抽油机合理冲程长度的确定方法研究

江少波

（中石化胜利油田分公司 临盘采油厂，德州 251500）

随着我国油田开发的不断深入，我国主力油田生产井的动液面不断下降，含水率不断升高。为了满足产量要求，保障油田的稳产高产，油田的下泵深度不断增加，泵径不断加大，使得抽油机的悬点载荷不断上升，对冲程的要求不断加大[1]。这就导致油田所使用抽油机的型号、冲程不断加大，研制长冲程、低冲次、大负荷的抽油机成为抽油机设计的发展趋势[2]。虽然抽油机冲程的增加，可以满足油田采油工艺对长冲程抽油机的需求，但也给配套设备的选择、油田运输、制造成本带来巨大的压力，因此，如何合理地选择抽油机的冲程，使之既能满足油田对抽油机冲程的需求，又不使制造成本增加过快、配套设备不能满足要求等影响其推广使用，成为人们关注和研究的重点[3-4]。本文试图从采油工艺、泵的有效冲程、作业工艺等角度，分析抽油机冲程选择的确定依据，建立合理的抽油机冲程选择方法，为新设计抽油机提供理论帮助。

1 考虑中杆柱静变形对泵有效冲程影响的冲程选择

由于抽油杆为细长的受拉杆柱，在抽吸作业时，受到拉伸载荷的作用，并且上冲程所承受的载荷大于下冲程的载荷，因此，杆柱上冲程的变形显著大于下冲程。这样一来，泵的有效冲程将显著下降，将影响三抽系统的产液量，这就是所谓的冲程损失。为了保证泵的有效冲程长度，抽油机的冲程必须有足够的长度，降低杆柱静变形导致的冲程损失对三抽系统产液效果的影响。对于下泵深度较大、泵径较大的抽油井，由于其悬点载荷较大，更应该考虑冲程损失的影响，选择较长冲程的抽油机，其泵的有效冲程才能较大，满足提液效果的要求。

例如，对于下泵深度为2500m，沉没度为600m，泵径为44mm的采油系统，设井液比重为1.0，抽油杆柱的平均直径为25mm，则其抽油杆的静变形在0.8～1.0m，这时，抽油泵的损失冲程与抽油机冲程比（称为泵有效冲程的损失率ζ）对比如图1所示。从图1可以看出，随着抽油机冲程的增加，其有效冲程的增加应相应增加，在小冲程时，其增加显著，当冲程大于冲程损失的5倍后，再增加抽油机的冲程，泵的有效冲程相对值的增加逐渐趋于平缓，其冲程损失率逐渐趋于10%左右。

从提升排采系统效率的角度出发，泵有效冲程越接近抽油机的冲程越好，如果给定其冲程损失率不大于ζmax，则所选则的抽油机的冲程应满足：

图1 泵的有效冲程损失率与抽油机冲程的关系

式中，S为抽油机的冲程，m；δ_J为抽油杆柱的静变形，m。

如选择三抽杆柱的预测静变形为1.0m，取泵的有效冲程损失率不大于0.15，则选择抽油机的设计冲程应不小于6.6m。

2 采油工艺对抽油机冲程的要求

从开发工艺角度讲，三抽系统选择的根本目的是在规定的时间内，完成给定的产液量。由于抽油杆柱是在腐蚀环境下承受交变拉伸载荷作用的细长杆柱，因此，腐蚀疲劳是其主要的失效形式。系统的提液量可以通过式（2）进行计算，对于相同的提液量，采用长冲程抽油机，将减少冲次。这样一来，首先，减少了往复抽吸走地层的扰动，可降低地层的出砂效应，改善地层的供液能力；其次，减少了抽油杆柱循环疲劳次数，延长抽油杆的寿命；再者，减少抽油机的交变载荷次数，也降低了抽油杆螺纹脱扣的概率，延长抽油杆柱的无故障运行时间。

一般来说，抽油杆的疲劳循环次数按照国家标准在非腐蚀环境下应该在4×107次以上，从抽油杆柱疲劳和联结螺纹寿命的角度来看，选择冲次为2～4次，抽油杆柱的寿命在10年以上，可以满足油田要求。也就是说，对于质量合格的抽油杆柱，抽油机的冲次高低应该不是影响其寿命的主要因素。但是，对于腐蚀环境下的抽油杆柱，其疲劳寿命往往大幅度降低，降低杆柱的应力循环次数，将显著延长杆柱的寿命[5-6]。另外，低冲次有利于抽油泵的充满，这对于稠油和黏度较高的油藏开发是有利的。

式中，Q为排量，m3/d；η为泵效，与抽吸井液的物形、沉没度、是否含气、泵的加工质量等有关，一般在75%～80%；n为抽油机的冲次，min-1；Sb为泵的有效冲程，m。

图2 抽油机冲程与杆柱应力循环次数的关系

从式（2）可以看出，对于给定排量的系统，增加抽油机的冲程可以降低抽油机的冲次，这就是所谓的长冲程、低冲次抽吸工艺，可以降低抽油杆的疲劳次数，增加泵的效率，延长抽油杆的寿命和抽油井的检泵周期。因此，适当增加冲程，对于抽油系统是有利的。

