液气混抽泵强制排气增产技术研究

赵 辉，杨 峰，王海文

（1.中石化胜利油田分公司 东辛采油厂，山东 东营257094；2.中国石油大学（华东），山东 青岛266580）＊

高气油比油井受到气体影响而造成抽油泵充满度低［1］。为了减少进泵气体，采用气锚分离出部分气体到油套环空，通常能取得较好效果［2］。气锚分气效率与气油比有关，如果油井气油比很大、间歇出气量很大或者形成泡沫油，气锚分离效果受影响［3］，使用气锚后进泵气体量仍很大，泵不能及时排出气体，造成恶性循环。抽油泵因为气体影响不能正常工作，每一个冲次不排液或者排液量很少，导致油井达不到设计产量。本文研究一种能够强制排出进泵气体的抽油泵，分析了泵的工作原理和适用条件，建立了泵工作参数计算模型。

1 结构和工作原理

液气混抽泵（以下简称液气泵）泵筒从下到上依次由长泵筒段、气包段和短泵筒段等3段连接组成，固定阀、游动阀和泵柱塞与常规抽油泵相同。气包段为双层空腔结构，衬套上割有筛缝连通气包空腔与泵腔，只要能够保证长泵筒段、气包段和短泵筒段同心，气包段也可以不设置割缝衬套。

图1分别表示液气泵在上、下冲程工作中柱塞处于不同位置及固定阀和游动阀的开闭状态。

1） 上冲程（如图1a）。柱塞到达气包段之前，工作原理与常规抽油泵相同。

2） 气体进气包（如图1b）。柱塞下端面高于气包段下端面，气包空腔与泵内连通，泵内气体与气包内液体在密度差异重力作用下对流，气体进入气包空腔并上升至空腔上部。

3） 上死点（如图1c）。泵筒内形成上气下液的分布。

4） 下冲程（如图1d）。柱塞向下运动，排挤泵腔内气体到气包空腔内，直至柱塞下端面到达气液界面，这时气体全部进入气包空腔。

5） 气体出气包（如图1e）。柱塞继续向下运动，泵内压力继续升高，直至游动阀打开，泵开始排液，泵的工作情况与常规抽油泵完全充满液体情况相似。当柱塞上端面低于气包段上端面时，气包空腔与泵上连通，气包内气体与泵上液体对流，气体进入泵上油管内，泵上液体流入气包空腔。

图1 液气泵工作示意

由上述液气泵工作原理可以看出：进入泵的气体通过气包空腔排到泵上，气体不经过游动阀，避免了气体对打开游动阀的影响，能够强制排气。上冲程气体进入气包空腔置换出其中的液体，下冲程气体排到泵上，而泵上的液体进入气包空腔。上下冲程中，气体从泵内排到泵上，是以泵上液体漏进泵腔为代价的，这是液气泵的一个缺陷。

目前，液气泵尚处于试验阶段，有44mm和56 mm 2种规格，泵的结构参数参照组合泵筒管式泵结构设计［4］。气包段结构参数如表1。

表1 液气泵气包段结构参数

2 泵的排量和效率计算模型

常规抽油泵理论排量为

式中：Vt为泵1个冲次理论排量，m3；fp为泵柱塞截面积，m2；S为悬点冲程，m。

由于冲程损失、泵充满程度、泵漏失和原油体积系数等因素，泵的实际排量一般少于理论排量，即

式中：V为泵1个冲次实际排量，m3；η为泵效，%。

泵的作用是给流体增加能量，泵效是能量转换的效率，对抽油泵来说，是光杆的机械能传递到抽汲液体势能的转换效率。抽油泵是体积泵，可以用体积比表示泵效，因此式（2）中的泵效严格来说是体积泵效，也称为抽油泵的排量系数［5－6］，而不是能量转换意义上的泵效。

泵效可分解为4个部分，即

式中：ηγ为冲程损失对泵效的影响；ηB为原油体积系数对泵效的影响；β为泵充满程度对泵效的影响；ηL为泵漏失对泵效的影响。

将泵效各影响因素表达式代入，则

式中：Sp为泵柱塞冲程；Bl为沉没压力条件下被抽汲液体的体积系数；Vv为进入泵内的液体体积；Vr为柱塞1个冲程让出的泵内体积；Vl为漏失液体体积。

根据液气泵的结构和工作原理，液气泵的理论排量和实际排量仍可以用式（1）～（2）计算。影响泵效的4个因素中，冲程损失、原油体积系数对泵效的影响没有明显差别，而泵充满程度和泵漏失有明显差别。液气泵在上冲程有气体进入气包空腔置换液体进入泵的过程，这个过程造成泵腔的充满程度提高了，而同时泵漏失量增加了。

