新型稠油掺液泵的设计及强度校核方法

曲占庆，曲冠政，王 璐，牛淑芳，杨 阳，姚 佳

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266555；2.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001；3.中国石化胜利油田分公司滨南采油厂，山东滨洲257600） ①

新型稠油掺液泵的设计及强度校核方法

曲占庆1，曲冠政1，王 璐2，牛淑芳3，杨 阳1，姚 佳1

（1.中国石油大学（华东）石油工程学院，山东青岛266555；2.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺113001；3.中国石化胜利油田分公司滨南采油厂，山东滨洲257600）①

针对稠油粘度高、在井筒内流动阻力大等问题，设计了一种新型稠油掺液泵。建立了泵筒和锥形阀连杆的力学模型，校核了其强度。泵筒的受力可以简化为有端盖的圆筒受均布压力，危险点在泵筒螺纹的内径处；连杆主要承受交变拉应力。该泵原理简单，工艺上容易实现，能够实现油管掺液、套管生产，柱塞下混合降粘，克服了泵上掺液不能降低进泵原油粘度的缺点，是稠油掺液举升的一种理想抽油泵。

稠油；掺液泵；结构；强度

稠油油藏在开采过程中主要有2大难题［1－2］：①稠油粘度高，在地层的渗流阻力大，使得原油不能从油层流入井筒；②即使稠油能够流到井底，由于降压脱气和散热降温使稠油在井筒中的粘度进一步增加，使稠油在井筒中的举升难度进一步增大。针对稠油在油层中渗流阻力大的问题，常采用热处理油层技术；对于稠油在井筒中举升困难的问题，常用电加热降粘、掺化学剂降粘、掺稀油降粘及热流体循环等降粘技术。掺稀油降粘技术是通过减少沥青的质量分数从而减少可溶沥青粒子相互纠缠程度达到稠油降粘的目的。有杆泵采油技术是一种占主导地位的机械采油方式，也是目前应用较为广泛的稠油举升工艺技术［3］。考虑到掺稀油降粘技术，同时结合有杆泵开采稠油技术，笔者设计出一种新型的稠油掺稀泵。

1 稠油掺稀泵结构

稠油掺稀泵由不同直径的2台泵串联组成，上下柱塞之间通过空心连接筒连接。其结构可分为泵筒总成、柱塞总成和固定阀总成3大部分（如图1）。泵筒总成由上、下泵筒通过接头连接而成，是固定阀、泵筒接箍等零件的支持件，柱塞在其内作往复运动。柱塞总成包括上、下柱塞及滑阀、连接筒、锥形阀等。柱塞与泵筒组成一个运动副，又是滑阀、滑阀罩等零部件的支持件；上柱塞直径大于下柱塞，上、下柱塞通过连接筒连接；锥形阀由定导器、滑套出油接头、连杆、阀体和阀座等组成，它改变传统阀为连杆结构，由抽油杆上、下行程控制锥形阀的开启与关闭。固定阀总成是抽油泵的重要组成部分，它包括进油阀、出油阀等，主要由阀罩、阀球和阀座组成，对抽油泵的泵效和可靠性有很大的影响。阀罩采用更加合理、国内应用广泛的槽形球室型闭式阀罩，为大流道结构，有3条导向内筋，对阀球的运动起到导向作用。

图1 稠油掺稀泵结构

2 工作原理

抽油机上冲程中，抽油杆通过定导器和连杆，使锥形阀迅速上行闭合，推块带动柱塞上行，由于上柱塞截面积大于下柱塞，上泵腔容积变大，压力降低。当滑阀两端压差达到一定时，滑阀打开，掺入的液体从油管进入上泵腔内。同时，进油阀在泵筒内外压差作用下打开，吸入稠油；出油阀复位关闭。

