影响抽油泵泵效因素分析

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,影响抽油泵泵效因素分析,内 容,一、抽油泵漏失状况分析,二、抽油泵阀球启闭造成的排量损失分析,三、泵腔未充满造成泵效损失及应对措施,四、抽油杆柱、油管柱伸长对泵效影响分析,五、认识及建议,一、抽油泵漏失状况分析,通常认为抽油泵漏失对泵产量影响较大，用户便采用小间隙抽油泵以减少漏失；以,38,、,44,、,57,三种常用规格抽油泵的常用间隙（,2,、,3,、,4,号间隙）的漏失情况为例进行理论计算和试验统计分析：在,GB/T18607,抽油泵及其组件规范,附录,B,中，上述三种泵的理论最大漏失量规定值见图一；根据理论最大漏失量规定值推算抽油泵每天理论排量的泵效损失见表一；漏失量试验数据统计平均值见表二。,图一,抽油泵配合间隙理论最大漏失量规定（极限）值,注：,试验压力,:,10MPa,；,试验介质为,10,号轻柴油；单位,:,最大漏失量,mL/min,表一,推算抽油泵每天理论排量的泵效损失,注：,1,、抽油泵工作时，上冲程排液过程中产生漏失，下冲程进液过程中不产生漏失；,每天产生漏失量,12(,小时,)X60(,分种,)X,最大漏失量（,mL/min,）,X10,6,。,2,、冲程,X,冲次单位为,m/min,；理论排量、漏失量单位为,m,3,/d,。,表二,漏失量试验统计平均值,注：,1,、数据来源：对一定数量、某一规格、某一间隙抽油泵漏失量试验值统计,计算平均值，对其计算,12,小时（相当抽油泵实际工作一天）的漏失量。,2,、,2,号间隙漏失量统计了,160,台,3,号间隙漏失量统计了,120,台，,4,号间隙漏失,量统计了,60,台。,计算出表一中的漏失量及相应的泵效损失，泵效损失在,0.97,7.25,之间，根据表二试验数据推算出的泵效损失在,3%,以下。抽油泵实际生产中，受泵挂深度加深等因素影响，漏失量会增加；随着井液粘度的增加，漏失量会减少；,目前国外研究认为由于抽油泵为间隙滑动密封，,3,5%,的漏失将会起到很好的润滑作用，能够延长抽油泵工作寿命，,根据井况选择合理间隙、密封段长度以保证所需的漏失量是必要的，如印度尼西亚采用,10,号间隙长度为,3,英尺的柱塞用于稠油油井，美国,CDI,公司采用,7,号间隙等；从计算分析中看出抽油泵漏失造成的液量损失一般小于,5%,，目前采油现场抽油泵泵效为,25,65,，造成泵效损失并不完全是抽油泵漏失造成的，漏失造成抽油泵系统效率的减少一般小于,5%,。,二、抽油泵阀球启闭造成排量损失分析：,阀球启闭滞后会造成抽油泵排量损失，只要泵腔存有气体或未充满就会造成阀球启闭滞后；阀球开启所需压差约为,0.003MPa,（非常小）,而造成排量损失的主要原因,应该是,游动阀球开启时产生向上的撞击力造成柱塞上部抽油杆柱弯曲变形所产生的冲程损失，而这部分损失往往被忽略。,抽油泵工作上冲程（泵吸液）转化为下冲程（泵排液），即泵腔由低压腔转化为高压腔时，柱塞上游动阀球开启产生向上的瞬时冲击力较大，与下行的抽油杆柱相互作用，造成柱塞上部较细的抽油杆柱在压应力作用下产生较大的弯曲变形，从而造成较大的冲程损失，降低抽油泵排量。,上冲程转换为下冲程时，柱塞下行对泵筒充液腔产生的压力通过阀座孔作用于阀球上的力必须大于阀球承受的液柱压力，阀球才能打开，受力分析见图一，在打开瞬间，这个力作用在整个阀球上，通过阀球、阀罩将力传递给抽油杆柱。