實(shí)心柱塞雙向抽油泵研制與應(yīng)用

呂新青

(日照原野機(jī)械制造有限公司，山東 日照 276800)

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實(shí)心柱塞雙向抽油泵研制與應(yīng)用

呂新青

(日照原野機(jī)械制造有限公司，山東 日照 276800)

摘要：針對小泵徑抽油泵的柱塞及游動(dòng)閥罩易斷裂問題，研制了一種新式結(jié)構(gòu)的實(shí)心柱塞雙向抽油泵。對該泵的雙向抽油原理進(jìn)行了描述，對上、下沖程工作中的拉桿受力進(jìn)行了分析。論述了選擇拉桿應(yīng)考慮的幾個(gè)主要因素，舉例給出了具體技術(shù)參數(shù)?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明：產(chǎn)品性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：抽油泵；實(shí)心柱塞；雙向

近年來，隨著某些油井供液量的不斷減少，許多油田開始采用小排量泵及深抽技術(shù)[1-2]，而常規(guī)小排量泵中的小徑柱塞及其游動(dòng)閥罩等配件容易拉斷。針對這個(gè)問題，研制了一種實(shí)心柱塞雙向抽油泵，該泵因?qū)嵭闹麅?nèi)無球、座，不配裝游動(dòng)閥罩[3-4]，徹底解決了上述難題。

1結(jié)構(gòu)及原理

1.1結(jié)構(gòu)

實(shí)心柱塞雙向抽油泵由5個(gè)主要部件組成：外管總成(外管和上接頭)；泵筒總成(泵筒和上接頭)；柱塞總成(柱塞和拉桿)；分流器總成(分流器和出油閥)；進(jìn)油閥總成(進(jìn)油閥和下接頭)，如圖1所示 。

1.2原理

如圖1，假設(shè)R1為柱塞上方泵筒與拉桿間的環(huán)形容積；R2為泵筒與外管間的環(huán)形容積；R3為 柱塞下方的泵筒容積。每一沖次排出泵液的體積為Q(本文簡稱理論排量)。

1)下沖程的理論排量。

當(dāng)實(shí)心柱塞下沖程時(shí)，R3壓縮變小，壓力增大，進(jìn)油閥關(guān)閉，出油閥開啟，R3中的油液穿過出油閥，通過R2上行，與此同時(shí)R1增大，上行的液體一部分充填變大的R1，一部分排出，所以下沖程的排量Qx=ΔR3-ΔR1。

ΔR3=H·πD2/4

(1)

ΔR1= H·(πD2/4-πd2/4)

(2)

Qx=ΔR3―ΔR1= H·πD2/4-

H·(πD2/4-πd2/4)=H·πd2/4

(3)

式中：D為柱塞直徑，mm；d為拉桿直徑，mm；H為沖程長度，mm。

由式(3)可以看出，下沖程的理論排量為進(jìn)入泵筒的拉桿體積變化量，可見，拉桿越粗，下沖程排量越大。

2)上沖程的理論排量。

當(dāng)柱塞上沖程時(shí)，R3變大，壓力減小，出油閥關(guān)閉，進(jìn)油閥開啟，油液通過進(jìn)油閥充填R3。同時(shí)R1變小，油液排出，所以上沖程時(shí)的排量為ΔR1。

ΔR1= H·π(D2-d2)/4

(4)

上沖程排量為泵筒與拉桿之間的環(huán)形容積變化量，由此可見，拉桿越粗，上沖程排量越小。

圖1　實(shí)心柱塞結(jié)構(gòu)及原理示意

2受力分析

綜上述可知，該泵在正常抽油工作中，下沖程時(shí)，拉桿需推動(dòng)柱塞下行，拉桿受壓力；上沖程時(shí)，拉桿需拉柱塞上行，拉桿受拉力。

設(shè)p為抽油工作時(shí)抽油泵所處的深井中柱塞承受的油壓，參照流體力學(xué)的相關(guān)理論[5]，本文只做定性探討，不做定量運(yùn)算。

p=p1+p2+p3+p4

式中：p1為井口壓力，MPa；p2為井深所形成的單位面積液柱壓力，MPa；p3為油液流過固定閥等各管口處的局部阻力損失，MPa；p4為油液沿油管流動(dòng)所產(chǎn)生的沿程壓力損失，MPa。

1)下沖程時(shí)拉桿的推力Ft

如圖1所示，下沖程時(shí)，柱塞需克服的力應(yīng)為R3處的總壓力減去R1處的總壓力，即

Ft= p·πd2/4

該計(jì)算式表明，拉桿越粗，下沖程時(shí)所需的推力越大。此外，無論上、下沖程，柱塞與泵筒，油管與抽油桿等均有摩擦力，但這些力比Ft小得多，故忽略不計(jì)，下同。

