□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(guó)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(guò)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(huì)在柱塞與泵筒之間的空隙中旁流或在其表面上滑動(dòng)，這樣，懸浮物會(huì)積聚在這一空隙空間。隨著柱塞的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這些積聚物就會(huì)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(huì)導(dǎo)致泵和抽油桿的過(guò)應(yīng)力，結(jié)果會(huì)造成卡泵、自動(dòng)停泵或桿斷等故障。
由于新系統(tǒng)進(jìn)行了重新組合，避免了卡泵及泵筒與柱塞表面的過(guò)早磨損，降低了檢換泵費(fèi)用。下沖程時(shí)，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(yùn)動(dòng)，通過(guò)軸向排出口進(jìn)入柱塞中心，此時(shí)懸浮顆粒與其它液流混合進(jìn)入泵中，從而被傳送到油管中。上沖程時(shí)，懸浮顆粒同樣積聚在柱塞的錐形頂部，下沖程時(shí)，懸浮顆粒被沖到上面，通過(guò)頂部旋流柱塞接合器進(jìn)入油管。該旋流泵系統(tǒng)見(jiàn)圖1。
2.防砂桿式泵
美國(guó)得克薩斯Harbison-Fischer公司研制出一種用于開(kāi)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(jìn)行了試驗(yàn)，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(qǐng)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(dú)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(zhǎng)了桿式泵壽命。新型防砂桿式泵見(jiàn)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(shí)，配有柔軟填密件的控砂柱塞由于沒(méi)有承受壓力，砂礫會(huì)進(jìn)入泵筒，只會(huì)磨損填密件。下行程時(shí)，金屬噴涂的加壓密封柱塞前緣會(huì)因無(wú)砂而磨損。因此，新設(shè)計(jì)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(guò)內(nèi)通道流動(dòng)，使得加壓密封柱塞前緣沒(méi)有液流流動(dòng)。上沖程時(shí)，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(jìn)入加壓密封柱塞的上部空間。
針對(duì)泵漏失產(chǎn)生的液體流動(dòng)，該泵設(shè)計(jì)了一個(gè)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(chǔ)存在兩柱塞之間的腔室的功能。下沖程時(shí)，積聚后的砂體會(huì)集中加入到液流中，是通過(guò)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(dāng)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(wú)高壓密封性能，因此要求該柱塞比普通式柱塞使用期要長(zhǎng)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(guó)得克薩斯州CDI能源服務(wù)公司宣布，在其最新設(shè)計(jì)的McGiver系列桿式泵中又添新丁MG-3。在開(kāi)采小排量或含氣井時(shí)，McGiver MG-3桿式泵使一切都可能發(fā)生。下沖程時(shí)，固定凡爾的上部產(chǎn)生低壓區(qū)時(shí)，新型泵可在氣壓室上部保持靜液負(fù)荷。另外，這種新型泵為防止液面撞擊專門設(shè)計(jì)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(yīng)用，CDI還將其拓展應(yīng)用到產(chǎn)氣、產(chǎn)泡沫的市場(chǎng)和低產(chǎn)量的井中，這是一個(gè)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(guó)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(dú)特的設(shè)計(jì)使泵可抽吸砂粒、粉煤和其它固體顆粒，不會(huì)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(duì)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(jiǎn)單的位置改動(dòng)使井下桿式泵的工作狀況產(chǎn)生了相當(dāng)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(gè)縫隙。當(dāng)柱塞向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，該縫隙迫使固體顆粒向下和向外進(jìn)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(jì)使頂部朝內(nèi)，固體顆粒被迫向內(nèi)移動(dòng)，并隨著液流上升，不會(huì)進(jìn)入縫隙，這樣避免了上述問(wèn)題。
2.桿式泵控制器
過(guò)去，采油工通過(guò)選擇調(diào)整載荷和位移傳感器和安培數(shù)2種方法來(lái)控制桿式泵井。當(dāng)變速控制器（VSDs）應(yīng)用調(diào)整安培數(shù)方法改變發(fā)動(dòng)機(jī)速度時(shí)，傳統(tǒng)桿式泵控制器（RPCs）是通過(guò)載荷和位移來(lái)確定開(kāi)、關(guān)井時(shí)間。美國(guó)Weatherford公司研制的新型導(dǎo)向控制器將載荷和位移測(cè)量和變速驅(qū)動(dòng)器精確度結(jié)合起來(lái)，達(dá)到了最佳效果。
