李 青，宋正聰，王智勇，徐士文

(1.中國(guó)石化西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司，陜西 延安 716000；3.中船重工中南裝備有限責(zé)任公司，湖北 宜昌 443005)

0 引 言

塔河油田油藏類型為縫洞型碳酸鹽巖油氣藏，油藏埋深為5 500～7 000 m，原始?xì)庖罕纫话銥?00～500 m3/t，部分井氣液比高達(dá)2 000 m3/t。由于原始?xì)庖罕容^高，原油很容易脫氣，氣體影響已成為影響機(jī)抽井泵效的重要因素[1-8]。目前，西北油田采油三廠共有機(jī)抽井248口，其中，因受氣體影響導(dǎo)致泵效低于60%的井有35口，占總井?dāng)?shù)的14.1%，嚴(yán)重影響油田開發(fā)效果[9-20]。為解決以上問(wèn)題，研制了置換式防氣桿式泵，該泵可有效降低進(jìn)入泵內(nèi)含氣原油的氣液比，防止氣鎖[21-23]，適用于氣液比較高的油井。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，取得了滿意效果。

1 技術(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)

該桿式泵采用底部固定結(jié)構(gòu)，由泵體、外工作筒兩大部分組成，并形成油管腔、置換腔、泵腔3個(gè)腔室(圖1)。

圖1 置換式防氣桿式泵結(jié)構(gòu)示意圖

(1) 泵體。由泵筒總成和柱塞總成組成。泵筒總成由拉桿導(dǎo)向套、頂部密封支撐總成、短泵筒、中間接箍、長(zhǎng)泵筒、進(jìn)油閥、底部鎖緊支撐總成及彈性鎖爪通過(guò)螺紋依次連接組成；柱塞總成由拉桿接頭、拉桿、上閥罩、上出油閥、柱塞及下出油閥通過(guò)螺紋依次連接組成(圖2)。

圖2 泵體結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 外工作筒。由底部泵座、外管、下接箍、密封筒及上接箍通過(guò)螺紋依次連接組成(圖3)。

圖3 外工作筒結(jié)構(gòu)示意圖

(3) 置換腔。位于氣液交換孔道上部的一段環(huán)形空間為置換腔，由泵體與外工作筒構(gòu)成，其上部由頂部密封支撐總成與密封筒組成一組軟硬密封機(jī)構(gòu)，下部由底部鎖緊支撐總成與底部泵座組成一組軟硬密封機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)置換腔室上下部完全密封。短泵筒約1/3長(zhǎng)度上沿圓周均勻分布有氣液交換孔道，作為置換腔內(nèi)氣液的唯一進(jìn)出通道。

(4) 外工作筒與泵體之間通過(guò)底部鎖緊支撐總成上的彈性鎖爪與底部泵座卡緊鎖死，使泵體在正常工作時(shí)不與外工作筒脫開。

1.2 工作原理

置換式防氣桿式泵工作原理如圖4所示。下井時(shí)，先將外工作筒連接在油管下部，隨管柱提前入井，然后將泵體通過(guò)抽油桿直接下放至外工作筒內(nèi)，并通過(guò)泵座卡緊裝置鎖死，最后調(diào)整好各項(xiàng)作業(yè)參數(shù)，即可開始正常作業(yè)。

上沖程時(shí)，抽油桿帶動(dòng)柱塞總成向上運(yùn)動(dòng)，出油閥在柱塞總成上部液柱壓力的作用下關(guān)閉，由于泵腔容積增大，壓力下降，進(jìn)油閥在沉沒(méi)壓力的作用下打開，含氣原油經(jīng)進(jìn)油閥進(jìn)入泵腔內(nèi)，在柱塞總成向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)泵腔內(nèi)壓力低于氣體溶于原油的飽和壓力時(shí)，泵腔內(nèi)原油中的氣體從原油中分離逸出，并集中在柱塞總成尾部，當(dāng)柱塞總成運(yùn)動(dòng)到氣液交換孔道上部時(shí)，置換腔與泵腔連通，置換腔內(nèi)的原油由于重力作用進(jìn)入泵腔，與泵腔內(nèi)游離氣體混合，同時(shí)，泵腔內(nèi)密度小的游離氣體進(jìn)入置換腔，從而完成泵腔內(nèi)柱塞總成尾部游離氣體被原油替換，游離氣體從泵腔進(jìn)入置換腔的過(guò)程。

下沖程時(shí)，柱塞總成向下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)油閥關(guān)閉，當(dāng)柱塞總成遮住氣液交換孔道時(shí)，置換腔內(nèi)的游離氣體與泵腔隔離，泵腔內(nèi)的充滿度迅速提高，壓力升高，出油閥在柱塞總成下部原油壓力作用下打開，同時(shí)，進(jìn)油閥關(guān)閉，當(dāng)柱塞總成運(yùn)動(dòng)至氣液交換孔道下部時(shí)，置換腔與油管腔連通，油管腔內(nèi)的原油在液柱壓力作用下進(jìn)入置換腔，與置換腔內(nèi)游離氣體混合，由于油管柱內(nèi)為高壓油，游離氣體重新溶于原油中，從而使置換腔室再次全部充滿無(wú)游離氣體的原油，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)柱塞總成的上下運(yùn)動(dòng)，含氣原油經(jīng)抽油泵混合置換排出井外的目的。

