柱塞防偏磨裝置的設(shè)計(jì)與研究

柱塞防偏磨裝置的設(shè)計(jì)與研究

目前，中國(guó)大部分油田進(jìn)入高含水開(kāi)發(fā)階段，原油柱泵泵筒和立柱葉片的磨損、侵蝕和劃痕日益明顯。平均井泵檢養(yǎng)期縮短，嚴(yán)重影響了井采綜合經(jīng)濟(jì)效益的提高。抽油泵柱塞和泵筒是一對(duì)滑動(dòng)摩擦副,原油中一般富含砂?；驇r屑,在抽油過(guò)程中這些磨粒在柱塞與泵筒間不均勻分布,往往引起這對(duì)摩擦副產(chǎn)生嚴(yán)重的局部磨損。引起柱塞偏磨最主要的原因是柱塞和泵筒之間的接觸位置在圓周方向上不變,而偏磨的程度又受到井身結(jié)構(gòu)、產(chǎn)出液的性質(zhì)、生產(chǎn)參數(shù)及地層條件等因素的影響。當(dāng)產(chǎn)出液含水大于74.02%時(shí),產(chǎn)出液轉(zhuǎn)相,由油包水型轉(zhuǎn)為水包油型,柱塞表面失去了原油的保護(hù)作用,產(chǎn)出水直接接觸金屬,腐蝕加劇;摩擦的潤(rùn)滑劑由原油變?yōu)楫a(chǎn)出水,失去原油的潤(rùn)滑作用,致使磨損加劇。為了解決柱塞偏磨問(wèn)題,延長(zhǎng)抽油泵壽命,提高檢泵作業(yè)周期,研制了一種新型的柱塞防偏磨裝置——柱塞自旋器,將其安裝在柱塞的上面,可使柱塞在每一沖程中隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),不斷地改變柱塞與泵筒的接觸面,從而達(dá)到預(yù)防柱塞偏磨的目的。1柱塞自氧化物的開(kāi)發(fā)1.1抽油桿柱與油管內(nèi)液體不運(yùn)動(dòng)的連接抽油桿柱帶動(dòng)柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng),上沖程時(shí),油管中的液體隨著抽油桿柱同步做向上運(yùn)動(dòng),抽油桿柱與液體之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng);下沖程時(shí),抽油桿柱向下運(yùn)動(dòng),而油管內(nèi)液體不運(yùn)動(dòng),抽油桿柱與油管中液體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以上特點(diǎn),在柱塞上方連接一右旋的類似導(dǎo)流槽的裝置。上沖程時(shí),由于抽油桿柱與油管中液體之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),液體不會(huì)對(duì)右旋導(dǎo)流槽產(chǎn)生作用;而下沖程時(shí),抽油桿柱與油管中液體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),液體會(huì)對(duì)右旋導(dǎo)流槽產(chǎn)生作用力,通過(guò)作用力的分解,產(chǎn)生向左的徑向力,克服阻力,帶動(dòng)柱塞做向左的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。1.2接桿和螺旋轉(zhuǎn)子柱塞自旋器由上接頭、磨損塊、承力筒、連接桿和螺旋轉(zhuǎn)子組成,如圖1所示。上部通過(guò)上接頭與抽油桿相連,下部螺旋轉(zhuǎn)子與柱塞剛性連接,連接桿可相對(duì)承力筒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。1.3旋轉(zhuǎn)軸不轉(zhuǎn)動(dòng)的原因工作時(shí),上部抽油桿只做上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng),而下部的螺旋轉(zhuǎn)子靠連接桿使其與抽油桿相對(duì)運(yùn)動(dòng)。下沖程時(shí),由于固定閥關(guān)閉,游動(dòng)閥開(kāi)啟,泵筒內(nèi)的液體沿螺旋轉(zhuǎn)子做螺旋上升運(yùn)動(dòng),同時(shí)液體會(huì)對(duì)螺旋轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用力,通過(guò)作用力的分解,產(chǎn)生一個(gè)沿圓周切線方向的沖擊力。當(dāng)該力能克服轉(zhuǎn)動(dòng)柱塞所需的摩擦阻力時(shí),螺旋轉(zhuǎn)子便帶動(dòng)柱塞做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。上沖程時(shí),由于抽油桿柱與油管中液體之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng),液體不會(huì)對(duì)螺旋轉(zhuǎn)子產(chǎn)生作用,此時(shí)柱塞不轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就避免了柱塞總在某一處磨損,從而解決了柱塞偏磨問(wèn)題,達(dá)到提高抽油泵壽命的目的。1.4阻風(fēng)力的計(jì)算在抽油桿、柱塞自旋器、柱塞組成的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中,存在2個(gè)方向的力矩:一個(gè)是液體推動(dòng)螺旋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力矩;另一個(gè)是阻力力矩,主要由2部分組成,即,柱塞與泵筒的摩擦力矩和液體與螺旋轉(zhuǎn)子之間的摩擦力矩。