（石油与天然气工程专业论文）xjfb防偏磨抽稠泵的研制与现场应用.pdf

x j f b 防偏磨抽稠泵的研制与现场应用 李淑芳( 石油与天然气工程) 指导老师：王杰祥教授、李光高级工程师 摘要 在综合分析研究国内外抽油泵及其应用条件的基础上，为了解决有 杆泵井杆、管偏磨问题及提高稠油井、高气油比井和大斜度井的泵效的 问题，研制了f b 防偏磨抽稠泵。该泵采用机械阀和双杠塞的结构，使抽 油杆柱始终处于拉应力工作状态，不会发生失稳弯曲。该泵具有如下技术 特性：防偏磨特性；稠油井、高气油比井、大斜度井适用特性；提高泵 效特性；现场可操作性强特性。从柯柱负荷、排量、井况适应性等方面 与现场使用的一些特种抽油泵进行了对比分析计算，计算结果表明：在 防偏磨方面该泵与防偏磨抽油泵相比，具有降低悬点负荷、作业时能够 泄油的特点；在抽稠油方面，该泵与螺杆泵相比，具有可以实现深下和 大排量的特点；在抽气方面：与防气泵等配套工具相比，具有有效率高、 管柱简单的特点。 x j f b 防偏磨抽稠泵现场应用4 5 口井，可对比井有效使用寿命均在一 年以上，泵效可以达到7 0 以上i 应用结果表明，该泵成功解决了杆管偏 磨井的低成本治理问题，解决了常规稠油井、高气油比井和大斜度井的 低成本高效丌采问题，应用f j i 景广阔。 关键词：泵，偏磨，稠油，特性 d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o no fx j f bw e a r i n g c o n t r o lp u m pi nh e a v yo i l l is h u f a n g ( o i la n dg a se 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 rw a n gj i e x i a n g & s e n i o r e n g i n e e rl ig u a n g a b s t r a c t o nt h eb a s i so fa n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gd o m e s t i ca n do v e r s e as u c k i n g p u m pa n di t sa p p l i c a t i o nc o n d i t i o n f o rt h ep r o b l e mo fp r e v e n t i n gt u b i n gr o d w e a r i n ga n dt h ep r o b l e mo fh i g hp u m pe f f i c i e n c yi nh e a v yo i lw e l l sa n dh i 【g h g o rw e l l sa n dl a r g es l a n tw e l l s x j f bw e a r i n gc o n t r o lp u m pi nh e a v yo i li s d e v e l o p e d x j f bp u m ph a st h es t r u c t u r eo fm e c h a n i c a lv a l v e sa n dd o u b l e p l u n g e r , t h ep u m pm a k et h er o dp u l l i n ga n dn o tb e n d i n g t h et e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fx j f bp u m pi sw e a r i n gc o n t r o l ，a p p l y i n gt h ee o n d “i o no f h e a v yo i lw e l l sa n dh i g hg o ra n dl a r g es l a n tw e l l s ，h i 曲p u m pe f f i c i e n c y , g o o dm a n e u v e r a b i l i t y t h ec a l c u l a t i o n a n da n a l y z i n go ft h ep u m pi s c o m p l e t e da b o u tt h er o dw e i g h t ，p r o d u c t i o nr a t ea n dt h ea p p l y i n gc o n d i t i o n t h er e s u l t ss h o w st h a ti th a sl o wp e n d u l o u sp o i n tl o a da n de a s yd r a i n i n go n w o r k o v e rc o m p a r i n gt oo t h e rw e a r i n gc o n t r o lp u m p ，i th a sl a r g ep u m p d