空心抽油杆液力反馈泵应用及试验研究

黄 华，王卫刚，姚 军，刘 通，高庆华

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，西安710075）①

空心抽油杆液力反馈泵应用及试验研究

黄 华，王卫刚，姚 军，刘 通，高庆华

（陕西延长石油（集团）有限责任公司研究院，西安710075）①

在分析上大下小型、上小下大型、上下等径型液力反馈泵工作原理基础上，计算了3种液力反馈泵使用时提供液力反馈力的能力，选择设计了上下等径型液力反馈泵，并在2口井上试验了空心抽油杆液力反馈泵采油工艺。结果表明：该工艺在提高系统效率、延长免修期、降低成本方面具有显著优势，是低渗透及特低渗透油藏开采时较理想的举升工艺。

空心抽油杆；液力反馈泵；采油工艺

延长油田属于低渗透、特低渗透油田，已经进入二次采油和三次采油阶段，采用抽油机＋抽油杆＋普通管式泵采油方式进行原油举升，暴露了很多难以解决的问题（例如：系统效率低、耗能高、免修期短、成本高等）。为了油田可持续发展，提高油田综合采收率和实现高效节能产业目标，研究开发新的适合延长油田的原油举升工艺、引进推广国际先进举升技术成为重点。无油管空心抽油杆采油工艺是利用空心抽油杆代替普通抽油杆和油管［1-2］，既作为动力传递工具又作为液体流通的通道。与普通“三抽”工艺相比，在节约油管材料、减少作业费用、降低成本等方面具有明显优势，在国内油田得到研究与应用［3-4］。本文针对延长油田具体情况就该采油工艺进行分析，并进行了现场试验。

1 空心抽油杆采油系统

空心抽油杆采油系统主要由抽油机、空心光杆、井口、空心抽油杆、抽油泵等组成，从上到下为实心杆短节、软管悬接头、空心光杆、空心抽油杆、抽油杆扶正器、油管扶正器、抽油泵、筛管、尾管，其管柱组合如图1所示。举升原理为：抽油机通过悬绳器带动实心杆短节，实心杆短节带动空心光杆，空心光杆带动空心抽油杆，空心抽油杆带动泵柱塞，使泵柱塞在泵筒中上下往复运动，实现吸液和排液，排出的液体顺着空心抽油杆内腔上升，经过空心光杆和软管悬接头从软管流进地面集油装置，完成原油举升。

图1 空心抽油杆采油系统

2 液力反馈泵的设计

从其他油田使用无油管空心抽油杆采油工艺的情况看，如果系统使用常规工作原理的抽油泵，下行程排液，受到空心抽油杆流通面积的影响，通常存在下行阻力大、下行困难的问题，对泵效及空心抽油杆使用寿命产生不良影响［1-4］。延长油田进入高含水期，大部分油井含水在80%以上，将增大下行阻力，使下行更加困难，是无油管空心抽油杆采油工艺使用时必须解决的问题。液力反馈泵因自身特殊结构具有液力反馈功能，能增加抽油杆柱下行动力，解决使用常规泵时杆柱下行困难的问题，故选用。

2.1 液力反馈泵的类型

液力反馈泵根据柱塞结构特点可分为上大下小型液力反馈泵、上小下大型液力反馈泵、上下等径液力反馈泵3种类型［5］，其结构原理如图2所示。可见：上大下小型液力反馈泵原理是上行程吸液，下行程排液；上小下大型液力反馈泵原理是上行程排液，下行程吸液；上下等径液力反馈泵原理是上行程排液，下行程吸液。

图2 液力反馈泵原理

2.2 液力反馈泵的选型

使用液力反馈泵的目的是解决空心抽油杆柱下行困难的问题，那么选型的关键是看哪种泵提供的液力反馈能力大，致使杆柱下行动力大，能解决杆柱下行困难的问题。从抽油杆柱受力分析看，下行程时杆柱下行力就是抽油机的悬点载荷［6-7］。本文在相同使用条件下，分别计算使用常规泵及液力反馈泵时杆柱的下行动力。

