侯井成
大庆油田有限责任公司第五采油厂
摘要：本文根据水力学中的伯努力方程，建立了泵吸入口液体与油井环套液体间的能量平衡方程式，推导了抽油泵的充满时间，求解抽油泵完全充满所需的沉没度下限，划分了气体影响与供液不足的界限，并结合现场生产数据，对此界限进行了验证。
主题词：抽油泵 气体影响 供液不足 界限
1、问题的提出
气体影响与供液不足是抽油泵工作状况的两种常见类型，是工程技术人员进行功图分析时一个比较难解的问题。二者从功图形式上看较为相似，从沉没度上看一般都较小，因此区分起来十分困难。
目前，工程技术人员在分析功图时，区分两种功图的方法是视功图形状而定，如果功图有明显的“刀把”形状，则判断为供液不足；如果功图有明显的“凹形弧线”，则判定为气体影响。对于上述两种形状都不明显的功图（如图1所示），分析起来就模棱两可。且分析结果因人而异，缺乏严格的科学依据。
2、抽油泵充满的条件
气体影响与供液不足从表面上看，似乎没有什么本质的区别。但从其概念和产生机理上看，二者却有着本质的差别。虽然，二者都是由于供液较差所引起的，但在程度上有明显的差别。气体影响是由于井筒压力较低，井液在进入泵筒时，原油中挥发出来的溶解气占据了泵筒的一定容积，使井液无法充满整个泵筒所致。在相同的压力、相同的含水的情况下，如果原油的油气比下降，气体影响的程度将会大为减弱。因此，虽然气体影响的井流压较低，但还没有低到无法使泵筒充满的程度，之所以充不满是由于气体的作用。而供液不足则是由于井筒压力过低，井液通过固定凡尔球座时流速过小，以致于在上冲程较短的时间内，来不及充满泵筒或者根本无法充满泵筒所致。
2．1吸入部分与环套液体能量平衡方程式的建立
抽油泵的吸入部分，实际上就是一段很短的带有单流阀的水力学管路。同时，由于抽油泵活塞的运动为非匀速运动，因此，井液进入泵筒的流动为不稳流，其行为应为不稳定流的伯努利方程。在油井的油套环空中的取筛管中部所在的水平面为1-1过流断面，取抽油泵固定凡尔所在水平面为2-2过流断面。设1-1断面液体的压力为P1，速度为V1，其所在位置在固定凡尔以下H处。当抽油泵活塞上行，固定凡尔打开，井液到达2-2断面点时，井液所受的压力为P2，速度为V2。由于油套环空中的井液比较平静，v1可近似地看作是0；井液在筛管入口和泵吸入口的重度变化较小，可以近似地看作不变；一般抽油泵下面紧接着筛管，距离非常短，H也可以近似地看作为0,吸入部分与环套液体的能量平衡方程式。等式左边抽油泵完全充满所需沉没度如果求出等式右边的各项，就可以求出这一沉没度界限求出了沉没度界限，流压界限也随之确定。
2．2井液在泵吸入口处所受压力（P2）的确定
当固定凡尔打开，井液进入泵筒时，必须具有足够的能量。这些能量主要消耗在三方面：第一部分用于克服固定凡尔的重量，托起凡尔球以便打开流道；第二部分用于克服管路中的沿程阻力和局部阻力,第三部分使井液保持一定的流速，以便在有限的时间内能够充满泵筒。固定凡尔重力的作用面积为固定凡尔球座的水平截面，所以有井液对固定凡尔球所作用的压力等于固定凡尔球座对井液的作用压力。
2．3井液进入泵筒所需流速的确定
抽油泵要充满，井液不但要能够进入泵筒，还必须有足够大的流速，以保证在有限的时间内能够充满泵筒。
一个冲程活塞所让出的体积为，抽油泵的充满时间大约为一个冲程的一半.设抽油机的冲次为n，则每个冲程所用的时间为T=60/n
