机械采油新进展——有杆泵采油

　　摘 要：介绍有杆泵、螺杆泵、气举3 种机械采油设备的突破性进展。有杆泵采油有9 项新技术。新型阀罩的进液口处为锥形,在阀球升离阀座时能迅速增大流通面积。3 种新型盘根盒及密封件为：用于抽油泵井口的具有自动压紧功能的盘根盒;新型液压平衡盘根盒能有效地将光杆主密封件与井内产出液隔离，并由特种液体对主密封件进行连续冲洗;能补偿光杆与盘根盒间隙的新型盘根盒。新型井下气体分离器能高效分离游离气及产出液中的溶解气。新型油井动态监测器适用于控制器与共用主体相连的自动关井控制系统。新型控蜡和清蜡装置既可清蜡,又可清除抽油杆上附着的其它固体颗粒。镶嵌在油管内的高密度聚四氟乙烯衬里新技术能有效减少磨损、结蜡和水垢。一种简单的旁通式座入短节可用于低含气井中对流体脱水处理。螺杆泵三项新技术为：螺杆泵金属定子;保护螺杆泵免遭破坏的螺杆泵关井控制器;管柱防倒扣锁定式油管接箍。两种气举采油新技术为用于连续油管的电缆回收式气举阀和CO2气举。

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　　在这里介绍9 种有关有杆泵采油现场应用方面的改进。其中7 种新设计用于抽油泵系统中关于抽油杆、抽油泵和环空设备，另两种为：一个综合性能控制器及一套环保型冲洗阀和杆管清蜡器装置。

　　1、改进的标准阀罩

　　位于加拿大艾伯塔省卡尔加里地区的HIVAC有限公司开发了一种改进的标准阀罩,这种阀罩可大大增加进入泵筒的液量,因而提高了泵的充满程度,同时也提高了抽油泵用于可压缩液体的适用性。

　　这种阀罩的进液口处设计为锥形,以保证阀球升离阀座时能迅速增大流通面积(见图 1 )。这种阀罩提高了流体的流动性能,是流体通过某些常规阀罩流动性能的5倍 。所以,井筒内的液体进人泵筒时不会产生较大压降,柱塞上行时,液体迅速充满柱塞下方的泵腔,且只在泵腔内释放出少量的溶解气。

　　下冲程时,柱塞能快速浸人液体中,这样增大了对液体的压缩,游动阀在压缩游离气的作用下打开,避免了气锁现象的产生。在井斜大于65°的斜井中,尤为重要的是减小了冲程损失。

　　如图1所示,该阀罩的另一设计特点是：进液口处设计为螺旋式结构。这种螺旋式结构在保证流体通过阀罩时,能形成旋转流动。设计者声称,这种结构能增大悬浮颗粒的悬浮时间,减少了阀上固体颗粒的下落和堆集。阀罩出口处“致密的流动”形态,能降低对阀罩上方泵筒内表面的腐蚀。

　　图1高流动性能垂直导向标准阀罩

　　在一个由用户委托、艾伯塔科学研究委员会指导的试验中,采用了带有新式阀罩的 1¾in抽油泵与带有常规标准阀罩的2 i n 抽油泵进行了对比试验。

　　试验内容包括：柱塞下行速度;采用不同粘度原油时通过阀罩的流体流动性能和压降。井史记录表明：通过使用改进标准阀罩的井下抽油泵后,井的生产有了改善。

　　2、高压盘根盒

　　得克萨斯州的 A u t o一P a x P r od u t s of Odessa公司开发一种用于抽油泵井口的盘根盒具有自动压紧功能,即在井液压力增大时能保证盘根盒自动紧固密封光杆。图2 为该新型专利的结构图。

　　图 2高压盘根盒

　　该装置的主要部件包括:推进活塞上开口的可压缩环形密封件和一个预压弹簧。预压弹簧提供了在较低或无压力时作用的密封件上、保证密封光杆的至小挤压作用力。随着井口压力的上升作用在推进活塞上的液压力增大，则作用在密封件上的挤压作用力也增大,保证了光杆的至佳密封从推进活塞顶部到盘根压盖端面间的距离A就是密封件的允许磨损调节距离。随着密封件的不断磨损，推进活塞上部逐渐靠近盘根压盖端面。然而，只要盘根压盖端面不与推进活塞接触，就能保证光杆的密封。

　　需要维修时，将4个双头螺栓和旧密封件卸下,重新装上开口的新密封件。30 分钟内可完成这一工作，抽油井即可进人正常运行状态。泵工只需经简单培训,就能掌握这项工作。

　　这种盘根盒的液压试验压力为 4500 psi,额定工作压力为2500 psi。与井液接触的各部件材料为低碳钢、316ss和海军黄铜。这些材料能满足多种生产的需要。如果使用该盘根盒的经济效益明显,则与井液接触的盘根盒的各部件均可由316ss和铬镍铁合金600制成。316ss材料的盘根盒能用于CO2 或含水的生产环境,额定工作压力为1500 psi。

