□刘爽/大庆油田第一采油厂

新型杆式泵的研制 

1.去除悬浮微粒的旋流泵系统

　　美国犹他州George创新公司研制出旋流柱塞和旋流泵系统。该系统可使污染油水层的砂、粗砂、硫化铁和其它粉末快速通过旋流泵，使这些悬浮微粒的残余物质不能在井筒和柱塞之间聚集。而在常规泵中，一些液流会在柱塞与泵筒之间的空隙中旁流或在其表面上滑动，这样，悬浮物会积聚在这一空隙空间。随着柱塞的上下往复运动，这些积聚物就会快速磨损，较明显的是在柱塞和泵筒表面上的垂直擦伤。此外，由积聚物产生的摩擦力会导致泵和抽油杆的过应力，结果会造成卡泵、自动停泵或杆断等故障。

　　由于新系统进行了重新组合，避免了卡泵及泵筒与柱塞表面的过早磨损，降低了检换泵费用。下冲程时，泵与旋流座塞一起向积聚在泵筒和柱塞之间的悬浮微粒施力，使其向柱塞内径方向运动，通过轴向排出口进入柱塞中心，此时悬浮颗粒与其它液流混合进入泵中，从而被传送到油管中。上冲程时，悬浮颗粒同样积聚在柱塞的锥形顶部，下冲程时，悬浮颗粒被冲到上面，通过顶部旋流柱塞接合器进入油管。该旋流泵系统见图1。

2.防砂杆式泵

　　美国得克萨斯Harbison-Fischer公司研制出一种用于开采高含砂油田的杆式泵，并已在加利福尼亚一些难采的硬砂油田进行了试验，获得了成功，其防砂效果明显高于现有杆式泵。该防砂杆式泵已申请到了专利权。

　　该泵采用了从加压密封的柱塞（由喷涂金属制成的）前缘分离产出砂的独特方法，保证了柱塞与泵筒界面的硬砂砾被分离，使下柱塞与泵筒的表面保持密封压力更持久，因此延长了杆式泵寿命。新型防砂杆式泵见图2。

　　该泵由上行的控砂柱塞与下行的加压密封柱塞前后连接组成，并且两柱塞相互隔离。上行程时，配有柔软填密件的控砂柱塞由于没有承受压力，砂砾会进入泵筒，只会磨损填密件。下行程时，金属喷涂的加压密封柱塞前缘会因无砂而磨损。因此，新设计使两柱塞的功能发挥到了极致。防砂泵工作期间，采出液仅通过内通道流动，使得加压密封柱塞前缘没有液流流动。上冲程时，加压密封柱塞不承受静液压力，由于液体具有不可压缩性，因此携砂液流进入加压密封柱塞的上部空间。

　　针对泵漏失产生的液体流动，该泵设计了一个内部腔室砂网，该砂网位于加压密封柱塞的上部，具有堵砂和将砂储存在两柱塞之间的腔室的功能。下冲程时，积聚后的砂体会集中加入到液流中，是通过连接油管的孔回流至内部液流中。柔软填密件的上柱塞充当了加压密封柱塞上部泵筒至柱塞之间的砂封作用。上柱塞用杯形和环形的效果比较好。由于柔软填密件的柱塞无高压密封性能，因此要求该柱塞比普通式柱塞使用期要长些。现有的所有普通结构的杆式泵均可配装柔软填密件。

3.用于小排量的气井泵

　　美国得克萨斯州CDI能源服务公司宣布，在其最新设计的McGiver系列杆式泵中又添新丁MG-3。在开采小排量或含气井时，McGiver MG-3杆式泵使一切都可能发生。下冲程时，固定凡尔的上部产生低压区时，新型泵可在气压室上部保持静液负荷。另外，这种新型泵为防止液面撞击专门设计了加衬垫，用于保存泵中沉降的砂粒。

　　随着MG-3在犹他州Vernal油田的成功应用，CDI还将其拓展应用到产气、产泡沫的市场和低产量的井中，这是一个富有挑战意义的新领域。目前，新泵的安装深度在1158m-3353m（3800-11000 ft）范围内，该泵仅限于安装插接式泵上。

新型杆式泵配套设备的研制

1.新型井下柱塞

　　最近，美国加利福尼亚州Bakersfield油田科技人员在Muth泵的基础上研制出新型Farr杆式泵柱塞。该柱塞独特的设计使泵可抽吸砂粒、粉煤和其它固体颗粒，不会产生柱塞卡在泵筒内现象，并避免了泵与磨蚀固体颗粒的磨损。图3给出的是Farr柱塞与常规API柱塞的对比图。新型柱塞接箍（或传统API柱塞的衬套）是把原顶部的柱塞移至底部，这一简单的位置改动使井下杆式泵的工作状况产生了相当大的改变。

