高　宇

(大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)*

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二氧化碳驅防氣抽油泵研制及結構優(yōu)化設計

高宇

(大慶油田 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)*

摘要：為了解決二氧化碳驅高氣液比油井抽油泵易“氣鎖”的問題，設計了防氣抽油泵。通過數值模擬對防氣抽油泵的結構進行優(yōu)化設計，通過室內泵容積效率特性試驗及載荷變化特性試驗，證實該泵具有較強的防氣鎖能力和減輕桿管震動的能力，能夠滿足現場舉升需求，對保證二氧化碳驅機采井持續(xù)生產具有重要的意義。

關鍵詞：二氧化碳驅；防氣抽油泵；數值模擬；優(yōu)化設計

二氧化碳驅是三次采油中最具潛力的提高采收率方法之一[1]，對于水驅效果不好的低滲透油藏和小段塊油藏，二氧化碳驅可以取得很好的效果。采用二氧化碳驅的油井，由于采出液氣液比大幅升高，普通抽油泵表現出明顯的不適應性，具體表現為：油液充滿程度差，抽油泵泵效下降，嚴重時會發(fā)生“氣鎖”，常發(fā)生“液面沖擊”，加速了抽油桿柱、閥桿、閥罩、泵閥、油管等井下設備的損壞，導致檢泵周期短，作業(yè)頻繁，無法有效保持和發(fā)揮二氧化碳驅油效果[2-5]。

目前，國內外油田采取的技術主要從降低進泵流體的氣液比及減小進泵游離氣對泵閥開啟的影響2個方面進行。前者主要由增大沉沒度，降低沖程、沖次及采用各種氣錨，適時放掉套管氣來實現；后者

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主要靠加大沖程長度，減少余隙容積及采用特殊結構的防氣抽油泵來達到[6-10]。與普通抽油泵相比，現有防氣抽油泵結構復雜，加工難度大，同時由于防氣機理不同，在氣液比較大時，不能有效地防止“氣鎖”以及減緩氣體對桿管的影響。為了有效解決上述問題，開展了二氧化碳驅防氣抽油泵研究，這對于提高油井運轉時率和二氧化碳驅整體開發(fā)效益具有重要意義。

1工藝原理及結構設計

為了減小加工難度，提高防氣性能，防氣抽油泵在常規(guī)抽油泵的基礎上進行了改進，與常規(guī)抽油泵相比，取消了下游動閥總成，且在柱塞上開設導壓孔。其主要由泵筒、固定閥總成、柱塞、游動閥總成和泵筒接箍組成，如圖1所示。

1—保護罩；2—拉桿；3—泵筒接箍；4—螺母；

當抽油機通過抽油桿帶動柱塞向上運動時，經過圖2a～2e五個階段到達上死點，由于在上死點處柱塞從泵筒中拉出，使泵筒與柱塞形成的腔體與油管腔體通過導壓孔連通，使泵筒內壓力與油管內壓力相等，在下沖程時游動閥能夠順利打開，泵筒內的介質能順利排出到油管內，從而避免了泵筒內氣體的堆積而產生“氣鎖”。

圖2　防氣抽油泵原理

采用這種結構具有如下優(yōu)點：

1)防氣能力強。柱塞底端導壓孔的設置使上沖程結束時，泵筒內部氣體向油管內移動，油管內液體向泵筒內移動，最終使游動閥兩端壓力平衡，柱塞下行，游動閥瞬間開啟，避免了下沖程氣液比高時，柱塞對氣井抽油泵停止工作時氣體的壓縮造成的泵筒內部壓力高于油管內液柱壓力而使游動閥不能開啟造成的“氣鎖”現象的發(fā)生，具有較強的防氣能力。