将影响液气泵泵效各因素表达式代入式（3）得

式中：Vgr为上冲程从气包空腔置换到泵的液体体积。

将式（5）进行变换得

式（6）中，（Vv＋Vgr＋Vl）几乎与Vr相等，因此第2项近似为零。比较式（6）与式（4），可以认为常规泵与液气泵的体积泵效差别不大。进入气包空腔的气体体积与置换进入泵的液体体积相同，从体积上相互低消了。换个角度说，如果不考虑其他漏失因素，在上冲程从气包空腔漏失进泵的液体，下冲程时又悉数排回到泵上。

3 分析

3.1 液气泵的作用

由上述计算模型可以看出，常规泵与液气泵的实际排量差别不大。由于液气泵特有的结构和工作原理，每个冲次都能排出一部分气体，避免抽油泵气锁。通过强制排出进入泵内的气体，使抽油泵恢复排液功能，随着油井产量增加，气液滑脱减轻，进泵气油比进一步降低，达到稳定生产状态。

3.2 适应的进泵气油比

如果进泵全部为气体，按照液气泵的工作原理，柱塞到达上死点时，气包空腔里的液体流入长泵筒段，气体进入气包，下冲程进入长泵筒的液体经游动阀排到泵上，液气泵在纯气的情况下仍然能够正常工作。

如果进泵全部为液体，气包空腔里的液体压力为泵出口压力，大于泵内液体压力，在上冲程连通的时候，压力趋于一致，有少量液体从气包空腔膨胀进泵，其他方面与常规泵相同。因此，液气泵适应的进泵气油比的情况是“有气则排，无气照常工作”。

3.3 柱塞上死点位置对液气泵工作效果的影响

上死点时柱塞的位置对液气泵工作效果有很大影响。如果柱塞底端面处于气包段上端，气体在气包段的分布按气包环空和泵腔截面积比例分布。

如果上死点时柱塞底端面太高，进入短泵段，在短泵段让出的体积被气体占据，这样就增加了下冲程压缩气体的行程，降低泵效。

如果上死点时柱塞底端面低于气包段上部，能够增加进入气包空腔气体比例，但气液对流时间短，效果不明显。如果柱塞底端面位于气包段下部，气液来不及对流，影响气包段作用发挥。如果柱塞底端面未进入气包段，气包段不起作用，与常规泵完全相同。

由此可知，要求上死点时柱塞底端面处于气包段上端，如图1c所示。

3.4 液气泵井示功图的特点

由于气包环空截面积远大于泵腔截面积（如表1），大部分气体进入气包空腔，下冲程柱塞压缩泵内气体到达气液界面的行程大幅缩短，根据气油比情况，游动阀有可能在柱塞进入长泵筒段前打开，进入长泵筒段后，泵处于完全充满状态，实测液气泵井示功图充满程度很高。由上述排量与泵效计算模型分析可知，虽然泵充满程度高，由于漏失量增加，泵的实际排量并不增加。

上冲程柱塞底端面高于气包段时，气包空腔里的高压液体与泵腔连通，能在示功图上观察到载荷略微下降，这是判断上提防冲距是否合适的判断依据之一。

3.5 泡沫油的影响

泡沫油气液难以分离，在泵内形成上气下液的分布状态不明显，降低气体进入气包空腔的速度，影响液气泵排液速度，但仍能强制排出气体，避免常规泵气锁状态的发生。

3.6 进泵气油比与气包段长度优化

气包段能够强制排气，同时也造成漏失和能量损耗，根据进泵气油比，合理设置气包段长度非常必要。气包段长度要小于泵柱塞长度，表1给出的气包段长度为0.7m，是否是最优长度尚待试验证实。

