抽油机减载器的研制与应用

孙继东

（大庆油田有限责任公司试油试采分公司工程技术大队黑龙江大庆163412）

摘要：通过在海拉尔地区希64-64井应用减载器，降低了抽油机驴头的悬点载荷，并确定了合理的杆柱组合，用10型抽油机进行抽油试采，完全满足该井的需要，使试采工艺技术更加完善。

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关键词 ：减载器；抽油机；试采；应用

1引言

随着海拉尔地区勘探开发的不断深入，油层埋藏深、产量低、渗透率差等问题日趋突出，制约了该区块试采资料的录取工作。为了解决这一难题，于2015年年初引进并应用了抽油机减载器装置。该装置的采油深抽配套技术可加大泵挂深度，使泵挂深度达2000.82m，利于减载器的减载，可以较大程度降低抽油机驴头的悬点载荷。通过在希64-64井的试验与应用，确定了合理的杆柱组合，用10型抽油机进行试采，完全满足该井的需要。抽油机减载器的应用满足了深层区块勘探开发和资料录取的要求，使试采技术更加完善。

2减载器的工作原理

抽油机减载器的结构如图1所示。抽油杆、柱塞管、减载活塞连接在一起，随抽油杆一起上下运动。井液自下过液孔进入柱塞管，从上过液孔出来重新进入油管。

由于上密封管和减载活塞的封堵，上密封管的下端面与减载活塞的上端面之间形成中空，并通过呼吸孔连通油管与套管之间的环空，而环空与地面大气连通，环空压强等于大气压强。而减载活塞的下端面与油管里的液体接触，压强与井筒液柱在该处的压强相同，因此在减载活塞上下端面形成压力差，形成向上托举力。抽油机驴头上行时，该托举力可减轻抽油机的载荷和抽油杆的拉力，使抽油机上行速度加快。抽油机驴头下行时，减载活塞向下运动，托举力减慢抽油机下行速度，这恰好符合上行快下行慢的节能原理。抽油机如此上下往复运动，减轻了驴头悬点载荷，使增加泵挂成为可能。

希64-64井应用了该装置，目前该井进行抽油试采。

3减载器的技术指标

抽油机减载器的各项技术指标如表1、表2所示。

4减载力的计算

4.1减载力的计算

通过对抽油机减载器工作原理的认识，可对其减载力进行定量计算（图2）：

F=P1(S1-S3)-P3(S2-S3)-P2(S1-S2)

由于减载器长度远小于油井深度，可以认为P1=P3，于是减载力为：

F=P1(S1-S3)-P1(S2-S3)-P2(S1-S2)

=(P1-P2)(S1-S2)

P2要根据动液面与呼吸孔之间的位置关系不同分别计算。

当动液面在呼吸孔以下（图2a）时，如忽略油套环空中静气柱的压力，则P2=Pc，于是减载力为：

F=(P1-Pc)(S1-S2)

=(ρgh1×10-6-Pc)(S1-S2)(1)

当动液面在呼吸孔以上（图2b）时，如忽略油套环空中静气柱的压力，则P2=Pc+ρgh2×10-6，于是减载力为：

F=(P1-Pc)(S1-S2)

=(ρgh1×10-6-Pc-ρgh2×10-6)(S1-S2)(2)

如果把套压也计算为液柱高度，则在式(1)和(2)两种情况下，P2可定义为：

P2=ρgh3×10-6

式中，h3=106×PC/ρg(动液面在呼吸孔以下)；

h3=106×Pc/ρg+h2(动液面在呼吸孔以上)。在进行了上述定义之后，式(1)和(2)可统一为：

F=(P1-P2)(S1-S2)

=ρg(h1-h3)(S1-S2)×10-6(3)

由式(3)可知，减载力与油井动液面的关系：动液面在井口时，减载力为零；随着动液面的逐渐下降，减载力逐渐增加，当动液面到达减载器呼吸孔位置时，减载力达到最大；当动液面在呼吸孔以下时，减载力恒定。

4.2减载器及抽油杆应力的理论计算

4.2.1减载器减载力计算

通过联合高等院校的技术力量，分析了有减载器的试采管柱中的受力分析，详细地进行了理论计算。

当动液面在呼吸孔以下时，减载力为

F=ρfh1(S1-S2)

式中：F——减载力，N；

h1——减载活塞到油井井口的距离，m；

S1——减载活塞截面积，m2；

S2——密封活塞截面积，m2；

ρf——井筒液体重度，N/m3。

初步设定减载器设置在距井口800m处，根据结构已知减载活塞直径为70mm，密封活塞直径为44mm，经计算减载力F为17.68kN。

4.2.2抽油杆柱设计计算

通常抽油杆柱设计，要求在满足强度条件的基础上，使抽油杆的重量最轻。因此，形成了两个强度设计准则：a.从杆柱下部向上计算，若在杆柱上某一点的应力等于所给定的许用应力时，便由此开始更换大一规格的抽油杆；b.各级抽油杆顶部应力相等。

这两个准则均出于等强度设计思想，其中第二种较常用。

4.2.2.1等强度设计准则计算

目前抽油杆柱设计中，所采用的等强度设计准则可分为两类：等疲劳强度设计准则和静等强度设计准则。而采用静等强度设计准则计算十分简单，只在最后对抽油杆柱最上部进行疲劳强度校核即可。

根据静等强度设计准则，即抽油杆柱中各级不同规格抽油杆顶部静等强度相等的条件，可得出关于求解各级抽油杆的长度占抽油杆总长度的百分比Ri的线性方程组：

式中：Ap——柱塞横截面积，m2；

Wi——各级抽油杆的重度，N/m3；

Ai——各级抽油杆的横截面积，m2。

本设计中采用的是三级抽油杆组合，n=3，且较常规设计中加入了减载器，所以方程组应相应地加以修改，将减载力考虑进去。初步假设，减载器连接于第二级抽油杆中。由于公式中抽油杆受力计算时省略了井深L，所以在加入减载力时也应将减载力除以井深L，所以减载力F就变成了F当，因此方程组调整为：

其中：ρf=9.5×103N/m3，Ap=800×10-6m2，A1=283×10-6m2，A2=387×10-6m2，A3=506×10-6m2，W1=23N/m3，W2=32.5N/m3，W3=42.4N/m3，F当=8.84N/m。

经计算，R1=0.387，R2=0.451，R3=0.162。则直径为19mm抽油杆长为774m，直径为22mm抽油杆长为902m，直径为25mm抽油杆长为324m。

距井口800m处恰为第二级抽油杆，与当初减载器假设吻合。

4.2.2.2强度校核

抽油杆顶端最大循环受力：

因此满足疲劳强度条件。

通过计算数据得出的结论，我们在海拉尔希64-64井按照此结论的数据进行试采管柱的设计(图4)。

海拉尔希64-64井，如果不下抽油机减载器，理论计算驴头悬点最大载荷为70.4kN。该井下入抽油机减载器后，实测功图显示抽油机悬点最大载荷54.0kN，最小载荷28.8kN，减载16.4kN，减载幅度达到23.3%，减载效果明显。

5结论

应用抽油机减载器可以大幅度减轻驴头悬点载荷，减小抽油杆的弹性伸缩，提高泵效。减载器还可增加泵挂深度、放大生产压差、增加泵沉没度，扩大了试采范围。减载器在抽油机上的应用，是利用现有装备实现深抽、降低抽油试采成本、提高试采工艺技术的一个有效措施。不过，在选井时应注意，减载器需避开钻井轨迹拐点，以减少减载器的偏磨现象。