液压自封不漏失抽油泵的研制与应用.pdf

2 0 1 0年 8月 第 2 9卷第 4期 大庆石油地质与开发 Pe t r o l e u m Ge o l o g y a n d Oi l fie l d De v e l o p me nt i n Da qi n g Au g ．，2 01 0 Vo L 2 9 NO ． 4 DoI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I S S N． 1 0 0 0 3 7 5 4 ． 2 01 0 ． 0 4 ． 0 2 6 液压 自封不漏失抽油泵 的研制 与应用 李俊亮 韩修廷 王岩楼 孙先杰 宋胜刚 李晓东 1 ．中国石油大学石油工程学院 ，山东 东营2 5 7 0 6 1 ；2 ．大庆油 田有限责任公司第九采油厂 ，黑龙江 大庆1 6 3 8 5 3 摘要针对常规柱塞泵采油过程中存在易磨损 、漏失大 、卡泵等问题，研发并推广应用了液压 自封不漏失抽油 泵 ，从结构原理 、室 内试验 和现场实施 效果 等方 面总结 了该 泵 的特点 。该 技术 利用 液压 自封原 理 的设计思 路 ， 采用新 的复合密封 和多级 扶正的方式 ，解决了胶套 溶胀 导致卡泵 的 问题 ，实现 了深井 有杆柱 塞泵不 漏失 、摩 阻 低 。室 内试验不漏失 ，泵效 高达 9 6 ％ ；现场 应用效 果显著 ，可延长 检泵周期 2 6 0 d ，提 高泵效 2 0 ％ 。解 决 了含 聚、出砂 、稠油 、低产等 复杂 条件 采油工艺技术难题 。 关键词液压 自封 ；抽油泵；高效 ；室内试验；现场应用 中图分类号T E 3 5 5 ． 5 文献标识码A 文章编号 1 0 0 0 3 7 5 4 2 0 1 0 0 4 - I l l 5 - 0 4 S TUDY oN HYDRAULI C PRESS URE S ELF． S EALI NG NoN． LEAKAGE PUM P AND I TS APPLI CATI oN L I J u n ． 1 i a n g ，H A N X i u t i n g ，WA N G Y a n ． 1 o u ，S U N X i a n - j i e ，S O N G S h e n g g a n g ，L I X i a o d o n g 1 ． S c h o o l o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g， C h i n a U n i v e r s i t y of P e t r o l e u m， D o n g y i n g 2 5 7 0 6 1 ，C h i n a ； 2 ． N o ． 9 O i l P r o d u c t i o n C o m p a n y of D a q i n g O i lfi e l d C o m p a n y L t d ． ，D a q i n g 1 6 3 8 5 3 ， C h i n a Abs t r a c t On a c c o u n t o f e x i s t i n g p r o b l e ms o f e a s y we a r i n g，h e a v y l e a k a g e a n d s t u c k p u mp d u r i ng t h e p r o d u c t i o n p r o c e s s o f t h e c o n v e n t i o na l p l u n g e r p ump s，a n e w h y d r a u l i c p r e s s ur e s e l f - s e a l i n g n o n - l e a k a g e p u mp i s d e v e l o p e d a n d a pp l i e d， a n d t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f s u c h p ump a r e s u mma r i z e d i n t h i s pa pe r f r o m s t r u c t ur a l p r i nc i p l e s ，l a b o r a t o r y t e s t i n g a n d fie l d t e s t e f f e c t ．