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有杆泵同井注采系统技术应用及节点力学分析
姜民政1, 段天玉1, 刘金堂2, 张怀玉2     
1. 东北石油大学机械科学与工程学院;
2. 大庆油田有限责任公司第一采油厂
摘要: 为了在特高含水油井实现有效的稳油控水,设计了有杆泵同井注采系统。该系统利用重力作用在井下将油水进行分离,分离后的水直接被注入到地层中,分离后的浓缩液举升至地面,从而降低采出液中的含水量。由于同井注采系统结构和受力情况复杂,基于理论力学方法,由下至上建立了注入泵、密封活塞和采出泵的力学模型,并利用现场实测数据验证了其正确性。同井注采系统现场应用15口井,采出液平均含水质量分数下降7.2个百分点。因此有杆泵同井注采系统能够有效降低采出液含水率,达到节能降耗的目的。
关键词: 有杆泵     同井注采     力学分析     力学模型     节能降耗    
Application and Node Mechanics Analysis of Sucker Rod Pump Injection-production System
Jiang Minzheng1, Duan Tianyu1, Liu Jintang2, Zhang Huaiyu2     
1. Machinery Science and Engineering College, Northeast Petroleum University;
2. No.1 Oil Production Plant, Daqing Oilfield Company
Abstract: To achieve effective production stabilization and water-cut control in extra-high water-cut wells, a sucker rod pump injection-production system has been designed. The system uses gravity to separate the oil and water in the downhole. The separated water is injected directly into the formation, while the separated concentrate liquid is lifted to the ground, thereby reducing the water content in the produced fluid. Considering the complex structure and force of the injection-production system, the mechanical model of the injection pump, the sealed piston and the rod pump has been established based on the theoretical mechanics method, and been verified by the field measured data.15 wells field applications show an average water content reduction of 7.2%. Thus, the sucker rod pump injection-production system could effectively reduce the water content of the produced fluid, and achieve the purpose of energy saving.
Key words: sucker rod pump     injection-production system     mechanical analysis     mechanical model     energy saving    

0 引言

目前我国各大老油田已经进入了开发中后期,产液含水质量分数大都超过90%[1],而含水量的增加,直接导致了开采成本的上升,迫使一些油田报废,而这些报废的油田中往往还含有大量的原油未被开采,造成了极大的浪费,同时采出水的处理过程中还会造成环境污染问题[2-3]。同井注采系统能够将大部分水在井下分离出来并注入到地层中,同时将分离后的浓缩液举升至地面,降低采出液中的含水量。从20世纪90年代开始,加拿大C-FER公司最先提出井下油水分离的设想并将其变成现实以后,同井注采系统先后在国外的很多油田及国内的胜利、河南和大庆等油田进行了井下试验,并取得了良好的效果,举升方式包括有杆泵、螺杆泵和电潜泵等几种方式[4-6]。美国得克萨斯公司使用1台双作用泵同时完成采油和注水,但是油水分离效果不好[7];颜廷俊等[8]进行了电潜泵井下油水分离系统方案设计,但电潜泵的价格达到常规电潜泵的23倍;周晓君[9]设计的往复式双液流泵收到了显著的降水稳油效果,但是该泵结构复杂,截面尺寸较大。根据油水分离系统分离原理的不同,同井注采系统可分为重力分离式和机械分离式2种,笔者在设计中选用了重力式多杯等流分离器[10],该分离器结构简单且不需要动力驱动。有杆泵同井注采系统使用2套双柱塞抽油泵完成采油和注水,符合我国以抽油机为主的开采方式[11],并在现场应用中取得了较高的降水效果。

1 有杆泵同井注采系统技术分析 1.1 结构

双柱塞泵结构如图 1所示。有杆泵同井注采系统由采出泵、密封活塞、上封隔器、下封隔器、注入泵和油水分离系统等部分组成,其结构如图 2所示。

图 1 双柱塞泵结构示意图 Fig.1 Structural schematic diagram of dual-piston pump 1 — 小 柱 塞 ;2 — 小 泵 筒 ;3 — 出 液 阀 ;4 — 进 液 阀 ;5 — 大 柱 塞 ;6 — 大 泵 筒 。

