液压反馈式抽稠泵防漏失研究

杨 志，刘 稳，刘玉国，陈华强，张盼盼

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.中国石化西北油田分公司，新疆 轮台 841604)



液压反馈式抽稠泵防漏失研究

杨 志1，刘 稳1，刘玉国2，陈华强2，张盼盼1

(1.西南石油大学，四川 成都 610500；2.中国石化西北油田分公司，新疆 轮台 841604)

针对塔河油田液压反馈式抽稠泵由于泵漏失导致的检泵次数逐渐增多的问题，进行了防漏失研究。抽稠泵与当量泵径接近的常规泵的参数对比表明：常规抽稠泵存在进油阀阀球直径、进油阀阀座流道偏小的问题，从而造成泵阀关闭滞后或关闭不严，最终导致漏失。利用阀球运动速度与阀球阀罩径向、轴向间隙实验，分析了抽稠泵阀球阀罩径向、轴向间隙的合理性，对抽稠泵进油阀位置、阀球尺寸、阀球密度、阀球阀罩径向间隙进行了优化。经现场试验，优化后的抽稠泵明显降低了漏失，提高了泵效，延长了检泵周期，具有良好的推广价值。

液压反馈式抽稠泵；进油阀；阀球直径；漏失；泵效；塔河油田

0 引 言

塔河油田稠油举升主要采用液压反馈式抽稠泵[1-2]。近年来，液压反馈式抽稠泵的漏失问题越来越突出，严重影响了油井生产。2012至2014年，因泵漏失导致的检泵次数占总检泵次数的23.0%，其中进油阀关闭滞后或进油阀损伤、关闭不严造成的漏失占83.3%。因此，有必要进一步探究进油阀的漏失原因，优化泵阀结构，以降低漏失、提高泵效、延长检泵周期。

1 液压反馈式抽稠泵结构分析

1.1 结构原理

液压反馈式抽稠泵采用直径不同的2台泵串接而成，上部为大直径泵，下部为小直径泵。泵体结构及工作原理见图1[3-7]。上冲程时，出油阀关闭，上柱塞以上油管内的原油被排出，上、下柱塞与泵筒之间的环形腔容积增大，形成负压腔，进油阀打开，环形腔开始充油；下冲程时，进油阀关闭，上、下柱塞与泵筒之间的环形腔容积减小，形成高压腔，环形腔中原油顶开出油阀进入油管内。

图1 液压反馈式抽稠泵结构及工作原理

1.2 常规抽稠泵泵阀结构分析

将液压反馈式抽稠泵的理论排量折合为常规泵当量泵径，并将其与当量泵径接近(排量接近)的常规泵[8-9]的参数进行对比(表1)。

表1 液压反馈式抽稠泵与常规泵对比

由表1可知：受结构尺寸的限制，56/38、70/44 2种泵的进油阀阀球直径较相近排量的常规泵进油阀阀球直径偏小，质量轻，易导致进油阀关闭滞后；70/32、83/44泵由于采用了侧向进油阀结构，其进油阀阀球直径与相近排量的常规泵进油阀阀球直径基本一致，但70/32泵进油阀阀球直径仍可适当增大。

在4种泵型中，56/38泵的进油阀阀座通径较其相近排量的常规泵明显偏小，其流道面积较常规泵减小了27%，在假定阀球入座时间、阀球密度、泵效等相同的条件下，56/38泵与相近排量的常规泵相比，阀球下落速度将增大37%左右，将导致阀球对阀座冲击力增大，造成阀球、阀座损伤并最终导致进油阀关闭不严。其他3种泵阀座通径较常规泵相等或偏高。

2 液压反馈式抽稠泵结构优化

2.1 阀球运动速度与阀球阀罩径向间隙实验研究

为分析阀球密度、阀球阀罩径向间隙、介质黏度对阀球下落速度的影响，确定合理的阀球阀罩径向间隙和阀球材质，进行了阀球运动速度与阀球阀罩径向间隙实验研究，实验装置见图2。利用2个光电转换器，测定不同直径、不同密度的阀球匀速通过透明、不同黏度的聚丙烯酰胺水溶液的时间，由此计算得到不同密度的阀球在不同管球间隙、不同介质黏度圆管内的运动速度(图3)。图3中，ρ为阀球密度，g/cm3；e为阀球阀罩径向间隙，mm；d为阀球直径，mm。

图2 阀球运动速度测试原理

图3 阀球沉降速度与流体黏度、阀球密度、阀球阀罩径向间隙的变化曲线

由图3可得到以下结果。

(1) 相同间隙等级和阀球密度条件下，随着流体黏度的增加，阀球运动速度呈逐渐降低趋势，但随着黏度的增加，黏度对阀球下落速度的影响变小。

(2) 相同间隙等级条件下，阀球密度越大，自重作用下的运动速度越大。因此，推荐采用密度较大的硬质合金阀球。

(3) 相同阀球密度、相同流体黏度条件下，随间隙e或e/d的增加，阀球在管中的下落速度迅速增加。但当间隙e增大到6mm以后，下落速度随间隙e的变化明显变缓。因此，推荐阀球与阀罩的最大间隙为6mm。随e/d的减小，阀球下落速度明显减小，尤其是当e/d<0.08后，阀球下落速度显著下降，由此确定阀球与阀罩间隙之比最小为0.08。考虑到原油黏度影响，黏度较高时在e/d≥0.08、e≤6.00mm范围内，e取较大值，而黏度较小时e取较小值。