e p t h a n db i gr a t ec o m p a r i n gt ot h es c r e wp u m p ，i th a sh i g he f f i c i e n c ya n ds i m p l e s t r i n gc o m p a r i n gt oo t h e rg a sc o n t r o lp u m p t h e r ea r e4 5w e l l su s i n gx j f bw e a r i n gc o n t r o lp u m p ，t h el i f es p a ni s o n ey e a rl o n g e r , t h ep u m pe f f i c i e n c yi s7 0 m o r e t h ea p p l i c a t i o nr e s u l t s s h o w st h a tt h ex j f bp u m pi ss u c c e s si ns o l v i n gr o dt u b i n gw e a r i n ga n dl o w i n v e s th i g hp r o d u c t i o ni nh e a v yo i lw e l l s ，h i g hg o rw e l l sa n dl a r g es l a n t w e l l s k e yw o r d s ：p u m p ，w e a r i n g ，h e a v yo i l c h a r a c t e r i s t i c 独创性声明 一扭媳 训钏窍细b 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： 彳年 卅挥 lfr | 2 ，只 如同 l同 中国彳舳人学( 华东) l 干旱硕十学付论文第1 章前言 第1 章前言 1 1 油田开发后期采油工程领域存在的问题 1 1 1 有杆泵井杆管偏磨问题目益突出 目前陆上的些老油阳均已经进入油用开发的中后期，存在着含水 高、产出液量高、储量动用程度高三大特点。大部分油田采用的是有杆 泵采油方式，由于含水的升高和提升液量大泵径的需要，造成有杆泵井 杆管偏磨问题只益突出。据胜利油罔2 0 0 5 年5 月资料统计，胜利油田共 计有抽油机井数1 2 3 8 1 口，其中偏磨井数2 5 3 7 口，占抽油机总井数的 2 】。 表1 - 1 胜利油田管杆偏磨调查统计表 采油厂总升数( 口)开，t 数( 口)抽油机井数( 口)偏磨总井数( 口) 东辛 1 9 6 01 3 8 01 0 2 9 5 3 7 现河 1 9 1 01 3 9 89 0 43 9 0 一 孤岛 2 5 6 12 0 9 1 1 9 0 33 8 8 临 ； 1 7 3 71 5 0 01 4 2 73 7 6 滨南 2 1 6 71 3 1 21 2 7 02 6 1 胜利 2 1 7 61 5 7 71 1 4 6】6 1 纯粱1 5 3 69 3 58 5 1 1 5 7 整 阿 s 6 94 8 64 5 41 1 2 孤东 1 9 0 01 7 0 71 4 6 61 0 0 河口 1 9 4 01 8 1 01 6 8 85 5 合计 1 8 7 5 61 4 1 9 61 2 l3 82 5 3 7 中国彳i 油人学( 华尔) 1 ，科硕十学付论文第1 章前言 有柯泵井杆、管偏磨造成了严重危害：柯管断、裂、漏问题突出， 降低了有杆泵免修期，降低了泵效，减少了有效生产时间，油井生产效 益下降。作业维护量居高不下，打管偏磨维护工作量占总维护工作量 的近1 3 ，增加了油井维护的负担和成本支出。柯管报废率高。卡t 管 年报废率均在1 0 以上。胜利油阳每年报废油管约1 3 2 8 1 0 4 m 、抽油 杆约9 8 8 1 0 4 m ，管杆报废率约3 0 左右。秆管年投入费用约t 8 亿元。 1 1 2 迫于产量形势，难动用储量开采力度逐步加大 随着油价的攀升和对石油的需求不断加大，一些低品位的难动用储 量逐步投入开发，胜利油田低渗透、稠油、复杂潜山油藏新增探明储量 比例上升，由“九五”的5 3 1 上升到“十五”前四年的6 1 4 。产能建 设难度逐年加大，探明储量动用率下降，由“八五”的7 7 9 、“九五” 的5 7 | 3 下降到“十五”的4 9 5 。探明储量中稠油储量比例逐年上升。 2 0 0 4 年胜利油田稠油产量已经达到1 8 4 万吨，占到胜利油阳总产量的 1 0 7 。 1 2 临盘采油厂在生产中存在的一些矛盾和问题 临盘采油厂地质构造为复杂小断块油藏，砂、蜡、水、气、稠同时 存在，给采油工程的配套提出了一定的难度。1 9 9 5 年以后，由于油井综 合含水的逐步攀升，有柯泵井的偏磨问题暴露出来并且只益突出。据数 据统计，1 9 9 9 年i 临盘采油厂的偏磨井数为3 0 0 口左右，到2 0 0 5 年，已 经达到了6 0 0 余口，占丌井数的三分之一以上。 