環閥頂置式中空泵的研制

趙明宸

(中國石油化工集團公司勝利油田分公司，山東 東營 257061)

環閥頂置式中空泵的研制

趙明宸

(中國石油化工集團公司勝利油田分公司，山東 東營 257061)

基于稠油井抽油泵柱塞下行困難、抽油桿柱下部受壓屈曲變形、管桿偏磨嚴重等問題，研制了環閥頂置式中空泵。該泵在常規抽油泵的上部設計環閥結構，通過環閥的坐封和啟封來實現泵的吸液和排液，實現了過泵加重的目的。本文研究了中空泵的坐封性能和啟封能力，試制了型號為CYBΦ44×5抽油泵樣機，完成了該泵部件及整體結構的密封性及漏失量測試。試驗結果表明：泵閥開啟良好，整泵工作正常，說明環閥頂置式中空泵的結構設計合理，可滿足使用要求。

中空泵；環閥；結構設計

0 前言

能源短缺是目前世界各國面臨的重要問題。隨著常規原油的不斷開采，其儲量和產量逐年遞減，可供開采的稀油資源僅剩下1700×108t，而全球已探明的稠油資源儲量超過3000×108t[1]。近年來受油稠、油井結垢結蠟、泵掛加深等因素影響，使得抽油泵柱塞下行阻力增加，抽油桿柱下部受壓屈曲變形，增加了管桿偏磨故障，嚴重影響了三抽設備的無故障運行時間。抽油桿柱受交變載荷影響，疲勞壽命下降，使得抽油桿桿斷井數增加，已成為制約檢泵周期延長的瓶頸問題。

通常的工藝是采用抽油桿柱底部、泵上加重的方式改善桿柱受力，該方式雖能部分減小管桿的偏磨、降低桿柱屈曲的功效，但泵上仍然存在受壓桿柱不能完全消除偏磨、屈曲問題。另外，在推廣新型輕質碳纖維抽油桿時，必須構建泵上受拉的條件，才能滿足抽油桿的工作要求，提升碳纖維抽油桿推廣的效益。因此，研究過泵加重技術和設備，是減少桿管偏磨、減少抽油桿斷桿、提高泵效、促進稠油開采和碳纖維抽油桿推廣使用的重要技術手段。為此，我們提出了環閥頂置式中空泵的結構并進行了設計和試驗，較好的解決了上述難題。

1 設計環閥頂置式中空泵的必要性分析

1.1 目前的技術現狀

為解決由于稠油的粘度高、下行阻力大造成普通抽油泵閥球關閉滯后的問題，設計了機械閥式抽稠泵[2]。機械閥式抽稠泵的凡爾依靠機械力作用迫使錐形閥打開，其可靠性較高；但機械閥易損壞、漏失嚴重，使用壽命偏低。為了改善機械閥的受力狀況，提高機械閥的使用壽命，對機械閥式泵進行改進，研制出了Ⅱ型機械閥式泵[3]。Ⅱ型機械閥式泵利用上部液柱壓力作為液壓反饋力，增加了泵的下行推力，克服了油稠造成的下行困難等問題；但需要兩臺不同泵徑的抽油泵串聯而成，增加了加工制造難度。同時，稠油井使得泵筒與柱塞之間、稠油與抽油桿之間的摩擦阻力增大，造成抽油桿下行困難，加劇抽油桿的交變程度，使抽油桿容易斷脫。姜文峰等研究了液力反饋抽稠油泵[4]，將排出閥改為環形閥，減小了井液浮力，對提高泵效有一定的作用；但適應性較差，只在油氣比250～450的油井里工作效果較為明顯。

綜上所述，目前的抽稠泵均是通過改變作用在柱塞上的載荷，起到減少下行阻力，擴大泵的吸入效果，但由于其結構和原理的限制，只是減少了柱塞的下行載荷，不能全部消除柱塞的壓力，也就不能解決下部桿柱受壓的問題。

1.2 研制環閥頂置式中空泵的必要性分析

設計新的抽油泵結構，實現泵下加重，從根本上解決稠油或類似油藏開發中柱塞下行阻力較大、下部桿柱受壓的問題，不僅對于稠油和特殊油藏的開發，而且對新型碳纖維連續抽油桿的推廣應用有重要意義。

