用于出砂井的水力喷射泵结构设计.pdf

油机械
2003年第31卷算7期
CHINA PETROLEUM MACHINERY
设计计算
用于出砂井的水力喷射泵结构设计
马德泉张辉李杰
胜利石油管理局无杆采油泵公司)
摘要油井出砂对地面设备和并下设备带来极大的危害。通过室内试验研究了地层砂在井筒
内的流动和沉积状态,测定了不同粒径的砂粒沉降速度和一定液量下的极限携砂量。设计了应用
在出砂井中的水力喷射泵采油装置,其特点是采用平行双管柱结构的水力喷射泵,合理设计泵内
流道,尽可能保持液体匀速流动,适当提高液体流速,提高携砂能力。最后为防止液体停止流动
导致砂堵排出管,设计了结枃独特的沉砂管。
关键词出砂井水力喷射泵结构设计沉砂管
室内试验
油层出砂是砂岩油层开采过程中的常见问题,
地层砂随地层液进入井筒后,在泵的抽汲作用
油井出砂对油田生产的影响非常严重,人们正在采下随地层液上升。因为各油井的产液量不同,其上
取各种工艺措施进行防治?。目前,诸多防砂工升的速度也不同。其中粒径较大的地层砂会逐渐沉
艺均不同程度地阻止了油层中较大的砂岩固体颗粒积到井底,粒径较小的地层砂则随着地层液进入泵
随流体流入井筒,但部分较小的砂岩固体颗粒仍然内,排至地面。为了摸清地层砂的流动及沉积状
通过防砂工具的孔隙随流体流入井筒,由于摩擦磨态,笔者在实验室内模拟井筒结构,通过试验的方
损的作用,对井下的采油设备和地面没备造成一定法研究出地层砂在泵吸入口处的沉积状态、不同粒
的损害。所以,人们又采取各种措施改进采油设备径的砂粒沉降速度和一定产液量下的极限携砂量。
对地层砂的适应能力。其中主要是设计具有防砂作
1.地层硇在泵吸入口处的沉积状态
用的有杆泵和电动潜油泵,其中有些工作也收到了
地层砂随地层液进入套管流动,在来不及随液
些效果。这两种泵的设计主要是增加防砂装体排出时会逐渐沉积在井底,当砂面接近泵吸入口
置或改变液流方向、使用特殊耐磨材料等方法,以处时,靠近吸入口的地层砂因该处液体流速较高被
延长泵的使用寿命。但由于运动(直线运动或旋液流携带走,而周围的地层砂则逐渐沉积呈四面
转运动)的存在和完全浸没在液体中,运动之依据产液量的不同,砂而离吸入口的距离也不同,
间的摩擦磨损是不可避免的,最终导致零部件磨产液量较大时,砂面距吸入口距离较大,反之则较
损,泵效降低,泵砂卡或油井砂埋
小。这说岄离吸入口较近处的液体速度高,砂粒被
由此可见,研阁一种不怕砂磨的采油装置就显液体带走,离吸入口较远处的液体流速低而导致砂
得很有必要。水力喷射泵是用高压液体驱动的非容粒沉积,这也说明在泵体结构设计中应充分考虑适
积式泵,流体循环量大,携砂能力强,没有运动当提高液体流速。
件,不怕砂蘑,运转寿命长,对出砂井适应能力
2.不同粒径砂粒沉降速度的测定
强。为此,笔者开展了这方面的研究工作
为了直观地测定砂粒的沉降速度,采用透明的
马德泉,工程,生于1959年,192年毕业于上海机械学院流体力学与流体机械专业,现从事石油机惯产品的国外销售工作。地
址:(257000)山东省东营市。电话:(0546)8558524。E-mai: madog@mail.slo,eom
(收稿日期:2003-02-1;修改收到日期:2003-03-17)
石油机
2003年第31卷第7期
玻璃管观察砂粒的沉降情况。笔者筛选了3种不同射泵时,在保证液体流速的前提下,尽可能使地层
