低漏失增效抽油泵研制及应用

张宏录

（中石化华东石油局工程院，南京210031） ①

低漏失增效抽油泵研制及应用

张宏录

（中石化华东石油局工程院，南京210031）①

针对低渗透油藏低产低效井因加深泵挂后造成的抽油泵间隙漏失量大的问题，研制了低漏失增效抽油泵。介绍了增效抽油泵的结构组成、工作原理、性能特点、关键结构的研究设计、弹性密封体材料的耐磨试验及现场应用情况。2008—2011年在河南油田现场应用16口井，工艺成功率100%，平均单井泵效提高5.68%，累计增产原油474t。

低漏失；增效抽油泵；泵效；工作原理；现场应用

普通抽油泵的泵筒和柱塞均为钢性材料，二者之间存在间隙，无法实现零间隙密封状态，因此，普通抽油泵的漏失问题一直存在，而且随着油井生产时间的延长，泵筒和柱塞之间的间隙逐渐增大，漏失越来越严重，导致泵效较低、寿命较短。现有的带传压孔式软密封柱塞在结构上无密封体肩部保护设计，密封材料成分单一，因此耐磨性受到影响，检泵周期短。对于低渗透油藏低产低效井，泵深＞1 850m，随着泵深的加大，上冲程时柱塞上部的压力增加，液体漏失更加严重。

1 结构组成及工作原理［2］

低漏失抽油泵主要由泵筒、柱塞总成、固定阀总成3部分组成，其中柱塞总成由上防砂槽机构、弹性体机构、下防砂槽机构组成，如图1。上冲程时，柱塞压力升高，液体经柱塞中心孔使弹性体扩张，使柱塞与泵筒间隙减小；下冲程时，柱塞内外压力平衡，弹性体收缩，柱塞与泵筒间隙变大。

图1 低漏失增效抽油泵结构

2 性能特点［3］

1） 泵效高且零间隙弹性密封 常规抽油泵由于是金属之间的密封配合，柱塞与泵筒之间有间隙，在压差作用下，不可避免地存在液体的流失，而且随着磨损，间隙会越来越大，泵效会逐渐降低。长柱塞弹性密封抽油泵是金属柱塞与弹性泵筒之间的零间隙密封配合。在抽汲过程中，弹性密封环受管柱压力作用，实现液力自紧密封及磨损量自动补偿，使其与柱塞始终为零间隙密封。在出厂试压压力20 MPa下，稳压10min无渗漏。

2） 防砂性强 弹性柱塞加金属柱塞结构，保证弹性密封段与柱塞始终处于密封状态，且弹性密封环与柱塞之间是紧密封，无间隙，极大减小了砂粒进入密封间隙的机会，避免砂卡、砂磨。在弹性泵筒的钢性密封套内加工有刮砂槽，少量进入密封间隙的砂粒可在此沉积，避免划伤配合密封面。弹性密封环可对进入密封间隙的少量砂粒有包容作用，从而形成良性摩擦机理，提高其耐磨性。

3） 节能 由于柱塞与弹性泵筒始终处于零间隙密封状态，漏失液少，抽同样体积的液体，冲次可减少1～2次，减轻振动，提高抽油机工作的稳定性。试验证明可节电10%。

4） 适用于深抽 因各弹性密封环受管柱压力作用，在深抽生产压差大的情况下，弹性密封环的伸缩补偿量也会相应增大，始终保持良好的密封性能，稳定产液量。∅38型泵可下到2 600m，∅44型泵可下到2 200m以上。

5） 寿命长 常规抽油泵的寿命主要取决于柱塞和泵筒之间的磨损程度，由于该泵主要是金属柱塞与弹性泵筒之间的摩擦，其磨损量较常规抽油泵小，且弹性密封环具有自动补偿的特点，因此与常规泵相比，使用寿命长。

3 关键结构设计

3.1 防砂槽

防砂槽为环形槽结构，如图2。在柱塞上加工了若干环型槽，图中b为槽宽；d为槽深；a为槽间距；D0－Di为柱塞与泵筒间隙。其作用一是防砂，防止对金属柱塞及弹性体的磨损；二是当弹性体磨损达到一定程度时，减少液体的漏失。

防砂槽的每一个环型槽中实际的速度场在x、y、z3个方向都有分量，即

v＝［vx，vy，vz］

因此，张量在x、y、z3个方向也都有分量，使得在沿泵筒方向的分量比常规泵要小。3个分量的大小与环形槽深c和槽间距a有关，求得速度分布在沿泵筒方向比常规泵小，即一部分流体还没有流过泵筒时，柱塞就换向了。这样就达到了低摩阻、低漏失量、提高泵效的目的。

图2 防砂槽结构

3.2 弹性密封体

3.2.1 设计依据

对弹性密封体长度、端面倾斜角和厚度进行了优化设计，其优化条件是泵径∅38mm，泵深1 800 m，冲程4.8m，冲次4min－1。

当弹性密封体长度、端面倾斜角、弹性密封体厚度的任意1个参数发生变化时，接触力发生变化，依据接触力的变化，计算出摩擦力的变化量，从而绘制摩擦力的变化曲线。依据摩擦力的变化区间，确定弹性密封体长度、端面倾斜角、弹性密封体厚度参数。