2 中国f 釉人中( 华尔) i 拌硕十学付论文第1 章前言 表1 2 临盘采油厂偏磨井分泵径统计表 泵径 升数偏磨井泵深动液面 序号 ( r a m ) ( 口)( 口) ( m ) ( m ) 13 83 8 9 8 51 4 6 88 5 2 24 45 0 22 8 61 3 2 47 6 8 35 62 9 7 1 0 71 0 8 95 4 i 47 09 83 99 4 33 9 1 58 31 571 0 6 52 8 3 69 53l1 0 1 65 9 7 表1 3 临盘采油厂偏磨井分含水统计表 序号含水t d - ( )升数( 口) 含水( ) 1 含水小丁4 06 42 2 0 2 含水人丁4 0 、小丁7 0 1 1 9 6 0 3 3 含水人丁7 0 、小丁8 0 1 3 67 7 ，3 4 含水大丁t 8 0 、小于9 0 1 7 58 6 8 5 含水人丁9 0 1 6 19 3 2 表l - 4 临盘采油厂偏磨井分部位统计表 l 偏磨竹苴 全升上部中部中h 部r 部 f 井数( i ：1 ) 4 355 32 0 43 0 6 l 在偏磨井的机理研究和治理工艺上，临盘采油厂采油工艺战线上的 广大技术人员，从1 9 9 8 年丌始就进行了偏磨井资料调查、有杆泵井偏磨 机理研究以及现场治理工作。经过几年技术上的的发展，形成了“加重 3 中国fj 油人学( 华尔) i 稗硕十学位论文第1 章前言 为主、扶正为辅，优化参数，减缓腐蚀”的宏观治理思路。杆、管柱上 配套减磨措施，包括使用加重杆、扶j 下器等都已经成熟。但在防偏磨抽 油泵方面虽然一直在琢磨，但一直也没有突破。如何利用抽油泵解决有 杆泵井的杆、管柱失稳问题，减少偏磨井治理上的投入，成为摆在广大 技术人员面前的一大课题。 1 3 普通凡尔型抽油泵在开发过程中暴露出的一些问题 普通凡尔型抽油泵由杜塞总成、固定凡尔总成、游动凡尔总成三大 部分组成。其工作原理如下：下冲程时，柱塞下行，泵筒内的压力升高， 与泵筒连接在一起的固定凡尔关闭，柱塞上的游动凡尔打开，产出液由 泵筒进入到油管内。上冲程时，杜塞上行，泵筒内的压力降低，固定凡 尔打开，产出液由地层进入到泵简内。同时柱塞上的游动儿尔关闭，产 出液由油管排出，进入井口流程。 由于油田逐步进入刀二发中后期产出液性质的改变，普通凡尔型抽油 泵逐步暴露出_ 些问题：普通凡尔型抽油泵由于柱塞上采用的是凡尔 球、座结构，要依靠压力才能丌启，对于稠油井、高气油比井和大斜度 井存在着凡尔开关滞后的问题，普通凡尔型抽油泵在这些井上处于低泵 效生产状态。普通儿尔型抽油泵井配套抽油杆柱在整个下冲程工作过 程中处于压应力工作状态，压应力远远大于抽油卡t 的临界失稳载荷，抽 油杆杠要发生失稳弯曲。由于油管和抽油丰t 的径向问隙较小，抽油柯柱 发生失稳弯曲后，要紧靠在油管内壁上。随着杜塞的上下运动，油管和 抽油杆发尘摩擦，卡t 管发生偏磨。油阳进入开发中后期，含水上升， 产出液润滑性质由油包水状态转变为水包油状念，润滑性能变差。抽油 柯和油管发生偏磨后，磨损速度加快，管漏、抽油杆接筘断、脱的现象 4 中国_ m 人学( 华尔) f 科硕十学 奇论文第1 章前言 时有发生。油井检泵周期明显缩短。降低了油井时率，增加了维护费用。 由上面的简要分析中，我们可以得出这样的结论：普通凡尔型抽油 泵由于其自身结构上的限制，已经不能够适应油用丌发后期高含水井和 稠油井、高气油比井、大斜度井的丌发要求。 1 4 国内外在该方面的研究及应用情况 针对普通凡尔型抽油泵在偏磨井、高气油比井、稠油井中遇到的问 题，广大科技工作者丌展了大量的理论研究工作。 1 4 1 防偏磨抽油泵系列研究成果 青岛普瑞思德公司研制了一种抽油泵。该泵采用上、下两级柱塞串 联的方式，没有固定儿尔球座。在抽油泵下行过程中有反馈力，抽油杆 柱不会受到压应力，抽油柯柱不发生失稳弯曲。该泵由于在理论上具有 增强杆杠稳定性的作用，在现场得到了一定范围的推广应用。 专利产品新型多功能抽油泵提供了一种防砂卡、防偏磨的多功能抽 油泵，它主要是由泵筒、柱塞、上下簧接头及进油阀总成构成，杜塞两 端装有圆杠形上下簧接头，接头轴向设有流油沟槽，径向设詈有螺旋形 刮砂环，上簧接头连接一延伸杆，延伸孝t 上装有可控制柱塞在泵筒内作 旋转运动的推转机构，泵筒下部设有进油阀总成。其内装有带螺旋形导 向片的锥形进油阀。工作时螺旋形刮砂环弹性伸涨外表面紧贴泵筒内表 面运动，从而阻止原油中砂粒进入泵筒与杠塞之l 日j 的缝隙，可有效防止 柱塞与泵筒在运行时卡死或偏磨，该产品可广泛用于高含砂井和斜井。 专利产品抽油泵旋转防偏磨装詈适用于用抽油泵采油的机械采油 井。本装置由旋转接筘、旋转轴联接短节和旋转外壳体等组成，旋转轴 安装于旋转接箍内，联接短节连接旋转外壳体。本实用新型制造简单， 5 中国石油人学( 华东) i ：稃硕= 卜学位论文第l 章前言 成本低廉，将本装置与抽油杆和抽油泵杠塞连接下入井内，使抽油泵抽 汲的液流形成旋流，提高了液流的流动能力，减轻了泵的提升负荷，提 高抽油泵的使用效率和寿命，效果显著。 专利产品大流道防偏磨抽油泵包括定位管和防偏磨芯套，在防偏磨 芯套内安装有抗磨内套。本实用新型结构简单而紧凑，易于制造，便于 安装和维修，利用该抽油泵活塞拉杆防偏磨器，大大减少了活塞与抽油 泵泵筒内壁、拉杆与抽油泵泵口处的偏磨，延长了抽油泵的使用奉命， 使抽油井保持更长的生产时间，并且不影响正常的碰泵、调参、解卡等 生产管理，不影响正常的修井作业工序。 