粒径的砂粒,使3种砂粒分别在不同流速的水流中液从吸入口到进入泵内的整个流道截面积变化不
悬浮,这时,液流速度就被认为是砂粒的沉降速大,保持液体匀速流动,没有液流死角,使地层砂
度。试验主要测定3种不同粒径砂粒的沉降速不易在泵内沉积
度。3种砂粒直径分别为0.85m、0.2~0.3mm
2.水力喷射泵管柱结构的设计
和0.105~0.2mm,这3种粒径砂粒的沉降速度分
前面论述了水力喷射泵单管柱开式循环的管柱
别为0.20、0.15和0.04m/s。从以上数据可以看结构形式在出砂井中应用是不适令的,所以设讨了
出,在地层砂粒粒径不是很大的情况下,砂粒的流平行双管柱结构(见图1),即在油井套管内有平
降速度较小,而地层出砂多是粉细砂,对井下设备行的两排管柱,动力液从一根管柱进入喷射泵内
的伤害主要是砂粒摩擦磨损作用,砂埋油层或油管混合液从另一根管柱排至地面,在较高流速条件下
主要是由于液体停止流动造成的。
使砂粒不易沉淀,这种结构避免了地层砂砂埋油管
3.极限携砂的测定
和封隔器,而且通过适当诚小排出管的过流面积来
试验时,在一定产液量下,一定时间内在产液提高液体流速和泵的携砂能力。平行双管柱水力喷
中混入不同量的地层砂,直到混砂量大到产液来不射泉技术参数见表2。该结构水力喷射泵适应直径
及将地层砂带走。即将砂埋吸入口而导致产液量下大于或等于1708mmn(7英寸)的套管
降时,计算出此时地层砂所占产液的质量百分比。
力液
该值是产液的极限携砂能力,根据试验測得,在产
液量为10m3/d时,产液中极限含砂量为9.3%。
一般出砂较严重的油井产液含砂量在0.5%以下,
混合液亠
所以,在保持流动的情况下,砂粒一般是不会沉降
的。产液中最大含砂量测定情况见表1。其中喷嘴
直径3.4mm,喉管直径9.0mm
表1产液中最大含砂「测定
动力液压动力液量
混合液量
产波量
力/MPa
?压/
测量时河/砂的质量
合砂量
!.Q
水力喷射泵结构设计
目前,现场应用的水力喷射泵均为单管柱开式
循环的管柱结构形式,这种管柱形式在一般油井中
图1平行双管権水力喷射張鲒构简因
1一工作筒;2一喷射泵;3一排出管
应用没有问题,但在出砂严重的井中应用则不适
表2平行双管柱水力喷射茶技术参数
合。这种开式循环结构的喷射泵工作时,动力液从
管系
油管进人泵内而混合液从油、套环形空间返回地
作筒外形尺喷射泵外形尺
嘴系
mt x mm
面,油、套管环形空间较大,液体流动速度较低,
146x1780
559×11201.9-4.24.5-7.2
地层砂极易在油、套管环形空闾沉淀,特别是意外
在生产中不可避免会因意外事故而造成突然停
停泵,使液体停止循环时,常会造成砂埋油管和封止输送动力液,这时井下泵停止工作,正在上升中
隔器,造成井下事故。所以设计用于出砂井的水力的地层砂就会因为液体停止流动而逐渐沉降在排出
喷射泵时必须考虑地层砂在泵内的沉积和在管柱中管中。若排出管沉砂过多而阻塞流道.使液体不能
的沉淀问题。
循环,就会无法继续生产。所以,必须将沉砂倒流
防止地层砂在喷射泵内的沉积
至另一条管线中去。为了解决这个问题,笔者设计
要防止地层砂在水力喷射泵内的沉积,必须优了一根沉砂管(见图2),使沉降的地层砂沉积到
化水力喷射泵内的流道设计。为此,在设计水力喷
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