《防氣抽油泵設計》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《防氣抽油泵設計（42頁珍藏版）》請在裝配圖網上搜索。

1、1490008574 防氣抽油泵設計 摘 要：在高氣液比油井中，氣體對泵效的影響十分嚴重。這些氣體占據泵腔的部分體積，會降低泵腔內的充滿度，導致抽油泵閥球開啟滯后，甚至出現“氣鎖”現象。“氣鎖”時還會發(fā)生“液壓沖擊”，造成有桿抽油系統(tǒng)的振動，加速其損壞。結果造成抽油機井頻繁作業(yè)，使檢泵周期縮短，開發(fā)成本增加。本文介紹的防氣抽油泵采用機械起動和關閉的標槍閥結構，克服了氣鎖現象。 本文首先介紹了國內外抽油泵的發(fā)展現狀，接著論述了防氣抽油泵的工作原理，初步確定了氣液抽油泵的整體結構。然后對氣液抽油泵的整體結構、尺寸進行了設計計算，確定了泵的外徑和泵筒的長度。最后對抽油泵的主要零件，如泵筒

2、、柱塞、泵閥、閥罩等進行了設計計算以及校核，并對抽油泵的排量進行了計算。 通過本文的研究，對抽油泵的研制起到一定的促進作用。 關鍵詞：氣鎖；防氣抽油泵；低產；結構設計 39 Anti-gas pump design Abstract In the well with high gas/oil ratio, the gas has the destructive influence to the pump efficiency. These gases hold partial volumes of pump cavity and reduce the fullne

3、ss in the pump cavity, which will cause the valve ball’s opening lag of sucker rod pumps and will even result in the “gas lock”. The “shock from hydraulic pressure” follows the “gas lock”, which causes the vibration of oil pumping system and accelerates its damage. The result creates the frequent wo

4、rk of oil pumping well, reduces the pump examining cycle and increases the exploiting cost. This a rticle describes the anti-gas pump can overcome the “gas lock” by machinery starting and the closed javelin valve structure. In this paper, it introduces the pump prevented gas-lock development presen

5、t situation , then discussed the graduated design , the working principle of the anti-gas pump , and preliminarily determines the overall structure of the anti-gas pump . Next it designed and calculated the anti-gas pump to the overall structure and dimensions , determined the pump diameter and the

6、length of the pump cylinder . In the end , the main parts , such as pump cylinder , pump plunger , pump valve and valve cover , are designed , calculated and checked for pump , then the output volume is calculated . Eventually , it determines anti-gas pump what they design can prevent effectively g

7、as- lock and work normally . Their are some certain effects though study of this paper in promote the develop of the oil pump. Key words: gas lock; anti-gas pump; low production; Structure desig 目 錄 1 緒論 1 1.1 國內外抽油泵發(fā)展現狀 1 1.1.1 國外抽油泵發(fā)展及介紹 1 1.1.2 國內抽油泵發(fā)展及介紹 3 1.2 國內外抽油泵優(yōu)缺點介紹

8、 5 1.2.1 國外抽油泵生產大國所生產的抽油泵特點 5 1.2.2 國內所生產的抽油泵類型比較 6 1.3 研究意義 6 1.4 課題研究內容 7 1.5 創(chuàng)新點 7 1.6 研究進度 8 2 氣液抽油泵的結構及工作原理 9 2.1 防氣抽油泵的基本結構 9 2.2 防氣抽油泵工作原理 9 3 防氣抽油泵結構設計 11 3.1 抽油泵總體尺寸計算 11 3.1.1 油管直徑與泵徑的匹配 11 3.1.2 抽油桿規(guī)格與泵徑的匹配 11 3.1.3 抽油泵最大外徑 11 3.1.4 抽油泵長度 12 3.2 抽油泵主要零件的設計與

9、計算 12 3.2.1 古德曼圖 12 3.2.2 泵筒的設計與計算 17 3.2.3 柱塞的設計與計算 27 3.2.4 泵閥的設計與計算 28 3.2.5 閥罩的設計與計算 32 3.3 泵的排量計算 35 4. 結 論 36 5. 參考文獻 37 6. 致 謝 39 1 緒論 1.1 國內外抽油泵發(fā)展現狀 有桿抽油泵由于結構簡單、工藝成熟、操作簡便、維修容易，仍然是美國和俄羅斯等國的主要機械采油設備。目前全世界約有75%的油井是用有桿泵開采的,有桿泵是有桿抽油裝置的最關鍵部分，它應用抽油桿的垂直運動或鋼纜帶動井下柱塞泵工作。 1.1

10、.1 國外抽油泵發(fā)展及介紹 國外石油機械制造商投入了大量的人力和物力來推動有桿泵采油的技術進步和提高其采油的經濟效益。近年來先后研制成功了一系列新型有桿抽油泵,即,雙管泵和多相泵等抽稠泵;抗沖蝕泵、自旋轉柱塞泵、防砂防氣泵和旋流柱塞抽油泵等防砂泵及連續(xù)油管抽油泵、下沖程有桿泵和帶收集柱塞抽油泵等高效抽油泵。 （1） 防氣泵 美國Harbison Fischer公司研制了一種可在氣鎖情況下使用的新型有桿泵,其泵筒上部為逐漸增大的錐形。當柱塞上行接近上死點進入該錐形區(qū)后,泵的漏失量增加。其結果可均衡柱塞和游動閥上下的壓力,在柱塞下行時泵筒內可立即達到高壓,使游動閥強制打開,這就可從根本上