1 4 2 稠油井、高气油比井、大斜度井配套抽油泵系列成果 变径抽稠泵：大港石油机械总厂、胜利油f 日总机械厂相继研制成功 变径抽稠泵，两个串联泵中间有腔室实现下冲程时由于有反馈力的存在， 能够帮助抽油打柱下行。有如下特点：上泵用柬增加下行力，下泵为 工作泵。反馈力大，能有效的克服抽油卡丁在稠油中的下行阻力，改善 抽油杆的受力状况。不起油管柱，可完成多次蒸汽吞吐作业。进油 阀罩，采用全流式，流道面积大，提高了泵的充满系数。 大流道抽稠泵：由大港石油机械厂研制，有如下特点：采用拉管 式结构，拉管密封短节可随抽油杆杠起下，作业简便、可靠。泵下无 固定阀，降低了稠油进泵阻力，提高了泵的充满系数。反馈力使杜塞 下行阻力减小。不动油管柱，可下放抽油卡t 柱，进行注热载体、蒸汽 吞吐等作业。 抽气泵方面： 环形阀泵：在泵筒的上面安装环形阀，用以预防气体影响。其工作 原理是：下冲程时，环形回压阀关闭，游动阀不再承受油管内液杜的回 6 中国l i 油大学( 华尔) l 稃硕十宁伊论文第l 章前言 压。此时，虽然泵内存在气体，游动阀仍能迅速打丌，从而防止下冲程 产生“液击”。下冲程将要结束时，光杆缩颈部分与环形阀之日j 形成通路， 泵内气体上逸，防止上冲程时产生液击。 空心光卡丁泵：把与杜塞连接的实心抽油卡t 改为空心光卡t ，以构成预 防气体影响的泵。其工作原理是：下冲程时，固定阀关闭，下室压力增 大，回压阀承受油管内液柱压力，上室压力下降，便游动阀迅速打开， 液体进入上室。上冲程时，上室体积减小，压力增大，游动阀迅速关闭， 固定阀迅速打丌，液体进入下室。与此同时，上室内气体被压缩，如果 其压力值大于油管内的液柱回压，则回压阀被打丌，气体排入油管；如 果打不开，则要待下一个冲次，重复上述过程，直到回压阀打开为止。 中腔跑气泵：是用中腔连接两个泵筒进行抽油，从而构成预防气体 影响的泵。其工作原理是：上冲程时，杠塞上行，固定阀丌启迸油，游 动阀关闭排油。当杠塞下端离丌下工作筒并进入中腔室时，中、下腔室 连通，泵内井液中的气体上升，直至上冲程结束。下冲程时，柱塞向下 运动，固定阀关闭排油，游动阀打丌出油。当杜塞的上端进入中腔时， 中腔室便与油管连通，这时存在于中腔室内的气体上逸，同时中腔室被 井液充满，直至下冲程术，这样便完成了一个抽汲周期。中腔室的设詈， 给泵内气体丌了一个通路，从而增加了下工作筒内液体的充满系数，降 低了泵内的气液比，排除了气体的干扰，有利于泵效的提高。 斜并泵：胜利油罔分公司东辛采油厂研制成功了一种斜井泵。该泵 在固定凡尔处采用弹簧结构。该泵能够在大斜度井中提高泵效的原理是 在下冲程过程中由于弹簧的作用能够及时关闭和打丌，从而避免了普通 抽油泵在大斜度井中凡尔不能及时丌关的问题。 上述这些特种抽油泵都是根掘生产中普通抽油泵存在的问题而研制 7 中国i i 油人学( 华东) 1 稃硕十学付论文第1 章前言 的，在现场中都有不同程度的推广应用规模，解决了现场中存在的一些 问题，取得了一定的经济效益和社会效益，单液存在着一定的井矿适应 性和技术问题。 针对稠油井、高气油比井、大斜度井和偏磨井同渐增多的现状，在 对现有技术进行充分调研论证的基础上，自行研制了x j f b 防偏磨抽稠 泵。该种抽油泵完全改变了靠压力开启的凡尔球、座结构，采用机械阀 的结构形式，抽油杆柱在整个工作过程中，都不会受到向上的作用力， 从而完全避免了抽油杆杜在下冲程过程中失稳问题的发生。抽油柯柱由 于不会发生失稳弯曲，在杆柱上可以不配套抽油杆扶正器和加重杆。同 时由于该泵采用了凡尔机械开启和双级柱塞的结构，该泵可以在稠油井、 高气油比井和大斜度井中实现长寿命和高泵效开采。x j f b 防偏磨抽稠泵 2 0 0 2 年被确定为临盘采油厂重点科技攻关项目，2 0 0 5 年被确定为胜利石 油管理局管理局产业化重点推广项目，目前已经形成直径4 4 m m 、5 6 m m 和7 0 m m 长、短抽油泵系列。2 0 0 6 年该项目获胜利石油管理局管理局科 技进步二等奖。2 0 0 3 年x j f b 防偏磨抽稠泵申报国家发明专利。 8 中国f i 油人学( 华尔) l 。稃硕十学付论文第2 章抽油泵的结构、i 作原理及府峭 第2 章抽油泵的结构、工作原理及应用 2 1 常规抽油泵的结构、工作原理及应用 目前在我国几十万口机采井中，抽油机井约占8 0 。在这些抽油机 井中，由于普通儿尔型抽油泵的现场可操作性较强和对不同井况的适应 性较强，普通凡尔型抽油泵井在现场中有较大的用量，是目前陆上油田 大范围应用的“三抽”采油设备。 2 1 1 普通抽油泵结构组成及工作原理 普通抽油泵结构示意图如图2 1 所示： 图2 - i 普通抽油泵结构示意图 卜i 前动凡尔；2 一下游动凡尔；3 一荆定凡尔 普通抽油泵主要由泵筒、杜塞、固定儿尔总成、游动凡尔总成组成。 上冲程时，杜塞下面的下泵腔容积增大、压力减小，固定儿尔在其上下 压差的作用下打丌，原油进入下腔，与此同时，游动凡尔在其上、下压 差作用下关闭，柱塞上面的上泵腔内的原油沿油管被提升到地面。