增油短节提高抽油杆系统效率机理研究及其应用

曲占庆，李小龙，程宇辉，杨林，杨阳，肖雯

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东 青岛266580；2.中国石化江苏油田分公司试采二厂，江苏 淮安211600；3.中海油研究总院，北京100027；4.中国石化胜利油田分公司采油工艺研究院，山东 东营257000）

油田抽油机井生产过程中，普遍存在下泵深度大、抽油泵漏失、工作环境恶劣、抽油杆系统效率不高等问题［1-5］。增油短节作为一种成本低廉、使用方便的井下工具，安装在2 根抽油杆的连接处，具有减少冲程损失、减轻偏磨、减少漏失、提高泵效、减轻抽油杆疲劳载荷［6-7］以及延长柱塞使用寿命等功能［8-11］，同时可替代扶正器、刮蜡器和变扣接头，提高系统效率。本文对增油短节的作用机理进行了阐述，对其提升效率问题进行了数学求解，为其井下的合理排布提供了科学依据［12］。

1 作用机理

增油短节由抽油杆短节、游动阀、阀座等组成，上、下与抽油杆连接，游动阀、座配合，组成游动阀总成，与短节成为一体［13］，游动阀在短节中部可上下自由移动，中部有过油孔（见图1）。

图1 增油短节

增油短节的工作原理：当抽油杆下行卸载时，增油短节的游动阀在摩擦力和下部压力的作用下向上移动，与阀座脱离，即游动阀总成打开，流体从游动阀的过油孔沿凹槽通过；当抽油杆上行加载时，游动阀在壁摩擦力和上部液柱压力的作用下向下移动，直至与阀座压紧，即游动阀总成关闭，封闭流体流动通道，此时，被封住的上部流体随抽油杆上行，完成抽油过程。

将增油短节串接在抽油杆上，相当于将抽油泵柱塞端面上的液柱质量分散到每个增油短节的游动阀总成上，从而减少了柱塞上的液柱压力和泵的漏失量；同时，增油短节承载的液柱质量就是其下部抽油杆减少的液柱质量，这就减少了该部分抽油杆的伸长量，降低了冲程损失，从而提高了泵效［14］。抽油杆受力模型如图2所示。图中，L 为抽油杆总长，m—m′为抽油杆任一截面，x 为截取的抽油杆任一微元段的长度，F 为抽油杆所受的拉力，FN为抽油杆x 微元段承受的压力。

图2 抽油杆受力模型示意

2 排布及数量优化

由于抽油杆自身具有质量，其各截面上的轴向力是不相等的［15］。在求得x 微元段伸长量的基础上，积分即可求得整段抽油杆的伸长量［16-17］。

首先，应用截面法［18］，计算m—m′截面的轴向力Fx。假设抽油杆上冲程时，直径不变，不考虑惯性载荷，由受力平衡方程∑Fx=0 得

其中 γ=ρGg

式中：A 为抽油杆截面积，m2；γ 为材料重度，N/m3；ρ，ρG分别为井筒液体和抽油杆材料的密度，kg/m3；S 为井筒液体截面积，m2；g 为重力加速度，m/s2。

应用虎克定律，积分得x 微元段伸长量：

式中：E 为油管的弹性模量，Pa。

假设井筒内为单相流体，不考虑泵漏失，由式（2）得长度为L 的抽油杆伸长量为

式中：C1，C2分别为由液柱质量和自身质量引起的抽油杆伸长系数。

由式（3）可以看出，抽油杆伸长量主要由2 部分组成，一是由于液柱质量引起的伸长量，二是由于抽油杆自身质量引起的伸长量。

因液柱质量引起的抽油杆伸长量（ΔLY）可表示为

式中：FY为因液柱质量产生的拉力，N。

安装增油短节不能消除抽油杆弹性伸长的问题，但是可通过减少抽油杆上的载荷来减少其伸长量，以提高泵效。增油短节安装如图3所示。

图3 增油短节安装示意

从井口至井底，每根增油短节之间抽油杆因液柱质量引起的弹性伸长量为

抽油杆安装增油短节后，因增油短节的质量相对很小，由此引起的抽油杆伸长量可以忽略不计，则由液柱质量引起的伸长量（ΔLz）为

安装增油短节前后抽油杆弹性伸缩差量（η）为

减少抽油杆弹性伸长量，实际上就是增大了有效冲程，即η 值越大，抽油杆弹性伸长量越小，有效冲程越大，从而泵效越高。因此，η 值的大小就是提升效率的高低。

当L 为定值时，影响提升效率η 的变量即是M，求M 的极值就是求η 的极值。显然，M 取极值的条件为Li=Lj，即在井筒中均匀布置增油短节为最优化排布。

安装不同数量（n）的增油短节对应着不同的M 极值，设M1代表安装1 只短节的极值，M2代表安装2 只短节的极值，以此类推。

…

因此

当安装增油短节数n 为不定值时，只考虑液柱载荷情况下，η 与n 的关系如图4所示。

图4 η 与n 的关系

由式（3）可得出由液柱质量引起的伸长量与由抽油杆自身质量引起的伸长量之比为

取γ=7.85×104N/m3，ρ=1×103kg/m3； 若抽油杆直径为25.4 mm，油管直径为60.3 mm，则K≈0.296，由液柱质量引起的抽油杆伸长量占总伸长量的比例约为0.228。

从图5可以看出，当安装4 个增油短节时，可提升抽油杆系统效率9.12%；当安装9 个增油短节时，即可提升抽油杆系统效率10.26%。

所以，安装4～9 个增油短节即可显著提高抽油杆系统综合效率，且从理论上讲，抽油杆系统综合效率提高幅度最高可达11.40%。

图5 抽油杆综合效率提高幅度与增油短节安装数量的关系

3 现场应用

江苏油田马8-11 井位于马家嘴构造马8 断块，2006年2月完井，生产层位E2d2-1，生产井段1 305.5～1 309.2 m，2011年6月检泵作业时，更换全部扶正器并安装5 个增油短节。作业前该井日产液量7.3 t，作业后为7.9 t，增产率为8.22%，达到理论增产效率的86.53%。

江苏油田黄88-22 井位于东台坳陷高邮凹陷黄珏构造黄88 断块，2009年1月完井，生产层位E2d1-2，生产井段2 351.0～2 358.9 m，2012年2月13日检泵作业时安装5 个增油短节，作业前日产液量3.4 t，作业后3.7 t，增产率8.82%，达到理论增产效率的92.84%。

江苏油田高7-20 井位于高集构造高7 断块，2004年1月完井，生产层位E1f2-3，生产井段1 710.6～1 743.0 m，2012年5月21日检泵作业时安装5 个增油短节，作业前日产液量5.9 t，作业后6.4 t，增产率8.47%，达到理论增产效率的89.21%。

4 结论

1）增油短节具有减少冲程损失、减轻偏磨、减少漏失、提高泵效、减轻抽油杆疲劳载荷以及延长柱塞使用寿命等功能。

2）安装增油短节理论上可减小11.40%抽油杆伸长量，即提高抽油杆系统效率11.40%。增油短节效果与安装数量呈正相关，安装4 个增油短节时可提升抽油杆系统效率9.12%，安装9 个时即可提升抽油杆系统效率10.26%；因此，推荐安装数量为4～9 个。

3）抽油机井安装增抽短节以冲程损失最小为原则，已确定安装增油短节数量的情况下，均匀排布安装效果最好。

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