吳 非

(中國石油遼河油田分公司，遼寧 盤錦 124109)

0 引 言

隨著稠油油田開發(fā)的逐漸深入，各類開發(fā)矛盾日益突出，相應的沖砂、注汽、機械堵水等配套措施工作量進一步增加。在上述作業(yè)過程中存在一些問題：一是注汽、沖砂作業(yè)過程中需多次起下管柱，作業(yè)成本高，生產(chǎn)時率低；二是在機械堵水作業(yè)時需通過油管內(nèi)打壓實現(xiàn)封隔器坐封，但常規(guī)管式泵由于固定閥預置在泵體結構內(nèi)，不能形成打壓座封通道。雖然桿式泵可以滿足上述需求，但受井斜大、井下溫度高、油稠等因素影響，桿式泵與井下油管密封和鎖緊部分故障率偏高，錨定失效、密封不嚴等情況時有發(fā)生，影響措施效果[1-6]。針對上述問題，以常規(guī)管式泵結構為基礎，研制了一種投球式多功能抽油泵，通過后期投入固定凡爾球，實現(xiàn)油井沖砂、注汽以及機械堵水作業(yè)一次管柱完成，達到提高生產(chǎn)時率、降低作業(yè)成本的目的。

1 工藝結構與工作原理

投球式多功能抽油泵(簡稱多功能泵，下同)結構如圖1所示，主要由泵筒、柱塞、開放式固定凡爾總成及投放式固定凡爾球等部分組成。圖1a為多功能泵隨沖砂、注汽及機械堵水管柱入井狀態(tài)，此時固定凡爾球不在泵內(nèi)，整個管柱為中空結構，流體可從管柱內(nèi)通過，根據(jù)需要實施注汽、沖砂或配合機械堵水管柱完成液壓封隔器打壓坐封。圖1b為措施后投入固定凡爾球狀態(tài)，當注汽燜井、沖砂及打壓作業(yè)結束后，利用原井管柱從井口投入固定凡爾球，固定凡爾球在自重作用下落在滑塊套上，隨后與井下泵筒配套的柱塞隨抽油桿一起下入管內(nèi)。圖1c為抽油泵生產(chǎn)狀態(tài)，當柱塞下入底部后，將支撐在滑塊套上的固定凡爾球頂入泵筒底部固定凡爾罩內(nèi)，上提柱塞調(diào)防沖距后即可以開井生產(chǎn)。

圖1 投球式多功能抽油泵工作原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of the working principle of the ball-actuated multifunctional oil pump

圖2為多功能抽油泵的核心結構——固定凡爾總成結構示意圖。固定凡爾總成主要由滑塊套、支撐彈簧、固定凡爾座、凡爾球等部分組成，與常規(guī)管式泵固定閥結構不同之處在于增加了滑塊、滑塊套、滑塊套支撐環(huán)和彈簧等結構。圖2a為投入固定凡爾球前的空心管柱結構，可以完成沖砂、注汽、座封等工序。上述工序結束后，由井口投入的固定凡爾球落在滑塊上部，隨后下入抽油桿及柱塞，當柱塞下入底部后，在桿柱重量作用下，下壓推動滑塊下行，進而壓縮支撐彈簧，3組滑塊形成的喇叭口逐漸增大，最終將支撐在滑塊套上的固定凡爾球頂入泵筒底部固定凡爾罩內(nèi)，上提柱塞后，彈簧推動滑塊復位(圖2b)。依靠彈簧、滑塊形成的開放式固定凡爾罩結構，可保證固定凡爾球正常起跳高度及快速復位的需要[7-10]。

圖2 固定凡爾總成結構示意圖Fig.2 The schematic diagram of the structure of the fixed valve assembly

2 關鍵結構及參數(shù)設計

2.1 滑塊機構

滑塊機構主要由滑塊、滑塊套組成(圖3)。滑塊與滑塊套設計成斜坡形狀，相對滑動順暢，并與軸線形成40 °夾角。當抽油桿連接活塞下壓固定凡爾球時，抽油桿通過滑塊壓縮彈簧，隨著彈簧的壓縮，3個滑塊圍成的喇叭口開口逐漸加大，當開口直徑大于凡爾球直徑時(最大開口直徑比凡爾球直徑大4 mm)，凡爾球脫離滑塊后下落至固定凡爾座上。上提抽油桿后，彈簧開始復位，并推動滑塊復位，形成的封閉空間開始發(fā)揮固定凡爾罩的功能，不影響抽油泵工作過程中凡爾球正常起落。

圖3 滑塊機構示意圖Fig.3 The schematic diagram of the slider mechanism

2.2 支撐彈簧

支撐彈簧與滑塊機構配合工作，其主要功能是實現(xiàn)固定凡爾球的單向通過性功能設計，即投入凡爾球時，凡爾球在設定的下壓載荷作用下進入固定凡爾座內(nèi)，在泵正常工作時，不允許再次通過滑塊機構返回滑塊上部。其結構如圖4所示。

為確保支撐彈簧和滑塊工作可靠，綜合考慮井下工況、開放式固定凡爾總成結構及彈力需求，優(yōu)選彈簧材質(zhì)并設計支撐彈簧各項參數(shù)。支撐彈簧主要工作參數(shù)設計依據(jù)為：最大載荷為凡爾球自重與抽油泵柱塞設計下壓載荷之和；最大變形量為滑塊組合與凡爾球的外接圓直徑達到最大時刻的彈簧壓縮量；高度、螺旋升角、圈數(shù)等設計參數(shù)則根據(jù)結構尺寸確定。