,F,4,图二 阀副启闭受力示意图,D,1,：阀球直径,mm,；,d,1,：阀座孔径,mm,；,D,2,：柱塞直径,mm,；,P,1,：阀球关闭时，作用于阀球上的液柱,压强,MPa,；,F,1,：阀球关闭时，作用于阀球上的液柱,压力,N,，,F,1,=/4D,1,2,P,1,；,P,2,：阀球打开瞬间，作用于阀座上的压,强,MPa,（即泵充液腔压强）；,F,4,图二 阀副启闭受力示意图,F,2,：阀球瞬间打开后，,P,2,通过阀座孔作用,于整个阀球上的力,N,，,F,2,=/4d,1,2,P,2,；,F,2,F,1,时，阀球才能打开；,F,3,：阀球瞬间打开后，作用于阀球下部压,强与上部压强的压差产生的对阀球的,冲击力,N,，,F,3,=/4D,1,2,（,P,2,-P,1,）；,F,4,图二 阀副启闭受力示意图,F,4,：上冲程转为下冲程后，抽油杆柱推动,柱塞下行，使柱塞下部泵腔变为高压,腔达到压强,P,2,时，所需的杆住下行力,，根据作用力与反作用力原理，这,个力将反向作用于抽油杆柱上，为抽,油杆的轴向压力,N,；,F,4,=/4D,2,2,（,P,2,-P,1,）。,F,4,图二 阀副启闭受力示意图,按,1000,米泵挂深度计算（不考虑沉没度和井口回压），设定作用在阀球上的液柱压强为,10 MPa,；则阀球打开瞬间，作用于阀球上的压强,P,2,、阀球对球腔的撞击力,F,3,、产生压强,P,2,所需的杆柱下行力,F,4,（即作用于抽油杆上的轴向压力）。常规阀副基本尺寸参数和,P,1,、,P,2,见表三；,F,3,、,F,4,见图三。,表三,阀副基本参数,泵径,mm,32,38,44,57,D,1,mm,19.05,23.83,28.58,34.93,d,1,mm,14.90,18.20,22.20,27.40,P,1,MPa,10,P,2,MPa,16.35,17.14,16.57,16.25,图三,游动阀开启造成冲击力,F,3,、杆柱轴向压力计算值,F,4,从表中计算数据可以看出，在,1000,米泵挂时，阀球开启瞬间对阀腔的撞击力在,1800N,以上，柱塞下行力对杆柱造成的轴向压力在,5000N,以上，随着泵挂的加深，产生的力将更大；抽油杆为细长杆，在轴向载荷压力作用下，稳定性较差，抽油杆柱处于失稳（屈曲）状态，失稳后，即使在微小力的作用下，引起的变形也将会显著增加；抽油杆柱受到的轴向压力和失稳状态下的变形，造成抽油泵在下冲程时与抽油机运动不同步，即抽油泵柱塞实际运行长度少于抽油机的冲程长度，产生的冲程损失，使抽油泵排量降低，大大影响着抽油泵的有效功率。,图 四,抽油杆长度与临界压力关系,由于在深井中，柱塞上下、泵筒内外压力不同，油井井液粘度大、会造成柱塞下行阻力大，也会产生抽油杆柱弯曲失稳情况的发生，造成泵效损失。,三、,泵腔未充满造成泵效损失及应对措施,由于油井存在含气、油稠、抽油泵沉没度低、泵挂位置存在斜度等情况，会造成抽油泵泵腔井液未充满、阀球开闭滞后等现象，致使抽油泵排液量下降，严重影响了泵的系统效率。这部分因素取决于油井工况，国内外针对油井工况研制了特种抽油泵以提高泵腔液体的充满度，抽油泵与油井工况有机结合是提高油井产量的基础。,1,、气体影响及应对措施：,当油井含气量较大时，会造成抽油泵充满度低，当气液比达到,30m,3,/m,3,时，泵效就会明显下降；严重含气井可降低泵效,90%,，气锁造成抽油泵不出液的现象也时有发生；并且含气造成的液击现象会产生较大的振动载荷，使抽油机、抽油杆柱受力状况变差，抽油杆柱轴向压力变形增大，冲程损失加大。,应对措施：使用防气抽油泵，配套气锚、定期放套管气、加深泵挂等工具等；将会平均提高抽油泵泵效,10%,以上，可大大提高含气油井的系统效率。,研制的适宜在含气井中工作的防气抽油泵有：游动阀强制启闭抽油泵、长柱塞排气防气泵、双泵筒中空防气泵、环形阀防气泵、两级压缩防气抽油泵、变间隙（抽油泵上部间隙大）防气抽油泵、防气锁游动阀等，可根据含气状况加以选择。,2,、稠油影响及应对措施：,国内对稠油油井进行较多的研究试验表明：进泵井液粘度在,500mPa,s,以下，泵效可达,40%,；进泵井液粘度在,1000mPa,s,，抽油泵能够正常工作，但泵效很低；如果进泵井液粘度达到,2000,3000mPa,s,，即使采用抽稠油泵，泵效也很低，应采取降粘措施。