防气抽油泵设计.doc

防气抽油泵设计 防气抽油泵设计摘 要在高气液比油井中气体对泵效的影响十分严重这些气体占据泵腔的部分体积会降低泵腔内的充满度导致抽油泵阀球开启滞后甚至出现气锁现象气锁时还会发生液压冲击造成有杆抽油系统的振动加速其损坏结果造成抽油机井频繁作业使检泵周期缩短开发成本增加本文介绍的防气抽油泵采用机械起动和关闭的标枪阀结构克服了气锁现象本文首先介绍了国内外抽油泵的发展现状接着论述了防气抽油泵的工作原理初步确定了气液抽油泵的整体结构然后对气液抽油泵的整体结构尺寸进行了设计计算确定了泵的外径和泵筒的长度最后对抽油泵的主要零件如泵筒柱塞泵阀阀罩等进行了设计计算以及校核并对抽油泵的排量进行了计算通过本文的研究对抽油泵的研制起到一定的促进作用关键词气锁防气抽油泵低产结构设计Anti-gas pump designAbstract In the well with high gasoil ratio the gas has the destructive influence to the pump efficiency These gases hold partial volumes of pump cavity and reduce the fullness in the pump cavity which will cause the valve balls opening lag of sucker rod pumps and will even result in the gas lock The shock from hydraulic pressure follows the gas lock which causes the vibration of oil pumping system and accelerates its damage The result creates the frequent work of oil pumping well reduces the pump examining cycle and increases the exploiting cost This a rticle describes the anti-gas pump can overcome the gas lock by machinery starting and the closed javelin valve structureIn this paper it introduces the pump prevented gas-lock development present situation then discussed the graduated design the working principle of the anti-gas pump and preliminarily determines the overall structure of the anti-gas pump Next it designed and calculated the anti-gas pump to the overall structure and dimensions determined the pump diameter and the length of the pump cylinder In the end the main parts such as pump cylinder pump plunger pump valve and valve cover are designed calculated and checked for pump then the output volume is calculated Eventually it determines anti-gas pump what they design can prevent effectively gas- lock and work normally Their are some certain effects though study of this paper in promote the develop of the oil pump Key words gas lock