实心柱塞双向抽油泵研制与应用

吕新青

(日照原野机械制造有限公司，山东 日照 276800)



实心柱塞双向抽油泵研制与应用

吕新青

(日照原野机械制造有限公司，山东 日照 276800)

摘要：针对小泵径抽油泵的柱塞及游动阀罩易断裂问题，研制了一种新式结构的实心柱塞双向抽油泵。对该泵的双向抽油原理进行了描述，对上、下冲程工作中的拉杆受力进行了分析。论述了选择拉杆应考虑的几个主要因素，举例给出了具体技术参数。现场试验表明：产品性能稳定，运行可靠，达到了预期目标。

关键词：抽油泵；实心柱塞；双向

近年来，随着某些油井供液量的不断减少，许多油田开始采用小排量泵及深抽技术[1-2]，而常规小排量泵中的小径柱塞及其游动阀罩等配件容易拉断。针对这个问题，研制了一种实心柱塞双向抽油泵，该泵因实心柱塞内无球、座，不配装游动阀罩[3-4]，彻底解决了上述难题。

1结构及原理

1.1结构

实心柱塞双向抽油泵由5个主要部件组成：外管总成(外管和上接头)；泵筒总成(泵筒和上接头)；柱塞总成(柱塞和拉杆)；分流器总成(分流器和出油阀)；进油阀总成(进油阀和下接头)，如图1所示 。

1.2原理

如图1，假设R1为柱塞上方泵筒与拉杆间的环形容积；R2为泵筒与外管间的环形容积；R3为 柱塞下方的泵筒容积。每一冲次排出泵液的体积为Q(本文简称理论排量)。

1)下冲程的理论排量。

当实心柱塞下冲程时，R3压缩变小，压力增大，进油阀关闭，出油阀开启，R3中的油液穿过出油阀，通过R2上行，与此同时R1增大，上行的液体一部分充填变大的R1，一部分排出，所以下冲程的排量Qx=ΔR3-ΔR1。

ΔR3=H·πD2/4

(1)

ΔR1= H·(πD2/4-πd2/4)

(2)

Qx=ΔR3―ΔR1= H·πD2/4-

H·(πD2/4-πd2/4)=H·πd2/4

(3)

式中：D为柱塞直径，mm；d为拉杆直径，mm；H为冲程长度，mm。

由式(3)可以看出，下冲程的理论排量为进入泵筒的拉杆体积变化量，可见，拉杆越粗，下冲程排量越大。

2)上冲程的理论排量。

当柱塞上冲程时，R3变大，压力减小，出油阀关闭，进油阀开启，油液通过进油阀充填R3。同时R1变小，油液排出，所以上冲程时的排量为ΔR1。

ΔR1= H·π(D2-d2)/4

(4)

上冲程排量为泵筒与拉杆之间的环形容积变化量，由此可见，拉杆越粗，上冲程排量越小。

图1　实心柱塞结构及原理示意

2受力分析

综上述可知，该泵在正常抽油工作中，下冲程时，拉杆需推动柱塞下行，拉杆受压力；上冲程时，拉杆需拉柱塞上行，拉杆受拉力。

设p为抽油工作时抽油泵所处的深井中柱塞承受的油压，参照流体力学的相关理论[5]，本文只做定性探讨，不做定量运算。

p=p1+p2+p3+p4

式中：p1为井口压力，MPa；p2为井深所形成的单位面积液柱压力，MPa；p3为油液流过固定阀等各管口处的局部阻力损失，MPa；p4为油液沿油管流动所产生的沿程压力损失，MPa。

