抽油泵模拟试验装置关键设计分析

抽油泵模拟试验装置关键设计分析
抽油泵作为重要的举升工艺设备，应用在90%以上的油井开采中。

由于辽河油田地质结构的复杂性和开采工艺的特殊性，辽河油田应用于举升工艺技术的抽油泵亦具有种类繁多，结构复杂精密的特点。

随着稠油开采工艺的不断推广和各项新技术的规模实施，亟需建立抽油泵举升模拟试验环境，对抽油泵举升工艺技术进行研究。

标签：抽油泵；举升工艺；模拟试验系统
引言
稠油是21世纪重要的石油资源，占石油剩余可采储量比例越来越高，目前全球稠油占比為53%，国内为40%，中深层（600～1400m）稠油占稠油储量的70%，因技术原因大多未能开发。

辽河油田是我国最大的稠油生产基地，由于地质条件复杂，油品种类多，开采难度很大，对举升工艺技术提出了更高的要求。

由于物理模拟试验技术具有投资少，参数调整方便，无需求解具体模型的优点，非常适合抽油泵举升工艺研究。

而抽油泵举升物理模拟试验系统研究是一个非常复杂的系统工程，具体包括“三抽”设备、油品性质、油井工作制度、油藏开发阶段等需要研究的对象，而其中的每个环节都影响开发效果的好坏。

建立抽油泵举升物理模拟试验系统可以化繁为简，深入细致地研究泵效、适应性等抽油泵工作指标与抽油泵结构参数、使用环境因素等设计值之间的变化关系。

建立全面模拟抽油泵复杂工况试验参数的抽油泵举升物理模拟试验系统难度很大，国内外尚无成熟的产品与现场实用的配套技术[1]。

1 总体设计思路
抽油泵举升物理模拟试验系统的核心是研制一套能够模拟不同类型抽油机工作状态，不同抽油泵工作环境，不同井斜的抽油泵举升试验装置，试验抽油泵的泵效和适应性。

从抽油泵举升模拟试验装置建设方面考虑，由于整个举升系统是从地下到地上的有机整体，并且其组成部分联系很紧密，所以对于模拟试验装置建设要全面考虑。

地下部分要考虑地质参数、油井参数、各种类型的抽油泵试验要求。

而地上部分主要考虑抽油机。

对于试验来讲，要能模拟抽油机的功能，方便地调整冲程、冲次等参数，还要具有一定的精度来保证数据不失真。

因此对于抽油泵举升模拟试验装置，主要考虑以下几个问题：一是为了在不同的油井工作环境下进行试验，如何调整试验参数；二是对于不同的井身结构应如何进行井斜模拟；三是不同悬点载荷抽油机的举升功能模拟，使抽油泵动力驱动装置能够模拟抽油机的往复运动，并能够应用于各种角度，在冲程冲次上要求能够连续调节，适应不同抽油泵试验需求。

2 抽油泵举升物理模拟试验系统设计分析
2.1 井斜模拟设计
随着油田开发深入，大斜度井、水平井越来越多，抽油泵下入角度也在不断变化。

对于普通抽油泵，从抽油泵自身结构特点可以看出，游动阀球阀座、固定阀球阀座的密封直接关系到泵效的大小，由于抽油泵下入位置的井斜不同，当井斜角较大时，可能导致阀球阀座不能及时关闭或关闭不严，从而影响抽油泵泵效。

因此，井斜模拟系统中应包含抽油泵、驱动装置的承载架、承载架调节装置、承载架固定装置，设计完成的井斜模拟装置应该能够满足以下要求。

2.1.1 井斜角的连续平稳调节
实际工况中，抽油泵可能下在直井、斜井或水平井的任何位置，所以试验过程中，抽油泵可能在井斜角0°～90°范围内的任意角度进行试验。

