新型稠油摻液泵的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核方法

曲占慶，曲冠政，王 璐，牛淑芳，楊 陽(yáng)，姚 佳

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555；2.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001；3.中國(guó)石化勝利油田分公司濱南采油廠，山東濱洲257600） ①

新型稠油摻液泵的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核方法

曲占慶1，曲冠政1，王 璐2，牛淑芳3，楊 陽(yáng)1，姚 佳1

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院，山東青島266555；2.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001；3.中國(guó)石化勝利油田分公司濱南采油廠，山東濱洲257600）①

針對(duì)稠油粘度高、在井筒內(nèi)流動(dòng)阻力大等問題，設(shè)計(jì)了一種新型稠油摻液泵。建立了泵筒和錐形閥連桿的力學(xué)模型，校核了其強(qiáng)度。泵筒的受力可以簡(jiǎn)化為有端蓋的圓筒受均布?jí)毫?，危險(xiǎn)點(diǎn)在泵筒螺紋的內(nèi)徑處；連桿主要承受交變拉應(yīng)力。該泵原理簡(jiǎn)單，工藝上容易實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)油管摻液、套管生產(chǎn)，柱塞下混合降粘，克服了泵上摻液不能降低進(jìn)泵原油粘度的缺點(diǎn)，是稠油摻液舉升的一種理想抽油泵。

稠油；摻液泵；結(jié)構(gòu)；強(qiáng)度

稠油油藏在開采過程中主要有2大難題［1－2］：①稠油粘度高，在地層的滲流阻力大，使得原油不能從油層流入井筒；②即使稠油能夠流到井底，由于降壓脫氣和散熱降溫使稠油在井筒中的粘度進(jìn)一步增加，使稠油在井筒中的舉升難度進(jìn)一步增大。針對(duì)稠油在油層中滲流阻力大的問題，常采用熱處理油層技術(shù)；對(duì)于稠油在井筒中舉升困難的問題，常用電加熱降粘、摻化學(xué)劑降粘、摻稀油降粘及熱流體循環(huán)等降粘技術(shù)。摻稀油降粘技術(shù)是通過減少瀝青的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從而減少可溶瀝青粒子相互糾纏程度達(dá)到稠油降粘的目的。有桿泵采油技術(shù)是一種占主導(dǎo)地位的機(jī)械采油方式，也是目前應(yīng)用較為廣泛的稠油舉升工藝技術(shù)［3］?？紤]到摻稀油降粘技術(shù)，同時(shí)結(jié)合有桿泵開采稠油技術(shù)，筆者設(shè)計(jì)出一種新型的稠油摻稀泵。

1 稠油摻稀泵結(jié)構(gòu)

稠油摻稀泵由不同直徑的2臺(tái)泵串聯(lián)組成，上下柱塞之間通過空心連接筒連接。其結(jié)構(gòu)可分為泵筒總成、柱塞總成和固定閥總成3大部分（如圖1）。泵筒總成由上、下泵筒通過接頭連接而成，是固定閥、泵筒接箍等零件的支持件，柱塞在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。柱塞總成包括上、下柱塞及滑閥、連接筒、錐形閥等。柱塞與泵筒組成一個(gè)運(yùn)動(dòng)副，又是滑閥、滑閥罩等零部件的支持件；上柱塞直徑大于下柱塞，上、下柱塞通過連接筒連接；錐形閥由定導(dǎo)器、滑套出油接頭、連桿、閥體和閥座等組成，它改變傳統(tǒng)閥為連桿結(jié)構(gòu)，由抽油桿上、下行程控制錐形閥的開啟與關(guān)閉。固定閥總成是抽油泵的重要組成部分，它包括進(jìn)油閥、出油閥等，主要由閥罩、閥球和閥座組成，對(duì)抽油泵的泵效和可靠性有很大的影響。閥罩采用更加合理、國(guó)內(nèi)應(yīng)用廣泛的槽形球室型閉式閥罩，為大流道結(jié)構(gòu)，有3條導(dǎo)向內(nèi)筋，對(duì)閥球的運(yùn)動(dòng)起到導(dǎo)向作用。

圖1 稠油摻稀泵結(jié)構(gòu)

2 工作原理

抽油機(jī)上沖程中，抽油桿通過定導(dǎo)器和連桿，使錐形閥迅速上行閉合，推塊帶動(dòng)柱塞上行，由于上柱塞截面積大于下柱塞，上泵腔容積變大，壓力降低。當(dāng)滑閥兩端壓差達(dá)到一定時(shí)，滑閥打開，摻入的液體從油管進(jìn)入上泵腔內(nèi)。同時(shí)，進(jìn)油閥在泵筒內(nèi)外壓差作用下打開，吸入稠油；出油閥復(fù)位關(guān)閉。