anti-gas pump low production Structure desig目 录1 绪论111 国内外抽油泵发展现状1com 国外抽油泵发展及介绍1com 国内抽油泵发展及介绍312 国内外抽油泵优缺点介绍5com 国外抽油泵生产大国所生产的抽油泵特点5com 国内所生产的抽油泵类型比较613 研究意义614 课题研究内容715 创新点716 研究进度82 气液抽油泵的结构及工作原理921 防气抽油泵的基本结构922 防气抽油泵工作原理93 防气抽油泵结构设计1131 抽油泵总体尺寸计算11com 油管直径与泵径的匹配11com 抽油杆规格与泵径的匹配11com 抽油泵最大外径11com 抽油泵长度1232 抽油泵主要零件的设计与计算12com 古德曼图12com 泵筒的设计与计算17com 柱塞的设计与计算27com 泵阀的设计与计算28com 阀罩的设计与计算3233 泵的排量计算354 结 论365 参考文献376 致 谢391 绪论11 国内外抽油泵发展现状有杆抽油泵由于结构简单工艺成熟操作简便维修容易仍然是美国和俄罗斯等国的主要机械采油设备目前全世界约有75的油井是用有杆泵开采的有杆泵是有杆抽油装置的最关键部分它应用抽油杆的垂直运动或钢缆带动井下柱塞泵工作com 国外抽油泵发展及介绍国外石油机械制造商投入了大量的人力和物力来推动有杆泵采油的技术进步和提高其采油的经济效益近年来先后研制成功了一系列新型有杆抽油泵即双管泵和多相泵等抽稠泵抗冲蚀泵自旋转柱塞泵防砂防气泵和旋流柱塞抽油泵等防砂泵及连续油管抽油泵下冲程有杆泵和带收集柱塞抽油泵等高效抽油泵 防气泵美国Harbison Fischer公司研制了一种可在气锁情况下使用的新型有杆泵其泵筒上部为逐渐增大的锥形当柱塞上行接近上死点进入该锥形区后泵的漏失量增加其结果可均衡柱塞和游动阀上下的压力在柱塞下行时泵筒内可立即达到高压使游动阀强制打开这就可从根本上消除泵气锁使其在产气量大的油井上正常使用矿场示功图测试表明采用该种新型防气泵抽油光杆的最小载荷增大抽油杆柱的谐振减小泵上杆柱承受的压缩载荷降低由此可见采用它可从根本上消除泵气锁缩小杆柱的应力范围还可消除泵的气液击减轻泵的杆管磨损保证气量大井正常生产2 防气防砂泵美国CDI动力装置公司研制了一种防气防砂泵其捞砂工具安装在两节泵筒之间在每个冲程中柱塞都要通过它上下其冲程和柱塞的长度决定了泵筒的长度和工具的位置与目前的刮砂柱塞和高压缩阀罩相比其防砂效果是最好的在泵的下冲程柱塞在完全通过捞砂工具之前泵内气体被截留在柱塞和工具之间这时油管内的井液可向下进入工具气体就可排入其中上冲程柱塞通过工具时保留在其中的井液向下充满泵筒下方这就进一步减少了其中的气体减轻泵的液击和气锁它的下井成功率很高目前已在美国一些油田的严重出砂井和产气量大井上应用均获得了成功 PSZ陶瓷抽油泵阀美国Nilcra陶瓷公司研制了PSZ陶瓷抽油泵阀经过60多口油井实验结果表明平均检泵周期延长44倍每口油井修理费用减少13640美元具有很好的经济效益4 下冲程有杆泵美国Skilman 泵公司研制的一种下冲程有杆泵其主要结构特点是即使在下死点油管内的泵塞仍长于泵筒并且光杆直径与泵柱塞相同目前它已被制成管式泵和杆式泵使用它可以均衡上下冲程时举升的井液载荷和出油管线压力从而可降低杆柱的反向应力在上冲程时游动阀关闭井液充满柱塞下方的泵筒杆柱就举升等于杆柱直径的液柱同时油管内又增加了光杆和柱塞的体积而油管内的容积不变因此杆柱不承受井口回压在下冲程时柱塞和光杆下行使油管内容积变化就可将游动阀和固定阀之间的井液排入油管这时光杆进入油管内滞留井液的增压作用可将这一部分井液排出地表并且井液排出的压力由杆柱质量提供可进一步降低下冲程时的输入功率和杆柱的反向应力矿场使用结果表明它具有最大和最小载荷相等功率需求和电力消耗低杆柱故障少油井免修期长可抗砂和其他固体相磨损的优点 