6机抽井泵型及杆柱设计优化课件

机抽井泵型及杆柱设计优化二O一五年四月

前言目前采油某厂有杆泵井主要以液压反馈式抽稠泵为主，经过多年的实践运用，随着原油粘度的逐渐增大，出现滞后率高、排量小、频繁断脱、深抽能力受限等问题。工艺设计是机械举升工艺管理的第一步，对机抽井后期生产至关重要，合理的选型、杆柱设计，结合精细日常管理，才能保证机抽井合理、稳定生产；因此，优化设计是一项持之以恒、不断钻研的工作。

汇报提纲第二部分前期选泵及杆柱设计方法第四部分存在问题及下步工作第三部分泵型及杆柱设计优化第一部分泵型及杆柱设计原则

一、泵型及杆柱设计原则1、机抽井概况井别井数（口）开井（口）平均单井日油（t）平均泵挂(m)平均泵效(%)占总产比例(%)检泵周期（d）机抽井267（48%）186（45%)12.04257470.822.5%526全厂油水井55441525.49270677.8100%505机抽井工艺指标概况表随着油田开发深入，原油物性变稠、能量下降供液不足、含水上升，我厂机抽井井数逐步上升，对机抽井泵型及杆柱设计要求也逐步升高；2013年1-3月由自喷、电泵井转机抽共计33井次，平均每月转机抽11井次。

面临“两超、五高”的复杂油藏，超稠油油藏的开采力度加大，我厂机抽井形成了以液压反馈式抽稠泵为主的稠油有杆泵举升工艺。管式泵反馈式抽稠泵长冲程反馈式抽稠泵进油和下行困难机杆泵改进改进为大、小柱塞结构、油管液压助下行

一、泵型及杆柱设计原则管式泵抽稠泵应用于非掺稀或掺稀比极小的油井中，主要在6、7区的稀油井；目前在用的管式泵有32、38、44、56四种，排量范围17-89m3/d。

应用于各区块稠油掺稀井；目前在用的有56/38、70/44、70/32、83/44四类液压反馈式抽稠泵，排量范围28.65-179.2m3/d。1、机抽井概况有杆泵各区块机抽井分布情况泵类别六区（口）七区（口）十区（口）十二区（口）螺杆泵2///管式泵415/1抽稠泵462069110合计523569111

一、泵型及杆柱设计原则螺杆泵应用于原油易乳化、供液充足的油井中，其独特结构具有抗乳化、砂卡的特点；目前采油某厂在用2井次(T606CX、某625)，应用效果较好。1.电机机型：YBVP200L-4功率：30KW电源：交流380V，50HZ2.螺杆泵泵型：375DT40定子上部连接扣型：4″NUE3.泵挂深度1600米定子下部连接扣型：3-1/2″EUE4.抽油杆级别：H级外径28mm插接式抽油杆转子连接扣型：1-9/16抽油杆扣5.油管泵上3-1/2″EUE油管泵下2-7/8″EUE油管配电：专用螺杆泵变频控制柜转子扶正筒套管转子定子尾管油管锚螺杆泵主要参数及配套工具1、机抽井概况

一、泵型及杆柱设计原则2、设计原则总原则：在现有受力分析及评价的基础上，结合各区块油井供液能力及原油物性合理确定机杆泵组合，满足油藏开发要求，确保油井稳定生产。机抽井方案设计主要包括：确定泵型泵挂、杆柱组合设计、确定抽油机型号、选择相应配套工艺。确定泵型、泵挂选择抽油机配套工艺杆柱组合设计主要采用1″、7/8″及3/4″三级组合和1″与7/8″两级杆柱组合。遵循“大泵大机型、小泵小机型”的原则。根据原油物性特征和随着开发形势所产生开采、生产难题选择相应配套工艺。根据原油物性、供液能力、注采比、稀稠比等。机杆泵设计

