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(大慶油田有限責(zé)任公司 采油工程研究院，黑龍江 大慶 163453)

隨著油田開(kāi)發(fā)的不斷深入，越來(lái)越多的低滲透油層被開(kāi)采。由于油層的滲透率低，這部分油井單井日產(chǎn)液量不足2 m3[1]。大部分油田為保證原油產(chǎn)量，對(duì)低產(chǎn)油井的開(kāi)采還是采用連續(xù)生產(chǎn)的方式。由于結(jié)構(gòu)和加工技術(shù)的限制，常規(guī)抽油泵的泵徑不能做得更小，抽油泵排量與低滲透油井的供液能力不匹配，采油效率低、油田耗電量增加、開(kāi)采成本高等問(wèn)題突出。目前，國(guó)內(nèi)外油田使用的小排量抽油泵主要是公稱直徑為32 mm和28 mm的常規(guī)結(jié)構(gòu)泵[2]，由于結(jié)構(gòu)尺寸的限制，這些抽油泵的上游動(dòng)閥罩容易斷脫，還存在泵效低的問(wèn)題[3-6]。為解決目前低產(chǎn)油井普遍存在的供采不平衡問(wèn)題[7-10]，研制一種泵效高、排量小的抽油泵變得十分必要。

本文以直徑為25 mm的抽油泵為設(shè)計(jì)目標(biāo)，應(yīng)用有限元軟件對(duì)小排量抽油泵上閥罩進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，完成小直徑泵的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，解決小排量泵柱塞上出油閥罩?jǐn)嗝?、泵筒與柱塞間隙泄漏大、閥球啟閉靈敏度差等關(guān)鍵問(wèn)題。試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 現(xiàn)有小排量泵存在的問(wèn)題

相對(duì)大排量抽油泵，小排量抽油泵結(jié)構(gòu)尺寸較小、排量低，容易發(fā)生上游動(dòng)閥罩損壞和泵效低等問(wèn)題[11]。小排量抽油泵上游動(dòng)閥罩結(jié)構(gòu)尺寸小、強(qiáng)度低，遇腐蝕和砂卡等不良工況時(shí)容易斷脫，因此需要提高上游動(dòng)閥罩的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[12-13]。上游動(dòng)閥罩結(jié)構(gòu)如圖1所示，閥罩上方直接連接拉桿，下端連接抽油泵柱塞，閥球裝在該閥罩的球室中。由于閥罩和柱塞一起在泵筒內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，受循環(huán)應(yīng)力的作用，此外閥罩還受到閥球不斷的撞擊和磨蝕，由于受泵徑和閥球直徑的限制，閥罩的外徑要小于抽油泵泵徑，而閥罩內(nèi)徑又要大于閥球的直徑，造成小排量抽油泵的閥罩筋板厚度小，成為一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)[14-15]。此外，小排量抽油泵排量小、井液在油管內(nèi)流速較低，泥沙等雜質(zhì)更容易沉積到抽油泵中，造成卡泵，引起上游動(dòng)閥罩?jǐn)嗔裑16]。

為研究閥罩在工作時(shí)應(yīng)力分布情況，在常規(guī)上出油閥罩上下螺紋處分別施加5 600 N的軸向拉力，通過(guò)有限元軟件分析計(jì)算，得出閥罩應(yīng)力分布情況，如圖2所示。閥罩筋板根部應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為144 MPa，而材料屈服應(yīng)力為355 MPa，可見(jiàn)抽油泵剛投入使用時(shí)，其靜載荷強(qiáng)度是符合使用要求的。但是，通過(guò)疲勞分析可知，在安全系數(shù)取2時(shí)，從應(yīng)力云圖可以看出，閥罩筋處先產(chǎn)生破壞，會(huì)引起閥罩?jǐn)嗔选?/p>

圖2 常規(guī)上出油閥罩應(yīng)力云圖

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化

小排量抽油泵泵徑和其它零部件的尺寸較小，因而其可靠性和泵效相對(duì)較低。為了提高其壽命和泵效，需要改進(jìn)閥罩結(jié)構(gòu)、優(yōu)化配合間隙長(zhǎng)度和優(yōu)選閥球直徑。

2.1 閥罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)

閉式閥罩的閥球裝在球室中，球室上部再通過(guò)螺紋連接一個(gè)類(lèi)似于開(kāi)式閥罩的零件，兩者一起組成一個(gè)閉式閥罩，安裝于柱塞上部，如圖3所示。柱塞上的閉式閥罩和開(kāi)式閥罩的受力相同，由于閉式閥罩罩腔內(nèi)不再放置閥球，可以把筋板相應(yīng)加厚，增大上游動(dòng)閥罩強(qiáng)度。

圖3 改進(jìn)前后游動(dòng)閥罩結(jié)構(gòu)

小排量抽油泵的排量小，液體流過(guò)閥球閥罩時(shí)流速低，對(duì)閥球沖擊力較小，不利于閥球及時(shí)入座(如圖4a所示)，影響小排量抽油泵泵效[17]。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后(如圖4b所示)，增大了流體對(duì)閥球的沖擊力，有利于閥球及時(shí)入座、降低漏失、提高泵效。

圖4 改進(jìn)前后固定閥罩結(jié)構(gòu)

2.2 柱塞配合間隙和長(zhǎng)度優(yōu)化

抽油泵間隙泄漏符合環(huán)形縫隙泄漏，由于柱塞和泵筒的配合很難保持同心，大多數(shù)存在一定的偏心。所以，它們間的泄露屬于偏心環(huán)形縫隙泄漏，如圖5所示。其流量表達(dá)式為

