套管泵

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套管泵

　　论文关键字：套管泵　速度制动器　密封罩　阀　封隔器　

　　论文摘要：套管泵由压力检测装置，减速装置和密封皮碗等组成。将泵投入油井套管中，靠泵自重下落，由减速装置调解下落速度，当泵落入液面以下预定深度后，由于井内压力升高推动活塞上行关闭阀门，在泵上下压差的作用下将泵和泵上液柱举升到井口。本文对套管泵的设计提供了一个制动装置，它能够降低泵体在套管中气体部分的过快速度而又不影响该泵在井中液体部分才下落速度，另外，还提供了一组密封装置，它可调节其外径以配合不同套管内壁，其寿命通过制动装置的调速而得到保障。为了防止当泵体到达地面井口时，不能释放下面的气体，提供了一种特殊的封闭阀。本文还给出了套管泵现场使用条件的公式，并同时设计了套管泵井口装置以及与之相适应的封隔器。

　　 第一章  概述 1.1设计套管泵的目的与意义

有杆泵采油是世界石油工业传统的采油方式之一，也是迄今在采油工程中一直占主导地位的人工举升方式。在我国。生产井中大约有80%以上采用有杆泵采油技术，随着油田开发的不断深入，常规有杆泵采油井含水上升、地层出砂、管杆偏磨、腐蚀等日益严重，修井作业后下入4 1/2套管后只能下入小油管，这样，不能实现大泵提液，也限制了下泵深度，而且其杆管液流空间小，造成抽油杆柱运行阻力增加，也增加了系统耗能，降低了系统效率。

我国有许多低丰度、低渗透、低产量油田，这些油田的开发相对于产量来说，投资较大，效益较低。因此，要经济合理地开发这些油田，必须大幅度降低投资和生产成本，探索和研究工艺简单、适应性强的机采方式以及投资少、效益高的采油技术，小井眼钻井和采油技术的发展适应了这种需求，套管泵采油技术作为一种新型无油管采油技术具有广阔的发展前景。

同时在世界其它的许多地方，有很多井生产液体的时候同时产生大量的气体，它有充足的压缩气体能量来举升所需要的液体。如果泵能利用这一能量，它将形成一个非常有效的采油系统。

在我国的许多油田，产油的同时也产生一定量的气体，尤其在产油效率比较低，而同时又伴有一定量的天然气的油井，在使用常规有杆抽油泵的时候，前期费用投入过大，而且抽油效率比较低，这样造成了设备的利用率和产品的利润率双低的局面，而且，井内的天然气没有得到很好的利用，这样就造成了资源的浪费。怎样在提高产量的同时降低成本，是一个急待解决的问题。

套管泵就是一种利用油井内天然气的压能来举升液体到地面的自动举升装置。该装置不需要使用油管而直接在套管柱内进行举升作业。这样，油井内的天然气就得到了利用，可以使这种能源全部用于销售，增加利润率。此外，套管泵不需要任何油管，抽油杆，时间继电器或外部能源，减少了前期资本投入。当油井具有一定产气，产液能力时，使用套管泵采油能够降低成本，并具有结构简单，操作使用简便等特点。

因此，深入研究套管泵的结构，掌握套管泵的技术性能，建立套管泵对于具体井况所要求条件的数据库模型，这对于某些油田降低成本，增产增效，以及提高套管泵采油工艺的技术水平并形成生产力具有重要的科学意义和实用价值。


1.2套管泵的优点
套管泵是一种利用油井内天然气的压能来举升液体到地面的自动举升装置。该装置不需要使用油管而直接在套管柱内进行举升作业。当油井具有一定产气，产液能力时，使用套管泵采油能够降低成本，并具有结构简单，操作使用简便等特点，尤其对于产气量约为9900m /日，产液量为6 m /日的油井采用套管泵生产。在降低生产成本的同时可增加产量。其优点可具体列述如下：  