彈簧下壓載荷為：

F=Gb+Fp

(1)

圖4 支撐彈簧結構示意圖Fig.4 The schematic diagram of the support spring structure

因通常工況條件下，柱塞下壓載荷遠大于凡爾球自重，凡爾球自重可忽略，即：

F=Fp

(2)

彈簧工作時，與滑套機構尺寸相關的變形量如圖5所示。凡爾球通過滑塊時，彈簧變形量為：

λ1=(R-r0)cotθ

(3)

彈簧剪應力為：

圖5 彈簧與滑塊相關變量關系圖Fig.5 The relationship between spring and slider related variables

τ=8KFD/(πd3)=8KFC/(πd2)

(4)

彈簧變形量為：

λ=8FD3n/Gd4=8FC3n/Gd

(5)

彈簧曲度系數(shù)為：

K=F/λ=Gd4/8D3n=Gd/8C3n

(6)

式中：F為作用于固定凡爾球上的載荷，kN；Gb為凡爾球重力，kN；Fp為抽油桿下入過程柱塞施加的下壓載荷，kN；λ1為凡爾球通過滑塊時的彈簧變形量，mm；R為固定凡爾球半徑，mm；r0為滑塊位于上端面時滑塊套的內(nèi)切圓半徑，mm；θ為滑塊滑道與軸向間的夾角，°；τ為彈簧剪應力，MPa；K為彈簧曲度系數(shù)；D為彈簧中徑，m；d為彈簧絲直徑，m；λ為彈簧變形量，m；G為材料剪切彈性模量，MPa；C為彈簧旋繞比；n為彈簧有效工作圈數(shù)。

經(jīng)初選及計算校核，確定彈簧各項參數(shù)：彈簧材質(zhì)為SUS304-WPB；彈簧中徑為60 mm，因彈簧為錐形，故彈簧大徑為65 mm，小徑為54 mm；彈簧絲直徑為3 mm；原始長度為44 mm，壓縮后長度為35 mm，形變量為9 mm；彈簧節(jié)距為9 mm。

2.3 泵筒處理工藝

多功能泵需經(jīng)過沖砂、注汽、打壓座封等工序，目前常用的碳氮共滲泵筒在高溫注汽條件下易回彈變形，泵筒耐腐蝕性也較差，易銹蝕結垢，導致抽油泵故障率偏高[11]。因此，在泵筒內(nèi)表面的處理上采用了鎳磷復合鍍工藝。該處理工藝屬于低溫加熱過程，可確保泵筒管材在低溫和高溫條件下均不變形、不彎曲，可保持較好的直線度，同時鎳磷復合鍍層屬于不銹鋼性質(zhì)，耐腐蝕性好，不結垢，現(xiàn)場試驗表明可以滿足現(xiàn)場工況的需求。

3 主要技術參數(shù)

根據(jù)不同油井產(chǎn)液量需求，設計了柱塞直徑分別為38、44、57 mm的3種規(guī)格的多功能抽油泵(表1，泵常數(shù)為泵型選擇時計算日產(chǎn)液量時的基礎參數(shù)，日產(chǎn)液量為泵常數(shù)、沖程、沖次3個參數(shù)的乘積)，現(xiàn)場可以根據(jù)實際需求進行選擇使用。

表1 投球式多功能抽油泵參數(shù)Table 1 The parameters of the ball-actuated multi-function oil pump

4 現(xiàn)場應用情況

截至目前，多功能抽油泵累計現(xiàn)場應用29井次，其中，沖砂采油一次管柱5井次，注汽采油一次管柱10井次，機械堵水采油一次管柱14井次，作業(yè)一次成功率為100%，平均單井提前開井1.0 d，通過提高生產(chǎn)時率累計增油2 305 t，累計節(jié)省作業(yè)費用20.1×104元。

典型井例分析：曙3-07-8井為曙三區(qū)的一口稀油井，油層深度為1 447.3～1 510.4 m，因砂埋油層需作業(yè)沖砂恢復產(chǎn)能。常規(guī)作業(yè)工序為：起出原井管桿、下沖砂管、沖砂、起出沖砂管、下泵管、下抽油桿。Φ44 mm投球式多功能抽油泵作業(yè)工序為：起出原井管桿、下沖砂采油一次管柱、沖砂、投凡爾球、下抽油桿。沖砂結束后，上提至泵掛深度后由井口投入固定凡爾球，下入活塞生產(chǎn)。相比常規(guī)作業(yè)，節(jié)省了起出沖砂管和下入泵管2道工序，節(jié)省作業(yè)費用8 000元，提前開井0.5 d，作業(yè)后該井恢復了正常生產(chǎn)，目前已開井235.0 d，平均日產(chǎn)液為12.7 t/d，日產(chǎn)油為2.1 t/d，泵效為55.4%。

5 結 論

(1) 研制了可投球式多功能抽油泵及配套管柱，實現(xiàn)了沖砂采油、注汽采油、機械堵水采油一次管柱完成，有效提高了油井生產(chǎn)時率，降低了作業(yè)費用。

(2) 該抽油泵具有成本低、實用性強、操作簡單、性能可靠等優(yōu)點，滿足了部分油井精簡工序的現(xiàn)場實際需求，具有廣泛的推廣應用價值，為油田降本增效提供了技術保障。