雙作用往復抽油泵的設計與試驗研究

陸錦錦，張 偉，景滿軍*，楊 凱，何 平

1.武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430064；

2.湖北第二師范學院物理與機電工程學院，湖北 武漢 430205

石油作為基礎能源和化工原料，在工業、農業、交通、國防、醫藥等領域廣泛應用，占據國民經濟重要地位，提高石油鉆采效率，對推動我國石油經濟快速發展具有重要意義［1-2］。抽油泵是石油開采的主要設備，其性能等直接影響油田采油效率［3-5］。目前，國內外專家學者對抽油泵內部流場分析、結構優化及試驗研究等開展了相關研究工作［6-9］。程天才等［10］采用理論分析與數值模擬對抽油泵內流體流動規律進行研究，劉洪斌等［11］結合漏失理論分析了抽油泵在不同因素影響下的漏失規律，曲斌［12］分析了直井泵在斜井中存在的偏磨、漏失等問題及斜井中抽油泵的優化方式，謝文獻等［13］究了抽油泵泵筒-柱塞摩擦副在模擬工況下的磨損狀態，確定了磨損最優的因素水平組合。屈成亮等［14-15］建立了測柱塞和泵筒環隙漏失量以及游動閥和固定閥漏失量的實驗裝置，對常規泵和斜井泵進行了靜態漏失量測試。

為提高石油鉆采效率，本文設計了一種雙作用往復抽油泵，其采用直線電機驅動，在一個周期吸油、排油2 次，確保了石油周期性連續采集。并采用AMESim 仿真與試驗對其響應特性與流量特性進行了深入分析，以期簡化采油系統結構，提高采油效率，降低采油成本。

1 工作原理

根據抽油系統的需求，研制了一種永磁直線電機驅動的雙作用往復抽油泵。直線電機具有推力大、響應速度快、結構簡單、運行穩定等特點，通過與抽油泵柱塞直接相連，簡化了抽油系統動力傳遞裝置結構，有效提高了抽油泵運行可靠性和電機動力的傳遞效率。同時，直線電機可以無級調速，通過改變直線電機驅動活塞速度來改變抽油泵的流量，適應不同沖程、沖次工況需求。

抽油系統工作時，直線電機驅動柱塞上下往復運動，當柱塞向下運動過程中，上泵腔體積增大，壓力減小，進油閥閥口打開，油液進入上泵腔，實現吸油過程，同時下泵腔體積減小，壓力增大，下泵腔內的油液排出到與油管相通的沉砂管內，并經過油管排出到地面上。

當柱塞向上運動過程中，上泵腔體積減小，內部壓力增大，油液加壓之后，一部分油液經過出油閥閥口排出，同時下泵腔體積增大，壓力減小，另一部分油液經過沉砂管進入下泵腔。

上、下泵腔油液體積V1、V2分別為：

式中：d1為泵筒直徑；d2為下泵腔活塞直徑；s為沖程。

柱塞下移時，抽油泵的排量q1：

式中：n為沖次。

柱塞上移時，抽油泵的排量q2：

故抽油泵在一個周期內排油2 次，柱塞下行程排出的油液為q1，柱塞上行程排出的油液為q2，確保了石油周期性供給，提高了石油鉆采的連續性與穩定性。

2 建模與仿真分析

抽油泵是由機、電、液強耦合的復雜系統，為了更好的了解抽油泵的響應性能，縮短設計周期，降低研制成本，運用AMESim 對其進行仿真分析，為抽油泵的性能優化提供相關的理論依據。抽油泵AMESim 仿真模型如圖1 所示。

圖1 抽油泵AMESim 仿真模型Fig.1 AMESim simulation model of oil well pump

根據往復抽油泵物理模型對其AMESim 仿真模型主要參數進行設置，其主要參數設置如表1 所示。

表1 抽油泵仿真參數設置Tab.1 Simulation parameters of oil well pump

抽油泵采用直線電機驅動活塞往復運動，通過直線電機模擬信號模塊設置柱塞響應速度。在單向沖次方向，柱塞依次進行勻加速、勻速及勻減速運動，最大速度達900 mm/s，單向周期為2.33 s，其額定單向沖次速度曲線如圖2 所示。

圖2 柱塞額定單向沖次速度曲線Fig.2 Rated one-way impulse speed curve of trunk piston

為了觀察抽油泵在一個周期內的響應特性，設置仿真時長為5 s，步長為1 ms，得到其柱塞位移曲線，如圖3 所示。

圖3 柱塞位移曲線Fig.3 Displacement curve of trunk piston

圖3 中，抽油泵柱塞在直線電機驅動下往復運動，其位移曲線按余弦周期性變化，最大位移約為1 200 mm。

如圖4 所示，在一個周期內，當柱塞向下運動時，上泵腔內體積增大壓力降低，克服進油閥閥芯重力，使進油閥閥口開啟，閥芯迅速開啟至最大開度15 mm；當柱塞向上運動時，上泵腔體積減小壓力增大，進油閥閥口關閉，同時，出油閥閥芯迅速開啟至最大開度22 mm。進、出油閥閥芯位周期性依次啟閉，實現抽油泵配油，其閥口流量變化曲線如圖5 所示。