汇报提纲第二部分前期选泵及杆柱设计方法第四部分存在问题及下步工作第三部分泵型及杆柱设计优化第一部分泵型及杆柱设计原则

二、前期选泵及杆柱设计方法1、泵型及泵挂确定方法油井原油物性及地质情况前期生产情况及运行寿命

措施后效果及潜能分析邻井对比及配套工艺目前机杆泵库存情况选泵方法泵

型泵常数理论排量(方/天)泵

型泵常数理论排量(方/天)管式泵5*35*45*5抽稠泵5*35*45*5CYB-381.6324.532.640.8CYB-56/381.928.738.047.8CYB-442.1932.943.854.8CYB-57/382.130.842.051.3CYB-563.5453.170.888.5CYB-70/443.450.368.083.8CYB-573.6755.173.491.8大排量泵泵常数8*1.68*2.88*4CYB-705.5483.1110.8138.5CYB-70/324.3755.997.9139.8CYB-837.79116.9155.8194.8CYB-83/445.671.7125.4179.2有杆泵排量参考表根据原油原始粘温数据作图找出粘温拐点；结合杆柱受力及泵最大抽深能力确定泵挂。根据油藏地温梯度找出拐点温度对应深度；泵型、泵挂确定泵挂：

二、前期选泵及杆柱设计方法泵型、泵挂及地面配套机型组合参考表确定泵型、泵挂及地面配套抽油机后，根据原油物性特征和随着开发形势所出现的生产或机械举升等难题选择相应配套工艺。供液（地产）掺稀比泵型抽油机泵挂＞30t/d2.5-3.070/321000型26001.0-2.570/32900型＜1.570/3216型15-30t/d2.5-3.070/3216型26001.5-2.570/4416型＜1.570/4414型＜15t2.5-3.070/4414型2800＜2.556/3814型＞50t/d不掺稀5614型240030-50t/d4414型280015-30t/d3814型3000＜15t3214型35001、泵型及泵挂确定方法防脱器尾管悬挂混配器助抽器减载器配套工艺

二、前期选泵及杆柱设计方法2、前期杆柱受力分析油田缺乏专用的稠油有杆泵井杆柱设计软件。由于油稠、泵挂深，故我厂全采用H级高强度抽油杆，杆柱设计主要为

1″、7/8″及3/4″三级组合或1″及7/8″两级杆柱组合，杆柱比例（3:4:3）参考《采油技术手册》推荐的H级抽油杆组合方式。

在受力分析上，主要考虑杆柱载荷、液柱载荷及惯性载荷来计算各级杆的受力情况：上冲程最大载荷计算：下冲程最小载荷计算：

该公式为稀油井载荷计算的经验公式。二、前期选泵及杆柱设计方法我厂稠油井混合液粘度高，前期杆柱受力计算未考虑稠油粘滞阻力及沉没压力，以70/44抽稠泵为例：上冲程：载荷决定于70mm泵径，与70mm管式泵类似（液柱载荷+杆柱载荷+惯性载荷）；下冲程：决定于44mm泵径，即下冲程载荷包括液柱中杆重、惯性载荷和液柱载荷。我厂抽稠泵井全为掺稀井，力学分析与管式泵存在差异，前期开发的小软件只适合不掺稀油井管式泵，未考虑对稠油井有较大影响的摩擦载荷及高沉没度产生的沉没压力；因此，直接挪用于我厂稠油有杆泵井杆柱设计中并不合适。结论：2、前期杆柱受力分析泵上杆柱存在拉、压交变载荷，使用系数设置为0.8，常规设计思路有2种：

二、前期选泵及杆柱设计方法用修正古德曼图方法进行受力评价，得出在经验3:4:3三级杆柱结构下的最大抽深：泵型修正古德曼图方法目前平均泵挂深度（m）1"：7/8"：3/4"最大抽深(m)56/3830:40:302580280270/4430:40:301540242170/3230:40:3013302520

