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机抽用井下高效气液分离器设计 I 摘要摘要 现在有杆泵抽油在各大油田的生产中占主导地位 但众所周知 油层除了产 出原油同时还会产出大量的伴生天然气 而这些伴生的天然气不可避免的有一部 分会进入泵筒 这部分气体会占据泵筒的容积 从而造成泵筒的容液量大大的减 小 由此 我们就会想到 把这些伴生的天然气在进入泵筒之前从液体中分离出 去 不让它进入泵筒内 这样就有了井下气液分离器即气锚的出现 现有的气液分离器大多是利用重力作用式和离心作用式 但是由于诸多原因 现在的分离器只能在一定程度上尽量减少气体的进入量 即使气体进入量很小 其对泵效的影响也是不容小觑的 因此设计出效果更好的气锚 仍然是很有必要 的 本设计中的气锚是利用了重力作用式与离心作用式相结合的高效气锚 将重 力分离部未能完全分离的气体在离心分离部分分离出去 以保证高效的抽油效率 该新型气液分离器适用于气液比较高的油井 在此分离器内设置了单独的气 液 流道 更加有利于气液的分离 该分离器是在泵上冲程抽汲时实现分离 而在泵 下冲程时将气体排入油套环空 关键词 气锚 重力式分离 离心式分离关键词 气锚 重力式分离 离心式分离 II Abstract Now the rod pumping is also the most important method of oil production But as we know the reservoir yields not only oil but also a lot of gas And inevitably part of the gas will enter the pump and occupy its volume Therefore the pump s volume for the oil will reduce seriously So we will thought that separate the gas from the oil before it entering the pump And the gas oil separator is invented Many separator used now use the gravity separation and centrifugal separation But of many reasons to some extent they could only reduce the volume of gas which will enter the pump Although the volume of entered gas is lot large it will affect the pumping efficiency to a extent So to design a more efficient anchor is necessary The separator I designed used the gravity separation with the centrifugal separation In the centrifugal separator will separate the gas which is not completely separated in the gravity separator so that the pump can have a high efficiency This new separator is suitable for the well which has a high gas oil ratio It provides separated passage for the gas and oil so the separation will be better In this separator separation is achieved when the pump stroking upward and