井下水力活塞泵力平衡分析計(jì)算

劉乾義，郭慶平

（1.新疆油田公司采油一廠，新疆克拉瑪依834000；2.渤海鉆探井下分公司，河北任丘062552） ＊

井下水力活塞泵力平衡分析計(jì)算

劉乾義1，郭慶平2

（1.新疆油田公司采油一廠，新疆克拉瑪依834000；2.渤海鉆探井下分公司，河北任丘062552）＊

介紹了水力活塞泵的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析計(jì)算了其液馬達(dá)排量和泵的有效排量、實(shí)際排量及額定排量，建立了水力活塞泵力平衡方程，計(jì)算得到摩阻損失和P／E值，為水力活塞泵的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供依據(jù)。

水力活塞泵；力平衡；設(shè)計(jì)計(jì)算

水力活塞泵是一種液壓傳動的無桿抽油設(shè)備，由地面動力泵將動力液增壓后經(jīng)油管或?qū)Ｓ猛ǖ辣萌刖拢?qū)動馬達(dá)做往復(fù)運(yùn)動，將高壓動力液傳至井下，驅(qū)動油缸和換向閥幫助井下柱塞泵抽油。適用于高氣油比、出砂、高凝油、含蠟、稠油井及深井、斜井、水平井。

水力活塞泵有單作用和雙作用2種，地面泵都用高壓柱塞泵。流程有2種：①開式流程，為單管結(jié)構(gòu)，以低黏度原油為動力液，既能減少管道摩擦阻力，又可降低抽出油的黏度，并與采出液混在一起采出地面；②閉式流程，用輕油或水為動力液，用水時要增添潤滑劑和防腐劑，自行循環(huán)，不與產(chǎn)出的液體相混，工作過程中只需補(bǔ)充少量工作液。

1 結(jié)構(gòu)原理

井下水力活塞泵由液馬達(dá)和泵通過空心活塞桿相連組成，液馬達(dá)和泵可以有1個或多個，如圖1所示。泵由缸套、柱塞、吸人閥、排出閥及平衡管組成，分為單作用和雙作用泵。

圖1 井下水力活塞泵結(jié)構(gòu)

高壓動力液經(jīng)管柱注人井中，驅(qū)動水力活塞泵上的液馬達(dá)，使動力液高壓勢能轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動的機(jī)械能。液馬達(dá)驅(qū)動泵將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的靜壓，使流體采出地面。水力活塞泵也存在氣鎖，由于設(shè)計(jì)和制造的原因，泵的柱塞不能把泵中流體完全排出，未驅(qū)排到的容積稱作余隙容積。當(dāng)吸人流體含游離氣時，在泵排出沖程末端，一部分流體會存留在余隙容積中，壓力等于泵排出壓力。泵柱塞反向運(yùn)動，余隙容積中的氣體膨脹，壓力同時降低。壓力未降到泵的吸人壓力時，吸人閥不會打開，泵的有效沖程長度減少，嚴(yán)重時會使吸人閥打不開，這種現(xiàn)象稱作氣鎖。在原油生產(chǎn)中，為了防止套壓過高造成沉沒度過低和發(fā)生抽油泵“氣鎖”，普遍采用的方法是套管放氣［1－2］。

2 井下機(jī)組排量

2.1 液馬達(dá)排量

液馬達(dá)處理的流體是動力液，假設(shè)為不可壓縮液體，液馬達(dá)實(shí)際排量等于動力液流量，液馬達(dá)有效排量是從液馬達(dá)排出口排出的動力液流量。液馬達(dá)效率是液馬達(dá)有效排量與液馬達(dá)實(shí)際排量之比，它與液馬達(dá)漏失有關(guān)，漏失又與配合間隙、動力液的黏度、磨損情況等有關(guān)。液馬達(dá)實(shí)際排量應(yīng)比液馬達(dá)額定排量小，在20%～80%較合理。因?yàn)楫?dāng)液馬達(dá)實(shí)際排量與額定排量相比很小時，馬達(dá)閥的動作不協(xié)調(diào)，當(dāng)液馬達(dá)實(shí)際排量接近額定排量時，液馬達(dá)使用壽命較短。同樣，泵的實(shí)際排量也應(yīng)比泵的額定排量小。