圖4 進、出油閥閥芯位移對比曲線Fig.4 Displacement comparison curves of inlet and outlet valve cores

圖5 進、出油閥閥口流量對比曲線Fig.5 Flow rate comparison curves of inlet and outlet valves

如圖5 所示，隨著進、出油閥閥芯依次啟閉，進、出油閥閥口流量周期性變化。當進、出油閥閥芯分別開啟至最大值時，進、出油閥閥口均達到最大流量約1.5 L/s。同時，當進、出油閥閥芯關閉時，由于閥芯的響應遲滯，閥口關閉不及時，少量油液從其閥口反向溢出，使其流量出現負值。

柱塞往復運動時，抽油泵上、下泵腔內油液體積及其流量曲線如圖6 和圖7 所示。

圖6 上、下泵腔油液體積曲線Fig.6 Oil volume curves of upper and lower pump chambers

如圖6 所示，由于抽油泵為雙作用往復泵，隨著柱塞往復移動，上、下泵腔內油液體積分別按正、余弦曲線變化。當柱塞運動至最下端時，上泵腔吸油體積最大約為2 L，下泵腔排油最大約為1 L。當柱塞向上移時，上泵腔油液一部分經出油閥閥口排出，另一部分進入下泵腔儲油。因此，抽油泵在一個周期內，2 次吸油、排油，確保了抽油泵排油的連續性與穩定性。

如圖7 所示，上、下泵腔口的流量隨著上、下泵腔油液體積周期性變化，當柱塞向下勻加速達到最大速度時，上、下泵腔油液流量分別達到最大值1.5 L/s、0.7 L/s。當柱塞勻速運動時，流量保持穩定，當柱塞向下勻減速時，上、下泵腔油液流量逐漸降低為0。同時，當柱塞上移時，上、下泵腔油液流量反向變化。

圖7 上、下泵腔流量曲線Fig.7 Flow rate curves of upper and lower pump chambers

為了驗證抽油泵周期性連續供給特性，得到出油閥閥口的油液體積曲線如圖8 所示。

如圖8 所示，由于抽油泵為雙作用往復泵，出油閥閥口油液體積曲線呈連續性周期性上升，尿素液供給具有良好的連續性，60 s 排出油液體積約為1.45 L。由于出油閥閥芯響應遲滯，其閥口存在反向溢流，導致抽油泵周期性排出油液體積達到最大值后降低。

圖8 出油閥閥口的油液體積曲線Fig.8 Oil volume curve of outlet valve port

為了降低出油閥閥芯響應遲滯問題，進一步提高出液閥閥芯的響應特性，通過設置不同材質與體積的閥芯，以及在閥芯上設置不同剛度彈簧，探究不同質量與彈簧剛度時出液閥閥口的流量對比曲線如圖9 和圖10 所示。

圖9 不同閥芯質量時出液閥閥口的流量對比曲線Fig.9 Flow rate comparison curves of outlet valve port under different valve core mass

圖10 不同彈簧剛度時出液閥閥口的流量對比曲線Fig.10 Flow rate comparison curves of outlet valve port under different spring stiffness

在圖9 和圖10 中可以看到，出液閥開啟時，在不同出液閥閥芯質量與不同彈簧剛度下，其閥口流量曲線基本一致。當閥芯關閉時，由于閥芯質量越大、彈簧剛度越大，閥芯關閉越快，閥口最大反向流量越小，而溢出的油液量越少，抽油泵的流量越平穩。

3 試驗與分析

為驗證抽油泵的性能，研制了抽油泵樣機并搭建了試驗系統，并對樣機進行了試驗來檢驗抽油泵的各項性能，如圖11 所示。

圖11 抽油泵試驗系統圖Fig.11 Test system diagram of oil well pump

線性度與穩定性是抽油泵的主要性能指標，為了驗證抽油泵的線性度與穩定性，每間隔10 min檢測抽油泵排出的油液體積，試驗分5 組，得到抽油泵排量曲線與精度曲線如圖12 和圖13 所示。

圖12 抽油泵流量曲線Fig.12 Flow rate curves of oil well pump

圖13 抽油泵流量精度散點圖Fig.13 Scatter diagram of flow accuracy of oil well pump

由圖12 和圖13 可知，在10～60 min 范圍內，5組測試流量均在138～884 L 范圍內均呈線性增長，同時，5 組測試流量精度散點均分布在±5%范圍內，試驗結果表明抽油泵具有良好的線性度與穩定性。

4 結論

（1）抽油泵結構簡單、響應靈敏，通過采用直線電機驅動柱塞上下往復運動，在一個周期吸油、排油2 次，確保了石油周期性連續供給。

（2）通過合理設計出液閥閥芯閥質量與彈簧剛度，能夠降低閥口最大反向流量，減少石油溢出量，提高抽油泵的流量平穩性。

（3）抽油泵具有良好的線性度與穩定性，在10～60 min 范圍內，抽油泵流量可在138～884 L 范圍內線性調節，且流量精度為±5%范圍內，滿足石油鉆采系統的工作需求。