斜井導向抽油泵與常規泵的啟閉特性比較

周曉君，顧文君，丁維超（上海大學機電工程與自動化學院，上海200072）

斜井導向抽油泵與常規泵的啟閉特性比較

周曉君，顧文君，丁維超
（上海大學機電工程與自動化學院，上海200072）

井斜的存在對抽油泵的工作效果會產生嚴重的不利影響，特別是在大斜度井中，常規抽油泵采油系統存在泵閥關閉滯后、效率低等問題。改進固定閥、游動閥結構，對其閥球設置導向結構，可以實現強制啟閉、關閉及時、復位準確。建立斜井中抽油泵的閥球運動模型，運用解析法分別得到斜井下導向抽油泵與常規泵的閥球啟閉時間，并進行對比。結果表明：在大井斜角度時，導向抽油泵的啟閉滯后時間小于常規泵的啟閉滯后時間，其啟閉特性明顯優于常規泵。

斜井；抽油泵；閥球運動模型；啟閉特性

隨著油田開發的需要，斜井與定向井的數量逐漸增多，井斜的存在對抽油泵的工作效果會產生嚴重的不利影響，例如在大斜度井中，常規抽油泵采油系統存在泵閥關閉滯后、效率低等問題。如果泵掛位置處井斜較大，豎直向下的重力對固定閥和游動閥的工作可靠性造成較大的影響，導致依靠重力開啟和關閉的閥球動作不靈敏，使泵效降低，對抽油泵產量造成較大的影響。因此，改進固定閥、游動閥結構，對其閥球設置導向結構，可以實現強制啟閉、關閉及時、復位準確，消除泵因閥球偏置旁落、關閉不嚴導致漏失偏大的弊端。從而減少斜井抽油泵的漏失量，提高斜井抽油泵的工作效率［1-2］。

1 斜井閥球運動模型的建立

為了便于模型的建立，作如下假設［3-4］：

1） 忽略泵筒內液體流動的摩阻損失。

2） 假定柱塞與液體沒有脫離現象。

3） 忽略液體慣性對閥球的作用。

4） 泵筒內各點的液體壓力、密度均相同。

5） 忽略閥球公轉與自轉對其運動的影響，只考慮閥球沿軸線的直線運動。

1．1 泵筒內液體連續流方程

首先建立抽油泵段相應的坐標系，取下死點為坐標原點O，豎直向上為y軸正方向，對應時刻t為0，柱塞運動滿足速度不變的往復運動［5-6］。式中：yz為柱塞位移，m；S為柱塞有效沖程，m；t為柱塞運動時間，s；T0為柱塞運動周期，s；N為沖次，min－1。

圖1為抽油泵固定閥結構示意圖。

圖1 抽油泵固定閥結構

利用質量守恒定律，單位時間內經過閥隙流入油管內的原油質量與泵筒內減少的原油質量相等，分別化簡得到進泵流體與出泵流體的連續性方程為式中：Ap為泵筒截面積，m2；Ls為防沖距，m；yz為在t時刻柱塞的位移，m；p為在t時刻泵內壓力，Pa；ρ為在t時刻泵內流體的平均密度，kg／m3；Kv為流量系數；Ad為閥座通孔面積，m2；pin為泵入口壓力，Pa；ρv為過閥流體密度，kg／m3；pout為泵出口壓力，Pa；ρout為游動閥出口流體密度，kg／m3。

1．2 理想狀態下的氣液體積壓力方程

把泵內的流體等效為溫度不變的理想狀態下的氣體以及不可壓縮的液體，則流體的密度與壓力之間的關系為式中：V1為標準大氣壓下的氣體體積，m3；V2為不可壓縮液體的體積，m3；V′1為壓力p下的氣體體積，m3；p0為標準大氣壓強，取0．1m Pa；R為氣油比，m3／m3；ρ0為原油密度，kg／m3；ρ1為標準大氣壓下的氣體密度，取1．293 kg／m3。

1．3 閥球運動微分方程

在斜井中，抽油泵軸線與鉛垂線形成一定角度，忽略閥球與液體間的摩擦阻力，考慮閥球受到流體的浮力，建立的描述固定閥球與游動閥球運動的微分方程［7-8］為式中：Aq為閥球截面積，m2；mq為閥球的質量，kg；φ為y軸與鉛垂線的夾角；ρq為閥球的密度，kg／m3。

