)化后防垢卡抽油泵測試示功圖

6 現(xiàn)場應(yīng)用

截至2016-06，防垢卡抽油泵在三元Ⅰ區(qū)塊現(xiàn)場試驗8口井，措施前共垢卡19井次，解卡均未成功，全部進(jìn)行了檢泵作業(yè)，檢泵周期287 d。措施后共發(fā)生垢卡5井次，均酸洗解卡成功。目前平均泵效60.1%，動液面466.8 m，平均免修期389 d，最長免修期463 d。措施前后相比，單井平均垢卡次數(shù)由之前的2.4次降到0.6次，免修期由287 d延長到389 d，取得較好的防垢卡效果。生產(chǎn)數(shù)據(jù)如表1～2。

表1 三元Ⅰ區(qū)塊應(yīng)用防垢卡抽油泵前油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)

表2 三元Ⅰ區(qū)塊應(yīng)用防垢卡抽油泵后油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)

7 結(jié)論

1) 三元復(fù)合驅(qū)防垢卡抽油泵通過在泵筒上增加直徑略大于泵筒的延長泵筒，柱塞增加刮垢結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效地提高了抽油泵的防垢卡泵能力。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定，可以最大程度發(fā)揮防垢舉升技術(shù)優(yōu)勢。

2) 根據(jù)對防垢卡抽油泵的數(shù)值模擬分析結(jié)果，對其柱塞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。通過在柱塞尾部增加一段圓錐，有效地降低了柱塞拔出泵筒過程中產(chǎn)生的機(jī)械振動，保證了防垢卡抽油泵的正常平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。

3) 由于防垢卡抽油泵在上沖程要拔出泵筒，因此與常規(guī)泵相比損失了一部分沖程，泵效有所降低。通過現(xiàn)場應(yīng)用，證實該防垢卡抽油泵的平均泵效依然可以達(dá)到60%，完全可以滿足現(xiàn)場舉升要求。此外，它將試驗區(qū)塊三元機(jī)采井的平均免修期提高了102 d，表現(xiàn)出了良好的防垢卡性能。

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Development and Optimization Design of Anti-scale Stuck Pump in ASP Flooding

HUI Xiaolong
(ProductionEngineering&ResearchInstitute，DaqingOilfield，Daqing163453，China)

In order to solve the frequent pump scaling and sticking problems of the ASP flooding production wells，an anti=scaling stuck pump was designed.The structure of pump was optimized with numerical simulation.Through field application test，it is confirmed that the pump has a strong ability of scale prevention.At the same time，it can meet the needs of the lifting and extend the ASP flooding production well inspection cycle.It has great significance to ensure the sustained and stable production of ASP flooding.

oil well pump；ASP flooding；anti-scale；optimization design

2016-12-15

惠小龍(1990-)，男，甘肅寧縣人，主要從事三元復(fù)合驅(qū)抽油泵、螺桿泵舉升技術(shù)研究，E-mail：huixiaolong@petrochina.com.cn。

1001-3482(2017)03-0059-05

TE933.303

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2017.03.013