有杆泵最小沉没压力的确定

张兴涛，李伟峰，2，张晓斌， 洪千里

(1.延长油田股份有限公司勘探开发研究中心，陕西延安 716000；

2. 西北大学地质系，陕西西安 710069；

3. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安710018)



有杆泵最小沉没压力的确定

张兴涛1，李伟峰1，2，张晓斌3， 洪千里1

(1.延长油田股份有限公司勘探开发研究中心，陕西延安 716000；

2. 西北大学地质系，陕西西安 710069；

3. 中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院，陕西西安710018)

摘要：在有杆泵抽油生产过程中，抽油泵的沉没压力及其对应的沉没度是有杆抽油系统设计的重要指标，对有杆抽油系统参数优化设计具有重要的指导意义。文中详细介绍了国内外有杆泵抽油生产过程中抽油泵的沉没压力及其对应的沉没度的研究情况，以有杆泵的充满程度为目标，综合考虑沉没压力、流体通过固定阀孔的阻力损失等因素，建立了有杆泵抽油最低沉没压力的计算方法，并利用该方法分析了有杆泵的泵径、冲程、冲次及井液流体黏度等因素对最低沉没压力的影响。通过东部油田某口实际油井计算结果表明，有杆泵达到相同充满程度所需的最低沉没压力随泵径和冲程的增大而减小，随冲次和流体黏度的增大而增大，为有杆抽油系统参数优化设计提供了参考依据。

关键词：有杆泵；沉没压力计算；最低沉没压力

在有杆泵抽油生产过程中，抽油泵的沉没压力及其对应的沉没度是有杆抽油系统设计的重要指标。一般来说，沉没度对有杆抽油系统存在两方面的影响：一方面，有杆泵在工作时需要一定的沉没压力来打开进油阀，如果沉没度太小，容易造成抽油泵供液不足，影响泵效；另一方面，沉没度如果太大，所需的抽油杆和油管就越多，需投入的材料费就越大。当泵挂深度给定时，井液进泵的动力由沉没压力供给，在抽油泵抽汲井液的上冲程过程中，沉没压力的大小对泵内压力及泵充满程度有着重要的影响。对于有杆抽油系统参数优化设计具有重要的指导意义[1-4]。

油田现场上有杆泵沉没压力的确定，基本上都是靠经验值，大部分油田都在用一个固定值，这样不科学。因为随着油井生产的进行与各种措施的实行，油层的供液状况、油藏流体物性参数、抽油设备的生产状况都在不断发生变化，如果不对油井的生产参数做相应的调整，势必影响油井的正常生产，甚至发生油井故障。

有关最低沉没压力，国内外学者如蒋汉青、夏惠芬、王克亮、Podio等[5-8]进行了一定研究。其中，姚建设等[9]根据固定阀球的受力平衡计算出了高密度硬质合金阀和普通阀开启时所需要的最小沉没度，并通过室内试验分析了流体黏度、流量和阀球质量等因素对流体过阀阻力的影响。杨堃等[10]根据双河油田特高含水期开发的特点，应用油气藏工程的相关理论，求出了各个开发单位的最小沉没压力，同时结合双河油田开发过程中的实际数据，计算出各单元的合理沉没压力，提供了现场油井管柱设计的参考依据。为保证流体能够顺利进泵，有杆抽油系统必须选取合适的最低沉没压力，但在生产过程中，仅仅研究最低沉没压力没有实际意义，必须同时考虑泵效的要求。因此，本文以充满程度为目标建立了最低沉没压力的确定方法，相应的计算结果可以为现场有杆抽油系统参数优化设计提供参考。

