（油气井工程专业论文）液压自封柱塞泵的结构优化设计.pdf

t h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no fh y d r a u l i cfa n ds e l f - s e a l i n g p l u n g e rp u m p l ij u n l i a n g ( o i l & g a sw e l le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rc h e n g y u a n - f g a b s t r a c t t h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o no fan e wt y p i c a lr o dp u m pn a m e dh y d r a u l i c a n ds d f - s e a l i n gp l u n g e rp u m pi sp r o c e e d e di nt h ep a p e r , a n dt h em o d e lo f n e wp u m pi sa p p l i e di nt h ef i e l d f i r s t l y ，t h es t r u e n n a lf e a t u r e sa n do p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fh y d r a u l i ca n d s e l f - s e a l i n gp l u n g e rp u m p 嗽a n a l y z e d w i t ha n s y s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r e ，ag e o m e t r i cm o d e lo fp l u n g e rf o rt h ef o l l o w i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i s e s t a b l i s h e d s e c o n d l y ，o p t i m i z e m a t e r i a lo fs e a l i n gr i n gb ya t t r i t i o nt e s t t h er e s u l t so ft e s tm a n f f tt h a t e n h a n c e dn y l o nw i t hg r a p h i t ea d d i t i v ei sf i tf o rn e e d so fp l u n g e rp u m p a n e m p i r i c a lr e l a t i o n s h i pf o ra p p l i e dl o a dw i t hl i n e a rr a t eo fw 涩o f e n h a n c e d n y l o nw i t hg r a p h i t ea d d i t i v ei so b t a i n e d t h ee q u a t i o nf o rt h el i f eo f p l u n g e r p u m pi sd 商v e d t h e na c c o r d i n gt ot h eg e o m e t r i cc o n s t r a i n tc o n d i t i o no f p u m pi n t o s p a c e sa n do b j e c tf u n c t i o no fl i f e ，m u l t i f a e t o ro r t h o g o n a ld i g i t a l t e s tf o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r si sm a d e ，m u l t i d i s c i p l i n a r ya n a l y s i sf o ra f f e c t i n g f a c t o ro fl i f ei sd o n eb yf i n i t ee l e m e n t , w h i c hi n d i c a t e st h a tw a l lm i c k n c s so f s e a l i n gr i n gi sm o s te f f e c t i v e ，e l a s t i cc a s et a k es e c o n dp l a c e ，a n dt h el e n g t ho f p u m pd o e sl i t t l e f i n e l y ，f i 衄p e r c e n t so fp u m pl i f e a r ep r o l o n g e du n d e r o p t i m u m s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s