抽稠泵双管泵美国Multh泵液面控制公司开发了一种双管泵是由一根其中下入抽油杆的动力液管柱和一根生产管柱组成的双管柱它有一个装在抽油杆上的由磨光杆密封部件和液流转换头组成的转换装置可使液流沿生产管柱上行而这时的动力液管柱是被水稀油或煤油充满因它抽吸的稠油不从杆管间排出可减少稠油沿杆管环空运动的摩擦力此外其转换装置上还装有一个固定环形阀可防止井液中的砂砾进入泵内造成砂卡其柱塞上方的环形单流阀还可消除气锁如将其转换装置改为旁通管即可由泵入口注入稀释剂以抽吸特高粘原油目前采用该种双管泵已可使注蒸汽热采井增产原油使早先有杆柱断脱的冷采井在最高产量下生产并可抽吸特高粘原油矿场使用结果表明该种双管泵不仅可高效地抽吸稠油防止泵砂卡和气锁还可大幅度降低光杆负荷其结果可降低抽油电耗和油井维护成本大幅度延长油井免修期多相泵美国Quinn泵公司新近开发了一种多相泵它是专为抽吸泡沫含气液和稠油设计的该种多相泵取消了常规泵的固定阀和罩可降低井液进泵阻力增加入泵流量和完全消除泵的气锁并可抽吸含砂乳化液和稠油其游动阀总成位于柱塞顶部刚性密封环和固定阀位于泵筒上方这样就可在泵入口产生喷嘴效应使井液在上冲程时快速进泵另外用合成材料制造的固定阀托架上还装有橡胶刮子和密封环可有效地密封阀杆和防止抽油时阀杆遇卡泵在下冲程时固定阀首先关闭柱塞继续下行游动阀开启井液进入柱塞上部的泵筒上冲程时游动阀关闭泵筒内所有井液可由打开的固定阀托架进入油管并被抽吸到地表 旋流柱塞抽油泵美国Eagle技术革新公司研制了一种可直接安装在常规柱塞上方的旋流柱塞生产了一种旋流柱塞有杆泵它可使产液中的砂砂砾硫化铁和其它微粒快速通过泵总成防止它们聚集在泵筒与柱塞之间常规泵的柱塞与泵筒之间允许井液通过其污物就会在其中聚积柱塞在上下运动时就会被快速磨损特别是会在柱塞和泵筒表面产生划痕另外由此产生的摩擦力还会造成抽油机自动停机和杆柱断裂该种旋流柱塞有杆泵可在下行时强制携带柱塞与泵筒之间聚集的机杂物使其通过排出孔进入柱塞中心在其中与其他井液混合入泵再被排入油管在泵的整个上行期间机杂物均被收集在该种新型柱塞上部的锥形腔内在泵下行时它们就会被向上冲洗通过锥形腔的三翼形内表面进入油管与此同时安装在该种新型柱塞内的轴向带孔叶片还可使井液-机杂物不停地旋转其结果可使柱塞和泵筒均匀磨损延长其使用寿命 抗冲蚀泵美国Quinn泵公司开发了一种抗冲蚀泵由插入式导向罩钛硬质合金球座和顶部控制总成3部分组成它采用双层镀铬或聚合物柱塞密封可有效地防止地层微粒和压裂砂进入泵的柱塞泵筒内矿场实际使用结果表明采用它可有效地防止泵磨损砂卡和漏失从而可大幅度延长抽油泵在出砂井中的使用寿命和油井免修期降低油井维护成本8 自旋转柱塞泵美国研制了一种自旋转柱塞抽油泵其泵体与柱塞之间为刚性连接并且其泵体外表面还加工有可经由通道与其内腔连通的螺旋槽在下冲程时井内原油可通过上冲程时被堵住的孔进入柱塞再由柱塞内通道进入泵体最后再经由通道进入螺旋槽这样一来油流的上行分速度就可反过来作用于螺旋槽上缘对泵体产生一个扭矩在该扭矩的作用下泵体和柱塞就可顺时针转动这时因抽油杆柱是通过旋转接头与泵体连接的柱塞就可在泵筒内自由转动柱塞在每一下冲程的顺时针转动就可使其外圆均匀磨损并可清除柱塞与泵筒之间的积砂采用该种自旋转柱塞泵已使美国加里福尼亚中部的一个油田的严重出砂油井的维护费用下降了37油井小修次数下降了51修泵费用减少了48由此可见它适用于严重出砂井采用它可降低采油成本缩短油井停产时间延长油井免修期并可使死井变活增产原油com 国内抽油泵发展及介绍我国的抽油泵的品种质量水平已经接近国际水平研制出的常规整筒泵大量出口为适应多种油井条件的需要国内在生产常规标准抽油泵的同时又研制了许多特殊类型的抽油泵如防砂抽油泵防气斜井抽油泵液力反馈抽油泵防垢抽油泵以及应用于稠油井的抽油泵等多种特种泵1胜利油田根据需要研制开发了多种抽稠泵管式防砂泵防腐耐磨泵带余隙调零功能的阀式防气泵和排气抽油泵分层开采用的串联泵和分抽混出泵大排量双作用和三作用泵以及油气分采泵开发了用于深井斜井定向井丛式井以及水平井等的过桥式和机械启闭式抽油泵另外胜利油田也已小批量生产CYB70燕GLY和cyB8333GY型长泵筒无衬套金属柱塞抽油泵2吐哈油田有杆泵防气技术自1999年起在油田试验2001年开始规模应用截至2003年5月已在现场应用326井次平均提高泵效122单井增油142吨日应用效果显著3中原油田采油工艺研究所设计的ZY57-I型防气抽油泵防气抽油泵采用了无衬套整泵筒长冲程和软硬结合的短活塞结构特别是采用了承载阀放气孔标枪阀组成的排气防气结构实现了有气时可排气有油时可排油完全可以代替普通抽油泵抽油特别适用于各油田气油比高的抽油机井其泵效比普通泵效提高了以上并具有起下泵检泵作业简便寿命长等特点4如江汉油田研制了长冲程泵泵总长85m内径