图 3带有清洗液存储容器的液压平衡盘根盒

　　3、改进型液压平衡盘根盒

　　Palmour液压平衡式盘根盒由 Trico工业公司提供。该工业公司总部设在得克萨斯州的圣马科斯。这种盘根盒能有效地将光杆主密封件与井内产出液隔离,并采用由控制器选择、储存在附加容器 内的特殊液体对主密封件进行连续冲洗。

　　这种新型盘根盒利用二次密封件从井内产出液中分离出操作控制液(见图3 )。并通过一压力传感器的作用防止二次密封件两侧产生压差,保证该密封件的使用寿命长。新型盘根盒中的几个主要部件包括：储存控制液的容器;控制液与外界间的主密封件;控制液与井液间的二次密封件和一个压力传感器。

　　压力传感器内安装一弹簧预压活塞,下冲程时,该活塞通过一单流阀从附加容器中吸入控制液体,当压力上升时,控制液被输送到主密封件系统中,所以,附加容器内不带压力。根据需要,可以安装一低液位切断开关,保证在附加容器内液体亏空时及时关井。

　　这种盘根盒适应于新投产的井。另外,一种现场通用的改进型盘根盒已设计完成,允许用户在现有井口装置的下部安装使用这一新型的盘根盒。此时,这种新型的盘根盒就作为由控制液操作的保证光杆密封的主要装置。这种盘根盒的优点有：

　　l ) 由于盘根盒的主密封件工作于清洁的具有润滑作用的井内产出液中,具有很长的使用寿命。

　　2 ) 由于二次密封件工作于两侧压差平衡系统中,所以 ,二次密封具有很长的寿命。

　　3 ) 光杆一直处于润滑状态运动。

　　4 ) 盘根盒漏失时,光杆外表面附近无盐的结晶体产生,所以,避免了对主密封件的擦伤和磨损。

　　5 ) 节约了井场清洁管理费用。

　　4、盘根盒密封件

　　Flow Control Equipment股份有限公司( FCE )的个子公司 J.M.Huber CorP 开发了一种盘根盒密封件。专利名称叫 Dome。该密封件同时具备了聚四氟乙烯(PTFE)和橡胶的优点。

　　分布于得克萨斯州 Borger地区和加拿大的埃德蒙顿省和艾伯塔省的FCE公司声称，掺入橡胶的开口的聚四氟乙烯环 (见图4 ) 具有较低的摩擦系数,但却不具有自补偿性能。也就是说,必须持续对它施加压力,以保证随着密封件的磨损,能保持对光杆紧密的密封效果。

图4 用于Dome盘根盒的新型密封件

　　而橡胶具有一定的自补偿性能,所以不需要机械弹簧的作用就能保证密封件与光杆 (P R )的接触密封。这种混合密封件能补偿光杆与盘根盒间的间隙。

　　这种特制的碗型Dome密封件，能有效地将紧固盘根盒产生的垂直作用力转换为密封环外表面均匀的召向作用力,这样就保证了密封件抱紧密封光杆。开口的聚四氟乙烯密封环比橡胶混合物材料制造的常规密封件摩擦系数低。

　　由于较低的摩擦系数,产生的热量少,对光杆的伸变形小,所以造成盘根盒密封失效的情况就少。

　　该密封件能根据流动管线内压力的变化,自动地调整挤压变形量。

　　例如：压力升高时,密封件自动受到挤压密封。相反,压力降低时,密封件则自动释放。

　　这种新型的密封件设计用于现有普通的任何一种锥形密封盘根盒,在购买时配备了成套的转换工具。每套密封件由3件橡胶密封件组成,每一件橡胶内夹有件开口的聚四氟乙烯密封环。这种新型密封件的材料可使用以下几种：丁氰橡胶,标准工业橡胶，高饱和丁氰橡胶 ( HSN )，羚基丁氰橡胶 ( X N B R )。

　　5、并下气体分离器

　　休斯顿St ren公司通过对井下气体分离器工作时的物理现象的研究,开发了一种曾报道过的井下高效分离器Maixmizer。这种分离器非常简单、有效、经济。

　　由于进人泵筒的游离气和流体通过类似于抽油泵标准阀座这样的小流道时析出的溶解气的存在,所以产出液在进入抽油泵之前进行脱气，能增加泵的容积效率,避免了气锁和气击现象，能提高抽油泵的寿命。