1 最低沉没压力计算方法

抽油机井管理的核心是确定合理的沉没压力(沉没度)，即工作制度，使抽油系统效率高、能耗小、免修期长，最终达到最佳经济效益。油田的实际生产中，影响抽油泵沉没压力的因素很多，着重体现在油井产能、流体物性、设备特性和工作参数等方面。在下泵深度给定的情况下，流体进泵的动力由沉没压力来提供，沉没压力的大小不仅影响流体是否能够顺利进泵，同时还对泵内压力及泵充满程度有重要影响。最低沉没压力是生产过程中能够保证流体顺利进泵的最小沉没压力，它必须要大于流体通过固定阀产生的阻力和固定阀球的重力。其计算过程如下。

1.1 沉没压力

沉没压力表示动液面以下抽油泵吸入口处的流体压力，其公式为：

(1)

式中ps——沉没压力，Pa；

pc——井口套压，Pa；

Lf——动液面深度，m；

Lp——泵挂深度，m；

ρg——油套环空中气体的密度，kg/m3；

ρo——油套环空中原油的密度，kg/m3；

g——重力加速度，m/s2；

h——深度，m。

1.2 流体通过固定阀孔的阻力损失

流体通过固定阀孔的阻力损失公式为：

(2)

式中Δpv——流体通过固定阀产生的压力降，Pa；

ρ1——流体密度，kg/m3；

vL——流体通过固定阀孔的流速，m/s；

KV——固定阀流量系数，无量纲。

1.3 最低沉没压力

流体能够顺利进泵的条件为：沉没压力克服流体通过固定阀孔局部阻力损失后的剩余压力对阀球所产生的作用力大于泵内流体作用在阀球上的压力和阀球的重力。

(ps-Δpv)AV≥G+F1

(3)

其中：

F1=AVh1gρ1

式中F1——泵内流体对阀球的作用力，N；

G——固定阀球重力，N；

AV——固定阀孔截面积，m2；

h1——泵内流体高度，m；

ρ1——泵内流体密度，kg/m3；

dm——阀球直径，m；

ρm——阀球密度，kg/m3。

由式(1)、式(2)、式(3)得到最低沉没压力为：

(4)

2 最低沉没压力敏感性分析

根据以上建立的最低沉没压力确定方法，以泵充满程度为目标，可以得到不同泵径、冲程和冲次下的最低沉没压力。以东部某油田某油井为例，该油井的生产数据如表1所示，最低沉没压力相关计算结果如表2 所示。

从表2可以看出，不同泵径、冲程和冲次下泵的最低沉没压力是不同的，为了进一步分析最低沉没压力的影响因素，采用控制单一变量方法对表2中的数据进行敏感性分析。

表1　油井生产数据及流体物性参数表

表2　不同泵径、冲程及冲次时的最低沉没压力表

续表

2.1 泵径对最低沉没压力的影响

由图1可以看出，在冲程、冲次一定的情况下，随着泵径的增大，达到相同充满程度所需要的最低沉没压力减小。这是因为，泵径增大后，固定阀阀孔直径增大，流体通过固定阀的水力损失减小，因而所需的最低沉没压力减小。

2.2 冲程对最低沉没压力的影响

由图2可以看出，在泵径和冲次一定的情况下，最低沉没压力随着冲程的增大而降低。因为，冲程增大后，余隙比减小，余隙流体对充满程度影响也减小，使泵的充满程度增加，即长冲程在较低的沉没压力下就可以达到较高的充满程度，可见，增大冲程有助于提高抽油泵的泵效。

2.3 冲次对最低沉没压力的影响

由图3可以看出，在泵径和冲程相同的情况下，最低沉没压力随着冲次的增大而增大。因为，增大冲次后，柱塞运动速度加快，流体进泵的时间变短，这不利于提高泵的充满程度，并且冲次较高时流体惯性对充满程度的影响较大，固定阀球的跳动次数增加，柱塞运动的无效冲程增大，使泵的充满程度降低。因而高冲次情况下达到相同充满程度所需要的最低沉没压力较大。

