新型稠油摻液泵的設計及強度校核方法

曲占慶，曲冠政，王 璐，牛淑芳，楊 陽，姚 佳

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266555；2.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順113001；3.中國石化勝利油田分公司濱南采油廠，山東濱洲257600） ①

新型稠油摻液泵的設計及強度校核方法

曲占慶1，曲冠政1，王 璐2，牛淑芳3，楊 陽1，姚 佳1

（1.中國石油大學（華東）石油工程學院，山東青島266555；2.遼寧石油化工大學石油天然氣工程學院，遼寧撫順113001；3.中國石化勝利油田分公司濱南采油廠，山東濱洲257600）①

針對稠油粘度高、在井筒內流動阻力大等問題，設計了一種新型稠油摻液泵。建立了泵筒和錐形閥連桿的力學模型，校核了其強度。泵筒的受力可以簡化為有端蓋的圓筒受均布壓力，危險點在泵筒螺紋的內徑處；連桿主要承受交變拉應力。該泵原理簡單，工藝上容易實現，能夠實現油管摻液、套管生產，柱塞下混合降粘，克服了泵上摻液不能降低進泵原油粘度的缺點，是稠油摻液舉升的一種理想抽油泵。

稠油；摻液泵；結構；強度

稠油油藏在開采過程中主要有2大難題［1－2］：①稠油粘度高，在地層的滲流阻力大，使得原油不能從油層流入井筒；②即使稠油能夠流到井底，由于降壓脫氣和散熱降溫使稠油在井筒中的粘度進一步增加，使稠油在井筒中的舉升難度進一步增大。針對稠油在油層中滲流阻力大的問題，常采用熱處理油層技術；對于稠油在井筒中舉升困難的問題，常用電加熱降粘、摻化學劑降粘、摻稀油降粘及熱流體循環等降粘技術。摻稀油降粘技術是通過減少瀝青的質量分數從而減少可溶瀝青粒子相互糾纏程度達到稠油降粘的目的。有桿泵采油技術是一種占主導地位的機械采油方式，也是目前應用較為廣泛的稠油舉升工藝技術［3］。考慮到摻稀油降粘技術，同時結合有桿泵開采稠油技術，筆者設計出一種新型的稠油摻稀泵。

1 稠油摻稀泵結構

稠油摻稀泵由不同直徑的2臺泵串聯組成，上下柱塞之間通過空心連接筒連接。其結構可分為泵筒總成、柱塞總成和固定閥總成3大部分（如圖1）。泵筒總成由上、下泵筒通過接頭連接而成，是固定閥、泵筒接箍等零件的支持件，柱塞在其內作往復運動。柱塞總成包括上、下柱塞及滑閥、連接筒、錐形閥等。柱塞與泵筒組成一個運動副，又是滑閥、滑閥罩等零部件的支持件；上柱塞直徑大于下柱塞，上、下柱塞通過連接筒連接；錐形閥由定導器、滑套出油接頭、連桿、閥體和閥座等組成，它改變傳統閥為連桿結構，由抽油桿上、下行程控制錐形閥的開啟與關閉。固定閥總成是抽油泵的重要組成部分，它包括進油閥、出油閥等，主要由閥罩、閥球和閥座組成，對抽油泵的泵效和可靠性有很大的影響。閥罩采用更加合理、國內應用廣泛的槽形球室型閉式閥罩，為大流道結構，有3條導向內筋，對閥球的運動起到導向作用。

圖1 稠油摻稀泵結構

2 工作原理

抽油機上沖程中，抽油桿通過定導器和連桿，使錐形閥迅速上行閉合，推塊帶動柱塞上行，由于上柱塞截面積大于下柱塞，上泵腔容積變大，壓力降低。當滑閥兩端壓差達到一定時，滑閥打開，摻入的液體從油管進入上泵腔內。同時，進油閥在泵筒內外壓差作用下打開，吸入稠油；出油閥復位關閉。

