液力反饋泵井懸點(diǎn)靜載荷實(shí)踐
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論文導(dǎo)讀：液力反饋抽抽油泵的特點(diǎn)是抽油桿柱下行時不存在由于抽油桿浮力里所引起的下行阻力，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。某口油井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和桿柱組合見表1、表2。測試得到的上漏失曲線值為62KN，下漏失曲線值為50KN。研究了示功儀測試上、下漏失曲線的意義以及力的組成，針對于液力反饋泵井建立了上、下漏失曲線測試時抽油桿的受力平衡方程，通過兩個方程聯(lián)立求解，得到抽油桿自重、泵出口壓力以及液柱載荷的計算公式。
關(guān)鍵詞：液力反饋泵，油井，抽油桿，靜載荷，測試
0. 前言
隨著全國各大油田含水的上升，伴隨產(chǎn)生的抽油桿柱下行阻力大的現(xiàn)象日益突出，為了解決這個問題，各個油田都在進(jìn)行液力反饋泵的推廣試點(diǎn)工作，為了使液力反饋泵的應(yīng)用更加合理，有必要對它的靜載荷進(jìn)行分析。抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷包括靜載荷和動載荷兩部分，靜載荷是指抽油機(jī)停機(jī)時懸點(diǎn)所受的載荷，動載荷是指由于懸點(diǎn)運(yùn)動所產(chǎn)生的載荷，主要是慣性載荷和摩擦載荷，載荷可以通過示功儀測取。此前懸點(diǎn)靜載荷多采用直接計算的方法，由于抽油桿柱組合的多樣性以及井筒中流體的復(fù)雜性，使得桿柱自重和液柱載荷的計算不很精確，導(dǎo)致靜載荷的計算誤差較大。本文利用示功儀測取漏失曲線[1][2]，通過對漏失曲線的分析，計算得到了靜載荷各個分量。
1.液力反饋抽油泵的工作原理
圖中1-抽油桿；2-泵筒接箍；3-上柱塞；4-出油閥；5-進(jìn)油閥；6-上泵筒；7-中心管；8-中間接箍；9-下柱塞；10-下泵筒；11-下部接頭。
圖1 液力反饋抽油泵
液力反饋抽抽油泵的特點(diǎn)是抽油桿柱下行時不存在由于抽油桿浮力里所引起的下行阻力，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。液力反饋抽抽油泵是由兩臺不同泵徑的抽油泵串聯(lián)而成，中心管將上下柱塞聯(lián)為一體。這種泵的進(jìn)、出油閥均裝在柱塞上，在下沖程時，柱塞下行，上柱塞與上泵筒的環(huán)形腔A體積減小，壓力增大，A腔的原油通過孔b將進(jìn)油閥關(guān)閉，出油閥打開并排入油管中。此時進(jìn)油閥關(guān)閉，油管內(nèi)液柱的壓力通過進(jìn)油閥施加在柱塞上（即液力反饋）強(qiáng)迫柱塞克服稠油的阻力下行。在上沖程時，柱塞上行，A腔增大，壓力減小，進(jìn)油閥打開，出油閥被油管內(nèi)的液柱壓力關(guān)閉，泵下的原油經(jīng)孔b流入A腔。
這種泵的設(shè)計特點(diǎn)是采用大下柱塞形成的A腔和只在大下柱塞上裝進(jìn)出油閥，以達(dá)到下沖程時進(jìn)油閥關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)液力反饋的目的。
2. 懸點(diǎn)靜載荷