當(dāng)動(dòng)力力矩大于阻力力矩時(shí),自旋器就能夠旋轉(zhuǎn),否則,就不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。a)動(dòng)力矩油管內(nèi)流體對(duì)螺旋轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的動(dòng)力矩為Μr=π2n2s2L43200Dtan2β(D3-d3)(1)Mr=π2n2s2L43200Dtan2β(D3?d3)(1)式中,n為沖次,min-1;s為沖程,m;L為螺旋轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度,m;D為螺旋轉(zhuǎn)子的外徑,m;d為螺旋轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑,m;β為螺旋轉(zhuǎn)子的傾角,(°)。b)阻力矩柱塞與泵筒的摩擦力矩為Μ1=π80?ft1-t[1√1-(1-t)2-1]?hd2oΔpM1=π80?ft1?t[11?(1?t)2√?1]?hd2oΔpΔp=12[π60]2ρlμ2[ApAo]2(sn)2(2)Δp=12[π60]2ρlμ2[ApAo]2(sn)2(2)式中,Ap為柱塞截面積,m2;Ao為游動(dòng)凡爾過(guò)流面面積,m2;f為柱塞與泵筒的摩擦因數(shù),取0.15;h為柱塞長(zhǎng)度,m;do為泵筒內(nèi)徑,m;t=Δδδmt=Δδδm,其中,δm=δ2+δ12?Δδ=δ2-δ12?δ1、δ2為柱塞與泵筒半徑上的最小、最大間隙,m。液體與螺旋轉(zhuǎn)子之間的摩擦力矩為M2=L∫2π0r21τr1θdθ=8π2μLnr21r2215(r22-r21)(3)式中,L為螺旋轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度,m;μ為井液的平均粘度,mPa·s;r1為螺旋轉(zhuǎn)子外半徑,m;r2為油管內(nèi)半徑,m;故,總的阻力矩Mz=M1+M2。當(dāng)Mr≥KMz時(shí),螺旋轉(zhuǎn)子就能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),其中K為未知因素影響系數(shù),K>1。2優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)2.1不同粘度下螺旋傾角與轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度計(jì)算油井中液體的粘度一般在0~2000mPa·s,當(dāng)生產(chǎn)參數(shù)一定時(shí)(?56mm泵,沖程為3m,沖次為5min-1,泵效0.7),計(jì)算得出不同粘度下最優(yōu)的螺旋傾角與螺旋轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度,如表1。通過(guò)驗(yàn)證表明,表1劃定的粘度范圍也同樣適用于?38、?44、?70mm的泵。2.2螺旋轉(zhuǎn)子技術(shù)參數(shù)經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn),排量的變化對(duì)螺旋轉(zhuǎn)子傾角的影響不大,所設(shè)計(jì)的參數(shù)能滿足不同排量的要求。優(yōu)化后的螺旋轉(zhuǎn)子主要技術(shù)參數(shù)如表2。系列A適用于粘度低于90mPa·s的情況,系列B適用于粘度介于90~200mPa·s的情況。當(dāng)粘度大于200mPa·s時(shí),無(wú)論如何調(diào)整參數(shù),均不能使動(dòng)力矩大于阻力矩,柱塞自旋器不能正常工作。3桿柱脫扣液回收系統(tǒng)優(yōu)化螺旋轉(zhuǎn)子帶動(dòng)柱塞在每一沖程中隨機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),不斷地改變柱塞與泵筒的接觸面,使柱塞圓周逐漸均勻磨損的同時(shí),將砂?；蚪Y(jié)垢從柱塞與泵筒之間排出,解決了磨蝕材料聚集所引起的嚴(yán)重定位磨損及桿柱脫扣。當(dāng)柱塞完成下沖程時(shí),大量砂粒隨原油舉出地面,剩余的少許砂粒進(jìn)入柱塞與泵筒的間隙,隨著柱塞的旋轉(zhuǎn)而被擠入泵筒下部,由于柱塞已在泵筒上部,進(jìn)行下沖程時(shí),固定閥吸入的原油有一定沖力,把間隙中的砂粒沖出,完成下沖程時(shí),隨原油舉出地面,從而達(dá)到了防砂卡的目的。4現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用2004年初,該柱塞自旋器在勝利油田樁113-6、1-P16等井上應(yīng)用20井次,平均單井檢泵周期延長(zhǎng)58.2d。5柱塞旋轉(zhuǎn)軸深值泵筒出液出氣回用加1)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中柱塞和泵筒之間的接觸位置在圓周方向上不變是導(dǎo)致抽油泵泵筒和柱