环阀顶置式中空泵的研制

赵明宸

(中国石油化工集团公司胜利油田分公司，山东 东营 257061)

环阀顶置式中空泵的研制

赵明宸

(中国石油化工集团公司胜利油田分公司，山东 东营 257061)

基于稠油井抽油泵柱塞下行困难、抽油杆柱下部受压屈曲变形、管杆偏磨严重等问题，研制了环阀顶置式中空泵。该泵在常规抽油泵的上部设计环阀结构，通过环阀的坐封和启封来实现泵的吸液和排液，实现了过泵加重的目的。本文研究了中空泵的坐封性能和启封能力，试制了型号为CYBΦ44×5抽油泵样机，完成了该泵部件及整体结构的密封性及漏失量测试。试验结果表明：泵阀开启良好，整泵工作正常，说明环阀顶置式中空泵的结构设计合理，可满足使用要求。

中空泵；环阀；结构设计

0 前言

能源短缺是目前世界各国面临的重要问题。随着常规原油的不断开采，其储量和产量逐年递减，可供开采的稀油资源仅剩下1700×108t，而全球已探明的稠油资源储量超过3000×108t[1]。近年来受油稠、油井结垢结蜡、泵挂加深等因素影响，使得抽油泵柱塞下行阻力增加，抽油杆柱下部受压屈曲变形，增加了管杆偏磨故障，严重影响了三抽设备的无故障运行时间。抽油杆柱受交变载荷影响，疲劳寿命下降，使得抽油杆杆断井数增加，已成为制约检泵周期延长的瓶颈问题。

通常的工艺是采用抽油杆柱底部、泵上加重的方式改善杆柱受力，该方式虽能部分减小管杆的偏磨、降低杆柱屈曲的功效，但泵上仍然存在受压杆柱不能完全消除偏磨、屈曲问题。另外，在推广新型轻质碳纤维抽油杆时，必须构建泵上受拉的条件，才能满足抽油杆的工作要求，提升碳纤维抽油杆推广的效益。因此，研究过泵加重技术和设备，是减少杆管偏磨、减少抽油杆断杆、提高泵效、促进稠油开采和碳纤维抽油杆推广使用的重要技术手段。为此，我们提出了环阀顶置式中空泵的结构并进行了设计和试验，较好的解决了上述难题。

1 设计环阀顶置式中空泵的必要性分析

1.1 目前的技术现状

为解决由于稠油的粘度高、下行阻力大造成普通抽油泵阀球关闭滞后的问题，设计了机械阀式抽稠泵[2]。机械阀式抽稠泵的凡尔依靠机械力作用迫使锥形阀打开，其可靠性较高；但机械阀易损坏、漏失严重，使用寿命偏低。为了改善机械阀的受力状况，提高机械阀的使用寿命，对机械阀式泵进行改进，研制出了Ⅱ型机械阀式泵[3]。Ⅱ型机械阀式泵利用上部液柱压力作为液压反馈力，增加了泵的下行推力，克服了油稠造成的下行困难等问题；但需要两台不同泵径的抽油泵串联而成，增加了加工制造难度。同时，稠油井使得泵筒与柱塞之间、稠油与抽油杆之间的摩擦阻力增大，造成抽油杆下行困难，加剧抽油杆的交变程度，使抽油杆容易断脱。姜文峰等研究了液力反馈抽稠油泵[4]，将排出阀改为环形阀，减小了井液浮力，对提高泵效有一定的作用；但适应性较差，只在油气比250～450的油井里工作效果较为明显。

综上所述，目前的抽稠泵均是通过改变作用在柱塞上的载荷，起到减少下行阻力，扩大泵的吸入效果，但由于其结构和原理的限制，只是减少了柱塞的下行载荷，不能全部消除柱塞的压力，也就不能解决下部杆柱受压的问题。

1.2 研制环阀顶置式中空泵的必要性分析

设计新的抽油泵结构，实现泵下加重，从根本上解决稠油或类似油藏开发中柱塞下行阻力较大、下部杆柱受压的问题，不仅对于稠油和特殊油藏的开发，而且对新型碳纤维连续抽油杆的推广应用有重要意义。

