双沉砂结构深抽抽油泵研究.pdf

胜利油田的深抽井数量逐年增多,平均检泵周期较短,主要原因之一是抽油泵失效.为提高深抽抽油泵使用寿命,采用仿真计算方法分析阀副漏失,固相砂粒使阀球阀座密封不严,高速流体通过缝隙会导致空蚀现象,对比阀副失效实物形貌,认为空蚀是其损坏的重要原因.在阀副失效原因分析基础上,研制了减少砂粒沉降至阀副的双沉砂结构深抽抽油泵.为游动阀和固定阀都设置了沉砂环空腔.改进阀罩外置出泵筒结构,降低上游动阀罩应力.优化阀罩导向、减阻、抗磨结构,降低阀球与阀罩的碰撞接触应力和磨损.双沉砂结构深抽抽油泵已在 口深抽井应用,平均生产周期达到 d,较改进前延长 d以上.关键词:抽油泵;出砂油井;深抽;空蚀中图分类号:T E 文献标识码:A d o i:/j i s s n R e s e a r c ho fD o u b l eS a n dS e t t i n gC h a m b e r sD e e pW e l lP u m pZ H IQ i n g o n g,Z HANGZ h o n g h u i,WANGF e n g,J I ANGD o n g,Z HOU N a,Z HANGF a n g y u a n,S UNY u a n p i n g,S U Q i u h a n,X I AOP i n g(S h e n g l iO i lF i e l dI n s t i t u t eo fP e t r o l e u mE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y,D o n g y i n g ,C h i n a;L i n p a nO i lP r o d u c t i o nP l a n t,S h e n g l iO i l f i e l d,D e z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h en u m b e ro fd e e pp u m p i n gw e l l s i nS h e n g l iO i l f i e l dh a s i n c r e a s e da n n u a l l y,a n dt h ea v e r a g ep u m pw o r k o v e rp e r i o di sr e l a t i v e l ys h o r t O n eo ft h em a i nr e a s o n s i st h ef a i l u r eo ft h ep u m p I no r d e r t o i m p r o v e t h es e r v i c e l i f eo f t h ed e e ps u c k e r r o dp u m p,t h e l e a k a g eo f t h ev a l v ep a i rw a sa n a l y z e db yt h es i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nm e t h o d I tw a s f o u n dt h a t t h es o l i dp a r t i c l e l e a d st op o o rs e a l i n go f t h ev a l v eb a l l s e a ta n dh i g h v e l o c i t yf l u i dp a s s i n gt h r o u g ht h eg a pc a nl e a dt oc a v i t a t i o n,w h i c hb e c a m e t h ep o s s i b l e c a u s eo f v a l v ep a i r f a i l u r e O nt h eb a s i so f t h e f a i l u r ea n a l y s i so f t h ev a l v ep a i r,ad o u b l e s a n d s e t t i n gs t