常规原理管式泵在下行程时固定阀关闭，游动阀打开，泵筒中的液体进入空心抽油杆，抽油机悬点受到杆柱重力、惯性力、柱塞下行与泵筒间摩擦力、液体流过游动阀产生的阻力、杆柱和柱塞受到的浮力，那么杆柱下行动力为

式中：Pr为杆柱重力；Pg为惯性力；Pfd为柱塞下行与泵筒间摩擦力；PV为液体流过游动阀产生的阻力；Pf为杆柱和柱塞受到的浮力。

由于柱塞特殊结构，液力反馈泵下行时，管柱内液体跟着下行，所以抽油机悬点不仅受到杆柱重力、惯性力、柱塞下行与泵筒间摩擦力、液体流过游动阀产生的阻力、杆柱和柱塞受到的浮力，还受到管柱内液体重力。上大下小型液力反馈泵下行时排液，大柱塞游动阀打开，小柱塞游动阀关闭，杆柱内液体重力作用在小柱塞上（为ρg LSx），那么管柱下行动力为

式中：ρ为井液密度；L为泵挂深度；H为沉没度；g为重力加速度；Sx为柱塞小端面积。

上小下大型液力反馈泵下行时吸液，大柱塞游动阀打开，小柱塞游动阀关闭，杆柱内液体重力作用在小柱塞上（为ρg LSx），那么管柱下行动力为

上下等径液力反馈泵下行时吸液，下游动阀打开，上游动阀关闭，杆柱内液体重作用在上柱塞上（为ρg LSd），那么管柱下行动力为

式中：Sd为柱塞大端面积。

比较液力反馈泵和常规管式泵工作时下行动力，可得：在相同条件下，液力反馈泵工作时下行动力比常规管式泵的大，上大下小型、上小下大型和上下等径型液力反馈泵工作时下行动力比常规管式泵分别大ρg LSx、ρg LSx和ρg LSd；不同类型的液力反馈泵工作时产生的反馈力不一样，上大下小型和上小下大型工作时产生反馈力ρg LSx，而上下等径型则产生反馈力ρg LSd。综上所述，上下等径型液力反馈泵提供下行动力最大，选择作为试验用泵型。

2.3 液力反馈泵固定方式选择

目前，液力反馈泵使用时的固定方式主要有2种：一种是悬挂式，就是通过悬挂器把液力反馈泵悬挂在套管壁上；另一种是尾管支撑式，就是在泵下端连接尾管，尾管坐落于人工井底，泵靠尾管支撑于井内。比较2种方式可得：前者施工复杂，难度大；后者施工简单，易操作。考虑操作简单安全，本文选择液力反馈泵的固定方式为尾管支撑式。

2.4 液力反馈泵的设计

根据液力反馈泵类型、固定方式的选择，设计的上下等径型、尾管支撑式液力反馈泵如图3所示，主要由上泵筒、转接头、密封件、下泵筒、上柱塞总成、空心连杆、下柱塞总成等组成。

图3 尾管支撑式上下等径液力反馈泵

3 现场试验及效果

3.1 试验井选择

采用空心抽油杆代替实心抽油杆和油管进行采油，主要是解决油井机采效率低、杆管偏磨严重、免修期短的问题，所以在选井时主要选系统效率低、存在偏磨且免修期短的油井。综合考虑选择延长油田杏子川采油厂郝137-1井和郝137-2井进行试验，试验前油井基本情况如表1。

表1 试验井基本情况

3.2 现场试验

试验用主要设备如表2，其中空心抽油杆、空心光杆、短节、拉杆等均为购买，尾管支撑抽油泵根据设计委托外协加工。按照如图1所示安装采油系统，并进行试采，试采完成后系统进入正常工作阶段，并跟踪试验效果。

