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ANTIGASPUMPDESIGNABSTRACTINTHEWELLWITHHIGHGAS/OILRATIO,THEGASHASTHEDESTRUCTIVEINFLUENCETOTHEPUMPEFFICIENCYTHESEGASESHOLDPARTIALVOLUMESOFPUMPCAVITYANDREDUCETHEFULLNESSINTHEPUMPCAVITY,WHICHWILLCAUSETHEVALVEBALLSOPENINGLAGOFSUCKERRODPUMPSANDWILLEVENRESULTINTHE“GASLOCK”THE“SHOCKFROMHYDRAULICPRESSURE”FOLLOWSTHE“GASLOCK”,WHICHCAUSESTHEVIBRATIONOFOILPUMPINGSYSTEMANDACCELERATESITSDAMAGETHERESULTCREATESTHEFREQUENTWORKOFOILPUMPINGWELL,REDUCESTHEPUMPEXAMININGCYCLEANDINCREASESTHEEXPLOITINGCOSTTHISARTICLEDESCRIBESTHEANTIGASPUMPCANOVERCOMETHE“GASLOCK”BYMACHINERYSTARTINGANDTHECLOSEDJAVELINVALVESTRUCTUREINTHISPAPER,ITINTRODUCESTHEPUMPPREVENTEDGASLOCKDEVELOPMENTPRESENTSITUATION,THENDISCUSSEDTHEGRADUATEDDESIGN,THEWORKINGPRINCIPLEOFTHEANTIGASPUMP,ANDPRELIMINARILYDETERMINESTHEOVERALLSTRUCTUREOFTHEANTIGASPUMPNEXTITDESIGNEDANDCALCULATEDTHEANTIGASPUMPTOTHEOVERALLSTRUCTUREANDDIMENSIONS,DETERMINEDTHEPUMPDIAMETERANDTHELENGTHOFTHEPUMPCYLINDERINTHEEND,THEMAINPARTS,SUCHASPUMPCYLINDER,PUMPPLUNGER,PUMPVALVEANDVALVECOVER,AREDESIGNED,CALCULATEDANDCHECKEDFORPUMP,THENTHEOUTPUTVOLUMEISCALCULATEDEVENTUALLY,ITDETERMINESANTIGASPUMPWHATTHEYDESIGNCANPREVENTEFFECTIVELYGASLOCKANDWORKNORMALLYTHEIRARESOMECERTAINEFFECTSTHOUGHSTUDYOFTHISPAPERINPROMOTETHEDEVELOPOFTHEOILPUMPKEYWORDSGASLOCKANTIGASPUMPLOWPRODUCTIONSTRUCTUREDESIG目录1绪论111国内外抽油泵发展现状1111国外抽油泵发展及介绍1112国内抽油泵发展及介绍312国内外抽油泵优缺点介绍5121国外抽油泵生产大国所生产的抽油泵特点5122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11311油管直径与泵径的匹配11312抽油杆规格与泵径的匹配11313抽油泵最大外径11314抽油泵长度1232抽油泵主要零件的设计与计算12321古德曼图12322泵筒的设计与计算17323柱塞的设计与计算27324泵阀的设计与计算28325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。111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。（1）防气泵美国HARBISONFISCHER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。（3）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。（5）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。（6）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。（7）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。112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CYB83/33GY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ZY57I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91。（5）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CYB70/18SGZY长筒泵。还给辽河油田生产了CYB57/6GZY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121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种从1219M到732M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ZOOKGF/CM“，TM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。122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2011年2月23日至2011年6月6日，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周推导各性能参数的计算公式及其它参数的运动学方程，设计防气抽油泵结构及各零部件结构；第三阶段11周14周绘制图纸，撰写论文；第四阶段15周16周准备答辩。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21所示图21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）柱塞出油阀为一标枪形的锥形阀（标枪阀），所以此阀的开启不是靠压差，而是依靠抽油杆的上下机械移动来完成。标枪阀与柱塞为浮动连接，在轴向允许有15MM的相对运动距离，径向彼此可以相对旋转。上下拉杆接头处各钻一个放气孔，拉杆中心有一通孔，使上下放气孔连通。（2）泵筒出油阀为一环形阀，环形阀中心开一小孔，与拉杆滑动配合。（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311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30325TH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。