变量防气防砂泵的研制与应用

2022-09-12

常规抽油泵在含气的油井中使用, 气体不可避免的会影响生产, 一是气体占去了泵腔室内的一部分空间, 降低了原油充满系数;二是如果含气量较高, 由于气体的可压缩性, 柱塞下行中泵腔室的压力不能立即升高, 游动凡尔也不能及时打开, 柱塞上行时, 由于余隙内气体的膨胀作用, 固定凡尔也不能及时打开, 两个凡尔的开启滞后, 缩短了排液和进液的时间, 降低了冲程效率, 严重的情况下, 游动凡尔和固定凡尔完全不能打开会形成“气锁”。

目前, 消除气体对泵效影响的主要措施是使用防气泵和泵入口连接气锚。气锚虽能从原油中分离出来一部分气体, 但液体进入泵腔室时会产生压力降, 部分溶解气在压力降的作用下还会分离出来进入泵腔室。现场常使用的防气泵有环空阀防气泵、标枪阀防气泵、中空跑气防气泵以及泵筒开孔防气泵等多种形式。环空阀防气泵的原理是在泵筒上端安装一个可动的环空阀, 当下冲程时, 液柱压力作用在环空阀上, 游动凡尔不再承受液柱压力而容易打开, 但由于其结构特点, 在游动凡尔和环空阀之间形成一个腔室, 在上冲程时容易发生气击;标枪阀防气泵的原理是在固定凡尔上部安装一个阀杆, 下冲程时利用阀杆强行把游动凡尔打开实现排液和排气, 但打开游动凡尔的动作较迟, 仅对解除气锁有效而不能消除液击;中空跑气防气泵的原理是在泵筒中间安装一个大孔短接, 上冲程时圈闭气体, 下冲程时排放气体, 但大孔短接形成的存气空间毕竟有限, 在高气液比的情况下效果不明显;泵筒开孔防气泵的原理是在泵筒的中部开一个孔使其联通油套环空, 上冲程柱塞底端超过开孔后, 泵腔室的气体排到油套环空, 但这种结构柱塞必须足够长, 从而会产生一些其它问题。

综上所述, 在气液比较高的抽油泵井, 泵效普遍较低, 严重影响了原油生产, 现有的防气技术不能满足生产需要, 新研制的变量防气泵, 在泵筒的上部做了改进, 泵筒内径和柱塞之间的间隙逐渐扩大, 利用其大的间隙实现气液交换达到柱塞上下压力平衡, 使柱塞之下的泵腔室不再有气体存在, 因而在柱塞下冲程时不受气体的影响, 游动凡尔容易打开也不会产生气击和液击, 可以提高泵效且不会损坏抽油设备。

一、结构与工作原理

1. 结构

高效防气泵的结构主要有上接头、锥形泵筒、泵筒、柱塞及游动凡尔总成、固定凡尔总成以及下接头组成。

设计思路是在普通抽油泵上部, 等径的泵筒内孔变为一个孔径逐渐增大的锥形泵筒, 当柱塞行驶到锥形泵筒部位, 柱塞和泵筒的间隙逐渐增大, 形成一个气液交换的通道, 气体上升液体下降, 把泵腔室的气体完全排出。

2. 工作原理

抽油泵外体和固定凡尔总成随着生产油管下到井下设计层位, 柱塞和游动凡尔总成随抽油杆下到泵筒内, 抽油杆在地面抽油机带动下在油管内作上下周期运动, 从而使柱塞及游动凡尔总成在泵筒内作上下往复运动, 上行为上冲程下行为下冲程。在上冲程时, 柱塞从泵筒底部上行, 此时游动凡尔关闭, 柱塞和固定凡尔之间的泵腔室空间增大形成负压, 固定凡尔球在环空压力作用下上行打开进液通道, 井内液体和气体进入泵腔室, 完成充液过程。当柱塞上行到上死点, 柱塞进入锥形泵筒区, 柱塞与泵筒的间隙增大形成环空气液通道, 泵腔室的气体往上跑进入泵上部的油管, 油管的液体返回到泵腔室, 柱塞上下压力平衡, 柱塞下面的泵腔室全部充满了液体。下冲程时, 由于泵腔室里不再有气体且因为液体的不可压缩性, 泵腔室的压力会迅速增加, 固定凡尔关闭, 当泵腔室的压力大于游动凡尔以上的液柱压力后, 游动凡尔球上行打开排液通道, 泵腔室的液体进入油管完成排液过程。

由于下冲程开始之前, 泵腔室的气体已经完全排出, 柱塞下行的过程中一开始就接触到液体, 消除了柱塞和液面的液击现象, 更不会产生气锁, 能延长泵的使用寿命和提高泵效。

二、技术关键及特点

在常规抽油泵的基础上, 上部泵筒改为内径逐渐增大的锥形泵筒, 在柱塞上死点位置, 柱塞与泵筒有较大的间隙, 能使泵腔室的气体和柱塞上面的液体在上冲程和下冲程转换的时间内完成交换, 实现柱塞上下压力平衡, 把泵腔室的气体完全排放到油管内, 消除气体对泵的影响。

三、现场应用

使用变量防气防砂泵在2012~2013两年中分别在中原油田采油一厂、四厂进行了8井次的含气井现场实验, 气液比范围在100~500不等, 结果表明, 使用该泵没发生气击、液击和气锁现象, 增加了抽油泵有效充满程度, 减少了抽油系统故障率, 平均提高泵效10%, 使用寿命延长15%。

在中原油田采油三厂进行了3井次的防砂性能实验, 没遇到砂卡和磨损情况, 延长泵生产周期20%以上。

现场示功图表明, 光杆受力稳定规范, 没有看到冲击载荷在泵示功图上的反应, 彻底排除了气体对抽油泵的影响, 保证了泵的正常生产。

结论

气体是影响泵效的主要因素, 通过在泵筒上部增加锥形加大内孔结构, 使柱塞在上死点能够实现上下压力平衡, 达到气液交换的目的, 能明显增加泵效;

下冲程时由于泵腔室没有气体, 不存在气击和液击现象, 能减少抽油设备的损坏事故率, 提高泵的使用寿命;

变量放气防砂泵在使用中能自动冲刷砂粒, 很好的起到了防砂作用。

摘要：有杆抽油泵采油是国内油田的主要生产方式, 由于地层能量的不足, 泵吸入口的压力往往都低于饱和压力, 这就造成或多或少的气体进入泵腔室, 不仅影响泵的充满程度, 还会引起液击现象损坏抽油系统, 更为严重的是会发生气锁造成抽油泵停止工作。虽说使用气锚或防气泵能降低气体对泵效的影响, 但目前的技术还不能彻底消除其影响。为此, 研制开发了一种在高油气比环境下使用的变量防气防砂泵, 该泵在常规抽油泵的基础上, 上部加一个泵孔逐渐增大的锥形体泵筒, 当柱塞行驶到上冲程上死点, 泵腔式的气体全部排放到油管内, 油管内的液体返回到泵腔式, 从根本上解决了泵液击、泵气锁的问题。

关键词：防气泵,液击,气锁,防砂