70mm外径90mm采用软活塞配整体泵筒结构与华北油田Bn型增距式抽油机配套使用平均泵效达915采油工艺研究院机械采油所研制了防砂抽油泵目前国内用于抽油开采特别是粘度较高稠油开采的抽油泵主要存在以下问题常规泵的固定凡尔在一般稠油条件下不能正常工作特别是在特稠油和超稠油条件下关闭迟缓或不能关闭这样抽油泵的泵况就遭到破坏当抽油泵遇到含砂油井时会导致砂卡因此目前常规泵不能很好的适应稠油开采特别是超稠油开采的需要为了解决稠油开采中上述问题采油工艺研究院机械采油所科研人员在2005年初开始对短柱塞低摩阻防砂抽油泵进行前期调研工作在调研的过程中了解到国内外同类抽油泵的技术发展情况抽油泵大多只是针对性的解决开采中一种问题针对这种情况采研院科研人员下决心研制一种较全面的短柱塞低摩阻防砂稠油泵以解决稠油开采特别是超稠油开采遇到的生产问题这个院项目组确定新型抽油泵的设计方案后科研人员在结构上大胆的采用了短柱塞结构同时应用重阀球结构解决稠油泵工作中阀关闭不及时的问题应用大的固定阀结构减少稠油入阻力设计了合理的环形及螺旋防砂结构使该泵具有较好的防砂卡功能6玉门石油机械厂已小批量生产CYB7018SGZY长筒泵还给辽河油田生产了CYB576GZY长筒稠油泵在长泵筒制造工艺方面玉门石油机械厂近几年搞出了两种整体泵筒制造工艺即大泵筒内壁镀铬和中型泵筒内壁辉光离子氮化从总体上看目前国内外抽油泵发展趋势是开发新型泵研制防砂防气等特殊泵并提高其关键件耐久性与可靠性以适应特殊油井条件及适应油井不同采液量的需要12 国内外抽油泵优缺点介绍com 国外抽油泵生产大国所生产的抽油泵特点世界上生产抽油泵的国家主要有美国俄罗斯法国加拿大和罗马尼亚等1美国美国有杆抽油泵的特点是标淮泵泵筒长筒化整体化零件规格标准化制造工艺及材质上的多样化因此可用不同材质不同制造工艺和各种零件规格型式组配的泵达几千种使用单位可根据各种井液及油井不同开采阶段选用所需的抽油泵在有杆抽油泵中标准型泵的数量占90其结构型式以杆式泵为主管式泵为辅标准型杆式泵共有9种结构型式38种基本泵径管式泵只有两种结构型式6种基本泵径其中金属柱塞和软密封柱塞各8种美国为满足不同油井采油工艺要求设计制造了非标准异型泵大排量双作用泵其结构特点是串联两个柱塞中间密封形成两个腔室比相应的杆式泵提高排量70左右比相同泵径的标准管式泵排量还高不用油管而直接固定在套管壁上的套管泵是靠一个既起封隔作用又起悬挂作用的井壁封隔器使用时只要顺时针转动抽油杆就能把泵固定在井壁的任意位置上提时不转动稠油转流泵其上部装有密封旁流装置使被抽的稠油排出泵以后从油管和套管的环形空间流到井口油管中则为轻质油可减少抽油杆上下运动的摩擦阻力液力反冲泵其结构采用两个柱塞游动阀和固定阀均装在运动部件上下冲程时上游动阀关闭从而借用油管液柱压力推动下冲程双级防气锁泵是利用两个定筒式杆式泵串联成一个泵形成上低压腔和下高压腔类似两级压缩机的工作机构重负荷全冲程抽油泵其结构是在厚壁筒两端增加一短节使柱寒在上下冲程时能越过泵筒端面因而工作中具有把杂质排除在泵筒之外的自洁作用并使泵筒全长均匀磨损同时短节台肩面能密封泵筒端头螺纹以防腐蚀性井液侵入美国现有三种泵筒一是普通整体泵筒用钢铸铁或抗腐蚀合金制成高碳钢泵筒内孔淬火硬度为HRC5457铸铁泵筒内孔镀铬镀层厚度为00762mm合金钢泵筒内孔氮化处理蒙乃尔合金加镀铬工艺的泵筒硬度高达HRC80适用于严重磨蚀和严重硫化氢与二氧化碳腐蚀同时出现的油井普通泵筒的长度有13种 com 厚壁泵筒壁厚为6475mm薄壁泵筒壁厚为33mm二是单衬套泵筒即钢外套内装一个铸铁或抗腐蚀合金的整体衬套长度与普通泵筒一样三为多节衬套泵筒虽然美国规范取消了这种泵筒而实际上仍在生产 每节衬套长300mm 这样可以利用长度不大的特种材料制造耐磨性高的泵筒如离心浇铸的高硬度铸铁衬套晶粒均匀致密使用效果较好成本也低2俄罗斯俄罗斯的抽油泵在9种标准泵型中有两种定为整体泵筒 俄罗斯研制了一种具有液力保护往塞副的无油管抽油泵该泵直接支承在套管封隔器上柱塞在机油内工作通过一个特殊橡胶隔膜泵装置抽送原油 俄罗斯为防止短节衬套泵的衬套措位和衬套间液流串通在衬套与外管间注入一种塑料使衬套与外管合一但结构较复杂修理困难俄罗斯近年研制了自封式注塞这种往塞能随柱塞副的磨损自动补偿消除间隙苏联软往塞的密封环采用246C号橡胶扯断强度ZOokgfcmTM一2硬度90以上为提高杆式泵柱塞的耐磨性在柱塞工作表面预先滚压菱形网纹槽以利于及时排除沉积在柱塞环形间隙中的微细砂粒及机械杂质从而减轻对柱塞的腐蚀com 