桿柱底部的拉壓疲勞是抽油桿斷脫的主要因素，抽油桿底部加重能降低桿柱中和點位置，提高桿柱穩定性。但是泵上加重使中和點下移程度有限，仍未消除底部桿斷隱患。而且，泵上加重降低了過流面積，增加了流動阻力，因此采用泵下加重的方式是解決問題的方法之一。

通過對東辛采油廠631口井桿斷位置剖析并結合抽油桿的受力分析，得到平均斷點與泵深關系如圖1所示。

圖1 平均斷點位置與泵深關系Fig.1 Relationship of average breakpoint position and pump depth

由圖1分析得，抽油桿柱平均斷點位置與泵深的回歸關系：

y=0.646x-55.02

(1)

抽油桿柱斷點位置，集中在泵掛深度的55%～60%之間。

抽油桿柱上行時，受到拉伸變形，而抽油桿柱下行時主要受到如圖2所示的作用力，在這些力的作用下發生屈曲變形。

圖2 抽油桿柱受壓屈曲變形圖Fig.2 Force buckling deformation graph of sucker rod column

圖2中，柱塞與泵筒的摩擦阻力為

(2)

式中，dP為抽油泵柱塞直徑，m；δ為柱塞與襯套之間的間隙，m。井液通過游動凡爾的阻力為

(3)

式中，AP為柱塞截面積，m2；f0為游動凡爾座孔斷面面積，m2；S為沖程，m；n為沖次，min-1；ρ為井液密度，kg/m3；μ為流量系數，取0.82。

抽油桿柱下端面受到的浮力為

F浮力=ρg∑AriLri

(4)

式中，Ari為各級抽油桿的截面積，m2；Lri為各級抽油桿的長度，m。

2 環閥頂置式中空泵的整體結構設計

過泵加重設計的難點在于如何實現過泵結構，環閥頂置式是一種解決途徑，中空泵整體結構如圖3所示。

1.加長管 2.拉桿 3.出油接頭 4.環閥 5.環閥座6.環閥罩 7.鎖爪 8.鎖套 9.上游動閥 10.柱塞 11.下游動閥 12.泵筒 13.進油接頭 14.加重桿圖3 環閥頂置式中空泵整體結構圖Fig.3 Structure of hollow pump with top mounting ring shaped valve

下沖程時，拉桿下放，帶動柱塞下行，環閥座下方、游動閥上方容積增大產生負壓，在上部油壓及空腔負壓的共同作用下環閥坐封環閥座，而上下游動閥在負壓和井底液的壓力共同作用下打開，井液進入泵筒、充滿空腔，完成吸液。

上沖程時，拉桿上提，上下游動閥關閉，柱塞上行，環閥座下方、游動閥上方容積減小，游動閥上方液體推開環閥，液體進入油管，完成泵筒排液。

3 關鍵部件的受力分析

環閥的結構及功能是環閥頂置式中空泵使用性能好壞的關鍵，其中環閥坐封性能以及開啟能力是最關鍵的技術之一。

3.1 環閥坐封性能

環閥結構及下沖程時環閥受力圖如圖4所示。

圖4 環閥結構及下沖程受力圖Fig.4 Structure of ring shaped valve and force diagram of down stroke

圖4中，環閥下沖程時受到向下的力有：上部液柱的壓力Fu，環閥內壁與拉桿相對運動時的油膜摩擦力Fm1，自身重力G；受到向上的力有：環閥外柱面的油摩擦力Fm2，環閥浮力Ff。

環閥受到上部液柱對其的壓力Fu為

Fu=Pu·Au

(5)

其中內部油壓為

Pu=P0+ρg(L-Hs)

(6)

式中，P0為油井套壓，MPa；ρ為井液密度，kg/m3；L為下泵深度，m；Hs為動液面高度，m；Au為環閥上部受力面積，m2。

顯然，Fm1>Fm2，G>Ff，軸向受力Fu+Fm1+G>Fm2+Ff，即作用在環閥上向下的力大于向上的力，環閥下行、關閉泵筒。環閥坐封后，Fm2消失，同時由于環閥下方空腔容積增大，產生向下的負壓，在Fu、Fm1、G及負壓綜合作用下，環閥可靠地坐封閥座。