新型控制器應(yīng)用連續(xù)的載荷和位移示值計(jì)算泵的充滿系數(shù)。加速或減速變速控制器來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，使其保持最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。這樣使地層回壓最小，而流量達(dá)到最大值。新型控制器還可避免液面快速下降，防止到達(dá)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(shí)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(wú)需改動(dòng)皮帶輪。控制器可保證發(fā)動(dòng)機(jī)在滿負(fù)載情況下以合適的工作扭矩工作，電機(jī)和抽油桿不會(huì)過(guò)載運(yùn)行，也無(wú)需啟泵時(shí)過(guò)載驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。
此外，該控制器會(huì)存檔主要工作數(shù)據(jù)，可在井口提取數(shù)據(jù)，也可應(yīng)用遠(yuǎn)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(gè)通過(guò)預(yù)測(cè)總產(chǎn)液量來(lái)推斷產(chǎn)量的算法和用戶配置的可儲(chǔ)存30天以上的數(shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)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(guó)Weatherford公司獨(dú)特設(shè)計(jì)的四部PRO/KC連接器和精密的PRO/KC配套裝置延長(zhǎng)了其工作壽命，提高了承載能力，其能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)了常規(guī)的三部API連接器。其新穎的設(shè)計(jì)系統(tǒng)為明顯增加了應(yīng)用梁式泵和
螺桿泵的強(qiáng)度和耐久性。
新型抽油桿連接器由2個(gè)銷釘、一個(gè)接箍和一個(gè)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(jiàn)圖4。在負(fù)載條件下，常規(guī)的API連接器可在銷釘?shù)呐_(tái)肩，接箍端面，螺紋上移動(dòng)。這樣會(huì)增加動(dòng)載荷，并導(dǎo)致銷釘損壞。
新型連接器的配套裝置已申請(qǐng)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(jī)械加工長(zhǎng)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(gè)銷釘臺(tái)肩的伸長(zhǎng)量，預(yù)加負(fù)載被證實(shí)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(yù)加負(fù)載提供了最佳雙銷釘?shù)纳扉L(zhǎng)量。因此，新型抽油桿連接器在抗擴(kuò)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(dòng)器
最近，美國(guó)休斯敦Lufkin自動(dòng)化公司研制出新型組合式變速驅(qū)動(dòng)器，即SAM油井變速驅(qū)動(dòng)控制器。該驅(qū)動(dòng)器是為在惡劣環(huán)境下工作的桿式泵而設(shè)計(jì)的，是一個(gè)無(wú)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(jiàn)圖5。新型變速驅(qū)動(dòng)器用連續(xù)逐檔調(diào)整泵速的方法來(lái)保證抽油機(jī)井的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，替代了用控制器控制開(kāi)關(guān)以適應(yīng)井性能的傳統(tǒng)方法。此外，該驅(qū)動(dòng)器每檔都可改變速度，用來(lái)減少桿的震動(dòng)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(yīng)用在梁式泵和螺桿泵上。主要應(yīng)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(dòng)稠油井開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)減少桿柱震動(dòng)和使泵全速運(yùn)轉(zhuǎn)，使得產(chǎn)量有所增加。由于保持了井泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，很多用常規(guī)梁式泵開(kāi)采的井的產(chǎn)量也明顯增加。
采油工無(wú)需停泵，這樣可避免泵損壞，很多應(yīng)用了該驅(qū)動(dòng)器的螺桿泵井的產(chǎn)量也有明顯增加。新型變速驅(qū)動(dòng)器已見(jiàn)到了一些節(jié)能效果，但很多試驗(yàn)井運(yùn)行時(shí)間低于傳統(tǒng)桿式泵的75%，節(jié)能更有效，因此一臺(tái)變速驅(qū)動(dòng)器全天運(yùn)轉(zhuǎn)并不是最節(jié)能的。有些采油工選擇應(yīng)用NEMA B發(fā)動(dòng)機(jī)替代D發(fā)動(dòng)機(jī)。B發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)向器
影響抽油機(jī)井生產(chǎn)能力的重要因素之一是油管磨損問(wèn)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(guó)R&M能源系統(tǒng)公司在抽油機(jī)配套設(shè)備中研制出2款抽油桿導(dǎo)向器。新型導(dǎo)向器的設(shè)計(jì)使磨損均勻分布在整個(gè)