2)震動小，壽命長。避免由于泵舉升揚程不足以使液體充滿整個泵腔，柱塞在泵筒內部氣體和液體分界面處產生的液面撞擊及對桿管的不良影響，延長抽油泵及桿管的使用壽命。

3)成本低。取消了常規(guī)抽油泵的下游動閥總成，節(jié)省了抽油泵組件成本。利用柱塞上導壓孔防氣，結構簡單，易于實現，基本不增加額外成本。

2數值模擬及結構優(yōu)化設計

2.1數值模擬

本文利用FLUENT軟件對防氣抽油泵進行模擬防真。數學模型采用2D軸對稱模型，如圖3所示。泵筒結構為32 mm的泵筒，柱塞尺寸為31.9 mm，介質為水。

圖3　防氣抽油泵fluent計算模型

對模型進行邊界設置，設置1為壓力入口，初始壓力為井底壓力1 MPa，當入口流量為0時，將改變1的邊界條件設置為壁面wall；2～4為運動面；6為壓力出口，壓力為液柱壓力7 MPa；5、7為變形面，5和7設置為軸axis；其他面均設置為壁面wall。運用fluent的動網格技術，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。當流量為0時，即為固定凡兒關閉點，從而尋找到固定閥關閉時間。圖4顯示的是抽油泵柱塞下部的壓力隨時間變化曲線，柱塞運行速度是300 mm/s。

從模擬結果來看，柱塞下部壓力變化從0.03 s開始到0.05 s壓力緩慢升高，在6 mm的移動距離下，從2.5 MPa升高到4 .0 MPa；在0.05 s時壓力突然升高到6 MPa，屬于壓力突變，會造成較大的振動，分析原因主要是在此時第1組導壓孔被拔出，壓力產生突變。隨著導壓孔的拔出柱塞下部壓力升高到6 MPa并穩(wěn)定在這一水平。

圖5是第2組導壓孔拔出過程中柱塞下部壓力變化曲線，可以看出：接近第2組導壓孔位置時，柱塞下部壓力經過50 mm距離升高了0.5 MPa，這個過程壓力變化很平穩(wěn)。到第2導壓孔拔出時，壓力又短時間從6.5 MPa升高到6.8 MPa，這個過程與第1孔拔出時壓力的變化幅度小了很多，而且經歷的時間也較長，因此不會產生較大振動。

圖4　第1組導壓孔拔出過程中泵筒內壓力變化曲線

圖5　第2組導壓孔拔出過程中泵筒內壓力變化曲線

2.2優(yōu)化設計

為了能夠使壓力穩(wěn)定變化，即使柱塞與泵筒之間的泄漏能夠穩(wěn)定增加，可以通過增大柱塞與泵筒的間隙來實現。對防氣抽油泵結構參數的優(yōu)化主要是：

1)將柱塞末端400 mm尺寸減小，使這段柱塞與泵筒之間的單面間隙從原來的0.05 mm增大到0.15 mm。

2)第2組導壓孔距離柱塞末端200 mm，第2組導壓孔與第1組導壓孔之間的距離為50 mm。

3試驗研究

3.1容積效率試驗

根據優(yōu)化結果，對優(yōu)化前后防氣抽油泵進行模擬試驗，試驗參數為：動液面400 m，沖程1.8 m，沖次2～9 min-1，氣液比在0～2 000 m3/t，測試抽油泵的容積效率。分別對單獨使用防氣抽油泵、防氣抽油泵與單級氣液分離裝置進行試驗。

圖6～7分別為普通抽油泵與防氣抽油泵在不同氣液比、不同沖次條件下的容積效率變化曲線，可以看出：氣體對防氣抽油泵和普通抽油泵影響規(guī)律基本相同，差別主要是在具體產量上，由于防氣抽油泵要拔出泵筒，因此損失了一部分沖程，使得產液量和容積效率都要較普通抽油泵小。

