低漏失低压差深井泵设计

王 璐， 吴 明， 王卫强，路继平

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 中石油长城钻探一公司， 辽宁 盘锦 124000）

化工设计

低漏失低压差深井泵设计

王 璐1， 吴 明1， 王卫强1，路继平2

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001； 2. 中石油长城钻探一公司， 辽宁 盘锦 124000）

针对高含气油井举升泵效低的问题，设计了低漏失低压差深井泵。建立了游动阀力学模型，将该泵与普通抽油泵的漏失量和游动阀开启压差进行比较。该泵内泵筒下端悬空，不发生变形，完全消除了因为泵筒与柱塞间隙变化而引起的额外漏失量，不易偏磨或卡泵，游动阀容易开启，具有泵效高、使用寿命长的特点，可广泛应用于高含气油井举升。

漏失；气锁；泵筒变形；泵效

普通抽油泵在抽汲混气原油时，沉没度对泵效的影响很明显[1]，而合适的沉没度较难确定，因而泵效往往较低。为此，笔者设计了低漏失低压差深井泵以提高在不同沉没度下举升混气原油的泵效。

1 低漏失低压差深井泵的结构及工作原理

（1）低漏失低压差深井泵的结构

低漏失低压差深井泵是在普通抽油泵的基础上加装了承压的外泵筒，并对游动阀进行改进而得到的适用于高含气油井举升的一种新型抽油泵。该泵的结构可分为泵筒总成、柱塞总成和固定阀总成三大部分（见图1）。泵筒总成主要由内、外泵筒组成，是固定阀等零件的支持件。内泵筒下端悬空，使内泵筒不承受轴向和径向的载荷。柱塞总成包括柱塞、游动阀球和游动阀顶杆，游动阀顶杆下端面积大于游动阀球下端面积，使游动阀容易开启。固定阀总成主要由固定阀座、固定阀球和阀罩组成。

（2）低漏失低压差深井泵的工作原理

图1 低漏失低压差深井泵工作原理Fig.1 Wworking principle of deep-well pump with low leakage and low pressure difference

上冲程抽油杆带动柱塞向上运动，如图 1(a)所示。泵腔容积变大压力降低，游动阀关闭，固定阀开启，地层产出液进入泵腔内部。此时外泵筒在泵腔内外压差作用下发生收缩，而内泵筒内外壁压力相等，不发生变形。

下冲程柱塞向下运动，如图1(b)所示。泵腔容积变小压力上升，固定阀关闭，游动阀顶杆在其下端较大压力的作用下打开，并顶开游动阀球，泵腔内的气液混合物顺利经由排出口进入油管，不会出现游动阀开启滞后甚至“气锁”的问题。此时外泵筒在泵腔内外压差作用下发生膨胀，而内泵筒内外壁压力相等，不发生变形。

2 泵筒结构特点

（1）普通抽油泵工作过程中泵筒变形分析

普通抽油泵在工作过程中，复杂的受力环境会引起泵筒径向变形及弯曲，不但使漏失量增加，影响泵效，还会增加柱塞下行阻力，引起偏磨，甚至发生卡泵现象。泵筒与柱塞间隙的漏失量可表示为[2,3]：

式中：Q—一个冲程中泵筒与柱塞间隙的漏失量， m3/s；

D—泵径，m；

v—液体运动粘度，m2/s；

e—泵筒与柱塞的径向间隙，m；

ΔH—柱塞两端的液柱压差，m；

l—柱塞长度，m；

vp—柱塞运动速度，m/s。

根据式（1），泵筒与柱塞间隙的漏失量和它们之间间隙的立方成正比。因此普通抽油泵工作时泵筒与柱塞间隙周期性的变化对漏失量及泵效影响明显。

（2）低漏失低压差深井泵工作过程中泵筒变形分析低漏失低压差深井泵在普通抽油泵的基础上加装了承受压力的外泵筒，并将内泵筒下端悬空。在泵的工作过程中只有外泵筒发生变形，而与柱塞接触的内泵筒不发生径向变形，不仅完全消除了因为泵筒与柱塞间隙变化而引起的额外漏失量，而且具有较强的抗弯曲和防偏磨性能，不会发生卡泵。

