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抽油机减载器的研制与应用

2015-04-04孙继东

石油知识 2015年4期
关键词:悬点杆柱抽油

孙继东

(大庆油田有限责任公司试油试采分公司工程技术大队 黑龙江大庆 163412)

抽油机减载器的研制与应用

孙继东

(大庆油田有限责任公司试油试采分公司工程技术大队 黑龙江大庆 163412)

通过在海拉尔地区希64-64井应用减载器,降低了抽油机驴头的悬点载荷,并确定了合理的杆柱组合,用10型抽油机进行抽油试采,完全满足该井的需要,使试采工艺技术更加完善。

减载器;抽油机;试采;应用

1 引言

随着海拉尔地区勘探开发的不断深入,油层埋藏深、产量低、渗透率差等问题日趋突出,制约了该区块试采资料的录取工作。为了解决这一难题,于2015年年初引进并应用了抽油机减载器装置。该装置的采油深抽配套技术可加大泵挂深度,使泵挂深度达2000.82m,利于减载器的减载,可以较大程度降低抽油机驴头的悬点载荷。通过在希64-64井的试验与应用,确定了合理的杆柱组合,用10型抽油机进行试采,完全满足该井的需要。抽油机减载器的应用满足了深层区块勘探开发和资料录取的要求,使试采技术更加完善。

2 减载器的工作原理

抽油机减载器的结构如图1所示。抽油杆、柱塞管、减载活塞连接在一起,随抽油杆一起上下运动。井液自下过液孔进入柱塞管,从上过液孔出来重新进入油管。由于上密封管和减载活塞的封堵,上密封管的下端面与减载活塞的上端面之间形成中空,并通过呼吸孔连通油管与套管之间的环空,而环空与地面大气连通,环空压强等于大气压强。而减载活塞的下端面与油管里的液体接触,压强与井筒液柱在该处的压强相同,因此在减载活塞上下端面形成压力差,形成向上托举力。抽油机驴头上行时,该托举力可减轻抽油机的载荷和抽油杆的拉力,使抽油机上行速度加快。抽油机驴头下行时,减载活塞向下运动,托举力减慢抽油机下行速度,这恰好符合上行快下行慢的节能原理。抽油机如此上下往复运动,减轻了驴头悬点载荷,使增加泵挂成为可能。

3 减载器的技术指标

抽油机减载器的各项技术指标如表1、表2所示。

4 减载力的计算

4.1 减载力的计算

通过对抽油机减载器工作原理的认识,可对其减载力进行定量计算(图2):

由于减载器长度远小于油井深度,可以认为P1=P3,于是减载力为:

P2要根据动液面与呼吸孔之间的位置关系不同分别计算。

当动液面在呼吸孔以下(图2a)时,如忽略油套环空中静气柱的压力,则P2=Pc,于是减载力为:

当动液面在呼吸孔以上(图2b)时,如忽略油套环空中静气柱的压力,则P2=Pc+ρgh2×10-6,于是减载力为:

如果把套压也计算为液柱高度,则在式(1)和(2)两种情况下,P2可定义为:

式中,h3=106×PC/ρg(动液面在呼吸孔以下);h3=106×Pc/ρg+h2(动液面在呼吸孔以上)。在进行了上述定义之后,式(1)和(2)可统一为:

由式(3)可知,减载力与油井动液面的关系:动液面在井口时,减载力为零;随着动液面的逐渐下降,减载力逐渐增加,当动液面到达减载器呼吸孔位置时,减载力达到最大;当动液面在呼吸孔以下时,减载力恒定。

4.2 减载器及抽油杆应力的理论计算

4.2.1 减载器减载力计算

通过联合高等院校的技术力量,分析了有减载器的试采管柱中的受力分析,详细地进行了理论计算。

当动液面在呼吸孔以下时,减载力为

式中:F——减载力,N;

h1——减载活塞到油井井口的距离,m;

S1——减载活塞截面积,m2;

S2——密封活塞截面积,m2;

ρf——井筒液体重度,N/m3。

初步设定减载器设置在距井口800m处,根据结构已知减载活塞直径为70mm,密封活塞直径为44mm,经计算减载力F为17.68kN。

4.2.2 抽油杆柱设计计算

通常抽油杆柱设计,要求在满足强度条件的基础上,使抽油杆的重量最轻。因此,形成了两个强度设计准则:a.从杆柱下部向上计算,若在杆柱上某一点的应力等于所给定的许用应力时,便由此开始更换大一规格的抽油杆;b.各级抽油杆顶部应力相等。

这两个准则均出于等强度设计思想,其中第二种较常用。

4.2.2.1 等强度设计准则计算

目前抽油杆柱设计中,所采用的等强度设计准则可分为两类:等疲劳强度设计准则和静等强度设计准则。而采用静等强度设计准则计算十分简单,只在最后对抽油杆柱最上部进行疲劳强度校核即可。

根据静等强度设计准则,即抽油杆柱中各级不同规格抽油杆顶部静等强度相等的条件,可得出关于求解各级抽油杆的长度占抽油杆总长度的百分比Ri的线性方程组:

式中:Ap——柱塞横截面积,m2;

Wi——各级抽油杆的重度,N/m3;

Ai——各级抽油杆的横截面积,m2。

本设计中采用的是三级抽油杆组合,n=3,且较常规设计中加入了减载器,所以方程组应相应地加以修改,将减载力考虑进去。初步假设,减载器连接于第二级抽油杆中。由于公式中抽油杆受力计算时省略了井深L,所以在加入减载力时也应将减载力除以井深L,所以减载力F就变成了F当,因此方程组调整为:

经计算,R1=0.387,R2=0.451,R3=0.162。则直径为19mm抽油杆长为774m,直径为22mm抽油杆长为902m,直径为25mm抽油杆长为324m。

距井口800m处恰为第二级抽油杆,与当初减载器假设吻合。

4.2.2.2 强度校核

抽油杆顶端最大循环受力:

经计算Wmax=55.72kN。

抽油杆顶端最小循环受力:

经计算Wmin=33.14kN。

则顶端最大、最小循环应力分别为:

当量应力强度条件校核

当量应力为:

当量应力强度条件为:

因此满足疲劳强度条件。

通过计算数据得出的结论,我们在海拉尔希64-64井按照此结论的数据进行试采管柱的设计(图4)。

海拉尔希64-64井,如果不下抽油机减载器,理论计算驴头悬点最大载荷为70.4kN。该井下入抽油机减载器后,实测功图显示抽油机悬点最大载荷54.0kN,最小载荷28.8kN,减载16.4kN,减载幅度达到23.3%,减载效果明显。

5 结论

应用抽油机减载器可以大幅度减轻驴头悬点载荷,减小抽油杆的弹性伸缩,提高泵效。减载器还可增加泵挂深度、放大生产压差、增加泵沉没度,扩大了试采范围。减载器在抽油机上的应用,是利用现有装备实现深抽、降低抽油试采成本、提高试采工艺技术的一个有效措施。不过,在选井时应注意,减载器需避开钻井轨迹拐点,以减少减载器的偏磨现象。

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