双沉砂结构深抽抽油泵研究

2023-07-27智勤功张中慧张方圆孙渊平苏秋涵

石油矿场机械 2023年4期

智勤功,张中慧,王峰,姜东,周娜,张方圆,孙渊平,苏秋涵,肖萍

(1.胜利油田石油工程技术研究院,山东东营 257000;2.胜利油田临盘采油厂,山东德州 253000)

随着胜利油田油井不断开发,低渗区块越来越多地投入开发,成为胜利油田稳产的主要阵地之一[1]。这些低渗区块的油井普遍存在产能递减快的特点,生产井泵挂深度逐步加深[2],进入高含水开发期,抽油泵工作环境恶化[3]。由于放大生产压差,平均含砂质量分数升高[4],由2010年的0.04‰升高到2015年的0.07‰,使泵漏失、卡泵问题增多。2020年统计低渗井维护作业2 700多井次,因抽油泵失效占63%,其中阀副刺损失效占49.6%(固定阀副占63%,上游动阀副31%,下游动阀副6%),是主要因素,其次上游动阀罩失效占27.1%。

泵阀(阀罩、阀球、阀座)是举升管柱构成的微小部件[5],其成本占抽油泵成本不足10%,占整个管柱成本更低,但其失效会导致产量降低直至修井作业。针对泵阀失效,国内外从泵阀失效原因、泵阀结构优化方面开展了大量研究[6],在防砂方面,形成了诸如长柱塞等具有挡砂、沉砂功能的防砂泵[7]。针对上游动阀罩失效,开展了阀罩断裂失效分析[8],阀罩过流阻力研究等[9],材料表面强化技术的采用,使得泵筒与柱塞耐磨性得以提升[10]。本文针对胜利油田近年来深抽井抽油泵失效形式和深抽井面临的环境条件,采用仿真计算方法,分析阀副空蚀现象,从减少砂粒沉降至阀副着手,研制了双沉砂结构深抽抽油泵,现场应用取得良好效果。

1 阀副失效分析

1.1 分析模型

常规抽油泵柱塞结构如图1所示,柱塞由上接头、中间接头、柱塞体、上泵阀、下泵阀、下接头组成。固定阀结构图2所示,固定阀由阀罩、阀球、阀座及下接头构成。柱塞下行时,压缩泵腔内流体,固定阀关闭,游动阀开启,泵腔排出流体;柱塞上行时,泵腔体积增大压力减小,游动阀关闭,固定阀开启,流体进泵[11]。

1-上接头;2-中间接头;3-柱塞体;4-上泵阀;5、泵阀连接头;6-下泵阀;7-下接头。图1 常规抽油泵柱塞结构

1-阀罩;2-阀球;3-阀座;4-下接头。图2 常规抽油泵固定阀结构

1.2 仿真设定条件和计算参数

因泵阀影响因素众多,为便于模拟仿真分析,做以下假设:

1) 流体为均质组分,阀副(阀球、阀座)上、下流体各组分为均匀分布。

2) 阀副上、下各点密度、温度相同。

分析采用的流体、结构材料,流体为90 ℃水,密度985 kg/m3,黏度0.315 mPa·s,流体含0.2‰质量分数的砂粒,砂粒密度为2 600 kg/m3,砂粒粒径为0.07 mm,流量30 m3/d。

阀球和阀座力学性能如表1。

表1 阀副材料力学性能

1.3 物理模型

在阀球开启后,流体在阀罩内的流动是动变截面的,截面差异大,需要选择合适的流态模型。通过计算雷诺数,确定流体流态为湍流并建立k-ε湍流模型,其控制方程为:

(1)

(2)

(3)

1.4 阀副失效机理分析

采用Xflow软件对44 mm泵进行仿真计算,分析固定阀副开启、关闭时流体流动情况[12]。阀球关闭时,砂粒被流体裹挟落入阀座、阀球间隙,设定固定阀副关闭时压差为20 MPa,阀球与阀座密封线部位落有粉细砂,形成0.07 mm缝隙。经仿真计算,缝隙流速达140 m/s,此处产生空化,图3为空化相态图。靠近阀座的部位呈气态,说明产生了空化现象。缝隙处空化区域水发生了相变,变成了水蒸气,水相占40%,气相占60%。离开缝隙,气相又急剧变为液相,气相的消失伴随着体积急剧缩小。空泡在缝隙处产生,并沿下游发展,在并沿下游发展,在阀座表面附近发生溃灭,相当于气泡破裂,产生爆裂冲击波,冲击波遇到阀座金属表面产生剥离作用,使金属表面损坏。图4是某深抽井泵内取出来的阀座照片,从照片可以看出,阀座与阀球接触部位已经损坏,导致密封失效。

图3 仿真计算云图显示阀副间隙空化冲蚀

图4 失效阀座照片

2 双沉砂结构深抽抽油泵设计

2.1 结构设计

避免砂粒落入阀副上是技术改进的关键,采用防止杂质沉积的结构设计可以达到这一目的[13]。长柱塞防砂卡抽油泵能较好地减少沉砂进入柱塞-泵筒缝隙和游动阀副[14-15],本文在此基础上,设计了双沉砂结构深抽抽油泵,为固定阀设计了沉砂结构。

