CN1904363A - 一种提高有杆抽油泵泵效和实现有杆抽油泵节能的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高有杆抽油泵泵效和实现有杆抽油泵节能的方法及装置，它包括光杆、油管、泵筒、游动阀、柱塞、密封光杆、脱接机构、密封短节、固定阀、固定阀座。泵筒与上部油管相连，固定阀座位于泵筒的顶部并相互连接。柱塞位于泵筒内部并能上下活动，其顶部与密封光杆相连。游动阀坐在柱塞上并置于固定阀座的下方。脱接机构用于连接或断开光杆和密封光杆。密封短节与固定阀座相连，密封光杆可以从其中心孔上下运动。由于柱塞长期直接接触于地层原油，将对柱塞产生一个向上的力，实现上冲程光杆载荷的降低和抽油机节能。由于泵腔的进油阀是游动阀，在地层流体向上的惯性力和柱塞的主动向下捕获力的双重作用实现了泵效提高，提高了抽油机系统效率。

Description

一种提高有杆抽油泵泵效和实现有杆抽油泵节能的方法及装置

所属技术领域

本发明涉及油田有杆抽油泵节能、有杆抽油泵泵效提高和抽油机系统效率提高，特别涉及一种提高有杆抽油泵泵效和实现有杆抽油泵节能的方法及装置，即高效节能有杆抽油泵。

背景技术

从全世界所有油田统计数据来看，大约有80％的油井是采用有杆泵抽油机来生产的，中国更是有92％的油井使用有杆泵抽油机。然而目前有杆泵抽油机系统效率普遍很低，从国外统计数据来看，抽油机系统效率只有28％～29％，而中国7万多口井的抽油机系统效率只有25.96％，有的油田抽油机系统效率平均只有20％左右，更为严重的是部分油井的抽油机系统效率不到10％。如何在满足油田产量需求的前提下实现节能和提高有杆泵抽油机系统效率是摆在工程技术人员面前的重大课题。

为此人们先后在有杆泵抽油机改进、电机改进和电控节能装置研究方面作了大量的工作，并取得了一定效果，抽油机系统效率也有所提高。美国加利福尼亚州1065口油井应用新技术后抽油机系统效率提高到29.4％；我国大庆油田69口油井应用新技术后抽油机系统效率提高到28.74％。

中国专利ZL99109780.7或其同族的美国专利US6640896 B1公开了一种有杆泵机械采油工艺参数确定方法，它首次提出了抽油机全系统各种功率计算方法，可以计算出各种井况条件下、各种采油工艺参数组合下的抽油机系统效率，以优选出系统效率最高或较高的采油工艺参数组合，从而大幅度提高有杆泵抽油机系统效率。从现场实施情况来看，实施该专利后大部分油井仍能保持住原来的产量，但由于冲次降低导致了不少油井产量下降或者动液面上升，这对专利使用单位采油厂来说是无法接受的事实。

针对目前技术无法实现根据产量变化实时提高抽油机系统效率的事实，发明专利200510079999.4公开了可根据油井产量变化实时提高抽油机系统效率的方法及装置，实用新型专利200520110861.1公开了抽油机多级冲次调节装置，发明专利200510083838.2公开了抽油机冲程调节方法及装置，实用新型专利200520113709.9公开了抽油机冲程调节装置。

人们在开展提高抽油机系统效率的研究中，很少涉及到有杆抽油泵如何实现节能，也就是说从未把超过百年历史的有杆抽油泵作为节能突破口。有杆抽油泵自百多年前诞生以来，其改进主要针对不同油田生产出现的不同问题而进行的。针对油井有气体影响的问题和油井出砂问题先后发展了防气泵，如中国专利88220987.6、93210518.1、00204557.5、00234833.0、01228545.5和防砂防气泵，如中国专利97223746.1、02280546.X、200320129579.9。

分析发现这些常规有杆抽油泵与电潜泵最大的区别是，在泵挂深度合理且一定时，抽油机所耗功率(光杆载荷)与动液面深度或井底流动压力无关，而电潜泵所耗功率与动液面深度或井底流动压力有关。

例如某油藏中部深度2000m，把有杆抽油泵或电潜泵放到油层中部，第一种情况下动液面深度为100m，此时井底流动压力大，泵入口压力大；第二种情况下动液面深度为1000m，此时井底流动压力小，泵入口压力小。