exhausting the gas to the casing when the plunger going downward Keyword Separator Gravity separation Centrifugal separation 机抽用井下高效气液分离器设计 I 目录目录 摘要摘要 I ABSTRACT II 目录目录 I 1 1 引言引言 1 1 1 问题的提出与研究意义 1 1 2 国内外的研究现状 1 1 3 主要研究内容 4 2 2 分离器的分气机理研究分离器的分气机理研究 5 2 1 现有气液分离器大致分类 5 2 2 各种分离器的分气机理 5 2 2 1 利用滑脱效应的气锚 5 2 2 2 利用离心效应 7 2 2 3 利用捕集效应 7 2 2 4 利用气帽排气效应 8 3 3 新型气液分离器结构方案新型气液分离器结构方案 9 3 1 结构 9 3 2 分气原理介绍 9 4 4 新型气液分离器的结构设计计算新型气液分离器的结构设计计算 11 4 1 重力式部分计算 11 4 1 1 计算气锚外壳内径 D1 和吸入管外径 D2 11 4 1 2 计算气锚分离室长度 12 4 1 3 确定进液孔尺寸 13 4 2 离心式部分计算 13 4 2 1 单气泡在螺旋中的运动规律 14 4 2 2 液气混合物在螺旋内的流量 15 4 2 3 分离器储气部分长度以及直径计算 17 II 5 5 排气阀部分的计算排气阀部分的计算 19 5 1 排气阀直径的选择 19 5 2 阀座口结构 19 5 2 1 阀座锥角选择 19 5 2 2 阀座研合宽度 20 5 2 3 阀座外形结构的选择 20 5 3 球阀结构设计计算 20 5 3 1 研合深度 20 5 3 2 阀座孔径 21 5 3 3 阀口大径 21 5 3 4 阀座端面大径 21 5 3 5 心座距 21 5 3 6 球室高度 21 5 3 7 阀座厚度 22 5 4 排气阀开启问题分析 22 6 6 排气导管密封装置的选择排气导管密封装置的选择 24 7 各部分接头的设计各部分接头的设计 25 结论结论 28 致谢致谢 29 参考文献参考文献 30 机抽用井下高效气液分离器设计 1 1 1 引言引言 1 11 1 问题的提出与研究意义问题的提出与研究意义 绝大多数的油田生产时都有伴生气同时产出 不可避免地要有一部分气体进 入泵筒 这部分气不但占据了泵筒的有效空间 减少吸入的油量 形成吸入过程 的无效冲程 而且这部分游离气在柱塞由上死点下行时受压缩 不能像液体受压 缩时那样压力很快上升 达不到柱塞上部液柱压力时 游动阀打不开 不能进行 排油 当泵筒中都充满气时 游动阀始终打不开 就形成了气锁 为了降低气体 对抽油泵的影响 提高抽油泵泵效和油井产量 通常采用以下几种方法 一是增 加泵的沉没度提高抽油泵入口压力 减少自由气对泵的影响 二是采用井下气锚 使进泵流体在进泵前实现气液分离 达到提高泵效的目的 现普遍采用的是第二 种方法 而气锚多数是基于重力原理和惯性原理在气锚内分气的气体分离工具 也存在着游离气体不能完全分离出来 气锁问题不能从根本上解决 三是在泵的 结构上 减小柱塞在下死点处和固定阀间的余隙容积或使用双游动阀和两级压缩 抽油泵 此方法存在泵安全强度差 结构复杂 成本高的弊端 1 21 2 国内外的研究现状国内外的研究现状 1 国内外的石油工作者对气锚的研究有较长的历史 而且现在已经在大量 应用 气锚的类型很多 国外早在 60 年代以前广泛使用简单气锚 多级简单气 锚 到 60 年代中末期退出螺旋式气锚 70 年代出现碗式气锚 80 年代对螺旋气 锚从理论上有所突破 直径不段减小 效率不断提高 但是气锚大多都是利用重 力式作用或者离心式作用 在石油工业方面我们比国外晚 所以在装备上也比国 外起步要晚 但是最近这些年我们国内也出现了很多效果很好的井底气锚 现就 几种典型的气锚介绍一下 2 图图 1 11 1 这种气锚是美国石油工作者于 1947 年设计的 它利用了重力分离同时还加 入了一个迷宫结构 这个迷宫结构可以在液体进入锚筒向下流动的过程中将液流 反复地在径向方向甩进甩出 