i i i l a s t l y ，i nh o u s ea n dt i m i dt e s t sm a n i f e s tt h a th y d r a u l i ca n ds e l f - s e a l i n g p l u n g e rp u m po v e r c o m e sa v a i l a b l ef a i l u r eo f c o n v e n t i o n a lp u m p ，s u c ha sb i g f r i c t i o n , s h o r tl i f e a n ds oo r , a n dr e a l i z e st h eg o a lo ff r e ef r i c t i o ni n d o w n s t r o k e ，f u r lr c t t l r l l si nu p s t r o k ea n dl o n gl i f e s i m u r a n c o u s l y ，t h ep u m p d e c l i n e se n e r g yc o n s u m p t i o na n de r l h a n c e sp u m pe f f i c i e n c y ，w h i c hi sf i tf o r t h en e e d so f n a t i o n a ls t r a t e g y k e yw o r d s ：h y d r a u l i ca n ds e l f - s e a l i n g ，p l u n g e rp u m p ，s t r u c t u r a lm e c h a n i s m ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m u l t i f a c t o ro r t h o g o n a lt e s t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名：磊j 壑：矗2 卯7 年上月伽日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名：腿名 阳、) 年 月矽日 如7 年j 月沪日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 研究的目的及研究意义 针对国际能源供应形势日趋紧张，国家提出“十一五”期间节能2 0 的重要国策。研究创新新技术、节能降耗是国家能源战略的重要举措。 目前，有杆泵抽油是世界石油工业传统的举升方式之一，也是迄今为止 占主导地位的人工举升方式。近年来，我国石油装备水平有了很大提高， 在我国各油田的生产井中大约有8 0 是使用有杆抽油技术，全国各油田 产液量的6 0 、产油量的7 5 是靠有杆抽油采出的【1 】。有杆抽油设备的 能耗占油田总能耗的三分之一左右。因此，抽油技术系统对保持原油总 产量的稳定，提高生产效率和节约能源起着决定性的作用。对有杆抽油 技术不断发展和创新符合了国家能源战略要求。 有杆抽油技术系统主要由抽油机、抽油杆和抽油泵等硬件，及大量 有关的软件组成。其中柱塞泵是有杆抽油泵中普遍采用的抽油方式，柱 塞泵是一种往复式容积泵，是靠柱塞在缸体中作往复运动造成密封容积 的变化的液压泵，是液压传动系统中的能量转换元件，是增压、提供能 量的重要设备。由于柱塞泵压力高，结构紧凑，效率高，流量调节方便， 故用在需要高压、大流量、大功率的系统中和流量需要调节的场合，如 在钻井工作中，深井钻进、喷射式钻进和井底动力钻具的使用都需要高 压往复式柱塞泵；此外，往复式柱塞泵还可用作固井时向井内注入水泥 的固井泵；采油时用作原油输送、洗井注水和地层压裂；同时在龙门刨 床、拉床、液压机、工程机械、矿山冶金机械、船舶上得到广泛的应用。 然而现有的柱塞式泵靠高精度来减小间隙配套，在加工上对精度要 求和同轴度的要求很高，随着油田含水的不断上升，偏磨日益严重。泵 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 柱塞与衬套之间的摩擦使柱塞和衬套之间的间隙在相对较短的时间内增 加的比较多，漏失量也相应随着增加，当间隙达到一定值后，就形成泵 漏失，泵的寿命也降低了【2 1 。 针对上述问题，本文主要提出了一种新型的柱塞泵抽油方式液 压自封柱塞泵( h s p ) 。为提高原油产量、节约能源，对其柱塞在密封往复 运动过程进行力学分析、优化结构参数，完善这种新型泵的设计理论， 延长泵的使用寿命，既有理论意义，又有实用价值。 1 2 柱塞泵技术的发展现状 目前，有各种各样的人工举升采油方法，其中包括：利用抽油杆柱 传递能量，如抽油杆柱往复驱动柱塞式抽油泵和抽油杆柱旋转驱动单螺 杆泵；利用液体传递能量，如水力活塞泵、射流泵和涡轮泵；利用电缆 传递能量，如电动潜油离心泵和电动潜油单螺杆泵。而柱塞泵抽油方法 是应用最早也最为广泛的一种人工举升采油法。 柱塞泵，其基本型式为往复裂3 1 ，是一种典型的容积式水力机械， 由原动机驱动，把输入的机械能转换成为液体的压力能，再以压力、流 量的形式输入到系统中去，它是液压系统的动力源，由于它能在高压下 输送液体，因此在工业生产和日常生活中的各个行业都得到广泛的应用。 