1)下冲程时拉杆的推力Ft

如图1所示，下冲程时，柱塞需克服的力应为R3处的总压力减去R1处的总压力，即

Ft= p·πd2/4

该计算式表明，拉杆越粗，下冲程时所需的推力越大。此外，无论上、下冲程，柱塞与泵筒，油管与抽油杆等均有摩擦力，但这些力比Ft小得多，故忽略不计，下同。

2)上冲程时拉杆的拉力Fl

上冲程时R3处没压力(如果动液面较高，且柱塞上行速度较慢时，R3处也会有一定的压力，本文忽略不计)，则柱塞需克服的力应为R1处总的压力。

Fl=p·π(D2-d2)/4

该计算式表明，拉杆越粗，上冲程时所需的拉力越小。

以ø25mm实心柱塞泵为例，计算得到的相关参数如表1。

表1　ø25 mm实心柱塞泵相关参数

注：1.理论排量是以冲程1m，冲次1min-1来计算的，单位m3/d。

2.p为抽油工作期间作用于柱塞上的油压，单位MPa。

3现场应用

按照本文所论述的结构及原理，成功研制出了ø25mm实心柱塞双向抽油泵，并在长庆油田投入使用。

3.1下井前检查

1)检查外管有无弯曲、碰伤或其它损坏。

2)检查各部螺纹连接处是否松动。

3)用拉杆往复拉动和转动柱塞总成，应轻快灵活，无阻滞，否则应查找原因。

4)确定所有护帽、堵头或防腐包装物均已除去。

3.2下井作业

1)将柱塞总成抽出，注意不要弄弯，保持洁净。

2)在泵下端装上防砂或防气装置，泵的上端连接油管短接和油管接箍，以便下井作业时吊装。

3)待油管下井完成后，将柱塞总成通过连接的抽油杆下入泵中。

4)在下井作业时，严禁将砂石及杂物带入井内。

3.3应用效果

2011—2013年，实心柱塞双向采油泵分别在长庆油田采油二、三厂进行试验。泵效平均提高9.2%，其中塞388井提高11.8%，最大载荷下降7.5kN，日耗电量降低7.1kW·h，实现了低渗透低产液井的供排平衡关系，产品性能稳定，运行可靠，达到了预期目标。

4结论

1)实心柱塞特别适用于小泵径，可避免拉断；实心柱塞泵可通过选取合适的拉杆直径，设计成双向抽油的结构形式，拉杆直径的大小将直接影响其上拉力和下推力的大小。

2)下冲程时，拉杆外围压力对柱塞能起到液力反馈的作用，有利于柱塞下行，减轻油杆弯曲和杆管磨损，降低冲程损失[6]，使柱塞冲程尽量接近光杆冲程的长度，有利于提高泵效。

3)在强度满足要求的前提下，应尽量减小拉杆直径。但拉杆直径太小，又会在其承受推力时严重弯曲，当上冲程时，其承受的拉应力也大。一般可根据井深度、动液面高度、油液黏度、冲程长度及冲次等多种因素来选取合适的拉杆直径。

参考文献：

[1]沈迪成.有杆抽油设备与技术：抽油泵[M].北京：石油工业出版社，1994.

[2]万仁溥，罗英俊.采油技术手册 ：第4分册[M].北京：石油工业出版社，1994.

[3]孙磉礅.实心柱塞抽油泵优化及配套技术[J].油田地面工程，2013(4)：12-13.

[4]梁毅，石海霞，樊松，ø25mm实心柱塞抽油泵结构改进[J].石油矿场机械，2014，43(2)：93-96.

[5]闻邦椿.机械设计手册[K].北京：机械工业出版社，2014.[6]卢晓辉，孙大伟，刘环宇，等.ø25mm实心柱塞泵在靖安油田塞392区块现场应用及改进[J].中国石油和化工标准与质量，2013(13)：145-145.

StudyandApplicationofSolidPlungerinDouble-actionPumpingUnit

LYUXinqing

(Rizhao Yuanye Machinery Manufacturing Co.，Ltd.，Rizhao 276800，China)

Abstract：Aiming at the easily-broken plunger and top side valve house on small diameter pumping unit，a new structure of solid plunger in double-action pumping unit was studied.Its working principle was described，and the force on rod in up-and-down stroking was analyzed.The factors that are to be considered were discussed and samples of technical data are given.The on-site test showed that the equipment has stable performance and reliable operation，the predicted design is reached.

Keywords：Pumping unit；solid plunger；double-action

文章编号：1001-3482(2016)06-0093-03

收稿日期：2015-12-07

作者简介：吕新青(1956-)，男，辽宁铁岭人，高级工程师，主要从事抽油泵和抽油杆等新产品的研发工作。

中图分类号：TE931.2

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.06.021