国内所生产的抽油泵类型比较本设计主要涉及管式防气抽油泵的设计故重点介绍管式抽油泵类型的比较1斜井泵 优点可实现定向井井斜角60正常工作保持较高泵效2多功能长柱塞抽油 优点实现注采功能可实现不动管柱完成注汽转抽具有一定的防砂功能注汽孔可充当泄油器避免上提管柱原油污染井场可实现定向井井斜角60正常工作3液压反馈抽稠泵 优点可实现注采功能可实现不动管柱完成注汽转抽增加泵下行力克服泵上杆柱因为油稠造成的下行困难4防气泵 优点周期排气式抽油泵是常规管式泵的泵筒中间部分设计了一个气体储存腔室不增加其他任何结构及作业程序即可在抽油机带动柱塞上下抽吸的工程中通过此气体储存腔室周期性的把泵筒内的气体排出泵外达到防气的目的从而提高泵效使采油效率得到提高能有效减少气锁发生的可能性5短柱塞防砂泵 优点短柱塞结构和采用大配合间隙减小泵的柱塞下行阻力合理的防砂结构有效解决含砂井的卡砂问题 大的通道结构降低泵阀进油阻力防砂结构对短柱塞进行扶正有效的解决采用短柱塞而引起地偏磨问题采用加重阀球结构有效的避免稠油开采阀球关闭不及时问题6软柱塞抽油泵 优点实现泵筒柱塞零间隙泵效较高 具有防砂结构具有一定的防砂卡功能13 研究意义现有技术中的抽油泵的种类很多目前我国通用的是SYB型管式抽油泵这种泵的缸套绝大部分是由长度150mm或300mm的金属衬套叠加装配起来的其阀球结构均采用钢球阀球其中下部有一个固定阀球活塞上有两个浮动的游动的阀球活塞和抽油杆是刚性连接但在气油比较高的生产井中由于气体的可压缩性的影响往往造成游动阀球迟后打开或打不开严重的可造成气锁使泵抽空或严重地影响泵的效率直接影响井的产量在油田开采中后期的油井或动液面低的油井特别是高气液比的油井气体是影响抽油泵泵效的主要因素之一含气油井中的抽油泵阀球一般都会开启滞后当在泵腔内的气体所占据的体积足够大时不但下冲程时游动阀打不开甚至上冲程时承载阀也有可能打不开整个上下冲程中只是腔内气体在膨胀和压缩而没有液体举升此时抽油泵出现气锁现象无法正常工作气锁时还常发生液压冲击造成有杆抽油泵的振动并加速损坏因此在含气抽油井中需要使用具有防气锁和提高泵效的特种结构抽油泵我国自1958年以来大量使用有杆泵采油但是由于可供使用的有杆泵品种少规格不全泵效低检泵周期短标准化程度低适应性能差因而不能满足油田开发的需要泵效低是因井深地质情况复杂 地层渗透率低 油气比高使泵产生气锁 等因素所致为了消除原油中气体影响 提高泵效 增加单井产量井下防气抽油泵的研究具有重要意义14 课题研究内容本论文设计需要解决的重点问题就是防气抽油泵的结构设计使整个抽油泵的结构合理并能够相应地降低能耗1进行中外文资料检索和必要的调研完成外文资料翻译2主要认真查阅收集相关资料深刻理解论文所要设计的内容完成开题报告3了解防气抽油泵的意义及功能介绍4掌握防气抽油泵的工作原理分析其优越性5设计防气抽油泵机械结构并进行参数计算及性能校核6绘制防气抽油泵装配图设计图纸为零号图纸一张15 创新点1采用了无衬套整泵筒长冲程和软硬结合的短活塞结构不存在乱缸套问题克服了因 错乱缸套而造成的井下作业2本防气抽油泵采用了机械起动和关闭的标枪阀结构在上冲程时提前关闭下冲程时提前打开只要抽油杆一动标枪阀就会动作这样克服了由于气体影响使浮动阀球打不开而造成的气锁现象3本防气抽油泵的活塞采用了软硬结合的活塞体它具有软柱塞和硬柱塞的共性密封性能好没有漏失量同时采用了浮动活塞结构抽油杆与活塞体没有刚性连接因此可以相对运动可以减少因扭矩增大使抽油杆变形和断脱提高了抽油杆的寿命降低了采油成本4本防气抽油泵采用了放气装置使液柱中的砂粒沉淀于泵筒之外减少了泵内磨损提高了使用寿命同时实现了防气排气克服了气锁现象16 研究进度这次毕业设计的时间为结合导师的要求和自身的实际情况决定以下设计进度第一阶段 1周- 3周 熟悉论文题目进行中外文资料检索和必要的调研收集资料完成开题报告和外文资料翻译第二阶段 4周-10周 各性能参数的计算公式及其它参数的运动学方 程第三阶段 11周-14周 第四阶段 15周-16周2 气液抽油泵的结构及工作原理21 防气抽油泵的基本结构原理如图2-1所示图2-1 防气抽油泵结构示意图22 