1．使用套管泵消除了气锁现象。

2．象活塞气举一样，套管泵也是自给式泵。它以油井中的压缩天然气作为动力源，又能使这种能源全部用于销售。活塞气举通常需要很高的关井压力，而套管泵一般只需要7  N/m 的关井压力就可以工作。过去，套管泵仅限用于枯竭井，并且不可靠。继续研究的结果，对部件进行了重新的设计，其中包括：

（1）改进耐热耐磨密封件。

（2）进行了高效的流动设计，即在有效的控制套管泵下行程的同时增加油井产量。

（3）设计的特点是防止各运动部件遇卡。

3．消除油管柱的弹性伸缩。

在常规有杆抽油系统中，影响泵效的主要因素之一是抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩，使柱塞的有效冲程减小。

而套管泵则没有抽油杆装置，不涉及抽油赶的弹性伸缩。

4．无油层污染

常规有杆抽油系统通常采用反循环方式洗井，即洗井液从油套环空打人，通过泵的固定阀、游动阀和油管返回地面。由于泵阀及油管内的回流阻力较大，采用这种方式势必增加套管内的循环压力，有时会把部分洗井液压人地层，污染了油层。洗井后启抽时，须先抽出进人地层的洗井液，才能正常生产，降低了生产效率。

套管泵采油系统则不同。它无须洗井，而且清洗时是在井外进行，即把泵体抽出井口进行清洗作业


5．节省单井投资，减少作业费用

(1)套管泵采油系统结构简单，运行平稳可靠，与常规抽油机井相比，其一次性投资(下泵深度按1000m计)比常规抽　　论文关键字：套管泵　速度制动器　密封罩　阀　封隔器　

　　论文摘要：套管泵由压力检测装置，减速装置和密封皮碗等组成。将泵投入油井套管中，靠泵自重下落，由减速装置调解下落速度，当泵落入液面以下预定深度后，由于井内压力升高推动活塞上行关闭阀门，在泵上下压差的作用下将泵和泵上液柱举升到井口。本文对套管泵的设计提供了一个制动装置，它能够降低泵体在套管中气体部分的过快速度而又不影响该泵在井中液体部分才下落速度，另外，还提供了一组密封装置，它可调节其外径以配合不同套管内壁，其寿命通过制动装置的调速而得到保障。为了防止当泵体到达地面井口时，不能释放下面的气体，提供了一种特殊的封闭阀。本文还给出了套管泵现场使用条件的公式，并同时设计了套管泵井口装置以及与之相适应的封隔器。

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　　第2章 套管泵与常规有杆泵的对比分析

2.1套采工艺的研究现状和发展概况
无油管采油技术是对常规有杆泵采油技术的创新，为油田低产井的挖潜开发提供了一条新途径，也为部分套变井恢复生产及小井眼的开采提供了有效手段。上个世纪90年代，国内开展了无油管采油技术的研究，大港、大庆、胜利、中原等油田对无油管采油技术进行了现场先导性实验。目前，国内无油管采油技术主要有以下两种方式：

（1）用空心抽油杆代替实心抽油杆带泵工作，空心杆兼作出油通道，下接特种抽油泵，抽油泵通过尾管坐于人工井底，如图1. I所示。用这种方式采油时，泵效较高，而且空心杆内液柱上升速度快，携砂能力强，可以减少砂卡以及砂对抽油泵的磨损，而且空心杆抗弯强度比普通抽油杆大，与套管之间的环空较油管与普通抽油杆大，稳定性较高，不易弯曲，可很好地防止偏磨，延长了检泵周期。但是，空心杆相对于普通抽油杆比较昂贵，对于稠油井、含蜡高的井以及大斜度井和方位多变井不太适宜，而且下泵深度由于空心杆强度等因素的影响而受到较大限制。                                                                                                               



图2.1空心杆无油管采油装置

    (2)利用套管和抽油杆的环空出油，即套管采油技术，同时需要坐于抽油泵和套管之间的封隔器配套使用，如图Z. 2所示。这种采油方式对封隔器的可靠性和套管的内孔质量要求较高，由于使用了封隔器而且没有油套环行空间不能测试动液面，给油田的生产管理带来了不便。但是套管采油井结构简单，与常规有杆泵采油类似，而且由于不使用昂贵的空心杆而是直接利用普通抽油杆，成本比空心杆无油管采油更低。