11、消除泵氣鎖,使其在產氣量大的油井上正常使用。 礦場示功圖測試表明,采用該種新型防氣泵抽油,光桿的最小載荷增大,抽油桿柱的諧振減小,泵上桿柱承受的壓縮載荷降低。由此可見,采用它可從根本上消除泵氣鎖,縮小桿柱的應力范圍。還可消除泵的氣、液擊,減輕泵的桿管磨損,保證氣量大井正常生產。 （2） 防氣防砂泵 美國CDI動力裝置公司研制了一種防氣防砂泵,其撈砂工具安裝在兩節(jié)泵筒之間,在每個沖程中柱塞都要通過它上下,其沖程和柱塞的長度決定了泵筒的長度和工具的位置。與目前的刮砂柱塞和高壓縮閥罩相比,其防砂效果是最好的。在泵的下沖程,柱塞在完全通過撈砂工具之前,泵內氣體被截留在柱塞和工具之間,這時油管內

12、的井液可向下進入工具,氣體就可排入其中。上沖程柱塞通過工具時,保留在其中的井液向下充滿泵筒下方,這就進一步減少了其中的氣體,減輕泵的液擊和氣鎖。它的下井成功率很高,目前已在美國一些油田的嚴重出砂井和產氣量大井上應用,均獲得了成功。 （3） PSZ陶瓷抽油泵閥 美國Nilcra陶瓷公司研制了PSZ陶瓷抽油泵閥。經過60多口油井實驗，結果表明：平均檢泵周期延長4.4倍，每口油井修理費用減少13640美元，具有很好的經濟效益。 （4） 下沖程有桿泵 美國Skilman 泵公司研制的一種下沖程有桿泵，其主要結構特點是即使在下死點，油管內的泵塞仍長于泵筒，并且光桿直徑與泵柱塞相同。目前它已被

13、制成管式泵和桿式泵，使用它可以均衡上下沖程時舉升的井液載荷和出油管線壓力，從而可降低桿柱的反向應力。在上沖程時，游動閥關閉，井液充滿柱塞下方的泵筒，桿柱就舉升等于桿柱直徑的液柱，同時油管內又增加了光桿和柱塞的體積，而油管內的容積不變，因此桿柱不承受井口回壓；在下沖程時，柱塞和光桿下行，使油管內容積變化，就可將游動閥和固定閥之間的井液排入油管，這時光桿進入油管內滯留井液的增壓作用可將這一部分井液排出地表，并且井液排出的壓力由桿柱質量提供，可進一步降低下沖程時的輸入功率和桿柱的反向應力。礦場使用結果表明，它具有最大和最小載荷相等、功率需求和電力消耗低、桿柱故障少、油井免修期長、可抗砂和其他固體相磨

14、損的優(yōu)點。 （5） 抽稠泵 ①雙管泵：美國Multh泵液面控制公司開發(fā)了一種雙管泵,是由一根其中下入抽油桿的動力液管柱和一根生產管柱組成的雙管柱。它有一個裝在抽油桿上的由磨光桿、密封部件和液流轉換頭組成的轉換裝置,可使液流沿生產管柱上行,而這時的動力液管柱是被水、稀油或煤油充滿。因它抽吸的稠油不從桿管間排出,可減少稠油沿桿管環(huán)空運動的摩擦力。此外其轉換裝置上還裝有一個固定環(huán)形閥,可防止井液中的砂礫進入泵內造成砂卡。其柱塞上方的環(huán)形單流閥還可消除氣鎖。如將其轉換裝置改為旁通管,即可由泵入口注入稀釋劑,以抽吸特高粘原油。 目前采用該種雙管泵已可使注蒸汽熱采井增產原油,使早先有桿柱斷脫的冷

15、采井在最高產量下生產,并可抽吸特高粘原油。礦場使用結果表明,該種雙管泵不僅可高效地抽吸稠油,防止泵砂卡和氣鎖,還可大幅度降低光桿負荷。其結果可降低抽油電耗和油井維護成本,大幅度延長油井免修期。 ②多相泵：美國Quinn泵公司新近開發(fā)了一種多相泵。它是專為抽吸泡沫/含氣液和稠油設計的。該種多相泵取消了常規(guī)泵的固定閥和罩,可降低井液進泵阻力,增加入泵流量和完全消除泵的氣鎖,并可抽吸含砂乳化液和稠油。其游動閥總成位于柱塞頂部,剛性密封環(huán)和固定閥位于泵筒上方,這樣就可在泵入口產生噴嘴效應,使井液在上沖程時快速進泵。另外,用合成材料制造的固定閥托架上還裝有橡膠刮子和密封環(huán),可有效地密封閥桿和防止抽油時

16、閥桿遇卡。泵在下沖程時,固定閥首先關閉,柱塞繼續(xù)下行游動閥開啟,井液進入柱塞上部的泵筒;上沖程時,游動閥關閉,泵筒內所有井液可由打開的固定閥托架進入油管,并被抽吸到地表。 （6） 旋流柱塞抽油泵 美國Eagle技術革新公司研制了一種可直接安裝在常規(guī)柱塞上方的旋流柱塞,生產了一種旋流柱塞有桿泵。它可使產液中的砂、砂礫、硫化鐵和其它微?？焖偻ㄟ^泵總成,防止它們聚集在泵筒與柱塞之間。常規(guī)泵的柱塞與泵筒之間允許井液通過,其污物就會在其中聚積。柱塞在上下運動時就會被快速磨損,特別是會在柱塞和泵筒表面產生劃痕。另外由此產生的摩擦力,還會造成抽油機自動停機和桿柱斷裂。該種旋流柱塞有桿泵,可在下行時強制

