趙 輝，楊 峰，王海文

（1.中石化勝利油田分公司 東辛采油廠，山東 東營(yíng)257094；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東），山東 青島266580）＊

高氣油比油井受到氣體影響而造成抽油泵充滿度低［1］。為了減少進(jìn)泵氣體，采用氣錨分離出部分氣體到油套環(huán)空，通常能取得較好效果［2］。氣錨分氣效率與氣油比有關(guān)，如果油井氣油比很大、間歇出氣量很大或者形成泡沫油，氣錨分離效果受影響［3］，使用氣錨后進(jìn)泵氣體量仍很大，泵不能及時(shí)排出氣體，造成惡性循環(huán)。抽油泵因?yàn)闅怏w影響不能正常工作，每一個(gè)沖次不排液或者排液量很少，導(dǎo)致油井達(dá)不到設(shè)計(jì)產(chǎn)量。本文研究一種能夠強(qiáng)制排出進(jìn)泵氣體的抽油泵，分析了泵的工作原理和適用條件，建立了泵工作參數(shù)計(jì)算模型。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

液氣混抽泵（以下簡(jiǎn)稱液氣泵）泵筒從下到上依次由長(zhǎng)泵筒段、氣包段和短泵筒段等3段連接組成，固定閥、游動(dòng)閥和泵柱塞與常規(guī)抽油泵相同。氣包段為雙層空腔結(jié)構(gòu)，襯套上割有篩縫連通氣包空腔與泵腔，只要能夠保證長(zhǎng)泵筒段、氣包段和短泵筒段同心，氣包段也可以不設(shè)置割縫襯套。

圖1分別表示液氣泵在上、下沖程工作中柱塞處于不同位置及固定閥和游動(dòng)閥的開(kāi)閉狀態(tài)。

1） 上沖程（如圖1a）。柱塞到達(dá)氣包段之前，工作原理與常規(guī)抽油泵相同。

2） 氣體進(jìn)氣包（如圖1b）。柱塞下端面高于氣包段下端面，氣包空腔與泵內(nèi)連通，泵內(nèi)氣體與氣包內(nèi)液體在密度差異重力作用下對(duì)流，氣體進(jìn)入氣包空腔并上升至空腔上部。

3） 上死點(diǎn)（如圖1c）。泵筒內(nèi)形成上氣下液的分布。

4） 下沖程（如圖1d）。柱塞向下運(yùn)動(dòng)，排擠泵腔內(nèi)氣體到氣包空腔內(nèi)，直至柱塞下端面到達(dá)氣液界面，這時(shí)氣體全部進(jìn)入氣包空腔。

5） 氣體出氣包（如圖1e）。柱塞繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，泵內(nèi)壓力繼續(xù)升高，直至游動(dòng)閥打開(kāi)，泵開(kāi)始排液，泵的工作情況與常規(guī)抽油泵完全充滿液體情況相似。當(dāng)柱塞上端面低于氣包段上端面時(shí)，氣包空腔與泵上連通，氣包內(nèi)氣體與泵上液體對(duì)流，氣體進(jìn)入泵上油管內(nèi)，泵上液體流入氣包空腔。

圖1 液氣泵工作示意

由上述液氣泵工作原理可以看出：進(jìn)入泵的氣體通過(guò)氣包空腔排到泵上，氣體不經(jīng)過(guò)游動(dòng)閥，避免了氣體對(duì)打開(kāi)游動(dòng)閥的影響，能夠強(qiáng)制排氣。上沖程氣體進(jìn)入氣包空腔置換出其中的液體，下沖程氣體排到泵上，而泵上的液體進(jìn)入氣包空腔。上下沖程中，氣體從泵內(nèi)排到泵上，是以泵上液體漏進(jìn)泵腔為代價(jià)的，這是液氣泵的一個(gè)缺陷。

目前，液氣泵尚處于試驗(yàn)階段，有44mm和56 mm 2種規(guī)格，泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)參照組合泵筒管式泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［4］。氣包段結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

表1 液氣泵氣包段結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 泵的排量和效率計(jì)算模型

常規(guī)抽油泵理論排量為

式中：Vt為泵1個(gè)沖次理論排量，m3；fp為泵柱塞截面積，m2；S為懸點(diǎn)沖程，m。

由于沖程損失、泵充滿程度、泵漏失和原油體積系數(shù)等因素，泵的實(shí)際排量一般少于理論排量，即

式中：V為泵1個(gè)沖次實(shí)際排量，m3；η為泵效，%。

泵的作用是給流體增加能量，泵效是能量轉(zhuǎn)換的效率，對(duì)抽油泵來(lái)說(shuō)，是光桿的機(jī)械能傳遞到抽汲液體勢(shì)能的轉(zhuǎn)換效率。抽油泵是體積泵，可以用體積比表示泵效，因此式（2）中的泵效嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是體積泵效，也稱為抽油泵的排量系數(shù)［5－6］，而不是能量轉(zhuǎn)換意義上的泵效。