1．4 泵筒內壓力變化規律

抽油泵處于上沖程時，柱塞由下死點向上運動，固定閥并未立即開啟，存在滯后現象。當固定閥球所受的液體舉升力能夠克服其重力與浮力差時，固定閥開啟。同理，抽油泵處于下沖程時，柱塞由上死點向下運動，游動閥并未立即開啟，也存在滯后現象。當游動閥球所受的液體舉升力能夠克服其重力與浮力差時，游動閥開啟。

假設密封處為點接觸，由靜力學平衡條件求得固定閥和游動閥的開啟壓差和開啟壓力分別為式

中：Δp0s為固定閥的開啟壓差，Pa；Δp1s為游動閥的開啟壓差，Pa；p0s為固定閥開啟時泵筒內的液體壓力，Pa；p1s為游動閥開啟時泵筒內的液體壓力，Pa；d為閥座的通徑，m；mq為固定閥閥球質量，kg。

圖2為泵筒內液體壓力隨時間的變化規律圖，其中tcd為游動閥球滯后關閉時間，t0s為固定閥球滯后開啟時間，t1d為固定閥球滯后關閉時間，t1s為游動閥球滯后開啟時間，閥球總滯后時間為t＝tcd＋t0s＋t1d＋t1s。

圖2 泵筒內液體壓力變化規律示意圖

2 斜井導向抽油泵與常規泵的啟閉特性比較

泵閥能否順利開啟與關閉是評價固定閥、游動閥性能好壞的重要指標，直接影響到過閥流量。在泵內外壓差、閥球質量、流體壓縮性及黏滯阻力的作用下，泵閥在開啟和關閉階段中存在滯后現象。

已知泵出口壓力pout為16mPa，入口壓力pin為2mPa，閥球流量系數Kv取0．6，閥球與閥罩撞擊的彈性恢復系數Kb取0．8，防沖距Ls為0．6m，有效沖程S有2．1m，沖次N為3min－1，泵徑為38mm，閥球密度為7 850 kg／m3，原油密度為800 kg／m3，氣油比取5m3／m3，井斜角度為0～63°。為了便于導向抽油泵與常規泵的對照，其固定閥球與游動閥球都為直徑38mm，最大升程46mm；所不同的則是常規泵的閥球與閥罩的半徑差為2mm，而導向抽油泵由于其具有導軌，閥球只作斜向的直線運動。

2．1 關閉滯后時間的計算

2．1．1 導向抽油泵

當上沖程開始時，此時固定閥未開啟，游動閥滯后關閉。由于此時壓力差近似為零，閥球與流體的相對速度很小，忽略游動閥球受到的流體阻力，考慮閥球受到流體的浮力，由于導向抽油泵具有導軌，因此游動閥球做斜向的運動。同理，下沖程開始時原理也是如此，固定閥球與游動閥球參數相同，因此得到游動閥球的關閉滯后時間tcd與固定閥球的關閉滯后時間相等t1d。

2．1．2 常規泵

常規泵無導軌的導向作用，由圖3所示，由于泵閥與重力存在著斜角，而閥罩與閥球之間存在著運動間隙。因此當閥球關閉的時候，小球在y軸作近似的斜向自由落體。由于重力的作用，小球沿著近地側的閥罩面運動。碰到閥座后沒有完全關閉，需經過一定的轉動時間才完全關閉。h1為常規泵的固定閥球最大升程46mm，固定閥球直徑38mm，而hO O1由式（8）得式

圖3 常規泵閥球關閉時運動示意

中：rq為閥球的直徑，mm；e為閥球與閥罩的半徑差。因此閥球自由落體的距離為42．823mm。根據式（7）可以求得自由落體到O點的時間tn0與速度

v′0之后，閥球繞著A點作轉動，由于時間短，因此近似于初速度為零的勻角加速度運動。角加速度根據動量矩定力得到式（9），轉過的角度由式（10）所得，從而得到轉動時間tn1和常規泵閥球的關閉滯后時間tcd，如式（11）～（12）所示。式中：ω為閥球滾動的角速度，rad／s；ω′為閥球滾動的角加速度，rad／s2。