对于电潜泵而言，当泵挂深度2000m时，在第一种动液面浅的情况下，只要把井中流体净举升100m的高度，电潜泵的入口压力大，电潜泵所作的功率小；而在第二种动液面深的情况下，则需要把井中流体净举升1000m的高度，电潜泵的入口压力小，电潜泵所作的功率大。

对于有杆抽油泵而言，当泵挂深度2000m时，第一种动液面浅的情况和第二种动液面深的情况下的光杆载荷基本上差不多，所消耗的功率也差不多。在上冲程过程中，井底流动压力无法作用于活塞下部端面，无法产生一个向上的力以降低光杆载荷。

首先分析一下有杆抽油泵的工作原理：参见图1和图2，光杆1、套管2、动液面3、油管4、油层5、人工井底6、固定阀7、固定阀座7-1、阀球7-2、阀罩7-3、柱塞8、游动阀9、泵筒10，在地面抽油机带动下光杆1将带动柱塞8上下运动，在下冲程时，即光杆1及柱塞8下行时，固定阀7关闭，随着柱塞8继续下行，柱塞8与固定阀7之间的泵腔内的流体将受到压缩，压力将上升，将顶开游动阀9，泵腔内的流体进入柱塞8以上的油管内。在上冲程时，即光杆1及柱塞8上行时，游动阀9关闭，泵腔将变大，导致泵腔压力下降，固定阀7打开，从地层流出的流体流入泵腔。下冲程和上冲程来回往复运动，不断将井下流体抽到地面上来。

下面分析地层流动压力为什么在上冲程过程中无法作用到柱塞的下端面：上冲程过程中，游动阀9先关闭，随着柱塞8上行，泵腔体积扩大导致压力降低，此时固定阀7打开，下部流体通过固定阀7进入泵腔，因为固定阀7有流动阻力，导致下部流体不可能即刻充满泵腔。例如某油井泵径56mm，井口光杆冲程6m，井下柱塞冲程5.4m，每完成一次上冲程，泵腔体积将变化0.0133m³，由于流体经过固定阀7有流动阻力，实际进入泵腔的流体将少于0.0133m³，如果不考虑气体从油中溢出，则井底的压力无法传递到柱塞8的下端面。即使考虑气体从油中溢出，也无法将井底流动压力全部传递到柱塞8的下端面，而一旦有气体溢出，则会导致泵效大幅降低。

有人会提出这样的疑问，为什么不把有杆抽油泵下到与动液面相合适的深度以实现节能？油田开发早期，油井具有自喷能力，动液面在井口，即动液面深度为零，此时不用抽油设备。当油井失去自喷能力或自喷产量很低时，人们常常开始采用有杆抽油泵来举升井筒流体，在刚刚失去自喷能力时，有杆抽油泵的泵挂深度从理论上说可以很浅，只要满足合理沉没度即可，但考虑到气体的影响、动液面将不断下降和作业费用高的实际情况，人们不得不从开始就把有杆抽油泵下到足够深的位置以尽量消除气体对泵效的影响和适应动液面的不断变化。

针对稠油蒸汽吞吐井生产规律，人们开发出来了变排量泵，图3给出了现有的变排量泵三种工作状态下的示意图。变排量泵包括油管11、套管12、柱塞13、游动阀14、泵筒15、实心柱塞16、实心柱塞下端面17、固定阀18、密封短节19和光杆20。下面分析变排量泵是如何实现注汽、大排量采油、小排量采油的。图3a所示为注汽时工作状态，柱塞13和实心柱塞16连在一起并被提升出泵筒15，为注汽提供下行通道。图3b所示为适应蒸汽吞吐采油早期大排量生产时工作状态，实心柱塞16与柱塞13分离开，并座封在密封短节19上，其理论排量取决于柱塞13端面积。图3c为适应蒸汽吞吐采油后期小排量生产时工作状态，此时实心柱塞16重新与柱塞13连接在一起，其理论排量取决于柱塞13和实心柱塞16之间的端面积之差。