双沉砂结构深抽抽油泵主要由外筒、泵筒、加长管、柱塞总成、沉砂固定阀总成等部分组成,其结构如图5所示。柱塞总成包括柱塞提升短节、上排液阀罩、上游动阀副、柱塞连接头、柱塞体、下游动阀上接头、下游动阀罩、下游动阀副、柱塞下接头。沉砂固定阀总成包括外管下接头、短筒、侧向出液罩、固定阀副、固定阀下接头、短筒下接头。

2.2 沉砂原理

当地面设备因维修保养、供液不足及政策停井时,泵筒内流体携带的砂粒沉降落至侧向出液罩图上部,导入固定阀(固定阀由侧向出液罩,固定阀副,固定阀下接头构成)与短筒的下沉砂腔。

泵上油管内沉降的砂粒经由接箍旋流槽进入柱塞与外管环空,接箍内设换流槽其扶正作用[16],再经由泵筒扶正接头的旋流槽,进入泵筒与外管之间的上沉砂腔,砂子沉降路径如图5中的箭头所示。砂粒一旦进入沉砂环空腔,不会再返出,可减少砂粒沉降至阀罩内,减少阀副沉积砂粒。

1-柱塞提升短节;2-上排液阀罩;3-上游动阀副;4-柱塞连接头;5-柱塞体;6-下游动阀上接头;7-下游动阀罩;8-下游动阀副;9-柱塞下接头;10-接箍;11-外管;12-泵筒扶正接头;13-泵筒;14-泵筒下接箍;15-泵筒加长管;16-外管下接头;17-短筒;18-侧向出液罩;19-固定阀副;20-固定阀下接头;21-短筒下接头;22-上沉砂腔;23-下沉砂腔。图5 双沉砂结构深抽抽油泵结构示意图

深层低渗地层出砂量较少,平均含砂质量分数为0.07‰,沉砂过程主要出现在停井过程,沉砂环空空间可够5 a沉砂需求,因此不需要设计过泵尾管沉砂腔。

2.3 主要技术参数

目前,双沉砂结构深抽抽油泵已经设计应用了3种泵型规格,其主要参数如表2。

表2 双沉砂结构深抽抽油泵主要参数

2.4 阀罩优化

深抽抽油泵承受的压差大,在高压差作用下,阀球开启后对罩冲击力大[8]。新设计了抗冲击阀罩,其结构如图6所示。其主要包括圆筒外体、限位挡头、阀球腔室、导向扶正筋、归位斜面。圆筒体上、下内壁设有尺寸规格一致的螺纹。在阀球腔室内设有限位挡头,限位挡头下方设有导向扶正筋。在阀球腔室下部设有归位斜面。归位斜面的坡度为30～50°。导向扶正筋的弧度为26～32°。该距离可使阀罩、阀座冲击应力同时达到最低。导向扶正筋的直径与球阀直径的差值为1～2 mm。限位挡头高度为4～6 mm。软件仿真计算结果表明,阀罩受阀球冲击应力降低60.2%。

上阀罩外径与泵筒外径相近,大于柱塞直径,受力截面积增大80%以上,应力大幅度减小,提高了抗疲劳能力。

1-圆筒外体;2-限位挡头;3-阀球腔室;4-导向扶正筋;5-归位斜面;6-螺纹。图6 优化后阀罩结构

3 现场应用

至2022-12,在胜利油田现河、临盘、纯梁等采油厂进行了123口井的现场应用,实施成功率为100%。与传统的抽油泵技术相比,该技术大幅度减少了深抽泵阀副刺损失效和上游动阀罩失效,平均生产周期达到840 d,较改进前延长400 d以上,取得良好使用效果。

表3是典型区块数据,区块油井产油含砂质量分数为0.16‰,因阀副冲蚀、砂卡柱塞频繁,区块检泵周期216 d。配套应用双沉砂结构深抽抽油泵技术实施46口井,平均加深泵挂570 m,平均日增液3.3 m3/d,平均日增油1.9 t/d,平均泵效由15.8%提高至38.5%,油井平均生产周期延长至842 d,提升了581 d。

表3 某区块双沉砂结构深抽抽油泵应用效果

1) 典型井例1。史X-217井。该井前期44 mm泵下深1 800 m,产液含砂质量分数0.12‰,日产油2.6 t/d,生产周期136 d。2019-12下双沉砂结构深抽抽油泵,加深泵挂至2 600 m,截至2023-02生产1 126 d,日增油6 t/d,措施工艺实现了延寿增油的良好效果。

2) 典型井例2。LPPX-X152井。该井属于断块油藏,储层出少量粉细砂,产出液含砂的质量分数约0.23‰,前期因固定阀副刺损,生产周期361 d。配套应用双沉砂结构深抽抽油泵,实施泵深2 200 m,冲程5.1 m,冲次2.4 min-1,实施430 d因管漏停抽1.5 d后作业,解剖抽油泵,上沉砂腔内和固定阀沉砂腔内均有沉积的细粉砂。