下冲 9 中国4 i 油人学( 华尔) 1 拌硕十学竹论文第2 章抽油泵的结构、l 仃原理及府用 程时，柱塞压缩固定凡尔和游动j 、l 尔之i 日j 的原油。固定凡尔关闭，游动 凡尔打开，下泵腔原油进入上泵腔。柱塞一上一下，抽油泵完成了一次 抽汲过程。如此周而复始，井液被不断的采出到地面。 2 i 2 普通抽油泵的工作特点 普通抽油泵应用广泛，其主要的特点表现在： 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，要增加泵的排量，就要增大冲程长度，加长泵的尺寸。这样， 相应的泵的长度就要增加，泵简直径就要加大。 抽油泵在井下工作，有的需要安装在3 0 0 0 多米深处。工作时，柱 塞上下压差很大，要保持柱塞和泵筒之间的密封性和耐磨性，提高泵效 和延长使用寿命，泵筒就需要一定的州压能力和保证一定长度的杜塞长 度。 在抽油泵的工作和使用周期， 油杆柱在上、下冲程载荷变化较大， 失。 由于上、下冲程载荷变化较大，抽 发生弹性伸缩，存在较大的冲程损 普通抽油泵由于进、出油阀采用凡尔型结构，在高油气比、稠油 和大斜度井上显示出不适应性，普通儿尔型抽油泵在这些井上生产泵效 较低。 2 1 3 普通抽油泵的适用井况及选井条件 普通抽油泵由于游动凡尔和固定凡尔需要压力进行开启，其适用井 况限制在了采出液粘度较低、气油比较低和斜度较小的井上。 普通抽油泵的选井条件： 普通抽油泵由于其结构上的特点，不适于在高粘度、高气油比、大 0 中国i 油人学( 华尔) f 科硕十中竹论文第2 章抽油泵的结构、i 仃原理及府用 斜度井上应用，其选井条件如下： 抽汲井下原油粘度( 5 0 。c ) 不大于8 0 0 m p a s 。 气油比小于1 0 0 m 3 t 。 泵下入井段斜度小于4 5 1 2 。 2 2 机械启闭阀式抽油泵的结构、工作原理及应用 2 2 1 机械启闭阀式抽油泵“1 的结构及工作原理 机械启闭阀抽油泵结构示意图如图2 2 所示。该泵主要由以下几部 分组成：泵筒、杜塞、出油阀、进油阀、阀杆、推块、密封件、脱接器 等几部分组成。 图2 - 2 机械启闭阀式抽油泵结构示意图 卜连轩：2 - 脱接器；3 一油管：7 一泉筒i i i 油阀：b 一撩封件：9 一阀杆；1 0 一芾块；1 卜密封件； 1 2 一卡簧 t 3 一 腔室；1 4 一桂皋j f j 油阔；1 5 一碘柱糍仆：1 6 - 软柱索休；1 7 - 下腔室；1 9 一进油阀 其工作原理如下： 1 1 中国z i 油人学( 华尔) 1 稃硕十学何论文第2 章抽油泵的结构、f 仃原理及席用 上冲程时，抽油杆提升，使柱塞出油阀关闭，并带动柱塞上行。此 时下腔室压力下降，当其压力低于泵的入口压力时，进油阀打开进油。 与此同时，上腔室压力上升。如果井液油气比大，油气虽被压缩，但压 力增加小，此时常规泵往往打不丌杠塞出油阀而发生“气锁”。由于此泵 在阀杆上设计有推块和放气孔，当柱塞接近下死点和换向上升- 4 , 段距 离时，均能让柱塞出油阀上下腔连通，提前将上腔室的气体排到油管中， 从而有效的避免了“气锁”的发生。 下冲程时，抽油杆柱下行，它不受油气比大的影响，首先将柱塞出 油阀打开，使上下腔室连通。当下行1 5 r a m 后，推动柱塞下行。这样， 下腔室的油、气很容易就进入了上腔室。当在柱塞接近下死点和杠塞离 开下死点的一段时间内，放气i l 又将杜塞出油阀的上下腔连通，完成排 气，保证上冲程时将柱塞出油阀及时打开。 该泵的主要特点： 杜塞的出油阀为一倒装的锥形阀，锥形阀体与抽油卡t 刚性连接， 所以此阀的丌启不是靠压差，而是依靠抽油卡t 上下机械移动束完成。阀 杆与杠塞为浮动连接，在阀杆上有一推块，上冲程时，其底面离柱塞上 端面1 5 m m 。锥形阀阀柯上端中心钻一盲孔，对准盲孔下部钻- , b 孔与 盲孔相通。在接头上钻一小孔，使上下小孔连通。 泵简出油阀为一倒装的锥形阀，锥形阀中心丌- - + 孔，与阀杆滑 动配合。 杜塞较短，一般为o 5 m 左右。上段为硬杠塞，下段为软柱塞，提 高了密封性能增加了与泵筒的摩擦力。 中国石油大学( 华东) 工稃硕七学位论文第2 章抽油泵的结构、工作原理及应用 2 2 2 机械启闭阀式抽油泵的选井条件及适用井况 机械启闭阀式抽油泵由于在杠塞上采用锥形阀结构，在选井上有如 下要求： 产出液含砂量小于o 0 2 。 气油比小于5 0 0 m 3 t 。 原油粘度小于2 0 0 0 m p a m 2 3 液力反馈抽油泵研的结构、工作原理及应用 该泵和空心抽油杆配套应用，结构示意图如图2 - 3 所示： 图2 - 3 液力反馈型抽油泵结构示意图 卜j 士接杆；2 一1 接又；3 - i - ：l l 油阀单；4 一反馈柱米游功阀；5 一t 作柱辨嗬动阀； 6 一反馈柱塞：7 - t 作桂寒；8 - 连接接头；9 _ 崭封出j ：l o 一泵筒；1 l - 象筒接箨 液力反馈型抽油泵主要由反馈长杜塞、反馈泵筒、出油阀、接筛、 1 3 中国石油入学( 华东) 1 稃硕十学付论文第2 章抽油泵的结构、i 仃原理及应用 旋转装置、工作泵筒、工作杜塞、进油阀等组成。 该泵有2 个杠塞，上面小柱塞与下面大杜塞串联，具有液力反馈功 能，增加空心抽油柯柱的下行动力，泵的上部为长柱塞短泵筒，下部为 长泵简短柱塞。 