小排量抽油泵结构优化设计与试验

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(大庆油田有限责任公司 采油工程研究院，黑龙江 大庆 163453)

随着油田开发的不断深入，越来越多的低渗透油层被开采。由于油层的渗透率低，这部分油井单井日产液量不足2 m3[1]。大部分油田为保证原油产量，对低产油井的开采还是采用连续生产的方式。由于结构和加工技术的限制，常规抽油泵的泵径不能做得更小，抽油泵排量与低渗透油井的供液能力不匹配，采油效率低、油田耗电量增加、开采成本高等问题突出。目前，国内外油田使用的小排量抽油泵主要是公称直径为32 mm和28 mm的常规结构泵[2]，由于结构尺寸的限制，这些抽油泵的上游动阀罩容易断脱，还存在泵效低的问题[3-6]。为解决目前低产油井普遍存在的供采不平衡问题[7-10]，研制一种泵效高、排量小的抽油泵变得十分必要。

本文以直径为25 mm的抽油泵为设计目标，应用有限元软件对小排量抽油泵上阀罩进行强度计算，完成小直径泵的整体结构设计和优化，解决小排量泵柱塞上出油阀罩断脱、泵筒与柱塞间隙泄漏大、阀球启闭灵敏度差等关键问题。试验及现场应用验证了设计方案的可行性。

1 现有小排量泵存在的问题

相对大排量抽油泵，小排量抽油泵结构尺寸较小、排量低，容易发生上游动阀罩损坏和泵效低等问题[11]。小排量抽油泵上游动阀罩结构尺寸小、强度低，遇腐蚀和砂卡等不良工况时容易断脱，因此需要提高上游动阀罩的结构强度[12-13]。上游动阀罩结构如图1所示，阀罩上方直接连接拉杆，下端连接抽油泵柱塞，阀球装在该阀罩的球室中。由于阀罩和柱塞一起在泵筒内做往复运动，受循环应力的作用，此外阀罩还受到阀球不断的撞击和磨蚀，由于受泵径和阀球直径的限制，阀罩的外径要小于抽油泵泵径，而阀罩内径又要大于阀球的直径，造成小排量抽油泵的阀罩筋板厚度小，成为一个薄弱环节[14-15]。此外，小排量抽油泵排量小、井液在油管内流速较低，泥沙等杂质更容易沉积到抽油泵中，造成卡泵，引起上游动阀罩断裂[16]。

为研究阀罩在工作时应力分布情况，在常规上出油阀罩上下螺纹处分别施加5 600 N的轴向拉力，通过有限元软件分析计算，得出阀罩应力分布情况，如图2所示。阀罩筋板根部应力最大，最大应力为144 MPa，而材料屈服应力为355 MPa，可见抽油泵刚投入使用时，其静载荷强度是符合使用要求的。但是，通过疲劳分析可知，在安全系数取2时，从应力云图可以看出，阀罩筋处先产生破坏，会引起阀罩断裂。

图2 常规上出油阀罩应力云图

2 结构改进和优化

小排量抽油泵泵径和其它零部件的尺寸较小，因而其可靠性和泵效相对较低。为了提高其寿命和泵效，需要改进阀罩结构、优化配合间隙长度和优选阀球直径。

2.1 阀罩结构改进

闭式阀罩的阀球装在球室中，球室上部再通过螺纹连接一个类似于开式阀罩的零件，两者一起组成一个闭式阀罩，安装于柱塞上部，如图3所示。柱塞上的闭式阀罩和开式阀罩的受力相同，由于闭式阀罩罩腔内不再放置阀球，可以把筋板相应加厚，增大上游动阀罩强度。

图3 改进前后游动阀罩结构

小排量抽油泵的排量小，液体流过阀球阀罩时流速低，对阀球冲击力较小，不利于阀球及时入座(如图4a所示)，影响小排量抽油泵泵效[17]。结构改进后(如图4b所示)，增大了流体对阀球的冲击力，有利于阀球及时入座、降低漏失、提高泵效。

图4 改进前后固定阀罩结构

2.2 柱塞配合间隙和长度优化

抽油泵间隙泄漏符合环形缝隙泄漏，由于柱塞和泵筒的配合很难保持同心，大多数存在一定的偏心。所以，它们间的泄露属于偏心环形缝隙泄漏，如图5所示。其流量表达式为

(1)

