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□劉爽/大慶油田第一采油廠

新型桿式泵的研制 

1.去除懸浮微粒的旋流泵系統(tǒng)

　　美國猶他州George創(chuàng)新公司研制出旋流柱塞和旋流泵系統(tǒng)。該系統(tǒng)可使污染油水層的砂、粗砂、硫化鐵和其它粉末快速通過旋流泵，使這些懸浮微粒的殘余物質(zhì)不能在井筒和柱塞之間聚集。而在常規(guī)泵中，一些液流會在柱塞與泵筒之間的空隙中旁流或在其表面上滑動，這樣，懸浮物會積聚在這一空隙空間。隨著柱塞的上下往復運動，這些積聚物就會快速磨損，較明顯的是在柱塞和泵筒表面上的垂直擦傷。此外，由積聚物產(chǎn)生的摩擦力會導致泵和抽油桿的過應力，結(jié)果會造成卡泵、自動停泵或桿斷等故障。

　　由于新系統(tǒng)進行了重新組合，避免了卡泵及泵筒與柱塞表面的過早磨損，降低了檢換泵費用。下沖程時，泵與旋流座塞一起向積聚在泵筒和柱塞之間的懸浮微粒施力，使其向柱塞內(nèi)徑方向運動，通過軸向排出口進入柱塞中心，此時懸浮顆粒與其它液流混合進入泵中，從而被傳送到油管中。上沖程時，懸浮顆粒同樣積聚在柱塞的錐形頂部，下沖程時，懸浮顆粒被沖到上面，通過頂部旋流柱塞接合器進入油管。該旋流泵系統(tǒng)見圖1。

2.防砂桿式泵

　　美國得克薩斯Harbison-Fischer公司研制出一種用于開采高含砂油田的桿式泵，并已在加利福尼亞一些難采的硬砂油田進行了試驗，獲得了成功，其防砂效果明顯高于現(xiàn)有桿式泵。該防砂桿式泵已申請到了專利權(quán)。

　　該泵采用了從加壓密封的柱塞（由噴涂金屬制成的）前緣分離產(chǎn)出砂的獨特方法，保證了柱塞與泵筒界面的硬砂礫被分離，使下柱塞與泵筒的表面保持密封壓力更持久，因此延長了桿式泵壽命。新型防砂桿式泵見圖2。

　　該泵由上行的控砂柱塞與下行的加壓密封柱塞前后連接組成，并且兩柱塞相互隔離。上行程時，配有柔軟填密件的控砂柱塞由于沒有承受壓力，砂礫會進入泵筒，只會磨損填密件。下行程時，金屬噴涂的加壓密封柱塞前緣會因無砂而磨損。因此，新設(shè)計使兩柱塞的功能發(fā)揮到了極致。防砂泵工作期間，采出液僅通過內(nèi)通道流動，使得加壓密封柱塞前緣沒有液流流動。上沖程時，加壓密封柱塞不承受靜液壓力，由于液體具有不可壓縮性，因此攜砂液流進入加壓密封柱塞的上部空間。

　　針對泵漏失產(chǎn)生的液體流動，該泵設(shè)計了一個內(nèi)部腔室砂網(wǎng)，該砂網(wǎng)位于加壓密封柱塞的上部，具有堵砂和將砂儲存在兩柱塞之間的腔室的功能。下沖程時，積聚后的砂體會集中加入到液流中，是通過連接油管的孔回流至內(nèi)部液流中。柔軟填密件的上柱塞充當了加壓密封柱塞上部泵筒至柱塞之間的砂封作用。上柱塞用杯形和環(huán)形的效果比較好。由于柔軟填密件的柱塞無高壓密封性能，因此要求該柱塞比普通式柱塞使用期要長些�，F(xiàn)有的所有普通結(jié)構(gòu)的桿式泵均可配裝柔軟填密件。

3.用于小排量的氣井泵

　　美國得克薩斯州CDI能源服務(wù)公司宣布，在其最新設(shè)計的McGiver系列桿式泵中又添新丁MG-3。在開采小排量或含氣井時，McGiver MG-3桿式泵使一切都可能發(fā)生。下沖程時，固定凡爾的上部產(chǎn)生低壓區(qū)時，新型泵可在氣壓室上部保持靜液負荷。另外，這種新型泵為防止液面撞擊專門設(shè)計了加襯墊，用于保存泵中沉降的砂粒。