这样就促进了液流在下行过程中气体从中分离出来 图图 1 2 旋流式气锚结构原理图 图图 1 3 外管 衬官 内吸管剖面图 2 上图是由中原油田采油二厂设计的漩流式气锚 主要由上接头 外管 衬管 内吸管 内吸管是接在气锚主体内吸管接头下部具有相应长度和直径的一 根管子 和下接头组成 见图 1 2 外管上有很多小孔 孔的方向与外管内表面 上相切并向下倾斜 衬管上开有通道 外管与衬管之间形成一个环形空间 见图 1 3 油气混合液先经过外管再经过衬管 最后由内吸管进入抽油泵 由于外管上 的切线小孔的内表面是粗糙的 混合在液体里的气体经过时受到剪切作用 一部 分气体被分离 进入外管与内管环形空间的油气混合液形成漩转 在离心力的作 用下 油气混合液进行第二次分离 气体上升经过外管排出 液体下降经过衬管进入由衬管和内吸管组成的环形 空间 未被分离的气体利用重力分离原理进行第三次分离 最后剩余的油液进入 泵体 3 偏心气锚是根据吐哈油田高气油比特点 在结合国外最新的抽油井防 机抽用井下高效气液分离器设计 3 气技术的基础上 由吐哈钻采工艺研究院独立研制开发的一种新型井下油气分离 器 该工具是通过特殊的偏心结构 将油套环形空间分成大小不等的两个流道 改变井下流体的速度场 增大气体逃逸速度 改变井下压力场 造成液体特殊的 回流特性 同时采用特殊的流道设计 使气锚吸入流体为回流液体 增加流体的 变向达 2700 大大提高了气锚分气效率和对高气液比的适应性 其技术规格如下 适用 5 1 2 套管的偏心气锚 连接扣型 2 7 8 TBG 最大外径 109mm 工具总长 8130mm 适用产气量范围 15m3 d 适用气液比范围 50 3766 m3 m3 推荐小于 800m3 m3 适用 7 套管的偏心气锚 连接扣型 2 7 8 TBG 最大外径 127mm 工具总长 8130mm 适用产气量范围 15m3 d 适用气液比范围 50 7551m3 m3 推荐小于 800m3 m3 现有的井下重力式分离器差不多都是利用油套环空作为其沉降分离体 而用 于有杆泵抽油的螺旋分离器也都是利用螺旋流道 加上泵的抽汲 使得液流自己 在流道内产生旋转进而产生较大的离心力 使得密度较大的液体被甩到螺旋空间 4 外部 而气体则在螺旋内半径附近 进入螺旋芯管 从而经过气罩上的排气阀排 入油套环空 1 31 3 主要研究内容主要研究内容 1 广泛收集国内外关于油气分离器的分离机理以及结构介绍的文献资料 了解现有的各种分离器的优缺点 2 根据自己已有的机械设计制造方面的知识以及参考设计手册 计算出 各个部件的相关参数 3 设计各个流道分隔处的接头 4 选择各个联接处的螺纹 5 各个零部件设计 机抽用井下高效气液分离器设计 5 2 2 分离器的分气机理研究分离器的分气机理研究 2 12 1 现有气液分离器大致分类现有气液分离器大致分类 气液分离器按找分离原理可以分为 1 利用滑脱效应 2 利用离心效应 3 利用捕集效应 4 利用气帽排气效应 2 22 2 各种分离器的分气机理各种分离器的分气机理 2 2 1 利用滑脱效应的气锚利用滑脱效应的气锚 图图 2 12 1 简单气锚结构示意图 这种气锚以国内最早使用的简单气锚为代表 见图 2 1 a 上冲程时分气过程可分为四个步骤 第一步骤 气泡在套管内随液流上升时 由于油气密度差使油气产生滑脱 气 6 泡上行速度 Vg 等于液体上升速度 Vf 加上气泡在静止液体中上升速度 Vd 因此 气泡上升速度较液体上升速度快一个 Vd 进行气泡首次分离 根据斯托克公式 2 1 2 0 1 8 dog d g v 式中 气泡在静止液体中的上浮速度 cm s d v 气泡直径 cm 一般取 0 10 2cm d 原油密度 g cm3 o 气体密度 g cm3 g 油的动力粘度 Pa s 0 重力加速度 cm s2 g 因此 气泡上浮速度与气泡直径平方成正比 与液体粘度成反比 降低泵吸入口 压力使气泡直径变大会大大提高分气能力 而高粘原油中气泡不易分离 第二步骤 当气泡到达气锚进液孔附近时 液流要流向气锚进液孔 流动方向 发生改变 气泡上升速度及方向也将改变 气泡垂直分速度为 水平分速度 