图 2 有杆泵同井注采系统 Fig.2 Sucker rod pump injection-production system 1 —采出泵 ;2 —密封活塞 ;3 —上封隔器 ;4 —下封 隔 器 ;5 — 注 入 泵 ;6 — 油 水 分 离 系 统 。

1.2 工作原理

由于油和水密度的差异,进入油水分离器沉降杯的油液逐渐分为2层,密度大的水沉在下层,经过油水分离器的中心管到达注入泵吸入口,密度小的油液浮在上层,通过中间通道上升至采出泵吸入口处。上冲程时,在抽油杆的带动下,注入泵的柱塞向上运动,小柱塞与大泵筒之间的环形空间减小,进液阀关闭而出液阀打开,环形空间中的液体被排出到注入腔中,并最终被注入到注入层中,同时,采出泵的柱塞也向上运动,环形空间中的液体被排出到油管中,并被举升至地面,完成采油和注入过程;下冲程时,在抽油杆的带动下,注入泵的柱塞向下运动,小柱塞与大泵筒之间的环形空间体积增大,进液阀打开而出液阀关闭,经油水分离器分离出的水被吸入到环形空间中,采出泵的柱塞同时向下运动,油水分离器分离出的浓缩液经桥式封隔器通道后,被吸入到采出泵的环形空间中,注入泵和采出泵同时完成吸水和吸油的过程。

2 关键节点力学分析

有杆泵同井注采系统悬点载荷组成复杂,为了计算各节点的载荷,由下至上分别建立了注入泵、密封活塞和采出泵力学模型,得到了系统各部分载荷的计算公式。

2.1 注入泵上端力学分析

为了对注入泵进行受力分析,首先在靠近密封活塞下部,假想把连接密封活塞和下部注入泵小柱塞的抽油杆截断,以抽油杆及注入泵大、小柱塞为研究对象建立力学模型,如图 3所示。

图 3 注入泵力学模型 Fig.3 Mechanics model of injection pump

上冲程时,进液阀打开而出液阀关闭,大小柱塞环腔内液体压力p注1与注入压力p相等,因此由平衡方程可得:

(1)
(2)

下冲程时,进液阀关闭而出液阀打开,大小柱塞环腔内液体压力p注1与注入泵吸入口压力p注吸相等,因此由平衡方程可得:

(3)

式中:P注上P注下分别为上、下冲程注入泵抽油杆所受的力,N;G拉自为抽油杆自重,N;G1为注入泵自重,N;p为注入压力,Pa;p注1为大小柱塞间环形面积压力(上冲程时p注1=p,下冲程时p注1=p注吸),Pa;D注大D注小分别为大、小柱塞直径,m;d为注入泵上端抽油杆直径,m;p注吸为注入泵吸入口压力,Pa;ρ为油液密度,kg/m3g为重力加速度,m/s2l注沉为注入泵沉没度,m;p为套管压力,Pa。

2.2 密封活塞上端力学分析

密封活塞上冲程力学模型如图 4所示。密封活塞上部通过抽油杆与采出泵大柱塞下端相连,下端通过另一抽油杆与注入泵小柱塞相连,无论上、下冲程,柱塞上端始终存在采出泵吸入口压力p采吸,而下端始终存在注入压力p

图 4 密封活塞上冲程力学模型 Fig.4 Mechanics model of the upstroke of the sealed piston

上冲程时,悬点载荷为:

(4)
(5)

下冲程时,悬点载荷为:

(6)

式中:P封上P封下分别表示上、下冲程密封活塞抽油杆所受载荷,N;D为密封活塞直径,m;d密封活塞上部抽油杆直径,m;G2为密封抽油杆和密封活塞重力,N;p采吸为采出泵吸入口压力,Pa;l采沉为采出泵沉没度,m。

2.3 采出泵上端力学分析

与注入泵力学模型相同,可以求得采出泵上冲程载荷为:

(7)
(8)

下冲程载荷为:

(9)

式中:P采上P采下分别为上、下冲程采出泵柱塞上端所受载荷,N;D采大D采小分别为采出泵大、小柱塞直径,m;d为采出泵上部抽油杆直径,m;p为采出泵排出压力,Pa;p采吸为采出泵吸入口压力,Pa;G3为采出泵大小柱塞重力,N;l采挂为采出泵泵挂深度,m;p为油管压力,Pa。

2..4 悬点载荷

采出泵上端载荷加抽油杆重力即为悬点载荷。

(10)

式中:P为悬点载荷,N;G为抽油杆重力,N。

通过各节点受力分析,可以优化杆柱直径,减小悬点载荷,同时避免杆柱受压带来的屈曲以至于出现偏磨和卡泵等现象,同时可以为抽油机的选型提供参考。

3 现场应用

目前有杆泵同井注采系统共在大庆油田现场应用15口井,采出液平均含水质量分数下降7.2个百分点。其中X井作业前含水质量分数为95.0%,于2015年10月3日进行了同井注采系统下井作业,采出泵下泵深度884 m,动液面深度190 m,采出泵与注入泵距离60 m,采出泵采用 70/57 mm抽油泵,注入泵采用 83/44 mm抽油泵,油管压力0.31 MPa,套管压力0.42 MPa,注入压力22.00 MPa,密封活塞直径为38 mm,所有连杆直径为25 mm。作业前、后生产参数如表 1所示。将以上参数代入式(1)~式(10)计算,可得各节点载荷,结果如表 2所示。

表 1 X井作业前、后参数对比 Table 1 Parameters of Well X before and after the operation
参数泵径/mm日产液量/t日产油量/t日产水量/t含水质量分数/%
应用前7090.104.5085.6095.0
应用后70/5735.024.3815.3297.5

表 2 X井各节点载荷kN Table 2 The load on each node of Well XkN
节点P注上注下P封上P封下P采上P采下悬上P悬下
计算载荷70.1612.8170.003.6569.849.50102.7442.40
实测载荷99.9841.98

表 1可以看出,进行同井注采试验后,X井采出液含水质量分数由95.0%下降至87.5%,下降了7.5个百分点,日产液量下降了55.08 t,减少了61.1%,然而日产油量仅下降了0.12 t,减小幅值为2.7%。

表 2中X井系统各节点计算载荷可以看出,系统各节点在上、下冲程均处于受拉状态,避免了管柱出现受压弯曲现象,降低了杆柱偏磨和卡泵等事故的发生概率,悬点上冲程载荷与现场实测误差仅为2.69%,验证了计算模型的正确性。

4 结论

(1)有杆泵同井注采系统采用多杯等流分离器在井下进行油水分离,使用注入抽油泵将分离后的水直接注入到地层中,同时另一台采出抽油泵将分离后的浓缩液举升至地面,能够有效降低采出液含水率。

(2)基于理论力学方法,建立了注入泵、密封活塞和采出泵的力学模型,并得到了各部分载荷计算公式,上冲程悬点载荷与实测值误差仅为2.69%,验证了计算模型的正确性。

(3)同井注采系统在大庆油田现场应用15口井,应用结果表明:在保持产油量基本不变的情况下,X井采出液含水质量分数下降7.5%,同时产液量下降61.1%,减少了将水举升至地面及地面水处理所需费用,达到了节能降耗的目的。

参考文献
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文章信息

姜民政, 段天玉, 刘金堂, 张怀玉
Jiang Minzheng, Duan Tianyu, Liu Jintang, Zhang Huaiyu
有杆泵同井注采系统技术应用及节点力学分析
Application and Node Mechanics Analysis of Sucker Rod Pump Injection-production System
石油机械, 2017, 45(07): 97-100
China Petroleum Machinery, 2017, 45(07): 97-100.
http://dx.doi.org/10.16082/j.cnki.issn.1001-4578.2017.07.020

文章历史

收稿日期: 2016-12-29

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