由于套管采油的出液方式及工作原理与常规有杆泵采油相同，泵的下入深度不受到限制，而且可以实现小井眼大泵提液。



                图2. 2套管采油装置

套管采油技术简称套采技术，目前国内套采技术大体分以下三类：

(1)电潜泵套采技术

    该技术不用油管、抽油杆，直接利用电缆绳将电潜泵下入井下，靠支承锚将电潜泵悬挂在井壁上，使用封隔器密封套管，原油沿套管排出。

(2)螺杆泵套采技术

这种采油装置主要由空心抽油杆、双卡瓦丢手封隔器和井下螺杆泵组成。使用时将单螺杆泵定子接在双卡瓦封隔器之间，使用油管将其下入井下预定位置，封隔器坐封后丢手，取出油管，采用空心抽油杆将转子下入单螺杆泵定子内，由地面驱动设备通过空心抽油杆带动井下螺杆泵工作，原油沿套管返出地面。

(3)常规泵套采技术

  即前面提到的无油管采油技术的第二种。常规泵套采技术在常规有杆泵采油的基础上，省掉油管，直接利用抽油杆和套管之间的环空抽油。可以完全利用普通抽油杆或者普通抽油杆和空心杆组合，后者对于清除含蜡高的井的结蜡很方便。

本文研究的对象则是无管采油的特殊形似，又结合了气举采油工艺的特点的套管泵。是以前一种刷式套管泵的改进方式，它先落入井中，再通过井中的气体压力来举升一定量的油液。



2.2套管泵有常规有杆偏磨机理对比研究 2.2.1常规有杆抽油泵的偏磨分析
在有杆泵采油中，抽油杆与油管偏磨是国内油田普遍存在的问题。在石油的开采过程中，油井生产和进行各种特殊作业时抽油杆接箍及其本体与油管之间形成接触摩擦，这就是通常说的偏磨。我国大部分油田进入后期开采阶段，由于采用了注水、注聚合物等增产措施，这个问题尤为突出[18]，这不仅增加了抽油杆断脱的几率，缩短了检泵周期，还增加了修井次数和费用，大大降低了经济效益。

大庆、胜利、吉林等油田统计资料表明:由杆管偏磨造成检泵作业次数占总作业次数的35%-55%}，可见杆管偏磨严重影响了油田正常生产，造成了很大的经济损失。如胜利油田胜诧区块85口机采井中发生严重偏磨的井有43口，占50.6;中原油田一个采油厂每年由于抽油杆和油管偏磨造成的直接经济损失近千万元，间接经济损失在3000万元以上。

常规有杆泵采油采用油管和抽油杆作为配套管柱进行采油作业，当抽油杆下冲程时，杆柱浮力、流体进阀阻力和柱塞与衬套之间的半干摩擦力等阻碍抽油杆柱下行的阻力，致使中和点以下的抽油杆柱发生螺旋屈曲变形，导致抽油杆紧贴油管壁的部分发生偏磨:如果油管下部未锚定而自由悬挂，在上冲程时，油管底部受到一个向上的虚拟力使油管发生屈曲变形，而抽油杆柱因受较大的拉力而基本保持直线状态，从而抽油杆柱与屈曲的油管每隔一定距离就相互接触而发生偏磨，而且屈曲的油管有可能与套管接触偏磨，这样就同时发生抽油杆与油管之间的偏磨以及油管和套管之间的偏磨，使油管和套管都严重磨损。

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　　许多学者都对杆管偏磨进行了研究，造成杆管偏磨的原因很多，主要原因有以下几点
(1)井身结构