dfv vv 为流体的水平分速度 如图 2 1 所示 fh v 由图可见 液体比气泡更容易进入气锚 而且液体中气泡能否进入气锚将取 决与垂直分速度与水平分速度的比值 垂直分速度愈大 水平分速度愈小 则气 泡越不容易进入气锚 因此 越靠近气锚的气泡 水平分速度愈大 越容易被液 流带入气锚 气泡直径越小 垂直分速度愈小 越容易被液流带入气锚 第三步骤 进入进液孔的气泡 在进液孔附近进行三次分离 当油气刚进入气 锚时 液体流向是近似水平的 而气泡有向上的上浮速度 这时有部分气泡上浮 到气帽中 从排气孔排出 第四步骤 气泡在气锚内环形空间进行四次分离 这时气泡速度是液流下行 速度减去气泡上浮速度 气锚环形空间有一部分能分离的最小气泡滞留在环形空 间 b 下冲程时 泵排出阶段 不吸入 仅排液 此时泵固定阀以下液体流速为零 这时气锚中滞留的气泡在静止状态下上浮至气锚的气帽中 排到套管环形空间 这时分气效率最高的阶段 机抽用井下高效气液分离器设计 7 2 2 22 2 2 利用离心效应利用离心效应 图图 2 22 2 螺旋气锚示意图 由于滑脱效应的气锚分离效率较低 对于大产量 高气油比及高粘度油井 往 往设计气锚外径过大 大于套管允许的直径 为了解决这个矛盾 利用离心效应设 计气锚 以螺旋式气锚为代表 使含气油流在气锚内旋转流动 利用不同密度的流 体离心力不同 使被聚集的大气泡沿螺旋内侧流动 带有未被分离的小气泡的液体 则沿外侧流动 被聚集的大气泡不断聚集 沿内侧上升至螺旋顶部聚集成气帽 经 过排气孔排到油套环形空间 下冲程时 泵停止吸油 油套环形空间和气锚内的液 体中含的小气泡滑脱上浮 一部分上浮到泵上油套环空 另上浮进入气帽排入油套 环空 液流沿外侧经过液道进泵 如图 2 2 这种气锚对产量越高 气油比越大 气泡直径越大 油气分离效果越高 增加螺旋圈数 减小螺旋外径都可以提高分离 效率 2 2 32 2 3 利用捕集效应利用捕集效应 8 图图 2 32 3 盘式气锚示意图 如前所述 气泡直径越大 分气效率愈高 因此使小气泡聚集成大气泡便会大 大地提高分气效率 盘式气锚 如图 2 3 所示 其分气原理是以集气盘作为气泡捕 集器 将气泡聚集后利用液流的 90 转向时的离心效应 使油气分离 气体在盘内 聚集溢出时形成大气泡 沿气锚外壳的内壁上浮至气帽 经排气孔排到套管环形空 间 而液体从吸入孔进入吸入管进泵 这种气锚效率比简单气锚好 但低于离心效 应气锚 2 2 42 2 4 利用气帽排气效应 利用气帽排气效应 图图 2 42 4 气锚排气效应原理图 为了有效地将进液孔与排气孔分开 设计气锚时往往采用气帽与和排气阀的 结构 以确保排气孔不进液 只排气 结构如图 2 4 所示 其原理是 气锚内分出的 气体上浮进入气帽 使其充满气体 设进液孔处压力为 P 则排气孔外的压力等于 P 减去液柱压力 Pf 而排气孔内的压力等于 P 减去气柱压力 Pg 因为 Pf Pf 所 以 排气孔内压力大于排气孔外压力 当这两个压力差值大于克服排气阀质量时 则阀自动打开放气 机抽用井下高效气液分离器设计 9 3 3 新型气液分离器结构方案新型气液分离器结构方案 3 13 1 结构结构 1 上接头 2 排气导管 3 排气阀罩 4 排气阀球 5 阀座 6 气罩 7 储气管上接头 8 储 气管 9 上锚筒 10 储气管下接头 11 中间接头 1 12 螺旋 13 螺旋外管 14 中间接头 2 15 内中心管 16 下锚筒 17 下接头 18 堵头 图 3 1 新型井下气液分离器结构原理图 本气锚有上 下两级 见图 3 1 上级为螺旋气锚 由上接头 阀球 阀座 储气部分 上锚筒 螺旋外管以及螺旋组成 下级为沉降气锚 由下锚筒 内中心 管 下接头等组成 该型气锚适用于泵的下面不带封隔器进行封下采上的生产管 柱 3 23 2 分气原理介绍分气原理介绍 该气锚的分气过程见图 3 2 分为四个阶段 第一阶段是气泡在套管与气锚环形空间进行分离 当气泡随原油流向气锚时 由于液流方向的改变 在油气密度差的作用下 部分气泡直接上浮到油套环形空 间 第二阶段是进入锚筒的气泡在气锚孔眼部分进行分离 当气液混合物刚进入 