抽油泵柱塞改进6.doc

1 抽油泵柱塞工艺改进抽油泵是油田井下采油的主要设备，主要由泵筒、柱塞、固定阀和游动阀等组成。柱塞的上游动阀罩是影响抽油泵使用寿命的关键部件，上游动阀罩在柱塞往复运动中既承担着较大的拉力和下行时的压力，又起着关闭和开启阀的作用，同时还是泵内油流进入油管的通道，是整个泵中最容易受到损害的零件。由于阀球在上游动阀罩出油室内频繁磨损和冲击，加上来自管杆柱的交变载荷和高速、高压液流的冲击，导致上游动阀罩疲劳断裂。通常发生在32、38、44 mm小泵径抽油泵的柱塞开口阀罩上，57mm以上的抽油泵则很少发生。随着部分低产能区块的开发及油井含水的上升，泵挂深度增加、产出液含水高，柱塞开口阀罩断裂现象时有发生，因泵故障导致躺井的机率大幅上升，不得不引起关注。图2 柱塞开口阀罩断裂形貌以常规38mm深井泵为例，柱塞上游动阀阀罩是整个抽油管串断脱最集中的部位。图1 柱塞开口阀罩结构图其原因，一是阀罩上有3个出油槽，承载面积偏小。阀罩的最小承载截面积只有204mm2，仅相当于16mm抽油杆的截面积(201mm2)；二是阀球在阀罩内1a时间要跳动31066106次，在部分井上游动阀球对阀罩内壁的磨损较严重，削弱了承载能力。整筒泵柱塞开口阀罩结构见图1，该结构符合API SPEC 11AX抽油泵及其组件规范，也是美国National oilwell公司技术图纸的设计形状，有三个流道槽、三个连接筋。其断裂部位发生在连接筋的中部，断裂形貌如图2，连接筋内侧有明显的阀球撞击的圆形形状，连接筋被阀球的多次撞击发生了延展变形，使连接筋中部变薄，承载能力下降，在达到一定程度后，发生断裂破坏。20102011年，黄88块维护作业中，柱塞上阀罩断裂6井次，占同期维护作业工作量的11.3%。从断裂处可见柱塞内壁被阀球研磨变薄；发生柱塞断裂的油井均有腐蚀结垢现象。阀罩表面点状及坑状腐蚀属于典型微生物腐蚀特征，同时通过对阀罩表面刮取垢样分析，主要为腐蚀产物为FeS。 1.1受力分析抽油泵工作过程中，上冲程柱塞开口阀罩内阀球关闭，阀球承受液柱压力；上冲程转换为下冲程时，柱塞下行对泵筒充液腔产生的压力通过阀座孔作用于阀球上的力必须大于阀球承受的液柱压力阀球才能打开，受力分析如图3。在打开瞬间，这个力作用在整个阀球上，使阀球对阀球腔室（阀罩连接筋、球腔顶部位置）产生撞击力，同时对抽油杆柱产生向上的作用力，造成柱塞上部的抽油杆弯曲，产生压应力，这也是造成抽油杆柱下部在承受拉压应力载荷作用下易发生断裂的原因之一。柱塞开口阀罩结构参数、连接筋的承载面积、抽油杆的承载面积如表1。从表中数据可以看出，柱塞开口阀罩3个连接筋处的承载面积都比16mm抽油杆的承载面积大，38mm柱塞开口阀罩3个连接筋处的承载面积与19 mm抽油杆的承载面积相当，44mm柱塞开口阀罩3个连接筋处的承载面积比22 mm抽油杆的承载面积大；在现场深井杆柱组合设计时，32、38mm抽油泵柱塞上部通常与16 mm抽油杆连接。图3中，D1为阀球直径mm；d1为阀座孔径mm;D2为柱塞直径mm；p1为阀球关闭时作用于阀球上的液柱压力，MPa；F1为阀球关闭时作用于阀球上的液柱压力，N，F1=/4D12p1；p2为阀球打开瞬间作用于阀座上的压力，MPa(即泵充液腔压强)；F2为阀球瞬间打开后p2通过阀座孔作用于整个阀球上的力，N，F2=/4d12p2；当F2F1时，阀球才能打开；F3为阀球瞬间打开后作用于阀球下部压力与上部压力的压差产生的对阀球的冲击力，N，F3=/4D12(p2-p1)；F4为上冲程转为下冲程后，抽油杆柱推动柱塞下行，使柱塞下部泵腔变为高压腔达到压力p2时，所需的杆住下行力，N，根据作用力与反作用力原理，这个力将反向作用于抽油杆柱上，为抽油杆的轴向压力，F4=/4D22（p2-p1）。