现在定向井的数量越来越多，由于存在井斜角和方位角，井眼轴线是一条空间曲线，由于井眼的弯曲以及杆柱自身重力的作用，抽油杆在运动过程中与井眼上下壁都发生偏磨。即使是垂直井，由于目前钻井技术的限制，在钻井过程中，随着钻井深度的增加，钻头与井口的同心度变差，井眼轴线成为一条弯曲扭转的曲线，出现自然井斜，由此也会造成杆管磨损。因此，不论是常规有杆泵采油井还是套管采油井，并身结构都是偏磨的重要原因。

(2)地层蠕变

油井有的地层段在盐层或盐膏层，在地下高温、高压和地面注水的影响下这种地层发生蠕变，形成对套管的挤压作用。这种压力在2000 m以下井段中可达190 MPa以上，远远超过上覆地层岩石的压力，使原来较直的井眼轨迹发生变形而弯曲。另外疏松砂层，油藏地区出砂严重，引起地应力和局部变化所产生的均衡挤压力，也会使井眼轨迹发生变形，在采油过程中导致杆管偏磨。严重的地层蠕变会导致生产油井报废，但地层蠕变终归还是改变了井身结构造成杆管偏磨，因此可以把这个因素归于井身结构对杆管偏磨的影响。

(3)工作载荷

抽油杆在下冲程时受到下行阻力作用而使中和点以的抽油杆受压，由于其是受到轴向压缩的超细长大柔度压杆，过大的轴向压缩载荷会使抽油杆产生弯曲变形，甚至发生螺旋屈曲变形，与套管内壁发生严重的偏磨。

(4)抽油杆柱组合

在深井采油中，抽油杆柱一般采用三级杆组合，最末级为小19 mm抽油杆，这种抽油杆刚度较低、抗弯曲能力弱:而且它又分布在抽油泵与中性点之间，该段抽油杆受到压缩和弯曲的共同作用，极易弯曲造成偏磨，因此为了有效地防治偏磨，必须设计合理的加重杆和扶正器，选择合适的加重杆杆径，优化设计扶正器个数和间距，确定最佳的安装位置，这是本文研究的重点。

(5)油井结蜡

一些油田的原油含蜡高达30%以上，井下结蜡严重，导致抽油杆蜡卡，下行受阻。抽油杆下行时与井筒产生严重碰磨，造成杆管的偏磨，目前这类井占偏磨量的8%左右。

2.2.2  套管泵的偏磨分析
在使用套管泵采油时，其主要的偏磨主要来自下面几个方面：

（1）泵体与套管的摩擦。

这主要也是来自于井身机构的自然扭曲状态，虽然套管泵泵体本身结构长度相对与井深很短，但在泵体本身的长度范围内，套管的扭曲对泵体的摩擦还是不可以忽略的。

（2）密封罩与套管接箍的摩擦，

这是由于套管是由一个一个定长度的套管通过管接头尾对尾的连接起来的，这样的构造方式形成了套管在连接部位的空隙。它不仅对密封件产生磨损，而且在一些情况下，还会倒密封件而导致快速磨损。

（3）套管泵与封隔器的撞击磨损，

这是由于套管泵是沿套管上下往复运动的，当到达封隔器位置是不能立即停止，要于封隔器有一定的撞击，这样也对泵了一定的磨损。

（4）套管泵与井口装置的撞击，

这是由于套管泵结构的特殊性，到达井口时，为

确保泄掉泵体下面的高压气体，套管泵的中心杆要与井口里面的装置撞击以保证总内封闭阀的开启。

（5）工作载荷与工作行程数，

套管泵每行程产液量一般在0.16 ~0.95 之间。其中以0.32 ~0.64 最佳。当每行程排液量超过0.8 时。套管泵的工作就变得越来越不正常，其与套管的偏磨现象更加严重；泵每天工作的行程数一般在1~10之间变化，以2~4次为最佳。这主要是基于对密封罩的磨损和撕裂最小提出的。

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　　第3章 套管泵

3.1 套管泵的结构组成
套管泵是一种自给式泵，它利用油井内的压缩天然气举升泵，从而将流体举升到地面。

  然后泵下落到井底，再将另一段液体举升到地面。井内气体没有任何损耗，并且不需要任何外部能源。

  套管泵结构示意图如下：



1一顶杆;2一弹簧;3-密封皮碗;4-活塞;5一气缸;6-阀座;7一活塞杆;8, 11-阀球;