抽油機(jī)下沖程中，抽油桿通過連桿帶動(dòng)錐形閥打開，并帶動(dòng)定導(dǎo)器的定位凸臺(tái)與滑套柱塞接頭相碰，通過定導(dǎo)器作用在柱塞上一個(gè)向下的力，在這個(gè)力和上部液柱的共同作用下，柱塞下行。2個(gè)柱塞間的環(huán)形腔體積迅速減小，壓力迅速增大，滑閥關(guān)閉，摻入液通過錐形閥進(jìn)入下泵腔，與稠油在下泵腔內(nèi)混合，最終由出油閥排出到油套環(huán)空，流向地面。

3 泵筒和連桿的強(qiáng)度校核

抽油泵所抽汲的液體中含有砂、蠟、氣、水及腐蝕性物質(zhì)，且抽油泵在數(shù)百米到數(shù)千米的井下工作，工作環(huán)境復(fù)雜、條件惡劣，因此有必要對(duì)泵筒及連桿進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算［4］。

3.1 泵筒強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計(jì)算

泵筒總成由上、下泵筒通過接頭連接而成，是固定閥、泵筒接箍等零件的支持件，而且柱塞在其內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此泵筒要有足夠的強(qiáng)度，以便適應(yīng)深抽需要。泵筒所受外部壓力可通過式（1）計(jì)算，即

3.1.1 泵筒應(yīng)力分析

泵筒的受力情況可以簡(jiǎn)化為有端蓋的圓筒受均布?jí)毫?。從泵筒上取一?yīng)力元進(jìn)行分析（如圖2），得到危險(xiǎn)點(diǎn)在泵筒螺紋的內(nèi)徑處，三向應(yīng)力的大小分別為［5－6］

其中：

圖2 泵筒應(yīng)力元分析

3.1.2 強(qiáng)度條件

采用第四強(qiáng)度理論可較好地解決塑性材料三向應(yīng)力強(qiáng)度問題。

強(qiáng)度條件為：［σ］≥σd4

3.1.3 泵筒疲勞強(qiáng)度條件

在泵工作時(shí)，泵筒疲勞主要由所受到的交變拉應(yīng)力引起，根據(jù)文獻(xiàn)［5］所介紹的方法，對(duì)泵筒進(jìn)行疲勞強(qiáng)度計(jì)算。考慮應(yīng)力集中，交變應(yīng)力為

利用古德曼圖（如圖3）進(jìn)行泵筒及連桿疲勞強(qiáng)度校核。工作在由點(diǎn)A、B、C、…、H構(gòu)成的封閉凸8邊形內(nèi)的零件其壽命可達(dá)到107次循環(huán)以上，是安全的。

橫坐標(biāo)是交變應(yīng)力的平均應(yīng)力σm，縱坐標(biāo)是最大應(yīng)力σmax和最小應(yīng)力σmin。過橫坐標(biāo)σm上任意點(diǎn)L（σmL）的垂線交古德曼圖于J、K點(diǎn)，它們代表的應(yīng)力σJ是該σmL下允許最大應(yīng)力，σK為允許最小應(yīng)力，允許最大應(yīng)力振程為

圖3 古德曼圖

疲勞強(qiáng)度條件為：σrg＜σJK

其安全系數(shù)為：n＝σJK／σr

解析法解古德曼圖是將其劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4個(gè)區(qū)，利用邊界線的方程求得與σm相應(yīng)的σJK。

最大應(yīng)力極限在Ⅰ區(qū)和Ⅳ區(qū)，其值分別為

各區(qū)分界處平均應(yīng)力為

3.2 連桿的強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計(jì)算

連接錐形閥的連桿在上沖程中承受著摻入液液柱的載荷，而下沖程中基本不受載荷作用，因此要有足夠的強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。根據(jù)文獻(xiàn)［6］中介紹的方法，連桿所受載荷及應(yīng)力為

4 滑閥彈簧的設(shè)計(jì)

滑閥中彈簧參數(shù)選擇是否合理影響到滑閥能否在上沖程中打開、下沖程中關(guān)閉。普通彈簧的設(shè)計(jì)方法為根據(jù)彈簧的工作載荷和在工作載荷下的變形量等已知條件來選用彈簧的類別及其材料，再計(jì)算彈簧參數(shù)，最后根據(jù)國(guó)標(biāo)來選擇合適的彈簧。對(duì)于摻液抽稠泵滑閥彈簧，由于上述條件不能夠完全已知，無法算出所需的彈簧參數(shù)，因此不能用普通彈簧設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要采取一種不同于常規(guī)方法的新方法來進(jìn)行彈簧設(shè)計(jì)。

4.1 滑閥彈簧參數(shù)計(jì)算

由式（9）可以得到選用彈簧的工作區(qū)范圍，其上下限表達(dá)形式為

在得到彈簧的最大和最小工作載荷后，進(jìn)一步計(jì)算出在最大和最小工作載荷下的高度以及彈簧的實(shí)際工作行程，其公式為

圖4 滑閥彈簧的設(shè)計(jì)流程

4.2 滑閥彈簧的校核

4.2.1 強(qiáng)度校核

在計(jì)算彈簧的脈動(dòng)疲勞極限時(shí)，應(yīng)該考慮到彈簧的使用壽命很長(zhǎng)，變載荷作用次數(shù)應(yīng)取大值，所以脈動(dòng)疲勞極限的計(jì)算公式為