正常使用时，空心抽油杆与反馈长杠塞连接，并由空心抽油杆将泵 整体送入井内。上冲程时，空心抽油柯带动反馈长杜塞和工作柱塞上行， 因工作柱塞直径大于反馈长柱塞，在相同行程条件下，工作柱塞排出的 液体体积大于反馈长柱塞让出的体积，工作柱塞上方工作泵筒内的液体 受挤压，压力上升，进油阀关闭，当压力升高到大于出油阀以上的液柱 压力时，出油阀打丌，向上排出液体，这一过程属排液过程；下冲程时， 空心抽油杆带动反馈长柱塞和工作柱塞下行，因工作柱塞让出的体积大 于反馈长杠塞浸入的体积，工作柱塞上方工作泵筒内的液体压力降低， 出油阀关闭，当压力降低n d , 于进油阀下方的沉没压力时，进油阀打开， 液体浸入工作柱塞上方工作泵筒环形空腔内，这一过程属进液过程。这 样循环往复，完成了井液的抽汲。 2 4 防气抽油泵的结构、工作原理及应用 2 4 1 防气抽油泵结构 目前现场上使用较多的防气抽油泵为z y 5 7 一l 型防气抽油泵，该泵的 结构如图2 - 4 所示。 该泵采用整泵筒软硬新型活塞结构。具有三个阀门，浮动环形阀( 承 载阀) ，中部为标枪形的锥n n ( 标枪阀) ，下部为球形的固定阀( 进油阀) 。 标枪阀与抽油柯是刚性连接，当抽油杆上下运动时，标枪阀随之而动， 它同活塞是浮动连接。在轴向允许有1 5 m m 的相对运动距离，径向彼此 4 中国石油人学( 华东) 工群硕十学何论文第2 章抽油泵的结构、r 作原理及应用 可以相对旋转。在轴向允许的距离内，机械式的往复启动和关闭，并使 活塞把泵筒分成上、下两个腔室。 l 2 3 图2 4 防气抽油泵结构示意图 卜连接嫡接；2 一活采；3 一采筒 2 4 2z y 5 7 1 防气抽油泵1 工作原理 防气抽油泵的工作原理如下： 上冲程：在上冲程开始之前，承载阀和进油阀在压差作用下，处于 关闭状态。标枪阀随抽油杆上行1 5 r a m ，提前关闭，再带动活塞向上运 动。此时下腔室内压力迅速降低，当压力低于泵的入口压力时，进油阀 打开而进油。与此同时，上腔室内压力逐渐升高，当其高于油管内的液 柱压力时，承载阀就被打开而排油。在上冲程过程中，如果泵筒内充满 气体，也不影响泵的证常工作，因为防气标枪阀随抽油杆上下动作，根 1 5 中国石油大学( 华东) t 。稃硕十学付论文第2 章抽油泵的结构、t 作原理及应用 本不存在由于气体影响而造成标枪阀滞后打开或打不丌的可能性。但是 这种泵设计有放气孔装置。当活塞接近下死点时或离开下死点之前，放 气孔把液柱与泵筒内上腔室连通。这时上腔室内的气体空间，上腔室的 气体被驱入液柱内，通过放气孔快速完成液体和气体的相互交替的过程。 这样可以避免由于气体的影响，造成承载阀延迟打丌或打不开( 即发生气 锁) 的可能性。 下冲程：承载阀和进油阀在压差作用下，在整个下冲程中处于关闭 状态。下冲程丌始时，杯枪阀首先下行1 5 m m ，提静打开，使上下腔室 连通，然后推动活塞继续下行，使下腔室内的油、气很容易进入上腔室。 当活塞接近下死点时，或离开下死点前，放气孔又使液柱和上腔室连通， 完成液、气交替过程。 2 4 3z y 5 7 1 型防气抽油泵特性 泵上设计有作机械启动和关闭的标枪阀。标枪阀在上冲程时提前 关闭，而在下冲程时提前打开，只要抽油杆一运动它就随之动作，因此 不会象普通抽油泵那样由于气体影响使游动阀滞后打开或产生“气锁”。 采用了承载阀结构，在下冲程时承受液柱的重量，并将液杜重量 传递到油管上，同时还可以防止液杜中的砂粒沉淀于泵筒之内，从而减 轻了泵内易损件的磨损，延长了其使用寿命。 采用软硬结合的新型活塞体。硬活塞体和普通抽油泵的硬活塞一 样，软活塞体是以硬活塞为基体，在其基体上组装有数个自封式的软活 塞环。这种软活塞体不但能满足密封性能，而且在井下工作时能克服受 热膨胀的影响，不易卡泵。这种软硬结合的新型活塞体，具有硬活塞和 软活塞的共同性能。泵在正常工作时，活塞没有漏失量( 室内试验，压力 1 8 m p a 无漏失) 。此外，活塞较短，长度只有o 5 m 左右。 1 6 中国石油大学( 华东) 丁程硕士学位论文第2 章抽油泵的结构、一r 作原理及应用 活塞与抽油杆浮动连接，抽油杆与活塞彼此可以相对旋转，从而可 以减少抽油杆的变形因素和抽油杆的断脱次数，提高了抽油杆的使用寿 命。 泵本身带有泄油装置，在作业过程中，当上提抽油杆超过“最大防 冲距”时，硬活塞体就顶碰承载体，迫使卡簧收缩，使承载体离开。此 时，泄油装置的密封件及推动密封作用，从而使泄油孔达到泄油的目的。 当抽油杆下行到底部时，抽油杆的重量通过接头传递到承载阀，再传递 到承载体，迫使承载体坐到预定的位置上，这时卡簧又张开并起固定联 接接作用。密封件又起到密封作用。而普通抽油泵需要打捞，憋压或与 其它泄油器配套。 因设计有放气孔，从而可有效地防止发生“气锁”。 这种泵在有气时可以排气，有油时可以抽油，并且可以代替普通抽 油泵，其泵效比普通抽油泵高。 该泵存在的问题是加工工艺复杂，抽油泵有效寿命短。 2 5 长柱塞抽油泵的结构、工作原理及应用 长柱塞防砂抽油泵【6 1 原理示意图2 5 所示。 该抽油泵的特点是：短泵筒、长柱塞。 