防气抽油泵工作原理防气抽油泵与常规抽油泵相比较其结构上有以下几个特点1出油阀为一阀所以此阀的开启不是靠压差而是依靠抽油杆上下机械移动来完成与柱塞为浮动连接15mm的相对运动距离径向彼此可以相对旋转上下拉杆头处各钻一个放气孔中心孔使上下放气孔连通2泵筒出油阀为一环形阀环形阀与杆滑动配合3柱塞较短一般为05m左右上段为硬柱塞下段为软柱塞提高了密封性能增加了与泵筒的摩擦力15mm提前关闭再带动柱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正常工作 因为防气标枪阀随抽油杆上下动作 根本不存在由于气体影响而造成标枪阀滞后打开或打不开的可能性当泵筒内上下腔室充满气体时由于气体的膨胀压缩性很大因此在上冲程过程中上腔室内的压力有可能低于液柱压力造成承载阀滞后打开或根本打不开的可能性但是这种泵设计有放气孔装置当活塞接近上死点时或离开上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是低压区而液柱是高压区由于压差的作用高压液体迅速通过放气孔占据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讯速完成液体和气体相互交替的过程这样可避免由于气体的影响造成承载阀延迟打开或打不开 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开始时标枪阀首先下行l5mm提前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3 防气抽油泵结构设计31 抽油泵总体尺寸计算com 油管直径与泵径的匹配管式抽油泵要与油管连接故油管直径必须与抽油泵的泵型相匹配1 同一种泵型同一种规格的抽油泵可以与一种规格或者两种规格的油管相匹配其目的是在空间允许的范围下提供较大的选择余地2管式泵油管内径必须大于杆式泵最大外径反映为油管尺寸代号比泵径尺寸代号前两位数值要大但有一部分如30-325TH等油管尺寸代号反而小于泵径尺寸代号的前两位数值说明此时柱塞直径大于油管内径柱塞必须事先放在泵筒内用脱节器与抽油杆连接com 抽油杆规格与泵径的匹配与抽油泵连接的第一根抽油杆规格已经标准化其推荐的规格见表3-1 表3-1 泵径与抽油杆规格的匹配尺寸15-12525-15025-17525-22530-27530-32535-375泵径mm3175381044455715698582559525抽油杆规 格CYG13 12 CYG16 58 CYG19 34 CYG19 34 CYG22 78 CYG22 78 CYG25 1 com 抽油泵最大外径管式泵最大外径受到套管内径的限制我国常用的是140套管壁厚最厚的一种内径为1177mm与它匹配的抽油泵最大外径应控制在小于116mm有时因作业需要应留出更大的空隙像70真空测试泵为了在套管与抽油泵之间窄小的环形空间内下仪器测试最大外径不得大于90mm有时为了在小套管中下大泵不得不采用一些辅助机构如脱节器等但是这样做不仅增加作业难度而且对工作的可靠性带来一定影响但本设计采用了无衬套整泵筒长冲程和软硬结合的短活塞结构不存在乱缸套问题克服了因 错乱缸套而造成的井下作业com 抽油泵长度抽油泵长度主要取决于泵筒长度它与冲程长度有关具体的说是柱塞长度冲程长度防冲距和加长短节长度等决定推荐柱塞长度和防冲距按表3-2选择表3-2 推荐柱塞长度和防冲距下泵深度90012001500180021002400270030003300柱塞长度060912121212151518防冲距060606060606090909本防气抽油泵的活塞采用了软硬结合的活塞体其特征在于活塞体的上部为硬柱塞体下部为多个软活塞环所组成其长度为05m软活塞环为尼龙材料32 抽油泵主要零件的设计与计算因各种零件的结构作用和工况不同设计计算的内容也有区别泵筒柱塞等零件侧重于强度刚度的计算而阀球阀座阀罩等零件则侧重与结构设计计算com 古德曼图石油机械疲劳强度计算时经常利用古德曼图图3-1它是一张极限应力图抽油泵是一种往复泵各种零件所受应力为交变应力可借用古德曼图进行计算com1 古德曼图金属材料用古德曼图 