下面着重分析一下变排量泵在小排量工作状态下如何实现节能即光杆载荷降低的。在蒸汽吞吐采油早期，一般采用大排量生产，但随着地层压力降低和温度下降，油层产量将下降，此时再用大排量生产就浪费了电能。为了实现节能，在蒸汽吞吐后期通过碰接实心柱塞16实现了泵的理论排量下降。当上冲程开始时，即柱塞13和实心柱塞16上行，游动阀14关闭，此时油管内的整个液柱载荷全部转移到光杆20上，随着柱塞13上行，柱塞16与泵筒15之间的环形泵腔内的压力迅速下降，之后固定阀18打开，套管内的流体通过固定阀18进入上述环形泵腔，由于固定阀18有流动阻力，与前面分析的常规有杆抽油泵一样，地层流动压力无法作用到柱塞13的下端面，但是此时实心柱塞16长期与套管内的流体直接接触，套管内的流体压力为地层流动压力，因此实心柱塞端面17长期有由地层能量产生的向上推力，从而实现了光杆载荷降低，即可实现抽油机节能、抽油机系统效率的提高和延长光杆使用寿命。

变排量泵另一功能是就是在下冲程过程中具有液压反馈作用。其原理是在下冲程时，固定阀18关闭，随着柱塞13继续下行，环形泵腔的压力迅速上升，导致游动阀14打开，此时实心柱塞16上端面的压力明显高于下端面的压力，前者是油管内的液柱形成的，后者是油套环形空间的液柱形成的。因此下行过程中实心柱塞16将产生一个向下的推力，帮助抽油杆下行，这就是所谓的液压反馈作用力。这种液压反馈作用力对于稠油蒸汽吞吐生产后期是十分有利的，可减少光杆弯曲、减少光杆与油管的摩擦、减少冲程损失和提高泵效。

发明内容

本发明提出了一种提高有杆抽油泵泵效和实现有杆抽油泵节能的方法及装置——高效节能有杆抽油泵。本发明利用地层能量，即地层流动压力对柱塞产生一个向上的推力，实现抽油机上冲程过程的光杆载荷的降低，从而达到有杆抽油泵节能的目的；本发明还可以利用油管油流上行的惯性力和柱塞主动向下捕获能力的双重作用达到泵腔的高充满系数，实现有杆抽油泵泵效的提高。

本发明是这样实现的，相对于以往的有杆抽油泵最大的不同就是把固定阀及阀座上置，位于泵筒的顶部，并把游动阀及柱塞下置，位于固定阀的下方。由于游动阀及柱塞位于固定阀的下方，柱塞的下端面长期与地层流出的流体接触，在上冲程时，由于游动阀关闭，地层流动压力将对柱塞下端面产生一个向上的推力，从而可以降低上冲程过程的光杆载荷，达到有杆抽油泵节能的目的。另外地层流体是通过游动阀进入高效节能有杆抽油泵的泵腔，这一点也与常规抽油泵完全不同。对于常规有杆抽油泵来说，地层流体是通过固定阀进入泵腔的。由于高效节能有杆抽油泵是通过下行的游动阀进流体的，不再象常规有杆抽油泵一样需压差才能进流体，而是利用了油管油流上行的惯性力和柱塞主动向下捕获能力的双重作用，实现了泵腔的高充满系数和泵效提高。

另外因为本发明高效节能有杆抽油泵的进油阀是游动阀，柱塞下行开始瞬间作为进油阀的游动阀即刻打开，即柱塞下行瞬间，游动阀在惯性的作用下不能立即与柱塞同步下行，与常规有杆抽油泵的进油固定阀不一样，常规有杆抽油泵的进油固定阀需要压差才能打开，因此本发明高效节能有杆抽油泵的进油阀打开更加及时。当柱塞上行开始瞬间，作为本发明进油阀的游动阀立即关闭，即游动阀在重力作用仍然向下，柱塞突然改变方向上行，在两个相向的力综合作用下，游动阀很快座封在阀座上，而常规有杆抽油泵的进油固定阀是在自身重力作用下关闭，因此本发明高效节能有杆抽油泵的进油阀关闭更加迅速及时。进油阀打开迅速及时为进油赢得了时间，进油阀关闭迅速及时为减少泵腔内的原油回流漏失赢得了时间，因此进油阀打开关闭及时也可提高泵效。

附图说明

图1为常规有杆抽油泵示意图；

图2为图1的A局部放大示意图；

图3为变排量泵示意图；

图4为本发明高效节能有杆抽油泵示意图。

具体实施方式

图4为本发明高效节能有杆抽油泵示意图。本发明高效节能有杆抽油泵包括光杆21、套管22、动液面23、油管24、人工井底26、游动阀27、柱塞下端面28、柱塞29、泵筒30、密封光杆31、密封短节32、固定阀33、脱接机构34、固定阀座35、泵腔36、游动阀通道37、固定阀通道38。所述的泵筒30与上部油管24相连；所述的固定阀座35位于泵筒30的顶部并相互连接在一起；所述的固定阀33坐落在固定阀座35上；所述的柱塞29位于泵筒30的内部，并能在泵筒30内上下活动，其柱塞29顶部与密封光杆31相连；所述的游动阀27坐落在柱塞29上。所述的脱接结构34是用于连接或断开光杆21和密封光杆31的，所述的密封短节32与固定阀座35相连，密封光杆31可以从其中心孔上下运动。