各类型泵最大抽深与实际下深对比表1）杆柱受力计算不完全，未考虑对稠油有杆泵井影响较大的摩擦载荷及高沉没度产生的沉没压力，必然会导致抽油井设计与实际情况产生较大的误差；3）下泵深度远远超过抽油杆抗拉强度，随着动液面逐渐下降，载荷逐步上升，杆柱拉伸，导致冲程损失大、泵效低，超出杆柱抗拉强度，杆柱断脱问题将越来越突出。3、存在问题为什么沉没度还高，就出现载荷高、电流高，油井不出液~····2）杆柱组合设计比例3:4:3是稀油井管式泵杆柱设计的经验方法，缺乏针对稠油井皮带机-特种泵杆柱组合设计方法；

二、前期选泵及杆柱设计方法3、存在问题抽油杆脱扣杆柱受力弯曲及旋转导致抽油杆中下部脱扣。悬绳器毛辫子扭转使抽油杆中上部脱扣。油稠、泵间隙小（2.5级）阻力大抽油杆断裂供液能力变差、沉没度下降油稠粘度大、下行阻力大

2012年机抽井杆柱断脱28井次，占总检泵井次44.4%，其中杆断裂12井次，脱扣16井次。目前油田稠油有杆泵井杆柱在井筒中受拉应力状态及交变应力状态远远超过预计，这必将会大大降低抽油杆的使用寿命，导致抽油杆频繁断脱，降低油井检泵周期。

汇报提纲第二部分前期选泵及杆柱设计方法第四部分存在问题及下步工作第三部分泵型及杆柱设计优化第一部分泵型及杆柱设计原则常规70/44抽稠泵针对常规抽稠泵排量小难以满足提液需求、稠油井滞后率高、杆脱扣等矛盾，我厂结合泵厂家再常规70/44泵的基础上进行了3项技术改进，成功研制侧向进油70/32大排量抽稠泵。32mm小柱塞44mm小柱塞5级泵间隙2.5级泵间隙42mm侧向进油阀23mm柱塞进油阀对比项目70/44液压反馈70/32短冲程70/32长冲程泵排量系数3.354.374.37进油方式小柱塞内径进油（进油通道7m）侧向进油（进油通道0.2m）侧向进油（进油通道0.2m）冲程范围3、4、54.2、4.8、5.51.8-8m任意调整冲次范围3、4、53、4、51-4次任意调整泵间隙2.555、8地面配套14型16型长冲程抽油机最大排量84120139三、泵型及杆柱设计优化1、优化改进泵型突破技术瓶颈，改制大排量抽稠泵改进后70/32大排量抽稠泵70/32大排量泵推广运用情况某12253X井（25万mpa.s）自喷转70/32泵（8级间隙）生产曲线自喷转70/32泵，泵挂2404m稀稠比1.4日液35.4t，泵效92%已推广应用69井次，大排量泵具有排量大、抗稠油性能高的优势，大大降低了滞后率及杆断脱现象，大排量泵增油7.19万吨（老井3.68万吨），减缓递减0.68%。某12321井电泵转70/32泵生产曲线转70/32泵，泵挂2620m日液30.2t，泵效84.6%100/3500电泵,泵挂3527m日液26.3t，泵效117.6%三、泵型及杆柱设计优化1、优化改进泵型推广运用效果突出类型井次应用前应用后对比泵径泵深平均排量日液日油稀稠比泵效泵深平均排量日液日油稀稠比泵效平均泵效日液稀稠比mmmm3t/dt/d%mm3t/dt/d%m3t/d换大泵770/4425146116113.68026177530182.182214-1.5替代电泵25100289085272027525547823171.9794-4-0.1自喷转抽转抽稠泵21///21152.5/2524/23201.484///替代电泵16///24182.9/2840/25211.689///小计

69/26538023172.57725187726211.88583-0.7进油口直径51mm大柱塞直径83mm泵径规格70/4470/3283/44冲程范围（m）5.1-7.25.1-9.3进油口直径（mm）234251泵常数K（m3/h)3.354.375.6最大排量（m3）84140179连接油管3寸半4寸半最大外径（mm）107150178最大下泵深度（m）28003000三、泵型及杆柱设计优化1、优化改进泵型设计制造83/44大排量抽稠泵

