自转旋流抽油泵结构设计及性能分析

鱼强 日孜完古丽 陈宏 毛伟 苟爱梅

摘要：我国石油开采进入中后期，各大油田因井底出砂、化学防砂作业以及管杆腐蚀碎屑等杂物混入井液中造成常规抽油泵漏失、卡泵等问题愈发突出;井身结构、冲程、冲次、泵径、扶正器分布、沉没度以及含水率对抽油泵管杆偏磨的影响持续加大，直接影响现场连续性生产。现创新设计出一种自转旋流抽油泵，通过螺旋总成增加油液举升时的水平速度，进而增加其对杂质颗粒的举升能力，可避免在固定阀球处沉降淤积以引起的卡泵、堵泵等现象。

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.

關键词：抽油泵;砂卡;旋流;自转

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

中图分类号：TE933.902                                   文献标识码：A                               文章编号：1674-957X（2021）19-0220-02

0  引言

国内各大油田因井内出砂等各种杂质所造成的卡泵、堵泵和管柱偏磨一直是影响抽油泵正常工作的最主要因素，严重制约和影响油田的生产效益。近年来，虽针对砂卡研制的特种抽油泵种类繁多，因其设计思想大多为预防砂砾等进入泵内的“防砂”和将砂砾储存在泵内的“沉砂”，并无法从根本上解决问题;而通过加装扶正器、导向器和选用低速电机、耐磨材质的小泵径的方法在一定程度上解决了抽油泵内管柱偏磨问题，但并没有形成普适性。所以笔者以“防砂”和“沉砂”不如“排砂”为指导思想研发了一种自转旋流抽油泵（ZL 2018 1 0769129.7）较为圆满的解决了上述的问题。

1  技术分析

结合抽油泵整体结构将受到安装位置限制，需采用立式结构，从结构上看，有杆抽油泵整体结构为细长管状，由泵筒、柱塞、游动阀、固定阀等部件组成[1]。设计思路将继续采用“防砂”、“沉砂”不如“排砂”的思路，解决杂质颗粒在抽油泵内沉积的问题，并就高效自清洁抽油泵的长柱塞结构增加了柱塞与泵筒偏磨提出有效的缓解措施。

2  自转旋流抽油泵总体结构设计[2]

2.1 设计方案一  该结构抽油泵由上柱塞总成、下柱塞总成、泵筒总成、螺旋总成和固定阀总成四部分组成。上冲程时，抽油杆带动上柱塞总成上行，此时上柱塞总成的上出油阀球在其上部液力作用下关闭，上柱塞总成相对于自转导轨向上运动。上柱塞总成和下柱塞总成间空腔增大，压力下降，下柱塞总成的下出油阀球打开，下柱塞下部液体进入上下连接件之间。抽油杆继续上行，当上连接件与自转导轨上部的限位螺帽相接触后，带动下柱塞总成和螺旋总成向上运动，上下柱塞总成之间无相对运动，其间再无压差;且在上下柱塞之间液力作用下，下出油阀球关闭。此时下柱塞总成与固定阀总成之间空腔增大，压力减小，形成负压，在井底流压作用下，固定阀球打开，井液涌入泵内，起到抽汲油液的作用。

下冲程时，抽油杆推动上连接件沿自转导轨下行，上下柱塞总成之间空腔面积减小，压强增大，上出油阀球打开，原油流出抽油泵。啮合式单向轴承对上连接件提供切向力，下柱塞总成和螺旋总成在下移的同时将做顺时针旋转运动，便于原油的举升，为紧接着的原油旋流提供初速度，起到扰流作用。直至上连接件与下连接件相接触，其间再无相对运动。上柱塞总成将继续推动下连接件下行，泵体空腔面积减小，压强增大，固定阀球关闭。原油沿左旋的螺旋片进入到下柱塞中，下柱塞总成在下部液力作用下，下出油阀球首先打开，下柱塞总成下部液体进入上下出油阀之间，随着抽油杆继续下行，上出油阀球也打开，油液继续进入上柱塞上部，完成一次抽汲作用。