在辽河、克拉玛依、河南等油田有较多的稠油油井，由于稠油流动性差，粘滞力大，井液进入泵筒的阻力大，抽油泵的充满度低；同时造成抽油机上下冲程载荷变化大，恶化了抽油机、抽油杆的受力状况，易造成采油设备的损坏；较大的下行阻力加大了杆柱冲程损失，造成抽油泵泵效低。,稠油开采在国内外开展了较多的研究并实施了较多的应对措施，国内适宜稠油生产的抽油泵有：液力反馈抽油泵、串联抽油泵、大流道抽油泵、浸入式抽油泵、空心抽油泵（能够实现泵下加重、泵下注入降粘的热载体、下入加热电缆）等。抽稠油泵可以提高泵腔充满度、克服部分粘滞阻力，减少冲程损失，部分抽稠油泵的特殊结构能够与油井的降粘措施、泵下加重配套，有效减少稠油油井不利因素的影响，可提高抽油泵泵效,2,5%,。,3,、斜度影响及应对措施：,随着水平井、侧钻井、丛式井的增多，要求抽油泵在倾斜状态下工作，此种状态下，常规抽油泵阀副不能及时启闭，泵效损失可达,40%,。在室内对抽油泵进行倾斜角度下的密封试验表明：在水平,75,放置状态下，常规抽油泵的阀球不能密封（需靠外力吸引阀球座封），如果没有外力作用，压力试验机不能够起压；在,45,放置状态下，常规抽油泵的阀球不能及时密封（需要,1,6,秒时间）。,应对措施就是研制斜井抽油泵，目前生产的斜井抽油泵能够满足,75,斜井的使用要求：如为了增加泵筒刚度对抽油泵增加外管、采用高强度泵筒以减少弯曲变形，采用旋转柱塞或高硬度柱塞以减少偏磨，阀罩采用导向筋结构或配套扶正推杆以保证阀球及时开闭；根据不同斜度匹配不同结构的斜井抽油泵，以达到合适的性价比。斜井抽油泵可提高其在倾斜状态下工作的可靠性及泵效，平均泵效可提高,5%,左右。,4,、深井影响及应对措施：,该种工况的抽油泵泵挂较深，为,2500,米以上，液面较低，泵效平均在,30%,以下，系统效率偏低，致使采油系统能耗大，效益低；抽油泵受力状况恶化，抽油泵事故较多。,为了加大抽油泵的泵挂深度，开发了改变泵筒受力状况的过桥抽油泵,悬挂抽油泵、倒置泵筒抽油泵；通过采用特殊泵筒材料如,N80,油管材料、增加泵筒壁厚（如壁厚为,10mm,，常规泵筒壁厚,6.35mm,）、加大泵筒螺纹规格的型式提高泵筒强度，以增加抽油泵的下井深度。目前抽油泵的强度能够满足最大抽油机载荷允许的下井深度。,深井抽油泵不仅适宜加深泵挂，通过改变泵筒的受力方式、加长泵筒柱塞密封副长度的方式（如采用长度为,1800mm,的柱塞）减少抽油泵在高压差（,25,35MPa,）工作条件下的漏失，确保深井采油产量的提高。,5,、应用长冲程抽油泵，提高泵效：,使用长冲程抽油泵是提高泵效的有效方式：如冲程损失为,1,米，在抽油机冲程为,3.6,米时，冲程损失造成的泵效损失为,28%,；如采用,7.2,米长冲程抽油机，冲程损失将降为,14%,；泵效将提高,14%,，油井产量、系统效率将大大提高。同时采用长冲程可减少抽油泵摩擦损坏、减少抽油杆疲劳应力损坏、减少杆柱与油管摩擦损坏，提高采油系统的整体性能，保障油井的整体效益。,大港油田新世纪机械制造公司生产的常规管式抽油泵、杆式抽油泵冲程长度达到,8.5,米，能够与国内长冲程抽油机（冲程,8,米）匹配。通过抽油泵泵筒对接、杆式泵拉杆对接的型式，能够制造冲程长度达,30,米的抽油泵。如果有超长冲程的抽油机，经过泵筒串接型式容易实现与其配套抽油泵的制造。,四、抽油杆柱、油管柱伸长对泵效影响分析,上下冲程过程中，抽油机最大、最小载荷的变化造成抽油杆柱受到载荷由大变小而缩短、油管柱受到载荷由小变大而伸长，抽油杆柱的缩短、油管柱的伸长均造成了抽油泵柱塞的冲程损失，即抽油泵柱塞的实际冲程小于抽油机的冲程，造成抽油泵的实际排量降低。