锚筒时 液流为水平方向 而气泡有向上的垂直分速 因此在这一区域内 将有 部分气泡上浮到锚筒顶部 经过锚筒孔眼排到油套环形空间 10 第三阶段是锚筒内被液流带至孔眼以下的气泡在锚筒环形空间分离 在锚筒 环形空间的气泡 其中部分直径较大的气泡 因有一定的上浮速度 并不完全以 与液流相同的速度向下流动进入内中心管 必然滞留在锚筒环形空间 活塞下冲 程时 由于液体速度为零 这部分气泡便上浮到锚筒环形空间顶部经过孔眼进入 油套环形空间 图图 3 33 3 第四阶段是被液流携带入中心管的小气泡在螺旋气锚内分离 进入螺旋气锚 的气液混合物 通过螺旋器产生的旋转流动 由于油气密度不同 产生的离心力 使得原油沿螺旋外侧流动 气泡沿螺旋内侧流动 并形成大气泡上升到螺旋器顶 部进入气罩 然后通过单向阀排入油套环形空间 这种气锚将重力型气锚与离心型气锚有机地结合在一起 吸收了两者之长 克服了两者单独使用的不足 机抽用井下高效气液分离器设计 11 4 4 新型气液分离器的结构设计计算新型气液分离器的结构设计计算 气液分离器的计算包括 重力分离部分和离心分离部分 重力式部分按照简 单气锚的设计计算来计算 4 1 重力式部分计算重力式部分计算 按照简单气锚的设计计算可知 此部分需要计算的参数有 1 气锚外壳内径 D1和吸入管外径 D2 2 气锚分离室长度 3 确定进液孔尺寸 4 1 14 1 1 计算气锚外壳内径计算气锚外壳内径 D1D1 和吸入管外径和吸入管外径 D2D2 如前所述 欲使气锚分气效率最高 一般是取气锚环行空间液流速度 vf等于 需要分离的最小气泡的上浮速度 vd 也就是 vg 0 如果忽略气体密度取 0 g 则公式可改写为 4 1 2 0 1 8 d d g v 式中 原油的运动粘度 cm2 s 0 气锚环形空间流速为 2 22 120 4 60 4 p f D Sn v DD 4 2 2 22 12060 P D Sn DD 式中 vf 气锚环形空间液流流速 cm s Dp 抽油泵活塞直径 cm 12 S 光杆冲程 cm n 冲数 min 1 泵效 D1 气锚外壳内径 cm D2 吸入管外径 cm 气锚体积利用系数 0 其中 一般取 0 6 一般也取 0 6 则上面的公式可简化为 0 4 3 2 22 12 60 p f D Sn v DD 由设计原则 4 4 df vv 将 2 4 带入 5 式得 4 5 2 02 12 2 0 03 p D Sn DD d g 此处取 D1 62mm 而原始参数有 Dp 44mm S 4 8m n 6min 1 d 1mm g 10m s2 而且 经计算得 12 5mm2 s 0 将以上数据带入公式 4 5 得 D2 42mm 4 1 24 1 2 计算气锚分离室长度计算气锚分离室长度 为了保证在上冲程泵吸入过程中使分离室内气泡在这一级的分离效率要达到 90 分离室体积至少要等于泵的一个冲程吸入体积的 90 所以 4 6 2 2min 22 012 0 9 p D S l DD 机抽用井下高效气液分离器设计 13 式中 气锚分离室最小长度 cm 2min l 将上面的已知参数带入上式得 6700mm 2min l 气锚分离室的最大长度 应保证泵在每个排油时间内将需要分离的最小气泡上浮 到气帽内由公式 4 7 0 2max 30 d K v l n 式中 气锚分离室最大长度 cm 2max l 滑脱经验常数 0 K 取 1 2 公式 4 7 就可以简化为 0 K 4 8 2 2max 0 20d g l n 将上面的参数带入公式 4 8 得 2665mm 2max l 由于上面所述的两个要求要同时满足 所以取它们中的较大值作为该级气锚 分离室的长度 即 6700mm 2 l 4 1 34 1 3 确定进液孔尺寸确定进液孔尺寸 进液孔的面积应大于或者等于固定阀座内孔面积的 4 倍 根据原始参数抽油 泵的泵径为 44mm 所以查得 抽油泵阀座孔的内径为 22 5mm 所以 其面积为 2 2 D S 2 2 22 5 2 398m m 所以进液孔的面积就应为 22 398415921600Smmmm 进 因此 此处进液孔设计成 