17、攜帶柱塞與泵筒之間聚集的機雜物,使其通過排出孔進入柱塞中心,在其中與其他井液混合入泵,再被排入油管。在泵的整個上行期間,機雜物均被收集在該種新型柱塞上部的錐形腔內;在泵下行時,它們就會被向上沖洗,通過錐形腔的三翼形內表面進入油管。與此同時,安裝在該種新型柱塞內的軸向帶孔葉片,還可使井液-機雜物不停地旋轉。其結果可使柱塞和泵筒均勻磨損,延長其使用壽命。 （7） 抗沖蝕泵 美國Quinn泵公司開發(fā)了一種抗沖蝕泵,由插入式導向罩、鈦硬質合金球/座和頂部控制總成3部分組成。它采用雙層鍍鉻或聚合物柱塞密封,可有效地防止地層微粒和壓裂砂進入泵的柱塞泵筒內。礦場實際使用結果表明,采用它可有效地防止泵磨

18、損、砂卡和漏失,從而可大幅度延長抽油泵在出砂井中的使用壽命和油井免修期,降低油井維護成本。 （8） 自旋轉柱塞泵 美國研制了一種自旋轉柱塞抽油泵,其泵體與柱塞之間為剛性連接,并且其泵體外表面還加工有可經由通道與其內腔連通的螺旋槽。在下沖程時,井內原油可通過上沖程時被堵住的孔進入柱塞,再由柱塞內通道進入泵體,最后再經由通道進入螺旋槽。這樣一來,油流的上行分速度就可反過來作用于螺旋槽上緣,對泵體產生一個扭矩,在該扭矩的作用下,泵體和柱塞就可順時針轉動,這時因抽油桿柱是通過旋轉接頭與泵體連接的,柱塞就可在泵筒內自由轉動,柱塞在每一下沖程的順時針轉動,就可使其外圓均勻磨損,并可清除柱塞與泵筒之間

19、的積砂。采用該種自旋轉柱塞泵,已使美國加里福尼亞中部的一個油田的嚴重出砂油井的維護費用下降了37%,油井小修次數下降了51%,修泵費用減少了48%。由此可見,它適用于嚴重出砂井,采用它可降低采油成本,縮短油井停產時間,延長油井免修期,并可使“死井”變“活”,增產原油。 1.1.2 國內抽油泵發(fā)展及介紹 我國的抽油泵的品種，質量，水平已經接近國際水平，研制出的常規(guī)整筒泵大量出口，為適應多種油井條件的需要，國內在生產常規(guī)標準抽油泵的同時，又研制了許多特殊類型的抽油泵，如防砂抽油泵，防氣斜井抽油泵，液力反饋抽油泵，防垢抽油泵以及應用于稠油井的抽油泵等多種特種泵。 （1）勝利油田根據需要研制開

20、發(fā)了多種抽稠泵、管式防砂泵、防腐耐磨泵、帶余隙調零功能的閥式防氣泵和排氣抽油泵、分層開采用的串聯(lián)泵和分抽混出泵、大排量雙作用和三作用泵，以及油氣分采泵。開發(fā)了用于深井、斜井、定向井、叢式井以及水平井等的過橋式和機械啟閉式抽油泵。另外勝利油田也已小批量生產CYB70/燕GLY和cyB83/3.3GY型長泵筒無襯套金屬柱塞抽油泵。 （2）吐哈油田有桿泵防氣技術自1999年起在油田試驗，2001年開始規(guī)模應用，截至2003年5月，已在現場應用326井次，平均提高泵效12.2%，單井增油1.42噸／日，應用效果顯著。 （3）中原油田采油工藝研究所設計的ZY57-I型防氣抽油泵，防氣抽油泵采用了無襯

21、套，整泵筒長沖程和軟硬結合的短活塞結構，特別是采用了承載閥，放氣孔，標槍閥組成的排氣、防氣結構，實現了有氣時可排氣，有油時可排油，完全可以代替普通抽油泵抽油，特別適用于各油田氣油比高的抽油機井，其泵效比普通泵效提高了１５％以上，并具有起下泵、檢泵作業(yè)簡便，壽命長等特點。 （4）如江漢油田研制了長沖程泵，泵總長8.5m，內徑70mm，外徑90mm，采用軟活塞配整體泵筒結構.與華北油田Bn型增距式抽油機配套使用，平均泵效達91%。 （5）采油工藝研究院機械采油所研制了防砂抽油泵。目前國內用于抽油開采特別是粘度較高稠油開采的抽油泵主要存在以下問題：常規(guī)泵的固定凡爾在一般稠油條件下不能正常工作，特

22、別是在特稠油和超稠油條件下關閉遲緩或不能關閉，這樣抽油泵的泵況就遭到破壞；當抽油泵遇到含砂油井時會導致砂卡。因此目前常規(guī)泵不能很好的適應稠油開采特別是超稠油開采的需要。 為了解決稠油開采中上述問題，采油工藝研究院機械采油所科研人員在2005年初開始對短柱塞、低摩阻、防砂抽油泵進行前期調研工作。在調研的過程中了解到國內外同類抽油泵的技術發(fā)展情況：抽油泵大多只是針對性的解決開采中一種問題。針對這種情況，采研院科研人員下決心研制一種較全面的短柱塞、低摩阻、防砂稠油泵，以解決稠油開采特別是超稠油開采遇到的生產問題。 這個院項目組確定新型抽油泵的設計方案后，科研人員在結構上大膽的采用了短柱塞結構，同

23、時應用重閥球結構解決稠油泵工作中閥關閉不及時的問題，應用大的固定閥結構減少稠油入阻力，設計了合理的環(huán)形及螺旋防砂結構，使該泵具有較好的防砂卡功能。 （6）玉門石油機械廠已小批量生產CYB70/1.8~SGZY長筒泵。還給遼河油田生產了CYB57/6GZY長筒稠油泵。在長泵筒制造工藝方面，玉門石油機械廠近幾年搞出了兩種整體泵筒制造工藝，即大泵筒內壁鍍鉻和中型泵筒內壁輝光離子氮化。 從總體上看，目前國內外抽油泵發(fā)展趨勢是開發(fā)新型泵，研制防砂，防氣等特殊泵并提高其關鍵件耐久性與可靠性，以適應特殊油井條件及適應油井不同采液量的需要。 1.2 國內外抽油泵優(yōu)缺點介紹 1.2.1 國外抽油泵生

