一種新型容積式油井壓油泵的研制

， 　， ， 　(南昌大學 機電工程學院， 江西 南昌　330031)

引言

通常泵可分為容積泵和非容積泵。非容積泵包括離心泵、軸流泵和混流泵等。容積泵則包括柱塞泵、葉片泵、齒輪泵等。非容積泵主要以輸送介質為目的，也就是實現介質的轉移，因此其輸出壓力要求不高，或者說通常不適合輸出高壓(效率隨壓力下降)，但輸出流量大(流量隨壓力下降)。而容積泵則正相反，它通常以做功為主要目的，介質只是能量的載體，因此，其輸出壓力高，輸出流量小，但穩定、效率高[1]。通過容積泵將油井數千米深的原油泵至地面，這種情況屬于特例，它既以輸送介質為目的，還需克服數千米高的水頭，濃重的做功色彩絲毫不亞于工業中的液壓回路。或許正是因為這種特殊性，國內外還未見容積泵數千米井底采油的相關學術報道。

油井產油中后期,井壓、油品下降后，需用抽油設備將高水基原油強行從井下泵出。常用泵油設備，一是驢頭抽油機，二是多級離心泵[2]。前者體積和重量龐大，需在井口周圍修建相當面積的地基后才能安裝、使用，其安裝、拆卸、轉運(需用重型卡車和工程吊車)十分不便，由于不能連續抽油(驢頭下啄為吸油沖程，驢頭上揚為抽油沖程，單向閥控制)，作業效率也較低(約20%左右)。后者潛入油井深處，從井底向地面泵油，與前者相比，體積和重量減小不少。由于是潛入井下，故無須方寸井口地基。但油井動則千米、數千米的垂直落差要求這種離心泵的級數多達十幾級、幾十級，由此，離心式潛油泵有相當驚人的幾十米長度和數噸重量，其安裝、拆卸、轉運仍然十分不便，而且，級數增大，可靠性和效率下降，實際作業中，其泵油效率只有10%多一點，因此本研究提出了一種小型容積式徑向壓油泵。

1　新型容積式油井壓油泵的結構和原理

新型容積式油井壓油泵，其結構如圖1所示，包括定子、轉子、配流心軸、球塞、增壓渦輪。先將增壓渦輪2與轉子6用銷釘固定好，球塞5與轉子6的缸孔貼合，然后轉子6和球塞5與定子4內腔貼合，轉子6與配流心軸7緊密貼合，連接法蘭一端與定子4通過螺栓固定，另一端與電機通過螺栓相連。轉子6與泵的傳動軸通過花鍵相連，泵的傳動軸與電機的輸出軸通過聯軸器相連。

1.吸油口　2.增壓渦輪　3.出油口　4.定子　5.球塞 6.轉子　7.配流心軸

該泵的原理如下所述，當花鍵軸帶動增壓渦輪2和轉子6轉動時，缸孔內的球塞5也隨轉子6轉動，當轉速達到一定數值時，在離心力、液壓力和定子的反作用力的共同作用下球塞5沿定子4內軌作橢圓周運動，當球塞5由橢圓軌道的短半軸向橢圓軌道的長半軸轉動時是吸油過程，當球塞5由橢圓軌道的長半軸向橢圓軌道的短半軸轉動時是排油過程，而配流心軸7的作用是使吸入和壓出的井下高水基原油(有時水分可達90%以上)按著規定的方向流動。高壓原油從出油口3進入出油管，克服數千米的垂直落差后到達地面，完成深井高水基原油的開采。

2　新型容積式油井壓油泵的特點及關鍵技術

2.1　新型容積式油井壓油泵的特點

(1) 新型容積式油井壓油泵克服了傳統液壓泵存在結構復雜、振動噪聲大、易磨損、效率低等不足之處；

(2) 球塞與缸孔組成的摩擦副、配流軸與轉子組成的摩擦副、球塞與定子軌道曲線組成的摩擦副都噴上WC陶瓷，所有陶瓷表面均用金剛石研磨，以達到所需的尺寸精度和表面精度；

(3) 偶數球塞，優點有：使轉子6旋轉系統在配流軸高低壓腔(2個高壓腔，2個低壓腔，共4個腔，可被球塞總數整除)作用下受力完全周向對稱，可有效降低分流機械振動和噪聲，同時根據作用力和反作用力，配流軸的受力也是周向對稱的，亦可有效降低配流軸分流的流體振動和噪聲；

