双柱塞串联抽油泵技术试验研究

陈鸿（大庆油田有限责任公司第六采油厂）

随着油田提高采收率技术不断进步，尤其是聚合物驱、三元驱等技术的应用，在采油过程中，地层中碳酸盐、硅酸盐等各类物质以砂砾状、黏稠状伴随地层采出液进入井筒内，在抽油泵附近产生沉积和积累，导致抽油泵在生产过程中发生砂砾卡泵或结垢卡泵，这成为影响检泵周期缩短的主要因素。2020 年，大庆油田第六采油厂因卡泵、活塞拉伤造成检泵作业井133 口，占全厂抽油机检泵井的13.1%，检泵周期733 天，较全厂检泵周期短26 天；若能达到全厂检泵周期，延长抽油机井运行时间，就少影响生产时数255.1×104h，躺井时间少影响原油产量2.86×104t。

1 出砂结垢原因

1.1 出砂

1）储层岩石成熟度较低，胶结疏松。从砂岩矿物成分来看，较高的长石和岩屑含量反映了岩石的较低成熟度。岩石颗粒多呈现棱角状，在细砾岩和砂砾岩中，普遍见“杂基”支撑结构，并在岩心中见有泥质支撑的漂浮砾石，反映了岩石结构成熟度低的特点。从岩石力学的角度分析，地层的胶结性质直接影响了岩石颗粒固有的剪切强度，并且由于胶结疏松，黏土、颗粒等更易于运移。

2）压裂导致地层出砂。由于储层岩石胶结疏松，压裂后近井地带岩石被剪切破坏，且应力平衡被打破，导致地层出砂，并且经过一段时间的开采，压裂砂会返吐，出砂的类型一般为压裂砂、常规地层砂、细粉砂等。

3）调补层、侧钻井、套损井出砂。对于砂岩油藏，纵向上发育砂岩组较多，调补层作业过程中注入灰浆容易污染井筒及近井地带，油井开抽后灰浆随井液采出，容易卡泵；随着开发的进行，套损井逐年增多，套损后油井出砂量大幅增加，且伴随出泥浆和细粉砂[1]。

1.2 垢卡泵

当油管内悬浮的垢屑发生沉降时，垢屑会直接堆积在柱塞拉杆与泵筒之间的环空中，使得柱塞很容易被垢屑卡死，影响油井的正常生产[2]。

1）碳酸盐垢的形成：经取样化验分析，碳酸盐垢主要为碳酸钙。碳酸盐垢是采油过程中常见的一种沉积物，通常产生于压力降低温度升高部位；因此，在压力发生急剧或明显变化的油井近井地带、井筒中易形成碳酸盐垢。

2）铁垢的形成：地下水中含有大量溶解的二氧化碳。当这些二氧化碳变成游离态的二氧化碳时，就会和铁作用发生腐蚀[3]。同时油田水中往往含有硫化氢，干燥的硫化氢与二氧化碳一样不具有腐蚀性，但溶于水的硫化氢就具有腐蚀性。

2 双柱塞串联抽油泵

2.1 原理设计

对于双柱塞串联抽油泵，采用上下双柱塞串联结构，柱塞中间利用连杆进行连接，使上下两个柱塞同时参与密封，实现了一个冲速范围内，两个柱塞分别对中间泵筒进行砂、垢的清理，同时保证其整个运行过程中泵效不受影响。这种两个柱塞交替工作和清理的过程，能有效防止柱塞与泵筒间隙内固体颗粒的累积，使发生卡泵的隐患降到最低[4]。

双柱塞串联抽油泵工作原理如图1所示。当柱塞上行至上止点时，上柱塞进入上泵筒，下柱塞则在中间泵筒内，保证密封的同时也保证了载荷的平稳性。此时，上柱塞与中间泵筒脱离，完成了对砂、垢的清理。当柱塞下行至下止点时，上柱塞位于中间泵筒内，下柱塞处于下泵筒内，此时，下柱塞脱离中间泵筒，完成了对砂、垢的清理。正常运行时，上下两个柱塞同时参与密封，这种结构实现了在一个冲速范围内，两个柱塞在上、下止点分别对中间泵筒进行砂、垢的清理，同时也保证了其整个运行过程中泵效不受影响；在上止点时，保证泵效同时也保证了系统载荷的平稳性[5]。

图1 双柱塞串联抽油泵原理

2.2 结构设计

双柱塞串联抽油泵结构见图2。柱塞中间利用连杆进行连接，泵筒从结构上分为三段连接，上下两段泵筒内径较中间段泵筒内径大，中间段以实现密封、清洁功能[6]。两个串联柱塞上、下边缘处设计有向内的倒角结构，向内的倒角结构保证了柱塞上、下冲程过程中顺利进入中间泵筒，对泵筒内壁全程刮削[7]，实现对整个泵筒内壁砂、垢的清理，保证泵筒内壁的清洁，进而减少卡泵的概率。