1 2 1 柱塞泵基本结构和原理 图1 1 是柱塞泵的基本结构和工作原理图【4 】。柱塞泵属于一种特殊形 式的往复泵，动力从地面经抽油杆传递到井下，使抽油泵的柱塞做上下 往复运动，将油井中的石油沿油管举升到地面上，完成人工举升。 抽油泵主要由泵筒、柱塞、进油阀( 吸入阀或固定阀) 、出油阀( 排出 阀或游动阀) 组成。上冲程时，柱塞下面的下泵腔，容积增大、压力减小， 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 进油阀在其上下压差的作用下打开，原油进入下腔；如此同时，出油阀 在其上下压差的作用下关闭，柱塞上面的上泵腔内的原油沿油管排到地 面。同理，下冲程时，柱塞压缩进油阀和出油阀之间的原油，关闭进油 阀，打开出油阀，下泵腔原油进入上泵腔。柱塞一上一下，抽油泵完成 了一次循环。如此周而复始，重复进行循环。 图1 1 抽油泵工作原理图 卜套管；2 一油管；3 一出油阀；4 柱塞；5 - 泵筒；6 - 进油阀 1 2 2 柱塞泵在石油工业上的应用 由于柱塞泵能在高压下输送高粘度、比重大、磨砺性大和腐蚀性强 的液体，因此适应了石油工程的工作要求，在石油工业上得到了广泛的 应用。如在钻井工作中，深井钻进、喷射式钻进和井底动力钻具的使用 都需要高压往复式柱塞泵；此外，往复式柱塞泵还可用作固井时向井内 注入水泥的固井泵；采油是用作原油输送、洗井注水和地层压裂。这类 泵的特点是容积效率高，可以在高压下工作。 3 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 柱塞泵抽油技术的发展主要经历了以下几个阶段【4 l ：衬套式抽油 泵；整筒式抽油泵。整筒抽油泵取代衬套式抽油泵是油泵方面最主要 的技术进步之一，整筒抽油泵显著提高了泵的容积效率( 比衬套抽油泵约 提高了2 0 ) ，延长柱塞泵筒副的使用寿命，并可节约4 0 左右的优质钢 材。美国a p i 有关抽油泵的规范中已淘汰了衬套式抽油泵。而本文所提 出的新型的液压自封柱塞泵可作为柱塞泵抽油技术的第三种方式。 按照有杆泵的结构可分为管式泵、杆式泵和软柱塞泵。通常对于符 合抽油泵标准设计和制造的抽油泵称作标准抽油泵或常规抽油泵，而具 有专门用途的，如防砂、防气、抽稠油等，称作特殊用途的抽油泵或专 用抽油泵。 ( 1 ) 管式抽油泵 管式抽油泵包括泵筒总成、柱塞总成、固定阀总成、固定阀固定装 置及固定阀打捞装置组成，其结构如图l - 2 所示。 管式抽油泵具有结构简单，成本低；泵筒壁厚较厚，承载能力较大； 在相同的油管尺寸下，可安装的管式抽油泵直径比杆式抽油泵大，因而 排液量也较大；对于产液量更大的油井，还可通过脱接器安装泵径大于 油管内径的管式抽油泵等优点，所以在我国得到了广泛应用。 管式抽油泵一般是随油管现将泵筒下到设计好的泵挂深度处，然后 随抽油杆将柱塞下入泵筒内，在起下泵作业时，它需要起下全部油管， 非生产时间长，修井作业费用高，所以管式抽油泵多在浅井或中深井中 使用。 ( 2 ) 秆式抽油泵 杆式抽油泵因为是将整个泵随抽油杆柱下入油管内预定位置固定， 故又称之为“插入式泵”。 按固定装置在泵上的位置和在抽油时是泵简上下移动或柱塞上下移 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 动，又将杆式抽油泵分成定筒式顶部固定杆式泵、定筒式底部固定杆式 泵和动筒式底部固定杆式泵，其结构如图l 2 所示。 定筒式顶部固定杆式泵和定筒式底部固定杆式泵本体结构基本相 同。主要由泵筒总成、柱塞总成、阀杆总成、固定阀总成、泵固定装置 和泵支承装置组成。主要区别在于泵的固定装置的安装位置不同，具体 结构也不同。 顶部固定方式是杆式泵最常采用的。它不仅使用可靠，而且具有下 列优点：防止砂卡，使起泵作业容易；泵筒可绕项部缩紧装置这个支点 摆动，所以在斜井中下泵时，泵筒和油管都不会损坏；在固定位置深度 相同的情况下，泵的沉没深度比底部固定的杆式抽油泵更大，所以更适 合在低产井和低液面井中使用。但也由于顶部固定的缘故：泵筒受内压 和液柱向下拉伸的复合载荷，受力情况比较恶劣；柱塞上行程时，泵筒 内部压力高于外部压力，泵筒内孔增大，漏失量有所增加等缺点。 底部固定杆式泵应用也较广。它具有泵筒不会因液柱压力作用而伸 长，只受外压，间隙不会增大的特点，所以适合在深井中使用；但在固 定支承套和底部缩紧装置的环形空间处极易沉积砂粒，不宜在含砂井中 使用。 筒式底部固定杆式泵的泵筒、柱塞、泵固定装置和泵支承装置与定 筒式底部固定杆式泵通用。唯泵筒出油阀总成、柱塞出油阀总成和拉管 总成结构不同。 ( 3 ) 软密封柱塞泵 按柱塞是金属柱塞或软密封柱塞，还可将抽油泵分为硬密封柱塞泵 和软密封柱塞泵。前面介绍的抽油泵均为金属柱塞，即为硬密封柱塞泵。 软密封柱塞泵【5 】除柱塞结构与金属柱塞不同外，其余结构基本与硬 密封柱塞泵相同。根据国内外软密封柱塞的流行型式，可将软密封柱塞 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 泵分成四种基本结构，即皮碗式柱塞、环形柱塞、碗式和环形组合柱塞 及组合填料柱塞，其基本结构见图1 - 2 。 