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长柱塞短泵筒注采一体化管式泵的优化设计.pdf
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1、2024 年 4 月 第 33 卷 第 2 期 试油试采技术文章编号:1004-4388(2024)02-0032-06 2023-12-22 收稿,2024-01-07 修回,2024-01-19 接受,2024-04-20 网络版发表长柱塞短泵筒注采一体化管式泵的优化设计田磊,付小坤,郭福贵,杨兴,潘福中石化西北油田分公司 新疆阿克苏 841600通讯作者:Email:2941769864 项目支持:国家科技重大专项“塔里木盆地碳酸盐岩油气田提高采收率关键技术示范工程”(2016ZX05053)引用:田磊,付小坤,郭福贵,等.长柱塞短泵筒注采一体化管式泵的优化设计J.油气井测试 2024,
2、33(2):32-37.Cite:TIAN Lei,FU Xiaokun,GUO Fugui,et al.Optimization design of integrated tubing pump with long plunger and short cylinderJ.Well Testing,2024,33(2):32-37.摘要 常规机采井管式泵因其结构特点不适用于注氮气驱油作业,易造成卡泵、套漏,增加修井成本,影响生产时效。通过分析注气腐蚀结垢的机理,并在常规抽油泵的基础上创新的研发出了一种可注气并且能防垢的长柱塞短泵筒注采一体化管式泵,在泵筒上设置注气孔,注气期间下放柱塞露出泵筒上
3、的注气孔,柱塞始终放在泵筒内,使注入的氮气和流体不与柱塞、泵筒直接接触,并且设计的长柱塞、短泵筒结构可避免垢物落入泵筒内,达到防垢的效果。该工艺在塔河油田现场成功试验15 井次,平均单井注气量为 150104 m3,注气、生产均正常。该工艺结构简单,可同时满足注气和提液需求,具有很高的应用前景。关键词 注采一体化;管式泵;注氮气;防垢;防腐;深抽;提液;塔河油田中图分类号:TE353 文献标识码:B DOI:10.19680/ki.1004-4388.2024.02.006Optimization design of integrated tubing pump with long plung
4、er and short cylinderTIAN Lei,FU Xiaokun,GUO Fugui,YANG Xing,PAN FuNorthwest Oilfield Company,Sinopec,Aksu,Xinjiang 841600,ChinaAbstract:Conventional tubing pumps used in machine-driven wells are not suitable for nitrogen injection oil recovery operations due to their structural characteristics,whic
5、h often result in pump jamming and casing leakage,thereby increasing well workover costs and affecting production efficiency.By analyzing the mechanism of gas corrosion and scaling,an innovative integrated tubing pump with long plunger and short cylinder capable of gas injection and scale prevention
6、 was developed based on conventional oil pumps.Gas injection holes are arranged on the pump cylinder,and during gas injection,the plunger is lowered to expose the gas injection holes on the pump cylinder,ensuring that the injected nitrogen and fluid do not directly contact the plunger or pump cylind