泵效可分解為4個(gè)部分，即

式中：ηγ為沖程損失對(duì)泵效的影響；ηB為原油體積系數(shù)對(duì)泵效的影響；β為泵充滿程度對(duì)泵效的影響；ηL為泵漏失對(duì)泵效的影響。

將泵效各影響因素表達(dá)式代入，則

式中：Sp為泵柱塞沖程；Bl為沉沒(méi)壓力條件下被抽汲液體的體積系數(shù)；Vv為進(jìn)入泵內(nèi)的液體體積；Vr為柱塞1個(gè)沖程讓出的泵內(nèi)體積；Vl為漏失液體體積。

根據(jù)液氣泵的結(jié)構(gòu)和工作原理，液氣泵的理論排量和實(shí)際排量仍可以用式（1）～（2）計(jì)算。影響泵效的4個(gè)因素中，沖程損失、原油體積系數(shù)對(duì)泵效的影響沒(méi)有明顯差別，而泵充滿程度和泵漏失有明顯差別。液氣泵在上沖程有氣體進(jìn)入氣包空腔置換液體進(jìn)入泵的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程造成泵腔的充滿程度提高了，而同時(shí)泵漏失量增加了。

將影響液氣泵泵效各因素表達(dá)式代入式（3）得

式中：Vgr為上沖程從氣包空腔置換到泵的液體體積。

將式（5）進(jìn)行變換得

式（6）中，（Vv＋Vgr＋Vl）幾乎與Vr相等，因此第2項(xiàng)近似為零。比較式（6）與式（4），可以認(rèn)為常規(guī)泵與液氣泵的體積泵效差別不大。進(jìn)入氣包空腔的氣體體積與置換進(jìn)入泵的液體體積相同，從體積上相互低消了。換個(gè)角度說(shuō)，如果不考慮其他漏失因素，在上沖程從氣包空腔漏失進(jìn)泵的液體，下沖程時(shí)又悉數(shù)排回到泵上。

3 分析

3.1 液氣泵的作用

由上述計(jì)算模型可以看出，常規(guī)泵與液氣泵的實(shí)際排量差別不大。由于液氣泵特有的結(jié)構(gòu)和工作原理，每個(gè)沖次都能排出一部分氣體，避免抽油泵氣鎖。通過(guò)強(qiáng)制排出進(jìn)入泵內(nèi)的氣體，使抽油泵恢復(fù)排液功能，隨著油井產(chǎn)量增加，氣液滑脫減輕，進(jìn)泵氣油比進(jìn)一步降低，達(dá)到穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)。

3.2 適應(yīng)的進(jìn)泵氣油比

如果進(jìn)泵全部為氣體，按照液氣泵的工作原理，柱塞到達(dá)上死點(diǎn)時(shí)，氣包空腔里的液體流入長(zhǎng)泵筒段，氣體進(jìn)入氣包，下沖程進(jìn)入長(zhǎng)泵筒的液體經(jīng)游動(dòng)閥排到泵上，液氣泵在純氣的情況下仍然能夠正常工作。

如果進(jìn)泵全部為液體，氣包空腔里的液體壓力為泵出口壓力，大于泵內(nèi)液體壓力，在上沖程連通的時(shí)候，壓力趨于一致，有少量液體從氣包空腔膨脹進(jìn)泵，其他方面與常規(guī)泵相同。因此，液氣泵適應(yīng)的進(jìn)泵氣油比的情況是“有氣則排，無(wú)氣照常工作”。

3.3 柱塞上死點(diǎn)位置對(duì)液氣泵工作效果的影響

上死點(diǎn)時(shí)柱塞的位置對(duì)液氣泵工作效果有很大影響。如果柱塞底端面處于氣包段上端，氣體在氣包段的分布按氣包環(huán)空和泵腔截面積比例分布。

如果上死點(diǎn)時(shí)柱塞底端面太高，進(jìn)入短泵段，在短泵段讓出的體積被氣體占據(jù)，這樣就增加了下沖程壓縮氣體的行程，降低泵效。

如果上死點(diǎn)時(shí)柱塞底端面低于氣包段上部，能夠增加進(jìn)入氣包空腔氣體比例，但氣液對(duì)流時(shí)間短，效果不明顯。如果柱塞底端面位于氣包段下部，氣液來(lái)不及對(duì)流，影響氣包段作用發(fā)揮。如果柱塞底端面未進(jìn)入氣包段，氣包段不起作用，與常規(guī)泵完全相同。