图1 - 2 常规抽油泵的结构示意图 ( 4 ) 特殊用途抽油泵 为满足抽油井复杂开采条件( 如稠油、高含砂、油气比大、斜井等) 对抽油泵的专门要求，近几年来国内外研制出一些具有特殊用途抽油泵。 稠油的粘度很高，阻力大，用常规抽油泵，无法使抽汲过程顺利进 行。为此专门设计了几种专门开采稠油的抽油泵，如流线型抽油泵、液 力反馈抽稠油泵、双向进油抽稠油泵和环流抽稠油泵等。 当原油含砂量较多时，不仅使泵筒、柱塞、泵阀磨损加剧，寿命缩 短，而且还常发生抽油泵砂卡，砂埋抽油杆，使检泵作业量和抽油泵报 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 废量增加，严重影响原油生产。为解决这一问题，目前设计出以下几种 适合在含砂较多的油井中使用的抽油泵，如三管抽油泵，防砂卡抽油泵， 出砂井用抽油泵等，如图1 3 所示。 常规抽油泵在油气比大的油井中使用，油液充满程度差，泵效低， 还往往出现“气锁”，使抽油泵无法正常工作。更有危害的是在这种油井 中抽油，常发生“液面冲击”，加速了井下设备的损害。为此，又专门设 计了适合在油气比大的油井中使用的抽油泵，如两极压缩抽油泵，机械 启闭阀抽油泵、环形阀抽油泵等，如图1 3 所示。 图1 - 3 特殊用途的抽油泵 1 2 3 柱塞泵在其它方面的应用 柱塞泵在其它行业也有着广泛的应用，按其结构可分为轴向泵和径 向泵，轴向柱塞泵旧可分为斜盘式和斜轴式两大类，具体结构和工作原 理如下： ( 1 ) 斜盘式轴向柱塞泵 图1 4 为斜盘式轴向柱塞泵的结构和工作原理。泵由斜盘、柱塞、 缸体、配油盘等主要零件组成，斜盘和配油盘是不动的，传动轴带动缸 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 体，柱塞一起转动，柱塞靠机械装置或在低压油作用压紧在斜盘上。当 传动轴按图示方向旋转时，柱塞在其沿斜盘自下而上回转的半周内逐渐 向缸体外伸出，使缸体孔内密封工作腔容积不断增加，产生局部真空， 从而将油液经配油盘上的配油窗口a 吸入；柱塞在其自上而下回转的半 周内又逐渐向里推入，使密封工作腔容积不断减小将油液从配油盘窗 口b 向外排出，缸体每转一转，每个桂塞往复运动一次，完成一次吸油 动作。改变斜盘的倾角，就可以改变密封工作容积的有效变化量，实 现泵的变量。 图1 4 斜盘式轴向柱塞泵的工作原理 卜斜盘：2 一柱塞：3 一缸体；4 一配流盘；5 一传动轴；a - 吸入窗1 3 ；b - - 压油窗口； ( 2 ) 斜轴式轴向柱塞泵 斜轴式轴向柱塞泵的结构和工作原理如图1 5 所示。传动轴的轴线 相对于缸体有倾角y ，柱塞与传动轴圆盘之间用相互铰接的连杆相连。 当传动轴沿图示方向旋转时，连杆就带动柱塞连同缸体一起绕缸体轴线 旋转，柱塞同时也在缸体的柱塞孔内做往复运动，使柱塞孔底部的密封 腔容积不断发生增大和缩小的变化，通过配流盘上的窗口a 和6 实现吸油 和压油。 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 与斜盘式泵相比较，斜轴式泵由于缸体所受的不平衡径向力较小， 故结构强度较高可以有较高的设计参数，其缸体轴线与驱动轴的夹角y 较大，变量范围较大；但外形尺寸较大，结构也较复杂。目前，斜轴式 轴向柱塞泵的使用相当广泛。 在变量形式上，斜盘式轴向柱塞泵靠斜盘摆动变量，斜轴式轴向柱 塞泵则为摆缸变量，因此，后者的变量系统的响应较慢。关于斜轴泵的 排量和流量可参照斜盘式泵的计算方法计算。 图1 - 5 斜轴式轴向柱塞泵的工作原理图 卜流盘；2 一柱塞；3 缸体；4 一连杆；5 一传动轴；a 吸油窗口；卜压油窗口； ( 3 ) 径向柱塞泵1 7 1 图l - 6 是径向柱塞泵的结构和工作原理图。由图可见，径向柱塞泵 的柱塞径向布置在缸体上，在转子上径向均匀分布着数个柱塞孔，孔中 装有柱塞；转子的中心与定子的中心之间有一个偏心量p 。在固定不动 的配流轴上，相对于柱塞孔的部位有相互隔开的上下两个配流窗口，该 配流窗口又分别通过所在部位的二个轴向孔与泵的吸、排油口连通。当 转子旋转时，柱塞在离心力及机械回程力作用下，它的头部与定子的内 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 表面紧紧接触，由于转子与定子存在偏心，所以柱塞在随转子转动时， 又在柱塞孔内作径向往复滑动，当转子按图示箭头方向旋转时，上半周 的柱塞皆往外滑动，柱塞孔的密封容积增大，通过轴向孔吸油；下半周 的柱塞皆往里滑动，柱塞孔内的密封工作容积缩小，通过配流盘向外排 油。 当移动定子，改变偏心量e 的大小时，泵的排量就发生改变；当移 动定子使偏心量从正值变为负值时，泵的吸、排油口就互相调换。因此， 径向柱塞泵可以是单向或双向变量泵，为了流量脉动率尽可能小，通常 采用奇数柱塞数。 径向柱塞泵的径向尺寸大，结构较复杂，自吸能力差，并且配流轴 受到径向不平衡液压力的作用，易于磨损，这些都限制了它的速度和压 力的提高。最近发展起来的带滑靴连杆一柱塞组件的非点接触径向柱塞 泵，改变了这一状况，出现了低噪声，耐冲击的高性能径向柱容泵，并 在凿岩、冶金机械等领域获得应用，代表了径向柱塞泵发展的趋势。