井下串联抽稠油泵滑阀弹簧参数优化.pdf

第 4 1卷第 5 期 2 0 1 2年 5月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4I． N O ． 5 M a y， 2 0 1 2 井下串联抽稠油泵滑阀弹簧参数优化 付 丽 ，王璐 ，孙美玲 ，管 琳 1 ．辽宁石油化工大学 石油天然气 T程学院，辽宁 抚顺 1 I 3 0 0 1 ； 2 ． 辽河油田勘探开发研究院 计算所，辽宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 ； 3 中海石油 中国 有限公司湛江分公司，广东 湛江 5 2 4 0 5 7 摘 要井下串联抽稠油泵能对粘度高、在井筒中流动阻力大的稠油进行有效举升。该泵在上冲程时从油 管掺人降粘液，并吸入地层产出液；在下冲程时将二者混合并通过油套环空举升至地面。分析了滑阀弹簧的受 力情况 ，通过试算的方法对弹簧的材料和几何参数进行设计 ，并进行强度和稳定性校核。对该泵的在不同情况 下工作时的参数设置具有指导作用。 关键词抽稠油泵；弹簧；工作参数 中图分类号 T E 3 4 5 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 20 5 0 5 3 6 0 3 Pa r a m e t e r 0pt i mi z a t i o n o f t he S po o l S pr i n g o f Do wn Ho l e Pumps i n Se r i e s FU Li ，WANG Lu ， SUN M e i ． Li n g 2 ，GUAN Li n 。 1 ． C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， Li a o n i n g S h i h u aUn i v e r s i t y ， Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． L i a o h e O i l fi e l d E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t R e s e a r c h I n s t i t u t e ， L i a o n i n g P a n j i n ， 1 2 4 0 1 0 ， C h i n a ； 3 ． C n o o c C h i n a C o ． ， L T D． Z h a n j i a n g b r a n c h ， G u a n g d o n g z h a i a n g 5 2 4 0 5 7 ， C h i n a Ab s t r a c t B y u s i n g t h e d o wn h o l e p u mp s i n s e r i e s ， h e a v y o i l wi t h h i g h v i s c o s i t y wh i c h c a n c a u s e h i g h r e s i s t a n c e i n t h e we l l b o r e c a n b e e f f e c t i v e l y l i f t e d ． D e g r a d a b l e fl u i d i s i n j e c t e d i n t h e p u m p f r o m o i l t u b e d u r i n g t h e p r o c e s s o f u p s t r o k e ； me a n wh i l e t h e p r o d u c e d fl u i d wo u l d b e s u c k e d i n ． An d d u r i n g t h e p r o c e s s o f d o wn s t r o k e ， t h e d e g r a d a b l e f l u i d a n d p r o d u c e d flu i d wo u l d b e mi x e d a n d l i f t e d u p t o t h e g r o u n d t h r o u g h c a s i n g t u b i n g a n n u l u s ．