　　隨著MG-3在猶他州Vernal油田的成功應用，CDI還將其拓展應用到產(chǎn)氣、產(chǎn)泡沫的市場和低產(chǎn)量的井中，這是一個富有挑戰(zhàn)意義的新領(lǐng)域。目前，新泵的安裝深度在1158m-3353m（3800-11000 ft）范圍內(nèi)，該泵僅限于安裝插接式泵上。

新型桿式泵配套設(shè)備的研制

1.新型井下柱塞

　　最近，美國加利福尼亞州Bakersfield油田科技人員在Muth泵的基礎(chǔ)上研制出新型Farr桿式泵柱塞。該柱塞獨特的設(shè)計使泵可抽吸砂粒、粉煤和其它固體顆粒，不會產(chǎn)生柱塞卡在泵筒內(nèi)現(xiàn)象，并避免了泵與磨蝕固體顆粒的磨損。圖3給出的是Farr柱塞與常規(guī)API柱塞的對比圖。新型柱塞接箍（或傳統(tǒng)API柱塞的襯套）是把原頂部的柱塞移至底部，這一簡單的位置改動使井下桿式泵的工作狀況產(chǎn)生了相當大的改變。

　　在常規(guī)的API柱塞上，頂部接箍或襯套比柱塞小1.5mm（0.060 in），即在接箍和泵筒之間的頂部留有一個縫隙。當柱塞向上運動時，該縫隙迫使固體顆粒向下和向外進入縫隙。落入柱塞和泵筒之間的固體顆粒磨損柱塞金屬表面，造成卡泵事故。新型的Farr柱塞將柱塞接箍移至底部，其錐形設(shè)計使頂部朝內(nèi)，固體顆粒被迫向內(nèi)移動，并隨著液流上升，不會進入縫隙，這樣避免了上述問題。

2.桿式泵控制器

　　過去，采油工通過選擇調(diào)整載荷和位移傳感器和安培數(shù)2種方法來控制桿式泵井。當變速控制器（VSDs）應用調(diào)整安培數(shù)方法改變發(fā)動機速度時，傳統(tǒng)桿式泵控制器（RPCs）是通過載荷和位移來確定開、關(guān)井時間。美國Weatherford公司研制的新型導向控制器將載荷和位移測量和變速驅(qū)動器精確度結(jié)合起來，達到了最佳效果。

　　新型控制器應用連續(xù)的載荷和位移示值計算泵的充滿系數(shù)。加速或減速變速控制器來控制發(fā)動機，使其保持最佳運轉(zhuǎn)狀態(tài)。這樣使地層回壓最小，而流量達到最大值。新型控制器還可避免液面快速下降，防止到達加快泵磨損和損壞的抽空位置。

　　將傳統(tǒng)抽油桿控制和變速技術(shù)相結(jié)合，可保證泵在井況變化時也能以正常轉(zhuǎn)速工作。由于控制器是根據(jù)電流變化調(diào)整泵速的，因此無需改動皮帶輪。控制器可保證發(fā)動機在滿負載情況下以合適的工作扭矩工作，電機和抽油桿不會過載運行，也無需啟泵時過載驅(qū)動發(fā)動機。

　　此外，該控制器會存檔主要工作數(shù)據(jù)，可在井口提取數(shù)據(jù)，也可應用遠距離分析和遙控的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）接口提取數(shù)據(jù)。該控制器包括一個通過預測總產(chǎn)液量來推斷產(chǎn)量的算法和用戶配置的可儲存30天以上的數(shù)據(jù)自動測量裝置。該裝置的額定功率為6.7-335Kw（5至250 hp），適用單相和三相電源。

3.抽油桿連接器

　　美國Weatherford公司獨特設(shè)計的四部PRO/KC連接器和精密的PRO/KC配套裝置延長了其工作壽命，提高了承載能力，其能力遠遠地超過了常規(guī)的三部API連接器。其新穎的設(shè)計系統(tǒng)為明顯增加了應用梁式泵和螺桿泵的強度和耐久性。

　　新型抽油桿連接器由2個銷釘、一個接箍和一個中心鈕扣四部分組成，具有穩(wěn)定的剛性連接功能，新型抽油桿連接器見圖4。在負載條件下，常規(guī)的API連接器可在銷釘?shù)呐_肩，接箍端面，螺紋上移動。這樣會增加動載荷，并導致銷釘損壞。

