液力反馈泵井悬点静载荷实践

论文导读：液力反馈抽抽油泵的特点是抽油杆柱下行时不存在由于抽油杆浮力里所引起的下行阻力，其结构简图见图1。某口油井的基础数据和杆柱组合见表1、表2。测试得到的上漏失曲线值为62KN，下漏失曲线值为50KN。研究了示功仪测试上、下漏失曲线的意义以及力的组成，针对于液力反馈泵井建立了上、下漏失曲线测试时抽油杆的受力平衡方程，通过两个方程联立求解，得到抽油杆自重、泵出口压力以及液柱载荷的计算公式。
关键词：液力反馈泵，油井，抽油杆，静载荷，测试

　　0. 前言
　　随着全国各大油田含水的上升，伴随产生的抽油杆柱下行阻力大的现象日益突出，为了解决这个问题，各个油田都在进行液力反馈泵的推广试点工作，为了使液力反馈泵的应用更加合理，有必要对它的静载荷进行分析。抽油机悬点载荷包括静载荷和动载荷两部分，静载荷是指抽油机停机时悬点所受的载荷，动载荷是指由于悬点运动所产生的载荷，主要是惯性载荷和摩擦载荷，载荷可以通过示功仪测取。此前悬点静载荷多采用直接计算的方法，由于抽油杆柱组合的多样性以及井筒中流体的复杂性，使得杆柱自重和液柱载荷的计算不很精确，导致静载荷的计算误差较大。本文利用示功仪测取漏失曲线[1][2]，通过对漏失曲线的分析，计算得到了静载荷各个分量。
　　1.液力反馈抽油泵的工作原理
　　图中1-抽油杆；2-泵筒接箍；3-上柱塞；4-出油阀；5-进油阀；6-上泵筒；7-中心管；8-中间接箍；9-下柱塞；10-下泵筒；11-下部接头。

　　图1 液力反馈抽油泵
　　液力反馈抽抽油泵的特点是抽油杆柱下行时不存在由于抽油杆浮力里所引起的下行阻力，其结构简图见图1。液力反馈抽抽油泵是由两台不同泵径的抽油泵串联而成，中心管将上下柱塞联为一体。这种泵的进、出油阀均装在柱塞上，在下冲程时，柱塞下行，上柱塞与上泵筒的环形腔A体积减小，压力增大，A腔的原油通过孔b将进油阀关闭，出油阀打开并排入油管中。此时进油阀关闭，油管内液柱的压力通过进油阀施加在柱塞上（即液力反馈）强迫柱塞克服稠油的阻力下行。在上冲程时，柱塞上行，A腔增大，压力减小，进油阀打开，出油阀被油管内的液柱压力关闭，泵下的原油经孔b流入A腔。
　　这种泵的设计特点是采用大下柱塞形成的A腔和只在大下柱塞上装进出油阀，以达到下冲程时进油阀关闭，实现液力反馈的目的。
　　2. 悬点静载荷
　　由于油井情况的复杂性，抽油杆柱在井下的受力状态也极为复杂，依据工艺需要，会有扶正器、脱节器等井下工具连接在抽油杆上，这些工具的部分数据不容易准确获取，利用杆柱组合计算杆柱自重的方法并不准确。同样，流体在井筒中的流动也是一个复杂的过程，流体在井筒中是多相流，用垂直多相管流计算方法计算时需要液体粘度、密度、含水、气液比、饱和压力和温度分布等参数[3]，由于计算所采用的理论模型和液体物性参数存在误差，导致计算出的液柱载荷不准确。
　　抽油机悬点所受的静载荷包括[5]：抽油杆柱自重引起的载荷、液柱载荷、井口油压产生的载荷、沉没压力产生的载荷以及抽油杆柱所受的浮力。漏失曲线是在抽油机停止运动时测试得到的，漏失曲线反映的悬点静载荷与抽油机停机时悬点的位置和停机上下冲程过程有关，如图1所示，运动所产生的惯性载荷和摩擦载荷等不会对漏失曲线产生影响。下面研究用漏失曲线测试值和解析方法计算各静载荷值的方法，研究中尚未考虑抽油杆接箍所受的压差、摩擦力对杆柱的夹持力以及泵内外压差的影响。
　　
　　图1 漏失曲线
　　1.1上漏失曲线
　　上漏失曲线是在抽油机上冲程接近上死点时停机测取得到的，如果游动阀、油管等处有漏失，上漏失曲线的载荷值随时间下降，在上漏失曲线起始点处的载荷值主要由以下几部分组成：抽油杆柱自重引起的向下的载荷、液柱产生的向下的载荷、井口油压产生的向下的载荷、沉没压力引起的向上的作用力。
　　抽油杆在测试上漏失曲线时力的平衡方程为：
　　(1)
　　式中，为上漏失曲线的起始点载荷/（），为抽油杆柱自重/（），为作用在大活塞上的液柱载荷/（），为井口油压作用在大活塞上产生的载荷/（），为沉没压力作用在大活塞上产生的载荷/（）。
井口油压可以从井口的压力表直接读取，沉没压力则由套压、动液面和下泵深度等参数计算得到，而套压、动液面是容易测取的数值。所以井口油压引起的载荷与沉没压力产生的作用力可以准确计算得到[4]，其计算公式为：
　　井口油压产生的载荷：
　　(2)
　　式中，为井口油压/（），为泵大活塞的截面积/（），为最后一级抽油杆的直径/（）。
　　沉没压力产生的载荷：
　　 (3)
　　式中，为沉没压力/（）。
　　1.2下漏失曲线
　　下漏失曲线是在抽油机下冲程接近下死点时停机测取得到的，在下漏失曲线起始点处的载荷值主要由以下几部分组成：抽油杆柱自重引起的向下的载荷、液柱产生的向下的载荷、井口油压产生的向下的载荷、沉没压力引起的向上的作用力。抽油杆在测试下漏失曲线时力的平衡方程为：
　　(4)
　　式中，为下漏失曲线的起始点载荷/（）, 为作用在小活塞上的液柱载荷/（）。
　　井口油压产生的载荷：
　　(5)
　　式中，为井口油压/（），为泵小活塞的截面积/（），为最后一级抽油杆的直径/（）。
　　沉没压力产生的载荷：
　　(6)
　　式中，为沉没压力/（）。
　　3. 由上、下漏失曲线计算分析抽油杆受力
　　从上面的分析中可以看出，只有井口油压与沉没压力产生的载荷可以准确计算，下面研究其余载荷的解析计算方法。
　　由式(1)与式(4)可以看出，上、下漏失曲线中均包含抽油杆柱自重，用 (1) 式减去 (4) 式并将井口载荷与沉没压力产生的载荷代入可得：
　　(7)
　　式中，为上漏失曲线的起始点载荷/（），为第最后一级抽油杆柱在井筒流体中所受到的浮力/（）。
　　上式中，液柱载荷的实质表现就是液柱产生的压力对活塞的作用，这样
　　(8)
　　(9)
　　将式(8)与式(9)代入式7中得液柱的压力为
　　(10)
　　式中，为柱塞处液柱的压强/（）。
　　泵出口处的压力为：
　　 (11)
　　井筒中的液柱载荷为：
　　 (12)
　　抽油杆柱的自重为：
　　 (13)
综上所述，通过公式(2)、(3)、(11)、(12)、(13)可以分别得到井口油压产生的载荷、沉没压力产生的载荷、液柱载荷及抽油杆柱自重。
　　4 计算实例
　　某口油井的基础数据和杆柱组合见表1、表2。
　　表1 油井基础数据
　　