其横坐标是交变应力的平均应力纵坐标是最大应力和最小应力一张完全的古德曼图是最大应力和最小应力凸八边形构成的封闭图形工作在封闭图形范围内的零件其寿命可达到次循环以上是安全的从图中可知只要有关材料性质的三个数据抗拉强度极限屈服极限和实际耐久极限确定以后不难作出古德曼图只要几种零件的和相同可以共用一张古德曼图322 实际耐久极限试件在周期应力作用下不发生循环破坏循环破坏次数达到次的最大应力称为耐久极限耐久极限是通过表面光滑直径5-7mm圆柱形试件在转杆寿命试验机上试验获得的大量试验证明对于黑色金属和和部分有色金属耐久极限与材料抗力强度存在一定关系并于加载方式有关即 3-1 05673 3185MPa式中 耐久极限MPa材料强度极限MPa加载方式系数弯曲 轴向拉压 扭转 实际使用的零件与试样有差异工况与试验条件也不尽相同应将耐久极限根据实际情况进行调整使之能适应实际情况调整后的数据称为实际耐久极限影响实际耐久极限的因素主要有偏载情况直径大小工件表面质量和介质性质等图3-1 古德曼图l 偏载系数轴向拉压因偏心而产生不确定的弯曲将影响实际耐久极限对于抽油泵零件而言可取偏载系数2 直径系数抽油泵泵筒可取3工件表面系数工件表面粗糙度对耐久极限有较大的影响而且材料强度极限越大影响越明显抽油泵零件表面大部分经过机械加工故推荐表面系数为 3-24腐蚀情况系数有腐蚀介质存在将使实际耐久极限下降一般取腐蚀情况越严重系数越小无腐蚀取 095实际耐久极限综合比较实际耐久极限为 3-3 MPa交变应力最小应力min最大应力平均应力m应力振幅a应力振程r 它们之间的关系如下 3-4 MPa 3-5 MPa 3-6 MPa应力集中系数应力集中对耐久极限有很大的影响应力集中系数的大小可以参考有关书籍取用对于抽油泵而言大部分零件的危险断面在螺纹上推荐按表3-2确定应力集中系数由抽油泵泵筒材料选择则 30有应力集中存在时可以看作应力相应增加了倍仍可应用古德曼图此时计算应力比实际应力增大倍表3- 螺纹应力集中系数材料滚制螺纹切制螺纹退火钢HB2002228淬火冷拔钢HB2003038古德曼图解析法用图解法比较麻烦也不便于使用微机处理推荐使用解析法解析法的关键是如何用计算法求得与相应的允许最大应力振程为此把古德曼图分成四个区见图-1由于古德曼图已将极限应力曲线简化成为折线故不难求得诸直线的方程及交点的坐标从而求得与相应的各区对应的平均应力的范围允许最大最小应力和最大振程等的计算式列于表4-5应力极限最大应力极限 353MPa 3-7最小应力极限 - -353MPa 3-8各区分界处平均应力 2618MPa 3-10 154791353 198209 MPa安全系数根据考虑应力集中后的平均应力来确定所用古德曼图的区间并由相应的计算式求出允许最大应力振程则安全系数n为区间 3-12 MPa 则 3-13 40154883592 480区间 3-14 MPa 则 3-15 235683592 28区间 3-16 MPa 则 3-17 370区间 3-18 MPa 则 3-19com 泵筒的设计与计算泵筒是抽油泵的主要零件柱塞在其内作往复运动抽汲油液它又是固定阀泵筒接箍等零件的支持件泵筒是加工难度最大的零件价值约占整筒泵总价的60左右对泵筒的性能要求泵筒与柱塞形成一运动副要保证柱塞转动和往复运动灵活无阻卡且磨损均匀保证泵筒与柱塞之间有足够的密封能力要有足够的强度刚度和疲劳强度能适应深抽需要要有较好的耐磨性要有较好的抗腐蚀能力泵筒的材料从井下介质情况看主要存在固体颗粒和腐蚀性物质不同井中固体颗粒大小含量和腐蚀性物质的化学成分浓度都有变化应根据不同介质选择相应的泵筒材料为了更好地发挥材料的使用性能还应该与采用的工艺结合起来以达到较好的经济效益制造泵筒的材料主要有碳钢合金钢不锈钢和有色金属往往因受到泵筒毛坯供应情况的限制最常用的是碳钢和合金钢制造泵筒用的毛坯是紧密钢管现在国内已有生产可以分为两类一是直缝焊接芯轴拉拔的精密钢管这种毛坯壁厚均匀弯曲较小残余应力较小易于加工二是冷拔冷轧无缝管这种毛坯尺寸精度高表面质量好可以有效控制加工余量但壁厚不太均匀残余应力相对较大制造组合泵缸套一般用普通无缝钢管泵筒磨擦表面强化工艺主要有碳氮共渗或渗碳氮化和镀铬等国内还在进行镀镍镀碳化钨合金激光淬火等工艺试验均有成功的报道综合考虑 