一种新型容积式油井压油泵的研制

， 　， ， 　(南昌大学 机电工程学院， 江西 南昌　330031)

引言

通常泵可分为容积泵和非容积泵。非容积泵包括离心泵、轴流泵和混流泵等。容积泵则包括柱塞泵、叶片泵、齿轮泵等。非容积泵主要以输送介质为目的，也就是实现介质的转移，因此其输出压力要求不高，或者说通常不适合输出高压(效率随压力下降)，但输出流量大(流量随压力下降)。而容积泵则正相反，它通常以做功为主要目的，介质只是能量的载体，因此，其输出压力高，输出流量小，但稳定、效率高[1]。通过容积泵将油井数千米深的原油泵至地面，这种情况属于特例，它既以输送介质为目的，还需克服数千米高的水头，浓重的做功色彩丝毫不亚于工业中的液压回路。或许正是因为这种特殊性，国内外还未见容积泵数千米井底采油的相关学术报道。

油井产油中后期,井压、油品下降后，需用抽油设备将高水基原油强行从井下泵出。常用泵油设备，一是驴头抽油机，二是多级离心泵[2]。前者体积和重量庞大，需在井口周围修建相当面积的地基后才能安装、使用，其安装、拆卸、转运(需用重型卡车和工程吊车)十分不便，由于不能连续抽油(驴头下啄为吸油冲程，驴头上扬为抽油冲程，单向阀控制)，作业效率也较低(约20%左右)。后者潜入油井深处，从井底向地面泵油，与前者相比，体积和重量减小不少。由于是潜入井下，故无须方寸井口地基。但油井动则千米、数千米的垂直落差要求这种离心泵的级数多达十几级、几十级，由此，离心式潜油泵有相当惊人的几十米长度和数吨重量，其安装、拆卸、转运仍然十分不便，而且，级数增大，可靠性和效率下降，实际作业中，其泵油效率只有10%多一点，因此本研究提出了一种小型容积式径向压油泵。

1　新型容积式油井压油泵的结构和原理

新型容积式油井压油泵，其结构如图1所示，包括定子、转子、配流心轴、球塞、增压涡轮。先将增压涡轮2与转子6用销钉固定好，球塞5与转子6的缸孔贴合，然后转子6和球塞5与定子4内腔贴合，转子6与配流心轴7紧密贴合，连接法兰一端与定子4通过螺栓固定，另一端与电机通过螺栓相连。转子6与泵的传动轴通过花键相连，泵的传动轴与电机的输出轴通过联轴器相连。

1.吸油口　2.增压涡轮　3.出油口　4.定子　5.球塞 6.转子　7.配流心轴

该泵的原理如下所述，当花键轴带动增压涡轮2和转子6转动时，缸孔内的球塞5也随转子6转动，当转速达到一定数值时，在离心力、液压力和定子的反作用力的共同作用下球塞5沿定子4内轨作椭圆周运动，当球塞5由椭圆轨道的短半轴向椭圆轨道的长半轴转动时是吸油过程，当球塞5由椭圆轨道的长半轴向椭圆轨道的短半轴转动时是排油过程，而配流心轴7的作用是使吸入和压出的井下高水基原油(有时水分可达90%以上)按着规定的方向流动。高压原油从出油口3进入出油管，克服数千米的垂直落差后到达地面，完成深井高水基原油的开采。

2　新型容积式油井压油泵的特点及关键技术

2.1　新型容积式油井压油泵的特点

(1) 新型容积式油井压油泵克服了传统液压泵存在结构复杂、振动噪声大、易磨损、效率低等不足之处；

(2) 球塞与缸孔组成的摩擦副、配流轴与转子组成的摩擦副、球塞与定子轨道曲线组成的摩擦副都喷上WC陶瓷，所有陶瓷表面均用金刚石研磨，以达到所需的尺寸精度和表面精度；

(3) 偶数球塞，优点有：使转子6旋转系统在配流轴高低压腔(2个高压腔，2个低压腔，共4个腔，可被球塞总数整除)作用下受力完全周向对称，可有效降低分流机械振动和噪声，同时根据作用力和反作用力，配流轴的受力也是周向对称的，亦可有效降低配流轴分流的流体振动和噪声；