设计思路：在70/44、70/32基础上进行改进：①增大大柱塞直径，泵排量相较70/44提高63%，较70/32提高25%；②侧向进油，降低井液入泵阻力，提高泵充满程度。某12150：

管柱采用41/2″NUE油管，泵挂2509m，地面配1000型皮带机，杆柱采用7/8″和1″两级组合（60:40），目前生产稳定，泵工况正常。6mm自喷转83/44，泵挂2509m日产液46.8t，稀稠比1.18日产液49.6t，稀稠比1.12，泵效90%某12150井自喷转83/44泵生产曲线2、优化杆柱设计受力分析前期杆柱计算存在问题：①仅考虑杆柱、液柱、惯性载荷，未考虑稠油井影响较大的摩擦载荷，导致设计与实际不符；

②未考虑我厂油井高沉没度产生的沉没压力；③在下行程中，考虑了杆柱及液柱的惯性载荷，而液柱不随杆柱一起运动，因此液柱无惯性载荷；④缺乏特种抽油泵（液压反馈式、浸入式）杆柱受力计算方法；三、泵型及杆柱设计优化在前期的杆柱受力基础上，以抽油杆及柱塞整体作为研究对象，全面考虑抽油杆在油管液柱中上下运动受到静载荷、动载荷、摩擦载荷及其它载荷四个方面的力。优化后计算载荷与实测载荷对比，误差率在5%以内。目前我厂有杆泵井沉没度均较高，计算忽略其他载荷，如冲击载荷等。

液压反馈式抽稠泵杆柱受力分析模型建立受力模型完善载荷分析：上冲程最大载荷计算：下冲程最小载荷计算：静载荷：杆柱在液柱中的重力𝑊𝑟↓作用在柱塞上液柱载荷𝑊𝑙↓井口回压产生的载荷Ph↓沉没压力产生的载荷Pi↑动载荷：杆柱最大惯性载荷I𝑟u↓液柱最大惯性载荷I𝑙u↓震动载荷Fz↓摩擦载荷：液柱与油管之间的摩擦载荷Ftl↓柱塞与泵筒之间的摩擦载荷Fp↓

三、泵型及杆柱设计优化2、优化杆柱设计根据液压反馈式抽稠泵杆柱受力分析模型，计算出抽油杆在油管液柱中上、下运动过程中最上部一根杆柱受到的最大载荷及最小载荷：载荷计算

三、泵型及杆柱设计优化2、优化杆柱设计稠油有杆泵井载荷构成分析：稠油有杆泵井，在泵深、杆柱结构一定的情况下，动液面深度（液柱载荷）、工作制度（动载荷）、混合液粘度（摩擦载荷）是影响稠油有杆泵井载荷最敏感的三个因素。某12123井液面1000m时杆柱受力评价某12123井液面1200m时杆柱受力评价下调工作制度或关井间开等措施。粘度不变800mpa.s制度不变杆柱不变敏感性分析1）沉没度下降导致最大及最小载荷同时增加，但最大载荷的增加幅度远大于最小载荷的增加幅度；2）粘度增加导致最大载荷增加、最小载荷减小，且最小载荷的减小幅度大于最大载荷的增加幅度；3）沉没度下降及混合液粘度增加均会导致杆柱交变载荷增加，降低杆柱的寿命。

在泵挂深度、杆柱结构、工作制度一定的情况下，则动液面深度和混合液粘度是稠油有杆泵载荷的最敏感因素。三、泵型及杆柱设计优化2、优化杆柱设计3、机杆泵组合评价井号实测载荷优化前优化后最大值最小值最大值最小值最大值误差最小值误差最大值最小值最大值误差最小值误差kNkNkNkN%%kNkN%%S71117.671.7110.695.5-5.933.2121.374.93.14.4某771X137.895.4139.31091.114.2138.791.80.7-3.7某10239152.974.0132.395.8-13.529.415172-1.2-2.7某12328CH132.954.2101.089.4-24.065.0128.154.4-3.60.4平均值135.3

