塔里木油田长柱塞防砂泵采油新工艺的研究及应用

雷腾蛟，苏 洲，崔小虎，王法鑫，冯治锋, 周碧辉，刘毅石

(1中石油塔里木油田分公司轮南油气开发部 2中石油塔里木油田分公司油气工程研究院 3中国石油集团渤海钻探工程公司国际钻采物资供应分公司 4 中石油塔里木油田分公司哈得油气开发部)

塔里木油田碳酸盐岩储层地质情况复杂，油井多为裸眼完井，存在产层深、温度高、裸眼段易垮塌出砂、原油黏度高等特点[1-2]。经过前期研究，形成一套深井、超深井长冲程慢冲次有杆泵采油工艺[3-4]。然而，随着油井泵挂增加、地层出砂严重、原油黏度增大，该工艺存在泵效低、易发生砂卡泵、上游动阀罩断脱等问题。因此，在前期深井有杆泵采油工艺的基础上，设计出一套适用于塔里木油田碳酸盐岩储层易出砂的长柱塞防砂泵采油新工艺。该工艺具有高泵效、防砂卡泵的特点，可确保油井高效生产。

一、现有抽油泵采油工艺的局限性

塔里木油田碳酸盐岩油井产层深达6 000 m，有杆泵采油井合理泵挂深度为2 500～3 500 m，且随着地层供液能力的降低，油井动液面将再次下降，油井泵挂深度将进一步加深。而目前常规抽油泵为单泵筒结构(图1)，柱塞上冲程运行时游动阀关闭，在深井高液柱压力、高温作用下，柱塞上部泵腔内胀变形，加大柱塞与泵筒之间间隙；由于柱塞下部泵腔沉没压力小，而变形较小。柱塞下冲程运行时，柱塞上下部压力相同，高温、高液柱压力将造成柱塞上下泵腔都将发生内胀变形。一方面，其将增大柱塞上部液体漏失量，降低泵效；另一方面，停泵后井液中泥砂进入间隙造成卡泵，降低油井生产时率[5]。

图1 单泵筒上下冲程运行示意图

常规有杆泵为短柱塞长泵筒结构(图2)，柱塞始终在泵筒内往复运动，一方面，抽油机保养或故障停抽后泵筒内易沉积泥砂，再次启抽容易发生卡泵现象，而卡泵后解卡成功率低，少部分解卡成功井再次运行也将严重影响泵效[6]；另一方面，柱塞上游动阀罩在泵筒内，阀罩直径受限，加之该处应力集中为疲劳薄弱点，且上游动阀罩出油过流断面受到泵筒内径的限制，出油阻力大，特别是抽吸稠油，易造成柱塞上游动阀罩疲劳断脱[7]。

图2 常规有杆泵示意图

二、长柱塞防砂泵采油工艺原理及设计

1.长柱塞防砂泵采油工艺原理

长柱塞防砂泵在现有的常规悬挂式有杆泵基础上进行改良，设计为长柱塞、短泵筒结构[8](图3)，柱塞上下往复运动过程中，柱塞阀罩始终处于泵筒外部，防止泥砂进入泵筒造成卡泵，且进一步增大了柱塞上游动阀罩直径和抗拉强度，避免阀罩断脱；另一方面，将单泵筒结构改造为双泵筒结构，增强泵筒抗挤强度的同时，也利于下沉泥砂排入外管；再者，内筒倒置结构使管柱液柱重量作用于外管，改善泵筒受力状况，降低疲劳伤害。

图3 长柱塞防砂泵示意图

2.长柱塞防砂泵采油工艺设计

为提高长柱塞防砂泵抽油杆柱井下工作可靠性，采用了美国石油学会推荐的修正古德曼应力图设计方法进行杆柱组合设计[9]。修正的古德曼应力图给出了抽油杆许用应力范围，运用应力范围比可有效评估杆柱组合使用情况。

(1)

其中抽油杆许用应力可用式(2)计算：

σall=(σb/4+0.5625×σmin)×Sf

(2)

式中：σb—杆柱抗张强度，MPa；Sf—考虑井液腐蚀等因素使用的系数，无量纲。

根据塔里木油田碳酸盐岩油藏含硫特性，选取安全使用系数0.85对Ø44 mm和Ø57 mm长柱塞防砂泵进行了抽油杆柱组合优化设计，设计结果见表1。从表中可以看出，除加重杆外，各级杆柱的应力范围比均达到了87%，保持了较高的水平，确保了充分有效利用各级抽油杆。

