0 引言

中国低渗透油气资源具有分布区域广、储集层类型多样以及含油气层系多的特点。伴随着认识和开发技术的提高以及管理技术的创新，低渗透油气资源实现了规模有效开发，产量持续增长，正在成为开发的主体^[1]。

胜利油田低渗透油藏储量多，但开采难度较大^[2]。低渗透油藏CO₂驱可极大改善水驱存在的不足，大幅提高原油采收率^[3-4]，CO₂驱可提高采收率7%~17%^[5-6]。胜利油田已在高89等区块进行了低渗透油藏CO₂驱矿场试验或工业应用，从应用结果看，低渗透油藏CO₂驱会使井下介质中CO₂气体含量增加，抽油泵容积效率降低，甚至会造成气锁^[7-11]。虽然目前防气泵的种类较多^[12-15]，从现场应用情况看均有一定的防气锁能力，但也存在着诸多的不足，无法完全满足胜利油田高压力及高气液比深井的复杂井况。为此，中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院采油机械研究所于2017年开发了以分级承压抽油泵为主的分级助抽举升技术。该技术可大幅提高抽油泵效率，避免抽油泵发生气锁^[16]。而在结构上未对抽油泵做大的修改，只是在抽油泵出口上方增加一个承压阀，这种改进不但可靠性更高，而且成本低，安装使用方便。

1 技术分析

分级承压抽油泵结构如图 1所示，主要包括泵筒、柱塞、游动阀、固定阀、承压阀和承压阀短接。该泵与普通抽油泵相比，在泵出口上方增加了一个承压阀和短节。当承压阀下方的压力小于上方压力时，承压阀关闭；当承压阀下方压力大于上方压力时，承压阀打开。

分级承压抽油泵工作原理如图 2所示。图 2a为分级承压抽油泵柱塞到达上死点位置，此时固定阀关闭，承压阀关闭，泵筒下腔为井下压力，泵筒上腔压力为油管液柱压力。下冲程随着柱塞下行，泵筒上腔体积增大，压力减小；泵筒下腔体积减小，压力增大。当下腔压力大于上腔压力，游动阀打开，下腔介质进入上腔，此时泵筒上腔和下腔压力均为游动阀开启压力，如图 2b所示。图 2c为柱塞下行到达下死点位置，此时下冲程结束，游动阀关闭。上冲程柱塞上行，泵筒上腔体积减小，压力增大；泵筒下腔体积增大，压力减小。当下腔压力小于井下压力时，固定阀打开，介质从井下进入下腔。当上腔压力大于油管液柱压力时，承压阀打开，介质从泵筒排出到油管，如图 2d所示。柱塞运行到上死点回到图 2a，通过固定阀完成介质的吸入，通过承压阀完成介质的排出。

从以上分析可知，分级承压抽油泵下冲程初期泵筒下腔压力增大，泵筒上腔压力减小，因此游动阀开启时的压力将小于油管液柱压力，使下冲程损失减小。由于游动阀开启压力减小，使固定阀开启与游动阀开启压力的压差减小，上冲程损失减小。所以分级承压抽油泵在高含气井举升时可提高泵效。

2 计算模型 2.1 两相流控制方程及湍流模型

对抽油泵流场气液两相流模拟，需要追踪气液分离过程，因此选用VOF多相流模型，其中模拟水介质为主相。

在VOF模型中，相与相之间的界面求解可通过对一个或多个相的体积分数连续性方程的解来实现。对于q相，连续性方程具有以下形式：

(1)

式中：ρ_q为q相密度，α_q为q相体积分数，t为时间，为q相速度，表示从相q到相p的质量传递，表示从相p到相q的质量传递，S_αq为质量能源。

通过求解整个区域内单一的动量方程，得到的速度场由各相共享。动量方程取决于通过属性ρ和μ的所有相的体积分数。

(2)

式中：ρ为流体密度，为流体速度，p为流体压力，μ为流体动力黏度，为重力加速度，为系统外力。

共享场近似的一个限制是在相之间存在大的速度差的情况下，在界面附近计算的速度精度可能受到不利影响。

能量方程在各相之间也共享。能量方程如下：

(3)

式中：k_eff是有效热导率；S_h是源项，包括辐射以及其他体积热源；E为总能量；T为系统温度。

选用标准的k-ε湍流模型，对每一相解k-ε方程，分别描述气液两相湍流。

2.2 模型建立

将分级承压抽油泵几何模型中的流道绘制成气液两相流有限元模型，如图 3a所示。对模型分段进行结构化网格划分，如图 3b所示。

2.3 边界条件

有限元模型简化了游动阀、固定阀和承压阀结构，用改变边界条件来模拟阀的开启和关闭。当压力达到阀的开启压力时，将边界条件设置为interface，阀开启；当压力小于阀的开启压力时，将边界条件设置为wall，阀关闭。

抽油泵柱塞的运动为往复直线运动，采用Fluent中的活塞运动动网格方法进行运动模拟。运动规律采用In.cylinder模型，运动规律为：

(4)