表2 现场试验用主要设备

3.3 试验效果分析

采油系统正常采油后，对油井产液量、系统效率和日耗电量进行了跟踪，计算了截稿前油井的免修期，并与试验前的效果进行了比较，结果如表3。

由表3可知：在泵挂和工作制度不变的情况下，试验后产液量、系统效率较试验前有所增加，其主要原因在于利用空心抽油杆代替普通抽油杆和油管，刚性好且无油管的伸缩量，增加了柱塞的有效行程，液力反馈增加了泵的进口压力和流量，且无间隙漏油，提高了泵的充满度，因此其产液量和系统效率得到提高；试验后免修期较试验前明显延长了，其主要原因在于利用空心抽油杆代替普通抽油杆和油管，提高了刚性，且使用上下等径液力反馈泵，改善了抽油杆柱下行时受力情况，使抽油杆柱处于受拉状态避免产生弯曲，从而减弱了偏磨，因此延长了免修期。

表3 现场试验前后效果对比

［1］ 余泽华，于新哉，王淑娟，等.新型无油管采油装置［J］.石油机械，1999，27（12）：37-38.

［2］ 罗燕，张雷，孙衍东，等.液力反馈无油管采油技术［J］.石油机械，2006，35（1）：42-44.

［3］ 赵晓，邢庆河，张士诚.空心抽油杆在油井举升中的应用［J］.油气田地面工程，2006，25（7）：5-6.

［4］ 卜文胜，方绍燕.液力反馈空心杆采油技术研究与应用［J］.胜利油田职工大学学报，2006，20（6）：66-67.

［5］ 崔之健，胡洪平，蒋树农，等.新型空心液力反馈稠油泵及其结构优化设计［J］.石油机械，2006，34（9）：39-41.

［6］ 袁谋，姜东，罗文利，等.液力反馈型空心杆采油工艺抽油机悬点载荷分析［J］.石油大学学报，2001，25（4）：49-53.

［7］ 冯国强，韩岐清，滕国权，等.液力反馈泵无油管采油工艺杆柱力学分析［J］.西南石油大学学报，2010，32（1）：160-164.

4 结论

1） 由于存在液力反馈原理，上大下小型、上小下大型、上下等径型液力反馈泵使用时较常规抽油泵能提供较大的抽油杆柱下行动力；在相同条件下，上下等径型液力反馈泵提供的液力反馈力最大。

2） 空心抽油杆液力反馈泵采油工艺利用空心抽油杆代替普通抽油杆和油管，使用液力反馈泵代替常规泵，很好地解决了抽油杆柱下行困难的问题，提高了系统效率，改善了抽油杆柱受力状态，减缓了杆柱偏磨，延长了油井免修期。

3） 空心抽油杆液力反馈泵采油工艺去掉了油管，减少了单井入井投入，作业时省去了起下油管的工序，缩短了作业时间，降低了作业费用，间接降低了原油生产成本，是低渗透、特低渗透油藏理想的举升工艺。

Research and Application of Hollow Sucker Rod Hydraulic Feedback Pump

There are three main types of hydraulic feedback pump，the upper big and lower small type，or the upper small and lower big type，the up and down same type，according to the structure of plunge.On the base of introduce and analysis of operating principle of three types of hydraulic feedback pump，the capacity of providing hydraulic feedback force for these three models of pump were calculated and researched.The up and down same type hydraulic feedback pump was selected and designed to test with hollow sucker rod on the two wells.The experimental results show that the production technology is an ideal lifting process for low permeability reservoirs，and can improve efficiency of system，extend pump inspection cycle and reduce the cost etc.

hollow sucker rod；hydraulic feedback pump；production technology

TE931.2

A

10.3969／j.issn.1001-3842.2014.11.016

1001-3482（2014）11-0065-04①

2014-05-12

黄 华（1978-），男，湖北恩施人，高级工程师，博士，主要从事采油工程研究，E-mail：280123569＠qq.com。