径 向泵的流量可参照轴向柱塞泵和单作用叶片泵的计算方法计算。 泵的平均排量为： v ：! d 2 扔：三d 2 e z 42 ( 1 - 1 ) 泵的输出流量 g 2 2 d z e z n 仉 ( 1 - 2 ) l o 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 图i - 6 径向柱塞泵的工作原理图 卜定子：2 一转子；3 一配流轴；4 - 出衬套；5 - 柱塞；a _ 吸油腔：b - 压油腔； 1 3 目前存在的问题 目前，常规柱塞泵普遍存在着一些问题主要表现在1 8 】： ( 1 ) 轴向压力增大 常规抽油泵柱塞与泵筒均存在轴线度和椭圆度，并且泵间隙小，特 别是当泵抽含聚流体、稠油、含固相微粒较多时存在较大摩擦阻力。大 量实验结果表明：含聚浓度、泵径越大，柱塞与泵筒之间的摩阻越大； 在相同介质中随着泵间隙的减小，摩擦力增大。同时随着泵冲次和聚合 物浓度的变大，实测轴向压力变大。多次测试发现泵间隙小时，特别是 对于高浓度聚合物井，泵柱塞下行阻力达6 k n 以上。可见，泵间隙越小、 含聚浓度越大，泵的机械摩阻越大，轴向压力也随之增大。 ( 2 ) 抽油杆屈曲及偏磨 随着轴向压力的增加，造成偏磨，杆柱会发生失稳、正弦、螺旋弯 曲或自锁，当抽油杆柱的轴向压力大于螺旋屈曲临界载荷时，导致测向 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 力，造成杆柱偏磨，使泵的有效冲程缩短、泵效和系统效率降低。 ( 3 ) 泵失效 泵的工作环境非常复杂、恶劣，其零部件的失效也越加频繁。主要 表现在以下几种形式：零部件的磨损、腐蚀、机械破坏和机械故障。 以上因素会引起杆、管弯曲，使泵的有效冲程缩短、泵效降低，最 终导致杆、管断漏，检泵周期缩短等不良影响。若泵隙大，则泵漏失严 重，泵效、系统效率降低，能耗增加。 1 4 主要研究内容 针对上述问题，本文提出了新型液压自封柱塞泵，通过有限元数值 分析和正交优化分析对新型液压自封柱塞泵进行综合性分析，达到延长 泵的使用寿命和提高泵效的目的。 ( 1 ) 通过文献调研，对柱塞泵的机理进行分析，明确柱塞泵的工作原 理和结构特性。 ( 2 ) 通过文献调研，对柱塞在缸体内往复运动过程进行力学分析，通 过a n s y s 应用软件，建立柱塞结构的几何模型。 ( 3 ) 对柱塞进行有限元力学分析，计算其应力、应变分布。 ( 4 ) 将应力、应变状态和漏失量，摩擦计算进行综合分析，研究确定 柱塞泵结构参数同应力分布、漏失量、泵寿命之间的关系。 ( 5 ) 通过正交优化设计，对柱塞泵的结构参数进行优化。 ( 6 ) 现场应用。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 第2 章液压自封柱塞泵结构机理和工作特性 2 1 液压自封柱塞泵的结构 液压自封柱塞泵的结构主要由泵筒总成、柱塞总成、固定阀总成等 构成，如图2 1 所示。 j 2 5 7 8 图2 - 1 液压自封反馈柱赛泵结构图图2 - 2 柱塞结构示意图 1 抽油秆：2 出油闯罩；3 一弹性伸缩套；1 - 连接：2 - 缩紧压帽；3 - 引导环；4 - 密 4 墙封环；5 柱塞芯；6 出油阀：7 一泵筒：封环；5 缩紧压帽；6 - 连接；7 - 弹性伸 8 固定阀总成 缩套 新型泵的泵筒总成和固定阀总成与常规泵的结构大致相同，主要包 括泵筒、泵筒接箍、加长短节、油管接箍。泵简是抽油泵主要的零件， 其两端带有螺纹，内壁经表面化学热处理或电镀，然后再进行精密加工， 具有良好的耐磨、耐腐蚀性能：泵筒接箍一端与泵简连接并密封，另一 端与加长短节连接并密封，加长短节上下各一件，这样在修泵时配换合 堂国互油本学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 适的加大尺寸的新柱塞就很容易。固定阀总成由固定阀罩、固定阀球、 固定阀座及接头组成。 新型泵的柱塞总成的结构则与常规泵不同，它主要由柱塞芯、密封 环、引导环、弹性伸缩套、出油阀、出油阀罩等组成，如图2 2 所示。 其结构不同之处在于【9 】： ( 1 ) 柱塞主体不是由整根金属管制成，柱塞上装有一个弹性伸缩套， 套在中心筛管柱塞芯上，在弹性伸缩套外面则套有若干个耐磨的密封环。 ( 2 ) 柱塞芯由金属制成，中部开有若干个径向槽孔，可使柱塞内部的 流体压力均匀作用到胶套内表面上。 ( 3 ) 为了解决偏磨问题，还在柱塞两端装有引导环、扶正机构等结构。 该泵具有以下特点：结构简单，成本低；常规柱塞泵柱塞长度为1 2 m 左右，而液压自封柱塞泵柱塞长度仅为3 0 0 r a m ，增加了泵的有效冲程， 增大了泵的排量，提高了泵效；弹性伸缩套选用橡胶材料，在泵上行程 过程中，受内外压差的作用，产生弹性形变，向外膨胀，与泵筒形成良 好的密封，下行程过程中，内外压差趋于平衡，弹性伸缩套恢复形变， 使泵筒和柱塞之间有足够大的间隙，降低摩阻；密封环则可采用耐磨、 耐腐蚀的非金属材料，可有效的提高泵的使用寿命；泵间隙变大，在l 2 5 m m 左右，可用于稠油的生产等。所以这种新型的液压自封柱塞泵必 定有着很广泛的应用。 2 2 液压自封柱塞泵的工作原理 有杆抽油泵属于特殊形式的往复泵，动力从地面经抽油杆传递到井 下，使抽油泵的柱塞做上下往复运动，将油井中的石油沿油管举升到地 面上，完成人工举升采油。 