在锚筒周向上开四个均布的两端带圆弧的孔 其 尺寸为 长取 50mm 宽取 15mm 这样算得进液孔的过流面积为 22 15 357 52800Smm 过 14 明显地 的 所以这样选取也是合理的 4SS 过 4SS 过 4 24 2 离心式部分计算离心式部分计算 离心式气锚分气原理前面已经说到过了 它主要是利用油气以较高速度旋转 流动而产生的紊流及离心力作用将油气分开 为了简化计算程序 特作如下假设 1 气泡在液体内是均匀分布的 2 气泡在螺旋槽内移动时只考虑离心力场的作用 而忽略重力场的作用 3 液体密度是一致的 4 气液混合物以同一速度在螺旋槽内作旋转运动 因此 在螺旋部分设计中 除应用前面重力式的部分计算外重点要解决以下 几个问题 4 2 1 单气泡在螺旋中的运动规律单气泡在螺旋中的运动规律 根据气泡所受液体的离心力与气泡径向运动的阻力 可得出气泡在螺旋中的 运动微分方程为 4 9 2 18dr d dr 式中 气泡在螺旋中的角位移增量 rad d 气泡在螺旋中的径向位移增量 cm r d 气泡旋转半径 即气泡到出口处至气锚中心的径向距离 r cm 液体运动粘度 cm2 s 气泡旋转角速度 rad s 气泡直径 cm d 积分公式 4 9 得 4 10 2 18 lnr d 式中 机抽用井下高效气液分离器设计 15 气泡 或液流 从螺旋入口到出口时所走过的角位移 rad 由的定义可知 4 11 2 L b 式中 螺旋长度 cm L 螺距 cm b 因为 油气在螺旋中流量油气从进口到出口角位移 角速度 流动截面积油气从进口到出口位移 所以 6 21 21 2 10 2 2 m L q b rrb rrL b 4 12 6 22 21 210 m q b rr 式中 油气混合物在螺旋中的流量 m3 s m q 螺旋内半径 cm 1 r 螺旋外半径 cm 2 r 将式 4 11 4 12 代入式 4 10 得 4 13 2 rr e 4 14 62 222 21 0 7 10 m Ld q rrb 设计和选择气锚时 应保证才能使气体从液体中分出 进入螺旋芯管 1 rr 由式 4 14 可以看出 气泡直径愈大 得到的 愈小 r 增加螺旋圈数 即增加和减少亦可得到小的 而且减少更加敏感 Lbrb 小 得到的 也小 2 rr 越大 则 越小 m qr 16 4 2 24 2 2 液气混合物在螺旋内的流量液气混合物在螺旋内的流量 考虑在吸入口压力下 部分气溶解在原油中 并且只有上行程吸入过程气锚 中油气才流动 液气混合物在螺旋内的流量 m3 s 可以用以下式子表达 4 15 0 1 43200 OS mOW a QRRp qQQ p 式中 日产油量 m3 d O Q 日产水量 m3 d W Q 气油比 R 3 3 m m 溶解气油比 S R 3 3 m m 标准大气压 取 0 1 0 p a MP a MP 吸入口压力 绝对 a p a MP 先计算出 在次要先计算出 也即是要先算出混合物在螺旋内的 m q O Q W Q 实际流量 由于前面已经说到了关于泵的一些参数次处直接引用 所以有 Q QQ 理 0 6Q 理 2 6 44 4 8 6 1440 100 6 2 3 37 8m d 按照油井液含油率 5 计算则有 37 8 5 O Q 1 89 3 m d W Q O QQ 计算溶解汽油比 经查阅 油层物理 有公式 S R 0S Rp 式中 溶解系数 0 机抽用井下高效气液分离器设计 17 压力 p 经查 0 4 由于泵的沉没度为 300m 所以 3 所以 0 p a MP 0 4 3 1 2 S R 3 3 m m 将 代入式 4 15 得Q O Q W Q S R m q 1 891 67 1 20 11 37 8 432003 8 77 10 4m3 s 计算 由于前面设计的重力式分离部分的锚筒内径为 62mm 此处也的外筒 内径也选取与之一致的内径为 62mm 所以选取 螺旋外半径 31mm 2 r 螺旋内半径 15mm 1 r 气体旋转半径 14mm r 螺 距 b 2cm 将以上数据代入公式 4 12 得 46 2 8 77 1010 2 9 612 25 