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      抽油機合理沖程長度的確定方法研究

      2018-06-22 02:12:14江少波
      關(guān)鍵詞:抽油桿柱光桿

      江少波

      (中石化勝利油田分公司 臨盤采油廠,德州 251500)

      隨著我國油田開發(fā)的不斷深入,我國主力油田生產(chǎn)井的動液面不斷下降,含水率不斷升高。為了滿足產(chǎn)量要求,保障油田的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn),油田的下泵深度不斷增加,泵徑不斷加大,使得抽油機的懸點載荷不斷上升,對沖程的要求不斷加大[1]。這就導(dǎo)致油田所使用抽油機的型號、沖程不斷加大,研制長沖程、低沖次、大負荷的抽油機成為抽油機設(shè)計的發(fā)展趨勢[2]。雖然抽油機沖程的增加,可以滿足油田采油工藝對長沖程抽油機的需求,但也給配套設(shè)備的選擇、油田運輸、制造成本帶來巨大的壓力,因此,如何合理地選擇抽油機的沖程,使之既能滿足油田對抽油機沖程的需求,又不使制造成本增加過快、配套設(shè)備不能滿足要求等影響其推廣使用,成為人們關(guān)注和研究的重點[3-4]。本文試圖從采油工藝、泵的有效沖程、作業(yè)工藝等角度,分析抽油機沖程選擇的確定依據(jù),建立合理的抽油機沖程選擇方法,為新設(shè)計抽油機提供理論幫助。

      1 考慮中桿柱靜變形對泵有效沖程影響的沖程選擇

      由于抽油桿為細長的受拉桿柱,在抽吸作業(yè)時,受到拉伸載荷的作用,并且上沖程所承受的載荷大于下沖程的載荷,因此,桿柱上沖程的變形顯著大于下沖程。這樣一來,泵的有效沖程將顯著下降,將影響三抽系統(tǒng)的產(chǎn)液量,這就是所謂的沖程損失。為了保證泵的有效沖程長度,抽油機的沖程必須有足夠的長度,降低桿柱靜變形導(dǎo)致的沖程損失對三抽系統(tǒng)產(chǎn)液效果的影響。對于下泵深度較大、泵徑較大的抽油井,由于其懸點載荷較大,更應(yīng)該考慮沖程損失的影響,選擇較長沖程的抽油機,其泵的有效沖程才能較大,滿足提液效果的要求。

      例如,對于下泵深度為2500m,沉沒度為600m,泵徑為44mm的采油系統(tǒng),設(shè)井液比重為1.0,抽油桿柱的平均直徑為25mm,則其抽油桿的靜變形在0.8~1.0m,這時,抽油泵的損失沖程與抽油機沖程比(稱為泵有效沖程的損失率ζ)對比如圖1所示。從圖1可以看出,隨著抽油機沖程的增加,其有效沖程的增加應(yīng)相應(yīng)增加,在小沖程時,其增加顯著,當沖程大于沖程損失的5倍后,再增加抽油機的沖程,泵的有效沖程相對值的增加逐漸趨于平緩,其沖程損失率逐漸趨于10%左右。

      從提升排采系統(tǒng)效率的角度出發(fā),泵有效沖程越接近抽油機的沖程越好,如果給定其沖程損失率不大于ζmax,則所選則的抽油機的沖程應(yīng)滿足:

      圖1 泵的有效沖程損失率與抽油機沖程的關(guān)系

      式中,S為抽油機的沖程,m;δ_J為抽油桿柱的靜變形,m。

      如選擇三抽桿柱的預(yù)測靜變形為1.0m,取泵的有效沖程損失率不大于0.15,則選擇抽油機的設(shè)計沖程應(yīng)不小于6.6m。

      2 采油工藝對抽油機沖程的要求

      從開發(fā)工藝角度講,三抽系統(tǒng)選擇的根本目的是在規(guī)定的時間內(nèi),完成給定的產(chǎn)液量。由于抽油桿柱是在腐蝕環(huán)境下承受交變拉伸載荷作用的細長桿柱,因此,腐蝕疲勞是其主要的失效形式。系統(tǒng)的提液量可以通過式(2)進行計算,對于相同的提液量,采用長沖程抽油機,將減少沖次。這樣一來,首先,減少了往復(fù)抽吸走地層的擾動,可降低地層的出砂效應(yīng),改善地層的供液能力;其次,減少了抽油桿柱循環(huán)疲勞次數(shù),延長抽油桿的壽命;再者,減少抽油機的交變載荷次數(shù),也降低了抽油桿螺紋脫扣的概率,延長抽油桿柱的無故障運行時間。