73.8

120.8

97.4

-10.635.5134.8

73.3

-0.25-0.4优化前后计算载荷与实测载荷误差对比表对不同泵型、机型有杆泵井优化前后的计算载荷与实测载荷对比发现，优化后计算载荷误差平均-0.25%及-0.4%，远远低于优化前平均-10.6%及35.5%；应用新设计方法后误差更小。井号测试日期测试载荷动液面粘度优化前优化后最大最小1"7/8"3/4"1"7/8"3/4"1"7/8"3/4"1"7/8"3/4"应力范围比与许用应力比值应力范围比与许用应力比值（修正古德曼图）（奥金格疲劳图法）（修正古德曼图）（奥金格疲劳图法）kNkNmmPa.s%%%%%%%%%%%%S717-131187129861000242729454849605958817978某771X6-29138952142100566473748292687075878995某102397-2215274158015006373868191104101101109117118129某12328CH7-201335415017002826/

4946/

8587

10487/

平均

13574121510754855636367827875819793101优化前后杆柱受力状况分析评价对比用修正古德曼图方法及奥金格疲劳图法对优化前后各级杆柱应力状况进行评价：1）用修正古德曼图法计算的杆柱应力范围比较优化前更准确；2）用奥金格疲劳图法计算的折算应力与许用应力比值更接近实际值、更准确。实例计算与验证实际已超标，及时采取措施。三、泵型及杆柱设计优化三、泵型及杆柱设计优化3、机杆泵组合评价泵径mm泵深m液面m地面抽油机杆柱组合比例%1″杆7/8"杆3/4″杆56/382800＞180016型3050201300-180014型305020800-130014型2545300-80014型20453570/442600＞130016型3565/

700-130014型304822500-70014型2545300-50014型20404070/322600900-130016型4060/

90016型3565/

稠油有杆泵井杆柱组合推荐比例根据优化后杆柱受力计算公式，取混合液粘度800mpa.s，将动液面取最大值（极限抽深）进行地面配套抽油机及杆柱设计系统优化，结合奥金格疲劳图和修正古德曼图法进行评价，得出稠油有杆泵井杆柱组合推荐比例，用于指导机杆泵设计，目前运用的较为普遍，后期将不断修正完善。分别采用H级抽油杆3:4:3三级组合与优化后杆柱组合，在确保抽油机及杆柱安全情况下，计算不同泵型、粘度情况下最大抽深，为生产管理提供一个宏观的参考依据：稠油有杆泵优化前后最大抽深对比表4、优化前后效果对比三、泵型及杆柱设计优化抽稠泵型号混合液粘度优化前优化后举升能力增加杆柱组合最大抽深杆柱组合最大抽深mPa.s1"7/8"3/4"m1"7/8"3/4"mm56/38（2800m）5003040302580184438277019010003040302450234532259014015003040302220305020233011070/44（2600m）50030403015402545301770230100030403014603048221640180150030403013903565/155016070/32（2600m）50030403013303070/1620290100030403012603565/1510250150030403011904060/1400210A.随着混合液粘度逐步增加，各抽稠泵最大抽深均呈下降趋势；C.优化后56/38、70/44、70/32泵，在粘度为1000mPa.s下，最大抽深分别为2770m、1770m、1620m；D.抽稠泵杆柱组合优化后较前期杆柱3:4:3经验组合的举升能力平均增加200m；B.随着泵径的增大，在混合液粘度一定情况下，最大抽深深度快速下降；对比结果三、泵型及杆柱设计优化70/44/2607m70/32/2416m某12329井机杆泵优化前后效果对比某12329井：12年6月因抽油杆断检泵，进行机-杆-泵优化设计，换大泵，采用1″和7/8″两级杆柱组合，上提泵挂200m，泵下加深600m尾管，将掺稀点下移，目前生产稳定，效果显著。某12329井生产曲线实例70/44泵生产12年5月27日功图转70/32泵生产后6月8日功图4、优化前后效果对比项目泵径泵深掺稀点杆柱比例工作制度理论举升能力日产液日产油稀稠比泵效mm1"7/8"3/4"mtt%检泵前70/44260726003834285.5*4126024242.382检泵后70/32241630004654/5.5*4140031311.888对比