7、er.Additionally,the designed structure of the long plunger and short pump cylinder prevents scale from entering the pump cylinder,achieving effect of scale prevention.This technology was successfully tested on 15 wells in the Tahe Oilfield,with an average nitrogen injection volume of 150104 m3 per w
8、ell,and both gas injection and production proceeded normally.The technology features a simple structure,and meets both gas injection and fluid lifting requirements simultaneously,which holds a promising application prospect.Keywords:integrated injection and production;tubing pump;nitrogen injection;
9、scale prevention;corrosion prevention;deep pumping;fluid lifting;Tahe oilfield 随着塔河油田开采时间的延长,开发方向逐渐向注水效果差的油藏转移1。目前,注气三采是塔河油田的主要开采方式,常规管式泵包含柱塞、泵筒、固定阀和游动阀等结构,具有结构简单、故障率低、排量相对更大及成本低等优点,用来替代潜油电泵,广泛应用于油田提液。为了增大泵的排量,管式泵的固定阀球、阀座设置于泵筒内与油管连接,导致无法进行正注气,长期反注气有腐蚀套管,增加套漏的风险,且注气容易导致柱塞、泵筒腐蚀结垢卡死,严重影响生产时效,增加开采成本2-5,
10、因此,亟需对常规管式泵结构进行改进升级。雷腾蛟等6为解决油井出砂导致的卡泵等问题,研发了一种长柱塞短泵筒结构的防砂泵,生产时该泵的柱塞和阀罩始终在泵筒外上下运动,降低了砂卡泵频次。孔令维7为解决砂卡问题,研制了一种泵上单流阀,并在抽油泵柱塞上均匀设计排砂第 33 卷 第 2 期付小坤:长柱塞短泵筒注采一体化管式泵的优化设计孔,防止抽油机井停机后固体异物沉积导致起抽后出现卡泵。尤洪军等8针对普通抽油泵关键部件易发生腐蚀和高温变形等问题,优选了高温自补偿式携砂泵等抽油泵,满足了汽驱生产工艺措施要求。李军等9针对现有的提液技术受抽油机承载和抽油杆强度制约,日产液量受到一定的限制等问题,研制出了减载抽
11、油泵,在提高泵排量的同时,降低悬点载荷。张雷等10针对举升系统腐蚀问题,通过结构改进和参数的优化设计,提高了抽油泵适应性,降低了腐蚀卡泵风险。因此,根据开发生产需求,结合注气井腐蚀结垢原理11-12,研制出了一种长柱塞短泵筒注采一体化管式泵,该工艺在泵筒上设置有注气孔,注气期间,下放柱塞露出泵筒上的注气孔,柱塞始终放在泵筒内,使注入的氮气和流体不与柱塞、泵筒直接接触,并且长柱塞短泵筒结构使垢物不易落入泵筒,该泵的结构既可以满足注气,又有防垢的作用,适用于注气井中,经现场试验应用,达到预期效果。1 技术分析 根据常规管式泵在现场应用中存在的问题,对结构进行了优化改进,长柱塞短泵筒注采一体化管式泵
12、的研制主要从工艺结构和原理两方面进行技术分析。1.1 工艺结构 该泵主要由外管总成、泵筒总成、柱塞总成三大部分组成,泵筒上设计有注气孔,具体结构如图 1所示。1-连接头;2-出液口;3-注气孔;4-游动阀;5-短泵筒;6-长柱塞;7-泵筒加长筒;8-外筒;9-游动阀;10-固定阀;11-固定阀;12-扶正接头;13-油管接箍图 1 长柱塞短泵筒注气防垢管式泵结构示意图Fig.1 Structure diagram of long plunger short pump with air injection anti-scale pipe pump(1)泵筒总成。由短泵筒、注气孔、连接接箍、泵筒加
13、长筒、2 组固定阀球阀座、扶正接头依次螺纹连接(见图 2)。(2)柱塞总成。由拉杆接头、出液口、游动阀球、阀座和柱塞依次连接(见图 3)。1-短泵筒;2-注气孔;3-接箍;4-泵同加长筒;5-固定阀;6-固定阀;7-扶正接头图 2 泵筒结构示意图Fig.2 Schematic diagram of pump barrel structure1-拉杆接头;2-出液口;3-游动阀;4-柱塞;5-游动阀图 3 柱塞结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the plunger structure(3)外筒。由接头、接箍、外管和下油管接箍依次螺纹连接而成(见图 4)。1-上接头