(1)

圖5 偏心環(huán)形縫隙泄漏示意

抽油泵理論排量與抽油泵泵徑、沖程和沖次的表達(dá)式為：

(2)

式中：V為泵的理論排量，m3/min；D為泵徑，m；S為沖程，m；n為沖次，min-1。

式(1)中，在不考慮剪切流量時(shí)，抽油泵間隙泄漏與泵徑成正比。式(2)中，抽油泵理論排量與泵徑的平方成正比。因此，在泄漏間隙相當(dāng)?shù)那闆r下，小排量抽油泵的泄漏更大。

從式(1)中可以看出，抽油泵的壓差漏失量與間隙的立方成正比、與長(zhǎng)度成反比。因此，在選用抽油泵配合間隙時(shí)，為了降低間隙泄漏量，應(yīng)優(yōu)先選用較小的配合間隙(推薦選用一級(jí)配合間隙0.02～0.07 mm)；在選用配合段長(zhǎng)短時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇較長(zhǎng)配合，即選用較長(zhǎng)的柱塞(推薦選用柱塞長(zhǎng)度為1.4 m)。

2.3 閥球直徑優(yōu)選

閥球直徑應(yīng)根據(jù)泵型和泵徑來(lái)選擇，對(duì)于常規(guī)抽油泵的游動(dòng)閥閥球直徑，采用如下經(jīng)驗(yàn)公式

D=0.7DB-3.6

(3)

式中：D為閥球直徑，mm；DB為抽油泵泵徑，mm。

根據(jù)式(3)計(jì)算結(jié)果，選擇最接近標(biāo)準(zhǔn)的閥球直徑。當(dāng)泵徑為25 mm時(shí)，根據(jù)計(jì)算公式得閥球直徑為13.9 mm。因強(qiáng)度要求，在小直徑泵中應(yīng)當(dāng)選擇比計(jì)算值小的閥球，建議加工不大于13.9 mm的閥球。在選擇好閥球后，再選擇與之匹配的閥座。同時(shí)，該閥罩球室采用四槽球室(如圖3b所示)，有良好的導(dǎo)向性能，入座泵效損失大為減少；實(shí)際流道面積比大，閥球迅速下落，減少入座泵效損失。

3 試驗(yàn)研究

小排量抽油泵試驗(yàn)研究包括室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)在采油工程研究院機(jī)械采油檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室抽油泵多功能試驗(yàn)臺(tái)上完成，主要考察優(yōu)化后的小排量抽油泵在多種抽汲參數(shù)下的泵效，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)小排量抽油泵提高泵效的作用；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)油井完成，考察優(yōu)化后的小排量抽油泵在油井上的泵效和可靠性，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)小排量抽油泵在實(shí)際工況下的應(yīng)用效果。

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

室內(nèi)試驗(yàn)分別測(cè)試了小排量抽油泵在沖程為1.58 m，沖次為2、3、4、5、6 min-1，出口壓力在0、2.5、5.0 MPa時(shí)抽油泵泵效，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 常壓下抽油泵泵效

表2 2.5 MPa壓力下抽油泵泵效

表3 5.0 MPa壓力下抽油泵泵效

由表1～3看出，優(yōu)化后,抽油泵的泵效高，常壓下平均泵效為94.96%，2.5 MPa下平均泵效為91.87%，5.0 MPa下平均泵效為86.78%。泵效隨著出口壓力的升高而降低。此外，沖次對(duì)小排量抽油泵泵效影響較大(如圖6)，在出口壓力為5.0 MPa時(shí)，抽油泵沖次為2 min-1，平均泵效最高為90.62%。抽油泵沖次為6 min-1時(shí)，平均泵效最低為82.59%。

圖6 5.0 MPa壓力下泵效與沖次關(guān)系

從室內(nèi)試驗(yàn)可以看出優(yōu)化后的小排量抽油泵泵效較高，尤其是在低沖次時(shí)泵效最高，在沖次為2 min-1、出口壓力為0、2.5和5.0 MPa時(shí)，抽油泵泵效分別為96.94%、94.21%和90.62%。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

第1臺(tái)優(yōu)化后的小排量抽油泵于2016-04在大慶油田采油七廠葡160-432井開(kāi)始下井試驗(yàn)。截至目前，現(xiàn)場(chǎng)累計(jì)試驗(yàn)小排量抽油泵10臺(tái)，均未發(fā)生游動(dòng)閥斷脫、泵效低等小排量抽油泵常見(jiàn)問(wèn)題，平均運(yùn)行600 d，平均泵效為57.6%，且隨著試驗(yàn)繼續(xù)，免修期將進(jìn)一步延長(zhǎng)(如表4)。

表4 優(yōu)化后的小排量抽油泵應(yīng)用情況

4 結(jié)論

1) 理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，小排量抽油泵的上閥罩采用閉式閥罩結(jié)構(gòu)，增加了上閥罩筋板的厚度，使其強(qiáng)度增大，使抽油泵的薄弱環(huán)節(jié)得到加強(qiáng)，有效延長(zhǎng)了小排量抽油泵的使用壽命。

2) 改進(jìn)閥罩結(jié)構(gòu)后，小排量抽油泵的閥球、閥罩阻力減小，實(shí)際流道面積比增大，閥球入座迅速，提高了泵效。

3) 增加小排量抽油泵的柱塞與泵筒間的配合段長(zhǎng)度，降低了柱塞和泵筒的間隙泄漏、提高了泵效。