2.2 设计方案二  该结构抽油泵由上柱塞总成、下柱塞总成、泵筒总成、螺旋总成和固定阀总成四部分组成，结构如图1所示。上冲程时，抽油杆带动上柱塞总成上行，此时上柱塞总成的上出油阀球在其上部液力作用下关闭，上柱塞总成相对于旋转导轨向上运动，单向轴承抵消旋转器传递的旋转切向力，使得下柱塞总成和螺旋总成并无旋转运动。上柱塞总成和下柱塞总成间空腔增大，压力下降，下柱塞总成的下出油阀球打开，下柱塞下部液体进入上下连接件之间。抽油杆继续上行，当上连接件与旋转导轨上部的限位螺帽相接触后，带动下柱塞总成和螺旋总成向上运动，上下柱塞总成之间无相对运动，其间再无压差;且在上下柱塞之间液力作用下，下出油阀球关闭。此时下柱塞总成与固定阀总成之间空腔增大，压力减小，形成负压，在井底流压作用下，固定阀球打开，井液涌入泵内，起到抽汲油液的作用。

下冲程时，抽油杆推动上连接件沿旋转导轨下行，上下柱塞总成之间空腔面积减小，压强增大，上出油阀球打开，原油流出抽油泵。在单向轴承和旋转器的作用下，下柱塞总成和螺旋总成在下移时同时有顺时针旋转运动。便于原油的举升，为紧接着的原油旋流提供初速度，起到扰流作用。直至上连接件与下连接件相接触，其间再无相对运动。上柱塞总成将继续推动下柱塞总成和螺旋总成下行，泵体空腔面积减小，压强增大，固定阀球关闭。原油沿左旋的螺旋总成进入到下柱塞中，下柱塞总成在下部液力作用下，下出油阀球首先打开，下柱塞总成下部液体进入上下出油阀之间，随着抽油杆继续下行，上出油阀球也打开，油液继续进入上柱塞上部，完成一次抽汲作用。

2.3 设计方案对比评价  通过对比上述两种设计方案的结构特性，除泵筒、固定阀总成等为常规结构外，均采用两级柱塞结构，并使液体产生扰动的关键结构特征均设计在加长短节内。但在核心部件上有明显不同，针对两种方案进行优劣性的对比，如表1所示。考虑到方案二有工程应用背景、可靠性强、可长时间工作、制造工艺简单、便于替换、成本低的优点，我们选用方案二设计自转旋流抽油泵。

3  自转旋流抽油泵结构参数设计

3.1 自转旋流抽油泵结构参数  自转旋流抽油泵主要技术参数见表2。

3.2 螺旋总成结构参数优化  自转旋流抽油泵将螺旋体结构设计为在旋流柱体上焊接有螺旋叶片，原油经固定阀总成举升至螺旋总成，流动状态改变为旋流，由于杂质颗粒密度大于原油密度，在离心力的作用下，通过增加油液的切向速度以杂质颗粒上升速度，避免了杂质颗粒沉降引起的砂卡。通过流体动力学软件模拟仿真螺旋总成在泵内的运动，选用多相流VOF稳态模型求解、选取k—ε模型、边界条件采有壁面条件（wall）（包括动边界条件）、速度入口边界（velocity-inlet）及自由流出出口（outflow）。螺旋总成为运动边界Moving Wall，速度大小为0.34m/s，方向沿Y轴正向，油液速度入口的数值大小为0.124 m/s，出口为Outflow自由出流边界。通过仿真实验Monitors（监测）出口流速，得到螺旋总成结构的最优结构参数为：旋流柱体直径为Ф16mm、长度为365mm、螺旋叶片导程个数为12、导程为25mm、厚度为3mm[3]。

4  结论

①该泵设计为双头螺旋槽式结构的旋转导轨，并在其外表面依次套接旋转器和单向轴承。抽油杆通过上连接件带动上柱塞总成在旋轉导轨上下行时，单向轴承通过旋转器对旋转导轨提供切向力，使下柱塞总成和螺旋总成在向下移动的同时也做顺时针旋转运动，搅动并提升泵筒内的原油，为接下来原油旋流提供初速度，使原油内的杂质颗粒不易在固定阀处沉积而造成卡泵、堵泵等现象。②上柱塞总成沿旋转导轨下行时，下柱塞总成和螺旋总成在下移的同时做旋转运动，柱塞与泵筒之间的接触位置在圆周方向上改变，很大程度上缓解了泵筒与柱塞之间的偏磨问题，延长抽油泵的检泵周期和使用寿命。③通过流场仿真的手段优化设计了螺旋总成，最优结构参数为：旋流柱体直径为Ф16mm、长度为365mm、螺旋叶片导程个数为12、导程为25mm、厚度为3mm。

参考文献：

[1]沈迪成，艾万诚，盛增顺，等.抽油泵[M].石油工业出版社，1994：206-256.

[2]屈文涛，鱼强，孙艳萍.基于旋流携砂机理的高效自清洁抽油泵设计[J].机械研究与应用，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.