自轉(zhuǎn)旋流抽油泵結(jié)構(gòu)設計及性能分析

魚強 日孜完古麗 陳宏 毛偉 茍愛梅

摘要：我國石油開采進入中后期，各大油田因井底出砂、化學防砂作業(yè)以及管桿腐蝕碎屑等雜物混入井液中造成常規(guī)抽油泵漏失、卡泵等問題愈發(fā)突出;井身結(jié)構(gòu)、沖程、沖次、泵徑、扶正器分布、沉沒度以及含水率對抽油泵管桿偏磨的影響持續(xù)加大，直接影響現(xiàn)場連續(xù)性生產(chǎn)。現(xiàn)創(chuàng)新設計出一種自轉(zhuǎn)旋流抽油泵，通過螺旋總成增加油液舉升時的水平速度，進而增加其對雜質(zhì)顆粒的舉升能力，可避免在固定閥球處沉降淤積以引起的卡泵、堵泵等現(xiàn)象。

Abstract： China's oil exploitation has entered the middle and late stages. The problems of conventional oil well pumps such as leakage and jamming of conventional oil wells have become more prominent due to sand production at the bottom of the well， chemical sand control operations， and pipe and rod corrosion debris mixed into the well fluid. The influence of stroke， pump diameter， centralizer distribution， submergence and water content on the eccentric wear of the oil well pump tube and rod continues to increase， which directly affects the continuous production at the job site and increases a large amount of cost input. Now an innovative design of a self-rotating swirl oil pump， through the screw assembly to increase the horizontal speed of the oil when lifting， so as to increase the lifting capacity of the oil on the impurity particles， so as to avoid its sedimentation and siltation at the fixed valve ball.

關鍵詞：抽油泵;砂卡;旋流;自轉(zhuǎn)

Key words： oil well pump;sand card;swirl;rotation

中圖分類號：TE933.902? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）19-0220-02

0? 引言

國內(nèi)各大油田因井內(nèi)出砂等各種雜質(zhì)所造成的卡泵、堵泵和管柱偏磨一直是影響抽油泵正常工作的最主要因素，嚴重制約和影響油田的生產(chǎn)效益。近年來，雖針對砂卡研制的特種抽油泵種類繁多，因其設計思想大多為預防砂礫等進入泵內(nèi)的“防砂”和將砂礫儲存在泵內(nèi)的“沉砂”，并無法從根本上解決問題;而通過加裝扶正器、導向器和選用低速電機、耐磨材質(zhì)的小泵徑的方法在一定程度上解決了抽油泵內(nèi)管柱偏磨問題，但并沒有形成普適性。所以筆者以“防砂”和“沉砂”不如“排砂”為指導思想研發(fā)了一種自轉(zhuǎn)旋流抽油泵（ZL 2018 1 0769129.7）較為圓滿的解決了上述的問題。

1? 技術分析

結(jié)合抽油泵整體結(jié)構(gòu)將受到安裝位置限制，需采用立式結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上看，有桿抽油泵整體結(jié)構(gòu)為細長管狀，由泵筒、柱塞、游動閥、固定閥等部件組成[1]。設計思路將繼續(xù)采用“防砂”、“沉砂”不如“排砂”的思路，解決雜質(zhì)顆粒在抽油泵內(nèi)沉積的問題，并就高效自清潔抽油泵的長柱塞結(jié)構(gòu)增加了柱塞與泵筒偏磨提出有效的緩解措施。

2? 自轉(zhuǎn)旋流抽油泵總體結(jié)構(gòu)設計[2]

