斜井導(dǎo)向抽油泵與常規(guī)泵的啟閉特性比較

周曉君，顧文君，丁維超（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）

斜井導(dǎo)向抽油泵與常規(guī)泵的啟閉特性比較

周曉君，顧文君，丁維超
（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072）

井斜的存在對(duì)抽油泵的工作效果會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，特別是在大斜度井中，常規(guī)抽油泵采油系統(tǒng)存在泵閥關(guān)閉滯后、效率低等問題。改進(jìn)固定閥、游動(dòng)閥結(jié)構(gòu)，對(duì)其閥球設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制啟閉、關(guān)閉及時(shí)、復(fù)位準(zhǔn)確。建立斜井中抽油泵的閥球運(yùn)動(dòng)模型，運(yùn)用解析法分別得到斜井下導(dǎo)向抽油泵與常規(guī)泵的閥球啟閉時(shí)間，并進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明：在大井斜角度時(shí)，導(dǎo)向抽油泵的啟閉滯后時(shí)間小于常規(guī)泵的啟閉滯后時(shí)間，其啟閉特性明顯優(yōu)于常規(guī)泵。

斜井；抽油泵；閥球運(yùn)動(dòng)模型；啟閉特性

隨著油田開發(fā)的需要，斜井與定向井的數(shù)量逐漸增多，井斜的存在對(duì)抽油泵的工作效果會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，例如在大斜度井中，常規(guī)抽油泵采油系統(tǒng)存在泵閥關(guān)閉滯后、效率低等問題。如果泵掛位置處井斜較大，豎直向下的重力對(duì)固定閥和游動(dòng)閥的工作可靠性造成較大的影響，導(dǎo)致依靠重力開啟和關(guān)閉的閥球動(dòng)作不靈敏，使泵效降低，對(duì)抽油泵產(chǎn)量造成較大的影響。因此，改進(jìn)固定閥、游動(dòng)閥結(jié)構(gòu)，對(duì)其閥球設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制啟閉、關(guān)閉及時(shí)、復(fù)位準(zhǔn)確，消除泵因閥球偏置旁落、關(guān)閉不嚴(yán)導(dǎo)致漏失偏大的弊端。從而減少斜井抽油泵的漏失量，提高斜井抽油泵的工作效率［1-2］。

1 斜井閥球運(yùn)動(dòng)模型的建立

為了便于模型的建立，作如下假設(shè)［3-4］：

1） 忽略泵筒內(nèi)液體流動(dòng)的摩阻損失。

2） 假定柱塞與液體沒有脫離現(xiàn)象。

3） 忽略液體慣性對(duì)閥球的作用。

4） 泵筒內(nèi)各點(diǎn)的液體壓力、密度均相同。

5） 忽略閥球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響，只考慮閥球沿軸線的直線運(yùn)動(dòng)。

1．1 泵筒內(nèi)液體連續(xù)流方程

首先建立抽油泵段相應(yīng)的坐標(biāo)系，取下死點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，豎直向上為y軸正方向，對(duì)應(yīng)時(shí)刻t為0，柱塞運(yùn)動(dòng)滿足速度不變的往復(fù)運(yùn)動(dòng)［5-6］。式中：yz為柱塞位移，m；S為柱塞有效沖程，m；t為柱塞運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；T0為柱塞運(yùn)動(dòng)周期，s；N為沖次，min－1。

圖1為抽油泵固定閥結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 抽油泵固定閥結(jié)構(gòu)

利用質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)經(jīng)過閥隙流入油管內(nèi)的原油質(zhì)量與泵筒內(nèi)減少的原油質(zhì)量相等，分別化簡(jiǎn)得到進(jìn)泵流體與出泵流體的連續(xù)性方程為式中：Ap為泵筒截面積，m2；Ls為防沖距，m；yz為在t時(shí)刻柱塞的位移，m；p為在t時(shí)刻泵內(nèi)壓力，Pa；ρ為在t時(shí)刻泵內(nèi)流體的平均密度，kg／m3；Kv為流量系數(shù)；Ad為閥座通孔面積，m2；pin為泵入口壓力，Pa；ρv為過閥流體密度，kg／m3；pout為泵出口壓力，Pa；ρout為游動(dòng)閥出口流體密度，kg／m3。

