孫繼東

（大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司工程技術(shù)大隊(duì) 黑龍江大慶 163412）

抽油機(jī)減載器的研制與應(yīng)用

孫繼東

（大慶油田有限責(zé)任公司試油試采分公司工程技術(shù)大隊(duì) 黑龍江大慶 163412）

通過(guò)在海拉爾地區(qū)希64-64井應(yīng)用減載器，降低了抽油機(jī)驢頭的懸點(diǎn)載荷，并確定了合理的桿柱組合，用10型抽油機(jī)進(jìn)行抽油試采，完全滿足該井的需要，使試采工藝技術(shù)更加完善。

減載器；抽油機(jī)；試采；應(yīng)用

1 引言

隨著海拉爾地區(qū)勘探開(kāi)發(fā)的不斷深入，油層埋藏深、產(chǎn)量低、滲透率差等問(wèn)題日趨突出，制約了該區(qū)塊試采資料的錄取工作。為了解決這一難題，于2015年年初引進(jìn)并應(yīng)用了抽油機(jī)減載器裝置。該裝置的采油深抽配套技術(shù)可加大泵掛深度，使泵掛深度達(dá)2000.82m，利于減載器的減載，可以較大程度降低抽油機(jī)驢頭的懸點(diǎn)載荷。通過(guò)在希64-64井的試驗(yàn)與應(yīng)用，確定了合理的桿柱組合，用10型抽油機(jī)進(jìn)行試采，完全滿足該井的需要。抽油機(jī)減載器的應(yīng)用滿足了深層區(qū)塊勘探開(kāi)發(fā)和資料錄取的要求，使試采技術(shù)更加完善。

2 減載器的工作原理

抽油機(jī)減載器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。抽油桿、柱塞管、減載活塞連接在一起，隨抽油桿一起上下運(yùn)動(dòng)。井液自下過(guò)液孔進(jìn)入柱塞管，從上過(guò)液孔出來(lái)重新進(jìn)入油管。由于上密封管和減載活塞的封堵，上密封管的下端面與減載活塞的上端面之間形成中空，并通過(guò)呼吸孔連通油管與套管之間的環(huán)空，而環(huán)空與地面大氣連通，環(huán)空壓強(qiáng)等于大氣壓強(qiáng)。而減載活塞的下端面與油管里的液體接觸，壓強(qiáng)與井筒液柱在該處的壓強(qiáng)相同，因此在減載活塞上下端面形成壓力差，形成向上托舉力。抽油機(jī)驢頭上行時(shí)，該托舉力可減輕抽油機(jī)的載荷和抽油桿的拉力，使抽油機(jī)上行速度加快。抽油機(jī)驢頭下行時(shí)，減載活塞向下運(yùn)動(dòng)，托舉力減慢抽油機(jī)下行速度，這恰好符合上行快下行慢的節(jié)能原理。抽油機(jī)如此上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，減輕了驢頭懸點(diǎn)載荷，使增加泵掛成為可能。

3 減載器的技術(shù)指標(biāo)

抽油機(jī)減載器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如表1、表2所示。

4 減載力的計(jì)算

4.1 減載力的計(jì)算

通過(guò)對(duì)抽油機(jī)減載器工作原理的認(rèn)識(shí)，可對(duì)其減載力進(jìn)行定量計(jì)算（圖2）：

由于減載器長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于油井深度，可以認(rèn)為P1=P3，于是減載力為：

P2要根據(jù)動(dòng)液面與呼吸孔之間的位置關(guān)系不同分別計(jì)算。

當(dāng)動(dòng)液面在呼吸孔以下（圖2a）時(shí)，如忽略油套環(huán)空中靜氣柱的壓力，則P2=Pc，于是減載力為：

當(dāng)動(dòng)液面在呼吸孔以上（圖2b）時(shí)，如忽略油套環(huán)空中靜氣柱的壓力，則P2=Pc+ρgh2×10-6，于是減載力為：

如果把套壓也計(jì)算為液柱高度，則在式(1)和(2)兩種情況下，P2可定義為：

式中，h3=106×PC/ρg(動(dòng)液面在呼吸孔以下)；h3=106×Pc/ρg+h2(動(dòng)液面在呼吸孔以上)。在進(jìn)行了上述定義之后，式(1)和(2)可統(tǒng)一為：

由式(3)可知，減載力與油井動(dòng)液面的關(guān)系：動(dòng)液面在井口時(shí)，減載力為零；隨著動(dòng)液面的逐漸下降，減載力逐漸增加，當(dāng)動(dòng)液面到達(dá)減載器呼吸孔位置時(shí)，減載力達(dá)到最大；當(dāng)動(dòng)液面在呼吸孔以下時(shí)，減載力恒定。