2.1 設計方案一? 該結(jié)構(gòu)抽油泵由上柱塞總成、下柱塞總成、泵筒總成、螺旋總成和固定閥總成四部分組成。上沖程時，抽油桿帶動上柱塞總成上行，此時上柱塞總成的上出油閥球在其上部液力作用下關閉，上柱塞總成相對于自轉(zhuǎn)導軌向上運動。上柱塞總成和下柱塞總成間空腔增大，壓力下降，下柱塞總成的下出油閥球打開，下柱塞下部液體進入上下連接件之間。抽油桿繼續(xù)上行，當上連接件與自轉(zhuǎn)導軌上部的限位螺帽相接觸后，帶動下柱塞總成和螺旋總成向上運動，上下柱塞總成之間無相對運動，其間再無壓差;且在上下柱塞之間液力作用下，下出油閥球關閉。此時下柱塞總成與固定閥總成之間空腔增大，壓力減小，形成負壓，在井底流壓作用下，固定閥球打開，井液涌入泵內(nèi)，起到抽汲油液的作用。

下沖程時，抽油桿推動上連接件沿自轉(zhuǎn)導軌下行，上下柱塞總成之間空腔面積減小，壓強增大，上出油閥球打開，原油流出抽油泵。嚙合式單向軸承對上連接件提供切向力，下柱塞總成和螺旋總成在下移的同時將做順時針旋轉(zhuǎn)運動，便于原油的舉升，為緊接著的原油旋流提供初速度，起到擾流作用。直至上連接件與下連接件相接觸，其間再無相對運動。上柱塞總成將繼續(xù)推動下連接件下行，泵體空腔面積減小，壓強增大，固定閥球關閉。原油沿左旋的螺旋片進入到下柱塞中，下柱塞總成在下部液力作用下，下出油閥球首先打開，下柱塞總成下部液體進入上下出油閥之間，隨著抽油桿繼續(xù)下行，上出油閥球也打開，油液繼續(xù)進入上柱塞上部，完成一次抽汲作用。

2.2 設計方案二? 該結(jié)構(gòu)抽油泵由上柱塞總成、下柱塞總成、泵筒總成、螺旋總成和固定閥總成四部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。上沖程時，抽油桿帶動上柱塞總成上行，此時上柱塞總成的上出油閥球在其上部液力作用下關閉，上柱塞總成相對于旋轉(zhuǎn)導軌向上運動，單向軸承抵消旋轉(zhuǎn)器傳遞的旋轉(zhuǎn)切向力，使得下柱塞總成和螺旋總成并無旋轉(zhuǎn)運動。上柱塞總成和下柱塞總成間空腔增大，壓力下降，下柱塞總成的下出油閥球打開，下柱塞下部液體進入上下連接件之間。抽油桿繼續(xù)上行，當上連接件與旋轉(zhuǎn)導軌上部的限位螺帽相接觸后，帶動下柱塞總成和螺旋總成向上運動，上下柱塞總成之間無相對運動，其間再無壓差;且在上下柱塞之間液力作用下，下出油閥球關閉。此時下柱塞總成與固定閥總成之間空腔增大，壓力減小，形成負壓，在井底流壓作用下，固定閥球打開，井液涌入泵內(nèi)，起到抽汲油液的作用。

下沖程時，抽油桿推動上連接件沿旋轉(zhuǎn)導軌下行，上下柱塞總成之間空腔面積減小，壓強增大，上出油閥球打開，原油流出抽油泵。在單向軸承和旋轉(zhuǎn)器的作用下，下柱塞總成和螺旋總成在下移時同時有順時針旋轉(zhuǎn)運動。便于原油的舉升，為緊接著的原油旋流提供初速度，起到擾流作用。直至上連接件與下連接件相接觸，其間再無相對運動。上柱塞總成將繼續(xù)推動下柱塞總成和螺旋總成下行，泵體空腔面積減小，壓強增大，固定閥球關閉。原油沿左旋的螺旋總成進入到下柱塞中，下柱塞總成在下部液力作用下，下出油閥球首先打開，下柱塞總成下部液體進入上下出油閥之間，隨著抽油桿繼續(xù)下行，上出油閥球也打開，油液繼續(xù)進入上柱塞上部，完成一次抽汲作用。