由此可知，要求上死點(diǎn)時(shí)柱塞底端面處于氣包段上端，如圖1c所示。

3.4 液氣泵井示功圖的特點(diǎn)

由于氣包環(huán)空截面積遠(yuǎn)大于泵腔截面積（如表1），大部分氣體進(jìn)入氣包空腔，下沖程柱塞壓縮泵內(nèi)氣體到達(dá)氣液界面的行程大幅縮短，根據(jù)氣油比情況，游動(dòng)閥有可能在柱塞進(jìn)入長(zhǎng)泵筒段前打開(kāi)，進(jìn)入長(zhǎng)泵筒段后，泵處于完全充滿狀態(tài)，實(shí)測(cè)液氣泵井示功圖充滿程度很高。由上述排量與泵效計(jì)算模型分析可知，雖然泵充滿程度高，由于漏失量增加，泵的實(shí)際排量并不增加。

上沖程柱塞底端面高于氣包段時(shí)，氣包空腔里的高壓液體與泵腔連通，能在示功圖上觀察到載荷略微下降，這是判斷上提防沖距是否合適的判斷依據(jù)之一。

3.5 泡沫油的影響

泡沫油氣液難以分離，在泵內(nèi)形成上氣下液的分布狀態(tài)不明顯，降低氣體進(jìn)入氣包空腔的速度，影響液氣泵排液速度，但仍能強(qiáng)制排出氣體，避免常規(guī)泵氣鎖狀態(tài)的發(fā)生。

3.6 進(jìn)泵氣油比與氣包段長(zhǎng)度優(yōu)化

氣包段能夠強(qiáng)制排氣，同時(shí)也造成漏失和能量損耗，根據(jù)進(jìn)泵氣油比，合理設(shè)置氣包段長(zhǎng)度非常必要。氣包段長(zhǎng)度要小于泵柱塞長(zhǎng)度，表1給出的氣包段長(zhǎng)度為0.7m，是否是最優(yōu)長(zhǎng)度尚待試驗(yàn)證實(shí)。

4 應(yīng)用實(shí)例

鹽22區(qū)塊為低孔特低滲油藏，采用整體壓裂方式投產(chǎn)，地面原油密度 0.84g／cm3，黏 度18.5 mPa·s，飽和壓力19.2MPa，氣油比149.6m3／t。針對(duì)區(qū)塊高氣油比、低泵效，先后在8口井上配套應(yīng)用了組合氣錨和傘形多級(jí)分離氣錨，8口井平均產(chǎn)量由 4.9m3／d 上 升 為 5.3m3／d，平 均 泵 效 由20.20%上升為24.50%，8口井總體使用氣錨效果不明顯。而在其中氣油比約為30的YJN22－42井和YJN22－45井上，分別使用組合氣錨和傘形多級(jí)分離氣錨取得較好效果。本文以YJN22X48井為例說(shuō)明在氣油比＞50的油井上使用液氣泵的效果，由于高氣油比導(dǎo)致泡沫的原因，動(dòng)液面測(cè)不準(zhǔn)。

4.1 常規(guī)抽油泵的生產(chǎn)情況

采用深抽工藝，下泵深度2 400m，采用常規(guī)44mm抽油泵，未使用氣錨，25mm連續(xù)桿，沖程4.2m，沖次3.5min－1，日產(chǎn)液量4.8t／d，日產(chǎn)氣量411m3／d，含水6.5%，泵效15%。套管出氣在井口輸入地面管線，日產(chǎn)氣量包含套管產(chǎn)氣量和油管產(chǎn)氣量。按王偉章研究的方法［7］，該井經(jīng)抽油泵產(chǎn)出液的氣油比約為50m3／t。

2011－07－11實(shí)測(cè)示功圖如圖2所示。

圖2 YJN22X48井使用常規(guī)抽油泵采油實(shí)測(cè)示功圖

由生產(chǎn)數(shù)據(jù)和圖2可以看出：抽油泵受氣體影響嚴(yán)重，下沖程卸載困難，有效排液沖程很短，上沖程加載緩慢，最大載荷高達(dá)120kN，按D級(jí)抽油桿強(qiáng)度計(jì)算，抽油桿應(yīng)力范圍比1.53，超應(yīng)力范圍。造成最大載荷大的原因主要有：產(chǎn)量低、滑脫明顯、泵上流體平均密度大；油井實(shí)際動(dòng)液面遠(yuǎn)比測(cè)試得到的動(dòng)液面深。

