不壓井用防噴泵內(nèi)芯筒強(qiáng)度分析*

屈文濤，黃 強(qiáng)，2，李 寧，孫艷萍

(1．西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065;2．中石化中原油田分公司采油四廠，河南 濮陽 457001)

0 引言

一般不壓井作業(yè)，采用油管堵塞器封堵油管，修井作業(yè)完成之后，去除油管堵塞器，進(jìn)行投產(chǎn)。但對于間噴井或溢流井，常規(guī)抽油泵沒有防噴作用，仍然可能發(fā)生井噴。中原油田采油四廠研制了不壓井作業(yè)專用防噴泵，既能起到常規(guī)抽油泵的抽吸功能，又能在起下管柱作業(yè)式中起到油管堵塞器的作用，且正常投產(chǎn)后，如果再發(fā)生井噴現(xiàn)象，它仍然能起到防噴作用［1-3］，能夠較好的配合不壓井作業(yè)。

1 防噴泵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．1 結(jié)構(gòu)組成

圖1為管式防噴抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖。柱塞總成與常規(guī)泵相同，采用螺紋連接，泵筒接頭及泵筒與常規(guī)泵相同，防噴作業(yè)總成主要采用雙球座、一球兩用及自鎖裝置等原理裝配，由管螺紋連接而成，防噴作業(yè)總成，既有防噴作業(yè)功效，球被打入下腔后又可做進(jìn)油閥，實(shí)現(xiàn)正常排液功能。

1．2 工作原理

防噴裝置閥球和固定凡爾球?yàn)橥磺?，一球兩用，下泵過程中球在上部，與上密封面是密閉的，井內(nèi)流體不能進(jìn)入油管，抽油泵和抽油桿下到設(shè)計(jì)深度后，將活塞提出工作筒，連接好井口三通和放噴盒，對泵管柱正打壓8～10 MPa，將防噴閥球推出上止點(diǎn)，打入密封腔防噴閥球球座。防噴閥球被打下后，特制彈簧壓縮，將4個(gè)小球卡死在彈簧座內(nèi)，形成鎖緊狀態(tài)，保證防噴閥球不會被反抽吸到上密封腔位置，實(shí)現(xiàn)防噴閥球總成的抽吸功能，完井開抽生產(chǎn)。

圖1 管式防噴抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為防噴作業(yè)總成圖，打醫(yī)前小后防噴閥狀態(tài)如圖3、4所示。

圖2 防噴作業(yè)總成圖

圖3 打壓前防噴閥狀態(tài)

圖4 打壓后防噴閥狀態(tài)

2 內(nèi)芯筒有限元強(qiáng)度分析

在使用防噴泵的過程中，由于會受到井噴影響，地層壓力可能會很大，致使防噴泵的防噴作業(yè)總成發(fā)生破壞。其中，內(nèi)芯筒因?yàn)槭艿椒绹婇y球、鋼球，彈簧座的共同作用，它受到變形和破壞的可能性最大，因此利用ANSYS軟件對內(nèi)芯筒進(jìn)行強(qiáng)度分析。

2．1 實(shí)體建模［4］

為保證管式防噴抽油泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，利用Pro/ENGINEER軟件對防噴閥作業(yè)總成結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，再利用ANSYS軟件對內(nèi)芯筒進(jìn)行4面體的網(wǎng)格劃分如圖5，并且對筒體施加約束與加載如圖6，利用有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算理論對實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

圖5 內(nèi)芯筒網(wǎng)格劃分

圖6 筒體施加約束與加載

2．2 實(shí)例分析

以文南油田95-77井?dāng)?shù)據(jù)為例，防噴作業(yè)總成內(nèi)芯筒直徑 φ38 mm，壁厚8 mm，彈簧座內(nèi)徑 φ54 mm，外徑φ64 mm，彈簧對彈簧座的壓力最大為 0．39 MPa，彈性模量 2．1 ×105MPa，泊松比 0．3，防噴閥球直徑φ38 mm，鋼球直徑φ12 mm，設(shè)計(jì)中材料為45鋼。

根據(jù)內(nèi)芯筒結(jié)構(gòu)和所受載荷的特點(diǎn)，將內(nèi)芯筒上部端面和下部底面作為約束邊界，在同比上施加均布載荷，取內(nèi)芯筒半剖圖如圖7所示。

圖7 內(nèi)芯筒應(yīng)力、應(yīng)變云圖

分析結(jié)果如表1，內(nèi)芯筒受到8 MPa壓力的情況下，內(nèi)芯筒壁最大壓力5．3 MPa遠(yuǎn)小于抗拉強(qiáng)度620 MPa，使用可靠性可以保證。筒壁孔處與鋼球相互作用，所以鋼球上受到的最大壓力也為15．6 MPa，最小壓力為3．6 MPa，大于彈簧對彈簧座的最大壓力0．39 MPa，保證能夠?qū)⒎绹婇y球推出上止點(diǎn)，打入密封腔防噴閥球球座，實(shí)現(xiàn)防噴作業(yè)總成的正常抽吸功能。

表1 內(nèi)芯筒受壓分析結(jié)果

3 結(jié)語

不壓井防噴泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單合理，功能更加完善，安全性能可靠;通過有限元分析軟件ANSYS對防噴作業(yè)總成關(guān)鍵部件內(nèi)芯筒進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性，內(nèi)芯筒直徑φ38 mm，壁厚8 mm，能夠承受打壓8 MPa所產(chǎn)生的沖擊而不會失效變形;并且它的防噴和排液功能得到了驗(yàn)證，能良好的配合不壓井作業(yè)裝備。

［1］ 李天聰，黃 強(qiáng)，李世銘．新式防噴泵降低井控安全風(fēng)險(xiǎn)［J］．石油與裝備，2014(8):76-77．

［2］ 馬 俊，崔義凡．防噴工藝技術(shù)的研制與應(yīng)用［J］．中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012(10):62．

［3］ 唐智慧，曹峰真，曹峰鳳，等．防噴泵技術(shù)在文南油田的應(yīng)用［J］．內(nèi)蒙古石油化工，2011(8):94-95．

［4］ 汪 超，秦利萍．基于ANSYS的射流泵殼體有限元分析［J］．機(jī)械研究與應(yīng)用，2008，21(5):83-84．