　　在常规的API柱塞上，顶部接箍或衬套比柱塞小1.5mm（0.060 in），即在接箍和泵筒之间的顶部留有一个缝隙。当柱塞向上运动时，该缝隙迫使固体颗粒向下和向外进入缝隙。落入柱塞和泵筒之间的固体颗粒磨损柱塞金属表面，造成卡泵事故。新型的Farr柱塞将柱塞接箍移至底部，其锥形设计使顶部朝内，固体颗粒被迫向内移动，并随着液流上升，不会进入缝隙，这样避免了上述问题。

2.杆式泵控制器

　　过去，采油工通过选择调整载荷和位移传感器和安培数2种方法来控制杆式泵井。当变速控制器（VSDs）应用调整安培数方法改变发动机速度时，传统杆式泵控制器（RPCs）是通过载荷和位移来确定开、关井时间。美国Weatherford公司研制的新型导向控制器将载荷和位移测量和变速驱动器精确度结合起来，达到了最佳效果。

　　新型控制器应用连续的载荷和位移示值计算泵的充满系数。加速或减速变速控制器来控制发动机，使其保持最佳运转状态。这样使地层回压最小，而流量达到最大值。新型控制器还可避免液面快速下降，防止到达加快泵磨损和损坏的抽空位置。

　　将传统抽油杆控制和变速技术相结合，可保证泵在井况变化时也能以正常转速工作。由于控制器是根据电流变化调整泵速的，因此无需改动皮带轮。控制器可保证发动机在满负载情况下以合适的工作扭矩工作，电机和抽油杆不会过载运行，也无需启泵时过载驱动发动机。

　　此外，该控制器会存档主要工作数据，可在井口提取数据，也可应用远距离分析和遥控的监控和数据采集（SCADA）接口提取数据。该控制器包括一个通过预测总产液量来推断产量的算法和用户配置的可储存30天以上的数据自动测量装置。该装置的额定功率为6.7-335Kw（5至250 hp），适用单相和三相电源。

3.抽油杆连接器

　　美国Weatherford公司独特设计的四部PRO/KC连接器和精密的PRO/KC配套装置延长了其工作寿命，提高了承载能力，其能力远远地超过了常规的三部API连接器。其新颖的设计系统为明显增加了应用梁式泵和螺杆泵的强度和耐久性。

　　新型抽油杆连接器由2个销钉、一个接箍和一个中心钮扣四部分组成，具有稳定的刚性连接功能，新型抽油杆连接器见图4。在负载条件下，常规的API连接器可在销钉的台肩，接箍端面，螺纹上移动。这样会增加动载荷，并导致销钉损坏。

　　新型连接器的配套装置已申请专利，该方法提高了连接器的承载能力和工作寿命。连接器的销钉和接箍具有精确的机械加工长度，被连接到中心纽扣上。由于新型抽油杆连接器量针减少了2个销钉台肩的伸长量，预加负载被证实集中作用在销钉凸头和接箍上（与中心纽扣方向相反）。而且，新型连接器为预加负载提供了最佳双销钉的伸长量。因此，新型抽油杆连接器在抗扩张、抗扭转、抗弯曲和抗疲劳等方面具有较高的稳定性。

4.变速驱动器

　　最近，美国休斯敦Lufkin自动化公司研制出新型组合式变速驱动器，即SAM油井变速驱动控制器。该驱动器是为在恶劣环境下工作的杆式泵而设计的，是一个无需停泵就能使泵抽汲状态与地层条件相匹配的组装系统，见图5。新型变速驱动器用连续逐档调整泵速的方法来保证抽油机井的正常运转，替代了用控制器控制开关以适应井性能的传统方法。此外，该驱动器每档都可改变速度，用来减少杆的震动和其它损害抽油杆和泵装置系统的故障发生。该系统的额定功率为13.4KW-167.5KW（10 hp-125 hp），可应用在梁式泵和螺杆泵上。主要应用在砂卡或泵卡井、稠油或杆脱井、蒸汽驱井、低效的井、产量不稳定的井、大排量井和难停泵的井。

　　在减少检泵次数上效果明显。在一些伴有杆柱震动稠油井开采过程中，通过减少杆柱震动和使泵全速运转，使得产量有所增加。由于保持了井泵的正常运转，很多用常规梁式泵开采的井的产量也明显增加。

　　采油工无需停泵，这样可避免泵损坏，很多应用了该驱动器的螺杆泵井的产量也有明显增加。新型变速驱动器已见到了一些节能效果，但很多试验井运行时间低于传统杆式泵的75%，节能更有效，因此一台变速驱动器全天运转并不是最节能的。有些采油工选择应用NEMA B发动机替代D发动机。B发动机事故发生率低，具有较高的耗电率。