24、產大國所生產的抽油泵特點 世界上生產抽油泵的國家主要有美國、俄羅斯、法國、加拿大和羅馬尼亞等。 （1）美國 美國有桿抽油泵的特點是:標淮泵泵筒長筒化、整體化、零件規(guī)格標準化、制造工藝及材質上的多樣化。因此可用不同材質、不同制造工藝和各種零件規(guī)格型式組配的泵達幾千種，使用單位可根據各種井液及油井不同開采階段選用所需的抽油泵。在有桿抽油泵中，標準型泵的數量占90%，其結構型式以桿式泵為主，管式泵為輔。標準型桿式泵共有9種結構型式，38種基本泵徑，管式泵只有兩種結構型式，6種基本泵徑，其中金屬柱塞和軟密封柱塞各8種。美國為滿足不同油井采油工藝要求，設計制造了非標準異型泵. ①大排量雙作用泵，

25、其結構特點是串聯(lián)兩個柱塞，中間密封，形成兩個腔室，比相應的桿式泵提高排量70%左右，比相同泵徑的標準管式泵排量還高; ②不用油管而直接固定在套管壁上的套管泵，是靠一個既起封隔作用又起懸掛作用的井壁封隔器，使用時只要順時針轉動抽油桿就能把泵固定在井壁的任意位置，上提時不轉動; ③稠油轉流泵，其上部裝有密封旁流裝置，使被抽的稠油排出泵以后從油管和套管的環(huán)形空間流到井口，油管中則為輕質油，可減少抽油桿上下運動的摩擦阻力; ④液力反沖泵，其結構采用兩個柱塞，游動閥和固定閥均裝在運動部件上，下沖程時上游動閥關閉，從而借用油管液柱壓力推動下沖程; ⑤雙級防“氣鎖”泵，是利用兩個定筒式桿式泵串聯(lián)成一

26、個泵，形成上低壓腔和下高壓腔，類似兩級壓縮機的工作機構; ⑥重負荷全沖程抽油泵，其結構是在厚壁筒兩端增加一短節(jié)，使柱寒在上、下沖程時能越過泵筒，端面，因而工作中具有把雜質排除在泵筒之外的自潔作用，并使泵筒全長均勻磨損。同時，短節(jié)臺肩面能密封泵筒端頭螺紋，以防腐蝕性井液侵入。美國現有三種泵筒:一是普通整體泵筒，用鋼、鑄鐵或抗腐蝕合金制成.高碳鋼泵筒內孔淬火硬度為HRC54~57;鑄鐵泵筒內孔鍍鉻，鍍層厚度為0.0762mm;合金鋼泵筒內孔氮化處理，蒙乃爾合金加鍍鉻工藝的泵筒硬度高達HRC80，適用于嚴重磨蝕和嚴重硫化氫與二氧化碳腐蝕同時出現的油井.普通泵筒的長度有13種(從1.219m到7.3

27、2m).厚壁泵筒壁厚為6.475mm，薄壁泵筒壁厚為3.3mm。二是單襯套泵筒，即鋼外套內裝一個鑄鐵或抗腐蝕合金的整體襯套，長度與普通泵筒一樣。三為多節(jié)襯套泵筒，雖然美國規(guī)范取消了這種泵筒，而實際上仍在生產(每節(jié)襯套長300mm)，這樣可以利用長度不大的特種材料制造耐磨性高的泵筒，如離心澆鑄的高硬度鑄鐵襯套，晶粒均勻致密，使用效果較好，成本也低。 （2）俄羅斯 俄羅斯的抽油泵在9種標準泵型中，有兩種定為整體泵筒. 俄羅斯研制了一種具有液力保護往塞副的無油管抽油泵，該泵直接支承在套管封隔器上，柱塞在機油內工作，通過一個特殊橡膠隔膜泵裝置抽送原油. 俄羅斯為防止短節(jié)襯套泵的襯套措位和襯套間液流

28、串通，在襯套與外管間注入一種塑料，使襯套與外管合一，但結構較復雜，修理困難。俄羅斯近年研制了自封式注塞，這種往塞能隨柱塞副的磨損自動補償，消除間隙.蘇聯(lián)軟往塞的密封環(huán)采用246C號橡膠，扯斷強度ZOokgf/cm“，TM一2硬度90以上.為提高桿式泵柱塞的耐磨性，在柱塞工作表面預先滾壓菱形網紋槽，以利于及時排除沉積在柱塞環(huán)形間隙中的微細砂粒及機械雜質，從而減輕對柱塞的腐蝕。 1.2.2 國內所生產的抽油泵類型比較 本設計主要涉及管式防氣抽油泵的設計，故重點介紹管式抽油泵類型的比較。 （1）斜井泵 優(yōu)點：可實現定向井井斜角60正常工作，保持較高泵效。 （2）多功能長柱塞抽油 優(yōu)點：

29、實現注采功能，可實現不動管柱完成注汽、轉抽。具有一定的防砂功能。注汽孔可充當泄油器，避免上提管柱原油污染井場?？蓪崿F定向井井斜角60正常工作。 （3）液壓反饋抽稠泵 優(yōu)點：可實現注采功能，可實現不動管柱完成注汽、轉抽。增加泵下行力，克服泵上桿柱因為油稠造成的下行困難。 （4）防氣泵 優(yōu)點：周期排氣式抽油泵是常規(guī)管式泵的泵筒中間部分設計了一個氣體儲存腔室，不增加其他任何結構及作業(yè)程序，即可在抽油機帶動柱塞上下抽吸的工程中，通過此氣體儲存腔室，周期性的把泵筒內的氣體排出泵外，達到防氣的目的，從而提高泵效，使采油效率得到提高，能有效減少“氣鎖”發(fā)生的可能性。 （5）短柱塞防砂泵 優(yōu)點：短

