井下串聯抽稠油泵滑閥彈簧參數優化

付 麗，王 璐，孫美玲，管 琳

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；

2. 遼河油田勘探開發研究院 計算所，遼寧 盤錦 124010； 3. 中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

井下串聯抽稠油泵滑閥彈簧參數優化

付 麗1，王 璐1，孫美玲2，管 琳3

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001；

2. 遼河油田勘探開發研究院 計算所，遼寧 盤錦 124010； 3. 中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057）

井下串聯抽稠油泵能對粘度高、在井筒中流動阻力大的稠油進行有效舉升。該泵在上沖程時從油管摻入降粘液，并吸入地層產出液；在下沖程時將二者混合并通過油套環空舉升至地面。分析了滑閥彈簧的受力情況，通過試算的方法對彈簧的材料和幾何參數進行設計，并進行強度和穩定性校核。對該泵的在不同情況下工作時的參數設置具有指導作用。

抽稠油泵；彈簧；工作參數

稠油具有粘度高、流動性差的特點，開采的成本和技術要求均較高，這給稠油油藏開發造成了一定的困難[1,2]。有些原油在地層條件下可進入井筒，但在井筒中流動困難，井下串聯抽稠油泵能夠對其進行有效的降粘開采。泵內滑閥彈簧參數的選擇對該泵在生產過程中上、下滑閥能否順利打開和關閉以及摻降粘液舉升稠油是十分重要的，因而是該泵設計的關鍵環節。

1 井下串聯抽稠油泵結構及工作原理

井下摻液抽稠油泵由泵筒總成、柱塞總成和固定閥總成三大部分組成，其中泵筒總成包括上、下泵筒及接頭；柱塞總成包括上、下柱塞，上、下滑閥及空心連桿等；固定閥總成包括吸入閥、排出閥等。

抽油泵的工作原理如圖1所示。柱塞上行時，由于上柱塞截面積大于下柱塞截面積，中泵腔容積變大壓力降低。滑閥在兩端壓差的作用下打開，摻入的降粘液從上泵腔進入中泵腔內。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。柱塞下行時，中泵腔體積減小，壓力迅速增大，上滑閥關閉，下滑閥在兩端壓差作用下打開，摻入液進入下泵腔，與稠油在此混合，最終由出油閥排出，通過油套環空流向地面。

2 彈簧受力分析

為了保證該泵的正常工作，要求在上沖程過程中上滑閥開啟，下滑閥關閉；在下沖程過程中上滑閥關閉，下滑閥開啟。因此，彈簧應滿足的條件為

（1）上沖程

式中：F1′—上滑閥打開時上滑閥彈簧的彈力，N；

F2—下滑閥關閉時下滑閥彈簧的彈力，N；

p1—上泵腔壓力，Pa；

p2—中泵腔壓力，Pa；

p3—下泵腔壓力，Pa；

Ah1—上滑閥截面積，m2；

Ah2—下滑閥截面積，m2。

圖1 井下串聯抽稠油泵工作原理Fig.1 working principle of down hole pumps in series

（2）下沖程

式中：F1—上滑閥關閉時上滑閥彈簧的彈力，N；

F2′—下滑閥開啟時下滑閥彈簧的彈力，N。

3 彈簧的設計

常規的設計方法是通過彈簧的工作載荷及變形量來選擇彈簧的類別及材料，再根據國標選擇合適的彈簧[3]。從(1)式和(2)式可以知道，該泵的上滑閥彈簧和下滑閥彈簧受力情況類似，未知條件比較多，不能通過常規方法進行設計，而需要通過試算的方法對彈簧進行設計。

圖2為利用試算法設計滑閥彈簧的流程，由于彈簧的外徑必須小于泵筒的內徑，因此從外徑入手設計彈簧，之后對結果進行驗算。如果不滿足泵的工作要求則重新選擇彈簧的外徑進行設計。所設計的彈簧需要滿足以下條件：

