一种新型分采泵的研制及在延长油田的应用

王卫刚，赵亚杰，李留仁，姚 军，刘 通

(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司 研究院，陕西西安710075;2.西安石油大学 石油工程学院，陕西 西安710065)

目前，延长油田含油层系多，油层复合连片，不同层系在渗透率和能量方面相差较大，非均质严重，油田常采用多层合采工艺。同时，为有效动用低压层，需通过增大生产压差，使生产时的井底流压低于任意层段的地层压力，实现井下各油层的动用，但其会造成严重的层间干扰。要使各层充分发挥作用，就必须采取分层采油工艺，以消除层间干扰问题，从而达到适度开采高压油层，充分发挥低压、低渗透油层的潜力。分层同采工艺技术研究对延长油田开发具有重要意义［1-2］。旧的分采泵分层同采工艺技术是由分采泵和封隔器2种工具组合配套而成。封隔器用来隔开2段油层形成2套压力系统，分采泵2套抽油系统分别对每段油层进行抽汲采油［3-7］。本文设计了一种使用简单、可靠、成本低廉的新型分采同出泵，可实现一套抽油举升系统的分层同采。

图1 分采混出泵原理Fig.1 Principle of layered oil producing pump

图2 分采混出泵结构Fig.2 Structure of layered oil producing pump

1 分采混出泵设计

如图1所示，本文设计的分采混出泵在泵下2层段分层采油，泵上2层段液体混合，最后通过油管由一套抽油系统举升至地面。分采混出泵结构如图2所示，在设计上遵循标准化的设计原则，所有的阀罩、阀球、阀座等采用标准件(符合SY/T5059—91《抽油泵》及SY5134—86《组合泵筒管式泵结构及主要零部件尺寸》的要求)。以下对分采混出泵的非标准零部件进行设计计算。

1.1 基本参数及理论排量计算

(1)基本参数

分采混出泵生产时管柱下层采油实际泵径32 mm，上层采油实际泵径30.2 mm，总体相当于44泵，基本参数见表1。

表1 分采混出泵基本参数Tab.1 Basic parameters of layered oil producing pump

(2)理论排量计算

理论排量的计算公式为

式中:Q为泵的理论排量，m3/d;F为柱塞截面积，m3;S为悬点冲程，m;N为冲次，min—1;K为泵常数。

1.2 强度计算

(1)外套螺纹强度校核

螺纹强度校核式为

式中:p为最大载荷，kN;h为螺纹牙高，m;b为螺纹牙根部宽度，m;kz为螺纹载荷不均匀系数;d为螺纹根部直径，m;z为旋合圈数。

设计参数:p=267 kN，h=1.083 ×10—3m ，b=1.57 × 10—3m，kz=0.56，d=195 × 10—3m，z=20。代入式(2)得 σw=51.1 MPa，τ=24.8 MPa。

已知 σs=353 MPa，于是［σw］ = σs/1.5=235.3 MPa，［στ］ = σs/4.5=78.4 MPa，故有

σw＜ ［σw］，τ＜ ［στ］，因此，外筒螺纹强度是足够的。

(2)泵筒抗内压能力校核

以混出流量44泵为例计算，其泵筒材料为45钢，［σ］ = σs/1.5=235.3 MPa，外径 D=58 mm，内径d=44 mm，该泵筒为厚壁圆筒，内壁上应力最大。其径向、周向、轴向应力计算式分别为

式中:k为所求应力点半径与内径之比;K为泵筒内外径之比;pi为内压。

设计参数:k=1，K=1.25，pi=18 MPa(根据石油天然气行业标准《抽油泵》SY/T5059—91)。分别代入式(3)—式(5)，计算得σr=—18 MPa，σθ=25 MPa，σz=32 MPa。

45号钢，属塑性材料，通常以屈服的形式失效，按第四强度理论进行校核:σr4＜［σ］，其中:相当应力

由规定知:σ1= σr=—18 MPa，σ2= σθ=25 MPa，σ3= σz=32 MPa，代入式(7)得 σr4=46.89 MPa，故有σr4＜［σ］，因此，泵筒抗内压能力足够。