所以，每个冲程抽油泵的充满时间（t）为：t=T/2=60/2n=30/n 在时间t内，井液以平均流速V2，流过固定凡尔球座。其体积应与活塞让出的体积相等。设固定凡尔球座的直径为即为使得泵筒充满，固定凡尔处井液所必须拥有的流速。
2．4局部水头损失hi的确定
局部水头损失包括三个部分，即井液从环套进入筛管所产生的水头损失，井液从筛管进入固定凡尔由于管路缩径所引起的水头损失，井液经过固定凡尔所产生的水头损失。不同泵径的抽油泵，其结构尺寸与气体影响的界限也不相同。同一结构的抽油泵，在不同的参数下，其供液不足与气体影响的界限也不相同。由于抽油泵厂家，抽油泵结构尺寸及其组合十分繁多，再加上不同的参数组合，逐一讨论十分繁琐，并且篇幅有限。因此，本文仅对几种抽油泵在参数3m，9n/min情况下的充满条件进行了讨论，筛管、固定凡尔局部水头损失的确定。井液经筛管、固定凡尔到达泵筒。筛管相当于一个过滤网，这样筛管和固定凡尔的组合，可近似的看作是带滤网的滤体其局部水头损失，所以根据前边求得的V2就可以求出筛管，固有定凡尔局部水头损失。
2．4．2管路缩径水头损失的确定
根据局部水头损失的通用公式，即可求得筛管到泵筒，因管路突然缩小而产生的水头损失。为了确定各级别抽油泵筛管中井液的流态，必须求出水力学概念下，抽油泵充满时的筛管中井液流速及雷诺数。雷诺数的计算，涉及油水混合物的粘度，根据大庆油田目前抽油机井平均含水89.2%计算，井液水包油乳化液粘度为11.9mpa.s。按照3m，9n/min的参数组合计算，各级抽油泵的油管流速及雷诺数。
3．计算结果及讨论
根据以上方法，在计算抽油泵固定凡尔处的压力水头、筛管中井液的沿程水头损失的时候，都要用到油井的含水，而油井含水千差万别。因此，根据油田的抽油机井的平均含水89.2%，分别对上述6个级别的抽油泵完全充满所需的沉没度进行了计算和计论。泵径越大，泵完全充满所需的沉没度界限数值越大。从38mm到95mm的泵，抽油泵完全充满沉没度界限从46.531m增加到111.782m，增加了65.251m，平均泵径每增加1级，沉没度界限增加9m。为了分析相临级别间界限的变化情况，计算了相临两级泵间的界限和泵径跨度的比值，界限变化最大的是φ83—φ95，最小的是φ70—φ83。因此各相临级别抽油泵间沉没度界限的变化并不均衡。为了分析各项能量消耗在界限中所占的比例，把表3中各项的实际数值转化为百分数，可以看出，用于使固定凡尔处于打开状态的压力水头在界限中占有绝对高的比例，最大的是φ95泵，高达98.72%。其它几项能量消耗则毫无规律，因抽油泵的不同而各异。
4．结论
通过以上的验证和分析，不难得到以下结论
4．1．抽油泵完全充满所必须的沉没度界限是正确，可信的，基本上反映了抽油泵工作的实际情况。
4．2．抽油泵完全充满所必须的沉没度界限随泵径增大而增大，但相临级别抽油泵间，界限的增加幅度各不相同。
4．3．井液所具有的能量，主要用于使抽油泵的固定凡尔处于打开状态。
参考文献：
1.《采油工艺原理》 石油工业出版社 王鸿勋、张琪等编
2.《机械采油技术管理方法》 石油工业出版社 李青、金东明、戈炳华编著
作者简介:侯井成,男，1992年01月10日出生，2015年毕业于东北石油大学石油工程专业、现从事采油队副队长工作、联系地址：黑龙江省大庆市第五采油厂第一油矿