抽油机下冲程中，抽油杆通过连杆带动锥形阀打开，并带动定导器的定位凸台与滑套柱塞接头相碰，通过定导器作用在柱塞上一个向下的力，在这个力和上部液柱的共同作用下，柱塞下行。2个柱塞间的环形腔体积迅速减小，压力迅速增大，滑阀关闭，掺入液通过锥形阀进入下泵腔，与稠油在下泵腔内混合，最终由出油阀排出到油套环空，流向地面。

3 泵筒和连杆的强度校核

抽油泵所抽汲的液体中含有砂、蜡、气、水及腐蚀性物质，且抽油泵在数百米到数千米的井下工作，工作环境复杂、条件恶劣，因此有必要对泵筒及连杆进行强度计算［4］。

3.1 泵筒强度及疲劳强度计算

泵筒总成由上、下泵筒通过接头连接而成，是固定阀、泵筒接箍等零件的支持件，而且柱塞在其内做往复运动，因此泵筒要有足够的强度，以便适应深抽需要。泵筒所受外部压力可通过式（1）计算，即

3.1.1 泵筒应力分析

泵筒的受力情况可以简化为有端盖的圆筒受均布压力。从泵筒上取一应力元进行分析（如图2），得到危险点在泵筒螺纹的内径处，三向应力的大小分别为［5－6］

其中：

图2 泵筒应力元分析

3.1.2 强度条件

采用第四强度理论可较好地解决塑性材料三向应力强度问题。

强度条件为：［σ］≥σd4

3.1.3 泵筒疲劳强度条件

在泵工作时，泵筒疲劳主要由所受到的交变拉应力引起，根据文献［5］所介绍的方法，对泵筒进行疲劳强度计算。考虑应力集中，交变应力为

利用古德曼图（如图3）进行泵筒及连杆疲劳强度校核。工作在由点A、B、C、…、H构成的封闭凸8边形内的零件其寿命可达到107次循环以上，是安全的。

横坐标是交变应力的平均应力σm，纵坐标是最大应力σmax和最小应力σmin。过横坐标σm上任意点L（σmL）的垂线交古德曼图于J、K点，它们代表的应力σJ是该σmL下允许最大应力，σK为允许最小应力，允许最大应力振程为

图3 古德曼图

疲劳强度条件为：σrg＜σJK

其安全系数为：n＝σJK／σr

解析法解古德曼图是将其划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个区，利用边界线的方程求得与σm相应的σJK。

最大应力极限在Ⅰ区和Ⅳ区，其值分别为

各区分界处平均应力为

3.2 连杆的强度及疲劳强度计算

连接锥形阀的连杆在上冲程中承受着掺入液液柱的载荷，而下冲程中基本不受载荷作用，因此要有足够的强度和疲劳强度。根据文献［6］中介绍的方法，连杆所受载荷及应力为

4 滑阀弹簧的设计

滑阀中弹簧参数选择是否合理影响到滑阀能否在上冲程中打开、下冲程中关闭。普通弹簧的设计方法为根据弹簧的工作载荷和在工作载荷下的变形量等已知条件来选用弹簧的类别及其材料，再计算弹簧参数，最后根据国标来选择合适的弹簧。对于掺液抽稠泵滑阀弹簧，由于上述条件不能够完全已知，无法算出所需的弹簧参数，因此不能用普通弹簧设计方法进行设计，需要采取一种不同于常规方法的新方法来进行弹簧设计。

