低漏失低壓差深井泵設計

王 璐， 吳 明， 王衛強，路繼平

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中石油長城鉆探一公司， 遼寧 盤錦 124000）

化工設計

低漏失低壓差深井泵設計

王 璐1， 吳 明1， 王衛強1，路繼平2

（1. 遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院，遼寧 撫順 113001； 2. 中石油長城鉆探一公司， 遼寧 盤錦 124000）

針對高含氣油井舉升泵效低的問題，設計了低漏失低壓差深井泵。建立了游動閥力學模型，將該泵與普通抽油泵的漏失量和游動閥開啟壓差進行比較。該泵內泵筒下端懸空，不發生變形，完全消除了因為泵筒與柱塞間隙變化而引起的額外漏失量，不易偏磨或卡泵，游動閥容易開啟，具有泵效高、使用壽命長的特點，可廣泛應用于高含氣油井舉升。

漏失；氣鎖；泵筒變形；泵效

普通抽油泵在抽汲混氣原油時，沉沒度對泵效的影響很明顯[1]，而合適的沉沒度較難確定，因而泵效往往較低。為此，筆者設計了低漏失低壓差深井泵以提高在不同沉沒度下舉升混氣原油的泵效。

1 低漏失低壓差深井泵的結構及工作原理

（1）低漏失低壓差深井泵的結構

低漏失低壓差深井泵是在普通抽油泵的基礎上加裝了承壓的外泵筒，并對游動閥進行改進而得到的適用于高含氣油井舉升的一種新型抽油泵。該泵的結構可分為泵筒總成、柱塞總成和固定閥總成三大部分（見圖1）。泵筒總成主要由內、外泵筒組成，是固定閥等零件的支持件。內泵筒下端懸空，使內泵筒不承受軸向和徑向的載荷。柱塞總成包括柱塞、游動閥球和游動閥頂桿，游動閥頂桿下端面積大于游動閥球下端面積，使游動閥容易開啟。固定閥總成主要由固定閥座、固定閥球和閥罩組成。

（2）低漏失低壓差深井泵的工作原理

圖1 低漏失低壓差深井泵工作原理Fig.1 Wworking principle of deep-well pump with low leakage and low pressure difference

上沖程抽油桿帶動柱塞向上運動，如圖 1(a)所示。泵腔容積變大壓力降低，游動閥關閉，固定閥開啟，地層產出液進入泵腔內部。此時外泵筒在泵腔內外壓差作用下發生收縮，而內泵筒內外壁壓力相等，不發生變形。

下沖程柱塞向下運動，如圖1(b)所示。泵腔容積變小壓力上升，固定閥關閉，游動閥頂桿在其下端較大壓力的作用下打開，并頂開游動閥球，泵腔內的氣液混合物順利經由排出口進入油管，不會出現游動閥開啟滯后甚至“氣鎖”的問題。此時外泵筒在泵腔內外壓差作用下發生膨脹，而內泵筒內外壁壓力相等，不發生變形。

2 泵筒結構特點

（1）普通抽油泵工作過程中泵筒變形分析

普通抽油泵在工作過程中，復雜的受力環境會引起泵筒徑向變形及彎曲，不但使漏失量增加，影響泵效，還會增加柱塞下行阻力，引起偏磨，甚至發生卡泵現象。泵筒與柱塞間隙的漏失量可表示為[2,3]：

式中：Q—一個沖程中泵筒與柱塞間隙的漏失量， m3/s；

D—泵徑，m；

v—液體運動粘度，m2/s；

e—泵筒與柱塞的徑向間隙，m；

ΔH—柱塞兩端的液柱壓差，m；

l—柱塞長度，m；

vp—柱塞運動速度，m/s。

根據式（1），泵筒與柱塞間隙的漏失量和它們之間間隙的立方成正比。因此普通抽油泵工作時泵筒與柱塞間隙周期性的變化對漏失量及泵效影響明顯。

（2）低漏失低壓差深井泵工作過程中泵筒變形分析低漏失低壓差深井泵在普通抽油泵的基礎上加裝了承受壓力的外泵筒，并將內泵筒下端懸空。在泵的工作過程中只有外泵筒發生變形，而與柱塞接觸的內泵筒不發生徑向變形，不僅完全消除了因為泵筒與柱塞間隙變化而引起的額外漏失量，而且具有較強的抗彎曲和防偏磨性能，不會發生卡泵。