Th e s t u c k p u mp r e s u l t e d f r o m fl e x i b l e t u b e s we l l i ng i s r e s o l v e d，mo r e o v e r ，t h e g o a l o f n o n l e a k a g e a n d l o w f r i c t i o n o f s u c k e r p l un g e r p u mps i n t h e de e p we l l a r e a c h i e v e d，b a s e d o n ma ki n g us e o f t h e d e s i g n p hi l o s o p h y o f s e l f - s e a l i n g h y d r a u l i c pr e s s ur e p r i n c i p l e a nd a d o p t i n g t h e n e w c o mp o u n d s e a l a n d mu l t i s t a g e r i g h t i n g ．Th e p u mp d o e s n’ t l e a k i n t h e l a b o r a t o ry t e s t ，a n d p ump e ffi c i e nc y a c h i e v e s 9 6％ ．Th e fie l d t e s t i n g e f f e c t o f t h e p u mp i s o b v i o us ，wh i c h e x t e nd s 26 0 d pu mp i ns p e c t i o n c y c l e a n d e n h a n c e s 2 0％p u mp e ffic i e n c y ． S o me t e c h ni c a l p r o b l e ms o f p e t r o l e u m e n g i n e e r i n g i n t h e c o mp l e x c o n d i t i o n s a r e r e s o l v e d，s u c h a s po l y me r ，s a n d flo w， he a v y c r ud e o i l ，l o w y i e l d a n d S O o n． Ke y wo r d s s e l f - s e a l i n g h y d r a u l i c p r e s s u r e； o i l p u mp； h i g h e ffic i e n c y； l a b o r a t o r y t e s t ；fie l d a p p l i c a t i o n 油 田进入高含水期开采阶段 ，常规柱塞泵采油 过程中存在易磨损 、漏失大等问题 ，导致检泵周期 缩短 ，举 升能力下 降 ，致使 油井生产成本 居高不 下 ，严重干扰正常生产。以大庆油 田为例 ，主要表 收稿 日期 2 0 1 0 - 0 4 - 0 8 作者简 介 李俊亮 ，男 ，1 9 8 2年生 ，在读博士 ，从事油 田开发研究 T作。 E ma i l b ul l s l i a n g1 98 2 y a h o o ． c o i n． c n 1 1 6 大庆石油地质与开发 2 0 1 0芷 现在 1 低产井漏失严重 ，泵效低 ，平均泵 效为 1 5 ％ ～ 2 0 ％。 2 聚合物驱采油年产油超千 万吨，由于注聚合物黏弹性流体，抽油机井 出现杆 管严重偏磨现象。统计防偏磨措施前聚驱油井见聚 后 ，几乎 1 0 0 ％的井 出现偏磨现象 ，水驱井近 1 ／ 4 的井磨坏抽油杆管，年损失 5亿元 以上。 3 然 而随着开采程度的加大 ，出砂油井不断增加 ，在出 砂井数量和出砂程度两个方面均呈逐年加速上升趋 势 ，偏磨严重影响泵的使用寿命。为了满足生产需 求 ，研发了液压 白封不漏失抽油泵。在设计上主要 从 3个方面考虑 采用新的复合密封方式 ，具有不 漏失 、泵效高的特点；防砂能力强，以避免或减小 砂卡泵的可能性 ；采用多级扶正 ，减小偏磨。 液压 自封不漏失抽油泵采用新 的设计思路 ，解 决了常规柱 塞泵偏磨、漏失 的问题 ，对 因严重 出 砂、稠油、频繁检泵无法正常生产的油井，可明显 延长检泵周期 ，应用效果显著。 1结构原理 1 ． 1结构特点 液压 自封不漏失抽油泵 主要 由泵筒 、扶正 器 、柱塞芯、密封环等构成 图 1 。 1 泵简 ；2 一 接头 ；3 扶正器 ；4 一 柱塞芯 ；5 一 弹性 胶套 ； 6 一 密封环 ；7 ～ 初始密封圈 ；8 一 游动凡尔 图l液压自封不漏失抽油泵的结构简图 Fi g．1 S t ruc t u ral di ag ra m o f no n le a k age pu m p wi t h s e lf s e ali n g h yd r aul i C p res s ur e 该泵采用复合 密封 ，以液压 弹性 密封为 主， 刚性密封为辅，充分减小漏失量，提高泵效 。 