(4) 针对传统柱塞泵输送的流体黏度很高时，仅靠柱塞沿缸孔向外运动而产生的真空度来充分实现吸入介质是无法有效地输送高黏度流体介质的，该泵在吸入口采用了涡轮增压技术，可以将高黏度流体介质充分挤进缸孔，因此能高效输送高黏度高压力非牛顿流体，而对于黏度低的常规牛顿流体，涡轮增压则可增大吸入压力，防止泵产生气蚀等不利现象；

(5) 新型容积式油井压油泵其活塞为球体，径向尺寸小，非常适合安装于井下油管内狭小空间。该泵结构简单、可靠性高。泵组(包含潜油电机)潜入井下数千米深处作业，只有3 m长，不到100 kg重，单人即可安装，一辆自行车就可实现转运，最重要的是，该泵属于容积泵，和驴头抽油机、离心泵相比，效率可达惊人的70%以上。

2.2　新型容积式油井压油泵的关键技术

新型容积式油井压油泵的关键技术是对泵在高水基原油介质下的密封、润滑和摩擦磨损机理进行研究。

国内的学者对于容积泵的密封、润滑和摩擦磨损机理做了相关研究[3-9],但工作介质要么是(海)水,要么是液压油,或者是油水混合的乳化液。这些介质的成分和理化特性远不能同高水基原油相提并论。正是由于高水基原油这种介质的特殊性，导致新型容积式油井压油泵各主要摩擦副具有特殊的密封、润滑和摩擦磨损行为，这也是该泵研究的关键性技术之所在。

3　结构性能参数指标

该泵主要结构性能参数指标如表1所示,该泵使用不锈钢材质，泵外圆最大直径为102 mm，最大高度为123 mm，通过6个M10的螺栓连接法兰与电机，螺栓分布在直径为78 mm的圆周上。做出的样机主要结构部件实物图，如图2所示。

4　泵结构的优化

上述的新型容积式油井压油泵作为一种球塞泵是以球体为活塞的径向泵，其径向尺寸大大小于同等缸孔的径向柱塞泵，同时，球体的滚动代替了柱体的滑动，减少了摩擦，改善了润滑，但是球塞副属于线密封，密封长度几乎为零，密封难度大，并且高水基原油介质成分比较复杂， 除可能含有液体外， 还可能含有的沥青、 石蜡等固体润滑物质，对摩擦副的要求较高。因此，针对球塞泵中可能存在的球塞副磨损剧烈、泄漏量较大问题，因此对压油泵的结构提出了两种优化设计方案，如图3、图4所示。

表1　新型容积式油井压油泵各项参数

图2　样机主要部件

1.定子　2.转子　3.球头柱塞　4.配流轴

图4　优化方案二

1) 方案一

优化后的压油泵将用球头柱塞作为活塞，其他结构与球塞压油泵相同。球头柱塞由两部分组成，两端为球头，中间为圆柱体。

球头柱塞长度不超过球头直径，柱形密封面长度最大化，其径向尺寸与相同缸孔直径的球塞泵相当，结构紧凑。采用了密封长度为球头直径2/3的柱面密封，弥补了球塞副线密封的不足。

2) 方案二

在方案一的基础上，改进球头柱塞的结构，使其形状变为T型结构。前端为球头，后端为圆柱体。

圆柱体的直径为球头直径的1/2，使得活塞质量体积变小，活塞变得更轻巧，当转子在相同转速下时，更有利于吸排油，同时增大了柱形密封面长度，减小了球头的径向尺寸，使其相对于方案一有更好的密封性。但同时当转子在高速转动时，T型柱塞的球头和圆柱体连接处也会受到周期性的应力变化。

5　结论

(1) 由于油井是自下而上进行采油，原油需克服数千米垂直落差到达地面，这就要求采油设备具有较大的泵油压力。新型容积式油井压油泵为了实现较大的泵油压力，同时降低泵组长度重量，采用了涡轮增压技术，将原油介质充分挤进缸孔，使其在进入转子吸油腔前，进行预加压处理；

(2) 新型容积式油井压油泵在关键摩擦副处喷涂WC陶瓷，降低因摩擦而造成的机械损失，从而提高了泵的机械效率。对泵球塞副结构的优化设计，可增大密封面的长度，减少泄漏量，从而提高了泵的容积效率；

(3) 新型容积式油井压油泵相较于传统的油井产油设备在体积重量效率方面有明显的优势，其体积小、重量轻、结构简单、加工较容易、采油效率高。在当今不断追求高效率采油的背景下，该泵非常具有研究的价值。

参考文献：

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