2.3 設計方案對比評價? 通過對比上述兩種設計方案的結(jié)構(gòu)特性，除泵筒、固定閥總成等為常規(guī)結(jié)構(gòu)外，均采用兩級柱塞結(jié)構(gòu)，并使液體產(chǎn)生擾動的關鍵結(jié)構(gòu)特征均設計在加長短節(jié)內(nèi)。但在核心部件上有明顯不同，針對兩種方案進行優(yōu)劣性的對比，如表1所示?？紤]到方案二有工程應用背景、可靠性強、可長時間工作、制造工藝簡單、便于替換、成本低的優(yōu)點，我們選用方案二設計自轉(zhuǎn)旋流抽油泵。

3? 自轉(zhuǎn)旋流抽油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)設計

3.1 自轉(zhuǎn)旋流抽油泵結(jié)構(gòu)參數(shù)? 自轉(zhuǎn)旋流抽油泵主要技術參數(shù)見表2。

3.2 螺旋總成結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化? 自轉(zhuǎn)旋流抽油泵將螺旋體結(jié)構(gòu)設計為在旋流柱體上焊接有螺旋葉片，原油經(jīng)固定閥總成舉升至螺旋總成，流動狀態(tài)改變?yōu)樾?，由于雜質(zhì)顆粒密度大于原油密度，在離心力的作用下，通過增加油液的切向速度以雜質(zhì)顆粒上升速度，避免了雜質(zhì)顆粒沉降引起的砂卡。通過流體動力學軟件模擬仿真螺旋總成在泵內(nèi)的運動，選用多相流VOF穩(wěn)態(tài)模型求解、選取k—ε模型、邊界條件采有壁面條件（wall）（包括動邊界條件）、速度入口邊界（velocity-inlet）及自由流出出口（outflow）。螺旋總成為運動邊界Moving Wall，速度大小為0.34m/s，方向沿Y軸正向，油液速度入口的數(shù)值大小為0.124 m/s，出口為Outflow自由出流邊界。通過仿真實驗Monitors（監(jiān)測）出口流速，得到螺旋總成結(jié)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：旋流柱體直徑為Ф16mm、長度為365mm、螺旋葉片導程個數(shù)為12、導程為25mm、厚度為3mm[3]。

4? 結(jié)論

①該泵設計為雙頭螺旋槽式結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)導軌，并在其外表面依次套接旋轉(zhuǎn)器和單向軸承。抽油桿通過上連接件帶動上柱塞總成在旋轉(zhuǎn)導軌上下行時，單向軸承通過旋轉(zhuǎn)器對旋轉(zhuǎn)導軌提供切向力，使下柱塞總成和螺旋總成在向下移動的同時也做順時針旋轉(zhuǎn)運動，攪動并提升泵筒內(nèi)的原油，為接下來原油旋流提供初速度，使原油內(nèi)的雜質(zhì)顆粒不易在固定閥處沉積而造成卡泵、堵泵等現(xiàn)象。②上柱塞總成沿旋轉(zhuǎn)導軌下行時，下柱塞總成和螺旋總成在下移的同時做旋轉(zhuǎn)運動，柱塞與泵筒之間的接觸位置在圓周方向上改變，很大程度上緩解了泵筒與柱塞之間的偏磨問題，延長抽油泵的檢泵周期和使用壽命。③通過流場仿真的手段優(yōu)化設計了螺旋總成，最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：旋流柱體直徑為Ф16mm、長度為365mm、螺旋葉片導程個數(shù)為12、導程為25mm、厚度為3mm。

參考文獻：

[1]沈迪成，艾萬誠，盛增順，等.抽油泵[M].石油工業(yè)出版社，1994：206-256.

[2]屈文濤，魚強，孫艷萍.基于旋流攜砂機理的高效自清潔抽油泵設計[J].機械研究與應用，2019，32（01）：111-113.

[3]Saksena R， Satyamurthy P， Munshi P. A Comparison of Experimental Results and FLUENT Simulations for Void-fraction Distribution in a Two-Phase System[J]. Nuclear Technology， 2008， 163（3）：36-44.