地面试验是将抽油泵固定在承载架上，由驱动装置带动其运行。

要想使承载架从竖直位置（模拟直井）到水平位置（模拟水平井）的任意位置平稳调节，可以采用电动葫芦配合安装在承载架两端的滑车进行。

同时要考虑到在承载架接近水平位置时水平运动速度远大于垂直运动速度的现象，要合理选配电动葫芦的型号。

2.1.2 抽油泵固定与连接系统
试验时抽油泵固定在承载架上，上下端要与油井工况模拟连接，泵体要进行固定，柱塞要通过光杆与抽油机模拟装置相连接。

设计抽油泵固定与连接系统时要考虑固定装置对不同外径抽油泵装夹及试验时的同心度要求；抽油泵光杆在下冲程受大吨位载荷压力时，可能出现的弯折现象。

2.1.3 井斜模拟架的平稳起放及固定
承载架从垂直状态开始下放，没有水平推力是无法完成的，可以采用齿轮齿条进行驱动，由于水平速度与垂直速度无法合理搭配，操作中出现承载架离开齿轮齿条后瞬间前进现象，带来极大的安全隐患。

通过试验，应用斜坡原理，合理设计斜坡角度及斜坡长度，可以达到平稳起放承载架的目的。

另外，在一定角度试验时，为保证试验安全，设计时需要考虑对承载架进行锁定。

2.2 抽油机模拟设计
抽油机是油井上为抽油泵提供动力的设备，抽油机使用的是软连接，通过弧形运动实现抽油杆的直线运动。

在抽油泵地面试验过程中，由于需要改变抽油泵倾斜角度、冲程、冲次实时调节，所以抽油机在试验系统中应用受到限制，需要考虑用其他方式代替抽油机，实现为抽油泵往复运动提供动力。

随着液压技术及电子技术的发展，把液压技术应用于油田，设计研究适合试验时应用的液压往复式试验装置，带动抽油泵运行，可以满足抽油泵举升试验对
倾角调节、冲程冲次实时调节的需求。

在设计液压驱动系统中，要重点考虑液压缸的平衡驱动，保证上下冲程的平稳运行；系统装机功率配备，最大限度节省能源消耗，由于试验过程对拉压吨位需求变化很大，可以考虑应用两种以上动力系统，匹配不同吨位需求；冲程冲次连续调节及安全保护[2]。

2.3 油井工况模拟设计
由于油井条件复杂，不同区块油井抽油泵工况不同，为实现不同油井对单相、两相、三相流模拟及计量需求；不同沉没度、举升高度模拟需求[3]。

2.3.1 对于不同相流模拟
考虑到室内试验对环境和人员保护的要求，要尽量应用易清洁、易分解、无毒无害的试验介质，对于单向流可以采用加入化学药剂的清水，实现油品粘度的模拟；多相流要考虑介质的加入方式及处理方法，尤其是对设备的要求，保证试验过程的安全。

同时，还要考虑计量问题，尤其是多相流计量方法的选择。

2.3.2 沉没度与举升高度的模拟
沉没度和举升高度是抽油泵工作过程的两个重要参数，在生产过程中，对于下入深度不同的抽油泵，其泵吸入口与排除口所承受的静压力不同，从而影响抽油泵的各项性能指标。

在室内试验系统设计时，可以同过建立抽油泵的入口及出口压力来实现沉没度与举升高度的模拟。

由于抽油泵工作时排出的液体是断续流，非连续流，需要对断续流进行处理，使其变为连续流，保证沉没度和举升高度模拟压力的稳定，可以采用蓄能器实现压力稳定，根据试验需求，选择蓄能器类型，合理设计蓄能器参数，达到预期的压力稳定波动要求。

3 结束语
文章根据抽油泵实际工况需求，对设计室内模拟试验系统的一些关键点进行阐述，包括油井井斜模拟、抽油机模拟方式、油井工况模拟中的介质类型、沉没度与举升高度稳定模拟等关键问题，为抽油泵举升模拟试验技术研究提供一些参考意见。

参考文献
[1]万仁溥，罗英俊.采油技术手册（第四分册）[M].北京：石油工业出版社，1993.
[2]曲玉辰.试验用多功能往复式液压动力装置[J].液压与气动，2012（8）：7-9.
[3]曲玉辰.气囊式蓄能器在抽油泵模拟试验系统上的应用[J].液压与气动，2012（3）：90-92.
作者简介：曲玉辰（1977-），男，硕士，工程师，主要从事油田开采工艺技术试验研究。