30、柱塞結構和采用大配合間隙減小泵的柱塞下行阻力；合理的防砂結構，有效解決含砂井的卡砂問題; 大的通道結構降低泵閥進油阻力；防砂結構對短柱塞進行扶正，有效的解決采用短柱塞而引起地偏磨問題；采用加重閥球結構，有效的避免稠油開采閥球關閉不及時問題。 （6）軟柱塞抽油泵 優(yōu)點：實現泵筒柱塞“零”間隙，泵效較高； 具有防砂結構，具有一定的防砂卡功能 1.3 研究意義 現有技術中的抽油泵的種類很多，目前我國通用的是SYB型管式抽油泵，這種泵的缸套絕大部分是由長度150mm或300mm的金屬襯套疊加裝配起來的。其閥球結構均采用鋼球閥球，其中下部有一個固定閥球，活塞上有兩個浮動的游動的閥球?；钊统橛?/p>

31、桿是剛性連接。但在氣油比較高的生產井中，由于氣體的可壓縮性的影響，往往造成游動閥球遲后打開或打不開，嚴重的可造成氣鎖，使泵抽空或嚴重地影響泵的效率，直接影響井的產量。 在油田開采中后期的油井或動液面低的油井，特別是高氣液比的油井，氣體是影響抽油泵泵效的主要因素之一。含氣油井中的抽油泵閥球一般都會開啟滯后，當在泵腔內的氣體所占據的體積足夠大時，不但下沖程時游動閥打不開，甚至上沖程時承載閥也有可能打不開。整個上、下沖程中只是腔內氣體在膨脹和壓縮，而沒有液體舉升，此時抽油泵出現“氣鎖”現象，無法正常工作。氣鎖時還常發(fā)生“液壓沖擊”，造成有桿抽油泵的振動，并加速損壞。因此在含氣抽油井中，需要使用具有

32、防氣鎖和提高泵效的特種結構抽油泵 我國自1958年以來，大量使用有桿泵采油，但是，由于可供使用的有桿泵品種少，規(guī)格不全，泵效低，檢泵周期短，標準化程度低，適應性能差，因而不能滿足油田開發(fā)的需要。泵效低是因井深、地質情況復雜， 地層滲透率低， 油氣比高使泵產生“氣鎖” 等因素所致。為了消除原油中氣體影響， 提高泵效， 增加單井產量，井下防氣抽油泵的研究具有重要意義。 1.4 課題研究內容 本論文設計需要解決的重點問題就是防氣抽油泵的結構設計，使整個抽油泵的結構合理，并能夠相應地降低能耗。 （1）進行中、外文資料檢索和必要的調研，完成外文資料翻譯； （2）主要認真查閱、收集相關資料，深

33、刻理解論文所要設計的內容,完成開題報告； （3）了解防氣抽油泵的意義及功能介紹； （4）掌握防氣抽油泵的工作原理，分析其優(yōu)越性； （5）設計防氣抽油泵機械結構，并進行參數計算及性能校核； （6）繪制防氣抽油泵裝配圖，設計圖紙為零號圖紙一張； 1.5 創(chuàng)新點 （1）采用了無襯套，整泵筒長沖程和軟硬結合的短活塞結構。不存在亂缸套問題，克服了因 錯亂缸套而造成的井下作業(yè)。 （2）本防氣抽油泵采用了機械起動和關閉的標槍閥結構，在上沖程時提前關閉，下沖程時提前打開。只要抽油桿一動標槍閥就會動作，這樣克服了由于氣體影響使浮動閥球打不開而造成的氣鎖現象。 （3）本防氣抽油泵的活塞采用了軟硬

34、結合的活塞體，它具有軟柱塞和硬柱塞的共性，密封性能好，沒有漏失量。同時采用了浮動活塞結構，抽油桿與活塞體沒有剛性連接，因此可以相對運動，可以減少因扭矩增大使抽油桿變形和斷脫，提高了抽油桿的壽命，降低了采油成本。 （4）本防氣抽油泵采用了放氣裝置，使液柱中的砂粒沉淀于泵筒之外，減少了泵內磨損，提高了使用壽命，同時實現了防氣排氣，克服了氣鎖現象。 1.6 研究進度 這次畢業(yè)設計的時間為2011年2月23日至2011年6月6日，結合導師的要求和自身的實際情況，決定以下設計進度： 第一階段： 1周- 3周 熟悉論文題目，進行中、外文資料檢索和必要的調研，收集資料，完成開題報告和外文資料翻譯；

35、 第二階段： 4周-10周 推導各性能參數的計算公式及其它參數的運動學方 程，設計防氣抽油泵結構及各零部件結構； 第三階段： 11周-14周 繪制圖紙，撰寫論文； 第四階段： 15周-16周準備答辯。 2 氣液抽油泵的結構及工作原理 2.1 防氣抽油泵的基本結構 原理如圖2-1所示 圖2-1 防氣抽油泵結構示意圖 2.2 防氣抽油泵工作原理 防氣抽油泵與常規(guī)抽油泵相比較，其結構上有以下幾個特點： （1）柱塞出油閥為一標槍形的錐形閥（標槍閥），所以此閥的開啟不是靠壓差，