動力液流量即液馬達(dá)實(shí)際排量為

式中，Qn為動力液流量（即馬達(dá)實(shí)際排量），m3／d；Qer為馬達(dá)額定排量，m3／d；n為液馬達(dá)（泵）的實(shí)際轉(zhuǎn)速，r／min；nmax為液馬達(dá)（泵）的額定轉(zhuǎn)速，r／min；n／nmax為液馬達(dá)速度比，可取0.8；ηe為液馬達(dá)效率，新馬達(dá)效率高達(dá)0.95，磨損后可降到0.8，設(shè)計(jì)時取0.9。

2.2 泵的排量

2.2.1 有效排量

泵的有效排量是在吸人條件下泵排出地層流體的總體積流量。當(dāng)?shù)貙恿黧w含有氣體時，泵在井底的排量與地面的排量不同，因?yàn)橛坞x氣體要占據(jù)一定的體積，液體中的溶解氣會使液體的體積比地面體積大，可以采用泵的最大體積效率描述這種影響。泵的最大體積效率定義為在無漏失條件及地面標(biāo)準(zhǔn)條件下的液體體積與井底吸入條件下的氣液總體積之比，它等于油、氣、水三相地層體積系數(shù)的倒數(shù)，即

式中，ηVmax為泵的最大容積效率；Vs、Vd分別為標(biāo)準(zhǔn)條件下液體體積和吸入條件下氣液總體積，m3。

如果最大容積效率＜0.5，推薦采用氣體排放系統(tǒng)的管柱設(shè)計(jì)。

2.2.2 實(shí)際排量

泵的實(shí)際排量是在吸入條件下實(shí)際通過泵的地層流體的體積流量。泵的實(shí)際排量與泵的漏失和氣體干擾有關(guān)，液體通過配合間隙會漏失；氣體干擾使泵的有效沖程降低或造成間歇?dú)怄i，目前不能定量描述這種影響，因此把它歸為漏失損失，可以采用漏失效率描述這種影響。泵的漏失效率是泵的有效排量與泵的實(shí)際排量之比，新泵的漏失效率在0.9以上，磨損后可降到0.2，設(shè)計(jì)時泵的漏失效率一般取0.85。

2.2.3 額定排量

泵的額定排量是在吸入條件和泵的額定轉(zhuǎn)速下的實(shí)際排量，水力活塞泵應(yīng)按泵的額定排量進(jìn)行選擇。

泵的額定排量為

式中，Qpr為泵的額定排量，m3／d；ηpint為漏失效率。

3 水力活塞泵的力平衡

3.1 力平衡方程

對開式動力液系統(tǒng)，由于連桿是空心的，在連桿上下兩端的壓力均為動力液壓力，除作用于馬達(dá)活塞和泵柱塞面積上的壓力外，液馬達(dá)和泵還存在摩阻造成的壓力損失。在每個半沖程的始末，運(yùn)動反向會產(chǎn)生短期的減速和加速，但主要沖程部分為常速，可以忽略慣性力。因此，向上的力等于向下的力。

在下沖程情況下，向下的力為

式中，F(xiàn)d為向下的力，103kN；pn、ps為動力液壓力和泵吸入壓力，MPa；Aer、Aep、App、Apr為液馬達(dá)連桿、馬達(dá)活塞、泵柱塞和泵連桿面積，m2。