按1000m泵挂深度计算（不考虑沉没度和井口回压），设定作用在阀球上的液柱压力为10MPa；则阀球打开瞬间，作用于阀球上的压力p2、阀球对球腔的撞击力F3、产生压力p2所需的杆柱下行力F4（即作用于抽油杆上的轴向压力）。抽油泵工作情况下受力情况如表2，从表中计算数据可以看出，在1000 m泵挂时，阀球开启瞬间对阀腔的撞击力在1800N以上，随着泵挂的加深，撞击力将更大，而频繁撞击极易造成开口阀罩的损坏；柱塞下行力对杆柱造成的轴向压力在5000N以上，将会造成抽油杆柱下部的弯曲破坏。表1 连接筋处与抽油杆承载面积对比参数参数抽油泵抽油杆32mm38mm44mm57mm16mm19mm22mm阀球腔孔径/mm19.9 24.8 29.7 36.3 阀罩外径/mm30.5 37.0 43.5 55.6 流道槽宽度/mm12.0 16.0 18.0 22.0 承载面积/mm2219.6 283.0 403.0 726.0 198.0 285.0 388.0 表2 抽油泵工作时受力情况泵径/mm32384457D1/mm19.05 23.83 28.58 34.93 D1/mm14.90 18.20 22.20 27.40 p1/MPa10.00 p2/MPa16.3517.1416.5716.25F3/N1808318342135986F4/N5025809310167159961.2 2012年阀罩断裂治理对策2011年，针对柱塞开口阀罩断裂现状，与渤海石油装备新世纪机械制造公司技术人员合作，对常规的32mm、38mm、44 mm整筒泵柱塞结构进行工艺改进。一是在柱塞开口阀罩内不装阀球，即柱塞组件采用单阀副形式，这也是最为直接简单的使开口阀罩不承受撞击的处理方式，在API SPEC 11AX抽油泵及其组件规范中，这种结构是杆式泵的标准结构，以减少柱塞开口阀罩的断裂事故；二是采用双闭式阀罩结构，见图3，为在柱塞的上下部各连接一个闭式阀罩，柱塞开口阀罩只起液体流通通道作用，改善柱塞开口阀罩的受力状况。柱塞阀罩图3 柱塞上、下各连接一个闭式阀罩2012后，黄88断块油井抽油泵柱塞采用改进的结构形式。黄88-38井，2012年5月检泵作业时，下入双闭式阀罩的抽油杆，同年11月柱塞后置阀罩腐蚀疲劳断裂，仅有97天；黄88-3井，2012年8月作业时，柱塞采用单阀副形式，2013年4月因下阀罩研磨、腐蚀穿孔作业，时间185天。断裂、穿孔破漏形貌见图3。1.2 2013年改进情况2013年，针对采用单阀副形式的柱塞进行工艺改进。1.2.1 改进加工工艺根据凡尔罩受力情况分析，并结合凡尔罩断裂机理，从凡尔罩结构、材质优选、加工工艺三个方面进行改进：（1）结构优化在设计上，采取“凡尔球和出油腔”分离的技术思路，在凡尔罩和凡尔球之间增加“梅花”型挡板，实现阀球腔与出油腔分离，一方面彻底解决了凡尔球和凡尔罩避免的高频碰撞、研磨，另一方面在分离的基础上，增加凡尔罩厚度，整体提高凡尔罩的抗拉强度。（2）材质优选主要针对井筒腐蚀情况和管柱长度，从两个方面进行优选：一是针对井筒腐蚀严重井，将凡尔罩的加工材质由45#钢改为2Cr13，以提高抗腐蚀性能；二是对泵深大于1600m的井，将凡尔罩的加工材质改为35CrMo，以提高凡尔罩的抗拉强度。表3 不同材质性能对比表材料Cr含量抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）调质后的硬度（HRC）450.2560035525