4.2 液氣泵的生產(chǎn)情況

在YJN22X48井使用液氣泵采油，其他工藝參數(shù)與使用常規(guī)抽油泵時(shí)相同，投產(chǎn)后日產(chǎn)液量明顯上升。2011－09－07實(shí)測(cè)示功圖如圖3所示，對(duì)應(yīng)日期的日產(chǎn)液量為22.2t／d，日產(chǎn)氣量2 417m3／d，含水7.5%，泵效69%。

由圖3可以看出：下沖程0.7m后開(kāi)始卸載，符合液氣泵示功圖特點(diǎn)，抽油泵充滿程度較高，泵效大幅提高，最大載荷降為107.3kN，抽油桿應(yīng)力范圍比為1.06。

圖3 YJN22X48井使用液氣泵采油的實(shí)測(cè)示功圖

4.3 對(duì)比分析

YJN22X48井使用液氣泵采油前后日產(chǎn)液量與日產(chǎn)氣量如圖4～5所示。2011－07－17前使用常規(guī)泵采油，之后由于氣體影響而停產(chǎn)。2011－08－06使用液氣泵投產(chǎn)。由圖4～5可以看出：油井產(chǎn)油量和產(chǎn)氣量都同期大幅提高，其增產(chǎn)的機(jī)理在于用液氣泵能夠強(qiáng)制排出已經(jīng)進(jìn)入泵的氣體，解決了常規(guī)泵受氣體影響嚴(yán)重的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了氣液同步混抽。同時(shí)由于產(chǎn)量增加，泵下、泵上氣液滑脫現(xiàn)象減弱，泵上流體平均密度降低，液柱載荷減小，降低了抽油桿應(yīng)力范圍比。

圖4 YJN22X48井使用液氣泵采油前后日產(chǎn)液量

圖5 YJN22X48井使用液氣泵采油前后日產(chǎn)氣量

表2為鹽家區(qū)塊實(shí)施液氣混泵采油的油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)。由表2中數(shù)據(jù)可以看出：油井含氣大的井增產(chǎn)效果明顯，其中，YJN22X48井增產(chǎn)效果最好；而日產(chǎn)氣量少的井，例如YJA925X2井，增產(chǎn)效果不明顯。由于氣包空腔具有強(qiáng)制排氣作用，能夠降低活塞壓縮泵內(nèi)氣體的無(wú)效行程，所以液氣泵對(duì)氣體影響嚴(yán)重的油井增產(chǎn)效果好。

表2 鹽家區(qū)塊實(shí)施液氣混泵油井增油數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

1） 根據(jù)液氣泵結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了液氣泵工作參數(shù)計(jì)算模型，可用于進(jìn)行液氣泵油氣混抽工藝方案設(shè)計(jì)計(jì)算、示功圖解釋和工況診斷的理論依據(jù)。

2） 液氣泵是對(duì)常規(guī)抽油泵進(jìn)行了改進(jìn)，采用氣包空腔輸送氣體，具有強(qiáng)制排氣作用，可以避免抽油泵氣鎖，適用于高氣油比油井，尤其適用于前期常規(guī)抽油泵采油受氣體影響嚴(yán)重的油井，能夠通過(guò)強(qiáng)制排出氣體，使抽油泵正常工作。

3） 由于液氣泵結(jié)構(gòu)和工作原理的限制，液氣泵通過(guò)氣包空腔把進(jìn)泵氣體轉(zhuǎn)移到泵上，是以泵上液體漏進(jìn)泵腔為代價(jià)的，在受氣體影響不明顯的油井上使用液氣泵，不能提高泵效。

4） 在高氣油比的鹽家油田進(jìn)行了液氣泵采油的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)井泵效由15%上升到69%，產(chǎn)量大幅度提高，取得良好效果。今后將在注氮?dú)夂妥⒍趸纪掏戮显囼?yàn)。

［1］張 琪.采油工程原理與設(shè)計(jì)［M］.東營(yíng)：石油大學(xué)出版社，2002：126－128.

［2］吝擁軍，侯淑玲，程戈奇，等.高效氣錨分氣裝置的研制［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（2）：90－91.

［3］陳 琴，吳曉東，吳甫讓.氣錨分氣效率的實(shí)驗(yàn)研究［J］.西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，30（4）：173－175.

［4］SY／T 5059—2009，組合泵筒管式抽油泵［S］.

［5］萬(wàn)邦烈.新系列游梁式抽油機(jī)－抽油泵裝置所用抽油泵的排量系數(shù)和合理沉沒(méi)度的選擇圖解［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1981，10（2）：31－49.

［6］鄔亦炯.關(guān)于深井泵排量系數(shù)計(jì)算公式的意見(jiàn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，1982，11（3）：25－27.

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