而这种新型液压自封柱塞泵的工作原理与常规柱塞泵不同之处如图 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 2 3 所示： 图2 - 3 液压自封柱塞泵的工作原理图 当柱塞上行程时，柱塞上的出油阀关闭，泵筒内压力只逐渐降低， 当只减小至泵的入口压力即井底流压时，泵筒下端的固定阀开启，原油 进入泵筒腔内。此时柱塞腔内高压，泵简腔内低压，即丑 b ，柱塞外 端与泵筒腔内相连，由于泵内外压差的存在，使弹性伸缩套发生弹性形 变，向外膨胀时【1 0 1 ，使密封环始终压在泵筒上，形成良好的密封，实现 零漏失，柱塞腔内的原油沿油管排到地面。 当柱塞下行程时，泵筒内压力逐渐增大，泵筒下端的固定阀关闭， 当柱塞内外压趋于相等时，即只= 最，柱塞上的固定阀开启，此时，原 油由泵筒腔内进入到柱塞腔内，而弹性伸缩套逐渐恢复原状，使柱塞和 泵筒之间存有间隙，下行阻力趋于零，同时又保证摩擦副间获得液体润 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 滑，延长泵的寿命。 由此可见，这种新型液压自封桂塞泵的设计主要是根据泵的工作特 点而进行的改进，巧妙地将对柱塞泵不利的因素转化为有利的因素，主 要表现在： ( i ) 抽油泵的外径受井眼尺寸的限制，只能是立式结构。在冲次相同 的条件下，新型液压自封柱塞泵有效的减小了柱塞长度，增大了冲程长 t 度，增加了泵的排量，不必像常规柱塞泵一样，加长泵的尺寸，从而节 约了成本、提高了泵效。 ( 2 ) 抽油泵在井下工作，有的需要装在2 0 0 0 多米深处。这样，柱塞 上下压差很大。对于常规柱塞泵，要维持柱塞与泵筒之间的密封性和耐 磨性，提高泵效就变得非常困难。而新型液压自封柱塞泵则合理的运用 了柱塞上下的压差，实现了零漏失和下行无摩阻。 ( 3 ) 抽油泵在恶劣的环境下连续工作，如含气、含砂，三元聚合驱和 介质腐蚀等条件。而新型液压自封柱塞泵则通过增大泵间隙，柱塞表面 非金属、耐磨、耐腐蚀材质的选取，有效的降低了恶劣工作环境的影响。 h ) 常规抽油泵柱塞外表面和泵筒内表面不可能是理想的绝对直的 圆柱面。那么，它们的表面所形成的缝隙也不可能是理想的平行而组成 的缝隙，而是由凹凸不平的或者是由无数个倾斜组成的缝隙。这样柱塞 壁面上产生的径向压力不可能均匀分布，其结果是柱塞偏心增大，使柱 塞与泵筒内表面接触，导致柱塞偏磨。采用液压自封柱塞泵后，弹性伸 缩套具有自偿性，可依据磨损程度进行径向补偿，保持有效的密封，而 且偏磨小【1 1 i 。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 2 3 柱塞泵的抽汲参数 2 3 1 柱塞泵的流入特性 原油从油层流入井底，从井底沿油管流到井1 ：3 ，然后，沿地面管道 经油气分离器进入储罐。这是抽油系统简单的流程。按所流经的管路方 向划分，有垂直管流，水平管流和倾斜管流。按原油的流动性质有地层 渗流、油嘴节流和管路垂直、水平、倾斜流动。按原油中含油、气和水 的比率可分为单相流动、气液两相流和油气水三相流动。 油井流入动态是原油从地层流入井底时，地层压力与油井产量的动 态关系，表示油层向油井的供油能力。 ( 1 ) 地层压力计算【4 1 油井的地层压力是油层驱油能力大小的标志，是可以通过静液面高 度获得的。其计算公式为： 二2 t ：哦兰 忆( 2 - d g = ，= l i e “眦 式中：只关井套压，m p a ； 名环空气柱压力，m p a ； 昱，静液面上的压力，m p a ； 静液柱压力，m p a ； q 气体压力梯度修正系数； 上静液面高度，m ； d 气体相对密度，k g m 3 。 ( 2 ) 井底流压计算 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 动液柱和井底相平衡的压力成为流动压力，简称流压( ) 。其计算 公式为： 岛= 只c g + 式中：动液柱压力，m p a 。 ( 2 2 ) ( 3 ) 油井流入动态曲线【4 1 井底流入特性曲线是表示井底流压同产量的关系曲线。通常采用达 西沃格组合i p r 曲线表示。 当井底压力大于饱和压力即 只时，流压与产量呈线性关系，根 据渗流力学达西公式，油井产量为： i q = ，( 只一) 【q 。= ，( p r 一只) 当井底压力小于饱和压力即 尼时，油井产量为： ( 2 - 3 ) q - q 。+ ( q m 。- q b ) 【l - 0 2 ( 争o 8 争2 】 式中：，采油指数，m 3 d k p a 。 p r 厶 图2 - 4 达西一沃格 p r 组合曲线 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 2 3 2 泵入口压力和入口流压 有杆泵入口压力和入口流压是不同的。泵下入油井，如果泵入口下 到油层中部，则 只= 乃= = c g + ( 2 5 ) 如泵入口不在油层中部，此时，泵入口处压力为泵入口处压力，只加 上泵入口到油层中部一段压差，就是泵入口流压昂； 考虑气体穿过泵入口以上的液柱，则需应用吉伯特图表，查处压力 梯度修正系数。