36、而是 依靠抽油桿的上下機械移動來完成。標槍閥與柱塞為浮動連接，在軸向允許有15mm的相對運動距離，徑向彼此可以相對旋轉。上下拉桿接頭處各鉆一個放氣孔，拉桿中心有一通孔，使上下放氣孔連通。 （2）泵筒出油閥為一環(huán)形閥，環(huán)形閥中心開一小孔，與拉桿滑動配合。 （3）柱塞較短，一般為0.5m左右。上段為硬柱塞，下段為軟柱塞，提高了密封性能，增加了與泵筒的摩擦力 上沖程：在上沖程開始之前，承載閥和進油閥在壓差作用下，處于關閉狀態(tài)。標槍閥隨抽油桿上行15mm提前關閉，再帶動柱塞向上運動。此時下腔室內壓力迅速降低，當壓力低于泵的入口壓力時，進油閥打開而進油。與此同時，上腔室內壓力逐漸升高，當其高于油

37、管內的液柱壓力時，承載閥就被打開而排油。在上沖程過程中，如果泵筒內充滿氣體，也不影響泵的正常工作， 因為防氣標槍閥隨抽油桿上下動作， 根本不存在由于氣體影響而造成標槍閥滯后打開或打不開的可能性。當泵筒內上下腔室充滿氣體時，由于氣體的膨脹，壓縮性很大，因此在上沖程過程中，上腔室內的壓力有可能低于液柱壓力，造成承載閥滯后打開或根本打不開的可能性。但是這種泵設計有放氣孔裝置。當活塞接近上死點時或離開上死點之前，放氣孔把液柱與泵筒內上腔室連通。這時上腔室內是低壓區(qū)，而液柱是高壓區(qū)，由于壓差的作用，高壓液體迅速通過放氣孔占據上腔室內的氣體空間，上腔室的氣體被驅入液柱內，通過放氣孔訊速完成液體和氣體相互交

38、替的過程。這樣可避免由于氣體的影響，造成承載閥延遲打開或打不開(即發(fā)生氣鎖)的可能性。 下沖程：承載閥和進油閥在壓差作用下，在整個下沖程中處于關閉狀態(tài)。下沖程開始時，標槍閥首先下行l(wèi)5mm，提前打開，使上下腔室連通，然后推動活塞繼續(xù)下行，使下腔室內的油、氣很容易進入上腔室。當活塞接近下死點時，或離開下死點前，放氣孔又使液柱和上腔室連通，完成液氣交替過程。 3 防氣抽油泵結構設計 3.1 抽油泵總體尺寸計算 3.1.1 油管直徑與泵徑的匹配 管式抽油泵要與油管連接，故油管直徑必須與抽油泵的泵型相匹配。 （1） 同一種泵型同一種規(guī)格的抽油泵可以與一種規(guī)格或

39、者兩種規(guī)格的油管相匹配，其目的是在空間允許的范圍下提供較大的選擇余地。 （2）管式泵油管內徑必須大于桿式泵最大外徑，反映為油管尺寸代號比泵徑尺寸代號前兩位數值要大。但有一部分（如30-325TH等）油管尺寸代號反而小于泵徑尺寸代號的前兩位數值，說明此時柱塞直徑大于油管內徑，柱塞必須事先放在泵筒內，用脫節(jié)器與抽油桿連接。 3.1.2 抽油桿規(guī)格與泵徑的匹配 與抽油泵連接的第一根抽油桿規(guī)格已經標準化，其推薦的規(guī)格見表3-1 表3-1 泵徑與抽油桿規(guī)格的匹配 尺寸 15-125 25-150 25-175 25-225 30-275

40、 30-325 35-375 泵徑（mm） 31.75 38.10 44.45 57.15 69.85 82.55 95.25 抽油桿 規(guī) 格 CYG13 (1/2) CYG16 (5/8) CYG19 (3/4) CYG19 (3/4) CYG22 (7/8) CYG22 (7/8) CYG25 (1) 3.1.3 抽油泵最大外徑 管式泵最大外徑受到套管內徑的限制，我國常用的是140（）套管，壁厚最厚的一種內徑為117.7mm,與它匹配的抽油泵最大外徑應控制在小于116mm，有時因作業(yè)需要應留出更

41、大的空隙，像70真空測試泵，為了在套管與抽油泵之間窄小的環(huán)形空間內下儀器測試，最大外徑不得大于90mm。有時為了在小套管中下大泵，不得不采用一些輔助機構（如脫節(jié)器等），但是這樣做，不僅增加作業(yè)難度，而且對工作的可靠性帶來一定影響。 但本設計采用了無襯套，整泵筒長沖程和軟硬結合的短活塞結構。不存在亂缸套問題，克服了因 錯亂缸套而造成的井下作業(yè)。 3.1.4 抽油泵長度 抽油泵長度主要取決于泵筒長度，它與沖程長度有關，具體的說是柱塞長度、沖程長度、防沖距和加長短節(jié)長度等決定。 推薦柱塞長度和防沖距按表3-2選擇。 表3-2 推薦柱塞長度和防沖距 下泵深度 900 1200

42、1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 柱塞長度 0.6 0.9 1.2 1.2 1.2 1.2 1.5 1.5 1.8 防沖距 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.9 0.9 0.9 本防氣抽油泵的活塞采用了軟硬結合的活塞體，其特征在于活塞體的上部為硬柱塞體，下部為多個軟活塞環(huán)所組成，其長度為0.5m,軟活塞環(huán)為尼龍材料。 3.2 抽油泵主要零件的設計與計算 因各種零件的結構、作用和工況不同，設計計算的內容也有區(qū)別。泵筒、柱塞等零件側重于強度、剛度的計算，而閥球、閥座、閥罩等零件則側

43、重與結構設計計算。 3.2.1 古德曼圖 石油機械疲勞強度計算時，經常利用古德曼圖（圖3-1），它是一張極限應力圖。抽油泵是一種往復泵，各種零件所受應力為交變應力，可借用古德曼圖進行計算。 3.2.1.1 古德曼圖介紹 金屬材料用古德曼圖 ，其橫坐標是交變應力的平均應力，縱坐標是最大應力和最小應力。一張完全的古德曼圖是最大應力和最小應力凸八邊形構成的封閉圖形。工作在封閉圖形范圍內的零件其壽命可達到次循環(huán)以上，是安全的。 從圖中可知，只要有關材料性質的三個數據抗拉強度極限、屈服極限和實際耐久極限確定以后，不難作出古德曼圖。只要幾種零件的、和Ⅰ相同，可以共用一張古德曼圖。 3.2.