4.2 減載器及抽油桿應(yīng)力的理論計(jì)算

4.2.1 減載器減載力計(jì)算

通過(guò)聯(lián)合高等院校的技術(shù)力量，分析了有減載器的試采管柱中的受力分析，詳細(xì)地進(jìn)行了理論計(jì)算。

當(dāng)動(dòng)液面在呼吸孔以下時(shí)，減載力為

式中：F——減載力，N；

h1——減載活塞到油井井口的距離，m；

S1——減載活塞截面積，m2；

S2——密封活塞截面積，m2；

ρf——井筒液體重度，N/m3。

初步設(shè)定減載器設(shè)置在距井口800m處，根據(jù)結(jié)構(gòu)已知減載活塞直徑為70mm，密封活塞直徑為44mm，經(jīng)計(jì)算減載力F為17.68kN。

4.2.2 抽油桿柱設(shè)計(jì)計(jì)算

通常抽油桿柱設(shè)計(jì)，要求在滿足強(qiáng)度條件的基礎(chǔ)上，使抽油桿的重量最輕。因此，形成了兩個(gè)強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：a.從桿柱下部向上計(jì)算，若在桿柱上某一點(diǎn)的應(yīng)力等于所給定的許用應(yīng)力時(shí)，便由此開(kāi)始更換大一規(guī)格的抽油桿；b.各級(jí)抽油桿頂部應(yīng)力相等。

這兩個(gè)準(zhǔn)則均出于等強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想，其中第二種較常用。

4.2.2.1 等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算

目前抽油桿柱設(shè)計(jì)中，所采用的等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可分為兩類(lèi)：等疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和靜等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。而采用靜等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則計(jì)算十分簡(jiǎn)單，只在最后對(duì)抽油桿柱最上部進(jìn)行疲勞強(qiáng)度校核即可。

根據(jù)靜等強(qiáng)度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即抽油桿柱中各級(jí)不同規(guī)格抽油桿頂部靜等強(qiáng)度相等的條件，可得出關(guān)于求解各級(jí)抽油桿的長(zhǎng)度占抽油桿總長(zhǎng)度的百分比Ri的線性方程組：

式中：Ap——柱塞橫截面積，m2；

Wi——各級(jí)抽油桿的重度，N/m3；

Ai——各級(jí)抽油桿的橫截面積，m2。

本設(shè)計(jì)中采用的是三級(jí)抽油桿組合，n=3，且較常規(guī)設(shè)計(jì)中加入了減載器，所以方程組應(yīng)相應(yīng)地加以修改，將減載力考慮進(jìn)去。初步假設(shè)，減載器連接于第二級(jí)抽油桿中。由于公式中抽油桿受力計(jì)算時(shí)省略了井深L，所以在加入減載力時(shí)也應(yīng)將減載力除以井深L，所以減載力F就變成了F當(dāng)，因此方程組調(diào)整為：

經(jīng)計(jì)算，R1=0.387，R2=0.451，R3=0.162。則直徑為19mm抽油桿長(zhǎng)為774m，直徑為22mm抽油桿長(zhǎng)為902m，直徑為25mm抽油桿長(zhǎng)為324m。

距井口800m處恰為第二級(jí)抽油桿，與當(dāng)初減載器假設(shè)吻合。

4.2.2.2 強(qiáng)度校核

抽油桿頂端最大循環(huán)受力：

經(jīng)計(jì)算Wmax=55.72kN。

抽油桿頂端最小循環(huán)受力：

經(jīng)計(jì)算Wmin=33.14kN。

則頂端最大、最小循環(huán)應(yīng)力分別為：

當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度條件校核

當(dāng)量應(yīng)力為：

當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度條件為：

因此滿足疲勞強(qiáng)度條件。

通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)得出的結(jié)論，我們?cè)诤＠瓲栂?4-64井按照此結(jié)論的數(shù)據(jù)進(jìn)行試采管柱的設(shè)計(jì)(圖4)。

海拉爾希64-64井，如果不下抽油機(jī)減載器，理論計(jì)算驢頭懸點(diǎn)最大載荷為70.4kN。該井下入抽油機(jī)減載器后，實(shí)測(cè)功圖顯示抽油機(jī)懸點(diǎn)最大載荷54.0kN，最小載荷28.8kN，減載16.4kN，減載幅度達(dá)到23.3%，減載效果明顯。

5 結(jié)論

應(yīng)用抽油機(jī)減載器可以大幅度減輕驢頭懸點(diǎn)載荷，減小抽油桿的彈性伸縮，提高泵效。減載器還可增加泵掛深度、放大生產(chǎn)壓差、增加泵沉沒(méi)度，擴(kuò)大了試采范圍。減載器在抽油機(jī)上的應(yīng)用，是利用現(xiàn)有裝備實(shí)現(xiàn)深抽、降低抽油試采成本、提高試采工藝技術(shù)的一個(gè)有效措施。不過(guò)，在選井時(shí)應(yīng)注意，減載器需避開(kāi)鉆井軌跡拐點(diǎn)，以減少減載器的偏磨現(xiàn)象。