3 低漏失低壓差深井泵與普通抽油泵游動閥開啟條件的比較

（1）普通抽油泵游動閥開啟條件

將游動閥球與游動閥座研合密封處的弧接觸簡化為弦接觸[4]，在此基礎上導出游動閥開啟的條件是：

式中：Wv—游動閥球重量，N；

P—游動閥座孔處液體對閥球壓力，N；

D—游動閥球直徑，m；

p下—閥球下端壓強，Pa；

p上—閥球上端壓強，Pa；

a—閥口研合寬度，m；

2α—閥口密封錐錐角，(°)；

ρ—閥球密度，kg/m3。

（2）低漏失低壓差深井泵游動閥開啟條件低漏失低壓差深井泵游動閥打開的條件是

式中：p′下—游動閥頂桿下端壓強，Pa；

Wdg—游動閥頂桿的重量，N。

（3）低漏失低壓差深井泵與普通抽油泵游動閥開啟條件比較

由于閥球和頂桿的重量對游動閥的開啟起次要作用，因此可假定將其忽略。將式(3)簡化可得到普通泵游動閥開啟的條件為：

將式(5)簡化可得到低漏失低壓差深井泵游動閥開啟條件為：

由式(8)可知，由于低漏失低壓差深井泵的游動閥頂桿下端面積大于游動閥球座內孔面積，使該泵的游動閥開啟壓差小于普通泵的游動閥開啟壓差，可減小泵內氣體對泵效的不利影響，避免“氣鎖”現象。

4 結 論

（1）低漏失低壓差深井泵是在常規抽油泵外增加一個承壓的外泵筒，而內泵筒僅一端固定。該結構避免了內泵筒因受力發生徑向變形，不僅完全消除了因為泵筒與柱塞間隙變化而引起的額外漏失，還使該泵具有較強的抗彎曲和防偏磨能力。

（2）低漏失低壓差深井泵的游動閥由游動閥頂桿和游動閥球串聯組成，頂桿下端面積比游動閥座內孔面積大，使該泵游動閥開啟壓差小于普通泵游動閥開啟壓差，可減小泵內氣體對泵效的不利影響，避免“氣鎖”現象。

（3）低漏失低壓差深井泵原理簡單可行，具有泵效高、使用壽命長的特點，可廣泛應用于高含氣油井舉升。

［1］ 劉漢成.抽汲混氣原油時合理沉沒度的計算方法[J].石油鉆采工藝，1995，17(5)：90-93.

［2］ 沈迪成.抽油泵[M].北京：石油工業出版社，1994.

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

［4］ 梁政.關于閥球直徑對泵閥開啟壓差影響的討論[J].石油機械，1991(08)：39-42.

Design of Deep-well Pumps With Low Leakage and Low Pressure Difference

WANG Lu1，WU Ming1，WANG Wei-qiang1,LU Ji-ping2
（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；
2. PetroChina Great Wall Drilling Company，Liaoning Panjin 124000，China）

The deep-well pump with low leakage and low pressure difference was designed to solve the problem of the low pump efficiency during the lifting process of a high gas containing well. To compare the leakage and the opening pressure difference of the traveling valve between this pump and a regular one, the mechanical model of traveling valve was established. The lower part of the pump barrel is pending, so there won’t be any deformation, and the extra leakage caused by the change of the clearance between pump barrel and pump plunger can be completely eliminated. Also, it diminishes the possibility of eccentric wear and stuck pump, which can make the traveling valve more easily to be open. It has advantages of high pump efficiency and long service life, and can be widely used in the lifting process of high gas containing wells.

Leakage; Gas locking; Deformation of pump barrel; Pump efficiency

TE 355.5

A

1671-0460（2012）05-0542-03

2012-03-26

王璐（1982-），男，遼寧撫順人，助教，碩士，2009年畢業于中國石油大學，研究方向：油氣田開發工程。E-mail：wanglu_lnpu@126.com。