r u c t u r ed e e p p u m p i n gp u m pw a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt or e d u c e t h es a n ds e t t l i n gt ot h ev a l v ep a i r T h es a n d s e t t i n gr i n gc a v i t yw a ss e t f o rb o t ht h e t r a v e l i n ga n d f i x e dv a l v e s T h ev a l v e c o v e rh a sb e e n i m p r o v e d t o r e d u c e t h e s t r e s s o n t h eu p s t r e a mv a l v ec o v e ra n dt oo p t i m i z et h ev a l v ec o v e rg u i d a n c e,d r a gr e d u c t i o n,a n da n t i w e a rs t r u c t u r e t or e d u c e t h ec o n t a c t s t r e s sa n dw e a ro nt h eb a l l a n dc o v e r D e e pp u m p i n ga p p l i c a t i o n sw e r ec a r r i e do u to n w e l l sw i t ht h ed o u b l es a n ds e t t i n gs t r u c t u r e,w i t ha na v e r a g ep r o d u c t i o np e r i o do f d a y s,o v e r d a y s l o n g e r t h a nb e f o r e t h e i m p r o v e m e n t K e yw o r d s:o i lw e l l p u m p;s a n dp r o d u c t i o nw e l l;d e e pp u m p i n g;c a v i t a t i o ne r o s i o n 收稿日期:基金项目:中石化股份公司科研项目“高含水期注采长寿高效关键技术研究”(P ).作者简介:智勤功(),男,河南洛阳人,高级工程师,博士,年毕业于中国石油大学(华东)油气井工程专业,现从事机械采油工艺技术研究工作,E m a i l:q q c o m.随着胜利油田油井不断开发,低渗区块越来越多地投入开发,成为胜利油田稳产的主要阵地之一.这些低渗区块的油井普遍存在产能递减快的特点,生产井泵挂深度逐步加深,进入高含水开发期,抽油泵工作环境恶化.由于放大生产压差,平均含砂质量分数升高,由 年的 升高到 年的 ,使 泵 漏 失、卡 泵 问 题 增 多.年统计低渗井维护作业 多井次,因抽油泵失效占,其中阀副刺损失效占 (固定阀副占,上游动阀副,下游动阀副),是主要因素,其次上游动阀罩失效占 .泵阀(阀罩、阀球、阀座)是举升管柱构成的微小部件,其成本占抽油泵成本不足,占整个管柱成本更低,但其失效会导致产量降低直至修井作业.针对泵阀失效,国内外从泵阀失效原因、泵阀结构优化方面开展了大量研究,在防砂方面,形成了诸如长柱塞等具有挡砂、沉砂功能的防砂泵.针对上游动阀罩失效,开展了阀罩断裂失效分析,阀罩过流阻力研究等,材料表面强化技术的采用,使得泵筒与柱塞耐磨性得以提升.本文针对胜利油田近年来深抽井抽油泵失效形式和深抽井面临的环境条件,采用仿真计算方法,分析阀副空蚀现象,从减少砂粒沉降至阀副着手,研制了双沉砂结构深抽抽油泵,现场应用取得良好效果.阀副失效分析 分析模型常规抽油泵柱塞结构如图所示,柱塞由上接头、中间接头、柱塞体、上泵阀、下泵阀、下接头组成.固定阀结构图所示,固定阀由阀罩、阀球、阀座及下接头构成.柱塞下行时,压缩泵腔内流体,固定阀关闭,游动阀开启,泵腔排出流体;柱塞上行时,泵腔体积增大压力减小,游动阀关闭,固定阀开启,流体进泵.