向上的力為

式中，F(xiàn)u為向上的力，103kN；pd、pfr為泵排出壓力和摩阻造成的壓力損失，MPa。

由Fd－Fu，求解出動力液壓力為

對上沖程的分析得出的結(jié)果和式（6）相同。同樣，對單作用泵的分析也得出類似的結(jié)果，只是面積比不同。

令P／E＝（App－Apr）／（Aep－Aer），則式（6）變?yōu)?/p>

式中，P／E為泵柱塞與馬達(dá)活塞面積之比或稱壓力比。

當(dāng)P／E＞1時，泵柱塞大于液馬達(dá)活塞，這種泵適用于淺井；當(dāng)P／E＜1時，適用于深井。

3.2 摩阻損失

水力活塞泵的摩阻損失包括水力摩阻損失和機(jī)械摩擦損失2類，水力摩阻損失占絕大部分。總摩阻損失等于馬達(dá)摩阻損失和泵的摩阻損失之和，馬達(dá)摩阻損失占總摩阻損失的75%～80%。水力活塞泵的摩阻損失與運(yùn)轉(zhuǎn)速度、流體黏度、密度以及游離氣體含量等有關(guān)。運(yùn)轉(zhuǎn)速度增加，機(jī)械摩擦損失增加，流體流速加快，水力摩阻損失增加；當(dāng)吸人流體含游離氣體時，泵送液體的額定流量減少，摩阻損失也減小。由于馬達(dá)摩阻損失大，應(yīng)采用井底條件下動力液黏度和密度計(jì)算摩阻損失。

計(jì)算摩阻損失的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，γn為動力液的相對密度；μn為動力液的黏度，mPa·s；C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

3.3 初選P／E

P／E值與舉升所需的地面泵工作壓力有關(guān)。假設(shè)水力活塞泵在一個全是水的系統(tǒng)中工作，地面泵工作壓力為27.58MPa，泵的摩阻損失為3.45 MPa，忽略動力液管和返出管的摩阻，井處于抽空狀態(tài)，可以導(dǎo)出估計(jì)最大P／E值的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，Lp為下泵深度

在設(shè)計(jì)時，如果有2臺以上的泵滿足排量要求，應(yīng)選擇其中P／E值最小、舉升能力最大的一臺泵。

4 結(jié)語

實(shí)踐表明：水力活塞泵特別適用于深井、定向井和小井眼井，在稠油井和重蠟井中也很有效。水力活塞泵采油的優(yōu)勢主要是動力液可作為添加劑的載體，起到降黏、降凝、防止石蠟沉積等作用。與其他采油工藝相比，有其特定的應(yīng)用范圍，應(yīng)加強(qiáng)測試手段和計(jì)量工藝的研究，完善水力活塞泵采油工況診斷和優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。隨著海洋油田的開發(fā)，水力活塞泵的應(yīng)用有廣闊的前景。

［1］ 韓兵奇，李連峰，高棟梁，等.油井套管氣控制裝置探討［J］.石油礦場機(jī)械，2011，40（12）：86－88.

［2］ 李順平，李華斌，呂瑞典，等.防氣抽油泵防氣原理研究［J］.石油礦場機(jī)械，2008，37（5）：100－103.

Force Balance Analysis Calculation of Downhole Hydraulic Piston Pump

LIU Qian－yi1，GUO Qing－ping2
（1.No.1 Oil Production Factory，Xinjiang Oilfield Company，Karamay834000，China；2.Downhole Technology Service Company，BHDC，Renqiu062552，China）

The structure and working principle of hydraulic piston pumps is introduced，analysis and calculation of its effective displacement pump and hydraulic motor displacement，and the actual displacement and rated discharge capacity were made.The force balance equation for hydraulic piston pump was established.The P／Evalues were computed to obtain friction losses，which provided a basis for design and application of hydraulic piston pumps.

hydraulic piston pump；force balance；design calculation

1001－3482（2012）07－0052－03

TE933.3

A

2012－03－14

劉乾義（1958－），男，陜西大荔人，工程師，主要從事采油機(jī)械的技術(shù)和管理工作。