該彈簧材料的抗拉強(qiáng)度σspb可由許用彎應(yīng)力［σsp］＝0.5σspb算出。初定旋繞比和曲度系數(shù)可以由式（13）計(jì)算。

最大和最小循環(huán)變應(yīng)力由式（14）計(jì)算，即

由此可以計(jì)算出彈簧的疲勞安全強(qiáng)度和彈簧的靜強(qiáng)度安全系數(shù)，即

許用安全系數(shù)［Ssp］＝1.3～1.7，應(yīng)滿足Ssp1＜［Ssp］，Ssp2≈［Ssp］。

4.2.2 穩(wěn)定性校核

在沒有導(dǎo)桿或?qū)椎那闆r下，彈簧的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足條件：bsp≤bc

若彈簧高徑比bsp不符合條件，要按照下式進(jìn)行驗(yàn)算：Pspc＝CspBkspHsp0Pspn

如不滿足上式，應(yīng)重新選取參數(shù)，改變bsp值，提高Pspc，以保證彈簧的穩(wěn)定性。如果設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)受到限制，不能改變參數(shù)時(shí)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)桿或?qū)住椈膳c導(dǎo)桿（導(dǎo)套）之間的徑向間隙由表1確定。

表1 導(dǎo)桿及導(dǎo)套與彈簧的間隙 mm

4 結(jié)論

1） 該稠油摻液泵原理簡(jiǎn)單，工藝上容易實(shí)現(xiàn)，是稠油摻液舉升的一種理想抽油泵。柱塞下?lián)揭?，克服泵上摻液不能降低進(jìn)泵原油粘度的缺點(diǎn)，減少稠油對(duì)柱塞運(yùn)動(dòng)的阻力；管內(nèi)摻液，油套環(huán)空出油，避免了抽油桿和稠油的摩擦，減少了抽油桿柱運(yùn)動(dòng)的阻力。由于地下產(chǎn)出液不進(jìn)入泵筒與柱塞間隙，避免砂磨柱塞，從而延長(zhǎng)了泵的使用壽命。

2） 設(shè)計(jì)了可以調(diào)節(jié)彈簧初始位置的滑閥彈簧調(diào)節(jié)螺母，使滑閥能夠在不同的情況下順利打開和關(guān)閉。

3） 建立泵筒和錐形閥連桿的力學(xué)模型，泵筒的受力情況可以簡(jiǎn)化為有端蓋的圓筒受均布?jí)毫ΓｋU(xiǎn)點(diǎn)在泵筒螺紋的內(nèi)徑處；連桿主要承受交變拉應(yīng)力。

［1］ 張 琪.采油工程原理與設(shè)計(jì)［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2000.

［2］ 李戰(zhàn)防，王金泰，王濟(jì)新，等.稠油熱采摻熱自控裝置研制及應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2007，36（5）：86－89.

［3］ 薛令東，廖文山，宋 全，等.國(guó)外新型有桿抽油泵及其特點(diǎn)［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械.2006，35（6）：81－83.

［4］ 盛曾順，王奕蘭.API整筒管式抽油泵下入深度和允許加尾管重量的計(jì)算［J］.石油機(jī)械，1989，17（4）：9－15.

［5］ 姚希夢(mèng).彈性力學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

［6］ 沈迪成，艾萬誠(chéng)，盛曾順，等.抽油泵［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994.

Design of New Heavy Oil Mixing Fluid Pump and Strength Check

QU Zhan－qing1，QU Guan－zheng1，WANG Lu2，NIU Shu－fang3，YANG Yang1，YAO Jia1
（1.College of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266555，China；2.College of Petroleum and Gas Enginerring，Liaoning University of Petroleum and Chemical，F(xiàn)ushun113001，China；3.Binnan Oil Production Plant，Shengli Oil Field Branch Company，Binzhou257600，China）

Aiming at the problem of high heavy oil’s viscosity and obstinate resistance while the process of well bore flowing，a new type of heavy oil pump mixing liquid is designed.Besides，the mechanical models of the pump barrel and conical valve were Established.The Force of the pump barrel could be reduced to a cover of the cylinder subjected to uniform pressure，and the dangerous point was in the diameter of the thread at the pump barrel；Rod is mainly exposed to alternating tensile stress.The pump is an ideal heavy oil pump，with the feature of principle simple，easy to achieve on process.

viscous crude oil；mixing liquid pump；structure；strength

1001－3482（2012）02－0021－06

TE933.3

A

2011－08－10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（50376043）

曲占慶（1963－），男，山東萊州人，教授，主要從事油氣田開發(fā)工程方面的研究，E－mal：quzhq＠upc.edu.cn。