312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31表31泵径与抽油杆规格的匹配尺寸15125251502517525225302753032535375泵径（MM）3175381044455715698582559525抽油杆规格CYG131/2CYG165/8CYG193/4CYG193/4CYG227/8CYG227/8CYG251313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。314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32选择。表32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。321古德曼图石油机械疲劳强度计算时，经常利用古德曼图（图31），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。3211古德曼图介绍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M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MAXMINAXIN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，710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BSQ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，NQS可以共用一张古德曼图。3212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710力称为耐久极限。耐久极限是通过表面光滑直径57MM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NB（31）NPBC056733185MPA式中耐久极限，MPA；N材料强度极限，MPA；B加载方式系数，弯曲轴向拉压扭转PC07,PC05,PC04PC。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31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。08LC（2）直径系数D抽油泵泵筒可取9（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SC（34089210SBC2）46375（4）腐蚀情况系数HC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0HC1重，系数越小，无腐蚀。H1H取09C（5）实际耐久极限综合比较，实际耐久极限为N（3LDSHNLDSHPBCC3）MPA08975063715493213交变应力最小应力MIN，最大应力MAX，平均应力M，应力振幅A，应力振程R，它们之间的关系如下（3MAXIN/24）1903/MPA526（3MAXIN/5）19403/2MPA785（3MAXIN2R6）19403MPA8573214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32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CK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。CKCK表33螺纹应力集中系数材料滚制螺纹切制螺纹退火钢（HB200）2228淬火冷拔钢（HB200）30383215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MJK区（见图31），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，MJM允许最大、最小应力和最大振程等的计算式列于表45。应力极限最大应力极限353MPA（3S7）最小应力极限353MPA（3IVS8）各区分界处平均应力（39）BB/MISNN637514963715492618MPA（3MIVUNS10）154791353198209MPA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CKM的计算式求出允许最大应力振程，则安全系数N为J（3NJK/R11）区间（3S2JKIM12）35126MPA408则（3R/IJKIN13）401548/83592480区间（321MJKINB14）52621547937MPA36则（3R/IJKIN15）2356/8359228区间（32JKIN16）15479MPA3082则（3/IJKIRN17）309582370区间（32JKIVSM18）3516MPA0则（3JKIVIRN19）105/839210322泵筒的设计与计算图32泵筒结构图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。3221对泵筒的性能要求（1）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；（2）保证泵筒与柱塞之间有足够的密封能力；（3）要有足够的强度、刚度和疲劳强度，能适应深抽需要；（4）要有较好的耐磨性；（5）要有较好的抗腐蚀能力。3222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34表34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0815加厚6672渗碳或者渗氮共渗25866氮化05HV85613072072403223泵筒的技术要求（1）内径制造偏差为MM。05D（2）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M30125检查时应能通过。内孔表面粗糙度不大于RA04。M3224泵筒强度计算（1）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812MM。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（TH、TP）受复合抗力。（2）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（33）所示泵筒危险断面两端螺纹处。推荐螺纹处计算直径为（3TD97020）562MM47式中螺纹处计算直径，MM0D螺纹螺纹大径，MM；螺距，MM。T图33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）（321）D102D因此44MM5476MM12危险断面承载面积（322）421DF576/2834M式中危险断面承载面积，MM2；F计算内经，MM；1D计算外径，MM。