图5 偏心环形缝隙泄漏示意

抽油泵理论排量与抽油泵泵径、冲程和冲次的表达式为：

(2)

式中：V为泵的理论排量，m3/min；D为泵径，m；S为冲程，m；n为冲次，min-1。

式(1)中，在不考虑剪切流量时，抽油泵间隙泄漏与泵径成正比。式(2)中，抽油泵理论排量与泵径的平方成正比。因此，在泄漏间隙相当的情况下，小排量抽油泵的泄漏更大。

从式(1)中可以看出，抽油泵的压差漏失量与间隙的立方成正比、与长度成反比。因此，在选用抽油泵配合间隙时，为了降低间隙泄漏量，应优先选用较小的配合间隙(推荐选用一级配合间隙0.02～0.07 mm)；在选用配合段长短时，应优先选择较长配合，即选用较长的柱塞(推荐选用柱塞长度为1.4 m)。

2.3 阀球直径优选

阀球直径应根据泵型和泵径来选择，对于常规抽油泵的游动阀阀球直径，采用如下经验公式

D=0.7DB-3.6

(3)

式中：D为阀球直径，mm；DB为抽油泵泵径，mm。

根据式(3)计算结果，选择最接近标准的阀球直径。当泵径为25 mm时，根据计算公式得阀球直径为13.9 mm。因强度要求，在小直径泵中应当选择比计算值小的阀球，建议加工不大于13.9 mm的阀球。在选择好阀球后，再选择与之匹配的阀座。同时，该阀罩球室采用四槽球室(如图3b所示)，有良好的导向性能，入座泵效损失大为减少；实际流道面积比大，阀球迅速下落，减少入座泵效损失。

3 试验研究

小排量抽油泵试验研究包括室内试验和现场试验，室内试验在采油工程研究院机械采油检测实验室抽油泵多功能试验台上完成，主要考察优化后的小排量抽油泵在多种抽汲参数下的泵效，验证结构优化对小排量抽油泵提高泵效的作用；现场试验在现场油井完成，考察优化后的小排量抽油泵在油井上的泵效和可靠性，验证结构优化对小排量抽油泵在实际工况下的应用效果。

3.1 室内试验

室内试验分别测试了小排量抽油泵在冲程为1.58 m，冲次为2、3、4、5、6 min-1，出口压力在0、2.5、5.0 MPa时抽油泵泵效，试验数据如表1～3所示。

表1 常压下抽油泵泵效

表2 2.5 MPa压力下抽油泵泵效

表3 5.0 MPa压力下抽油泵泵效

由表1～3看出，优化后,抽油泵的泵效高，常压下平均泵效为94.96%，2.5 MPa下平均泵效为91.87%，5.0 MPa下平均泵效为86.78%。泵效随着出口压力的升高而降低。此外，冲次对小排量抽油泵泵效影响较大(如图6)，在出口压力为5.0 MPa时，抽油泵冲次为2 min-1，平均泵效最高为90.62%。抽油泵冲次为6 min-1时，平均泵效最低为82.59%。

图6 5.0 MPa压力下泵效与冲次关系

从室内试验可以看出优化后的小排量抽油泵泵效较高，尤其是在低冲次时泵效最高，在冲次为2 min-1、出口压力为0、2.5和5.0 MPa时，抽油泵泵效分别为96.94%、94.21%和90.62%。

3.2 现场试验

第1台优化后的小排量抽油泵于2016-04在大庆油田采油七厂葡160-432井开始下井试验。截至目前，现场累计试验小排量抽油泵10台，均未发生游动阀断脱、泵效低等小排量抽油泵常见问题，平均运行600 d，平均泵效为57.6%，且随着试验继续，免修期将进一步延长(如表4)。

表4 优化后的小排量抽油泵应用情况

4 结论

1) 理论分析和现场试验表明，小排量抽油泵的上阀罩采用闭式阀罩结构，增加了上阀罩筋板的厚度，使其强度增大，使抽油泵的薄弱环节得到加强，有效延长了小排量抽油泵的使用寿命。

2) 改进阀罩结构后，小排量抽油泵的阀球、阀罩阻力减小，实际流道面积比增大，阀球入座迅速，提高了泵效。

3) 增加小排量抽油泵的柱塞与泵筒间的配合段长度，降低了柱塞和泵筒的间隙泄漏、提高了泵效。