120 rad s 进而将 的值代入公式 4 10 得 r 2 2 18 12 5 10 ln1 4 120 10 0 63 rad s 最后有公式 4 16 2 b LK 式中 K 为保险系数 一般取 5 10 此处取 K 10 再将 b 以及的值代入上式 得 0 632 2 LK 2 cm 由于考虑到气液界面之间的粘度影响 所以将螺旋长度放大以增加螺旋圈数 以得到较小的 所以根据计算结果取 L 20cm r 18 4 2 34 2 3 分离器储气部分长度以及直径计算分离器储气部分长度以及直径计算 计算抽油泵每一冲程抽油量为 2 3 44 4 8 100 6 2 Q 4 4 10 3 3 m 根据前面设定的重力式气锚已经分离出了 90 的气体 所以现在仅剩下 10 的气 体 而气液比 500在井下 3 时就为 16 7 所以实际剩下的气 3 3 m m a MP 3 3 m m 体比例为 16 7 10 1 67 3 3 m m 所以在第二级分离中最多能分离出的气体体积为 4 4 10 3 1 67 7 38 10 3 3 m 取储气管内径为 40mm 则其长度为 39 12 7 38 1010 40 2 L 5876mm 由于气体的产出量不是一个稳定值 为了防止气体量有时的突然增加 造成储气 溶剂不够 所以 将取为 6000mm 1 L 机抽用井下高效气液分离器设计 19 5 5 排气阀部分的计算排气阀部分的计算 现已定下储气管的内径 可以按照泵阀的选取原则选取排气阀 选取材料为 ZAlSi9Mg 铸造铝合金 5 15 1 排气阀直径的选择排气阀直径的选择 阀球直径的大小对阀打开的灵活性和结构布置的合理性有较大影响 有推荐 阀球直径计算方法 直径为 5 1 0 73 6 Q DD 式中 阀球直径 mm Q D 储气管内径 mm D 将储气管内径代入式 5 1 得 0 7 30 3 6 Q D 17 4mm 根据计算结果在阀球的直径规格中选取直径最接近的阀球 选择直径为 19 05mm 的阀球 5 25 2 阀座口结构阀座口结构 根据阀座结构形式的不同可分为三类 带护锥式 不完全研合式和圆倒角式 带护锥式是常用的一种结构 适用于大部分材料制造的阀座 所以此处选择带护 锥式阀座 5 2 1 阀座锥角选择阀座锥角选择 阀座锥角的大小是否适当 往往直接影响抽油泵泵效的好坏 常用阀座锥角 取值范围为 45 90 从阀座孔过流面积的大小 密封性能的优劣 泵阀 2 启闭的灵活程度 密封稳定性的好坏和始启瞬间过流面积的大小等角度综合考虑 的理想取值范围为 65 75 推荐 70 此处选取 70 2 2 2 20 5 2 2 阀座研合宽度阀座研合宽度 阀座研合宽度 a 的大小不但直接影响阀座密封性能和结构 而且会影响阀座 加工难度和生产效率 应合理选择 对于带护锥式的有推荐值 5 2 0 4 Q aD 代入前面已经计算出的 23 813mm Q D 得 a 2mm 5 2 35 2 3 阀座外形结构的选择阀座外形结构的选择 根据阀座外形可分为平型 环槽型和台肩型三种 而平型是最常用的一种而 且已经标准化了 所以此处选择平型阀座 图图 5 1 5 35 3 球阀结构设计计算球阀结构设计计算 5 3 15 3 1 研合深度研合深度 有推荐值 0 04 现在只需要计算阀座孔径 阀口大径 阀座端面大径 心座距 球室高度 阀座 厚度 机抽用井下高效气液分离器设计 21 5 3 25 3 2 阀座孔径阀座孔径 有公式 5 3 0 cossin Q dDa 将前面的计算结果代入式 5 3 得 18mm 0 d 5 3 35 3 3 阀口大径阀口大径 有公式 5 4 1 cossin Q dDa 同上代入数据 得 20mm 1 d 5 3 45 3 4 阀座端面大径阀座端面大径 有公式 21 0 4ddtg 5 5 1 0 28d 代入上面的数据 得 21mm 2 d 5 3 55 3 5 心座距心座距 有公式 5 6 0 5sincos0 4sin30 Q hDa 将前面计算的数据代入式 5 6 得 8 8mmh 22 5 3 65 3 6 球室高度球室高度 有公式 5 7 1Q