            9, 13一限位件;10-小节流环;12一大节流环;14-锥体;15一壳体

                             图3-1  套管泵结构示意图


套管泵抽油装置由五个部分组成，如图所示。它们分别是：

1.释放器/捕捉器

如图3-1，排气装置由顶杆1、弹簧2等组成，当泵将一段液体举升到地面后，释放阀将总内封闭阀打开，让压缩天然气经泵流入出口管线，于是泵又降落至井底，再充以另一段液体，捕捡器的作用是保证套管泵安全工作，泵轴直径对于承载的长度要有合适的比例，以免卡住。并保证释放出套管泵下面的压缩天然气。同时在顶杆上部配备打捞接口，当泵因密封皮碗损坏不能举升时，便于从地面实施打捞。

2.密封罩                  

密封罩用于密封泵下部的压力气体，使泵能举升一定重量的液柱。密封罩是正向橡胶密封，使泵贴在套管碧上。密封罩应该能倒装，并不能在套管接箍处卡住而又能在封住下部压缩气体的同时使泵将液体举上来。密封罩采用改进后的耐热耐磨橡胶，起设计要求是：在泵运动过程中，尽量减少对橡胶的磨损和撕裂。同时在泵的上行程时使密封效率最大。

3.压力检测器

压力检测器由活塞4、气缸5、活塞杆7,阀球8和阀座6等组成。该装置能检测泵所处环境的液体压力，通过阀球8与阀座6的接触来关闭主阀，阻止液体在泵内的流动，从而控制泵下到液面以下的深度，以使每次举升的液量控制在一定范围内。为使泵的下落深度能适应不同的井况，要求气缸内活塞的行程能在一定范围内调节。

  压力检测器测出泵上的液柱压头，当压头达到额定压力时变关闭总内阀。这样使泵上的液体被完全密封起来，并与下面的气体隔离，于是下部气体升压推动泵上行。

4.速度制动器

速度制动器由阀球11、小节流环10、大节流环12、限位件9, 13等组成。速度制动器的作用是控制套管泵在井中的下行速度。根据Bernoulli方程的数学原理，制造速度制动器时要使之符合下列要求： 套管泵在气相中的下行速度必须小于2 . 54m/s，以防止损坏密封罩。与液体接触后， 套管泵则必须让气体和液体都能通过，而这时泵的下行速度最小应保持在10英尺/分。这些下行速度主要是防止套管泵在套管接骨处被卡。

5.泵座

  泵座位于最上射孔段的上部，其作用是确保套管泵不至落到生产层位以下。

虽然本装置的个部件足够简单，但要把这些部件组装起来成为一个运行可靠的泵就不是那么简单了。

基于以上原理，从改进工艺的方向入手，设计了以下这个套管泵！


图3-2   套管泵

其改进部分如下：

1．释放器

释放器由导向管15，中心杆18组成，导向管是保证中心杆相对泵体同轴运动的部件之一。中心杆与井口里的装置相撞击，打开总内阀，释放泵体下面的气体。

2．密封罩

密封罩19由丁晴橡胶制成，内装调节环，且在与其相对位置，泵座上开有通空孔，这样密封罩的外径就可以通过调节环和通过通孔由泵体内传递过来的气压来调节其外径，以适应不同的套管内径。

3．压力检测器

压力检测器由活塞2，3，及内腔13等组成，内腔13通过通道4与主腔相连通，这样内腔就可以检测到主腔的压力，进而推动中心杆18向上运动，处使阀盖21与阀座17相接触，进而关闭总内阀。经改进后的压力检测器现在能够保证套管泵长期可靠地工作，而且除了总内封闭阀的只开不关或只关不开的可能性。

