387系列高扬程电潜泵开发

2014-02-19李令喜

石油工业技术监督 2014年9期

李令喜，付军，刘滔

中海油能源发展采油技术服务公司机械采油分公司（天津 300452）

海上油田开采不断深入，油层能量逐渐降低，低液面油井不断增加[1]，适合海上油田的高扬程潜油电泵需求变大。387系列高扬程潜油电泵是针对深井油井的采油装备，在海上油田的应用前景较为广阔，尤其是边际油田的开发，该潜油电泵的开发将有助于油田深层开采的进一步拓展[2]，针对高扬程泵的关键问题进行了计算与分析。

1 泵壳强度分析

1.1 泵壳井下承受压力计算

图1 泵壳承受压力分析示意图

式中：D为泵壳直径，mm；t为泵壳厚度，mm。

查表得出45号钢的许用强度极限【δ】=630MPa,原油密度ρ=0.86g/cm3,安全系数ξ=2.0，根据强度条件 ξδ＜【δ】，则 p＜2t【δ】/dξ，代入数据可得：

p＜45MPa

又由 p=ρgh，得出 h=p/ρg，故 h＜5 340m。

综上所述，387系列泵壳在井下能承受45MPa的压力，相当于5 340m的油柱。

则，泵壳承受压力允许的最大叶轮级数5 340m叶轮单级关死点扬程。

1.2 泵壳脱扣分析

根据泵壳允许承受的45MPa的压力，计算在此状态下，泵壳在径向的变形量，看其变形量是否会导致泵壳和泵头的螺纹连接脱扣。

根据泵壳各点的变形情况，外表面的变形最大，所以只需计算泵壳外表面的径向变形。根据材料力学模型推导出的计算公式：

式中：387泵壳材料为45号钢，泵壳外径b为50.8mm，内径a为44.45mm，内腔压力P1为45MPa，外腔压力P2视为0（此时变形量最大），将相关常量E=206GPa代入可得u=0.072mm。

从计算结果可以看出，泵壳外表面的径向变形远小于造成脱扣的间隙量（1.05mm），所以泵壳在承受45MPa压力的情况下，不会造成脱扣的危险。

2 泵轴向力分析

2.1 泵所受轴向力

387系列高扬程潜油泵的扬程范围在1 100m以上。由于高扬程潜油泵采用全浮式结构，叶轮受到的轴向力通过减磨垫传递给导壳，作用不到轴上，轴所受的轴向力主要是工作时液柱对轴的压力，这个压力主要与液柱的高度、轴的截面积有关[3]。因此只需要分析液柱对轴形成的轴向力，即可计算出泵轴所受轴向力。

2.2 轴向力计算

海上油井所产出的油很多为稠油，其密度较高。因此在建立计算模型时，为了保证计算结果的安全余量，保证实际工作状态下的轴向力不大于保护器的承载力，建立轴向力的计算公式：

式中，ρ为原油密度，g/cm3；h 为额定扬程，m；s为轴截面积mm2；。原油密度：1g/cm3。将2种不同轴径尺寸的潜油电泵177.8mm、203.2mm与279.4mm、406.4mm（7′/8′与 11′/16′）在各扬程下所受的轴向力进行对比，如图2所示。

图2 不同扬程不同轴径泵轴轴向力比较

根据高承载止推轴承所允许的轴向力，以及轴向力计算公式（2），可以求得止推轴承所允许的最高扬程：279.4mm/406.4mm(11′/16′)最大扬程 6 400m；177.8mm/203.2mm(7′/8′)最大扬程 3 900m。结合各泵型性能曲线，如图3所示，查找在关死点的单级扬程，根据允许最大级数=最高扬程/单级扬程，可以求得由止推轴承承载力得出的允许浮动叶轮级数。