三元复合驱抽油机井结垢及悬点载荷试验研究

周瑞芬，柏 琳，李金玲，朱 闯

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆油田公司采油四厂，黑龙江大庆163318） ①

·试验研究·

三元复合驱抽油机井结垢及悬点载荷试验研究

周瑞芬1，柏 琳1，李金玲2，朱 闯1

（1.东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江大庆163318；2.大庆油田公司采油四厂，黑龙江大庆163318）①

三元复合驱抽油机井容易结垢，并引起卡泵事故。在室内建立抽油机井模拟试验台，在清水中加入能产生结垢的化学物质模拟井液，在不同冲程和冲次下试验，并与清水井液的试验结果比较，得知结垢会引起悬点载荷和示功图变化。研究结果为监测这2个参数，预防结垢危害奠定基础。

三元复合驱；悬点载荷；结垢；示功图

大庆油田采用三元复合驱开采后，原油含水率下降，产油量明显增加。但是，泵筒结垢严重，频繁出现卡泵现象，严重的会使抽油杆断脱。从常规水驱转为三元复合驱后，使得系统中流体的流动规律与水驱相比差别很大，且更加复杂。目前只对聚驱溶液粘度影响杆的受力及偏磨现象有研究［1］，而对卡泵现象研究较少。为了降低卡泵作业率，延长检泵周期，需对三元复合驱驱油井柱塞与泵筒之间的摩擦力对悬点载荷的影响进行研究。因此，在室内建立三元复合驱抽油机井试验装置，利用实测数据进行分析计算，对三元复合驱采油井生产过程中柱塞与泵筒受力状况进行分析，查明造成卡泵的主要原因，指导防垢剂的加入，以保证采油的顺利实施［2－4］。

1 试验装置

对于三元复合驱机采井，井下泵筒和柱塞很容易结垢，这些垢大多是由于井液中含有Ca2＋、CO2－3、Mg2＋、Si4＋等离子引起的。为了研究机采井井下是如何结垢及结垢引起的载荷变化情况，在室内建立抽油机井模拟试验台，原理如图1。

3 清水介质试验结果

图1 抽油机井模拟试验台原理

整个系统高5m，除泵筒采用有机玻璃材质外，其他材质与实际抽油机井相同。

1） 驱动部分 由电动机、减速器和曲柄组成。电动机由变频器控制，通过减速器带动曲柄做回转运动。曲柄回转半径可调（100、200、300、400mm），实现抽油机冲程为200、400、600、800mm。

2） 抽油泵 由吸入阀、泵筒、活塞和排出阀组成。抽油泵为32mmⅡ级泵，柱塞长600mm。抽油泵下端与油管短接相连。

3） 抽油杆（∅19mm） 下端与抽油泵柱塞相连，上端通过钢丝绳与曲柄相连。当电动机带动曲柄旋转时，曲柄通过钢丝绳带动抽油杆及抽油泵作上下往复运动，从而实现抽油过程。

4） 储液罐及管线 材质均为不锈钢。

5） 检测系统 由位移传感器、力传感器、数据采集板和计算机组成。测量悬点载荷及位移，并绘制示功图。

2 试验目的及工况参数

研究结垢对抽油机悬点载荷的影响及示功图的变化规律。结果用于指导油田在生产过程中监测悬点载荷变化及示功图变化，预测结垢情况，以便适时在井中添加防垢剂，避免发生卡泵事故。

1） 工况一 定冲程，改变冲次，分别测量悬点载荷和示功图。

2） 工况二 定冲次，改变冲程，分别测量悬点载荷和示功图。

冲程定为0.2、0.4、0.6、0.8m；冲次定为3.3、4.5、6.9、9.0min－1。

在不锈钢储液罐中加入0.5L清水，启动电机，待其运转平稳后开始试验。每种工况采集数据1 h，取平均值［5］。

3.1 悬点载荷

悬点载荷测量数据如图2～3。根据振动载荷和惯性载荷公式［6］，振动载荷与冲程成正比、惯性载荷与冲程成正比。由图2知，当冲次为3.3min－1时，随着冲程的增加，最大悬点载荷逐渐增加，最小悬点载荷逐渐减小，主要原因是冲程的增加，导致振动载荷和惯性载荷增加。在上冲程时，振动载荷和惯性载荷为正值，所以最大悬点载荷增加；在下冲程时，振动载荷和惯性载荷为负值，所以最小悬点载荷减小。当冲次为4.5、6.9、9.0min－1时，悬点载荷的变化规律也是如此。当冲程为＜0.6m时，在任何冲次下，悬点载荷变化平缓。当冲程0.6～0.8m时，悬点载荷变化比较明显。尤其是在冲次为9 min－1时，悬点载荷呈现了突变，说明惯性载荷变化幅度增加。由图3可知：当冲程为0.2、0.4、0.6m时，悬点最大载荷随着冲次的增加而增加，悬点最小载荷随着冲次的增加而减小，但是变化并不明显；当冲程为0.8m时，在冲次6.9min－1时，最大悬点载荷有明显增加，最小悬点载荷变化并不明显，最大悬点载荷的变化值比最小悬点载荷的变化值大，主要是上冲程惯性载荷要大于下冲程惯性载荷。

图2 定冲次时悬点载荷随冲程变化曲线（清水介质）

图3 定冲程时悬点载荷随冲次变化曲线（清水介质）

3.2 示功图

典型的示功图如图4～5，可看出，几种工况下的示功图类似于长方形，这是由于抽油杆尺寸短，振动和惯性载荷很小造成的。最大悬点载荷随冲次的增加而增加，最小悬点载荷随冲次的增加而减小。