其主体密封段 由弹性伸缩套和密封环构成 ，密 封单元结构短 ，短柱塞本身具有不易砂卡的特点 ， 采用液压弹性密封 ，将普通泵柱塞与泵筒之间的硬 性间隙变为弹性间隙，当砂粒进入柱塞与泵筒之间 并形成卡泵趋势时，弹性胶套和密封环可以产生一 定的弹性变形 ，避免卡泵 ，并可以避免砂粒对泵筒 及密封环外表面的损伤 ，延长检泵周期 。 液压 自封不漏失抽油泵两端加有扶正器 ，解决 了由于受力不均引起的密封环单侧磨损 ，柱塞与泵 筒之间的偏磨 ，泵易漏失 ，泵使用寿命减少等 问 题。扶正器同时具有刚性辅助密封的作用。 在柱塞芯与胶套间留有 一定 间隙 其 间隙值 已通过大量试验确定 ，有效解决 了胶套高温下在 油中溶胀推动密封环紧压泵筒而导致载荷增大 ，甚 至卡泵的问题。 在密封环两端的引导环上设有初始密封圈，其 目的是解决液压 自封柱塞泵初封问题 ，即使液压 自 封不漏失抽油泵在没有液压的作用下 ，也可正常抽 汲工作 ，同时初始密封圈还可以起到防砂、排除杂 质等作用 ，尽量减少砂粒进入柱塞与泵简之间的密 封 间 隙。 1 ． 2工作 原理 柱塞泵的工作原理如图 2所示 ，当柱塞上行程 时，柱塞上 的游 动阀关 闭，泵筒下端的 固定 阀开 启 ，此时柱塞腔 内呈高压 ，柱塞下泵筒腔 内呈低 压 ，柱塞外端与泵筒腔内相连，由于柱塞内外存在 压差 ，使弹性胶套发生弹性形变 ，向外膨胀 ，推动 密封环压在泵筒 内壁上 ，形成 良好的密封。 E 冲程 下 冲程 注APl泵入口压力，A p 2 一 泵出口压力 图2液压 自封柱塞泵工作原理图 Fi g． 2 T he wor ki n g di ag r am o f pl u ng e r pu mp wi t h s e l fs e al i ng h yd r aul i c p re ss u re 当柱塞下行程时 ，柱塞上的游动 阀开启 ，泵 筒下端的固定阀关闭，柱塞内外压力趋于相等，弹 性胶套逐渐恢 复原状 ，使 柱塞和泵筒之间产生 间 隙，下行阻力趋于零 ，同时又保证摩擦副间获得液 体润滑 ，延长泵 的寿命 。 由于传压和磨损材料分开 ，允许选用非常耐磨 的材料作密封环，由此可实现柱塞摩擦副耐磨 ，延 长泵工作寿命。 I ． 3技术特点 1 漏失小 ，泵效高。 该泵采用复合密封和多级扶正 ，柱塞整体在轴 第 2 9卷第4期 李俊亮等 液压 自封不漏失抽油泵的研制与应用 l l 7 向和径 向均具有柔性 ，柱塞与泵筒之间的密封间隙 为弹性间隙，在液柱压力作用下 ，间隙值可 自动补 偿 ，液柱压力升高则密封间隙缩小 ，可以降低整泵 的漏失量 ，提高泵效。 2 防砂能力强。 密封单元采用液压弹性间隙密封 ，将柱塞与泵 筒之间的问隙变为弹性 间隙，当砂粒进入柱塞与泵 筒之间并形成卡泵趋势时 ，弹性胶套和密封环可以 产生一定 的弹性变形 ，避免卡泵 ，并可以避免砂粒 对泵筒及柱塞外表面的损伤，延长检泵周期。同时 初始密封圈还可以起 到防砂 、排除杂质等作用 ，尽 量减少砂粒进入柱塞与泵简之问的密封间隙。 3 多支撑扶正 ，减小偏磨。 4 适 应 性强 。 该泵适应井底温度 2 0 0 o C，可耐油井产出液的 腐蚀；适用于深井 、出砂深井 ，并 可保持高泵效 ， 适用泵挂 2 0 0 0 F l l 以上 ；多扶正使该泵适用于大斜 度井及水平井生产。 2室 内试验 在将泵用于实际生产之前 ，先后进行 了泵的静 态打压和运行工况的室内试验 ，取得了良好试验结 果 。 1 静态打压试验。 采用 打 压 泵从 液 压 自封 泵 一 端 打 压 ，承 压 1 0 M P a 、 1 5 M P a 、2 0 MP a各 1 0 rai n ，泵漏 失 量为 零 ，效果 良好。 2 运行_丁况试验。 模拟现场试验井 ，在室内钻取深 3 0 m 的试验 井，安装机井系统 ，测试液压 自封不漏失抽油泵 的 泵效和在一段时间内的运行工况。试验装置如 图 3 所示 ，电动机和减速机带动曲柄作 圆周运动，通过 钢丝绳和滑轮将 圆周运动转化 为抽油杆 的往 复运 动，进行抽油。 油通道 为油箱一进油 阀一套管一锁紧支撑一 柱塞一泵筒一油管一进油阀一油箱。 通过多组试 验得 出 ，冲程为 1 m，实际排 量 0 ． 0 4 4 2 8 m ／ h ，理 论 排 量 0 ． 0 4 5 8 m ／ h ，冲 次 3 m i n ～， 泵效 9 6 ． 6 8 ％ ，泵运行正常 。 3现 场 应 用 新型液压 自封不漏失抽油泵已试验近 4 0井次 ， 取得了很好 的效果 ，平均泵效 提高 2 0 ％左右 ，平 图3液压自封不漏失抽油泵运行工况图 Fi g ．3 0 pe ra ti ng di a g ra m of n on l ea ka ge pu mp wi t h s el f se al i ng h yd ra ul i c p res s ur e 均检泵周期 5 7 1 d ，较试验前平均延长 了2 6 3 d 。 