①由于彈簧與摻入液和地下產出液等具有一定腐蝕性的流體接觸，因而彈簧的材料必須具有一定的防腐蝕能力。

②彈簧的幾何參數符合泵腔空間結構限制。需要確定的幾何參數主要包括彈簧的自由高度、有效圈數、剛度、螺旋角、展開長度、壓并高度、壓并時彈簧外徑、最小最大工作負荷時的高度等，確定方法可參考文獻[3]。

③彈簧所受載荷在泵工作區范圍。

④彈簧滿足強度及穩定性要求。

圖2 滑閥彈簧的設計流程圖Fig.2 Flow chart of Slide Valve Spring design

彈簧的強度校核包括疲勞安全強度S1和彈簧的靜強度安全系數S2兩方面，與許用安全系數[S]的關系應滿足

其中，疲勞安全強度和靜強度安全系數的計算公式為

式中：τ0—脈動疲勞極限，N/mm2；

τmax—最大循環變應力，N/mm2；

τmin—最小循環變應力，N/mm2；

τs—彈簧扭轉屈服極限，N/mm2。

彈簧的穩定性方面，應滿足條件：

式中：b—高徑比；

H0—彈簧的自由高度，m；

D2—彈簧的中徑，m；

bc—臨界高徑比。

4 計算實例

以玉東 2-50井為例來說明該方法在滑閥彈簧參數優化中的應用。該井的基礎數據如表1。

表1 玉東2-50井基礎數據Table 1 Data base of YuDong 2-50 well

以滑閥彈簧參數為設計目標，應用本文第2部分和第3部分對基礎數據進行分析，得到滑閥彈簧參數，如表2。

5 結 論

（1）滑閥彈簧要保證在上沖程過程中上滑閥開啟，下滑閥關閉；在下沖程過程中上滑閥關閉，下滑閥開啟，從而使井下串聯抽稠油泵能夠正常工作。

（2）滑閥彈簧受力的未知因素比較多，不能用常規方法對其進行設計，只能用試算的方法進行設計。

（3）由于彈簧與摻入液和地下產出液等具有一定腐蝕性的流體接觸，因而彈簧的材料必須具有一定的防腐蝕能力。

（4）滑閥彈簧的幾何參數應符合泵腔空間結構限制，所受載荷應在泵工作區范圍，并且滿足強度及穩定性要求。

表2 滑閥彈簧設計結果Table 2 Design Results of Slide Valve Spring

［1］張琪.采油工程原理與設計[M].東營：石油大學出版社，2000.

［2］萬仁浦.采油工程手冊[M].北京：石油工業出版社，2008-08.

［3］成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.

Parameter Optimization of the Spool Spring of Down Hole Pumps in Series

FU Li1，WANG Lu1，SUN Mei-Ling2，GUAN Lin3
（1.College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China;
2. Liaohe Oilfield Exploration and Development Research Institute, Liaoning Panjin, 124010, China;
3. Cnooc (China) Co., LTD. Zhanjiang branch, Guangdong Zhanjiang 524057, China）

By using the down hole pumps in series, heavy oil with high viscosity which can cause high resistance in the well bore can be effectively lifted. Degradable fluid is injected in the pump from oil tube during the process of upstroke; meanwhile the produced fluid would be sucked in. And during the process of down stroke, the degradable fluid and produced fluid would be mixed and lifted up to the ground through casing tubing annulus. In this paper, strength performance of the spool spring was analyzed. The material of the spring and its parameters were designed through trial calculation. Then the intensity and stability of the spring were also checked. All this can provide a guide for parameter setting in different working conditions.

Heavy oil pump; Spring; perational parameter

TE 345

A

1671-0460（2012）05-0536-03

2012-03-28

付麗（1982-），女，遼寧撫順人，助理實驗師，碩士，2009年畢業于遼寧石油化工大學，研究方向：油氣儲運。E-mail：fuli861820@163.com。