由于油井情況的復(fù)雜性，抽油桿柱在井下的受力狀態(tài)也極為復(fù)雜，依據(jù)工藝需要，會有扶正器、脫節(jié)器等井下工具連接在抽油桿上，這些工具的部分?jǐn)?shù)據(jù)不容易準(zhǔn)確獲取，利用桿柱組合計算桿柱自重的方法并不準(zhǔn)確。同樣，流體在井筒中的流動也是一個復(fù)雜的過程，流體在井筒中是多相流，用垂直多相管流計算方法計算時需要液體粘度、密度、含水、氣液比、飽和壓力和溫度分布等參數(shù)[3]，由于計算所采用的理論模型和液體物性參數(shù)存在誤差，導(dǎo)致計算出的液柱載荷不準(zhǔn)確。
抽油機(jī)懸點(diǎn)所受的靜載荷包括[5]：抽油桿柱自重引起的載荷、液柱載荷、井口油壓產(chǎn)生的載荷、沉沒壓力產(chǎn)生的載荷以及抽油桿柱所受的浮力。漏失曲線是在抽油機(jī)停止運(yùn)動時測試得到的，漏失曲線反映的懸點(diǎn)靜載荷與抽油機(jī)停機(jī)時懸點(diǎn)的位置和停機(jī)上下沖程過程有關(guān)，如圖1所示，運(yùn)動所產(chǎn)生的慣性載荷和摩擦載荷等不會對漏失曲線產(chǎn)生影響。下面研究用漏失曲線測試值和解析方法計算各靜載荷值的方法，研究中尚未考慮抽油桿接箍所受的壓差、摩擦力對桿柱的夾持力以及泵內(nèi)外壓差的影響。
圖1 漏失曲線
1.1上漏失曲線
上漏失曲線是在抽油機(jī)上沖程接近上死點(diǎn)時停機(jī)測取得到的，如果游動閥、油管等處有漏失，上漏失曲線的載荷值隨時間下降，在上漏失曲線起始點(diǎn)處的載荷值主要由以下幾部分組成：抽油桿柱自重引起的向下的載荷、液柱產(chǎn)生的向下的載荷、井口油壓產(chǎn)生的向下的載荷、沉沒壓力引起的向上的作用力。
抽油桿在測試上漏失曲線時力的平衡方程為：
(1)
式中，
為上漏失曲線的起始點(diǎn)載荷/（
），
為抽油桿柱自重/（），
為作用在大活塞上的液柱載荷/（），
為井口油壓作用在大活塞上產(chǎn)生的載荷/（），
為沉沒壓力作用在大活塞上產(chǎn)生的載荷/（）。
井口油壓
可以從井口的壓力表直接讀取，沉沒壓力
則由套壓、動液面和下泵深度等參數(shù)計算得到，而套壓、動液面是容易測取的數(shù)值。所以井口油壓引起的載荷
與沉沒壓力產(chǎn)生的作用力
可以準(zhǔn)確計算得到[4]，其計算公式為：
井口油壓產(chǎn)生的載荷：
(2)
式中，為井口油壓/（
），
為泵大活塞的截面積/（
），
為最后一級抽油桿的直徑/（）。
沉沒壓力產(chǎn)生的載荷：
(3)
式中，
為沉沒壓力/（）。
1.2下漏失曲線
下漏失曲線是在抽油機(jī)下沖程接近下死點(diǎn)時停機(jī)測取得到的，在下漏失曲線起始點(diǎn)處的載荷值主要由以下幾部分組成：抽油桿柱自重引起的向下的載荷、液柱產(chǎn)生的向下的載荷、井口油壓產(chǎn)生的向下的載荷、沉沒壓力引起的向上的作用力。抽油桿在測試下漏失曲線時力的平衡方程為：
(4)
式中，
為下漏失曲線的起始點(diǎn)載荷/（）, 
為作用在小活塞上的液柱載荷/（）。
井口油壓產(chǎn)生的載荷：
(5)
式中，為井口油壓/（），
為泵小活塞的截面積/（），為最后一級抽油桿的直徑/（）。
沉沒壓力產(chǎn)生的載荷：
(6)
式中，為沉沒壓力/（）。
3. 由上、下漏失曲線計算分析抽油桿受力
從上面的分析中可以看出，只有井口油壓與沉沒壓力產(chǎn)生的載荷可以準(zhǔn)確計算，下面研究其余載荷的解析計算方法。
由式(1)與式(4)可以看出，上、下漏失曲線中均包含抽油桿柱自重，用 (1) 式減去 (4) 式并將井口載荷與沉沒壓力產(chǎn)生的載荷代入可得：
(7)
式中，為上漏失曲線的起始點(diǎn)載荷/（），