4 应用实例

盐22区块为低孔特低渗油藏，采用整体压裂方式投产，地面原油密度 0.84g／cm3，黏 度18.5 mPa·s，饱和压力19.2MPa，气油比149.6m3／t。针对区块高气油比、低泵效，先后在8口井上配套应用了组合气锚和伞形多级分离气锚，8口井平均产量由 4.9m3／d 上 升 为 5.3m3／d，平 均 泵 效 由20.20%上升为24.50%，8口井总体使用气锚效果不明显。而在其中气油比约为30的YJN22－42井和YJN22－45井上，分别使用组合气锚和伞形多级分离气锚取得较好效果。本文以YJN22X48井为例说明在气油比＞50的油井上使用液气泵的效果，由于高气油比导致泡沫的原因，动液面测不准。

4.1 常规抽油泵的生产情况

采用深抽工艺，下泵深度2 400m，采用常规44mm抽油泵，未使用气锚，25mm连续杆，冲程4.2m，冲次3.5min－1，日产液量4.8t／d，日产气量411m3／d，含水6.5%，泵效15%。套管出气在井口输入地面管线，日产气量包含套管产气量和油管产气量。按王伟章研究的方法［7］，该井经抽油泵产出液的气油比约为50m3／t。

2011－07－11实测示功图如图2所示。

图2 YJN22X48井使用常规抽油泵采油实测示功图

由生产数据和图2可以看出：抽油泵受气体影响严重，下冲程卸载困难，有效排液冲程很短，上冲程加载缓慢，最大载荷高达120kN，按D级抽油杆强度计算，抽油杆应力范围比1.53，超应力范围。造成最大载荷大的原因主要有：产量低、滑脱明显、泵上流体平均密度大；油井实际动液面远比测试得到的动液面深。

4.2 液气泵的生产情况

在YJN22X48井使用液气泵采油，其他工艺参数与使用常规抽油泵时相同，投产后日产液量明显上升。2011－09－07实测示功图如图3所示，对应日期的日产液量为22.2t／d，日产气量2 417m3／d，含水7.5%，泵效69%。

由图3可以看出：下冲程0.7m后开始卸载，符合液气泵示功图特点，抽油泵充满程度较高，泵效大幅提高，最大载荷降为107.3kN，抽油杆应力范围比为1.06。

图3 YJN22X48井使用液气泵采油的实测示功图

4.3 对比分析

YJN22X48井使用液气泵采油前后日产液量与日产气量如图4～5所示。2011－07－17前使用常规泵采油，之后由于气体影响而停产。2011－08－06使用液气泵投产。由图4～5可以看出：油井产油量和产气量都同期大幅提高，其增产的机理在于用液气泵能够强制排出已经进入泵的气体，解决了常规泵受气体影响严重的问题，实现了气液同步混抽。同时由于产量增加，泵下、泵上气液滑脱现象减弱，泵上流体平均密度降低，液柱载荷减小，降低了抽油杆应力范围比。

图4 YJN22X48井使用液气泵采油前后日产液量

图5 YJN22X48井使用液气泵采油前后日产气量

表2为盐家区块实施液气混泵采油的油井生产数据。由表2中数据可以看出：油井含气大的井增产效果明显，其中，YJN22X48井增产效果最好；而日产气量少的井，例如YJA925X2井，增产效果不明显。由于气包空腔具有强制排气作用，能够降低活塞压缩泵内气体的无效行程，所以液气泵对气体影响严重的油井增产效果好。

表2 盐家区块实施液气混泵油井增油数据

5 结论

1） 根据液气泵结构和工作原理，建立了液气泵工作参数计算模型，可用于进行液气泵油气混抽工艺方案设计计算、示功图解释和工况诊断的理论依据。

2） 液气泵是对常规抽油泵进行了改进，采用气包空腔输送气体，具有强制排气作用，可以避免抽油泵气锁，适用于高气油比油井，尤其适用于前期常规抽油泵采油受气体影响严重的油井，能够通过强制排出气体，使抽油泵正常工作。

3） 由于液气泵结构和工作原理的限制，液气泵通过气包空腔把进泵气体转移到泵上，是以泵上液体漏进泵腔为代价的，在受气体影响不明显的油井上使用液气泵，不能提高泵效。

4） 在高气油比的盐家油田进行了液气泵采油的现场试验，试验井泵效由15%上升到69%，产量大幅度提高，取得良好效果。今后将在注氮气和注二氧化碳吞吐井上试验。

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