表1 Ø44 mm和Ø57 mm长柱塞防砂泵杆柱设计表

将各级杆柱顶端最大应力、最小应力坐标绘制在H级钢杆修正的古德曼应力图中,见图4。从图4中可以看出，各级抽油杆工作所受应力均落在疲劳安全三角区内，且各级杆柱顶端最大应力、最小应力坐标连线平行于最大许用应力线，确保了抽油杆柱不会发生疲劳破坏且实现了利用率最大化[10]。

图4 Ø44 mm和Ø57 mm长柱塞防砂泵杆柱受力分析

三、长柱塞防砂泵采油工艺优势

1.双泵筒结构

长柱塞防砂泵采用内泵筒和外管相结合的双泵筒结构，增大了泵筒径向抗挤强度，降低了由于泵腔内液柱挤压造成的泵体变形程度，一方面有效降低了微小泥砂进入泵筒膨胀缝隙而造成的卡泵概率，另一方面降低了柱塞上部液体漏失量，增大了泵效。再者，内泵筒采用倒置结构，抽油泵上部处于自由状态，外管可承受尾管液柱重量产生的拉力，改善泵筒轴向受力状况，提高泵筒工作年限及工作效率[11](图5)。该设计满足了深井、出砂井的工艺需求。

图5 单泵筒双泵筒结构受力情况

2.长柱塞、短泵筒结构

考虑到常规有杆泵停泵易沉砂卡泵的不足，长柱塞防砂泵采取长柱塞、短泵筒的工艺设计，柱塞始终处于泵筒外面，井液在长柱塞扰动下，砂垢不易在泵筒内沉积(图6)；另外，将长柱塞防砂泵阀罩直径增大(图7)，生产及停抽过程中，可有效防止砂、垢沿柱塞进入泵筒间隙造成卡泵；再者，将长柱塞防砂泵内泵筒的扶正压帽设计为带有较大导角的结构(图7)，使砂、垢顺利进入泵筒与外管的间隙，实现长时间连续生产[12]。该设计解决了出砂井卡泵问题。

图7 柱塞阀罩、扶正压帽外导角示意图

认识到常规有杆泵在深井、稠油井运行中柱塞上游动阀罩易断脱的问题，长柱塞防砂泵进行了该部位的改良，将柱塞上游动阀罩始终保持在泵筒之外，进一步加强阀罩直径和过流断面，一方面，增大了阀罩抗拉强度，提高阀罩上冲程承载能力；另一方面，加大了上游动阀罩出液流道，增大过流断面，降低阀罩下冲程出液阻力。从而该设计满足了深井、稠油井的工艺需求。

四、长柱塞防砂泵采油工艺现场应用

HAA井于2016年4月转抽油机生产，下入常规抽油泵运行32 d，停机保养抽油机下行遇阻。该井于2016年7月检抽作业，下入常规抽油泵运行39 d，停机放套压抽油机下行遇阻。该井于2016年12月检抽作业，下入常规抽油泵运行96 d，停机进行地面集输管线泄压，启抽后卡泵。三次作业均发现泵筒与注水间隙填满泥砂，柱塞卡死在泵筒内(图8)。2017年11月进行检抽作业，下入长柱塞防砂泵，截止2019年12月，该井已连续生产767 d，工况良好，大大降低作业频次，节省作业成本，提高生产时率，累计增油1 956 t(图9)。

图8 2016年7月HAA井检抽抽油泵切面实物图

图9 HAA井生产曲线

截止2019年12月长柱塞防砂泵采油工艺在塔里木油田碳酸盐岩储层现场应用14井次，减少砂卡泵作业13井次，减少阀罩断脱作业2井次，提高了油井生产时率，实现累增油量23 434 t，长柱塞防砂泵采油新工艺现场应用效果明显(表2)。新工艺不仅大大降低了油井卡泵次数，降低了检抽作业频次，降低了生产成本，还实现了油井高时率生产，极大地提高了经济效益。

表2 长柱塞防砂泵应用井数统计

五、结论

(1)通过双泵筒结构、长柱塞短泵筒结构的工艺设计，长柱塞防砂泵新工艺实现了抽油泵泵筒低漏失、柱塞低砂卡、阀罩高强度的目标。

(2)长柱塞防砂泵新工艺大大降低了塔里木油田碳酸盐岩储层出砂超深稠油井砂卡泵、柱塞阀罩断脱的故障情况，提高了抽油泵泵效，减少了检抽作业频次，降低了作业费用，实现了油井高效生产。