hhD 代入前面已知数据 得 32 6mm 1 h 5 3 75 3 7 阀座厚度阀座厚度 根据推荐值选取 当 50 时 H 12 7mm Q D 5 45 4 排气阀开启问题分析排气阀开启问题分析 本设计中的气体是在泵下冲程时排出的 而有总装图我们可以看到排气阀阀 座内孔端面以上受到的压力和端面以下受到的是有一个差值的 但是在泵上冲程 时 由于泵的抽汲作用 分离室内处于低压状态所以阀座内孔端面以上的压力就 会比其下面小 所以气体在上冲程是不能自动顶开阀球而排出储器管的 当泵下冲程时 泵的抽汲作用就没有了 而此时油层的流体仍然会在上面 300m 液柱的压力下进入分离器 也就在这个过程中 储气管内的压力也会逐渐 升高 最后达到 300m 液柱的压力 而我们知道要顶开阀球 只有阀座内孔端面上 下的压力差在端面面积上产 生的力大于阀球自身的重力 下面计算相关参数 由于阀球选取的材料上铸造铝合金 ZAlSi9Mg 在网上查得密度大概在 左右 取 33 2 65 10 kg m 33 2 65 10 kg m 而前面已经选好阀球的规格为 球径 19 05 mm 所以球的重力为 5 8 GVg 式中 G 为阀球重力 N 为阀球材料的密度 3 kg m 为重力加速度 g 2 m s 代入参数 机抽用井下高效气液分离器设计 23 3 39 19 05 2 65 101010 2 G 0 07N 而根据本设计中的分离器结构 阀座内孔端面上 下的压力差值相当于 7m 高的液柱 储气管长度 螺旋分离室长度 各部分的接头长度 所以它将 在阀座内孔端面上产生的力为 5 9 FpA 式中 F 为气体对阀座内孔端面下部的压力 N P 阀座内孔端面上下的压力差 Pa A 阀座内孔端面面积 3 m 由式 5 9 将具体参数代入计算 2 66 13 0 07 10109 2 FN 和前面计算结果比较 我们会发现 当泵下冲程 储气管的压力很快就能 回升到能够顶开阀球 所以阀球在泵下冲程时打开是没有问题的 24 6 6 排气导管密封装置的选择排气导管密封装置的选择 由于本设计中的部件都是固定件无运动件 所以此处的密封也属于静态密封 在选择和设计静态密封连接时 对设计人员来说可供选择的密封元件很多 密封 元件对一种产品或一台设备的质量和使用寿命有着决定性的影响 同时 设计人 员根据选择的种类来确定大部分的设备成本和装配成本 因此 密封件的正确选 择和从属的工艺技术的优化组合体现了产品在多方面达到要求 每一个选择过程 的出发点是使用的可能性和选择方案的合理 根据装配关系 排气导管设计内径为 10mm 而外径为 20mm 所以此处选择 O 型相交圈密封 见下图 6 1 和 6 2 其内径 d1 14mm d2 1 8mm h 1 38mm b 2 4mm 图图 6 16 1 图图 6 26 2 机抽用井下高效气液分离器设计 25 7 各部分接头的设计各部分接头的设计 根据各个部分接头要达到的效果选择了如下四个接头 图图 7 1 上接头 该上接头 根据油管尺寸选择了油管螺纹 而且根据流体的流向要求 7 2 8 设置了一个交叉流道 在轴向挖的一个幺孔 而在径向做了一个通气孔以便气体 排出 26 图图 7 2 中间接头 1 这个中间接头要连接外部锚筒同时还要连接内部的螺旋分离装置和储气管 所以外部连接也选择油管螺纹 而内部的则选择的普通螺纹连接 7 2 8 30 1 5M 同时这个接头也在轴向的外部做了一个幺孔以便液流通过进入上部的泵吸入口 图图 7 3 中间接头 2 该接头要求要连接外部油管和下锚筒同时还要连接下部的内中心管 而且只 要求中心管中的液流继续向上流动 而将这部分分离出的气体堵住从进液孔排出 机抽用井下高效气液分离器设计 27 所以 结构如上图 而外部选择油管螺纹 而内部则选择的普通 7 2 8 42 1 5M 螺纹 图图 7 4 下接头 这个接头的要求是要连接上部的下锚筒和连接下部的堵头 或者要接的沉砂 管 所以两处都选择油管螺纹 一个是母锥一个公锥 7 2 8 1 5 6h M42 50 3 0 5 45 1 45 M44 4 56h 3 2 B 0 5 45 0 02 B 50 57 6