选择泵筒材料为45号钢镀铬制造泵筒的毛坯是精密钢管冷拔冷轧无缝管这种毛坯尺寸精度高表面质量好可以有效的控制加工余量泵筒摩擦表面强化工艺主要有碳氮共渗或渗碳氮化和镀铬等本设计采用镀铬各种泵筒材料与工艺对井下介质的适应能力对于常用几种工艺渗镀层厚度及硬度推荐数值见下表3- 表3-泵筒渗镀层厚度及硬度表面处理方法渗镀层厚度mm表面硬度HRC心部硬度HB镀铬6672207240渗碳或者渗氮共渗5866氮化HV8561307泵筒的技术要求内径制造偏差为mm形位偏差泵筒全长内内径变动量要求控制在制造公差内即最大为005mm内孔圆柱度用综合测量基本尺寸为D的泵筒用的综合量规检查时应能通过内孔表面粗糙度不大于Ra04泵筒强度计算泵筒分类按泵筒壁厚可分为薄壁筒中厚壁筒厚壁筒和超厚壁筒API规范中薄壁筒壁厚3175mm厚壁筒635mm中厚壁筒和超厚壁筒的壁厚由生产厂自定一般中厚壁筒壁厚4763mm超厚壁筒8 12mm本次设计中选用的泵筒壁厚为635mm按泵筒两端螺纹结构可分为外螺纹和内螺纹两种本次设计采用外螺纹按受力方式可分为挤扁和复合抗力两种对于管式泵THTP受复合抗力危险工况危险部位和危险断面对于管式泵而言无论上行程或是下行程均为危险工况上行程时泵筒危险部位在柱塞上方而下行程时泵筒在全长均为危险部位如图所示泵筒危险断面两端螺纹处推荐螺纹处计算直径为 3- mm 式中 螺纹处计算直径mm 螺纹螺纹大径mm 螺距mm图 抽油泵受力分析螺纹危险断面处承载面积计算如下外螺纹泵筒用于厚壁筒中厚壁筒 因此 44mm 5476mm危险断面承载面积 3-22式中 危险断面承载面积mm2 计算内经mm 计算外径mm3载荷分析筒内外压力筒内外压力是由井液造成的其计算式为 3-式中 筒内外压力MPa 井液密度kgm3设计计算时可取 103 kgm3 下泵深度m要求1500 m 井口回压M Pa依实际情况确定一般取 155 MPa计算时可取 2 MPa故有 216 MPa附加轴向载荷把由筒内压力造成轴向载荷以外的轴向载荷称为附加轴向载荷它包括泵筒组自重尾管重量井液浮力及柱塞和泵筒之间的摩擦力因泵筒组自重占轴向载荷的比例不大可忽略不计为安全起见井液浮力不予考虑故附加轴向载荷及应力为 3-25 3-式中 附加轴向载荷N 附加轴向载荷应力MPa W 尾管重量kg在下泵2000m时允许挂尾管重量3135 kg 柱塞与泵筒之间的摩擦力N井液粘度不大摩擦力可以忽略不计故设计时按 0考虑4应力分析从泵筒上取一应力元如图它受三向应力危险点在泵筒内径处图3- 泵筒应力分析图 3-27 216 MPa 3-28 3-29 6458MPa MPa 3- 3-31 MPa 5许用应力的计算泵筒一般用塑性材料制造推荐许用应力为 3-式中 许用应力MPa 材料屈服极限MPa45 碳素结构钢为353MPa n 安全系数n 12 16一般管式泵可取n 14 353 14 25214 MPa com MPa故满足强度要求最大下泵深度 3- 6223m式中 3-35因为6223m2000m所以满足条件允许挂尾管重量 3-故满足条件泵筒疲劳强度计算交变应力泵筒轴向载荷为应力为最大轴向应力是筒内压力形成的轴向应力与最小轴向应力之和考虑应力集中系数故交变应力为 3- 129 3- 11043MPa 3-39 MPa 3- MPa 3- 83592 MPa 3- 152226MPa2古德曼图的应用古德曼图的应力振程区间平均应力范围极限应力 允许最大应力振程a泵筒用40号钢计算时所取数据为可取加载方式系数偏载系数直径系数表面系数腐蚀情况系数应力集中系数b泵筒在井下时一般受拉即故它工作在古德曼图的区或区其分界处的平均应力为 3-43c疲劳强度条件 允许最大应力振程 应力振程d最大下泵深度最大下泵深度时故并应有如果工作在古德曼图区由表-5得最大应力振程为 3-44 故在区满足疲劳强度要求又因为 经整理有同理工作在区 3-4故在区满足疲劳强度要求 3-47 MPa在下泵深度H和筒内压力P均未知时是无法确定工作在某区的求解时可先初设在区由表-5得 3-48 有如果工作在区否则工作在区由上计算得则工作在区则用区公式计算最大下泵深度应是从强度出发所得和从疲劳出发所得之中的小者则 6223me允许加尾管重量计算与下泵深度相应的尾管重量时有 因为工作在区因此有 3-51尾管重量应是从强度出发和从疲劳出发所得之中的小者将符合美国API标准的整筒管式抽油泵最大下泵深度和允许加尾管重量见表 API管式泵最大下泵深度及允