图2 双柱塞串联抽油泵结构

从结构设计上实现了柱塞处于上止点时，下柱塞处于中间泵筒内；柱塞处于下止点时，上柱塞处于中间泵筒内。这种结构设计可以使抽油机在任意位置停机时，杆、管环空内沉积的砂粒、垢粒沿着柱塞边缘向内的倒角进入柱塞体内部，降低了进入柱塞与泵筒摩擦副的可能性。这些固体颗粒在抽油机启动后，会随采出液带走，从而避免发生卡泵现象[8]。

两个柱塞间设计采用连杆连接，连杆材质选用45#优质合金碳素钢。该连接杆内径设计为56 mm，外径设计为65 mm，计算可得金属横截面积约为855 mm2。45#优质合金碳素钢屈服强度按36 kg/mm2计算[9]，连杆承载能力可达30 780 kg；而泵深1 000 m、液柱压强为10 MPa 的条件下，上冲程时连杆所承受的载荷为855 kg，可见远低于连杆设计承载能力。

2.3 特点

确保在正常运行时，上下两个柱塞同时参与密封，保证泵效的同时也保证系统载荷的平稳性；确保两个活塞的结构设计能够有效防止柱塞与泵筒间隙内固体颗粒的积累，从而降低卡泵的隐患。

3 现场应用

3.1 总成密封试验

将组装后的双柱塞串联抽油泵（不装柱塞总成）上端接试压接头；另一端为吸入阀，将压力缓慢升至16 MPa 后，稳压3 min，压降不超过0.5 MPa为合格。总成密封试验数据见表1，1#和4#两台双柱塞串联抽油泵稳压3 min，压降为0.3 MPa，2#和3#两台双柱塞串联抽油泵稳压3 min，压降为0.2 MPa，均满足压降不超过0.5 MPa 要求。

3.2 间隙漏失量测试

将密封性能试验合格的抽油泵泵筒内装入选配好的柱塞，泵一端接试压接头，另一端接专用漏失量接头，压力升至10 MPa 后测漏失量。4 台双柱塞串联抽油泵间隙漏失量测试数据见表1，分别为830～880、 850～800、 850～800、 820～860 mL/min，均满足2 级间隙的φ70 mm 最大漏失量1 170 mL/min的要求。抽油泵漏失量标准见表2。

表1 间隙漏失量测试数据

表2 抽油泵漏失量标准 单位：mL/min

3.3 试验效果

在 L6-AS2823 和 L9-AS1201 共 2 口抽油机井上开展了初期现场试验。为了对比效果更为客观，试验前后抽汲参数不变（泵径均为φ70 mm，冲程均为 4.2 m，L6-AS2823 井冲速为 5 次/min，L9-AS1201井冲速为4 次/min）。下井后2 口井示功图均为正常工况示功图，无砂卡、垢卡等卡泵显示。

2 口试验井现场试验初期效果见表3。平均单井产液增加13 t/d，产油增加0.55 t/d，年创效益121.5 万元，平均检泵周期延长107 天，年节约检泵成本0.4 万元。综上所述，平均单井年创效益122 万元。

表3 现场试验初期效果

通过对初期效果分析，双柱塞串联抽油泵减少了出砂、结垢严重井在生产管理中由于停机带来的隐患，提高了油井运行的可靠性，达到了延长检泵周期、降低检泵率、节约检泵成本的目的。下步计划扩大试验规模，并明确选井条件：

◇ 泵径为φ57、φ70、φ83、φ95 mm；

◇冲程为3、4.2、5.5 m；

◇产液量为 0～30、30～60、60 t/d 以上；

◇含水率为90%以下、90%～95%、95%以上；

◇液面为 0～300、300～600、600 m 以上；

◇泵效为40%以下、40%～60%、60%～80%、80%以上。

4 结论

1）双柱塞串联抽油泵优化了筒内变径柱塞的结构设计，实现了对整个泵筒内壁砂、垢的清理，保证了泵筒内壁的清洁。这不仅能够有效地倒出油管内因脱落而掉人泵筒的垢片，防止卡泵[10]，而且还可以减缓泵筒内结垢的速度进而减少卡泵发生的概率，对抽油机井检泵周期的延长会起到促进作用，节约检泵成本。

2）经室内实验检测加工试制的φ70 mm 双柱塞串联抽油泵满足抽油泵标准，工艺上满足生产需求。通过L6-AS2823 和L9-AS1201 两口抽油机井现场试验表明，双柱塞串联抽油泵能够满足实际生产要求，适用于抽油机井举升工艺。

3）优化的双柱塞串联抽油泵结构设计能够始终保持一个柱塞在泵筒内，起到减少泵的漏失量、提高泵效、降低抽油泵运行载荷的作用，有效改善油井的生产运行效果。

4）双柱塞串联抽油泵为治理卡泵和运行滞后等工况问题奠定了技术基础，现场试验也取得了较好效果。但该技术毕竟是新技术，还需要研究其对于复杂井况的适应性，并根据评价效果对此技术进行修正完善。