I n t h i s p a p e r , s t r e n g t h p e r f o r m a n c e o f t h e s p o o l s p r i n g wa s a n a l y z e d ． T h e ma t e r i a l o f t h e s p r i n g a n d i t s p a r a me t e r s we r e d e s i g n e d t h r o u g h t r i a l c a l c u l a t i o n ． Th e n t h e i n t e n s i t y a n d s t a b i l i t y o f t h e s p r i n g we r e a l s o c h e c k e d ． Al l t h i s c a n p r o v i d e a g u i d e f o r p a r a me t e r s e t t i n g i n di f f e r e nt wo r k i ng c o nd i t i ons ． Ke y wor ds He a v y oi l p ump； Sp r i n g； pe r a t i o na l pa r a me t e r 稠油具有粘度高 、流动性差的特点 ，开采的成 本和技术要求均较高 ，这给稠油油藏开发造成了一 定的困难” 。 0 。有些原油在地层条件下可进入井筒 ， 但在井筒 中流动困难 ，井下串联抽稠油泵能够对其 进行有效的降粘开采。泵内滑阀弹簧参数 的选择对 该泵在生产过程中上 、下滑阀能否顺利打开和关闭 以及掺降粘液举升稠油是十分重要的 ，因而是该泵 设计的关键环节。 1 井下串联抽稠油泵结构及工作原理 井下掺液抽稠油泵由泵筒总成、 柱塞总成和固定 阀总成三大部分组成，其中泵筒总成包括上 、下泵筒 及接头；柱塞总成包括上、下柱塞，上 、下滑阀及空 心连杆等；固定阀总成包括吸入阀、 排出阀等。 抽油泵的T作原理如图 1 所示 。柱塞上行时 ， 由于上柱塞截面积大于下柱塞截面积 ，中泵腔容积 变大压力降低。滑阀在两端压差的作用下打开 ，掺 入 的降粘液从上泵腔进入 中泵腔内。同时 ，进油 阀 在泵筒内外压差作用下打开 ，吸入稠油 ，出油阀复 位关闭。柱塞下行时，中泵腔体积减小，压力迅速 增大 ， 上滑 阀关闭 ， 下滑阀在两端压差作用下打开， 掺入液进入下泵腔 ，与稠油在此混合 ，最终 由出油 阀排出，通过油套环空流向地面。 2 弹簧受力分析 为了保证该泵的正常T作 ，要求在上冲程过程 中上滑阀开启 ，下滑阀关闭；在下冲程过程 中上滑 阀关闭 ，下滑阀开启 。因此 ，弹簧应满足的条件为 1 上 冲程 』 ⋯ 【 P3 2 P2 A h 2 一 式中F 一 』 滑阀打开时上滑阀弹簧的弹力 ，N； 一 下滑阀关闭时下滑阀弹簧的弹力 ，N； P 一上 泵 腔压力 ，P a ； p 2 一中泵腔压力 ，P a ； 收稿 日期2 0 1 2 - 0 3 2 8 作者简介付丽 1 9 8 2 一 ， 女， 辽宁抚顺人， 助理实验师， 硕士， 2 0 0 9年毕业于辽 宁石油化工大学， 研究方向 油气储运 E - m a i l f u l i 8 6 1 8 2 0 1 6 3 ． c o m 第 4 1卷第 5 期 p 一 下泵腔压力，P a ； A ．一上滑阀截面积 ，m ； 『 - 下滑阀截面积 ，m 。 付 丽， 等 井下串联抽稠油泵滑阀弹簧参数优化 5 3 7 图 1井下串联抽 稠油泵工作原理 Fi g ． 1 wo r ki ng pr i nc i pl e o f do wn hol e pum ps i n s e r i e s 1 一 掺入液； 2 - _ k 柱塞； 3 一 抽油杆； 4 - 上泵腔； 5 - 套管； 6 - 上滑阀； 7 - 上泵筒 8 一 上滑阀弹簧； 9 - 空心连杆； 1 0 一 中泵腔； 1 1 - 接头； 1 2 一 下柱塞； 1 3 一 下泵筒 1 4 一 下滑阀 1 5 一 下柱塞弹簧； 1 6 一 下泵腔； 1 7 一 排出阀； 1 8 一 封隔器； 1 9 一 吸人阀 2 下冲程 P A h P A h ㈤ I ’ 2 2 3 2 3 弹簧的设计 常规的设计方法是通过 弹簧 的工作载荷及变 形量来选择弹簧的类别及材料，再根据国标选择合 适的弹簧 。 。从 1 式和 2 式可 以知道 ，该泵的上滑 阀弹簧和下滑阀弹簧受力情况类似，未知条件比较 多 ，不能通过常规方法进行设计 ，而需要通过试算 的方法对弹簧进行设计。 图 2为利用试算法设计滑阀弹簧的流程，由于 弹簧的外径必须小于泵筒 的内径 ，因此从外径人手 设计弹簧 ，之后对结果进行验算。如果不满足泵的 工作要求则重新选择弹簧的外径进行设计 。所设计 的弹簧需要满足以下条件 ① 由于弹簧与掺入液和地下产 出液等具有一 定腐蚀性的流体接触 ，因而弹簧的材料必须具有一 定的防腐蚀能力。 ②弹簧的几何参数符合泵腔空间结构限制 。需 要确定的几何参数主要包括弹簧的 自由高度 、有效 罔数 、刚度 、螺旋角 、展开长度 、压并高度 、压并 时弹簧外径 、最小最大工作负荷时的高度等 ，确定 方法可参考文献[ 3 ] 。 ③弹簧所受载荷在泵工作区范围。 ④弹簧满足强度及稳定性要求。 由泵 的结构参数选择弹簧的外径 否 否 否 选 择弹簧 的材料和几何参数 何参数是奇满 泵的结构 限制 是 ／ 簧 卜 ＼ ＼ 兰 ／ 是 ＼ 。