4．速度制动器

速度制动器由7，9，10等组成，套管泵在井中气体部分下落的时候，制动器阀盖7在弹簧的支撑下与台肩9配合来限制气体的通过，这样也就限制了泵体的下行速度，到达液体部分时，制动器阀盖7与液体的初次碰撞就打开了阀盖7与台肩9的配合，而使阀盖7与阀体10接触，这样液体就能顺利进入泵体，从而保证了泵体在液体里面的下行速度。

3.2 套管泵工作原理
将套管泵置于油井的套管中泵靠自身的重量沿套管下落。在套管中的气体部分时，气体由入口塞堵的通孔进入，顶开制动体阀盖进入泵体主腔，由于阀盖是由压缩弹簧支撑着与台肩接触，所以阀盖对气体有阻碍作用，这样就对泵体的下落速度起了控制作用；又由于制动体是一个下部直径大的倒扣圆锥体，这样在锥体表面与内腔表面之间就形成了一个下窄上宽的锥形空间，它对流体构成了一个阻尼区域，这样又限制的气体通过泵体的速度，也就限制了泵体在套管中气体部分的下行速度。当泵达到井中液体的部分时候，进入泵体腔内的液体对阀盘的第一次撞击驱动阀盘覆盖住制动体的内腔而使液体能流过泵腔。尤其是通过围绕着制动体底端的环行通道。在制动体的底端开了一些槽，它们位于制动体腔与环行通道之间，这样，一旦液体流过环行通道吸附现象就会在制动体底端的腔内产生来维持制动体底端与阀盘的相配合的状态，进而能确保液体能顺利流过泵体，因此也就能确保泵体在井中液体部分的顺利下落。

随着泵的逐渐下落，泵内及周围的液体压力亦逐渐增加，经由通道入口塞堵上的通孔进入到泵腔的液体压力亦逐渐增加，其压力推动活塞2和3上行，压缩汽缸内气体，使汽缸内的气体压力与外界液体压力保持平衡。活塞上行，带动中心杆上行，进而带动安装在中心杆上的内封闭阀阀盖上行。当泵下落至某一预定深度（这一深度应位于产气层套管进气孔的上方），活塞将阀盖推至阀座上关闭总内阀，阻止了液体在泵体内的流动，泵的下落运动停止。

之后，随着天然气的不断逸出，泵体下部压力不断增大，当此压力达到一定值后便将泵及泵上的液体一起向上推，直达到井口并排出其上部液体。排出的液体经过油气分离器分离后流至储油罐中。此时中心杆碰到井口内的阻挡物，其反作用力迫使总内封闭阀的阀盖与阀座分离，这样就是释放出泵体下面的部分气体，造成泵体腔内的气体压力降低，这样汽缸内的压缩气他的压力就大于泵腔内的压缩天然气气体压力，这样在汽缸内压缩气体的作用下，中心杆下行，处使总内封闭阀的完全开启，这样就完全释放出泵体下面的压缩气体，之后泵从新落回井中，进行另一次生产活动，重复此工作过程。

3.3  套管泵设计特点
本项发明解决了以上问题，通过给泵一种结构，该结构能确保泵到达井头时能释放泵下面的气体压力；通过给泵提供一个制动装置和一组密封件来克服以前遇到的泵和套筒之间的密封问题 .特别的,  该发明充分考虑到通过两密封件的配合来关闭总阀会非常有效,一密封件是内圆表面的靠近泵体上端面的内封闭阀阀座,另一个是安装在穿过该阀座的中心杆上的内封闭阀阀盖.这个中心杆通过一个对气体敏感的装置来支撑着,该装置推动圆杆向上运动,使阀盖坐在阀座上，而中心杆则伸出泵体的上表面与井头里面的装置相配合，该井头主要用来在泵体到达地面的时候盛装泵体，因此，中心杆与阀盖直接相连来迫使阀盖与阀座的分离。这样就形成了最初的释放泵下面的气体，进而就降低了举升中心杆的气体压力，由于举升中心杆的装置对气体压力非常敏感，这样就有助于阀盖与阀座的彻底分离，从而保证完全的释放泵下面的气体。