3.2.2 长度

最大摩擦力与长度的关系如图3，可以看出：当弹性体长度为70～86mm时，最大摩擦力为上升趋势；当弹性体长度为86～90mm时，最大摩擦力趋于平稳；当弹性体长度为95～120mm时，大摩擦力趋于上升。因此确定最佳弹性体长度为90mm时，最大摩擦力为最小值199N。

图3 最大摩擦力与长度关系曲线

3.2.3 端面倾斜角

最大摩擦力与端面角的关系如图4，可以看出：当端面角为10～30°时，曲线趋于平缓，其数值为165N；当端面角为30～47°时，曲线处于上升趋势，其数值为165.0～197.5N；当端面角为47～60°时，曲线处于下降趋势，其数值为167.5～197.5N。因此最佳单面角为15°。

图4 最大摩擦力与端面角关系曲线

3.2.4 优化结果

弹性密封体参数优化结果为：长度95mm，端面倾斜角15°，厚度4mm。

4 弹性体材料耐磨试验

4.1 材料优选

根据密封体材料的性能进行初步优选，优选出6种弹性密封体复合材料，其中橡胶占总材料的80%，高强度纤维占总材料的20%，如表1。

表1 6种胶筒橡胶材料组分

4.2 试验装置及原理

试验装置如图5。用平面磨床作为柱塞耐磨试验装置的动力，将柱塞连接杆与磨床的滑块连接在一起，当滑块以6mm／s的速度、0.6m行程在滑轨上作往复运动时，滑块带动柱塞以相同的速度和相同的行程在泵筒内作直线往复运动。当弹性密封体磨损间隙＞0.1mm时，通过调节螺帽调节柱塞与泵筒之间的间隙，使柱塞在泵筒内做下1个周期的往复运动。

图5 柱塞耐磨试验装置

4.3 试验结果

2009－02－02—03－19，对6组不同材料的胶筒进行了对比试验，每次试验时间为16h，试验数据如表2。

表2 弹性密封体耐磨试验结果mm

由表2可以看出：在相同试验条件下，丁腈橡胶的磨损量最小，仅为0.083mm；氟橡胶次之，磨损量为0.093mm；其余的磨损量＞0.2mm。说明丁腈橡胶的耐磨性能较好，其次是氟橡胶、三元乙丙橡胶等。

5 现场应用及效果分析

5.1 现场应用情况

截至2011－06，该技术在采油一厂共应用16口井，工艺成功率100%，有效率92.3%，平均单井泵效提高5.68%，累计增产原油474t。

5.2 典型井例

双H12－178井于2009－04－03下入低漏失泵进行试验，生产管柱如图6。分别于2009－08－14和2009－09－05下调冲次进行对比，对比情况如表3。

图6 双H12－178井生产管柱

表3 双H12－178井措施前后对比

可以看出，低漏失泵在调整冲次情况下，产液量没有下降。该井采用常规泵生产时每天耗电为314 kW·h，目前采用低漏失泵每天耗电219kW·h，每天节电95kW·h，节电30%。截至2009－12，该井共节电24 795kW·h。

6 结论

1） 低漏失增效抽油泵的柱塞密封配合由软硬结合的弹性密封柱塞与金属泵筒构成，在抽汲过程中，弹性柱塞与金属泵筒之间为“零间隙”配合。该泵具有泵效高、检泵周期长、防砂、节能、适深抽等优点。

2） 低漏失增效抽油泵提高了低产低效井的泵效，延长了低产低效井的检泵周期，对提高此类井开发有着重要的意义。

［1］ 黎 勇，高 敏.延长出砂井抽油泵寿命的综合方法［J］.内蒙古石油化工，2006（12）：182－183.

［2］ 于新哉，王志明，王泽香，等.特种杆式抽油泵结构优化设计［J］.石油矿场机械，2008，37（12）：71－74.

［3］ 黄辉才，孙宝全，陈剑波，等.YLFK型长柱塞抽稠泵研制与应用［J］.石油矿场机械，2009，38（10）：81－82.

Development and Applications of Synergistic Oil－well Pump of Low Leakage

ZHANG Hong－lu
（Engineering Research Institute，Huadong Petroleum Bureau of SINOPEC，Nanjing210031，China）

For low permeability reservoirs ineffective due to deepen pump Wells low hanging after resulting from the pump clearance outside the large quantity of problems developed low loss synergistic pump.The pump efficiency structure and work principle，characteristics，key structure design，elastic sealing body materials wear－resisting test and field application were introduced.2008－2009in Henan oilfield field application 16Wells，craft success rate 100%，the single well pump efficiency improving 5.68%，the cumulative yield 474tons of crude oil.

low leakage；synergistic oil－well pump；pump efficiency；working principle；field application

1001－3482（2012）01－0079－04

TE933.3

A

2011－07－27

中石化河南油田分公司“低漏失增效抽油泵的研制”科研项目（2008科通字第23号）

专利项目：一种弹性密封柱塞及低漏失抽油泵（ZL 2009 2 0309187.8）

张宏录（1966－），男，河南光山人，高级工程师，1989年毕业于江汉石油学院采油工程专业，主要从事机械采油工艺技术研究及推广工作，E－mail：zhl5456＠sina.com。