抽油泵模擬試驗裝置關(guān)鍵設(shè)計分析

摘 要：抽油泵作為重要的舉升工藝設(shè)備，應(yīng)用在90%以上的油井開采中。由于遼河油田地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和開采工藝的特殊性，遼河油田應(yīng)用于舉升工藝技術(shù)的抽油泵亦具有種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜精密的特點。隨著稠油開采工藝的不斷推廣和各項新技術(shù)的規(guī)模實施，亟需建立抽油泵舉升模擬試驗環(huán)境，對抽油泵舉升工藝技術(shù)進行研究。

關(guān)鍵詞：抽油泵；舉升工藝；模擬試驗系統(tǒng)

引言

稠油是21世紀(jì)重要的石油資源，占石油剩余可采儲量比例越來越高，目前全球稠油占比為53%，國內(nèi)為40%，中深層（600～1400m）稠油占稠油儲量的70%，因技術(shù)原因大多未能開發(fā)。遼河油田是我國最大的稠油生產(chǎn)基地，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，油品種類多，開采難度很大，對舉升工藝技術(shù)提出了更高的要求。

由于物理模擬試驗技術(shù)具有投資少，參數(shù)調(diào)整方便，無需求解具體模型的優(yōu)點，非常適合抽油泵舉升工藝研究。而抽油泵舉升物理模擬試驗系統(tǒng)研究是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，具體包括“三抽”設(shè)備、油品性質(zhì)、油井工作制度、油藏開發(fā)階段等需要研究的對象，而其中的每個環(huán)節(jié)都影響開發(fā)效果的好壞。建立抽油泵舉升物理模擬試驗系統(tǒng)可以化繁為簡，深入細致地研究泵效、適應(yīng)性等抽油泵工作指標(biāo)與抽油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)、使用環(huán)境因素等設(shè)計值之間的變化關(guān)系。建立全面模擬抽油泵復(fù)雜工況試驗參數(shù)的抽油泵舉升物理模擬試驗系統(tǒng)難度很大，國內(nèi)外尚無成熟的產(chǎn)品與現(xiàn)場實用的配套技術(shù)[1]。

1 總體設(shè)計思路

抽油泵舉升物理模擬試驗系統(tǒng)的核心是研制一套能夠模擬不同類型抽油機工作狀態(tài)，不同抽油泵工作環(huán)境，不同井斜的抽油泵舉升試驗裝置，試驗抽油泵的泵效和適應(yīng)性。

從抽油泵舉升模擬試驗裝置建設(shè)方面考慮，由于整個舉升系統(tǒng)是從地下到地上的有機整體，并且其組成部分聯(lián)系很緊密，所以對于模擬試驗裝置建設(shè)要全面考慮。地下部分要考慮地質(zhì)參數(shù)、油井參數(shù)、各種類型的抽油泵試驗要求。而地上部分主要考慮抽油機。對于試驗來講，要能模擬抽油機的功能，方便地調(diào)整沖程、沖次等參數(shù)，還要具有一定的精度來保證數(shù)據(jù)不失真。因此對于抽油泵舉升模擬試驗裝置，主要考慮以下幾個問題：一是為了在不同的油井工作環(huán)境下進行試驗，如何調(diào)整試驗參數(shù)；二是對于不同的井身結(jié)構(gòu)應(yīng)如何進行井斜模擬；三是不同懸點載荷抽油機的舉升功能模擬，使抽油泵動力驅(qū)動裝置能夠模擬抽油機的往復(fù)運動，并能夠應(yīng)用于各種角度，在沖程沖次上要求能夠連續(xù)調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同抽油泵試驗需求。

2 抽油泵舉升物理模擬試驗系統(tǒng)設(shè)計分析

2.1 井斜模擬設(shè)計

隨著油田開發(fā)深入，大斜度井、水平井越來越多，抽油泵下入角度也在不斷變化。對于普通抽油泵，從抽油泵自身結(jié)構(gòu)特點可以看出，游動閥球閥座、固定閥球閥座的密封直接關(guān)系到泵效的大小，由于抽油泵下入位置的井斜不同，當(dāng)井斜角較大時，可能導(dǎo)致閥球閥座不能及時關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán)，從而影響抽油泵泵效。因此，井斜模擬系統(tǒng)中應(yīng)包含抽油泵、驅(qū)動裝置的承載架、承載架調(diào)節(jié)裝置、承載架固定裝置，設(shè)計完成的井斜模擬裝置應(yīng)該能夠滿足以下要求。

2.1.1 井斜角的連續(xù)平穩(wěn)調(diào)節(jié)

實際工況中，抽油泵可能下在直井、斜井或水平井的任何位置，所以試驗過程中，抽油泵可能在井斜角0°～90°范圍內(nèi)的任意角度進行試驗。地面試驗是將抽油泵固定在承載架上，由驅(qū)動裝置帶動其運行。要想使承載架從豎直位置（模擬直井）到水平位置（模擬水平井）的任意位置平穩(wěn)調(diào)節(jié)，可以采用電動葫蘆配合安裝在承載架兩端的滑車進行。同時要考慮到在承載架接近水平位置時水平運動速度遠大于垂直運動速度的現(xiàn)象，要合理選配電動葫蘆的型號。

2.1.2 抽油泵固定與連接系統(tǒng)