1．2 理想狀態(tài)下的氣液體積壓力方程

把泵內(nèi)的流體等效為溫度不變的理想狀態(tài)下的氣體以及不可壓縮的液體，則流體的密度與壓力之間的關(guān)系為式中：V1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體體積，m3；V2為不可壓縮液體的體積，m3；V′1為壓力p下的氣體體積，m3；p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)，取0．1m Pa；R為氣油比，m3／m3；ρ0為原油密度，kg／m3；ρ1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的氣體密度，取1．293 kg／m3。

1．3 閥球運(yùn)動(dòng)微分方程

在斜井中，抽油泵軸線與鉛垂線形成一定角度，忽略閥球與液體間的摩擦阻力，考慮閥球受到流體的浮力，建立的描述固定閥球與游動(dòng)閥球運(yùn)動(dòng)的微分方程［7-8］為式中：Aq為閥球截面積，m2；mq為閥球的質(zhì)量，kg；φ為y軸與鉛垂線的夾角；ρq為閥球的密度，kg／m3。

1．4 泵筒內(nèi)壓力變化規(guī)律

抽油泵處于上沖程時(shí)，柱塞由下死點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，固定閥并未立即開啟，存在滯后現(xiàn)象。當(dāng)固定閥球所受的液體舉升力能夠克服其重力與浮力差時(shí)，固定閥開啟。同理，抽油泵處于下沖程時(shí)，柱塞由上死點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)，游動(dòng)閥并未立即開啟，也存在滯后現(xiàn)象。當(dāng)游動(dòng)閥球所受的液體舉升力能夠克服其重力與浮力差時(shí)，游動(dòng)閥開啟。

假設(shè)密封處為點(diǎn)接觸，由靜力學(xué)平衡條件求得固定閥和游動(dòng)閥的開啟壓差和開啟壓力分別為式

中：Δp0s為固定閥的開啟壓差，Pa；Δp1s為游動(dòng)閥的開啟壓差，Pa；p0s為固定閥開啟時(shí)泵筒內(nèi)的液體壓力，Pa；p1s為游動(dòng)閥開啟時(shí)泵筒內(nèi)的液體壓力，Pa；d為閥座的通徑，m；mq為固定閥閥球質(zhì)量，kg。

圖2為泵筒內(nèi)液體壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律圖，其中tcd為游動(dòng)閥球滯后關(guān)閉時(shí)間，t0s為固定閥球滯后開啟時(shí)間，t1d為固定閥球滯后關(guān)閉時(shí)間，t1s為游動(dòng)閥球滯后開啟時(shí)間，閥球總滯后時(shí)間為t＝tcd＋t0s＋t1d＋t1s。

圖2 泵筒內(nèi)液體壓力變化規(guī)律示意圖

2 斜井導(dǎo)向抽油泵與常規(guī)泵的啟閉特性比較

泵閥能否順利開啟與關(guān)閉是評(píng)價(jià)固定閥、游動(dòng)閥性能好壞的重要指標(biāo)，直接影響到過閥流量。在泵內(nèi)外壓差、閥球質(zhì)量、流體壓縮性及黏滯阻力的作用下，泵閥在開啟和關(guān)閉階段中存在滯后現(xiàn)象。

已知泵出口壓力pout為16mPa，入口壓力pin為2mPa，閥球流量系數(shù)Kv取0．6，閥球與閥罩撞擊的彈性恢復(fù)系數(shù)Kb取0．8，防沖距Ls為0．6m，有效沖程S有2．1m，沖次N為3min－1，泵徑為38mm，閥球密度為7 850 kg／m3，原油密度為800 kg／m3，氣油比取5m3／m3，井斜角度為0～63°。為了便于導(dǎo)向抽油泵與常規(guī)泵的對(duì)照，其固定閥球與游動(dòng)閥球都為直徑38mm，最大升程46mm；所不同的則是常規(guī)泵的閥球與閥罩的半徑差為2mm，而導(dǎo)向抽油泵由于其具有導(dǎo)軌，閥球只作斜向的直線運(yùn)動(dòng)。