　　这种新型分离器用于游离气的分离。由于通过分离器产生的压降比通过抽油泵固定阀座产生的压降大,所以,使用该分离器也能更有效地析出产出液中的溶解气(见图5)。而其它种类的气体分离器则只能用于游离气的分离,而不能做到在泵吸入液体之前既分离出游离气,也能析出溶解气。

图5maxmizer气体分离器

　　一种用于航空工业的专利软件,可用于精确地计算出抽油泵吸液过程中流体通过标准固定阀座产生的压降。分离器的具体尺寸和脱气阀弹簧压力的设计，应做到具有降低流体压力、释放出溶解气的效果。这种分离器的产品允许系列化生产。

　　例如：对应用于比重为 2 8一 42A P I的重质油,气体分离器应按适应于150 bb l /d 和 4 00 bbl/d 产量的型号进行系列化生产。

　　弹簧和环形阀板的不同组合能满足5½in 套管井内 5~500 bbl/d 产量的生产需要,也能满足7 in套管井内产量达到 1500 bbl/d 的生产需要。在产出气液比非常不稳定的区域应用本装置进行气体的分离是非常复杂的。图6 给出了下入井下分离器后示功图的改善。

图 6 O k1ahoma井下入气体分离器后的示功图

　　6、油并动态监测器

　　休斯顿 N alco/ E x x o n Energy Chemicals,L.P.(隶属于Co r rosion Produet Manag e r)近期开发了一种统计过程监控程序( S PC)，能有效地提高对抽油机井的监控。该程序适用于控制器与共用主体相连的自动关井控制系统 ( POC)。

　　有四个参数需要确定,作为判断抽油机井是否工作在正常状态的主要测试依据。这四个参数为：至大光杆载荷 ( P P R L);光杆载荷增量 ( D P R L );示功图面积(CA);运行时间百分数(%RT)。这四个参数点以两种形式显示为SPC格式。第一种形式包括显示在不同的 31点的SPC卡片上的四个参数点的实际读数,每一点可以提供一个读数或某种形式的平均读数。这一结果取决于POC系统对每口井的扫描速度。这个速度的一般标准是3分钟到1 小时扫描一次。第二种形式包括 2 4 小时的平均读数。这四个参数重新以SPC格式显示出来,每一数据点与每一参数所有读数的2 4小时的平均值相对应。

　　该系统的应用具有如下优点：具有连续的提高生产所必须的文件记录和校正能力;具有早期蜡生产的预报功能;具有及时查明抽油井失效的功能;具有优化井的循环系统的功能。

　　另外还有其它的优点。以上面提到的主要测量参数为基础确定每口井的正常生产范围后,就可使用该系统对井的生产进行监测。

　　通过S PC系统分析，一旦查明任何工作参数的紊乱,则发出一特别警告。每口井基本可看作是一个具有连续监控信号 ( PPRL，DPRL，CA，% RT )输出的独立工作过程。SPC系统可以在正常状态下使用，也可以在紊乱状态下使用,使用得当,通过优化操作能显著减少操作费用。

　　7、清蜡装置

　　得克萨斯州的M idland环境能源服务队 ( E E ) S开发了两种用于机械采油的控蜡和清 蜡装置,一种叫P araf f in Master，另一种叫Enviro Clean。

　　第一种装置用于抽油泵井。使用这种装置后,可对井下抽油杆及环空加热,并利用井内自身的产出液在环空或油管内的循环将析出蜡带走。井口产出液直接从流动管线输送到安装在管线另一头的电加热装置。使用这种电加热装置可使循环液从正常的井口温度加热到250°F。

　　加热的液体内添加一种除蜡剂后,直接返注回油套环空。被加热的液体紧贴油管柱外表面流到井底。由于该系统采用的循环液体为本井内的产出液体,所以,并不需要采用常规方式下使用的储存在欢罐中的大量的循环液体。

　　标准的作业方式为：连续2 4小时向井内回注被加热的产出液,完成清蜡。通过该公司对 2500多口井的施工经验的报道,证明了该方法的使用效果,不仅降低了费用,而且清蜡非常彻底,提高了油产量。由于回注液均为本井内的产出液,所以该系统不会伤害油藏。

　　在进行油井的常规维护作业时，使用Enviro Clean装置既可以清蜡,也可以清除抽油杆上附着的其它固体颗粒 (见图7 )。安装在管柱顶部的液压式抽油杆清洗装置能利用高压喷射水清洗抽油杆上的附着物,然后将冲洗液通过真空水龙带输送到储液罐内,而不需要将抽油杆放倒后进行清洗。

图7 环保型抽油杆清洗装置

　　如果起出抽油杆后油管柱保存在井内,可对油管进行定位清洗。作业方法为：起出油管摆放在油管架上，将油管的一端堵塞,采用高压喷射软管进行冲洗,冲洗下来的蜡和冲洗液被收集起来,通过真空水龙带输送回储液罐内。由于Enviro Clean装置的清洗效果完全彻底,