式中：θ_c为t时刻的角位移，(°)；L为连杆长度，m；A/2为曲柄长度，m；S为t时刻滑块的位移。

介质为空气和水的混合物。模拟仿真参数如下：井下压力2 MPa，油管液柱压力8 MPa，井下含气体积分数80%，抽油泵冲程0.9 m，冲次10 min^-1。

3 结果分析

分级承压抽油泵气液两相模拟计算结果如图 4~图 7所示。其中，图 4为抽油泵一个周期压力变化云图。图 5为抽油泵一个周期含气体积分数变化云图。图 6为抽油泵上腔和下腔压力随时间的变化曲线。图 7为抽油泵下腔含气体积分数随时间的变化曲线。

3.1 下冲程

如图 6所示，3.000 s时柱塞到达上死点，泵筒上腔压力为8.00 MPa，泵筒下腔压力为2.00 MPa。随后进入下冲程阶段，泵筒上腔压力下降，泵筒下腔压力上升，当柱塞运行至3.766 s时，下腔压力达到上腔压力，游动阀打开。游动阀开启压力为2.45 MPa。在此过程中，泵筒上腔介质和下腔介质均发生了气液分离。

游动阀开启后，上、下腔压力保持不变，上腔与下腔连通。由于气液分离，使得泵筒下腔的气相先进入上腔，使下腔含气体积分数迅速降低，如图 5和图 7所示。6.000 s时柱塞运行到下死点，游动阀关闭，此时泵筒下腔基本为液相，泵筒上腔为气液两相。

3.2 上冲程

如图 6所示，从6.000 s开始，柱塞上行泵筒下腔压力降低，上腔压力升高。当柱塞运行到6.412 s时，泵筒下腔压力从2.45 MPa降低到2.00 MPa，固定阀开启，抽油泵从井下吸入介质。当柱塞运行到8.142 s时，泵筒上腔压力升高到8.00 MPa，承压阀开启，抽油泵将介质排出到油管中。

由于介质的吸入，泵筒下腔含气体积分数升高，同时气液发生分离，如图 5和图 7所示。泵筒上腔介质气液分离后，气相先排出，液相后排出，使得泵筒上腔剩余介质为液相介质，有利于下一个周期游动阀的开启。

综合模拟分析结果，分级承压抽油泵与普通抽油泵相比，分级承压抽油泵使游动阀开启压力从8.00 MPa降低为2.45 MPa，游动阀延时开启时间缩短，下冲程损失减小。游动阀开启压力与固定阀开启压力的压差从6.00 MPa降低为0.45 MPa，固定阀延时开启时间缩短，上冲程损失减小，泵效提高。

3.3 现场模拟结果分析

胜利油田现场模拟分级承压抽油泵冲程为4 m，冲次为2 min^-1，入口压力6 MPa，出口压力16 MPa，气液比500 m³/m³，模拟结果如图 8所示。

从模拟结果可以看出：在气液比为500 m³/m³时，分级承压抽油泵未发生气锁；分级承压抽油泵将游动阀的开启压力从16 MPa降低到10 MPa，游动阀与固定阀的开启压差从10 MPa降低到4 MPa。由于压差的降低，溶解和析出的CO₂减少，可进一步提高抽油泵的效率。由理论计算可知，分级承压抽油泵较普通抽油泵效率提高23%^[17]。

4 现场应用

分级承压抽油泵采油技术在胜利油田进行了现场应用，累计实施23口井，平均泵效提高21%，系统效率提升9.7%，平均日产液由2.33 m³增加至6.57 m³，日产油由0.80 t增加至1.81 t。该采油技术的实施为国内低渗透油藏高效开发开辟了新途径。

典型井例1：胜利油田河口采油厂大1#井，因气液比达到260 m³/m³，渗透率仅有60 mD，泵挂1 800 m，受气液比影响，产量低、泵效低。该井措施前、后生产情况对比如表 1所示。

大1#井应用分级承压抽油泵后，实现了气液混抽，泵效大幅提高，已连续生产410 d，增产增油效果显著。

典型井例2：临盘商河油田Sx井，2017年1月投产，前期采用ø44 mm泵下深1 987 m，冲程5 m，冲次1.67 min^-1，日产液0.5 m³，日产油0.3 t，液面监测不到。2018年3月应用分级助抽技术，ø44 mm泵下深2 003 m，工作制度未变，生产35 d后，监测动液面995 m，日产液12.6 m³，日产油1.1 t，泵效79.4%。下冲程时分级助抽技术柱塞阀组可有效开启，并提高泵筒充满程度，降低杆柱冲程损失，取得了良好的增液增效效果。

5 结论

(1) 分级承压抽油泵通过承压阀的作用，降低了游动阀的开启压力，使抽油泵下冲程损失减小；减小了游动阀和固定阀的开启压差，使抽油泵上冲程损失减小，泵效提高。

(2) 游动阀开启压力减小，下冲程溶解的气体和上冲程析出的气体减少，有利于固定阀的开启和泵效的提高。从模拟和实际应用结果看，泵效可提高20%左右。

(3) 通过承压阀的作用，降低了固定阀和游动阀的开启压差。与此同时，分级承压抽油泵还能够有效地避免气锁的发生。