但從試驗結果可以看出：防氣抽油泵能夠防止抽油泵氣鎖，防氣抽油泵在氣液比從0～2 000 m3/t變化過程中，都有一定的容積效率，沒有產生“氣鎖”。而普通抽油泵在氣液比大于1 000 m3/t時容積效率為0，處于完全氣鎖狀態(tài)。因此可以看出，防氣抽油泵具有很好的防氣鎖效果。

圖6　普通泵容積效率變化曲線

圖7　防氣抽油泵容積效率變化曲線

圖8～9是優(yōu)化前后防氣抽油泵連接氣液分離裝置時進行試驗的結果，可以看出：優(yōu)化前、后防氣抽油泵連接氣液分離裝置時試驗結果規(guī)律一致；優(yōu)化后的防氣抽油泵加單級氣液分離裝置較優(yōu)化前具有更高的容積效率，容積效率提高10%左右。

圖8　優(yōu)化前防氣抽油泵連接氣液分離

圖9　優(yōu)化后防氣抽油泵連接氣液分離裝

3.2載荷變化試驗

圖10為優(yōu)化后的防氣抽油泵運行過程中的示功圖，可以看出：防氣抽油泵在上沖程的末端抽油機載荷下降，在上沖程的尾部有小幅波動，這個波動幅度很小，時間很短，沒有產生振動，因此也不會使抽油機驢頭產生振動。

圖10　防氣抽油泵示功圖

4結論

1)二氧化碳驅防氣抽油泵通過在柱塞底端開設導壓孔，取消了現有防氣抽油泵的環(huán)形閥及強制閥結構，結構簡單，易損件少，適用各種氣液比，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以最大程度發(fā)揮防氣抽油泵舉升的技術優(yōu)勢。

2)根據對防氣抽油泵的數值模擬分析結果，優(yōu)化了防氣抽油泵結構參數，將柱塞末端400 mm尺寸減小，使這段柱塞與泵筒之間的單面間隙從原來的0.05 mm增大到0.15 mm；第2組導壓孔距離柱塞末端200 mm，第2組導壓孔與第1組導壓孔之間的距離為50 mm。

3)防氣抽油泵與普通抽油泵相比由于柱塞的拔出損失了一定的沖程，使得其產液量比普通抽油泵小；但防氣抽油泵在氣液比0～2 000 m3/t范圍都有產出液，即沒有發(fā)生氣鎖，而普通抽油泵在氣液比大于1 000 m3/t后就沒有產出液，完全氣鎖。因此可以看出，防氣抽油泵具有較好的防氣鎖功能。

4)防氣抽油泵可以起到防止抽油泵氣鎖的作用，但不能減少氣體進入抽油泵內。因此，防氣抽油泵在實際使用時需要與氣液分離裝置一起使用。

5)通過對防氣抽油泵運行示功圖的測試，結果表明防氣抽油泵在運行過程中載荷變化都很平穩(wěn)，不會對抽油機產生影響。

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Development and Optimal Structure Designing of Anti-gas Pump in CO2Flooding

GAO Yu

(OilProductionEngineeringResearchInstitute，DaqingOilfieldCompanyLimited，Daqing163453，China)

Abstract：A new kind of anti-gas pump has been designed in order to solve the gas lock problem of sucker rod pump in CO2 flooding high gas-oil rate well.The optimized design of structure of anti-gas pump has been made through numerical simulation.By the indoor test of pump capacity efficiency and load variation，it is proved that the pump has a strong ability to prevent gas lock and reduce the vibration of the rod.At the same time，it can meet the needs of the field lifting，and has important significance to ensure the continuous production of CO2 flooding artificial lift wells.

Keywords：CO2 flooding；anti-gas pump；numerical simulation；optimal designing

中圖分類號：TE933.3

文獻標識碼：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.04.014

作者簡介：高宇(1983-)，女，黑龍江哈爾濱人，工程師，碩士，主要從事螺桿舉升技術及CO2驅采油技術方面的研究，E-mail：yu1983619@163.com。

收稿日期：2015-10-20

文章編號：1001-3482(2016)04-0056-04