管柱上，可完全消除磨損。該抽油桿導(dǎo)向器可安裝在油井上，無(wú)需起下抽油桿，這樣既縮減了檢泵開(kāi)支，又加快了檢泵速度。
1）高產(chǎn)油田安裝的Stealth XL抽油桿導(dǎo)向器具有光滑的剖面，目的是適應(yīng)井下惡劣環(huán)境，額定溫度為206℃（400℉），新型抽油桿導(dǎo)向器見(jiàn)圖6。較深的凹面通道和流線型設(shè)計(jì)使抽油桿導(dǎo)向器在高產(chǎn)井中具有較好的流動(dòng)性。較寬的葉片充當(dāng)寬敞的支撐表面，目的是預(yù)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(jī)構(gòu)相結(jié)合的抱緊力，使該導(dǎo)向器已完全可取代其它油田目前應(yīng)用的導(dǎo)向器。
2）FAST是R&M生產(chǎn)的又一款新型油管導(dǎo)向器。該導(dǎo)向器配具有一個(gè)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(dǎo)向器連在抽油桿上，與抽油桿運(yùn)行一致。當(dāng)油田應(yīng)用的轉(zhuǎn)子或內(nèi)套在定子中自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)AST抽油桿導(dǎo)向器獨(dú)特的3葉片式定子會(huì)保持固定狀態(tài)。正是由于這種定轉(zhuǎn)子間的較大過(guò)盈量接觸才會(huì)產(chǎn)生較大的流動(dòng)通道，從而保存從導(dǎo)向器被清除的砂粒等巖屑。
該導(dǎo)向器由一個(gè)可將抽油桿固定在油管中間的固定套筒和2個(gè)鎖片組成，新型抽油桿導(dǎo)向器見(jiàn)圖6。每個(gè)鎖片滑過(guò)抽油桿時(shí)，與其摩擦鎖定。該設(shè)計(jì)降低了導(dǎo)向器周圍的液流流動(dòng)壓力和抽油桿旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致的機(jī)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(rùn)滑油
1.抽油機(jī)井影像傳輸故障診斷與處理系統(tǒng)
桿管磨損是抽油機(jī)井檢泵的主要原因之一，頻繁檢泵會(huì)明顯增加舉升成本。為降低檢泵率，美國(guó)得克薩斯州Willis R&M能源系統(tǒng)公司研制出新型VisuWell抽油機(jī)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(duì)于確定檢泵的主要原因是非常重要的。新型VisuWell系統(tǒng)應(yīng)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(jìn)行有效分析和預(yù)防處理。
借助于新型診斷系統(tǒng)可見(jiàn)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(diǎn)。抽油桿柱、油管柱和油管的偏磨可在新井投產(chǎn)前進(jìn)行評(píng)估。新系統(tǒng)將桿管狀況和井筒的偏移連接到一個(gè)綜合的、在線聯(lián)機(jī)的能讓采油隊(duì)的每位員工都能見(jiàn)到的井筒剖面上。因此要求地質(zhì)大隊(duì)管理人員不論身處何方都應(yīng)給予有效配合。
該系統(tǒng)可在發(fā)布單井或整個(gè)區(qū)塊信息的三維動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)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(jī)交互式繪圖格式進(jìn)行影像傳輸）下載到客戶的機(jī)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(gè)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(yīng)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(rùn)滑油
美國(guó)俄克拉何馬州的ClaremoreUpco公司研制出新型抽油桿潤(rùn)滑油，即Upco抽油桿潤(rùn)滑油，這是多年來(lái)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)制造抽油桿圓周位移的結(jié)果。Upco的目標(biāo)是能夠介紹其生產(chǎn)的每一種抽油桿的直徑和級(jí)別，并給出特定的圓周位移值。
潤(rùn)滑油成為聯(lián)接螺紋接頭的主要成分后，該公司開(kāi)始嘗試應(yīng)用常規(guī)抽油桿潤(rùn)滑油和目前可供選擇的潤(rùn)滑油。另有2個(gè)公司在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，生產(chǎn)出能滿足油田不同需求的潤(rùn)滑油。
這種新型抽油桿潤(rùn)滑油符合所有需求。專門為聯(lián)接接頭生產(chǎn)設(shè)計(jì)的潤(rùn)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(rùn)滑油平滑，無(wú)任何填充劑。試驗(yàn)表明，應(yīng)用新型潤(rùn)滑油裝置的承載能力增加了40％。通過(guò)聯(lián)接接頭狀況看，新型潤(rùn)滑油已達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)性能。
一夸脫瓶潤(rùn)滑油可潤(rùn)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(rùn)滑油；抽油桿接箍臺(tái)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(rùn)滑油”技術(shù)論文。該技術(shù)應(yīng)用了應(yīng)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(xiàng)目研究，并提供了詳細(xì)的技術(shù)報(bào)告。
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