摘 要：抽油机井采油是油田开发最主要的采油方式。从油层采出的井液到达井口后，经过地面管线输送至集油站，井液在地面管线里的输送依靠从井下获得的能量做为动力。高回压影响井筒内压力分布，对井下抽油泵、抽油杆和油管的工作状况都会产生影响，随着油井自动化、智能化生产系统的建设，回压对抽油泵、抽油杆和油管的影响不能仅仅停留在定性的分析上，需要建立油压对它们影响的定量分析模型。根据抽油机井工作原理，建立了油压对油井工况影响的分析模型。研究表明回压对油井井筒压力分布、泵排量、抽油杆受力等都会造成影响，需要建立相应降回压对策。
关键词：抽油机井；油井工况；
井液从井底到达井口的剩余压力称为油压，井液从井口沿地面管线输送的起始压力称为回压。如果井口有控制产量的油咀，则嘴前压力为油压，咀后压力为回压，如果没有油咀，油压与回压相等。为集中研究回压影响，本文不考虑有油咀情况，视油压与回压相同。如果地面管线较长、井液粘度较大、井口与集油站位差较高，或者受公用同一输油管线油井影响，则回压就比较高。
1.回压对井筒压力分布的影响
从油层产出的井液，在井底流压作用下到达抽油泵，经抽油泵增压后从泵出口流向井口，按简化模型，泵上井筒压力平衡式为：
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式中，Ppo为泵出口压力，MPa；PH为井筒内静液柱压力，MPa；Pfr为摩擦阻力造成的压力损失，MPa；Pwb为回压，MPa。
由式（1）可以看出，当回压升高时，泵出口压力也升高。对于井液的势能，简化模型公式（1）只考虑了井筒内静液柱压力影响，当井内只是液相时，误差不大，但油井产出液中有溶解气，当压力低于饱和压力后，溶解气脱出，造成井液密度发生较大变化，这会影响计算模型里的静液柱压力。另外，井液中出现气相之后，其流动型态与单相垂直管流有很大差别，气液之间经历复杂能量交换，气体膨胀能参与了举升液体。低于饱和压力井段的压力变化，需要采用多相垂直管流计算理论进行准确计算。综合回压对泵出口压力影响的多方面因素，回压对泵出口压力的影响不是线性增加的，要比线性增加影响大很多。
2. 回压与泵排量关系模型
(1)泵漏失量计算模型
抽油泵采用间隙密封结构，在压差作用下，必然会产生漏失，在一个冲程过程中，泵漏失量计算公式为：
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式中：D为泵径，m；e为柱塞与泵筒之间的间隙，m；μ为液体粘度，mPa?s；△P为柱塞上下压差，MPa；l为柱塞长度，m；Vp为柱塞上冲程的平均速度，m/s。
由式（2）可以看出，在其它因素相同的情况下，泵两端压差增大，导致漏失量增大。泵的其他部分也有漏失的可能，例如泵固定阀座与泵筒连接螺纹部位。
在油田常用的几种采油方式中，电潜离心泵、螺杆泵、喷射泵有特性曲线，描述排量与扬程的关系，但没有建立起抽油泵的特性曲线，也就是抽油泵排量与扬程的关系，一方面是因为忽略扬程对抽油泵排量的影响，但更重要的原因是建立抽油泵排量与扬程关系的理论模型比较复杂。
(2)泵的充满程度对泵效影响
泵入口压力低于饱和压力时，在抽汲时气液两相同时进泵，气体进泵必然减少进入泵内的液体量而降低泵效。在下冲程，柱塞压缩泵内流体，直到泵内压力大于泵排出口压力，游动阀打开，开始排液。当气体影响严重时，泵排出口压力增大，游动阀不容易打开，影响排液过程，造成泵排量下降，影响油井产液量。
3. 回压对抽油杆受力影响
(1)作用在柱塞上的液柱载荷
在上冲程中，游动阀关闭，液柱载荷作用在抽油杆上，液柱载荷为：
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式中，Wl为液柱载荷，N；fp为泵柱塞截面积，m2；fr为抽油杆截面积，m2。