4 - 0 7 7井 采 用 常 规 泵 抽 油 时 ，上 负 载 荷 5 3 ． 0 5 4 k N，下负 载荷 3 2 ． 4 0 3 k N， 日产液 1 6 2 t 。 液压 自封柱塞泵下井前后的示功 图如图 4、图 5所 示 ，上负 载荷 5 0 ． 0 9 7 k N，下负 载荷 3 0 ． 8 8 8 k N， 日产液 2 0 1 t ，流压 由 8 ． 0 3 MP a降至 7 ． 5 MP a ，泵 效 由 6 2 ％增至 7 7 ％ ，功图面积增加 了4 2 ． 5 ％。 冲 程 ／m 图4油井下常规泵示功图 Fi g． 4 T he i ndi c at or di a gr a m o f co nv en ti o na] pu mp u nd er t he oi 1 we11 S 7 - 5 2 8稠油井试验期 间抽油机井泵效一直保持 在 6 0 ％以上 ，系统效率保持在 3 0 ％以上，试验前 平均最大载荷 7 4 ． 2 k N，最小载荷 1 8 ． 1 k N；试验 后在产 液 量 基本 不 变 的情 况 下 ，最 大 载荷 减小 1 1 ． 7 k N，最小 载荷增加 3 ． 5 k N。4 1 2 8井 ，含 聚 浓度在 4 0 0 m L以上 ，由于受含 聚胶结物影响该 1 l 8 大庆石油地质与开发 2 0 1 0芷 蚤 ＼ 惶 冲程／ m 图5油井下液压自封泵后示功图 Fi g． 5 T he i n di ca t or di a g ra m of s el f s e ali n g h yd ra uli c pr ess u r e pu m p und e r t he oi l wel ls 井试验前检泵周期仅 1 8 7 d ，应用液压 自封不漏失 抽油 泵 后 检 泵周 期 达 到 5 3 2 d ，检 泵 周 期 延 长 3 4 5 d ， 且扶正器磨损程度较轻。 低产井 以 1 9 2 2井和 3 5 1 6 1井为例。液压 自封 不漏失抽油泵试验数据与常规柱塞泵下泵前后泵效 对比曲线如图 6 、图7所示 ，泵效 比以往平均提高 2 O ％ ～ 3 0 ％ ，效果显著。 3 O 9 0 1 5 O 2 1 0 时间／ d 图6 1 9 2 2 井下泵前后泵效对 比曲线 Fi g ． 6 T he c or re l ati o n cu r ves o f pu mp e f fi ci en c y be f or e a nd a ft er i m ple m en ti n g p um p on wel1 1 92 2 4结 论 综上所述 ，液压 自封不漏失抽油泵采用液压 自 封原理 的设计思路进行研制开发 ，推广应用效果显 著。 I 液压 自封不漏失抽油泵采用复合密封 和 多级扶正 ，柱塞整体在轴 向和径 向均具有柔性 ，可 以最大限度地降低整泵的漏失量 ，泵原理可行，现 6 0 O 、、、 ／一一 一 常规 泵 3 O 9 0 1 5 0 时间／ d 图7 3 5 1 6 1 井下泵前后泵效对比曲线 Fi g． 7 T he co rr el at i on c ur v es o f p u mp e ffi ci e nc y be fo re an d af te r i mpl e me n ti ng pu m p o n w el l 3 51 61 场应用效果 良好 ，平均提高泵效 2 0 ％。 2 室内试验检测表 明静态打压试验不漏 ， 室内运行工况良好 ，泵效高达 9 6 ． 6 8 ％。 3 适用范 围广。这种抽油泵具有 强制携砂 能力 ，适应油井含砂粒径及含砂量范围广 ，只要不 砂埋 ，油井可正常生产 ；同时也可使用于斜井 、含 聚 、稠油 、低产井的生产。 参考文献 [ 1 ]韩修廷 ．有 杆泵 采 油原理 及应 用 [ M]．石油 工业 出版社 ， 2 0 0 74 1 0 ． [ 2 ]沈 迪 成 ．抽 油 泵[ M] ．北 京 石 油 工业 出版 社 ，1 9 9 4 6 0． 8 O ． [ 3 ]冯国强，隋义勇 ，冯国勇 ．柱塞举 升动态模型研 究 [ J ]．大 庆石油地质与开发 ，2 0 0 8 ，2 7 2 1 0 1 1 0 5 ． [ 4 ]师国臣，张佳 民，魏纪德 ．大庆 油田高效举 升与节能技 术的 新发 展[ J ] ． 大 庆 石 油 地 质 与 开 发 ，2 0 0 9 ，2 8 5 2 4 6-2 5 2 ． [ 5 ]韩修廷 ，王德喜 ，王研 ，等 ．利用低 摩阻柱 塞泵提高泵 效及 防偏磨技术应用 [ J ]．石油学报 ，2 0 0 7，2 8 4 1 3 8 - 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