(4) 針對傳統柱塞泵輸送的流體黏度很高時，僅靠柱塞沿缸孔向外運動而產生的真空度來充分實現吸入介質是無法有效地輸送高黏度流體介質的，該泵在吸入口采用了渦輪增壓技術，可以將高黏度流體介質充分擠進缸孔，因此能高效輸送高黏度高壓力非牛頓流體，而對于黏度低的常規牛頓流體，渦輪增壓則可增大吸入壓力，防止泵產生氣蝕等不利現象；

(5) 新型容積式油井壓油泵其活塞為球體，徑向尺寸小，非常適合安裝于井下油管內狹小空間。該泵結構簡單、可靠性高。泵組(包含潛油電機)潛入井下數千米深處作業，只有3 m長，不到100 kg重，單人即可安裝，一輛自行車就可實現轉運，最重要的是，該泵屬于容積泵，和驢頭抽油機、離心泵相比，效率可達驚人的70%以上。

2.2　新型容積式油井壓油泵的關鍵技術

新型容積式油井壓油泵的關鍵技術是對泵在高水基原油介質下的密封、潤滑和摩擦磨損機理進行研究。

國內的學者對于容積泵的密封、潤滑和摩擦磨損機理做了相關研究[3-9],但工作介質要么是(海)水,要么是液壓油,或者是油水混合的乳化液。這些介質的成分和理化特性遠不能同高水基原油相提并論。正是由于高水基原油這種介質的特殊性，導致新型容積式油井壓油泵各主要摩擦副具有特殊的密封、潤滑和摩擦磨損行為，這也是該泵研究的關鍵性技術之所在。

3　結構性能參數指標

該泵主要結構性能參數指標如表1所示,該泵使用不銹鋼材質，泵外圓最大直徑為102 mm，最大高度為123 mm，通過6個M10的螺栓連接法蘭與電機，螺栓分布在直徑為78 mm的圓周上。做出的樣機主要結構部件實物圖，如圖2所示。

4　泵結構的優化

上述的新型容積式油井壓油泵作為一種球塞泵是以球體為活塞的徑向泵，其徑向尺寸大大小于同等缸孔的徑向柱塞泵，同時，球體的滾動代替了柱體的滑動，減少了摩擦，改善了潤滑，但是球塞副屬于線密封，密封長度幾乎為零，密封難度大，并且高水基原油介質成分比較復雜， 除可能含有液體外， 還可能含有的瀝青、 石蠟等固體潤滑物質，對摩擦副的要求較高。因此，針對球塞泵中可能存在的球塞副磨損劇烈、泄漏量較大問題，因此對壓油泵的結構提出了兩種優化設計方案，如圖3、圖4所示。

表1　新型容積式油井壓油泵各項參數

圖2　樣機主要部件

1.定子　2.轉子　3.球頭柱塞　4.配流軸

圖4　優化方案二

1) 方案一

優化后的壓油泵將用球頭柱塞作為活塞，其他結構與球塞壓油泵相同。球頭柱塞由兩部分組成，兩端為球頭，中間為圓柱體。

球頭柱塞長度不超過球頭直徑，柱形密封面長度最大化，其徑向尺寸與相同缸孔直徑的球塞泵相當，結構緊湊。采用了密封長度為球頭直徑2/3的柱面密封，彌補了球塞副線密封的不足。

2) 方案二

在方案一的基礎上，改進球頭柱塞的結構，使其形狀變為T型結構。前端為球頭，后端為圓柱體。

圓柱體的直徑為球頭直徑的1/2，使得活塞質量體積變小，活塞變得更輕巧，當轉子在相同轉速下時，更有利于吸排油，同時增大了柱形密封面長度，減小了球頭的徑向尺寸，使其相對于方案一有更好的密封性。但同時當轉子在高速轉動時，T型柱塞的球頭和圓柱體連接處也會受到周期性的應力變化。

5　結論

(1) 由于油井是自下而上進行采油，原油需克服數千米垂直落差到達地面，這就要求采油設備具有較大的泵油壓力。新型容積式油井壓油泵為了實現較大的泵油壓力，同時降低泵組長度重量，采用了渦輪增壓技術，將原油介質充分擠進缸孔，使其在進入轉子吸油腔前，進行預加壓處理；

(2) 新型容積式油井壓油泵在關鍵摩擦副處噴涂WC陶瓷，降低因摩擦而造成的機械損失，從而提高了泵的機械效率。對泵球塞副結構的優化設計，可增大密封面的長度，減少泄漏量，從而提高了泵的容積效率；

(3) 新型容積式油井壓油泵相較于傳統的油井產油設備在體積重量效率方面有明顯的優勢，其體積小、重量輕、結構簡單、加工較容易、采油效率高。在當今不斷追求高效率采油的背景下，該泵非常具有研究的價值。

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