杆柱底部的拉压疲劳是抽油杆断脱的主要因素，抽油杆底部加重能降低杆柱中和点位置，提高杆柱稳定性。但是泵上加重使中和点下移程度有限，仍未消除底部杆断隐患。而且，泵上加重降低了过流面积，增加了流动阻力，因此采用泵下加重的方式是解决问题的方法之一。

通过对东辛采油厂631口井杆断位置剖析并结合抽油杆的受力分析，得到平均断点与泵深关系如图1所示。

图1 平均断点位置与泵深关系Fig.1 Relationship of average breakpoint position and pump depth

由图1分析得，抽油杆柱平均断点位置与泵深的回归关系：

y=0.646x-55.02

(1)

抽油杆柱断点位置，集中在泵挂深度的55%～60%之间。

抽油杆柱上行时，受到拉伸变形，而抽油杆柱下行时主要受到如图2所示的作用力，在这些力的作用下发生屈曲变形。

图2 抽油杆柱受压屈曲变形图Fig.2 Force buckling deformation graph of sucker rod column

图2中，柱塞与泵筒的摩擦阻力为

(2)

式中，dP为抽油泵柱塞直径，m；δ为柱塞与衬套之间的间隙，m。井液通过游动凡尔的阻力为

(3)

式中，AP为柱塞截面积，m2；f0为游动凡尔座孔断面面积，m2；S为冲程，m；n为冲次，min-1；ρ为井液密度，kg/m3；μ为流量系数，取0.82。

抽油杆柱下端面受到的浮力为

F浮力=ρg∑AriLri

(4)

式中，Ari为各级抽油杆的截面积，m2；Lri为各级抽油杆的长度，m。

2 环阀顶置式中空泵的整体结构设计

过泵加重设计的难点在于如何实现过泵结构，环阀顶置式是一种解决途径，中空泵整体结构如图3所示。

1.加长管 2.拉杆 3.出油接头 4.环阀 5.环阀座6.环阀罩 7.锁爪 8.锁套 9.上游动阀 10.柱塞 11.下游动阀 12.泵筒 13.进油接头 14.加重杆图3 环阀顶置式中空泵整体结构图Fig.3 Structure of hollow pump with top mounting ring shaped valve

下冲程时，拉杆下放，带动柱塞下行，环阀座下方、游动阀上方容积增大产生负压，在上部油压及空腔负压的共同作用下环阀坐封环阀座，而上下游动阀在负压和井底液的压力共同作用下打开，井液进入泵筒、充满空腔，完成吸液。

上冲程时，拉杆上提，上下游动阀关闭，柱塞上行，环阀座下方、游动阀上方容积减小，游动阀上方液体推开环阀，液体进入油管，完成泵筒排液。

3 关键部件的受力分析

环阀的结构及功能是环阀顶置式中空泵使用性能好坏的关键，其中环阀坐封性能以及开启能力是最关键的技术之一。

3.1 环阀坐封性能

环阀结构及下冲程时环阀受力图如图4所示。

图4 环阀结构及下冲程受力图Fig.4 Structure of ring shaped valve and force diagram of down stroke

图4中，环阀下冲程时受到向下的力有：上部液柱的压力Fu，环阀内壁与拉杆相对运动时的油膜摩擦力Fm1，自身重力G；受到向上的力有：环阀外柱面的油摩擦力Fm2，环阀浮力Ff。

环阀受到上部液柱对其的压力Fu为

Fu=Pu·Au

(5)

其中内部油压为

Pu=P0+ρg(L-Hs)

(6)

式中，P0为油井套压，MPa；ρ为井液密度，kg/m3；L为下泵深度，m；Hs为动液面高度，m；Au为环阀上部受力面积，m2。

显然，Fm1>Fm2，G>Ff，轴向受力Fu+Fm1+G>Fm2+Ff，即作用在环阀上向下的力大于向上的力，环阀下行、关闭泵筒。环阀坐封后，Fm2消失，同时由于环阀下方空腔容积增大，产生向下的负压，在Fu、Fm1、G及负压综合作用下，环阀可靠地坐封阀座。