(3)柱塞强度校核

在柱塞从泵筒中取出过程中，由于柱塞外露部分为1.5 m，当水平放置时，在自重作用下将产生弯曲，简化为恒力弯曲悬壁梁。柱塞强度

式中:D为柱塞外径，m;d为柱塞内径，m;ρ为柱塞金属密度，kg/m3;g为重力加速度，m/s2。

设计参数:D=0.044 m，d=0.030 m，ρ=7.8 ×103kg/m3，g=9.8 m/s2。代入式(6)得 q=92.17 N/m。

最大正应力及最大剪应力均在悬臂处。于是有

故有σmax＜［σ］，τmax＜［τ］，因此，柱塞强度满足要求。

2 室内试验分析

为检验分采混出泵管柱的可行性、可靠性及主要工具的综合性能，以及能否进行现场试验，需按照设计要求加工的新型分采混出泵进行室内试验［8-9］。

(1)柱塞通过泵筒性能试验。试验结果表明，柱塞全长的圆柱度及尺寸公差符合设计要求，抽油泵在井下工作时，保证柱塞能在整个冲程范围内运动，不发生卡泵现象。

(2)阀球与阀座的密封性能试验。对分采混出泵、分采分出泵、球座、阀球等元件进行密封性试验，全部合格。经配研后阀球与阀座密封性能可靠，从而保证泵阀在井下关闭时，密封可靠，不发生漏失。

(3)泵总成密封和承压强度试验。将泵组件组装后，进行泵总成密封和承压强度试验，结果见表2。表明3种不同型号泵的各锥管螺纹密封面、各端面密封面、进油阀密封面和抽油泵各受内压零件在井下液柱压力作用下的密封性能和承压强度均可靠。

表2 分采混出泵总成密封和承压强度试验结果Tab.2 Test results of assembly seal and bearing strength of layered oil producing pump

3 现场试验

为了全面检验新设计的分采混出泵工艺技术在各种条件下的适用性能及使用的可靠程度，在开展了大量室内试验的基础上，在延长油田西部某采油厂进行了现场试验，通过与管式泵进行对比，现场实施4口井的产液情况见表3。

表3 管式泵与分采混出泵油井产液量对比Tab.3 Liquid producing amount of the oil wells with different oil producing pump

现场试验结果表明，新设计的分采混出泵增产效果非常明显，在延长油田很强的适应性。

4 结论

(1)新设计的分采混出泵各项设计指标均符合要求，各项性能达标。

(3)现场试验表明，分采混出泵增产效果明显，可以满足延长油田分层同采的技术要求，在延长油田有很强的适应性，可以在延长油田推广应用。

［1］ 杜永军，王金东，管荣达，等.两层分采同步抽油技术［J］.大庆石油学院学报，1999，23(2):50-52.

DU Yong-jun，WANG Jin-dong，GUAN Rong-da，et al.Two-formation isolation and simultaneous pumping system［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，1999，23(2):50-52.

［2］ 郭伟，于振东.两层分采同步抽油技术研究与应用［J］.石油钻采工艺，2001，23(1):60-62.

GUO Wei，YU Zhen-dong.Research and application of separate layer recovery with two pumps producing in the same time［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2001，23(1):60-62.

［3］ 于鑫，娄京伟，徐贵东，等.分抽混输泵的研制与应用［J］.石油机械，2005，33(s1):45-49.

YU Xin，LOU Jing-wei，XU Gui-dong，et al.Research and application of separate layer production pump［J］.Petroleum Machinery，2005，33(s1):45-49.

［4］ 屈艳飞，李权，付阳秋，等.分层合采工艺管柱研究与应用［J］.石油钻采工艺，2005，28(1):80-81，88.

QU Yan-fei，LI Quan，FU Yang-qiu，et al.Research and application of processing pipe string for selective zone production［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2005，28(1):80-81，88.

［5］ 胡九章.分采泵［J］.石油机械，1991，19(9):52-55.

HU Jiu-zhang.Separate pump［J］.Petroleum Machinery，1991，19(9):52-55.

［6］ 程泓菲，汪锋军，余洪，等.分采泵分层采油工艺技术的应用［J］.科技创新导报，2013(15):119.

CHENG Hong-fei，WANG Feng-jun，YU Hong，et al.Application of separate layer production technology with separate pump［J］.Science and Technology Innovation Herald，2013(15):119.

［7］ 王彧，古光明，李蓉，等.两层分层同采工艺管柱的研制［J］.石油机械，2006，34(10):37-38.

WANG Yu，GU Guang-ming，LI Rong，et al.Development of the two-layer separate-layer simultaneous string［J］.Petroleum Machinery，2006，34(10):37-38.

［8］ 范学君，梁岩，马春英，两层分采技术的新进展及应用［J］.钻采工艺，2002，25(6):97-98.

FAN Xue-jun，LIANG Yan，MA Chun-ying.New advantages and application of two layer separate production technology［J］.Oil Drilling ＆ Production Technology，2002，25(6):97-98.

［9］ 李大建，牛彩云，何淼，等.长庆油田分采泵分层采油工艺技术研究与应用［J］.石油地质与工程，2012，26(6):97-98，102.

LI Da-jian，NIU Cai-yun，HE Miao，et al.Research and application of gas-proof pump layering oil production technology in Changqing oilfield［J］.Petroleum Geology and Engineering，2012，26(6):97-98，102.