-190400820-28014077-0.565、认识及成果三、泵型及杆柱设计优化前期受力计算考虑不完全导致设计存在偏差，杆柱系统受力超过预计，导致抽油杆频繁断脱，通过优化使杆柱受力分析更加准确，有效减少了抽油杆断脱现象。在前期受力分析基础上，对稠油有杆泵井受力进行更准确的分析计算，找出动液面深度及混合液粘度分别是稠油有杆泵井拉应力及交变载荷变化的最敏感性参数。杆柱比例设计3:4:3是稀油井管式泵的经验方法，在我厂稠油井特种泵组合设计不适用，通过受力分析优化计算出稠油有杆泵井杆柱组合推荐比例。在新的计算方法的基础上，确保机、杆安全，对现有机杆泵组合进行了分析评价，得出了各组合下最大抽深深度，为工艺设计提供一个宏观的参考依据。机杆泵组合设计更加合理，优化后有效提升有杆泵举升能力达200m，为后期生产管理提供了更为准确的理论基础。

汇报提纲第二部分前期选泵及杆柱设计方法第四部分存在问题及下步工作第三部分泵型及杆柱设计优化第一部分泵型及杆柱设计原则1、目前存在问题三、存在问题及下步工作软件问题1）粘度场模型需要校核确定，粘温曲线计算与我们的井筒温度场结合；

2）需要增加油田常用抽稠泵计算部分，软件只有管式泵计算方法；

3）需与我厂机抽井的杆柱结构相结合，稠油井杆柱设计柱塞上需加100m一寸杆；

4）抽油机选项需加上我厂常用抽油机型号（14型、16型游梁式抽油机，900型、1000型皮带式抽油机，20型金威力抽油机，22型直线抽油机，24型抽油机）。油田缺乏专用的稠油有杆泵井杆柱设计软件，西南石油大学为我厂研制的六、七区深抽优化设计软件《稠油深抽与设计诊断软件》和乌鲁木齐惠丰顺达公司研制的《抽油机系统生产参数优化设计软件》都存在问题，还不能完全用于指导工艺设计，目前正在改进中。存在问题1、目前存在问题三、存在问题及下步工作措施后效果不明确，选泵困难稠油有杆泵井深抽能力受限酸化、酸压、堵水等储层改造后转抽井，对油藏认识程度不够，措施效果尚不明确，地层供液能力不确定，产能、含水变化大，此类油井选泵选型较困难。目前机-杆-泵协同能力的提升瓶颈是抽油杆的疲劳负载能力，且抽油杆规范管理还是个盲区（如杆柱废弃时间）。稠油区块井设计仍不够完善

优化皮带机-抽油杆-特种泵设计需做进一步针对性研究和评价，还没有形成一套成熟的设计方法，特种泵工况诊断问题还有待解决；平衡稠油入泵及杆柱系统安全难度大为满足原油入泵，不得不加深泵挂至粘温拐点对应深度以下，但在稠油井下泵深度已远超出杆柱抗拉强度，稠油举升与杆柱强度受限矛盾突出。1、目前存在问题三、存在问题及下步工作动液面下降，载荷高，杆柱受力拉伸、超标油井供液不足，有杆泵需深抽稠油有杆泵井最大抽深能力有限与设备承载能力有限，有杆泵（32、38、44、56/38）深抽排量小矛盾；与油藏粘温拐点深泵挂深、动液面变化大，杆柱受力超标矛盾；与泵效低，油藏开发要求上调工作制度提液矛盾；存在问题矛盾采油工程