2)上沖程時(shí)拉桿的拉力Fl

上沖程時(shí)R3處沒壓力(如果動(dòng)液面較高，且柱塞上行速度較慢時(shí)，R3處也會(huì)有一定的壓力，本文忽略不計(jì))，則柱塞需克服的力應(yīng)為R1處總的壓力。

Fl=p·π(D2-d2)/4

該計(jì)算式表明，拉桿越粗，上沖程時(shí)所需的拉力越小。

以?25mm實(shí)心柱塞泵為例，計(jì)算得到的相關(guān)參數(shù)如表1。

表1　?25 mm實(shí)心柱塞泵相關(guān)參數(shù)

注：1.理論排量是以沖程1m，沖次1min-1來計(jì)算的，單位m3/d。

2.p為抽油工作期間作用于柱塞上的油壓，單位MPa。

3現(xiàn)場應(yīng)用

按照本文所論述的結(jié)構(gòu)及原理，成功研制出了?25mm實(shí)心柱塞雙向抽油泵，并在長慶油田投入使用。

3.1下井前檢查

1)檢查外管有無彎曲、碰傷或其它損壞。

2)檢查各部螺紋連接處是否松動(dòng)。

3)用拉桿往復(fù)拉動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞總成，應(yīng)輕快靈活，無阻滯，否則應(yīng)查找原因。

4)確定所有護(hù)帽、堵頭或防腐包裝物均已除去。

3.2下井作業(yè)

1)將柱塞總成抽出，注意不要弄彎，保持潔凈。

2)在泵下端裝上防砂或防氣裝置，泵的上端連接油管短接和油管接箍，以便下井作業(yè)時(shí)吊裝。

3)待油管下井完成后，將柱塞總成通過連接的抽油桿下入泵中。

4)在下井作業(yè)時(shí)，嚴(yán)禁將砂石及雜物帶入井內(nèi)。

3.3應(yīng)用效果

2011—2013年，實(shí)心柱塞雙向采油泵分別在長慶油田采油二、三廠進(jìn)行試驗(yàn)。泵效平均提高9.2%，其中塞388井提高11.8%，最大載荷下降7.5kN，日耗電量降低7.1kW·h，實(shí)現(xiàn)了低滲透低產(chǎn)液井的供排平衡關(guān)系，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4結(jié)論

1)實(shí)心柱塞特別適用于小泵徑，可避免拉斷；實(shí)心柱塞泵可通過選取合適的拉桿直徑，設(shè)計(jì)成雙向抽油的結(jié)構(gòu)形式，拉桿直徑的大小將直接影響其上拉力和下推力的大小。

2)下沖程時(shí)，拉桿外圍壓力對柱塞能起到液力反饋的作用，有利于柱塞下行，減輕油桿彎曲和桿管磨損，降低沖程損失[6]，使柱塞沖程盡量接近光桿沖程的長度，有利于提高泵效。

3)在強(qiáng)度滿足要求的前提下，應(yīng)盡量減小拉桿直徑。但拉桿直徑太小，又會(huì)在其承受推力時(shí)嚴(yán)重彎曲，當(dāng)上沖程時(shí)，其承受的拉應(yīng)力也大。一般可根據(jù)井深度、動(dòng)液面高度、油液黏度、沖程長度及沖次等多種因素來選取合適的拉桿直徑。

參考文獻(xiàn)：

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[2]萬仁溥，羅英俊.采油技術(shù)手冊 ：第4分冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，1994.

[3]孫磉礅.實(shí)心柱塞抽油泵優(yōu)化及配套技術(shù)[J].油田地面工程，2013(4)：12-13.

[4]梁毅，石海霞，樊松，?25mm實(shí)心柱塞抽油泵結(jié)構(gòu)改進(jìn)[J].石油礦場機(jī)械，2014，43(2)：93-96.

[5]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.[6]盧曉輝，孫大偉，劉環(huán)宇，等.?25mm實(shí)心柱塞泵在靖安油田塞392區(qū)塊現(xiàn)場應(yīng)用及改進(jìn)[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013(13)：145-145.

StudyandApplicationofSolidPlungerinDouble-actionPumpingUnit

LYUXinqing

(Rizhao Yuanye Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Rizhao 276800，China)

Abstract：Aiming at the easily-broken plunger and top side valve house on small diameter pumping unit，a new structure of solid plunger in double-action pumping unit was studied.Its working principle was described，and the force on rod in up-and-down stroking was analyzed.The factors that are to be considered were discussed and samples of technical data are given.The on-site test showed that the equipment has stable performance and reliable operation，the predicted design is reached.

Keywords：Pumping unit；solid plunger；double-action

文章編號(hào)：1001-3482(2016)06-0093-03

收稿日期：2015-12-07

作者簡介：呂新青(1956-)，男，遼寧鐵嶺人，高級工程師，主要從事抽油泵和抽油桿等新產(chǎn)品的研發(fā)工作。

中圖分類號(hào)：TE931.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.021