由于增大回压会增大泵出口压力，由公式（3）可以看出，增大回压，也会增大液柱载荷。下冲程游动阀打开后，液柱载荷作用在固定阀上，抽油杆底部承受液体向上的浮力：
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由公式（4）可以看出，增大回压，也会增大抽油杆受到的浮力，这将减小抽油杆载荷。
(2)液柱惯性载荷对抽油杆受力的影响。抽油机上下冲程在上下死点换向，做变速运动，存在较大的加速度，井下泵柱塞做变速运动，柱塞上冲程推动液柱向上变速运动，承受来自液柱的惯性载荷。当井液中有气相时，井液压缩性较大，将大大减小液柱惯性载荷。增大回压，会使高于泡点压力的井段上移，减少井液中的气相比例，使液柱惯性载荷效应增大。
(3)抽油杆的振动载荷
引起抽油杆振动载荷的因素有两个，一是抽油杆做变加速运动，二是液柱载荷的加载与卸载。
根据抽油杆纵振理论，纵振在悬点引起的振动载荷的最大值为：
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式中，Fvmax为振动载荷最大值，N；E为抽油杆弹性模量，MPa；a为振动波在抽油杆传播的速度，m/s；V初变形期末抽油杆柱下端（柱塞）对悬点的相对运动速度，m/s。初变形末期，是上冲程初期抽油杆在液柱载荷作用下伸长△L，悬点从下死点向上运动△L的时刻。液柱载荷增大，会增大△L，从而增大初变形期末的运动速度。因此，增大回压，造成抽油杆振动载荷加大。
(4)抽油杆最大和最小载荷
抽油机工作时，上、下冲程中抽油杆最大载荷将发生在上冲程，最小载荷发生在下冲程中。如前所述，增大回压，会增大最大载荷，减小最小载荷。抽油杆承受交变载荷，抽油杆的破坏形式主要是疲劳破坏。按修正古德曼图法，抽油杆的最小应力增大，最大许用应力也同步增大，但允许的最大与最小应力范围减小了。抽油杆载荷变化范围主要取决于液柱载荷，所以回压增大，会导致抽油杆受力情况变差，有可能超出许可应力范围。
4. 计算实例
井口回压影响井筒压力分布，进而对抽油泵和抽油杆的工作状况产生影响，在油井工艺方案优化设计、工况诊断和日常生产管理中需要重视回压的影响。论文分析了回压对泵上井段压力分布、泵的排出工作过程、抽油杆受力等的影响，建立相应的计算模型，给出了计算实例，研究表明，增大回压在非线性影响井筒压力分布的基础上从多方面影响油井工况，不仅加重抽油杆载荷应力，还增加应力幅，使其更易疲劳破坏，降低抽油泵排液能力，增加漏失量，使油井产液量降低。油田应尽量采用降低油井回压的技术方案。表1是油井基本数据，为了考察不同回压下对抽油机井工况的影响，分别对回压为0.1-2.5MPa下的井筒压力分布进行了计算（表2），由表2可以看出，按简单模型计算的压力分布，仅仅体现出泵出口压力与回压同步增加，按Beggs-Brill方法进行多相垂直管流计算，则能够准确反映出回压对泵出口压力的影响。相应地，泵出口压力对液柱载荷也表现出相同的规律。
表1 实例油井基本数据
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表2 不同回压下的泵出口压力计算结果
5. 结论
（1）油井回压对井筒压力分布影响不是线性的，按多相流计算模型，可以准确反映出回压对压力分布的影响。（2）油井回压从漏失量和排液两个方面影响抽油机井产量，回压增大，油井产量下降。（3）油井回压影响液柱载荷、振动幅度和应力幅，回压增大使抽油杆受力状况变差。
参考文献
[1] 张琪.采油工程原理与设计[M].山东东营:石油大学出版社,2002,03:36-47.