44、1.2 實際耐久極限 試件在周期應力作用下，不發(fā)生循環(huán)破壞（循環(huán)破壞次數達到次）的最大應力稱為耐久極限。耐久極限是通過表面光滑直徑5-7mm圓柱形試件，在轉桿壽命試驗機上試驗獲得的。大量試驗證明：對于黑色金屬和和部分有色金屬，耐久極限與材料抗力強度存在一定關系，并于加載方式有關，即： （3-1） =0.5673=318.5MPa 式中 ：—耐久極限，MPa； —材料強度極限，MPa； —加載方式系數，彎曲: 軸向拉壓: 扭轉： 。 實際使用的零件與試樣有差異，工況與試驗條件也不盡

45、相同，應將耐久極限根據實際情況進行調整，使之能適應實際情況，調整后的數據稱為實際耐久極限。影響實際耐久極限的因素主要有偏載情況、直徑大小、工件表面質量和介質性質等。 圖3-1 古德曼圖 （l） 偏載系數 軸向拉壓，因偏心而產生不確定的彎曲，將影響實際耐久極限。對于抽油泵零件而言可取偏載系數。 （2） 直徑系數 抽油泵泵筒可取： （3）工件表面系數： 工件表面粗糙度對耐久極限有較大的影響，而且材料強度極限越大，影響越明顯。抽油泵零件表面大部分經過機械加工，故推薦表面系數為： （3-2）

46、 （4）腐蝕情況系數 有腐蝕介質存在，將使實際耐久極限下降，一般取～，腐蝕情況越嚴重，系數越小，無腐蝕。 取=0.9 （5）實際耐久極限 綜合比較，實際耐久極限為: （3-3） = MPa 3.2.1.3 交變應力 最小應力min，最大應力max，平均應力m，應力振幅a，應力振程r ，它們之間的關系如下： （3-4）

47、 MPa （3-5） MPa （3-6） MPa 3.2.1.4 應力集中系數 應力集中對耐久極限有很大的影響，應力集中系數的大小可以參考有關書籍取用。對于抽油泵而言，大部分

48、零件的危險斷面在螺紋上，推薦按表3-2確定應力集中系數。由抽油泵泵筒材料選擇則=3.0。有應力集中存在時，可以看作應力相應增加了倍，仍可應用古德曼圖，此時計算應力比實際應力增大倍。 表3-3 螺紋應力集中系數 材料 滾制螺紋 切制螺紋 退火鋼（＜HB200） 2.2 2.8 淬火冷拔鋼（＞HB200） 3.0 3.8 3.2.1.5 古德曼圖解析法 用圖解法比較麻煩，也不便于使用微機處理，推薦使用解析法。解析法的關鍵是如何用計算法求得與相應的允許最大應力振程。為此把古德曼圖分成四個區(qū)（見圖3-1），由于古德曼圖已將極限應力曲線簡化成為折線，故不難求得諸直線的

49、方程及交點的坐標。從而求得與相應的。各區(qū)對應的平均應力的范圍，允許最大、最小應力和最大振程等的計算式列于表4-5。 ① 應力極限 最大應力極限 ==353MPa （3-7） 最小應力極限 = -= -353MPa （3-8） 各區(qū)分界處平均應力 （3-9） 261.8MPa

50、 （3-10） 154.791353 198.209 MPa ② 安全系數 根據考慮應力集中后的平均應力來確定所用古德曼圖的區(qū)間，并由相應的計算式求出允許最大應力振程，則安全系數n為 （3-11） Ⅰ區(qū)間 （3-12）

51、 MPa 則 （3-13） 401.548/83.592 4.80 Ⅱ區(qū)間 （3-14）

52、 MPa 則 （3-15） 235.6/83.592 2.8 Ⅲ區(qū)間 （3-16） MPa 則

53、 （3-17） =3.70 Ⅳ區(qū)間 （3-18） MPa 則 （3-19）

54、 3.2.2 泵筒的設計與計算 圖3-2 泵筒結構圖 泵筒是抽油泵的主要零件，柱塞在其內作往復運動，抽汲油液，它又是固定閥、泵筒接箍等零件的支持件。泵筒是加工難度最大的零件，價值約占整筒泵總價的60%左右。 3.2.2.1 對泵筒的性能要求 （1）泵筒與柱塞形成一運動副，要保證柱塞轉動和往復運動靈活無阻卡，且磨損均勻； （2）保證泵筒與柱塞之間有足夠的密封能力； （3）要有足夠的強度、剛度和疲勞強度，能適應深抽需要； （4）要有較好的耐磨性； （5）要有較好的抗腐蝕能力。 3.2.2.2 泵筒的材料 從井下介質情況看，主要存在固體顆粒和腐蝕性物質，不同井中

55、固體顆粒大小、含量和腐蝕性物質的化學成分、濃度都有變化，應根據不同介質選擇相應的泵筒材料。為了更好地發(fā)揮材料的使用性能，還應該與采用的工藝結合起來，以達到較好的經濟效益。 制造泵筒的材料主要有碳鋼、合金鋼、不銹鋼和有色金屬。往往因受到泵筒毛坯供應情況的限制，最常用的是碳鋼和合金鋼。 制造泵筒用的毛坯是緊密鋼管，現在國內已有生產?？梢苑譃閮深悾阂皇侵笨p焊接、芯軸拉拔的精密鋼管，這種毛坯壁厚均勻，彎曲較小，殘余應力較小，易于加工；二是冷拔、冷軋無縫管，這種毛坯尺寸精度高，表面質量好，可以有效控制加工余量，但壁厚不太均勻，殘余應力相對較大。制造組合泵缸套一般用普通無縫鋼管。 泵筒磨擦表面強化工