5.油田安装的抽油杆导向器

　　影响抽油机井生产能力的重要因素之一是油管磨损问题。油管磨损不仅影响水平井、定向井和斜井的寿命，也影响普通井的寿命。最近，美国R&M能源系统公司在抽油机配套设备中研制出2款抽油杆导向器。新型导向器的设计使磨损均匀分布在整个管柱上，可完全消除磨损。该抽油杆导向器可安装在油井上，无需起下抽油杆，这样既缩减了检泵开支，又加快了检泵速度。

　　1）高产油田安装的Stealth XL抽油杆导向器具有光滑的剖面，目的是适应井下恶劣环境，额定温度为206℃（400℉），新型抽油杆导向器见图6。较深的凹面通道和流线型设计使抽油杆导向器在高产井中具有较好的流动性。较宽的叶片充当宽敞的支撑表面，目的是预防斜井中抽油杆、抽油杆接箍和油管磨损。该系统中抽油杆接箍材料具有较好的与锁紧机构相结合的抱紧力，使该导向器已完全可取代其它油田目前应用的导向器。

　　2）FAST是R&M生产的又一款新型油管导向器。该导向器配具有一个不连在抽油杆上的“定子”，该“定子”位于外部，而常规抽油杆导向器连在抽油杆上，与抽油杆运行一致。当油田应用的转子或内套在定子中自由转动时，FAST抽油杆导向器独特的3叶片式定子会保持固定状态。正是由于这种定转子间的较大过盈量接触才会产生较大的流动通道，从而保存从导向器被清除的砂粒等岩屑。

　　该导向器由一个可将抽油杆固定在油管中间的固定套筒和2个锁片组成，新型抽油杆导向器见图6。每个锁片滑过抽油杆时，与其摩擦锁定。该设计降低了导向器周围的液流流动压力和抽油杆旋转导致的机械和水力摩擦而产生的扭矩。

抽油杆故障诊断处理系统与润滑油

　　1.抽油机井影像传输故障诊断与处理系统

　　杆管磨损是抽油机井检泵的主要原因之一，频繁检泵会明显增加举升成本。为降低检泵率，美国得克萨斯州Willis R&M能源系统公司研制出新型VisuWell抽油机井故障频率影像传输诊断和处理系统。

　　通常，作业工很少掌握有关油管偏磨、杆管磨损的根本原因和管杆断裂的可靠数据。检泵后提取的油管形状、壁厚和抽油杆在不同深度等信息，对于确定检泵的主要原因是非常重要的。新型VisuWell系统应用高分辨率数据和反映采油井状况的网络传输影像使作业工在检泵前就能进行有效分析和预防处理。

　　借助于新型诊断系统可见到故障发生的原始位置，并可绘制井筒之间的公共数据点。抽油杆柱、油管柱和油管的偏磨可在新井投产前进行评估。新系统将杆管状况和井筒的偏移连接到一个综合的、在线联机的能让采油队的每位员工都能见到的井筒剖面上。因此要求地质大队管理人员不论身处何方都应给予有效配合。

　　该系统可在发布单井或整个区块信息的三维动态网页上看到。杆管形状及其在不同井下深度的状况可从网络服务器（先用XML压缩、然后再用人机交互式绘图格式进行影像传输）下载到客户的机器上。偏磨、磨损和断裂的相互关系快速地呈现出一口具体井或一个区块的三维图象，并可用绘制相同井况图的方法查询连通井筒信息。应用新系统所产生的效果是检泵率下降，举升成本降低，年产量增加。

2.抽油杆润滑油

　　美国俄克拉何马州的ClaremoreUpco公司研制出新型抽油杆润滑油，即Upco抽油杆润滑油，这是多年来设计、试验和生产制造抽油杆圆周位移的结果。Upco的目标是能够介绍其生产的每一种抽油杆的直径和级别，并给出特定的圆周位移值。

　　润滑油成为联接螺纹接头的主要成分后，该公司开始尝试应用常规抽油杆润滑油和目前可供选择的润滑油。另有2个公司在此基础上进行了改进，生产出能满足油田不同需求的润滑油。

　　这种新型抽油杆润滑油符合所有需求。专门为联接接头生产设计的润滑油具有防腐性能，内含的二硫化钼可防止螺纹脱扣、卡死和磨损，该润滑油平滑，无任何填充剂。试验表明，应用新型润滑油装置的承载能力增加了40％。通过联接接头状况看，新型润滑油已达到了最初的设计性能。

　　一夸脱瓶润滑油可润滑500根抽油杆，工业用以桶/2加仑为单位。销钉螺纹只用一小滴润滑油；抽油杆接箍台肩端面必须保持干燥。Upco已发布一篇题为“选择用于抽油杆圆周位移的润滑油”技术论文。该技术应用了应力、张力、扭矩和环形位移的核心工程理念，完成了最初阶段的项目研究，并提供了详细的技术报告。