求泵入口压力的方法是：用迭代法多次计算只，直到相 邻两次计算出的只差值在5 以下。 2 3 3 垂直管路的压降和泵出口压力 原油从地层流入井底，损失了地层能量，压力降到井底流压，要把 原油举升到地面，泵的出口处必须有足够的能量克服原油沿油管的总压 力损失，而这一压力损失规律称油管管路特性或垂直管路特性。按照能 量守恒定律，对于单位质量流体的伯诺利方程【i 习为： ， z 。s i n 毋+ 等+ 丢= 乙s 虹护+ 鬲p 2 + 善+ 拙昙( 2 - 6 ) 垂直管路的压力梯度的通式为： 皂：+ 岛害+ 咖笔( 2 - 0 9 p 毫2 邮- 面+ j p 弦 式( 2 7 ) 右端三项表示了气液两相管流的压力降消耗于三个方面：位 差、摩擦和加速度。 老= ( 砉) 位差+ 睦) 摩攘+ ( 老) 加嬲( 2 - s ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 ( 1 ) 位差压力梯度 消耗于混合物静水压头的压力梯度： ( 老卜偌s m 口= b + & ( 1 圳k s 加口 ( 2 - 9 ) 式中：户液相密度，k g m 37 岛_ 相密度，k g m 3 ： 日持液率，在流动的气液混合物中液相体积分数。 ( 2 ) 摩擦压力梯度 克服管壁流动阻力消耗的压力梯度： f 朝：五兰p ：名业1 ，( 2 - 1 0 ) i 纪j2 d 2 d 式中；a 流动阻力系数： d 管的内径，m ； 彳管的流通截面积，m 25 g 混合物的质量流量，k g s 。 ( 3 ) 加速度压力梯度 克服管壁流动阻力消耗的压力梯度： ( 老) = 老 忽略液体压缩性和考虑到气体质量流速变化远远小于气体密度变 化，并应用气体状态方程，则由上式可导出： f d p l = p v v , zdplaz = 鱼a 邮) 一一 q 2 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 式中：气体表观流速，m s ； g 气体体积流量，m 3 s 。 ( 4 ) 总压力梯度 毫：等篙萧2 g v q 彤， c i z l 一 【一日l + p g ( 1 一日1 ) 】w 昭) p 、。 式( 2 - 1 3 ) 是b e g g s - - - b r i l l 方法所采用的基本方程，图2 - 5 给出了b e g g s b u 用压力增量迭代计算的流程框刚1 ”。 通过压降计算可得出泵的出口压力为： = 乇+ 老o ( 2 - 1 4 ) 式中：气井口压力，m p a ； 三，下泵深度，m 。 2 3 4 泵抽汲参数的优选 抽汲参数【1 4 】就是抽油泵在油井中抽取液体的工况参数或工作参数， 包括：( 1 ) 泵径d ，( 2 ) 冲程s ，( 3 ) 冲次n 。为了将一定量的井液从一定的 下泵深度处抽到地面，抽汲参数d 、s 、n 可以有各种不同的组合方案。 抽汲参数的最优标准应满足以下条件： ( i ) 保证要求的采液量； ( 2 ) 保证抽油设备正常工作( 安全性和合理性) ； ( 3 ) 保证举升1 吨原油的最低能耗。 显然，要满足第一个条件，就需要正确运用抽油泵的排量计算公式 来选择抽汲参数，以保证要求的采液量。满足第二个条件，需要正确运 用悬点最大载荷和减速箱曲柄轴最大扭矩计算公式，以保证抽油机正常 2 i 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 犄入基础数据 确定其始点压力p l 及计算段深度z 和分段数n 南 初设计算段的压力降印。并计算下蛳压力p 。= n + 印。 l 计算该段的平均压力声和平均韫度于 1 l 计算；及亍的流体f 生匮参数和 藐动参数 j 确定流动型态 根据流型1 十算- 西啦( 毋 0 计算阻力系数工 0 利用公，叶算压力梯度审，出及压力降卸， 一时川：陛 j 跏 以p 2 2 为下段婀起点即p i = p 2 2 胁恤，l i 结束i 图2 - 5b e g g s - - - b r i l ! 用压力增量迭代计算的流程框图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 工作( 安全性和合理性) ；同时，需要正确设计抽油杆柱组合，保证抽油 杆的正常工作( 安全性和合理性) ；此外，还力求油井供排协调，使油井 处于一种合理的工作状态。满足第三个条件实际上是要求抽油机、抽油 泵装置在给定的下泵深度和排液量条件下具有最高的系统效率。要达到 这个目的，必须根据泵挂深度和排液量合理选择抽油设备( 电动机、抽油 机、抽油杆、抽油泵、油管等) 综上所述，优选抽汲参数就是要根据以上标准和要求，选择出泵径、 冲程、冲次的最优组合。当泵挂深度未确定时，还包括泵挂深度的选择。 优选抽汲参数是有杆抽油系统中设备优选的一个极为重要的环节。所选 用的抽汲参数组合是否合理，将决定整个机抽系统能否达到设计的产液 量要求和较高的泵效及系统效率。 2 4 漏失量计算 抽油泵环隙漏失量的大小是检定抽油泵制造质量、确定泵筒与柱塞 的间隙配合是否合理以及影响泵效的一个主要参数，它对抽油泵的设计、 性能分析、提高泵效等都有重要意义。