　　所以能保证在使用Paraffin Master装置进行常规修井作业后,能减少在将来实施的修井作业工作量。

　　8、聚四氟乙烯衬里油管

　　得克萨斯州敖德萨地区的Western Falcon股份有限公司利用一特殊的卷制技术将高密度聚四氟乙烯 ( H D P E )管外径暂时缩小,然后将该材料作为衬里镶嵌在生产油管内(见图 8 ),当衬里材料扩张时,能胶接在油管内壁上。这种内衬里的管柱具有多种优点。

图8 镶嵌在钢油管内的高密度聚四氟乙烯 ( HDPE )衬里

　　首先,采用内衬里油管柱,可允许用户继续使用已腐蚀的或被抽油杆磨损的油管,这样避免了更换和打捞油管的费用。内衬里油管柱同样能有效保证油管彻底与H2S、CO2等腐蚀介质隔离。2 0年前,这些优点已在 HDPE 内衬里套管和用于注水的HDPE 衬里油管的应用中表现出来。并且由于具有非金属表面层，也减少了蜡和水垢的集结。其次,在抽油泵井中,抽油杆运行于内衬里油管中比运行于外表面暴露的钢油管中的磨损要小,这一点已得到了证明。

　　西得克萨斯州的用户已在另一种改进的H DPE衬里的油管应用中获得了效益。1994年， 在得克萨斯州的Ir aan 地区附近的Yates油田的Marathon石油公司的指导下,在一个管柱经常遭受磨损破坏 的区块对本技术的应用进行了现场评价试验。

　　试验中,将内衬里油管柱下到一口在一年内出现过两次以上油管破坏的井内。这套新管柱持续生产了3 2个月,没有损坏。

　　在取得成功的基础上,由12个作业队在一些出现问题的井上又下入了65套这种管柱,到 目前为止,没有出现抽油杆磨损油管造成失效的问题。

　　另外，试验数据表明光杆至大载荷减小了15 % ~ 20 %。由于内衬里油管减小了油管内径,所以在进行机、杆、管设计时,必须认真考虑由小直径油管所造成的影响。

　　但在这一因素的局限范围内,对于某些抽油设备方面的问题,聚四氟乙烯衬里油管能提供一种长期、有效、经济的解决方法。

　　9、旁通式座入短节

　　美国Oxy公司开发了一种非常简单的工具,用于低含气井中对流体进行脱水处理。这种工具由中大陆地区的用户进行了初期的测试试验。这种旁通式座入短节的工具,早期的试验报道出现在SPE24796上。该文章发表于1992年10月4 ~ 7日,在华盛顿特区召开的第67 届年度技术展示会议上。Oxy公司已授权得克萨斯州C r owley地区的Harbison 一Fischer生产销售该工具。

　　图9可说明这套工具的原理。该工具由一段 2 7/8in( 或3½in 的实心钢体制成，两端加工为 2 7/8in 油管接箍螺纹。将该实心钢体的下端留丝堵，钻一个大于半径½的中心孔，作为泵的固定和进液口的空间。水平钻两个大孔与中心孔相通。垂直方向,在水平通孔两侧穿过未钻孔的钢体壁和实心塞堵钻8~10个旁通孔。

图9旁通座入短节

　　20 ft的2 7/8in油管接到旁通装置上面，提供了围绕插入式抽油泵向下流动的通道，27/8in油管与井身结构为2 3/8in油管和51/2in 套管完井的抽油泵上面的 2 3/8in 油管相连接。一个封隔器座封在旁通装置的下部,隔离生产层和处理层。

　　生产时,由产气层产出的水向下流动,通过旁通短节的入口进入抽油泵的吸入腔,然后由抽油泵向上抽吸到油管柱下部。进人油管后,在重力作用下,沿抽油泵的外部水直接向下流动,由旁通装置上的小旁通孔注回下面的处理层。气则由环空产出。

　　设计者认为,由于处理层依靠液体的重力作用稳定地吸收回注水,所以本装置工作性能 良好。由于油管内不会集满水,所以实际上液体的回注并不需要抽油泵对液体进行增压。然而,事实上回注层需要的注入压力具有局限性。据报道,一套高压关井装置已得到了应用,以便在地层发生堵塞时做到关井。而且,也提出了一套对处理层进行简单增注的措施：起出井内抽油杆和泵柱塞,在抽油泵固定阀座上投放一标准球,通过旁通孔对处理层进行酸化处理。

　　这种工具适用条件是：附近恰好有一高渗透处理层,处理水中也不能存在液态烃类产物。这一工艺的使用将大大节约用于水处理的费用。

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