抽油機下沖程中，抽油桿通過連桿帶動錐形閥打開，并帶動定導器的定位凸臺與滑套柱塞接頭相碰，通過定導器作用在柱塞上一個向下的力，在這個力和上部液柱的共同作用下，柱塞下行。2個柱塞間的環形腔體積迅速減小，壓力迅速增大，滑閥關閉，摻入液通過錐形閥進入下泵腔，與稠油在下泵腔內混合，最終由出油閥排出到油套環空，流向地面。

3 泵筒和連桿的強度校核

抽油泵所抽汲的液體中含有砂、蠟、氣、水及腐蝕性物質，且抽油泵在數百米到數千米的井下工作，工作環境復雜、條件惡劣，因此有必要對泵筒及連桿進行強度計算［4］。

3.1 泵筒強度及疲勞強度計算

泵筒總成由上、下泵筒通過接頭連接而成，是固定閥、泵筒接箍等零件的支持件，而且柱塞在其內做往復運動，因此泵筒要有足夠的強度，以便適應深抽需要。泵筒所受外部壓力可通過式（1）計算，即

3.1.1 泵筒應力分析

泵筒的受力情況可以簡化為有端蓋的圓筒受均布壓力。從泵筒上取一應力元進行分析（如圖2），得到危險點在泵筒螺紋的內徑處，三向應力的大小分別為［5－6］

其中：

圖2 泵筒應力元分析

3.1.2 強度條件

采用第四強度理論可較好地解決塑性材料三向應力強度問題。

強度條件為：［σ］≥σd4

3.1.3 泵筒疲勞強度條件

在泵工作時，泵筒疲勞主要由所受到的交變拉應力引起，根據文獻［5］所介紹的方法，對泵筒進行疲勞強度計算。考慮應力集中，交變應力為

利用古德曼圖（如圖3）進行泵筒及連桿疲勞強度校核。工作在由點A、B、C、…、H構成的封閉凸8邊形內的零件其壽命可達到107次循環以上，是安全的。

橫坐標是交變應力的平均應力σm，縱坐標是最大應力σmax和最小應力σmin。過橫坐標σm上任意點L（σmL）的垂線交古德曼圖于J、K點，它們代表的應力σJ是該σmL下允許最大應力，σK為允許最小應力，允許最大應力振程為

圖3 古德曼圖

疲勞強度條件為：σrg＜σJK

其安全系數為：n＝σJK／σr

解析法解古德曼圖是將其劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個區，利用邊界線的方程求得與σm相應的σJK。

最大應力極限在Ⅰ區和Ⅳ區，其值分別為

各區分界處平均應力為

3.2 連桿的強度及疲勞強度計算

連接錐形閥的連桿在上沖程中承受著摻入液液柱的載荷，而下沖程中基本不受載荷作用，因此要有足夠的強度和疲勞強度。根據文獻［6］中介紹的方法，連桿所受載荷及應力為

4 滑閥彈簧的設計

滑閥中彈簧參數選擇是否合理影響到滑閥能否在上沖程中打開、下沖程中關閉。普通彈簧的設計方法為根據彈簧的工作載荷和在工作載荷下的變形量等已知條件來選用彈簧的類別及其材料，再計算彈簧參數，最后根據國標來選擇合適的彈簧。對于摻液抽稠泵滑閥彈簧，由于上述條件不能夠完全已知，無法算出所需的彈簧參數，因此不能用普通彈簧設計方法進行設計，需要采取一種不同于常規方法的新方法來進行彈簧設計。