2（3）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（323）089PHP式中筒内、外压力，MPA；P井液密度，KGM3，设计计算时可取103KGM3；下泵深度，M，要求1500M；H井口回压，MPA，依实际情况确定，一般取155MPA，计BPBP算时可取2MPA，故有（324）398102P216MPA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325FCQW89（326）FC3072681MPA4式中附加轴向载荷，N；CQ附加轴向载荷应力，MPA；CW尾管重量，KG，在下泵2000M时，允许挂尾管重量3135KG；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FQ计故设计时按0考虑。F（4）应力分析从泵筒上取一应力元（如图34），它受三向应力，危险点在泵筒内径处。图34泵筒应力分析图（327）21DK4/58607216MPA（328）P21（3CZK22129）2075638116458MPAMPA（330）326RP（331）22D431CPKMPA22681657075（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（332）NS式中许用应力，MPA；材料屈服极限，MPA，45碳素结构钢为353MPA；SN安全系数，N1216，一般管式泵可取N14。353/14（333）25214MPAD4即25214MPA675MPA故满足强度要求。（6）最大下泵深度（334）MAX1H321089BCPA223514366223M式中（335）213KA296075因为6223M2000M,所以满足条件（7）允许挂尾管重量（336）1CWF3684730216KG故满足条件3225泵筒疲劳强度计算（1）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CQFC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22KPCK（337）221KV075/129（338）CKMIN11043MPA（339）CCKPVMAX1293681MPA4（340）PVCA5012936MPA47（341）ARPVKC1293683592MPA（342）05MCCVP1293681152226MPA（2）古德曼图的应用表35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BSNSJS2KMS2JKSM0BSN1NJNBNKMNB21MJKNB0NSJNKM2JKNNSS2JKS2JKSMA泵筒用40号钢，计算时所取数据为，可取加B637MPA35SPA载方式系数，偏载系数，直径系数,表面系数05PC08LC09DC腐蚀情况系数，应力集中系数4S89217BH0CKB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MIN界处的平均应力为T（343）TS/BNBN（）6375149/6371549（）2A8MPC疲劳强度条件JKR允许最大应力振程JK应力振程RD最大下泵深度最大下泵深度时故，并CMIN0,AXCPVKMC05PVCRPK应有。JKR如果工作在古德曼图区，由表35得最大应力振程为JK（344）2JKSM（）4015A8MP392故在区满足疲劳强度要求。又因为经整理有C2SMVKP（）（345）S35/129PA1P同理工作在区（346）/JKMNB（21547926/373A6MP408故在区满足疲劳强度要求。（347）2/BBNCMVKP6371549/23671549MPA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35得（348）C22MSMVK有（349）/S如果,工作在区，否则工作在区。TM由上计算得，则工作在区，则用1526M152618PAAM2MAXH区公式计算。（332MAX/9810NBBCBNVKHP（50）3/9810BP643572629M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MAXH1AXH2MAXH者。则6223MAXE允许加尾管重量计算与下泵深度相应的尾管重量时，有，MINCKMAXCVCKP，05CMCVKPRCPVK因为工作在区，因此有（351）32/051/9810/98BCBNBWFHP363767220548498120T尾管重量应是从强度出发和从疲劳出发所得之中的小者。W12W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36API管式泵最大下泵深度及允许挂尾管重量以及表37各种抽油泵最大下泵深度由此可得对于两个表满足条件323柱塞的设计柱塞是抽油泵重要零件，它与泵筒组成一个运动副，同时它又是游动阀、柱塞上部阀罩等零部件的支持件。抽油泵修复时往往通过加大柱塞尺寸来恢复泵隙大小的要求。对柱塞的性能要求表36API管式泵最大下泵深度及允许挂尾管重量（T）泵径（MM）下泵深度（M）38104455715698582559525AXH35402836210616581355113615004269422337581460160041554067313705331700404139122517180039273757189719003813351112762000369931350656表37各种抽油泵最大下泵深度（M）泵径（MM）泵型31753810444550805715635069858255TH,TP35402836210616581355RHA2537253218101254RWA,RSA209917991172966RHB,RHT2895289122311449RWB,RSBRWT,RST25392216132610083231对柱塞的性能要求（1）柱塞的材料。强化工艺应与泵筒构成理想的匹配；避免因电化学作用而加速腐蚀、磨损和粘住，像镀铬泵筒不可配用镀铬柱塞等。柱塞与泵筒的磨损速度大体相仿或柱塞略快些。柱塞与泵筒表面摩擦系数以小些为佳。（2）要有足够的强度、刚度；（3）要有较好的耐磨、抗腐蚀能力；（4）尽量减少液力损失。3232柱塞的材料柱塞的材料主要有碳素钢、合金钢、不锈钢和有色金属等，常用的是碳素钢。柱塞表面强化工艺主要是金属喷焊和镀铬，由于喷焊层在厚度、结合强度、耐磨、抗腐蚀和易形成油膜等方面都优于镀铬，且与共渗泵筒，镀铬泵筒都能构成良好的匹配，使用日见广泛。合金钢淬火柱塞也有少量应用。根据抽油泵结合防气抽油泵气液混合的工况，泵处于高硫化氢、二氧化碳和磨损的情况下，综合考虑选择镀镍碳素钢作为硬柱塞体。（硬度68HRC）软柱塞体材料为尼龙。3233柱塞的技术要求柱塞应能适应大批量生产的需要，并可以获得各种不同的泵隙供用户选择，将柱塞外径分成若干基本尺寸，分别记为0号、1号等。0号柱塞的基本尺寸是公称尺寸，以后代号增加1号其基本尺寸减少0025MM。如0号柱塞基本直径为DD，1号为DD0025修泵时需要加大柱塞，也用代号表示为1号、2号每加大一号基本直径增加0025MM。（1）外径制造偏差为（）（2）形位偏差（3）圆度偏差为0007MM；（4）柱塞中部径向跳动005MM；（5）外圆表面粗糙度不大于RA04