3.2 環閥啟封性能

上沖程時拉桿上行，游動閥關閉，柱塞上提，泵筒內容積減小。環閥自身重力G、浮力Ff保持不變，環閥受到的摩擦力Fm1、Fm2反向，環閥受到上部液柱的壓力Fu變化忽略不計；由于液體不可壓縮性，環閥下部受到油液壓力Fd急劇上升，當Fd+Fm1+Ff>Fu+Fm2+G時，環閥開啟。

環閥的起跳高度[5]為

(7)

式中，S為柱塞截面積，m2；L為柱塞沖程長度，m；ω為柱塞往復的頻率；φ為液體收縮系數，0.7；c為液體通過閥縫的流速，m/s；D為環閥直徑，m；θ為曲柄轉角。

經計算得環閥的最大起跳高度為5.54 mm，此時環閥打開，流道通暢。

4 整泵的制造和試驗

基于上述設計、計算結果，試制了一臺環閥頂置式中空泵，型號：CYBΦ44×5。依據標準GB/T18607-2008，檢測各部件及整體結構的密封性及漏失量測試，室內試驗如圖5所示。

圖5 中空泵室內試驗圖Fig.5 Indoor test picture of hollow pump

在規定的不低于23 MPa試驗壓力下，保壓3 min，憋壓試驗結果顯示壓力降不超過0.5 MPa。環閥球座真空度抽至0.064 MPa，保持5 s鐘沒有出現泄露現象，說明球座具有較好的真空度。將柱塞置于泵筒中拉動輕快均衡，轉動靈活，無阻滯現象。

環閥頂置式中空泵室內憋壓試驗、球座真空度試驗、柱塞靈活性試驗等性能試驗，試驗效果良好，表明所研制的環閥中空泵CYBΦ44×5達到了設計標準要求，能夠滿足現場下井試驗的使用要求。

5 結論

基于目前稠油井特種泵剖析的基礎上，研制了環閥頂置式中空泵，實現了泵下加重，能增加桿柱下行動力。分析了中空泵的坐封性能和啟封能力，按照設計結構試制了型號為CYBΦ44×5樣機，完成了環閥頂置式中空泵室內憋壓試驗、球座真空度試驗、柱塞靈活性試驗等性能試驗，試驗效果良好。說明環閥頂置式中空泵的設計理念先進，結構合理，可以較好地解決稠油井桿柱下行困難，改善抽油桿柱的受力狀態。

[1] 段友智. 稠油熱采化學調驅復合體系研究[D]. 東營：中國石油大學(華東)，2010.

[2] 劉國升，付希恒.機械閥式超稠油電熱抽油泵:中國，CN99225179.6[P].2000.

[3] 呂鳳梅. 電熱抽油泵的研制[D]. 東營：中國石油大學(華東)，2007.

[4] 姜文峰. 雙強制啟閉機械閥液力反饋抽稠油泵[J]. 石油機械，2009，37(5)：94-95.

[5] 沈迪成. 抽油泵[M].北京:石油工業出版社，1994.

·實驗研究·

Development of hollow pump with top mounted ring shaped valve

ZHAO Ming-chen

(Shengli Oilfield Co., Ltd., Sinopec Group, Dongying 257061, China)

Hollow pump with top mounting ring shaped valve was designed because of subsurface pump’s piston down going difficultly, the lower part of sucker rod deforming by pressure, and in order to overcoming eccentric wear of sucker rod and tubing as well. The ring shaped valve that was located in the upper part of normal subsurface pump could complete suction and flowing back by seating sealing and unsealing, at the same time it could realize loading heavy weight by passing through pump. The performance of sealing and unsealing of hollow pump was analyzed, and the prototype with CYB Φ44×5 type was prepared. The sealing performance and leakage of whose hollow pump all parts and whole structure were tested. The test results showed that the hollow pump with top mounting ring shaped valve had reasonable design and could meet operating requirements completely.

hollow pump; ring shaped valve; structure design

2016-03-31；

2016-06-28

基于井筒流場的排采自適應控制技術研究與推廣示范(2016ZX05042003-001)、同井“三氣”合采關鍵設備研制(2016ZX05066004-002)、海上稠油、邊際油田三抽人工舉升方式關鍵技術研究(ZR2014El015)聯合資助。

趙明宸(1968-)，男，中國石化股份勝利油田分公司東辛采油廠高級工程師，博士。現主要從事油氣田開發方面研究工作。

TE952

A

1001-196X(2016)06-0017-04