　　新型連接器的配套裝置已申請專利，該方法提高了連接器的承載能力和工作壽命。連接器的銷釘和接箍具有精確的機械加工長度，被連接到中心紐扣上。由于新型抽油桿連接器量針減少了2個銷釘臺肩的伸長量，預加負載被證實集中作用在銷釘凸頭和接箍上（與中心紐扣方向相反）。而且，新型連接器為預加負載提供了最佳雙銷釘?shù)纳扉L量。因此，新型抽油桿連接器在抗擴張、抗扭轉(zhuǎn)、抗彎曲和抗疲勞等方面具有較高的穩(wěn)定性。

4.變速驅(qū)動器

　　最近，美國休斯敦Lufkin自動化公司研制出新型組合式變速驅(qū)動器，即SAM油井變速驅(qū)動控制器。該驅(qū)動器是為在惡劣環(huán)境下工作的桿式泵而設(shè)計的，是一個無需停泵就能使泵抽汲狀態(tài)與地層條件相匹配的組裝系統(tǒng)，見圖5。新型變速驅(qū)動器用連續(xù)逐檔調(diào)整泵速的方法來保證抽油機井的正常運轉(zhuǎn)，替代了用控制器控制開關(guān)以適應井性能的傳統(tǒng)方法。此外，該驅(qū)動器每檔都可改變速度，用來減少桿的震動和其它損害抽油桿和泵裝置系統(tǒng)的故障發(fā)生。該系統(tǒng)的額定功率為13.4KW-167.5KW（10 hp-125 hp），可應用在梁式泵和螺桿泵上。主要應用在砂卡或泵卡井、稠油或桿脫井、蒸汽驅(qū)井、低效的井、產(chǎn)量不穩(wěn)定的井、大排量井和難停泵的井。

　　在減少檢泵次數(shù)上效果明顯。在一些伴有桿柱震動稠油井開采過程中，通過減少桿柱震動和使泵全速運轉(zhuǎn)，使得產(chǎn)量有所增加。由于保持了井泵的正常運轉(zhuǎn)，很多用常規(guī)梁式泵開采的井的產(chǎn)量也明顯增加。

　　采油工無需停泵，這樣可避免泵損壞，很多應用了該驅(qū)動器的螺桿泵井的產(chǎn)量也有明顯增加。新型變速驅(qū)動器已見到了一些節(jié)能效果，但很多試驗井運行時間低于傳統(tǒng)桿式泵的75%，節(jié)能更有效，因此一臺變速驅(qū)動器全天運轉(zhuǎn)并不是最節(jié)能的。有些采油工選擇應用NEMA B發(fā)動機替代D發(fā)動機。B發(fā)動機事故發(fā)生率低，具有較高的耗電率。

5.油田安裝的抽油桿導向器

　　影響抽油機井生產(chǎn)能力的重要因素之一是油管磨損問題。油管磨損不僅影響水平井、定向井和斜井的壽命，也影響普通井的壽命。最近，美國R&M能源系統(tǒng)公司在抽油機配套設(shè)備中研制出2款抽油桿導向器。新型導向器的設(shè)計使磨損均勻分布在整個管柱上，可完全消除磨損。該抽油桿導向器可安裝在油井上，無需起下抽油桿，這樣既縮減了檢泵開支，又加快了檢泵速度。

　　1）高產(chǎn)油田安裝的Stealth XL抽油桿導向器具有光滑的剖面，目的是適應井下惡劣環(huán)境，額定溫度為206℃（400℉），新型抽油桿導向器見圖6。較深的凹面通道和流線型設(shè)計使抽油桿導向器在高產(chǎn)井中具有較好的流動性。較寬的葉片充當寬敞的支撐表面，目的是預防斜井中抽油桿、抽油桿接箍和油管磨損。該系統(tǒng)中抽油桿接箍材料具有較好的與鎖緊機構(gòu)相結(jié)合的抱緊力，使該導向器已完全可取代其它油田目前應用的導向器。

　　2）FAST是R&M生產(chǎn)的又一款新型油管導向器。該導向器配具有一個不連在抽油桿上的“定子”，該“定子”位于外部，而常規(guī)抽油桿導向器連在抽油桿上，與抽油桿運行一致。當油田應用的轉(zhuǎn)子或內(nèi)套在定子中自由轉(zhuǎn)動時，F(xiàn)AST抽油桿導向器獨特的3葉片式定子會保持固定狀態(tài)。正是由于這種定轉(zhuǎn)子間的較大過盈量接觸才會產(chǎn)生較大的流動通道，從而保存從導向器被清除的砂粒等巖屑。