对于长柱塞泵，由于柱塞一直伸展于短的泵筒处，所以会存在较小 ( 或微小) 的如上所言的楔形。这样，长柱塞泵具有较好的防砂磨、防 砂卡的作用，这类泵适用于含砂量不大于o 8 的油井。氏柱塞防砂防埋 抽油泵是在长柱塞防砂泵的基础上改进而来的，该项泵增加了如图2 5 所示的防砂总成。当停抽时，管柱内的油静止下来，这样砂子会不断沿 沉砂通道下沉到沉砂尾管内，克服因停抽而可能造成的砂埋问题。由于 中国币i 油火学( 华东) t 。群硕十学倪论文第2 章抽油泵的结构、) ：作原理及应用 尾管部分在该泵上用作沉砂管，所以该泵的固定阀为侧向进油方式。沉 砂尾管的长度一般为6 0 1 0 0 m 。 掣 i - 1 2 图2 - 5 长柱塞抽油泵结构示意图 卜长柱塞：2 一沉砂环空；3 一杂筒 目前，胜利油阳已有2 0 0 余口井采用上述两种抽油泵，主要分布在 东辛、胜采、河口、滨南、现河等采油厂。从现场使用情况来看，该项 泵作业方便，与常规泵无异，防砂效果明显，各采油厂比较乐于使用。 2 6 等径刮砂抽油泵的结构、工作原理及应用 针对常规抽油泵结构不适应出砂油井工况的缺点，创新设计了等径 刮砂柱塞防砂泵，图2 - 6 为其结构示意图。 该泵采用独创的等径刮砂柱塞结构，从根本上消除了砂卡、砂磨柱 塞泵筒的问题，并利用柱塞与液流之间的相对运动，使泵具备了自冲洗 特性。改进设计的抽油泵工作原理与常规抽油泵相同，却具有三方面的 技术特性。 1 r 中国石油人学( 华尔) t 稃硕+ 学付论文第2 章抽油泵的结构、l 作原理及戍片j 静扦 秒一 图2 - 6 等径刮砂抽油泵结构示意图 1 一卜游动凡尔：2 一柱寒；3 一下游动凡尔；4 一t 作筒：5 一同定凡尔 2 6 1 防砂卡及防砂磨特性 上冲程时，杠塞上行，由于刮砂倒角的作用，可有效地将泵筒内壁 附近的砂粒刮落于柱塞空腔内，消除了普通抽油泵存在的柱塞与泵筒之 间由于砂粒的压实作用形成的硬性挤压摩擦力，所以能有效防止砂卡柱 塞。由于砂粒进入抽油泵密封副的几率减小，磨损减轻，故能最大限度 地延长柱塞和泵筒的使用寿命。 2 6 2 自冲洗特性 下冲程时，不仅具有下行刮砂作用，而且随着柱塞下行运动，排出 的井液能将积存于杠塞排液口附近的砂粒冲刷干净，为下一次上冲程时 保证杜塞工作于最佳的清洁环境，起到自动冲洗砂粒，防止砂卡柱塞的 作用。 2 6 3 价格低效率高 与常规抽油泵相比，等径刮砂柱塞防砂泵加工成本未增加，却能比 1 9 中国_ i 油人学( 华螽、) l 科硕七学付论文第2 章抽油泵的结构、i 仃原理及廊用 常规抽油泵更有效延长油井生产周期，从而节省油井生产材料费用和作 业费用，有效降低生产成本。 中国石油人学( 华东) j - 稃硕十学伊论文 第3 章x j f b 防偏磨抽稠泵的研制 第3 章x j f b 防偏磨抽稠泵的研制 3 1x w b 防偏磨抽稠泵结构组成及工作原理 3 1 1 结构组成 x j f b 防偏磨抽稠泵属于管式抽油泵，由泵筒和柱塞总成两部分组 成。泵筒和普通抽油泵泵简一样。其结构特点主要体现在柱塞总成与普 通抽油泵不同。x j f b 防偏磨抽稠泵杠塞总成由三部分组成：主柱塞、辅 柱塞、游动凡尔总成和连杆总成。主柱塞和辅柱塞均与泵筒构成配合副， 实现密封。游动儿尔总成起到丌、关流道的作用。连打总成用于将抽油 杆和杜塞连接在一起。 图3 - 1x j f b 防偏磨抽稠泵结构示意图 卜f ：柱皋；2 一下柱糍；3 - 近杆总成：4 一闻定凡尔 x j f b 防偏磨抽稠泵结构特点有三方面： 游动凡尔总成分别与柱塞总成和连杆总成连接，流道的开、关为 机械开启方式，不需要压力条件开启。柱塞总成为双级串联柱塞，两 级柱塞可以起到相互保护的作用。在任何一级柱塞失效的情况下，另一 2 1 中国石油人学( 华东) 1 ：稃硕十学位论文第3 章x j f b 防偏磨抽稠泵的研制 级柱塞仍然可以j 下常工作。柱塞与抽油杆杠不直接连接。 3 1 2 工作原理 上冲程时，抽油杆柱在驴头的带动下，向上运动，机械游动阀关闭。 柱塞以上液柱随着抽油杆柱的运动向上排出井筒。此时，泵筒内压力降 低，固定凡尔在沉没压力的作用下打丌，产出液进入到泵筒内。 下冲程时，抽油机驴头带动抽油卡丁杠下行，机械游动阀强制打丌， 泵筒内的产出液被“捞入”泵上油管内。机械游动阀打开后，活塞上下 液柱连通，固定凡尔在液柱压力作用下关闭。 ) ( j f b 防偏磨抽稠泵游动阀为机械丌启方式，即抽油柯柱随着驴头的 上下运动游动阀强制机械丌启。 3 2 与其它泵对比分析研究 由于结构特点，与普通抽油泵相比，x j f b 型防偏磨抽稠泵具有防偏 磨、适应于稠油井、高气油比井、大斜度井等特点。 3 2 1 防偏磨分析 3 2 1 1 普通凡尔型抽油泵井抽油杆柱受力分析 普通管式抽油泵在工作过程中，对抽油柯杜柬讲，上冲程时，抽油 丰t 柱承受拉应力，下冲程时中和点以下，抽油卡丁柱承受压应力。抽油杆 柱在拉、压交变载荷下工作。普通抽油泵杆柱受力分析如下： 普通抽油泵抽油杆柱在工作过程中的受力“可以分为三大部分：一 是静载荷，主要由抽油卡t 杜载荷和液杜载荷两部分组成：二是动载荷， 主要由惯性载荷和振动载荷两部分组成；三是摩擦载荷，主要由抽油杆 柱和液柱之间的摩擦力、油管柱和液柱之间的摩擦力和液流通过游动阀 所产生的液流阻力三部分组成。 