本发明高效节能有杆抽油泵在游动阀和固定阀空间相对位置上与常规有杆抽油泵完全不同，不再象常规有杆抽油泵一样把固定阀置于泵筒下部并把游动阀及柱塞置于固定阀的上方，而是把固定阀33及固定阀座35置于泵筒30的顶部，并把游动阀27及柱塞29置于固定阀33的下方。

所述的密封短节32既可采用软密封与密封光杆31密封，也可采用象泵筒与柱塞一样的密封方式，将密封短节32内部加工成光滑面，以实现与密封光杆31的密封。

本发明高效节能有杆抽油泵的游动阀27和/或固定阀33可以由多个构成，以减少阀对流体的阻力。

本发明高效节能有杆抽油泵游动阀27和/或固定阀33的同一个阀道上可以采用多个阀球方式，以减少泵漏失的可能性。

本发明高效节能有杆抽油泵的泵筒30直径可以大于油管直径、可小于油管直径、也可等于油管直径。

下面分析一下本发明是如何利用地层能量实现节能和提高泵效的。

由于游动阀27及柱塞29位于固定阀33的下方，柱塞29的下端面28长期与地层流出的流体接触，柱塞29的下端面28处的压力等于环空液柱压力与管压之和。在上冲程时，由于游动阀27关闭，柱塞下端面28处的压力将对其产生一个向上的推力，从而可以降低上冲程过程的光杆载荷，实现有杆抽油泵节能的目的。

地层流体通过游动阀27进入高效节能有杆抽油泵的泵腔36，这一点也与常规有杆抽油泵完全不同。对于常规有杆抽油泵来说，地层流体是通过固定阀进入泵腔的。由于本发明高效节能有杆抽油泵是通过下行的游动阀27进流体的，不再象常规有杆抽油泵一样需压差才能进流体，而是利用了油管油流上行的惯性力和柱塞主动向下捕获能力的双重作用，实现了泵腔36的高充满系数，从而提高了泵效。

因为本发明高效节能有杆抽油泵的进油阀是游动阀27，柱塞29下行开始瞬间，作为进油阀的游动阀27即刻打开，即柱塞下行瞬间，因为阀球在惯性的作用下不能立即与柱塞同步下行，与常规有杆抽油泵的固定阀式的进油阀不一样，常规有杆抽油泵的进油阀需要压差才能打开，因此本发明高效节能有杆抽油泵的进油阀打开更加迅速及时。当柱塞29上行开始瞬间，作为进油阀的游动阀27立即关闭，因为游动阀27在重力作用仍然向下，柱塞突然改变方向上行，在两个相向的力综合作用下，游动阀27很快坐封在阀座上。与常规有杆抽油泵的固定阀式进油阀不一样，游动阀27是在自身重力作用下自动关闭，因此本发明高效节能有杆抽油泵的进油阀(游动阀27)关闭更加迅速及时。本发明高效节能有杆抽油泵的进油阀(游动阀27)迅速及时打开，为进油赢得了时间，进油阀(游动阀27)关闭及时，也为减少泵腔36内的原油回流漏失赢得了时间，因此进油阀(游动阀27)打开关闭迅速及时也是提高泵效的原因之一。

本发明高效节能有杆抽油泵还有利于光杆21下行，因为常规有杆抽油泵的抽油杆下部端面在下冲程时承受的压力是泵腔内的压力，该压力等于井筒液柱压力与油压之和。而本发明高效节能有杆抽油泵在抽油杆下冲程时，抽油杆下部端面在下行时所承受的压力是环空液柱压力与套压之和，该压力肯定小于常规有杆抽油泵的泵腔压力，因此相对于常规有杆抽油泵来说，本发明高效节能有杆抽油泵的光杆21下行也更容易，也可减少偏摩和弯曲，也有利于提高泵效。