      一般來說,抽油桿的疲勞循環(huán)次數(shù)按照國家標準在非腐蝕環(huán)境下應(yīng)該在4×107次以上,從抽油桿柱疲勞和聯(lián)結(jié)螺紋壽命的角度來看,選擇沖次為2~4次,抽油桿柱的壽命在10年以上,可以滿足油田要求。也就是說,對于質(zhì)量合格的抽油桿柱,抽油機的沖次高低應(yīng)該不是影響其壽命的主要因素。但是,對于腐蝕環(huán)境下的抽油桿柱,其疲勞壽命往往大幅度降低,降低桿柱的應(yīng)力循環(huán)次數(shù),將顯著延長桿柱的壽命[5-6]。另外,低沖次有利于抽油泵的充滿,這對于稠油和黏度較高的油藏開發(fā)是有利的。

      式中,Q為排量,m3/d;η為泵效,與抽吸井液的物形、沉沒度、是否含氣、泵的加工質(zhì)量等有關(guān),一般在75%~80%;n為抽油機的沖次,min-1;Sb為泵的有效沖程,m。

      圖2 抽油機沖程與桿柱應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

      從式(2)可以看出,對于給定排量的系統(tǒng),增加抽油機的沖程可以降低抽油機的沖次,這就是所謂的長沖程、低沖次抽吸工藝,可以降低抽油桿的疲勞次數(shù),增加泵的效率,延長抽油桿的壽命和抽油井的檢泵周期。因此,適當增加沖程,對于抽油系統(tǒng)是有利的。

      例如,采用75泵的排采系統(tǒng),設(shè)定排液量為每天50m3,如果抽油系統(tǒng)的靜變形為1.0m,設(shè)定泵效為0.8,則沖程與沖次的變化關(guān)系如圖2所示。從圖2可以看出,在3.5~6m區(qū)間,有一個沖程變化的相對平緩區(qū),這時,抽油機的沖次在2~4次變化,抽油桿的疲勞壽命可以滿足采油工況的要求。因此,從采油工藝角度來講,長沖程、低沖次對油田開發(fā)是有利的,但沖程大于5m以后,對于大多數(shù)油田,其影響將逐漸減弱,但增加沖程將顯著增加抽油機的制造成本??梢?,選擇多大沖程的抽油機更為合適,需要考慮油田的實際狀況而定。例如,對于桿柱的腐蝕疲勞為主要破壞形式的油田,建議優(yōu)選沖程大于6m的抽油機,盡量降低沖次,以延長桿柱的壽命。

      3 相鄰條件對抽油機沖程選擇的影響

      抽油機通過光桿驅(qū)動抽油桿、抽油泵組成三抽系統(tǒng),選擇不同沖程的抽油機將影響相鄰系統(tǒng)的選擇,如抽油泵、光桿的選擇等,這些設(shè)備的選擇受到制造、下井、運輸?shù)葪l件的限制。

      3.1 修井作業(yè)設(shè)備對抽油機沖程選擇的影響

      三抽系統(tǒng)的光桿、抽油泵等均需要用作業(yè)系統(tǒng)起升并下放到井下,目前,我國油田一般采用如圖3所示的小修作業(yè)機完成常規(guī)修井作業(yè)。從圖3可知,井架的基本高度為18m左右,即:井架天車的最大有效高度Lmax=18m,游動滑車系統(tǒng)的高度L1=2~3m,地面井口的高度為L2=1~1.5m,考慮安全距離為1~1.5m,則其最大起升有效高度為L=12~14m。換言之,使用現(xiàn)有的井下小修作業(yè)系統(tǒng),其最大起升高度一般不大于12m,即下入井下的抽油泵的泵筒最大長度在12m以內(nèi),按照現(xiàn)在泵的結(jié)構(gòu),其最大沖程應(yīng)該不大于10m,也就是說,按照目前小修作業(yè)系統(tǒng)的起升條件,使用現(xiàn)有的三抽排采工藝,其抽油機的最大沖程應(yīng)該不大于10m。設(shè)計的抽油機如果超過上述沖程時,其井下泵的起下就需要采用大修作業(yè)機或附屬起升系統(tǒng)才能完成,這將較大幅度地增加油田的作業(yè)和維護成本。