為第最后一級抽油桿柱在井筒流體中所受到的浮力/（）。
上式中，液柱載荷的實(shí)質(zhì)表現(xiàn)就是液柱產(chǎn)生的壓力對活塞的作用，這樣
(8)
(9)
將式(8)與式(9)代入式7中得液柱的壓力為
(10)
式中，
為柱塞處液柱的壓強(qiáng)/（
）。
泵出口處的壓力為：
(11)
井筒中的液柱載荷為：
(12)
抽油桿柱的自重為：
(13)
綜上所述，通過公式(2)、(3)、(11)、(12)、(13)可以分別得到井口油壓產(chǎn)生的載荷、沉沒壓力產(chǎn)生的載荷、液柱載荷及抽油桿柱自重。
4 計算實(shí)例
某口油井的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和桿柱組合見表1、表2。
表1 油井基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
| 泵徑(mm) | 70/44 | 產(chǎn)液量( ) |
30 |
| 泵深(m) | 1000 | 含水率(%) | 85.1 |
| 動液面(m) | 638.1 | 氣液比( ) |
7.2 |
回壓( ) |
0.4 | 油密度( ) |
880.7 |
| 套壓() |
0.0 | 油粘度( ) |
535.8 |
表2 抽油桿柱組合
| 油桿級數(shù) | 油桿長度(m) | 油桿外徑(mm) | 抽油桿線重(kg/m) |
| 第1級 | 1000.1 | 25 | 4.19 |
測試得到的上漏失曲線值為62KN，下漏失曲線值為 50KN 。
利用上面的計算方法對該井進(jìn)行計算之后，得到的計算結(jié)果見表3：
表3 計算結(jié)果列表
| 桿柱組合自重(KN) | 44.88 |
| 泵出口壓力() |
8.68 |
| 沉沒壓力對上柱塞的作用力(KN) | 12 |
| 井口回壓對上柱塞的作用力(KN) | 1.34 |
| 沉沒壓力對下柱塞的作用力(KN) | 4.74 |
| 井口回壓對下柱塞的作用力(KN) | 0.41 |
| 泵出口壓力對上柱塞的作用力(KN) | 29.12 |
| 泵出口壓力對下柱塞的作用力(KN) | 8.93 |
從表3中的計算結(jié)果中可以看出，用漏失曲線推算出的桿柱組合自重為44.88KN，而用兩級抽油桿長度乘以抽油桿線重的方法計算得到的桿柱自重為41.06KN，兩者相差3.82KN，差異很大，產(chǎn)生差異的主要原因是由于用線重計算桿重的方法忽略了桿柱組合中部分元件，這些元件包括光桿、泵活塞、短節(jié)和扶正器等。
用漏失曲線推算出的泵出口壓力為8.68MPa，而根據(jù)油水相對密度和含水率計算得到的泵出口靜水壓是9.63MPa，引起計算結(jié)果差別的主要原因是：該井的動液面較高的原因，另外在油管內(nèi)，流體處于氣液兩相流狀態(tài)，如用純液流計算，就會導(dǎo)致計算結(jié)果偏大。采用多相垂直管流計算方法會得到較準(zhǔn)確的計算值，但需要的已知參數(shù)多，且不易準(zhǔn)確獲取。
5.結(jié)論
研究了示功儀測試上、下漏失曲線的意義以及力的組成，針對于液力反饋泵井建立了上、下漏失曲線測試時抽油桿的受力平衡方程，通過兩個方程聯(lián)立求解，得到抽油桿自重、泵出口壓力以及液柱載荷的計算公式。該方法測試數(shù)據(jù)簡單，所得到的參數(shù)對液力反饋泵井工況診斷和油井工藝方案設(shè)計具有重要作用。
參考文獻(xiàn)
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