图4 冲程为0.4m的示功图（清水介质）

图5 冲程为0.6m的示功图（清水介质）

4 结垢介质试验结果

在不锈钢储液罐中加入0.5L清水，并添加化学物质，边加入边搅拌。启动电机，待其运转平稳后开始试验。每种工况采集数据1h，取平均值［5］。

4.1 试验介质

为模拟三元复合驱井液的离子浓度［4］，在0.5 L清水中按表1添加化学物质。CaCO3和CaSiO3为结垢的成分。化学反应方程式为：

表1 清水中所加化学物质 g

4.2 悬点载荷

悬点载荷测量数据如图6～7。由图6知：在结垢时期当冲程为0.2、0.4、0.6m时，随着冲次的增加，最大悬点载荷增加，最小悬点载荷减小，变化趋势基本一致；而在冲程0.8m时，当冲次＞6.9 min－1时，悬点最大载荷与悬点最小载荷有突变。由图7知，在结垢时期当冲次为3.3、4.5、6.9min－1时，随着冲程的增加，最大悬点载荷增加，最小悬点载荷减小，变化趋势基本一致；而在冲次为9min－1时，在冲程＞0.6m时，悬点最大载荷与悬点最小载荷都有突变，这时的载荷变化规律与清水情况下载荷的变化规律有所不同。

图6 定冲程程时悬点载荷随冲次变化曲线（结垢介质）

图7 定冲程次时悬点载荷随冲程变化曲线（结垢介质）

4.3 示功图

由图8～9可以看出，示功图上下边出现了波动，这些变化是由于结垢引起摩擦载荷增加，致使最大悬点载荷增加约30%，最小悬点载荷减小。上、下冲程时产生的波动是由于柱塞和泵筒之间存有垢粒，随着柱塞上下抽吸，垢粒在泵筒中游动，因此造成冲程越大、冲次越大，摩擦载荷越大，致使示功图波动越大。

图8 冲程为0.4m的示功图（结垢介质）

图9 冲程为0.6m的示功图（结垢介质）

5 对比分析

对比试验结果可以看出，无论是在清水还是结垢状态下，当冲程（冲次）一定时，随着冲次（冲程）的增加，最大悬点载荷增加，最小悬点载荷减小。不同的是结垢时的示功图出现了波动，不在是单一的示功图变的肥大，其原因是柱塞与泵筒之间有垢粒，随着柱塞的上下抽吸，垢粒在泵筒中上下窜动产生滚动摩擦，造成摩擦载荷增加。对于上冲程，摩擦载荷是正值，所以最大悬点载荷增加；对于下冲程，摩擦载荷是负值，所以最小悬点载荷减小，因此在示功图中表现出波动。

6 结论

1） 当冲程一定时，随着冲次的增加，最大悬点载荷逐渐增大，最小悬点载荷逐渐减小。

2） 当冲次一定时，随着冲程的增加，最大悬点载荷逐渐增大，最小悬点载荷逐渐减小。

3） 在相同工况下，清水介质的示功图是光滑的矩形曲线；有结垢时，由于摩擦载荷的增加，示功图出现了波动，

4） 在生产过程中监测悬点载荷和示功图，根据变化规律采取相应措施，可以避免结垢造成的卡泵事故发生。

［1］ 李金玲，李天德，陈修君，等.强碱三元复合驱结垢对机采井的影响及解决措施［J］.大庆石油地质与开发，2008，27（3）.89－91.

［2］ 程杰成，廖广志，杨振宇，等.大庆油田三元复合驱矿场试验综述［J］.大庆石油地质与开发，2001，20（2）：46－49.

［3］ 王玉普，程杰成.三元复合驱过程中的结垢特点和机采方式适应性［J］.大庆石油学院学报，2003，27（2）：20－22.

［4］ 徐典平，薛家锋，包亚臣，等.三元复合驱油井结垢机理研究［J］.大庆石油地质与开发，2001，20（2）：98－100.

［5］ 沈迪成，艾万诚，盛曾顺，等.抽油泵［M］.北京：石油工业出版社，1994：154.

［6］ 董世民，张世军.抽油机设计计算与计算机实现［M］.北京：石油工业出版社，1994：15－38.

Experiment Research of Scaling and Suspended Load of ASP Flooding Pumping Well

ZHOU Rui－fen1，BAI Lin1，LI Jin－ling2，ZHU Chuang1
（1.College of Mechanical Science and Engineering，Northeast Petroleum University，Daqing163318，China；2.No.4 Oil Production Plant，Daqing Oilfield Canpany，Daqing163318，China）

It is easy to produce stuck pump and cause accident in ASP flooding pumping wells.The test－bed of pumping well in indoor was established，addition of chemical substances it can produce scale in water to simulate drilling fluid.Test in different stroke and the number punching，the results of clean water test，scaling rod load and changes in dynamometer were compared.Research results through the monitoring of these two parameters，the basis for the prevention of fouling hazard.

ASP flooding；rod load；scaling；dynamometer

1001－3482（2012）04－0044－04

TE933.1

A

2011－10－27

黑龙江省教育厅项目（11551012）资助

周瑞芬（1972－），女，河北唐山人，副教授，博士，主要从事油井杆柱力学性能研究，E－mail：zhourf0218＠163.com。