2．1 關(guān)閉滯后時(shí)間的計(jì)算

2．1．1 導(dǎo)向抽油泵

當(dāng)上沖程開始時(shí)，此時(shí)固定閥未開啟，游動(dòng)閥滯后關(guān)閉。由于此時(shí)壓力差近似為零，閥球與流體的相對(duì)速度很小，忽略游動(dòng)閥球受到的流體阻力，考慮閥球受到流體的浮力，由于導(dǎo)向抽油泵具有導(dǎo)軌，因此游動(dòng)閥球做斜向的運(yùn)動(dòng)。同理，下沖程開始時(shí)原理也是如此，固定閥球與游動(dòng)閥球參數(shù)相同，因此得到游動(dòng)閥球的關(guān)閉滯后時(shí)間tcd與固定閥球的關(guān)閉滯后時(shí)間相等t1d。

2．1．2 常規(guī)泵

常規(guī)泵無導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用，由圖3所示，由于泵閥與重力存在著斜角，而閥罩與閥球之間存在著運(yùn)動(dòng)間隙。因此當(dāng)閥球關(guān)閉的時(shí)候，小球在y軸作近似的斜向自由落體。由于重力的作用，小球沿著近地側(cè)的閥罩面運(yùn)動(dòng)。碰到閥座后沒有完全關(guān)閉，需經(jīng)過一定的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間才完全關(guān)閉。h1為常規(guī)泵的固定閥球最大升程46mm，固定閥球直徑38mm，而hO O1由式（8）得式

圖3 常規(guī)泵閥球關(guān)閉時(shí)運(yùn)動(dòng)示意

中：rq為閥球的直徑，mm；e為閥球與閥罩的半徑差。因此閥球自由落體的距離為42．823mm。根據(jù)式（7）可以求得自由落體到O點(diǎn)的時(shí)間tn0與速度

v′0之后，閥球繞著A點(diǎn)作轉(zhuǎn)動(dòng)，由于時(shí)間短，因此近似于初速度為零的勻角加速度運(yùn)動(dòng)。角加速度根據(jù)動(dòng)量矩定力得到式（9），轉(zhuǎn)過的角度由式（10）所得，從而得到轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間tn1和常規(guī)泵閥球的關(guān)閉滯后時(shí)間tcd，如式（11）～（12）所示。式中：ω為閥球滾動(dòng)的角速度，rad／s；ω′為閥球滾動(dòng)的角加速度，rad／s2。

2．2 開啟滯后時(shí)間的計(jì)算

開啟滯后時(shí)間的計(jì)算方法，導(dǎo)向抽油泵和常規(guī)泵則是相同的。固定閥球的開啟條件為泵入口壓力與泵筒壓力之差等于開啟壓差，游動(dòng)閥球的開啟條件為泵筒壓力與泵出口壓力之差等于開啟壓差。

由圖2和式（4）知，當(dāng)t＝tcd時(shí)，ρ＝ρout；當(dāng)t＝tcd＋t0s時(shí)，ρ＝ρ0s；將這兩對(duì)值代入式（2），再用式（4）代入化簡(jiǎn)得到固定閥滯后開啟時(shí)間為式（13）。

由于導(dǎo)向抽油泵和常規(guī)泵的tcd和t1d都是不同的，因此導(dǎo)向抽油泵和常規(guī)泵的開啟滯后時(shí)間也不同，總的啟閉時(shí)間也不同。

2．3 啟閉特性的比較

泵閥啟閉特性最重要的指標(biāo)是泵閥的總體啟閉滯后時(shí)間，其對(duì)于泵效起著重要作用。根據(jù)上述的斜井閥球啟閉滯后時(shí)間的計(jì)算，代入數(shù)值，分別得到相同參數(shù)的導(dǎo)向抽油泵與常規(guī)泵在井斜角度0～63°下的總體啟閉滯后時(shí)間，如圖4所示。

圖4 不同井斜角度下的總體啟閉滯后時(shí)間比較

由圖4可見，隨著井斜角的增大，泵閥的總體啟閉滯后時(shí)間變長(zhǎng)。另一方面，在大井斜角度時(shí)，常規(guī)泵的總體啟閉滯后時(shí)間急劇的上升，甚至可能導(dǎo)致閥球無法關(guān)閉；加入導(dǎo)向裝置的導(dǎo)向抽油泵則無此現(xiàn)象。因此，在斜井環(huán)境下，導(dǎo)向抽油泵的啟閉特性明顯優(yōu)于常規(guī)泵。