,以,3/4,、,7/8,、,1,为例计算杆柱缩短变形量见表四。,以,2-7/8,为例计算管柱伸长变形量见表五,。,泵径,不同泵挂（,H,）深度、不同泵径条件下，,3/4,、,7/8,、,1,抽油杆的变形量（,m,）,H=500,H=1000,H=1500,H=2000,H=2500,3/4,7/8,1,3/4,7/8,1,3/4,7/8,1,3/4,7/8,1,3/4,7/8,1,38,0.05,0.04,0.27,0.20,0.15,0.11,0.44,0.328,0.25,0.78,0.59,0.44,1.2,0.91,0.70,44,0.07,0.05,0.04,0.26,0.20,0.15,0.59,0.44,0.33,1.05,0.78,0.60,1.6,1.22,0.93,57,0.11,0.08,0.06,0.44,0.33,0.25,0.99,0.738,0.56,1.76,1.31,1.0,2.8,2.06,1.52,表 四 杆柱缩短变形量,表 五 管柱伸长变形量（,m,）,油管长度,500,1000,1500,1800,2000,2500,2-7/8,油管变形量,0.032,0.126,0.285,0.41,0.506,0.791,对表四、表五计算数据分析看出，不同泵径、不同规格抽油杆所产生的变形量相差较大；对于泵挂,1000,2500m,，抽油杆与油管的变形量至少为,0.23,1.49m,，占,5,米冲程的,4.6%,29.8%,，相应的泵效损失是较大的。,建议措施：,a,、根据油井产量、工况，合理选择抽油泵泵径规格、匹配合理的抽油杆柱组合，以减少抽油杆变形；大港新世纪公司为了方便用户选择泵径，增加了,28,、,50.8,、,63.5,等规格的抽油泵。,b,、对于深井，应选择小泵径抽油泵，可弥补大泵径造成大的冲程损失、载荷增大等不利因素造成的影响。,c,、使用长冲程工作制度，如冲程损失为,1,米，在抽油机冲程为,3.6,米时，冲程损失造成的泵效损失为,28%,；如采用,7.2,米长冲程抽油机，冲程损失将降为,14%,，泵效将提高,14%,，油井产量将大大提高。同时采用长冲程可减少抽油泵摩擦损坏、减少抽油杆疲劳应力损坏、减少杆柱与油管摩擦损坏，提高采油系统的整体性能，保障油井的整体效益。,d,、采用油管锚定措施，减少油管变形造成抽油泵排量损失，根据油井实际情况，在泵挂大于,1500,米时，应考虑配置油管锚。,五、认识及建议,（一）、,油井产量通过抽油泵输出，抽油泵与排量关系密切，是影响系统效率的关键因素。,（二）、提高抽油泵系统效率要求根据油井工况合理匹配与其相关的参数柱塞直径（泵径）、抽油机工作制度（冲程、冲次）、有效扬程（泵挂深度）等，控制通过抽油泵的气量，提高井液流动性等措施，提高抽油泵泵腔液体的充满度。,（三）、通过对影响抽油泵排量因素分析，提出游动阀球开启产生的轴向压力与抽油杆柱相互作用造成抽油杆柱弯曲，由其造成的冲程损失大大影响了抽油泵的排量及泵的系统效率，是对泵系统效率影响的关键因素。应进行减少该因素不利影响的研究。,（,四）、,抽油泵产量或泵效是泵系统效率的关键因素，其影响大；在泵挂深度、油井工况、泵径规格一定的情况下，随泵效增加的抽油机井系统效率按比例增加。,（五）、已经形成了系列化的特种抽油泵产品，能够满足不同类型油井工况的需要，特种抽油泵在提高可靠性、提高泵效及油井系统效率、油井综合生产效益方面具有一定优势。建议根据井况进行抽油泵的选型。,（六）、在确定系统效率的条件下（油井工况、抽油机类型等已经定型），应优选适宜油井工况的抽油泵，将能够保障或提高抽油机井系统效率、开采效益。,参考资料：,GB/T18607,2001 ,抽油泵及其组件规范,大庆石油地质与开发,抽油机井泵系统效率与排量系数关系研究,石油工业出版社,有杆抽油系统,