由于上冲程时，本发明高效节能有杆抽油泵的柱塞下端面承受一个向上的力，降低了光杆21载荷，减少了光杆21变形量，这也有利于提高泵效。

本发明高效节能有杆抽油泵因其独特的进油方式可以确保很高的泵效，因此不但可以适应低油气比的油藏，而且也能很好地适应高油气比的油藏，也能适合粘度较高的稠油油藏。

本发明高效节能有杆抽油泵的最大特点就是利用了地层能量帮助提升井筒内液体，降低了光杆21载荷，有利于加大泵挂深度，有利于加大沉没度。

由于进油阀打开关闭的作用力的变化，同一个游动阀27在同一游动阀通道上可以设计成两个阀球以减少泵漏失的可能性，而常规有杆抽油泵的进油阀只设计一排。另外高效节能有杆抽油泵的出油固定阀33也可象常规有杆抽油泵一样，把游动出油阀设计成双阀球结构。

本发明并不局限于上述实施方式，上述优选实施方式仅为示例性的，本领域的技术人员可以根据本发明的精神实质，做出各种等同的修改和替换及不同组合，而得到不同的实施方式。

Claims (11)

1、一种高效节能有杆抽油泵，其包括光杆(21)、油管(24)、泵筒(30)、游动阀(27)、柱塞(29)、密封光杆(31)、脱接机构(34)、密封短节(32)、固定阀(33)、固定阀座(35)；所述的泵筒(30)与上部油管(24)相连，所述的固定阀座(35)位于泵筒(30)的顶部并与泵筒(30)连接在一起，所述的固定阀(33)坐落在固定阀座(35)上，所述的柱塞(29)位于泵筒(30)的内部，其顶部与密封光杆(31)相连，所述的游动阀(27)坐落在柱塞(29)上，所述的脱接机构(34)是用于连接或断开光杆(21)和密封光杆(31)的，所述的密封短节(32)与固定阀座(35)相连，所述的密封光杆(31)可以从密封短节(32)中心孔上下运动，其特征在于所述的固定阀(33)和与之相连的固定阀座(35)位于泵筒(30)的顶部，而所述的游动阀(27)和与之相连的柱塞(29)位于泵筒(30)内部并置于固定阀座(35)的下方。

2、根据权利要求1所述的高效节能有杆抽油泵，其特征在于所述的密封短节(32)可采用软密封与密封光杆(31)密封。

3、根据权利要求1所述的高效节能有杆抽油泵，其特征在于所述的密封短节(32)内部加工成光滑面，与密封光杆(31)形成密封。

4、根据权利要求1所述的高效节能有杆抽油泵，其特征在于所述的游动阀(27)由多个构成。

5、根据权利要求1或4所述的高效节能有杆抽油泵，其特征在于所述的固定阀(33)可以由多个构成。

6、根据权利要求4所述的高效节能有杆抽油泵，其特征在于所述的游动阀(27)的同一个阀道上采用多个阀球。

7、根据权利要求5所述的高效节能有杆抽油泵，其特征在于所述的固定阀(33)的同一个阀道上采用多个阀球。

8、根据权利要求1所述的高效节能有杆抽油泵，其特征在于所述的泵筒(30)直径可以与油管(24)直径不相同。

9、一种提高抽油泵泵效和实现抽油泵节能的方法，是将固定阀(33)及固定阀座(35)置于泵筒(30)的顶部，将游动阀(27)及柱塞(29)置于固定阀座(35)的下方，柱塞(29)下端面长期与下部原油接触，所述的游动阀(27)为泵腔(36)提供进油通道，固定阀(33)为泵腔(36)提供出油通道，利用地层流体能量，在抽油机上冲程过程中，产生一个向上的力，实现光杆(21)载荷降低和节能。

10、根据权利要求9所述的提高抽油泵泵效和实现抽油泵节能的方法，进油游动阀(27)在柱塞(29)主动向下运动时导致游动阀(27)即刻脱离阀座，实现了进油阀的迅速及时打开，在地层流体向上运动的惯性力和柱塞主动向下捕获能力的综合作用下，地层流体是通过下部游动阀(27)进入到泵腔(36)的，提高了泵腔(36)的充满系数，实现了泵效提高。

11、根据权利要求9所述的提高抽油泵泵效和实现抽油泵节能的方法，进油游动阀(27)关闭既依靠其自身重力向下作用，还有柱塞(29)主动突然向上运动，导致游动阀即刻坐封在阀座上，实现了进油阀的迅速及时关闭，从而减少泵腔(36)内的原油回流漏失，从而提高了泵效。

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