／ 图2 滑阀弹簧的设计流程图 Fi g． 2 Fl o w c har t o f Sl i de Val ve Spr i ng de s i g n 弹簧的强度校核包括疲劳安全强度 S |1 和弹簧 的静强度安全系数 两方面， 与许用安全系数[ ] 的关系应满足 j [ 3 【 S 2 [ S ] 其中， 疲劳安全强度和静强度安全系数的计算公式 为 S 4 1 fma x 5 ‘ ma x 式中口 广 _ _ 脉动疲劳极限，N ／ ra m ； 一 最大循环变应力 ，N ／ m m ； 一 最小循环变应力，N ／ m m ； 一 弹簧扭 转 屈服极 限 ．N ／ m m 弹簧的稳定性方面，应满足条件 b b 苴 由 6 D2 式中6 一高径比； 一 弹簧的 自由高度，m； D 一弹簧的中径，m； 6 一 临界高径比。 6 7 5 3 8 当 代 化 工 2 0 1 2 年 5 月 4 计算实例 以玉东 2 5 0井为例来说明该方法在滑阀弹簧 参数优化 中的应用。该井的基础数据如表 1 。 表 1 玉东 2 5 O井基础数据 Ta bl e 1 Da t a bas e of YuDong 2 - 50 we l l 以滑阀弹簧参数为设计目标， 应用本文第 2 部 分和第 3部分对基础数据进行分析 ，得到滑阀弹簧 参数 ，如表 2 。 5 结 论 1 滑阀弹簧要保证在上冲程过程中上滑阀开 启，下滑阀关闭；在下冲程过程中上滑阀关闭，下 滑阀开启 ， 从而使井下串联抽稠油泵能够正常工作。 2 滑阀弹簧受力的未知因素 比较多，不能用 常规方法对其进行设计 ，只能用试算的方法进行设 计。 3 由于弹簧与掺人液和地下产出液等具有一 定腐蚀性的流体接触 ，因而弹簧的材料必须具有一 定的防腐蚀能力。 4 哥 阀弹簧的几何参数应符合泵腔空间结构 限制 ，所受载荷应在泵工作区范围，并且满足强度 及稳定性要求。 表 2 滑阀弹簧设计结果 T a b l e 2 De s i g n Re s u l t s o f S l i d e Va l v e S p r i n g 参考文献 [ 1 ]张琪．采油工程原理与设计[ M ] 冻 营 石油大学 出版社，2 0 0 0 [ 2]万仁浦． 采油工程手册[ M] ． 北京 石油工业出版社 ，2 0 0 8 0 8 ． [ 3]成大先． 机械设计手册【 M】 E 京 化学工业出版社 ，2 0 0 2 ． 上接第 5 3 5页 参考文献 [ 1 ] 姜笃志．输油管道非稳定热力过程数值分析『 J 1 ．油气储运 ， 1 9 9 6 ， 1 5 8 1 - 5 ． [ 2] 吴世逵，梁朝林 ， 李大上 ，等．易凝原油低温热输送的研究l J 】 l油 气储运 ，2 0 0 4 ， 2 3 5 1 3 1 6 ． [ 3]古才荣．湛茂线高 比例混输高凝原油的可靠性分析『 J ] ．安全 、健 康和环境，2 0 0 8 ， 8 3 2 - 5 ；1 0 ． [ 4]周诗岽．原油管道顺序输送热力过程模拟I J l_油气田地面工程 ， 2 01 0 ， 2 8 f 4 1 2 -1 3 ． [ 5] 杨筱衡．输油管道设计与管理[ M] ．东营中国石油大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 6]崔秀国，张劲军．埋地热油管道稳定运行条件下热力影响区的确 定『 J 】．石油大学学报 ，2 0 0 4 。 2 8 2 7 5 7 8 ． [ 7 ]丁芝来 ，梁静华．冷热油交替顺序输送中热力问题分析m油气 储运，2 0 0 5 ，2 4 1 0 4 6 4 9 ． [ 8 ]田娜 ，陈保东，何利民，等．并行埋地管道准周期土壤温度场的 数值模拟I J l_科技导报 ，2 0 1 1 ， 2 9 8 4 4 4 8 ． 【 9 』S o n g W K ． T h e r m a l tr a n s f e r a n a l y s i s o f u n p a v e d a n d p a v e d f r e e z i n g s o i l m e d i a i n c l u d i n g b u ri e d p i p e l i n e s f J 1 ． N u m e ri c a l H e a t T r a n s f e r ，P a r t A A p p l i c a t i o n s ， 2 0 0 5 ， 4 8 6 5 6 7 5 8 3 ． [ 1 0] 李长俊．埋地输油管道的热力计算【 J 】 ．西南石油学院学报，1 9 9 7 ， 1 9 1 1 7 9 8 4 ． [ 1 1 ] 吴玉国．冷热原油顺序输送技术研究[ D I ．山东东营 中国石油大 学，2 0 1 0 ． [ 1 2 ]吴明，江国业，安丙威．输油管道土壤温度场的数值计算 石 油化工高等学校学报 ，2 0 0 1 ， 1 2 5 4 5 7 ．