當(dāng)需要檢修時(shí)，只需提起抽油桿更換泵體，不需動(dòng)管柱，可降低作業(yè)成本。

圖4 置換式防氣桿式泵工作原理示意圖

1.3 技術(shù)參數(shù)

置換式防氣桿式泵泵徑為38.1 mm，理論排量系數(shù)為1.64，沖程為5～9 m，泵體最大外徑為71 mm，外工作筒最大外徑為114 mm，支撐座圈內(nèi)徑為62 mm，支撐環(huán)外徑為68 mm，密封筒內(nèi)徑為71 mm，油管連接螺紋型號(hào)為UPTBG，抽油桿連接螺紋型號(hào)為CYG19.1，置換腔容積為6.5 L，最大下泵深度為3 835 m。

1.4 創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 如圖1所示，該泵在底部固定桿式泵的基礎(chǔ)上增設(shè)了密封筒和外管，將泵筒與外管之間的環(huán)形空間作為氣液置換腔室，通過(guò)油管腔、置換腔及泵腔3個(gè)腔室之間的氣液混合置換，為泵內(nèi)氣體提供了上升和排出通道，在桿式泵中實(shí)現(xiàn)了置換式防氣鎖功能，降低了泵內(nèi)氣液比，可有效提高泵效。

(2) 如圖5所示，在短泵筒上開設(shè)數(shù)個(gè)氣液交換孔，作為各腔室之間氣液交換通道，交換孔沿圓周徑向分布，軸向總長(zhǎng)度約為柱塞長(zhǎng)度的1/3，既保證了柱塞通過(guò)交換孔時(shí)通道的暢通，又能實(shí)現(xiàn)柱塞對(duì)泵筒的有效密封，不出現(xiàn)沖程損失。交換孔在泵筒上的位置位于柱塞總成運(yùn)動(dòng)至上死點(diǎn)時(shí)柱塞總成的尾部，使泵腔內(nèi)的游離氣能夠完全被置換腔的原油混合置換，確保了置換效果。

(3) 置換腔上下部均采用軟硬密封機(jī)構(gòu)，將置換腔室上下部完全密封，使其成為一個(gè)獨(dú)立腔室，氣液交換孔道為置換腔室內(nèi)氣液進(jìn)出的唯一通道。

圖5短泵筒

上部軟硬密封機(jī)構(gòu)如圖6所示。軟密封環(huán)采用工程塑料制作，與密封筒過(guò)盈配合，在密封筒內(nèi)處于受擠壓狀態(tài)，當(dāng)柱塞總成運(yùn)動(dòng)至氣液交換孔道上部，置換腔與泵腔連通時(shí)，受井底油壓作用而擠壓膨脹，軟密封環(huán)緊密貼合在密封筒上，起到良好的密封作用。硬密封環(huán)為彈性金屬材質(zhì)，具有良好的彈性，易擠壓變形，采用具有割縫開口的硬密封環(huán)結(jié)構(gòu)與密封筒進(jìn)行過(guò)盈配合，既能增大流體的流動(dòng)阻力，有效緩沖油管液柱對(duì)置換腔的壓力沖擊，又能起到支撐泵體的作用。

圖6上部軟硬密封機(jī)構(gòu)

下部軟硬密封機(jī)構(gòu)如圖7所示。軟密封環(huán)材質(zhì)和結(jié)構(gòu)與上部軟硬密封機(jī)構(gòu)的軟密封一致，硬密封由支撐座圈和支撐環(huán)組成，支撐座圈與支撐環(huán)材質(zhì)均為硬質(zhì)合金，兩者之間通過(guò)彈性鎖爪實(shí)現(xiàn)斜面密封。

(4) 由于置換式防氣桿式泵的泵筒不承受尾管、封隔器等井下工具的載荷，使其能夠滿足更深的泵掛要求，比現(xiàn)有的基于管式泵的防氣抽油泵具有更深的下泵深度。

圖7下部軟硬密封機(jī)構(gòu)

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

截至2017年12月，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)3口井，工藝成功率為100%(表1)。3口井下泵深度為2 800～3 022 m，與措施前相比，下泵深度最大增加217 m；可滿足高氣液比油井的舉升要求，P24井氣液比高達(dá)1 205 m3/t；泵效提高23.5%～48.8%；日增油為2.3～6.5 t/d，3口井累計(jì)增油2 574 t。取得了較好的防氣增油效果。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)

P24井前期生產(chǎn)期間泵效較低，功圖顯示氣體影響較大，氣液比為1 205 m3/t，產(chǎn)能下降，日產(chǎn)油為8.2 t/d，含水為0。2017年1月，決定檢泵后下入置換式防氣桿式泵，泵徑為38 mm，下泵深度為2 800 m；措施后日產(chǎn)油為12.2 t/d，含水為0，日增油4.0 t/d，累計(jì)增油781 t；泵效為44.3%，相比措施前，泵效提高48.8%，目前生產(chǎn)正常。

3 結(jié) 論

(1) 置換式防氣桿式泵可有效降低泵內(nèi)含氣原油的氣液比，提高泵效，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，該工藝適用于氣液比大于500 m3/t的油井。

(2) 置換式防氣桿式泵采用底部固定結(jié)構(gòu)，承載能力強(qiáng)，適合超深井作業(yè)。

(3) 置換式防氣桿式泵作業(yè)簡(jiǎn)便、密封可靠，現(xiàn)場(chǎng)使用效果明顯，具有很好的推廣前景。