　　該導向器由一個可將抽油桿固定在油管中間的固定套筒和2個鎖片組成，新型抽油桿導向器見圖6。每個鎖片滑過抽油桿時，與其摩擦鎖定。該設(shè)計降低了導向器周圍的液流流動壓力和抽油桿旋轉(zhuǎn)導致的機械和水力摩擦而產(chǎn)生的扭矩。

抽油桿故障診斷處理系統(tǒng)與潤滑油

　　1.抽油機井影像傳輸故障診斷與處理系統(tǒng)

　　桿管磨損是抽油機井檢泵的主要原因之一，頻繁檢泵會明顯增加舉升成本。為降低檢泵率，美國得克薩斯州Willis R&M能源系統(tǒng)公司研制出新型VisuWell抽油機井故障頻率影像傳輸診斷和處理系統(tǒng)。

　　通常，作業(yè)工很少掌握有關(guān)油管偏磨、桿管磨損的根本原因和管桿斷裂的可靠數(shù)據(jù)。檢泵后提取的油管形狀、壁厚和抽油桿在不同深度等信息，對于確定檢泵的主要原因是非常重要的。新型VisuWell系統(tǒng)應用高分辨率數(shù)據(jù)和反映采油井狀況的網(wǎng)絡(luò)傳輸影像使作業(yè)工在檢泵前就能進行有效分析和預防處理。

　　借助于新型診斷系統(tǒng)可見到故障發(fā)生的原始位置，并可繪制井筒之間的公共數(shù)據(jù)點。抽油桿柱、油管柱和油管的偏磨可在新井投產(chǎn)前進行評估。新系統(tǒng)將桿管狀況和井筒的偏移連接到一個綜合的、在線聯(lián)機的能讓采油隊的每位員工都能見到的井筒剖面上。因此要求地質(zhì)大隊管理人員不論身處何方都應給予有效配合。

　　該系統(tǒng)可在發(fā)布單井或整個區(qū)塊信息的三維動態(tài)網(wǎng)頁上看到。桿管形狀及其在不同井下深度的狀況可從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（先用XML壓縮、然后再用人機交互式繪圖格式進行影像傳輸）下載到客戶的機器上。偏磨、磨損和斷裂的相互關(guān)系快速地呈現(xiàn)出一口具體井或一個區(qū)塊的三維圖象，并可用繪制相同井況圖的方法查詢連通井筒信息。應用新系統(tǒng)所產(chǎn)生的效果是檢泵率下降，舉升成本降低，年產(chǎn)量增加。

2.抽油桿潤滑油

　　美國俄克拉何馬州的ClaremoreUpco公司研制出新型抽油桿潤滑油，即Upco抽油桿潤滑油，這是多年來設(shè)計、試驗和生產(chǎn)制造抽油桿圓周位移的結(jié)果。Upco的目標是能夠介紹其生產(chǎn)的每一種抽油桿的直徑和級別，并給出特定的圓周位移值。

　　潤滑油成為聯(lián)接螺紋接頭的主要成分后，該公司開始嘗試應用常規(guī)抽油桿潤滑油和目前可供選擇的潤滑油。另有2個公司在此基礎(chǔ)上進行了改進，生產(chǎn)出能滿足油田不同需求的潤滑油。

　　這種新型抽油桿潤滑油符合所有需求。專門為聯(lián)接接頭生產(chǎn)設(shè)計的潤滑油具有防腐性能，內(nèi)含的二硫化鉬可防止螺紋脫扣、卡死和磨損，該潤滑油平滑，無任何填充劑。試驗表明，應用新型潤滑油裝置的承載能力增加了40％。通過聯(lián)接接頭狀況看，新型潤滑油已達到了最初的設(shè)計性能。

　　一夸脫瓶潤滑油可潤滑500根抽油桿，工業(yè)用以桶/2加侖為單位。銷釘螺紋只用一小滴潤滑油；抽油桿接箍臺肩端面必須保持干燥。Upco已發(fā)布一篇題為“選擇用于抽油桿圓周位移的潤滑油”技術(shù)論文。該技術(shù)應用了應力、張力、扭矩和環(huán)形位移的核心工程理念，完成了最初階段的項目研究，并提供了詳細的技術(shù)報告。