4.1 滑閥彈簧參數計算

由式（9）可以得到選用彈簧的工作區范圍，其上下限表達形式為

在得到彈簧的最大和最小工作載荷后，進一步計算出在最大和最小工作載荷下的高度以及彈簧的實際工作行程，其公式為

圖4 滑閥彈簧的設計流程

4.2 滑閥彈簧的校核

4.2.1 強度校核

在計算彈簧的脈動疲勞極限時，應該考慮到彈簧的使用壽命很長，變載荷作用次數應取大值，所以脈動疲勞極限的計算公式為

該彈簧材料的抗拉強度σspb可由許用彎應力［σsp］＝0.5σspb算出。初定旋繞比和曲度系數可以由式（13）計算。

最大和最小循環變應力由式（14）計算，即

由此可以計算出彈簧的疲勞安全強度和彈簧的靜強度安全系數，即

許用安全系數［Ssp］＝1.3～1.7，應滿足Ssp1＜［Ssp］，Ssp2≈［Ssp］。

4.2.2 穩定性校核

在沒有導桿或導套的情況下，彈簧的設計應滿足條件：bsp≤bc

若彈簧高徑比bsp不符合條件，要按照下式進行驗算：Pspc＝CspBkspHsp0Pspn

如不滿足上式，應重新選取參數，改變bsp值，提高Pspc，以保證彈簧的穩定性。如果設計結構受到限制，不能改變參數時，應設置導桿或導套。彈簧與導桿（導套）之間的徑向間隙由表1確定。

表1 導桿及導套與彈簧的間隙 mm

4 結論

1） 該稠油摻液泵原理簡單，工藝上容易實現，是稠油摻液舉升的一種理想抽油泵。柱塞下摻液，克服泵上摻液不能降低進泵原油粘度的缺點，減少稠油對柱塞運動的阻力；管內摻液，油套環空出油，避免了抽油桿和稠油的摩擦，減少了抽油桿柱運動的阻力。由于地下產出液不進入泵筒與柱塞間隙，避免砂磨柱塞，從而延長了泵的使用壽命。

2） 設計了可以調節彈簧初始位置的滑閥彈簧調節螺母，使滑閥能夠在不同的情況下順利打開和關閉。

3） 建立泵筒和錐形閥連桿的力學模型，泵筒的受力情況可以簡化為有端蓋的圓筒受均布壓力，危險點在泵筒螺紋的內徑處；連桿主要承受交變拉應力。

［1］ 張 琪.采油工程原理與設計［M］.東營：中國石油大學出版社，2000.

［2］ 李戰防，王金泰，王濟新，等.稠油熱采摻熱自控裝置研制及應用［J］.石油礦場機械，2007，36（5）：86－89.

［3］ 薛令東，廖文山，宋 全，等.國外新型有桿抽油泵及其特點［J］.石油礦場機械.2006，35（6）：81－83.

［4］ 盛曾順，王奕蘭.API整筒管式抽油泵下入深度和允許加尾管重量的計算［J］.石油機械，1989，17（4）：9－15.

［5］ 姚希夢.彈性力學［M］.北京：機械工業出版社，1987.

［6］ 沈迪成，艾萬誠，盛曾順，等.抽油泵［M］.北京：石油工業出版社，1994.

Design of New Heavy Oil Mixing Fluid Pump and Strength Check

QU Zhan－qing1，QU Guan－zheng1，WANG Lu2，NIU Shu－fang3，YANG Yang1，YAO Jia1
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.College of Petroleum and Gas Enginerring，Liaoning University of Petroleum and Chemical，Fushun113001，China；3.Binnan Oil Production Plant，Shengli Oil Field Branch Company，Binzhou257600，China）

Aiming at the problem of high heavy oil’s viscosity and obstinate resistance while the process of well bore flowing，a new type of heavy oil pump mixing liquid is designed.Besides，the mechanical models of the pump barrel and conical valve were Established.The Force of the pump barrel could be reduced to a cover of the cylinder subjected to uniform pressure，and the dangerous point was in the diameter of the thread at the pump barrel；Rod is mainly exposed to alternating tensile stress.The pump is an ideal heavy oil pump，with the feature of principle simple，easy to achieve on process.

viscous crude oil；mixing liquid pump；structure；strength

1001－3482（2012）02－0021－06

TE933.3

A

2011－08－10

國家自然科學基金項目（50376043）

曲占慶（1963－），男，山東萊州人，教授，主要從事油氣田開發工程方面的研究，E－mal：quzhq＠upc.edu.cn。