3.2 环阀启封性能

上冲程时拉杆上行，游动阀关闭，柱塞上提，泵筒内容积减小。环阀自身重力G、浮力Ff保持不变，环阀受到的摩擦力Fm1、Fm2反向，环阀受到上部液柱的压力Fu变化忽略不计；由于液体不可压缩性，环阀下部受到油液压力Fd急剧上升，当Fd+Fm1+Ff>Fu+Fm2+G时，环阀开启。

环阀的起跳高度[5]为

(7)

式中，S为柱塞截面积，m2；L为柱塞冲程长度，m；ω为柱塞往复的频率；φ为液体收缩系数，0.7；c为液体通过阀缝的流速，m/s；D为环阀直径，m；θ为曲柄转角。

经计算得环阀的最大起跳高度为5.54 mm，此时环阀打开，流道通畅。

4 整泵的制造和试验

基于上述设计、计算结果，试制了一台环阀顶置式中空泵，型号：CYBΦ44×5。依据标准GB/T18607-2008，检测各部件及整体结构的密封性及漏失量测试，室内试验如图5所示。

图5 中空泵室内试验图Fig.5 Indoor test picture of hollow pump

在规定的不低于23 MPa试验压力下，保压3 min，憋压试验结果显示压力降不超过0.5 MPa。环阀球座真空度抽至0.064 MPa，保持5 s钟没有出现泄露现象，说明球座具有较好的真空度。将柱塞置于泵筒中拉动轻快均衡，转动灵活，无阻滞现象。

环阀顶置式中空泵室内憋压试验、球座真空度试验、柱塞灵活性试验等性能试验，试验效果良好，表明所研制的环阀中空泵CYBΦ44×5达到了设计标准要求，能够满足现场下井试验的使用要求。

5 结论

基于目前稠油井特种泵剖析的基础上，研制了环阀顶置式中空泵，实现了泵下加重，能增加杆柱下行动力。分析了中空泵的坐封性能和启封能力，按照设计结构试制了型号为CYBΦ44×5样机，完成了环阀顶置式中空泵室内憋压试验、球座真空度试验、柱塞灵活性试验等性能试验，试验效果良好。说明环阀顶置式中空泵的设计理念先进，结构合理，可以较好地解决稠油井杆柱下行困难，改善抽油杆柱的受力状态。

[1] 段友智. 稠油热采化学调驱复合体系研究[D]. 东营：中国石油大学(华东)，2010.

[2] 刘国升，付希恒.机械阀式超稠油电热抽油泵:中国，CN99225179.6[P].2000.

[3] 吕凤梅. 电热抽油泵的研制[D]. 东营：中国石油大学(华东)，2007.

[4] 姜文峰. 双强制启闭机械阀液力反馈抽稠油泵[J]. 石油机械，2009，37(5)：94-95.

[5] 沈迪成. 抽油泵[M].北京:石油工业出版社，1994.

·实验研究·

Development of hollow pump with top mounted ring shaped valve

ZHAO Ming-chen

(Shengli Oilfield Co., Ltd., Sinopec Group, Dongying 257061, China)

Hollow pump with top mounting ring shaped valve was designed because of subsurface pump’s piston down going difficultly, the lower part of sucker rod deforming by pressure, and in order to overcoming eccentric wear of sucker rod and tubing as well. The ring shaped valve that was located in the upper part of normal subsurface pump could complete suction and flowing back by seating sealing and unsealing, at the same time it could realize loading heavy weight by passing through pump. The performance of sealing and unsealing of hollow pump was analyzed, and the prototype with CYB Φ44×5 type was prepared. The sealing performance and leakage of whose hollow pump all parts and whole structure were tested. The test results showed that the hollow pump with top mounting ring shaped valve had reasonable design and could meet operating requirements completely.

hollow pump; ring shaped valve; structure design

2016-03-31；

2016-06-28

基于井筒流场的排采自适应控制技术研究与推广示范(2016ZX05042003-001)、同井“三气”合采关键设备研制(2016ZX05066004-002)、海上稠油、边际油田三抽人工举升方式关键技术研究(ZR2014El015)联合资助。

赵明宸(1968-)，男，中国石化股份胜利油田分公司东辛采油厂高级工程师，博士。现主要从事油气田开发方面研究工作。

TE952

A

1001-196X(2016)06-0017-04