2．2 開啟滯后時間的計算

開啟滯后時間的計算方法，導向抽油泵和常規泵則是相同的。固定閥球的開啟條件為泵入口壓力與泵筒壓力之差等于開啟壓差，游動閥球的開啟條件為泵筒壓力與泵出口壓力之差等于開啟壓差。

由圖2和式（4）知，當t＝tcd時，ρ＝ρout；當t＝tcd＋t0s時，ρ＝ρ0s；將這兩對值代入式（2），再用式（4）代入化簡得到固定閥滯后開啟時間為式（13）。

由于導向抽油泵和常規泵的tcd和t1d都是不同的，因此導向抽油泵和常規泵的開啟滯后時間也不同，總的啟閉時間也不同。

2．3 啟閉特性的比較

泵閥啟閉特性最重要的指標是泵閥的總體啟閉滯后時間，其對于泵效起著重要作用。根據上述的斜井閥球啟閉滯后時間的計算，代入數值，分別得到相同參數的導向抽油泵與常規泵在井斜角度0～63°下的總體啟閉滯后時間，如圖4所示。

圖4 不同井斜角度下的總體啟閉滯后時間比較

由圖4可見，隨著井斜角的增大，泵閥的總體啟閉滯后時間變長。另一方面，在大井斜角度時，常規泵的總體啟閉滯后時間急劇的上升，甚至可能導致閥球無法關閉；加入導向裝置的導向抽油泵則無此現象。因此，在斜井環境下，導向抽油泵的啟閉特性明顯優于常規泵。

3 結論

1） 根據泵筒內液體連續流方程、理想狀態下的氣液方程和閥球運動微分方程，得到泵筒內流體的壓力變化規律，建立在斜井下閥球的運動模型。分別計算斜井下導向抽油泵與常規泵的啟閉時間，并進行不同井斜角度下總體啟閉時間的對比分析，得到導向抽油泵在大井斜角度時，其總體啟閉滯后時間明顯小于常規泵的總體啟閉滯后時間，因此導向抽油泵更適合于斜井與定向井的油氣開采。

2） 本文改變以前用仿真軟件求解非線性的閥球運動模型，直接運用解析法求解得到斜井下導向抽油泵與常規泵閥球的啟閉時間。根據求解公式定量的得到其閥球的啟閉特性，并進行對比分析，從而有利于獲得斜井抽油泵的優化設計參數，提高斜井抽油泵的工作效率。

3） 本文的解析模型是在較理想的條件下建立的，忽略了閥球公轉與自轉對其運動的影響、流體的摩阻及閥球的碰撞等因素，實際情況要比本文建立的模型復雜的多。

4） 隨著油田開發的需要，斜井與定向井的數量逐漸增多，為了適應新的工作環境要求，必然會研制出更適合斜井開采的斜井抽油泵。未來將在斜井抽油泵啟閉特性分析的基礎上，通過研究斜井抽油泵閥罩可靠性優化設計，以及斜井、定向井的柱塞泵筒磨損問題，來不斷優化斜井抽油泵的結構及結構尺寸，提高斜井抽油泵的工作效率。

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Oriented Pum p Com pared with Conventional Pum p on Opening and Closing Features

ZHOU Xiaojun，GUWenjun，DINGWeichao
（School ofmechatronic Engineering and A utom ation，Shanghai University，Shanghai200072，China）

W ell deviation will have serious adverse effects for pump work effect．In highly deviated wells，conventional oil pump valve closed system has lagged behind，and low efficiency．Im proving the structure of the fixed valve and traveling valve and set the guiding structure forits ball，can be achieved forced open and close，close in time and reset accurate．U nder inclined wells environment，establishing pumpingmovement of the ball valvemodel，by using the analyticalmethod to get oriented with conventional pump ball valve opening and closing times，and compare．Comparative results：W hen a large inclination angle，the overall hoist lag time of oriented pump less than conventional pump，and its opening and closing characteristics significantly better than conventional pump．

inclined wells；oil well pumps；ball sportsmodel；opening and closing feature

T E933．307

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．05．002

1014-10-12

周曉君（1963-），男，江蘇宜興人，教授，博士研究生導師，主要研究方向為油氣田開采、機械電子工程、水介質液壓傳動系統的研究與應用等。