在地面选定了抽油泵的初始间隙 后，泵在油井中工作时，柱塞和泵筒因受井液压力、温度和轴向力等因 素的影响，将产生径向位移，从而改变了初始间隙值，在柱塞下端处环 隙比地面装配间隙小，在柱塞上端处环隙比地面装配间隙大，即环隙沿 柱塞长度近似呈倒锥形。基于这种情况，通过对液体在渐缩环隙中流动 规律的研究，导出了泵筒与柱塞渐缩环隙漏失量的简便计算公式。 令柱塞下端的间隙为磊，上端的间隙为疋，即泵筒和柱塞间缝隙为 渐缩环隙，渐缩楔形夹角口；沿柱塞长度方向任意一点：处，其间隙 艿= 疋一z t g a = 也一z 瓴- 5 1 ) 1 。根据缝隙流动理论，若不计重力的影响， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 其速度“为： “= 一去鲁p y 涉一( 1 一砉) u 弘- s ， 式中：井液动力粘度，p a s 。 p 环隙任一点处的压力，p a ： j 沿柱塞长度任意一点z 处的间隙，m ； 卜一柱塞长度，m ； u 上冲程时柱塞的平均速度，m s 。 当柱塞上冲程时，柱塞上下压差为a p = 昂- 8 ，柱塞运动速度为u ， 柱塞上冲程时液体在柱塞与泵筒之间的间隙漏失流量是压差流和剪切流 的合成，由为： 由= 撕= 【志 _ y 2 ) 一考【，】妫 ( 2 - 1 6 ) 积分上式可得出泵统和柱塞之间的漏失量为： g = 捌( 1 + 垫1 2 d i u 6 】 1 7 ) 式中：g 漏失量，m 3 s 。 d 柱塞或泵简直径，m ； 8 - - 相对偏心距； 子间隙，m ； 盎p 柱塞上下压差，p a ； 柱塞与泵简同心，e = 0 ：柱塞静止，u = 0 时， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 叮= n d 6 1 2 3 z “妒 2 5 泵效计算 根据泵的实际排液能力公式： q = 6 0 a p s n r l 得出：r l = q 6 0 a ，s n ( 2 1 8 ) ( 2 - 1 9 ) 式中：a ，柱塞的横截面积，m 2 ； ，7 泵效。 以上可以看出，在抽汲参数一定的情况下，泵效是影响泵的实际排 液能力的一个极为重要的因素，它不仅是衡量抽油泵工作性能的数量指 标，而且也是评价有杆抽油系统整体工作性能的数量指标。影响泵效的 因素有很多1 5 】，主要可以分为以下四个方面，即冲程损失、泵充满程度、 液体收缩系数和漏失量 1 6 1 ，即 r = r s r c r b r q ( 2 2 0 ) 式中： 仉柱塞冲程损失系数； 泵筒的充满系数； 液体收缩系数； 仉泵的漏失系数。 2 5 1 柱塞冲程损失系数 就冲程损失来说，包括液柱载荷引起的冲程损失和惯性载荷、振动 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 载荷所引起的冲程损失。两者相比较，前者比后者大得多，因而可以忽 略后者，只主要考虑前者。在液柱载荷引起的冲程损失中，既包括因油 管的弹性变形所引起的油管伸缩而造成的冲程损失，又包括由抽油杆的 弹性变形所引起的冲程损失。 其中，抽油杆弹性变形所引起的冲程损失可由下式表示： ：p g a 。p l , 争。l , 一( 2 - 2 1 ) l e r乞钆 对于油管的弹性交形所引起的冲程损失可由下式表示： 乃：粤皇主争( 2 - 2 2 ) | e t乞a n 式中：p 井液密度，k g m 3 ； “动液面深度，m ； e ，置抽油杆和油管的弹性模量，n m 2 ； 三。厶每一级抽油杆和油管的长度，m ； 疋4 每一级抽油杆和油管的横截面积，m 2 a 由式( 2 2 0 ) 和( 2 2 1 ) 可得出冲程损失系数： r s = ( s 一 一如) s ( 2 2 3 ) 2 5 2 泵简的充满系数 影响泵效的第二个因素是泵的充满程度，在某一油井条件下( 即某一 油、气、水比率和液体粘度条件下) ，充满程度就主要取决于泵挂深度和 沉没度。沉没压力越大，泵内自由气体积越小，相应的充满程度越高。 充满度与泵挂深度是非线性关系，在低沉没压力时( 即泵挂深度刚超过动 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章液压自封柱赛泵结构机理和工作特性 液面深度) ，充满度随泵挂深度的变化极为敏感，但随着泵深的继续增加， 充满程度的递增速度减小。其计算公式为： f 2 - 2 4 ) 式中：砟地面生产油气比，m 3 m 3 ； 凡嘌内溶解油气比，r s = 鸩，m 3 m 3 ； 溶解系数，m 3 ( m 3 m p a ) ； 兀体积含水率， 只嘌入口压力，m p a 2 5 3 液体收缩系数 影响泵效的第三个因素是液体收缩系数。由于泵处液体温度高且有 一定数量的溶解气，而到达地面液体温度下降，溶解气析出，导致液体 体积收缩，对泵效产生影响。因而在分析泵效时不能忽略这一因素，可 以用液体收缩系数来描述这一影响因素。结合液体体积系数，则： = 丽i 1 两瓦 ( 2 - 2 5 ) 式中：晶风原油和水的体积系数，m 3 m 3 。 2 5 4 漏失系数 影响泵效的第四个因素是泵的漏失量，其中包括泵的间隙漏失、游 动凡尔漏失、固定凡尔漏失及其它部分漏失。由于凡尔关闭不严造成的 漏失无法准确计算，属于泵况的问题，因而在捧量计算中仅考虑正常泵 中国石油大学( 华东) 硕