2.4 流体黏度对最低沉没压力的影响

由图4可以看出，在泵径、冲程和冲次一定的情况下，最低沉没压力随着流体黏度的增加而不断增大。这是因为，随着流体黏度的增加，流体通过固定阀的阻力损失增大，流体在相同时间内的进泵流量减小，泵的充满程度也随之降低，所以在抽汲黏度较高的流体时，必须增大最低沉没压力来保证达到较高的充满程度。

3 结束语

通过对有杆泵的充满程度为目标建立了有杆泵抽油最低沉没压力的计算方法，并利用该方法分析了有杆泵的泵径、冲程、冲次及井液流体黏度等因素对最低沉没压力的影响，得到结论为：

(1)泵径、冲程、冲次及流体黏度等因素对最低沉没压力有影响。

(2)达到相同充满程度所需的最低沉没压力随泵径和冲程的增大而减小，随冲次和流体黏度的增大而增大。

参考文献

[1]董世民.抽油机井动态参数计算机仿真与系统优化[M] .北京:石油工业出版社, 2003 :1-2.

[2]张齐鸣,刘松林,郭鹏.提高机采系统效率改善低渗油田开发效果[J].石油科技论坛,2007,26(4):62-65.

[3]李茂,李海东,樊勇,数字化抽油机[J].石油科技论坛,2013,32(4):66-73.

[4]谭多鸿.抽油机井合理沉没度的确定[J].石油天然气学报，2007，29(1)：147-148.

[5]蒋汉青,李福军,曹广胜.多相流体进泵规律对泵效的影响[J].大庆石油学院学报,1994 ,18(2):27-32.

[6]夏惠芬,李福军,王贵海,等.有杆泵动态泵充满程度的计算[J].石油学报,1995 ,16(4):167-173.

[7]王克亮,王天凤,吴恩成.计算有杆泵充满系数的一种新方法[J].钻采工艺,1996 ,19(5):38-41.

[8]Lubinski,A.and blenkarn,K.A:Buekling of Tubing in PumPing Wells,Its Effects and Means for Controlling It, Paper Presented at Petroleum Branch Fall Meeting in LosAllgeles,Oet.P14-17, 1956.

[9]张彦廷,万邦烈.抽油泵合理沉没度的确定.石油钻采工艺,1999,21(2),23-24.

[10]李俊海,吴田忠.有杆泵合理沉没度的确定方法.江汉石油学院学报，2001，21(2):36-37.

Minimum Submergence Pressure Calculation of Sucker Rod Pump

Zhang Xingtao1, Li Weifeng1，2, Zhang Xiaobin3, Hong Qianli1

(1.ResearchCenterofExplorationandDevelopment,YanchangOilfiledCo.,Ltd.,Yan’an,Shaanxi716000,China；2.DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710069,China；3.PetroleumExplorationand

DevelopmentResearchInstituteofPetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi710018，China)

Abstract:In the oil production with sucker rod pump, the submergence pressure of the sucker rod pump and corresponding submergence depth are important indexes to the sucker rod pumping system design and are significance to guide optimal design of sucker rod pumping system parameters. We introduced domestic and foreign research on submergence pressure and corresponding submergence depth of the sucker rod pump oil production. According to the full extent of rod pump, taking submergence pressure and loss of resistance of fluids through fixed valve pore, we established a method to calculate the minimum submergence pressure of the sucker rod pump and analyzed the influence of pump diameter, pump stroke, pumping and fluid viscosity on the minimum submergence pressure. The calculation results of an oil well in the eastern oilfield showed that in the same level of full extent of rod pump, the minimum submergence pressure decreased with the increase of the diameter and stroke and increased with the increase of the pumping and fluid viscosity, providing reference for parameter optimization design of rod pumping system.

Key words:sucker rod pump; submergence pressure calculation; minimum submergence pressure

中图分类号：TE35

文献标识码:A

作者简介：第一张兴涛(1975年生)，男，硕士，工程师， 主要从事油田开发工作。邮箱：379255596@qq.com。