2.2 阀球阀罩轴向间隙实验研究

阀球阀罩轴向间隙俗称跳高。跳高设计不合理将影响阀球入座，进而影响泵效。为了验证抽稠泵阀球跳高设计是否合理，开展了阀球阀罩轴向间隙实验研究，实验装置、原理见参考文献[10]。

实验方法：在冲程、冲次、柱塞、泵径等结构和抽汲参数保持不变的前提下，改变实验介质黏度，在一定的出油阀阀球跳高下，改变进油阀阀球跳高，测定泵抽6 000mL不同黏度液体所需的总冲次。总冲次越少，则抽汲效果越好，泵效越高。

分析实验数据可知：在出油阀阀球跳高设定为8mm、井斜角为0 °的垂直状态下，实验介质黏度在100～5 000mPa·s内变化时，进油阀阀球跳高为5～10mm时泵抽次数较少，即阀球及时关闭，漏失量小，泵效最高。因此，进油阀阀球的最佳跳高应在5～10mm范围内。现有液压反馈式抽稠泵的跳高实测值为7～8mm，满足使用要求。

2.3 抽稠泵结构优化

(1) 适当增大进油阀阀球直径、阀座通径与阀球阀罩径向间隙。优化后阀球直径、阀座通径参照与抽稠泵相近排量的常规泵参数，阀球阀罩径向间隙应为：0.08d≤e≤6mm，改进后的抽稠泵泵阀结构参数见表2。

表2 改进前后的抽稠泵泵阀结构参数

(2) 减小阀座与阀球中心高度，消除阀座台阶影响。阀球入座运动状态如图4。其中图4a为现有配合下的阀球、阀座位置示意。当阀球与阀罩径向间隙增大后，阀球入座时可能翻越阀座的台阶，导致入座滞后造成不必要的漏失，如图4b；为了解决翻越台阶的问题，设计、加工时可以减小入座后阀球中心与阀座的距离，扩大密封面，为此，阀座的高度可以适当增加，如图4c。

图4 阀球入座运动分析

(3) 阀球采用硬质合金阀球。根据实验研究，阀球密度较小时，在稠油(或乳化稠油)中下落速度小、入座难度大，易造成关闭滞后而漏失。 增加阀球密度，可以增加阀球下落速度，有利于阀球及时入座，故用大密度阀球对提高泵效有利[11]。

(4) 进油阀侧移。如图5所示，将进油阀侧移，使下部进油阀及尾管偏心外突而与泵筒不同心，进油阀阀罩偏心外凸，从而增大进油阀阀座尺寸及其通径。同时，随着进油阀整体尺寸的增大，使其能够容纳直径更大的阀球，拥有更大的阀球阀罩间隙。

图5 液压反馈抽稠泵进油阀侧移示意图

3 现场试验与效果评价

优化前在稀稠比高的前提下抽稠泵泵效低，优化后的抽稠泵进油阀流道增大，流速降低，带动阀球的冲击力降低，有利于减轻阀球对阀座的破坏，减少进油阀漏失。现场应用效果对比表明(表3)，优化后抽稠泵在稀稠比降低，即进泵原油黏度增大的条件下泵效平均提高11.7%，进油阀故障率明显降低。

表3 部分井抽稠泵优化前后应用效果统计

4 结 论

(1) 常规液压反馈式抽稠泵由于进油阀阀球直径偏小、阀座流道偏小、阀球密度偏小、阀罩与阀球间隙偏小，进油阀故障率高，易导致抽稠泵漏失、影响泵效。

(2) 结合阀球运动速度与阀球阀罩径向、轴向间隙实验研究的分析结论，对抽稠泵的进油阀阀球直径、阀球阀罩间隙、阀座与阀球中心高度、阀球材料进行了优化，同时推荐采用偏心进油阀结构以增大进油阀尺寸，调节流向。

(3) 经现场试验验证，优化后的抽稠泵能够改善塔河油田抽稠泵漏失严重的问题，平均日产液提高3.8t/d，平均泵效提高11.7%。

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编辑 孟凡勤

20151127；改回日期：20160629

国家科技重大专项“碳酸盐岩缝洞型油藏采油技术完善与应用”(2011ZX05049-003)

杨志( 1967- ) ，男，教授，1992 年毕业于西南石油学院海洋石油工程专业，2000年毕业于该校油气田开发专业，获硕士学位，现从事采油采气工程及海洋油气工程的教学和科研工作，出版著作6部。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.04.035

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