泵径(mm)	70/44	产液量()	30
泵深(m)	1000	含水率(%)	85.1
动液面(m)	638.1	气液比()	7.2
回压()	0.4	油密度()	880.7
套压()	0.0	油粘度()	535.8

表2 抽油杆柱组合
　　

　　测试得到的上漏失曲线值为62KN，下漏失曲线值为 50KN 。
　　利用上面的计算方法对该井进行计算之后，得到的计算结果见表3：
　　表3 计算结果列表
　　

杆柱组合自重(KN)	44.88
泵出口压力()	8.68
沉没压力对上柱塞的作用力(KN)	12
井口回压对上柱塞的作用力(KN)	1.34
沉没压力对下柱塞的作用力(KN)	4.74
井口回压对下柱塞的作用力(KN)	0.41
泵出口压力对上柱塞的作用力(KN)	29.12
泵出口压力对下柱塞的作用力(KN)	8.93

从表3中的计算结果中可以看出，用漏失曲线推算出的杆柱组合自重为44.88KN，而用两级抽油杆长度乘以抽油杆线重的方法计算得到的杆柱自重为41.06KN，两者相差3.82KN，差异很大，产生差异的主要原因是由于用线重计算杆重的方法忽略了杆柱组合中部分元件，这些元件包括光杆、泵活塞、短节和扶正器等。
　　用漏失曲线推算出的泵出口压力为8.68MPa，而根据油水相对密度和含水率计算得到的泵出口静水压是9.63MPa，引起计算结果差别的主要原因是：该井的动液面较高的原因，另外在油管内，流体处于气液两相流状态，如用纯液流计算，就会导致计算结果偏大。采用多相垂直管流计算方法会得到较准确的计算值，但需要的已知参数多，且不易准确获取。
　　5.结论
　　研究了示功仪测试上、下漏失曲线的意义以及力的组成，针对于液力反馈泵井建立了上、下漏失曲线测试时抽油杆的受力平衡方程，通过两个方程联立求解，得到抽油杆自重、泵出口压力以及液柱载荷的计算公式。该方法测试数据简单，所得到的参数对液力反馈泵井工况诊断和油井工艺方案设计具有重要作用。

参考文献
[1]石油工业标准 SY/T 5864-93, 抽油机井示功图测试[S]
[2]沈迪成，艾万诚，盛曾顺等 抽油泵 北京：石油工业出版社.1994
[3]王一平，王海文，张超等 利用漏失曲线计算抽油机悬点静载荷[J].西安石油大学学报，2005,20(2)：58-60
[4]王海文, 王一平，韩林. 用示功仪测取油井产量[J]. 油气田地面工程, 2004,23(3):29
[5]曹红英, 毕国强, 马玉花. 示功图量化分析与计算[J]. 新疆石油科技,2003,13(1):28-32
[6]石在虹, 魏兆胜, 杨树人等. 利用示功图计算抽油机井的产液量[J]. 大庆石油学院学报,1996,20(4):20-23
[7]邬亦炯. 抽油机平衡的若干问题之讨论[J]. 西安石油学院学报,1997,12(6):45-49