      圖3 小修作業(yè)示意圖

      3.2 制造能力對三抽系統(tǒng)沖程的限制

      目前,三抽系統(tǒng)使用的抽油泵一般為整筒泵,這樣可以增加泵的壽命,減少泵的磨損,提升泵效,按照現(xiàn)在整筒泵的加工和熱處理條件,泵筒越長,其加工成本、熱處理的難度越高,目前,熱處理(或鍍鉻)的有效長度一般為10m左右,也就是說,從整筒泵的制造能力來講,三抽系統(tǒng)的有效沖程一般不大于9m。

      當然,如果使用非整筒泵,目前可以用多節(jié)泵對接起來,其對于三抽系統(tǒng)的沖程長度則沒有限制。

      為了完成井口的密封,在進行三抽作業(yè)時,必須安裝光桿,目前,光桿的加工、熱處理能力限制了光桿的長度,一般光桿的長度不大于13m。從泵、光桿的制造能力看,目前抽油機的最大沖程一般不應(yīng)大于10m。

      3.3 運輸能力對三抽系統(tǒng)沖程的限制

      增加沖程后,光桿、抽油泵的長度均需要增加,人們需要利用車輛將這些設(shè)備運輸?shù)阶鳂I(yè)現(xiàn)場,目前油田廣泛使用的載重車輛的車槽長一般為8~10m,其有效運輸長度不大于12m,如果使用的泵和光桿的長度大于12m,將需要特殊運輸車輛才能完成,這將為油田的生產(chǎn)帶來不便。根據(jù)泵和光桿的運輸長度,考慮到批量生產(chǎn)對油田的影響,目前合適的抽油機最大沖程長度在8~10m。

      4 沖程長度與抽油機成本的關(guān)系

      對于游梁式抽油機,一般其主軸承中心(機架)的高度和整機長度可用式(3)計算,即增加沖程,其整機高度和長度線性增加。根據(jù)結(jié)構(gòu)件與尺寸的關(guān)系,在給定懸點負荷的條件下,其結(jié)構(gòu)件的重量將依體積增加,可以用式(4)進行初步估算。由此可見,增加沖程,將顯著增加抽油機的結(jié)構(gòu)尺寸和重量,增加抽油機的制造成本。

      式中,HV為主軸承(支架)的中心高,m;Lmax為抽油機的總長,m;Q為抽油機的重量,t。

      對于電機換向或鏈條換向的抽油機,一般增加沖程,只增加支架的高度,其長度和寬度增加不大,其重量增加也較小。所以,電機換向抽油機和鏈條式抽油機,具有長沖程抽油機的相關(guān)優(yōu)勢。

      5 結(jié)語

      按照采油工藝和減小靜變形引起的沖程損失的角度,抽油機的沖程應(yīng)該越大越好,選擇長沖程低沖次工藝,有利于提升采油系統(tǒng)的壽命。按照運輸、作業(yè)、制造等的約束限制,抽油機的沖程不能大于目前配套設(shè)備的能力。綜合上面因素,按照現(xiàn)有的設(shè)備條件,抽油機的最大沖程應(yīng)該在10m以下。

      如果考慮到抽油機的綜合制造成本、管理維護、采油工藝等綜合因素,對于稀油油田,選擇抽油機的主力沖程在3~6m,稠油油田,選擇在4~8m是可行的。當然,油田如何選擇抽油機的沖程,需要考慮采油工藝和綜合成本,這里主要從抽油機設(shè)計的角度分析將來主力抽油機沖程的合理區(qū)間。

      [1]張曉東,賈國超.關(guān)于我國抽油機發(fā)展的幾點思考[J].石油礦場機械,2008,37(1):24-27.

      [2]金鐘輝,彭勇,費凡,等.數(shù)字化抽油機技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].石油機械,2014,42(12):35-42.

      [3]張彬,綦耀光,丁峰.游梁式抽油機實現(xiàn)低沖次的方法比較[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2010,(4):42-46.

      [4]白曉剛.抽油機選型及節(jié)能優(yōu)化設(shè)計方法研究[D].大慶:大慶石油學(xué)院,2017:8.

      [5]何涌杰.高含水條件下高強度抽油桿的腐蝕特征研究[D].青島:中國石油大學(xué)(華東),2016:11.

      [6]綦耀光,石臨嵩,丁全祥,等.長沖程抽油機性能評價[J].中國石油大學(xué)學(xué)報,1996,20(1):114-119.

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