14、;2-接箍;3-外管;4-下接头图 4 外管结构示意图Fig.4 Schematic diagram of outer pipe structure1.2 工作原理 泵筒总成包含短泵筒、中间接箍、接筒、密封泵筒、2 个固定阀、扶正接头等组成,不与下部尾管连接。外管总成结构是外筒上端与连接头相连,下端连接油管接箍,悬挂尾管,承受尾管的重量。柱塞总成由出油阀、进油阀、长柱塞等组成,能将柱塞从泵筒内提出至地面。注气时,柱塞下放碰泵,即可露出泵筒上的注气孔,油管腔与油套环空连通,形成注气通道,可进行注气操作,注气通道为:油管-泵筒注气孔-泵筒与外筒之间环形通道-尾管-地层。并且在泵筒下部设计有扶正结构
15、,避免因泵过长而导致泵体坐封不正。生产时,调整防冲距后,与常规抽油泵工作原理相同,抽油杆下部连接柱塞上部的拉杆,抽油机带动光杆和抽油杆往复运动,泵腔内压力反复增大、减小,从而使固定阀和游动阀打开、关闭,实现进液和排液。其工作原理,如图 5 所示。332024 年 4 月图 5 工作原理示意图Fig.5 Schematic diagram of working principle2 关键部件设计及优化 相较于常规抽油泵,长柱塞短泵筒注采一体化管式泵需要在泵筒中间位置开孔,因此需要对柱塞间隙漏失的影响因素进行计算分析,以此辅助对泵筒结构进行改进,减小漏失量。流体力学关于环形缝隙流的漏失量计算公式为
16、:q=1.25 10-2d3PL(1)式中:q 为漏失量,mL/min;d 为柱塞直径,mm;P为柱塞两端压差,Pa,取试验压力为 1107 Pa;为柱塞与泵筒单边间隙,mm;为液体黏度,试验介质为 10#轻柴油的动力黏度,在 20 时,取=4.2510-3 Pa s;L 为抽油泵摩擦副密封段长度,mm。由公式(1)可以看出,柱塞间隙漏失量与泵径、柱塞两端压差、柱塞间隙、液体黏度和密封段有关,为优化设计抽油泵结构,本次主要计算研究泵径、柱塞间隙和密封段对柱塞漏失的影响。2.1 泵径对漏失的影响 采用控制变量方法进行研究,假定柱塞两端压差为 1107 Pa;试验介质为 10#轻柴油的动力黏度,在
17、 20 时,取 =4.25 10-3 Pas;柱塞间隙取0.05 mm;摩擦副密封段长度取 1 200 mm;取标准泵径 38 mm、44 mm、57 mm、70 mm;计算不同泵径下的漏失量。由图 6 可知,漏失量与泵径成线性关系,随泵径的增大而增大。图 6 泵径对漏失影响Fig.6 Influence of pump diameter on leakage2.2 摩擦副密封段长度对漏失的影响 假定柱塞两端压差为 1107 Pa;试验介质为10#轻柴油的动力黏度,在 20 时,取=4.2510-3 Pa s;柱塞间隙取 0.05 mm;泵径取 70 mm;摩擦副密封段长度取 400 mm、8
18、00 mm、1 200 mm;1 600mm;计算不同柱塞直径下的漏失量。由图 7 可知,漏失量随摩擦副密封段长度的增大而减小,摩擦副密封段长度超过 1 200 mm 后对漏失的影响减小。图 7 柱塞直径对漏失影响Fig.7 Influence of plunger diameter on leakage43第 33 卷 第 2 期付小坤:长柱塞短泵筒注采一体化管式泵的优化设计2.3 柱塞间隙对漏失的影响 假定泵径为 70 mm;摩擦副密封段长度为1 200 mm;柱塞两端压差为 1107 Pa;试验介质为10#轻柴油的动力黏度,在 20 时,取=4.2510-3 Pa s;柱塞间隙取 0.0
19、3 mm、0.06 mm、0.09 mm、0.12 mm、0.15 mm。由图 8 可以看出,柱塞间隙越大,漏失量越大,当能够满足生产需要时,应该尽量选用小的间隙。图 8 柱塞间隙对漏失影响Fig.8 Influence of plunger clearance on leakage2.4 结构优化设计 考虑泵径、柱塞长度和柱塞间隙对漏失量的影 响及现场实际应用,在常规管式泵基础上进行结构优化。由以上数据可知,摩擦副密封段长度超过1 200 mm 后对漏失的影响减小,因此,柱塞长度设计为 7 600 mm,短泵筒长度总长设计为 2 400 mm,在短泵筒中部位置开注气孔,相当于摩擦副密封段长度
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