試驗時抽油泵固定在承載架上，上下端要與油井工況模擬連接，泵體要進行固定，柱塞要通過光桿與抽油機模擬裝置相連接。設(shè)計抽油泵固定與連接系統(tǒng)時要考慮固定裝置對不同外徑抽油泵裝夾及試驗時的同心度要求；抽油泵光桿在下沖程受大噸位載荷壓力時，可能出現(xiàn)的彎折現(xiàn)象。

2.1.3 井斜模擬架的平穩(wěn)起放及固定

承載架從垂直狀態(tài)開始下放，沒有水平推力是無法完成的，可以采用齒輪齒條進行驅(qū)動，由于水平速度與垂直速度無法合理搭配，操作中出現(xiàn)承載架離開齒輪齒條后瞬間前進現(xiàn)象，帶來極大的安全隱患。通過試驗，應(yīng)用斜坡原理，合理設(shè)計斜坡角度及斜坡長度，可以達到平穩(wěn)起放承載架的目的。另外，在一定角度試驗時，為保證試驗安全，設(shè)計時需要考慮對承載架進行鎖定。

2.2 抽油機模擬設(shè)計

抽油機是油井上為抽油泵提供動力的設(shè)備，抽油機使用的是軟連接，通過弧形運動實現(xiàn)抽油桿的直線運動。在抽油泵地面試驗過程中，由于需要改變抽油泵傾斜角度、沖程、沖次實時調(diào)節(jié)，所以抽油機在試驗系統(tǒng)中應(yīng)用受到限制，需要考慮用其他方式代替抽油機，實現(xiàn)為抽油泵往復(fù)運動提供動力。

隨著液壓技術(shù)及電子技術(shù)的發(fā)展，把液壓技術(shù)應(yīng)用于油田，設(shè)計研究適合試驗時應(yīng)用的液壓往復(fù)式試驗裝置，帶動抽油泵運行，可以滿足抽油泵舉升試驗對傾角調(diào)節(jié)、沖程沖次實時調(diào)節(jié)的需求。在設(shè)計液壓驅(qū)動系統(tǒng)中，要重點考慮液壓缸的平衡驅(qū)動，保證上下沖程的平穩(wěn)運行；系統(tǒng)裝機功率配備，最大限度節(jié)省能源消耗，由于試驗過程對拉壓噸位需求變化很大，可以考慮應(yīng)用兩種以上動力系統(tǒng)，匹配不同噸位需求；沖程沖次連續(xù)調(diào)節(jié)及安全保護[2]。

2.3 油井工況模擬設(shè)計

由于油井條件復(fù)雜，不同區(qū)塊油井抽油泵工況不同，為實現(xiàn)不同油井對單相、兩相、三相流模擬及計量需求；不同沉沒度、舉升高度模擬需求[3]。

2.3.1 對于不同相流模擬

考慮到室內(nèi)試驗對環(huán)境和人員保護的要求，要盡量應(yīng)用易清潔、易分解、無毒無害的試驗介質(zhì)，對于單向流可以采用加入化學(xué)藥劑的清水，實現(xiàn)油品粘度的模擬；多相流要考慮介質(zhì)的加入方式及處理方法，尤其是對設(shè)備的要求，保證試驗過程的安全。同時，還要考慮計量問題，尤其是多相流計量方法的選擇。

2.3.2 沉沒度與舉升高度的模擬

沉沒度和舉升高度是抽油泵工作過程的兩個重要參數(shù)，在生產(chǎn)過程中，對于下入深度不同的抽油泵，其泵吸入口與排除口所承受的靜壓力不同，從而影響抽油泵的各項性能指標(biāo)。在室內(nèi)試驗系統(tǒng)設(shè)計時，可以同過建立抽油泵的入口及出口壓力來實現(xiàn)沉沒度與舉升高度的模擬。由于抽油泵工作時排出的液體是斷續(xù)流，非連續(xù)流，需要對斷續(xù)流進行處理，使其變?yōu)檫B續(xù)流，保證沉沒度和舉升高度模擬壓力的穩(wěn)定，可以采用蓄能器實現(xiàn)壓力穩(wěn)定，根據(jù)試驗需求，選擇蓄能器類型，合理設(shè)計蓄能器參數(shù)，達到預(yù)期的壓力穩(wěn)定波動要求。

3 結(jié)束語

文章根據(jù)抽油泵實際工況需求，對設(shè)計室內(nèi)模擬試驗系統(tǒng)的一些關(guān)鍵點進行闡述，包括油井井斜模擬、抽油機模擬方式、油井工況模擬中的介質(zhì)類型、沉沒度與舉升高度穩(wěn)定模擬等關(guān)鍵問題，為抽油泵舉升模擬試驗技術(shù)研究提供一些參考意見。

參考文獻

[1]萬仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊（第四分冊）[M].北京：石油工業(yè)出版社，1993.

[2]曲玉辰.試驗用多功能往復(fù)式液壓動力裝置[J].液壓與氣動，2012（8）：7-9.

[3]曲玉辰.氣囊式蓄能器在抽油泵模擬試驗系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].液壓與氣動，2012（3）：90-92.

作者簡介：曲玉辰（1977-），男，碩士，工程師，主要從事油田開采工藝技術(shù)試驗研究。