3 低漏失低压差深井泵与普通抽油泵游动阀开启条件的比较

（1）普通抽油泵游动阀开启条件

将游动阀球与游动阀座研合密封处的弧接触简化为弦接触[4]，在此基础上导出游动阀开启的条件是：

式中：Wv—游动阀球重量，N；

P—游动阀座孔处液体对阀球压力，N；

D—游动阀球直径，m；

p下—阀球下端压强，Pa；

p上—阀球上端压强，Pa；

a—阀口研合宽度，m；

2α—阀口密封锥锥角，(°)；

ρ—阀球密度，kg/m3。

（2）低漏失低压差深井泵游动阀开启条件低漏失低压差深井泵游动阀打开的条件是

式中：p′下—游动阀顶杆下端压强，Pa；

Wdg—游动阀顶杆的重量，N。

（3）低漏失低压差深井泵与普通抽油泵游动阀开启条件比较

由于阀球和顶杆的重量对游动阀的开启起次要作用，因此可假定将其忽略。将式(3)简化可得到普通泵游动阀开启的条件为：

将式(5)简化可得到低漏失低压差深井泵游动阀开启条件为：

由式(8)可知，由于低漏失低压差深井泵的游动阀顶杆下端面积大于游动阀球座内孔面积，使该泵的游动阀开启压差小于普通泵的游动阀开启压差，可减小泵内气体对泵效的不利影响，避免“气锁”现象。

4 结 论

（1）低漏失低压差深井泵是在常规抽油泵外增加一个承压的外泵筒，而内泵筒仅一端固定。该结构避免了内泵筒因受力发生径向变形，不仅完全消除了因为泵筒与柱塞间隙变化而引起的额外漏失，还使该泵具有较强的抗弯曲和防偏磨能力。

（2）低漏失低压差深井泵的游动阀由游动阀顶杆和游动阀球串联组成，顶杆下端面积比游动阀座内孔面积大，使该泵游动阀开启压差小于普通泵游动阀开启压差，可减小泵内气体对泵效的不利影响，避免“气锁”现象。

（3）低漏失低压差深井泵原理简单可行，具有泵效高、使用寿命长的特点，可广泛应用于高含气油井举升。

［1］ 刘汉成.抽汲混气原油时合理沉没度的计算方法[J].石油钻采工艺，1995，17(5)：90-93.

［2］ 沈迪成.抽油泵[M].北京：石油工业出版社，1994.

［3］ 张琪.采油工程原理与设计[M].东营：中国石油大学出版社，2000.

［4］ 梁政.关于阀球直径对泵阀开启压差影响的讨论[J].石油机械，1991(08)：39-42.

Design of Deep-well Pumps With Low Leakage and Low Pressure Difference

WANG Lu1，WU Ming1，WANG Wei-qiang1,LU Ji-ping2
（1. College of Petroleum Engineering，Liaoning Shihua University，Liaoning Fushun 113001，China；
2. PetroChina Great Wall Drilling Company，Liaoning Panjin 124000，China）

The deep-well pump with low leakage and low pressure difference was designed to solve the problem of the low pump efficiency during the lifting process of a high gas containing well. To compare the leakage and the opening pressure difference of the traveling valve between this pump and a regular one, the mechanical model of traveling valve was established. The lower part of the pump barrel is pending, so there won’t be any deformation, and the extra leakage caused by the change of the clearance between pump barrel and pump plunger can be completely eliminated. Also, it diminishes the possibility of eccentric wear and stuck pump, which can make the traveling valve more easily to be open. It has advantages of high pump efficiency and long service life, and can be widely used in the lifting process of high gas containing wells.

Leakage; Gas locking; Deformation of pump barrel; Pump efficiency

TE 355.5

A

1671-0460（2012）05-0542-03

2012-03-26

王璐（1982-），男，辽宁抚顺人，助教，硕士，2009年毕业于中国石油大学，研究方向：油气田开发工程。E-mail：wanglu_lnpu@126.com。