4.1 滑阀弹簧参数计算

由式（9）可以得到选用弹簧的工作区范围，其上下限表达形式为

在得到弹簧的最大和最小工作载荷后，进一步计算出在最大和最小工作载荷下的高度以及弹簧的实际工作行程，其公式为

图4 滑阀弹簧的设计流程

4.2 滑阀弹簧的校核

4.2.1 强度校核

在计算弹簧的脉动疲劳极限时，应该考虑到弹簧的使用寿命很长，变载荷作用次数应取大值，所以脉动疲劳极限的计算公式为

该弹簧材料的抗拉强度σspb可由许用弯应力［σsp］＝0.5σspb算出。初定旋绕比和曲度系数可以由式（13）计算。

最大和最小循环变应力由式（14）计算，即

由此可以计算出弹簧的疲劳安全强度和弹簧的静强度安全系数，即

许用安全系数［Ssp］＝1.3～1.7，应满足Ssp1＜［Ssp］，Ssp2≈［Ssp］。

4.2.2 稳定性校核

在没有导杆或导套的情况下，弹簧的设计应满足条件：bsp≤bc

若弹簧高径比bsp不符合条件，要按照下式进行验算：Pspc＝CspBkspHsp0Pspn

如不满足上式，应重新选取参数，改变bsp值，提高Pspc，以保证弹簧的稳定性。如果设计结构受到限制，不能改变参数时，应设置导杆或导套。弹簧与导杆（导套）之间的径向间隙由表1确定。

表1 导杆及导套与弹簧的间隙 mm

4 结论

1） 该稠油掺液泵原理简单，工艺上容易实现，是稠油掺液举升的一种理想抽油泵。柱塞下掺液，克服泵上掺液不能降低进泵原油粘度的缺点，减少稠油对柱塞运动的阻力；管内掺液，油套环空出油，避免了抽油杆和稠油的摩擦，减少了抽油杆柱运动的阻力。由于地下产出液不进入泵筒与柱塞间隙，避免砂磨柱塞，从而延长了泵的使用寿命。

2） 设计了可以调节弹簧初始位置的滑阀弹簧调节螺母，使滑阀能够在不同的情况下顺利打开和关闭。

3） 建立泵筒和锥形阀连杆的力学模型，泵筒的受力情况可以简化为有端盖的圆筒受均布压力，危险点在泵筒螺纹的内径处；连杆主要承受交变拉应力。

［1］ 张 琪.采油工程原理与设计［M］.东营：中国石油大学出版社，2000.

［2］ 李战防，王金泰，王济新，等.稠油热采掺热自控装置研制及应用［J］.石油矿场机械，2007，36（5）：86－89.

［3］ 薛令东，廖文山，宋 全，等.国外新型有杆抽油泵及其特点［J］.石油矿场机械.2006，35（6）：81－83.

［4］ 盛曾顺，王奕兰.API整筒管式抽油泵下入深度和允许加尾管重量的计算［J］.石油机械，1989，17（4）：9－15.

［5］ 姚希梦.弹性力学［M］.北京：机械工业出版社，1987.

［6］ 沈迪成，艾万诚，盛曾顺，等.抽油泵［M］.北京：石油工业出版社，1994.

Design of New Heavy Oil Mixing Fluid Pump and Strength Check

QU Zhan－qing1，QU Guan－zheng1，WANG Lu2，NIU Shu－fang3，YANG Yang1，YAO Jia1
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.College of Petroleum and Gas Enginerring，Liaoning University of Petroleum and Chemical，Fushun113001，China；3.Binnan Oil Production Plant，Shengli Oil Field Branch Company，Binzhou257600，China）

Aiming at the problem of high heavy oil’s viscosity and obstinate resistance while the process of well bore flowing，a new type of heavy oil pump mixing liquid is designed.Besides，the mechanical models of the pump barrel and conical valve were Established.The Force of the pump barrel could be reduced to a cover of the cylinder subjected to uniform pressure，and the dangerous point was in the diameter of the thread at the pump barrel；Rod is mainly exposed to alternating tensile stress.The pump is an ideal heavy oil pump，with the feature of principle simple，easy to achieve on process.

viscous crude oil；mixing liquid pump；structure；strength

1001－3482（2012）02－0021－06

TE933.3

A

2011－08－10

国家自然科学基金项目（50376043）

曲占庆（1963－），男，山东莱州人，教授，主要从事油气田开发工程方面的研究，E－mal：quzhq＠upc.edu.cn。