56、藝主要有碳氮共滲（或滲碳）、氮化和鍍鉻等，國內還在進行鍍鎳、鍍碳化鎢合金、激光淬火等工藝試驗，均有成功的報道。 綜合考慮 選擇泵筒材料為45號鋼鍍鉻。 制造泵筒的毛坯是精密鋼管（冷拔、冷軋無縫管）。這種毛坯尺寸精度高，表面質量好，可以有效的控制加工余量。 泵筒摩擦表面強化工藝主要有碳氮共滲（或滲碳），氮化和鍍鉻等。本設計采用鍍鉻。各種泵筒材料與工藝對井下介質的適應能力，對于常用幾種工藝滲（鍍）層厚度及硬度推薦數值見下表3-4: 表3-4 泵筒滲（鍍）層厚度及硬度 表面處理方法 滲（鍍）層厚度 （mm） 表面硬度 （HRC） 心部硬度 （HB） 鍍鉻 66～

57、72 207～240 滲碳或者 滲氮共滲 58～66 氮化 HV856～1307 3.2.2.3 泵筒的技術要求 （1）內徑制造偏差為mm。 （2）形位偏差 泵筒全長內內徑變動量要求控制在制造公差內，即最大為0.05mm。 內孔圓柱度用綜合測量，基本尺寸為D的泵筒，用的綜合量規(guī)檢查時應能通過。 內孔表面粗糙度不大于Ra0.4。 3.2.2.4 泵筒強度計算 （1）泵筒分類 ①按泵筒壁厚可分為薄壁筒、中厚壁筒、厚壁筒和超厚壁筒。API規(guī)范中，薄壁筒壁厚3.175mm，厚壁筒6.35mm，中厚壁筒和超厚壁筒的壁厚由生產廠自定，一般中厚壁筒壁厚4.763

58、mm，超厚壁筒8 ~12mm。本次設計中選用的泵筒壁厚為6.35mm。 ②按泵筒兩端螺紋結構可分為外螺紋和內螺紋兩種，本次設計采用外螺紋。 ③按受力方式可分為擠扁和復合抗力兩種。對于管式泵（TH、TP）受復合抗力。 （2）危險工況、危險部位和危險斷面 對于管式泵而言，無論上行程或是下行程均為危險工況，上行程時泵筒危險部位在柱塞上方，而下行程時泵筒在全長均為危險部位。如圖（3-3）所示 泵筒危險斷面兩端螺紋處。推薦螺紋處計算直徑為： （3-20）

59、 mm 式中 —— 螺紋處計算直徑，mm; —— 螺紋螺紋大徑，mm； —— 螺距，mm。 圖3-3 抽油泵受力分析 螺紋危險斷面處，承載面積計算如下： 外螺紋泵筒（用于厚壁筒、中厚壁筒） ; （3-21） 因此 =44mm =54.76mm 危險斷面承載面積： （3-22）

60、 式中 —— 危險斷面承載面積，mm2； —— 計算內經，mm； —— 計算外徑，mm。 （3）載荷分析 ①筒內、外壓力 筒內、外壓力是由井液造成的，其計算式為 （3-23） 式中 —— 筒內、外壓力，MPa； —— 井液密度，kg／m3，設計計算時可取=103 kg／m3； —— 下泵深度，m，要求1500 m； —— 井口回壓，M Pa，依實際情況確定，一般取 = 1.5～5 MPa，計算時可取 = 2 MPa，故有

61、 （3-24） = 21.6 MPa ②附加軸向載荷 把由筒內壓力造成軸向載荷以外的軸向載荷稱為附加軸向載荷，它包括泵筒組自重、尾管重量、井液浮力及柱塞和泵筒之間的摩擦力。因泵筒組自重占軸向載荷的比例不大，可忽略不計；為安全起見，井液浮力不予考慮。故附加軸向載荷及應力為 (3-25) （3-26） 式中 —— 附加軸向載荷，N； —— 附加軸向載荷

62、應力，MPa； W —— 尾管重量，kg，在下泵2000m時，允許掛尾管重量3135 kg； —— 柱塞與泵筒之間的摩擦力，N，井液粘度不大，摩擦力可以忽略不計故設計時按 = 0考慮。 （4）應力分析 從泵筒上取一應力元（如圖3-4），它受三向應力，危險點在泵筒內徑處。 圖3-4 泵筒應力分析圖 （3-27） =

63、21.6 MPa （3-28） （3-29） =64.58MPa MPa （3-30） （3-31） MPa （5）許用應力的計算 泵筒一般用塑性材料制造，

64、推薦許用應力為 （3-32） 式中 —— 許用應力，MPa； ———— 材料屈服極限，MPa，45# 碳素結構鋼為353MPa； n —— 安全系數，n = 1.2 ～ 1.6，一般管式泵可取n = 1.4 。 [] = 353 / 1.4 （3-33） = 252.14 MPa

65、 即252.14MPa67.5 MPa 故滿足強度要求。 （6）最大下泵深度 = （3-34） =6223m 式中 （3-35） 因為6223m＞2000m,所以滿足條件 （7）允許掛尾管重量：

66、 （3-36） 故滿足條件 3.2.2.5 泵筒疲勞強度計算 （1）交變應力 泵筒軸向載荷為（應力為），最大軸向應力是筒內壓力形成的軸向應力與最小軸向應力之和，考慮應力集中系數，故交變應力為 （3-37） =1.29 （3-38） =110.43MPa （3-39） MPa