中国石油大学( 华东) t 稃硕十学位论文第3 章x j f b 防偏磨抽稠泵的研制 ( 1 ) 静载荷 抽油杆柱载荷 驴头在上下运动时，带着抽油杆柱作往复运动，所以，抽油杆柱重 量始终作用在驴头上。但在下冲程中，游动凡尔打丌后，油管内液体的 浮力作用在抽油柯柱上。所以，下冲程中作用在悬点上的抽油柯杠的重 力减去液体的浮力，即它在液体中的重量。而在上冲程中，游动凡尔关 闭，抽油杆柱不受管内液体浮力的作用。所以，上冲程中作用在悬点上 的抽油杆柱的重力，即它在空气中的重量。 上冲程中作用在悬点的抽油柯重力： w t = q ，g l 式中w 抽油杆柱的重力，n ； g 重力加速度，m s 2 ； ( 3 1 ) q ，每米抽油杆柱的质量，k g m 。 上冲程作用在悬点上的抽油杆柱载荷： w r = q ，l( 3 2 ) 式中 q ，每米抽油杆柱在液体中的重量，k g m 。 中国石油大学( 华东) 工稃硕七学位论文第3 章x j f b 防偏磨抽稠泵的研制 表3 - 1 每米抽油杆的质量 盲释( m m )截n 积, ( e r n 2 )空气中每米抽油杆质增( k g m ) 1 62 0 01 6 4 1 9 2 8 52 3 0 2 23 8 03 0 7 2 53 9 l 3 1 7 作用在活塞上的液柱载衙 在上冲程中，由于游动凡尔关闭，作用在活塞上的液柱引起的悬点 载荷为： w ：= ( f p f , ) l p l g ( 3 - 3 ) 式中w f 作用在活塞上的液杜载荷，n ； 口抽汲液体的密度，k g m 3 ； 活塞截面积，m 2 ； f 抽油杆截面积，m 2 。 在下冲程中，出于游动凡尔打丌，液杠载荷通过固定凡尔作用在油 管上，而不作用在悬点上。 抽汲含水原油时，抽油杆和液柱载荷计算中所用的液体密度应采用 混合液的重度。可按下式束近似计算： p 。j = n w p 。+ ( 卜n w ) p o ( 3 4 ) 式中 “，油水混合液密度，k g m 3 ； 成原油密度，k g m 3 ： 4 中国孑i 油大学( 华东) t 稃硕士学位论文第3 章x j f b 防偏磨抽稠泵的研制 风水的密度，k g m 3 n 。原油含水百分数。 沉没压力对悬点载荷的影响 上冲程中，在沉没压力作用下，井内液体克服泵的入1 3 设备的阻力 进入泵内，此时液流所具有的压力叫吸入压力。此压力作用在柱塞底部 而产生向上的载荷。 p = p ，l ( 3 - 5 ) 式中p 吸入压力p 。作用在活塞上产生的载荷，n ； p 吸入压力，p a ； f 。柱塞截面积，m 2 。 下冲程时，吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。 井i ：1 回压对悬点载荷的影响 液流在地面管线中的流动阻力所造成的井1 3 回压对悬点将产生附 加的载荷。其性质与油管内液体产生的载荷相同。上冲程中增加悬点载 荷，下冲程中减少抽油杆柱载荷。 = 匕( 一f r ) ( 3 6 ) = p h f r ( 3 7 ) 式中 p h 。- - # t a 回压在上冲程中造成的悬点载荷，n ： p h 。井口回压在下冲程中造成的悬点载荷，n ； r 井口回压，p a ； 2 s 中国f i 油人学( 华尔) i 稗硕十学何论文第3 章x j f b 防偏磨抽稠泵的研制 、f r 杠塞及抽油卡t 的截面积，m 2 。 由于沉没压力和井口回压在上冲程中造成的悬点载荷方向相反，可 以相互抵消一部分，所以，在一般近似中可以忽略这两项。 ( 2 ) 动载荷 惯性载荷 抽油机运转时，驴头带着抽油杆杜和液杜做变速运动，因而产生抽 油杆柱和液柱的惯性力。如果忽略抽油杆杠的液体的弹性影响，则可以 认为抽油柯柱和液杜各点的运动规律和悬点完全一致。所以，产生的惯 性力除与抽油卡t 柱和液柱的质量有关外，还与悬点加速度的大小成j 下比， 其方向与加速度方向相反。 抽油杆柱的惯性力k 为： i 。= w r g w a ( 3 - 8 ) 液柱的惯性力i 为： i = w l g w a 2 ( 3 - 9 ) 式中考虑油管过流断面扩大引起液柱加速度降低的系数。 悬点加速度在上、下冲程中，大小和方向是变化的。因而，作用在 悬点的惯性载荷的大小和方向也将随悬点加速度而变化。上冲程中，前 半冲程加速度方向与运动方向相同，即加速度向上，则惯性力向下，从 而增加悬点载荷i 后半冲程中加速度方向与运动方向相反，即加速度向 下，则惯性力向上，从而减小悬点载荷。在下冲程中，情况则刚好相反， 前半冲程惯性力向上，减小悬点载荷；后半冲程惯性力向下，将增大悬 点载荷。 振动载荷 2 6 中国f l 油人学( 华尔) 1 - 群硕十学何论文第3 章x j f b 防偏磨抽稠泵的研制 抽油杆柱本身为一弹性体，由于抽油柯柱作变速运动和液杠载荷周 期性的作用于抽油杆柱，从而引起抽油杆柱的弹性振动，它所产生的振 动载荷亦作用于悬点上。其数值与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽 油机结构有关。 ( 3 ) 摩擦载荷 抽油