例如，采用75泵的排采系统，设定排液量为每天50m3，如果抽油系统的静变形为1.0m，设定泵效为0.8，则冲程与冲次的变化关系如图2所示。从图2可以看出，在3.5～6m区间，有一个冲程变化的相对平缓区，这时，抽油机的冲次在2～4次变化，抽油杆的疲劳寿命可以满足采油工况的要求。因此，从采油工艺角度来讲，长冲程、低冲次对油田开发是有利的，但冲程大于5m以后，对于大多数油田，其影响将逐渐减弱，但增加冲程将显著增加抽油机的制造成本。可见，选择多大冲程的抽油机更为合适，需要考虑油田的实际状况而定。例如，对于杆柱的腐蚀疲劳为主要破坏形式的油田，建议优选冲程大于6m的抽油机，尽量降低冲次，以延长杆柱的寿命。

3 相邻条件对抽油机冲程选择的影响

抽油机通过光杆驱动抽油杆、抽油泵组成三抽系统，选择不同冲程的抽油机将影响相邻系统的选择，如抽油泵、光杆的选择等，这些设备的选择受到制造、下井、运输等条件的限制。

3.1 修井作业设备对抽油机冲程选择的影响

三抽系统的光杆、抽油泵等均需要用作业系统起升并下放到井下，目前，我国油田一般采用如图3所示的小修作业机完成常规修井作业。从图3可知，井架的基本高度为18m左右，即：井架天车的最大有效高度Lmax=18m，游动滑车系统的高度L1=2～3m，地面井口的高度为L2=1～1.5m，考虑安全距离为1～1.5m，则其最大起升有效高度为L=12～14m。换言之，使用现有的井下小修作业系统，其最大起升高度一般不大于12m，即下入井下的抽油泵的泵筒最大长度在12m以内，按照现在泵的结构，其最大冲程应该不大于10m，也就是说，按照目前小修作业系统的起升条件，使用现有的三抽排采工艺，其抽油机的最大冲程应该不大于10m。设计的抽油机如果超过上述冲程时，其井下泵的起下就需要采用大修作业机或附属起升系统才能完成，这将较大幅度地增加油田的作业和维护成本。

图3 小修作业示意图

3.2 制造能力对三抽系统冲程的限制

目前，三抽系统使用的抽油泵一般为整筒泵，这样可以增加泵的寿命，减少泵的磨损，提升泵效，按照现在整筒泵的加工和热处理条件，泵筒越长，其加工成本、热处理的难度越高，目前，热处理（或镀铬）的有效长度一般为10m左右，也就是说，从整筒泵的制造能力来讲，三抽系统的有效冲程一般不大于9m。

当然，如果使用非整筒泵，目前可以用多节泵对接起来，其对于三抽系统的冲程长度则没有限制。

为了完成井口的密封，在进行三抽作业时，必须安装光杆，目前，光杆的加工、热处理能力限制了光杆的长度，一般光杆的长度不大于13m。从泵、光杆的制造能力看，目前抽油机的最大冲程一般不应大于10m。

3.3 运输能力对三抽系统冲程的限制

增加冲程后，光杆、抽油泵的长度均需要增加，人们需要利用车辆将这些设备运输到作业现场，目前油田广泛使用的载重车辆的车槽长一般为8～10m，其有效运输长度不大于12m，如果使用的泵和光杆的长度大于12m，将需要特殊运输车辆才能完成，这将为油田的生产带来不便。根据泵和光杆的运输长度，考虑到批量生产对油田的影响，目前合适的抽油机最大冲程长度在8～10m。

4 冲程长度与抽油机成本的关系

对于游梁式抽油机，一般其主轴承中心（机架）的高度和整机长度可用式（3）计算，即增加冲程，其整机高度和长度线性增加。根据结构件与尺寸的关系，在给定悬点负荷的条件下，其结构件的重量将依体积增加，可以用式（4）进行初步估算。由此可见，增加冲程，将显著增加抽油机的结构尺寸和重量，增加抽油机的制造成本。

式中，HV为主轴承（支架）的中心高，m；Lmax为抽油机的总长，m；Q为抽油机的重量，t。

对于电机换向或链条换向的抽油机，一般增加冲程，只增加支架的高度，其长度和宽度增加不大，其重量增加也较小。所以，电机换向抽油机和链条式抽油机，具有长冲程抽油机的相关优势。

5 结语

按照采油工艺和减小静变形引起的冲程损失的角度，抽油机的冲程应该越大越好，选择长冲程低冲次工艺，有利于提升采油系统的寿命。按照运输、作业、制造等的约束限制，抽油机的冲程不能大于目前配套设备的能力。综合上面因素，按照现有的设备条件，抽油机的最大冲程应该在10m以下。

如果考虑到抽油机的综合制造成本、管理维护、采油工艺等综合因素，对于稀油油田，选择抽油机的主力冲程在3～6m，稠油油田，选择在4～8m是可行的。当然，油田如何选择抽油机的冲程，需要考虑采油工艺和综合成本，这里主要从抽油机设计的角度分析将来主力抽油机冲程的合理区间。

[1]张晓东，贾国超.关于我国抽油机发展的几点思考[J].石油矿场机械，2008，37（1）：24-27.

[2]金钟辉，彭勇，费凡，等.数字化抽油机技术现状和发展趋势[J].石油机械，2014，42（12）：35-42.

[3]张彬，綦耀光，丁峰.游梁式抽油机实现低冲次的方法比较[J].现代制造技术与装备，2010，（4）：42-46.

[4]白晓刚.抽油机选型及节能优化设计方法研究[D].大庆：大庆石油学院，2017：8.

[5]何涌杰.高含水条件下高强度抽油杆的腐蚀特征研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2016：11.

[6]綦耀光，石临嵩，丁全祥，等.长冲程抽油机性能评价[J].中国石油大学学报，1996，20（1）：114-119.