上接头;中间接头;柱塞体;上泵阀;、泵阀连接头;下泵阀;下接头.图常规抽油泵柱塞结构阀罩;阀球;阀座;下接头.图常规抽油泵固定阀结构 仿真设定条件和计算参数因泵阀影响因素众多,为便于模拟仿真分析,做以下假设:)流体为均质组分,阀副(阀球、阀座)上、下流体各组分为均匀分布.)阀副上、下各点密度、温度相同.分析采用的流体、结构材料,流体为 水,密度 k g/m,黏度 m P as,流体含 质量分数的砂粒,砂粒密度为 k g/m,砂粒粒径为 mm,流量 m/d.阀球和阀座力学性能如表.表阀副材料力学性能部件材料弹性模量/MP a泊松比密度/(k gm)抗拉强度/MP a屈服强度/MP a阀球 C r M o 阀座 C r M o 第 卷第期智勤功,等:双沉砂结构深抽抽油泵研究 物理模型在阀球开启后,流体在阀罩内的流动是动变截面的,截面差异大,需要选择合适的流态模型.通过计算雷诺数,确定流体流态为湍流并建立k 湍流模型,其控制方程为:t(u)()ut(u)up(u(u)T)(u)I)Fg()CpTt(u)(q)STTIpT(u)pQ()式中:为密度,k g/m;u为速度,m/s;p为压力,P a;为粘性应力张量,S(u)I,P a;F为体积力矢量,N/m;Cp为比热容,J/(k gK);T为温度,K;q为热流矢量,W/m;Q为热源,W/m;S为应变率张量,S(u(u)T).阀副失效机理分析采用X f l o w软件对 mm泵进行仿真计算,分析固定阀副开启、关闭时流体流动情况.阀球关闭时,砂粒被流体裹挟落入阀座、阀球间隙,设定固定阀副关闭时压差为 MP a,阀球与阀座密封线部位落有粉细砂,形成 mm缝隙.经仿真计算,缝隙流速达 m/s,此处产生空化,图为空化相态图.靠近阀座的部位呈气态,说明产生了空化现象.缝隙处空化区域水发生了相变,变成了水蒸气,水相占,气相占.离开缝隙,气相又急剧变为液相,气相的消失伴随着体积急剧缩小.空泡在缝隙处产生,并沿下游发展,在并沿下游发展,在图仿真计算云图显示阀副间隙空化冲蚀阀座表面附近发生溃灭,相当于气泡破裂,产生爆裂冲击波,冲击波遇到阀座金属表面产生剥离作用,使金属表面损坏.图是某深抽井泵内取出来的阀座照片,从照片可以看出,阀座与阀球接触部位已经损坏,导致密封失效.图失效阀座照片双沉砂结构深抽抽油泵设计 结构设计避免砂粒落入阀副上是技术改进的关键,采用防止杂质沉积的结构设计可以达到这一目的.长柱塞防砂卡抽油泵能较好地减少沉砂进入柱塞泵筒缝隙和游动阀副 ,本文在此基础上,设计了双沉砂结构深抽抽油泵,为固定阀设计了沉砂结构.双沉砂结构深抽抽油泵主要由外筒、泵筒、加长管、柱塞总成、沉砂固定阀总成等部分组成,其结构如图所示.柱塞总成包括柱塞提升短节、上排液阀罩、上游动阀副、柱塞连接头、柱塞体、下游动阀上接头、下游动阀罩、下游动阀副、柱塞下接头.沉砂固定阀总成包括外管下接头、短筒、侧向出液罩、固定阀副、固定阀下接头、短筒下接头.沉砂原理当地面设备因维修保养、供液不足及政策停井时,泵筒内流体携带的砂粒沉降落至侧向出液罩图上部,导入固定阀(固定阀由侧向出液罩,固定阀副,固定阀下接头构成)与短筒的下沉砂腔.泵上油管内沉降的砂粒经由接箍旋流槽进入柱塞与外管环空,接箍内设换流槽其扶正作用,再经由泵筒扶正接头的旋流槽,进入泵筒与外管之间石 油 矿 场 机 械 年月 的上沉砂腔,砂子沉降路径如图中的箭头所示.砂粒一旦进入沉砂环空腔,不会再返出,可减少砂粒沉降至阀罩内,减少阀副沉积砂粒.柱塞提升短节;上排液阀罩;上游动阀副;柱塞连接头;柱塞体;下游动阀上接头;下游动阀罩;下游动阀副;柱塞下接头;接箍;外管;泵筒扶正接头;泵筒;泵筒下接箍;泵筒加长管;外管下接头;短筒;侧向出液罩;固定阀副;固定阀下接头;短筒下接头;上沉砂腔;下沉砂腔.图双沉砂结构深抽抽油泵结构示意图深层低渗地层出砂量较少,平均含砂质量分数为 ,沉砂过程主要出现在停井过程,沉砂环空空间可够a沉砂需求,因此不需要设计过泵尾管沉砂腔.主要技术参数目前,双沉砂结构深抽抽油泵已经设计应用了种泵型规格,其主要参数如表.表双沉砂结构深抽抽油泵主要参数基本泵径/mm 密封副长度/mm 冲程长度/m最大外径/mm 上沉砂腔/c m 下沉砂腔/c m 上连接螺纹NUNUNU下连接螺纹NUNUNU 阀罩优化深抽抽油泵承受的压差大,在高压差作用下,阀球开启后对罩冲击力大.