3 結(jié)論

1） 根據(jù)泵筒內(nèi)液體連續(xù)流方程、理想狀態(tài)下的氣液方程和閥球運(yùn)動(dòng)微分方程，得到泵筒內(nèi)流體的壓力變化規(guī)律，建立在斜井下閥球的運(yùn)動(dòng)模型。分別計(jì)算斜井下導(dǎo)向抽油泵與常規(guī)泵的啟閉時(shí)間，并進(jìn)行不同井斜角度下總體啟閉時(shí)間的對(duì)比分析，得到導(dǎo)向抽油泵在大井斜角度時(shí)，其總體啟閉滯后時(shí)間明顯小于常規(guī)泵的總體啟閉滯后時(shí)間，因此導(dǎo)向抽油泵更適合于斜井與定向井的油氣開采。

2） 本文改變以前用仿真軟件求解非線性的閥球運(yùn)動(dòng)模型，直接運(yùn)用解析法求解得到斜井下導(dǎo)向抽油泵與常規(guī)泵閥球的啟閉時(shí)間。根據(jù)求解公式定量的得到其閥球的啟閉特性，并進(jìn)行對(duì)比分析，從而有利于獲得斜井抽油泵的優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提高斜井抽油泵的工作效率。

3） 本文的解析模型是在較理想的條件下建立的，忽略了閥球公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)的影響、流體的摩阻及閥球的碰撞等因素，實(shí)際情況要比本文建立的模型復(fù)雜的多。

4） 隨著油田開發(fā)的需要，斜井與定向井的數(shù)量逐漸增多，為了適應(yīng)新的工作環(huán)境要求，必然會(huì)研制出更適合斜井開采的斜井抽油泵。未來將在斜井抽油泵啟閉特性分析的基礎(chǔ)上，通過研究斜井抽油泵閥罩可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及斜井、定向井的柱塞泵筒磨損問題，來不斷優(yōu)化斜井抽油泵的結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)尺寸，提高斜井抽油泵的工作效率。

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投稿須知

《石油礦場(chǎng)機(jī)械》（月刊）創(chuàng)刊于1972年，是由中國(guó)機(jī)械工業(yè)集團(tuán)有限公司主管，蘭州石油機(jī)械研究所主辦的全國(guó)性期刊。重點(diǎn)報(bào)道國(guó)內(nèi)外石油勘探開發(fā)工程所涉及的科研成果。主要有專題綜述、試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)計(jì)算、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析、新技術(shù)、新產(chǎn)品、經(jīng)驗(yàn)交流、標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用開發(fā)及現(xiàn)場(chǎng)革新等欄目，同時(shí)報(bào)道涉及我國(guó)石油行業(yè)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展動(dòng)態(tài)。本刊歡迎廣大作者通過我刊積極開展學(xué)術(shù)討論和技術(shù)交流，歡迎賜稿。具體來稿要求和注意事項(xiàng)如下：

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Oriented Pum p Com pared with Conventional Pum p on Opening and Closing Features

ZHOU Xiaojun，GUWenjun，DINGWeichao
（School ofmechatronic Engineering and A utom ation，Shanghai University，Shanghai200072，China）

W ell deviation will have serious adverse effects for pump work effect．In highly deviated wells，conventional oil pump valve closed system has lagged behind，and low efficiency．Im proving the structure of the fixed valve and traveling valve and set the guiding structure forits ball，can be achieved forced open and close，close in time and reset accurate．U nder inclined wells environment，establishing pumpingmovement of the ball valvemodel，by using the analyticalmethod to get oriented with conventional pump ball valve opening and closing times，and compare．Comparative results：W hen a large inclination angle，the overall hoist lag time of oriented pump less than conventional pump，and its opening and closing characteristics significantly better than conventional pump．

inclined wells；oil well pumps；ball sportsmodel；opening and closing feature

T E933．307

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．002

1014-10-12

周曉君（1963-），男，江蘇宜興人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛蜌馓镩_采、機(jī)械電子工程、水介質(zhì)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用等。