新设计了抗冲击阀罩,其结构如图所示.其主要包括圆筒外体、限位挡头、阀球腔室、导向扶正筋、归位斜面.圆筒体上、下内壁设有尺寸规格一致的螺纹.在阀球腔室内设有限位挡头,限位挡头下方设有导向扶正筋.在阀球腔室下部设有归位斜面.归位斜面的坡度为 .导向扶正筋的弧度为 .该距离可使阀罩、阀座冲击应力同时达到最低.导向扶正筋的直径与球阀直径的差值为mm.限位挡头高度为mm.软件仿真计算结果表明,阀罩受阀球冲击应力降低 .上阀罩外径与泵筒外径相近,大于柱塞直径,受力截面积增大 以上,应力大幅度减小,提高了抗疲劳能力.圆筒外体;限位挡头;阀球腔室;导向扶正筋;归位斜面;螺纹.图优化后阀罩结构第 卷第期智勤功,等:双沉砂结构深抽抽油泵研究 现场应用至 ,在胜利油田现河、临盘、纯梁等采油厂进行了 口井的现场应用,实施成功率为 .与传统的抽油泵技术相比,该技术大幅度减少了深抽泵阀副刺损失效和上游动阀罩失效,平均生产周期达到 d,较改进前延长 d以上,取得良好使用效果.表是典型区块数据,区块油井产油含砂质量分数为 ,因阀副冲蚀、砂卡柱塞频繁,区块检泵周期 d.配套应用双沉砂结构深抽抽油泵技术实施 口井,平均加深泵挂 m,平均日增液 m/d,平均日增油 t/d,平均泵效由 提高至 ,油井平均生产周期延长至 d,提升了 d.表某区块双沉砂结构深抽抽油泵应用效果项目泵径/mm泵挂/m产液/(md)产油(td)泵效/生产周期/d实施前 实施后 增加值 )典型井例.史X 井.该井前期 mm泵下深 m,产液含砂质量分数 ,日产油 t/d,生产周期 d.下双沉砂结构深抽抽油泵,加深泵挂至 m,截至 生产 d,日增油t/d,措施工艺实现了延寿增油的良好效果.)典型井例.L P P X X 井.该井属于断块油藏,储层出少量粉细砂,产出液含砂的质量分数约 ,前期因固定阀副刺损,生产周期 d.配套应用双沉砂结构深抽抽油泵,实施泵深 m,冲程 m,冲次 m i n,实施 d因管漏停抽 d后作业,解剖抽油泵,上沉砂腔内和固定阀沉砂腔内均有沉积的细粉砂.结论)设计了双沉砂结构,分别承接泵上油管内的沉降砂粒和泵筒内沉降砂粒,减少了阀副部位砂粒沉积,减轻了空化射流和狭缝喷砂射流对阀座的破坏.)优化了柱塞外置的上游动阀罩结构,使阀罩应力降低,有利于减少阀罩部位损坏.)沉砂结构深抽抽油泵经 井次应用,深抽泵阀副刺损失效和上游动阀罩失效问题大幅度减少,平均生产周期达到 d,较改进前延长 d以上,初步满足了深抽井长效工作的需求.参考文献:张传宝胜利油田低渗透油藏低成本开发技术J西部探矿工程,():王慧莉,于雪林,张中慧,等插入式减载深抽装置的研制及应用J石油钻采工艺,():郭彩丽特高含水期抽油机井抽汲参数及泵挂变化对产量的影响J油气田地面工程,():郭云民,李健康,崔洁,等高含水期油井出砂预测模型的研究与应用J油气地质与采收率,():张词长寿命深井举升及配套技术研究J中国石油大学胜利学院学报,():C h r i sC a r p e n t e r A n a l y t i c S o l u t i o n sH e l pP r e d i c t S u c k e r R o d P u m pF a i l u r eJ JP e tT e c h n o l,():宋开利,曹雪梅,何牛仔,等长柱塞式防砂泵现场试验效果及评价J石油机械,():高海军,邹宗明,马林虎,等抽油泵凡尔罩断裂失效分析J理化检验(物理分册),():林恺,束方启聚驱井抽油泵排出阀阀罩过流阻力研究J石油机械,():张心明,胡嵩,赵怡然,等抽油泵泵筒与柱塞表面耐磨技术 研究 进 展J石 油矿 场 机械,():张琪采油工程原理与设计M东营:石油大学出版社,程天才,姜民政,李葳,等抽油泵阀隙流理论研究与数值模拟分析J石油机械,():王依明,张帆,张晓君,等新型防颗粒沉积抽油泵的研制与应用J石油矿场机械,():万国强,于大川有杆抽油泵固定阀阀球运动规律模拟分析J西南石油大学学报(自然科学版),():李小龙,陈松岳,高军,等长柱塞防砂卡抽油泵矿场应用效果及评价J石油机械,():蔡勤增长柱塞耐砂泵筒偏磨原因分析及改进措施J石油地质与工程,(S):石 油 矿 场 机 械 年月