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抽油泵的设计
西安石油大学本科毕业设计(论文)
气液混抽泵设计
摘要:
随着社会的快速发展,我国的各行各业均得到迅猛发展,尤其在石油行业。
抽油泵是油田开发过程中的主要设备之一,往往油井中含有大量的气体而使抽油泵发生气锁,导致抽油泵不能正常工作,抽油效率下降。
本次设计在普通抽油泵的基础上,在开有小孔的泵筒上增加了中空管组件来改变了泵在抽油时的油气比,因而有效地改善了抽油泵的性能,提高了油田的原油产量,增加了油田开发的经济效益。
本文结合我国油田中普遍存在的油气比大的油井,这些油井中含有大量的溶解气
体对抽油泵效率有明显影响,从现有的防气抽油泵为出发点开始研究。
首先介绍了国
内外防气抽油泵的发展现状,接下来讨论了本次毕业设计的气液抽油泵的工作原理,
初步确定了气液抽油泵的整体结构。
然后对气液抽油泵的整体结构、尺寸进行了设计
计算,确定了泵的外径和泵筒的长度。
最后对抽油泵的主要零件,如泵筒、柱塞、泵
阀、阀罩等进行了设计计算以及校核,并对抽油泵的排量进行了估算。
最终确定所设
计的气液抽油泵能够有效防止气锁而正常工作。
关键词:
抽油泵;防气锁;气液抽油泵;结构设计
西安石油大学本科毕业设计(论文)
DesignofaGas-liquidmixingpump
Abstract:
Withthedevelopmentofsociety,theindustriesarerapiddevelopmentinchina,particularlyintheoilindustry.Pumpisoneofmainequipmentintheprocessofoilfielddevelopment.OftenitcontainslargeamountsofgasinoilWellsandmakesthepumpoccurgas-lock,whichcausedthepumpnottoworknormallyandtheefficiencyofpumpingdescend.Onthebasisofthepump,thedesignaddsthecentralhollow-outthetubecomponentstotheordinarypumpcylinderthatithassomeholestochangetheoiltogasratiointhepump,thusimprovetheperformanceofthepump,soastoeffectivelyimproveoilfieldoilproductionandtheeconomicbenefitofoilfielddevelopment.
Inthispaper,basedonthebigoil-gasratiosexistinginWellsinourcountry,whichcontainsalotofdissolvedgastohaveobviousinfluencefrompumpefficiency,andstartstudyingfromtheexistingpumpthatpreventsgas-lock.Firstly,itintroducesthepumppreventedgas-lockdevelopmentpresentsituation,thendiscussedthegraduateddesign,theworkingprincipleofthegastoliquidpump,andpreliminarilydeterminestheoverallstructureofthegastoliquidpump.Nextitdesignedandcalculatedthegastoliquidpumptotheoverallstructureanddimensions,determinedthepumpdiameterandthelengthofthepumpcylinder.Intheend,themainparts,suchaspumpcylinder,pumpplunger,pumpvalveandvalvecover,aredesigned,calculatedandcheckedforpump,thentheoutputvolumeiscalculated.Eventually,itdeterminesgastoliquidpumpwhattheydesigncanpreventeffectivelygas-lockandworknormally.
Keywords:
Pump;Preventgas-lock;Gastoliquidpump;Structuredesign
西安石油大学本科毕业设计(论文)
1绪论·······································1
1.1
课题背景及目的
·····························1
1.2
抽油泵的发展概况
···························1
1.3
论文的研究内容
·····························3
1.4
创新点···································3
2
气液混抽泵的结构及工作原理
··························4
2.1
气液混抽泵的基本结构
·························4
2.2
气液混抽泵的工作原理
·························4
3
气液混抽泵的设计··································5
3.1
抽油泵总体尺寸计算
··························5
3.1.1
油管直径与泵径的匹配
·······················5
3.1.2
抽油泵长度
·····························5
3.2
抽油泵的主要零件的设计与计算
····················5
3.2.1
古德曼图································5
3.2.2
泵筒的设计与计算
·························8
3.2.3
柱塞的设计与计算
························18
3.2.4
泵阀的设计与计算
························21
3.2.5
阀罩的设计与计算
························24
3.2.6
中空管的设计与计算
·······················28
3.3
泵的排量计算
······························29
4结论······································31
参考文献·····································32致谢······································33
I
西安石油大学本科毕业设计(论文)
1绪论
1.1课题背景及目的
在石油开发过程中,油田多居于极复杂的环境,具有断层多,油、气、水分布
复杂,油藏埋藏深、井况差、原始油气比高等特点,由于这些特点,使得油田在开
发过程中地层压力、液面下降快,产量递减快。
随着油田的深入开发,气体对油井影
响日益明显,泵效较低,甚至发生气锁等现象;较低的泵效严重影响着原油生产任务的顺利完成,气体影响是抽油机井泵效低的主要原因。
对于含气油井,消除或减少气体的影响是采油工程的主要任务之一。
然而在任意一个抽油泵中,固定阀与游动阀之间必定存在一段距离,称“防冲距”,其空间称“余隙容积”,充满油气混合物。
当柱塞下行时,泵筒内压力升高,余隙容
积内气体受压缩,并溶解于油液中,而柱塞上行时,泵筒内压力迅速减低,溶解的气
体自油液中分离、膨胀,占据一定的空间。
含气量较少时,气体膨胀后所占空间不大,对泵效影响不大,但当含气量较大时,膨胀气体可能占据柱塞在泵筒内移动的空间,
且压力仍然不低于套管中的沉没压力,使固定阀打不开,抽油泵无法吸入。
这时柱塞只是使气体处于交替的压缩和膨胀状态,抽油泵不工作,,产生所谓“气锁”。
发生气锁时,没有油液排出,抽油机和泵将做无用功。
更为有害的是,在这种含气井中工
作,抽油泵还会发生液击现象,加速了抽油杆柱、游动阀罩、固定阀罩油管等井下设
备的损坏。
因此,必须设计一种新型抽油泵,来较好的解决这一情况,提高石油产量。
这时,能够在高油气达到同样效果的抽油泵--气液抽油泵就是很好的研究方向。
通过设计这种气液混合抽油泵,可以达到排气抽油或油气混抽的正常采油目的,
避免了低效率、耗时耗力的工作。
尤其在这种油井里发生气锁时,免除了抽油机做无
用功,对抽油杆等井下设备的损害,较好的解决油田中高油气比的油井的开采工作,
相信这种抽油泵一定会在我国的石油行业,尤其各个油田得到广泛应用!
1.2抽油泵的发展概况
回顾我国的抽油泵发展史,在50年代,我国开始仿制东欧、苏联、罗马尼亚等等国的衬套抽油泵。
60年代,我国科技人员开始设计制造一些特殊泵,如防砂泵、
防腐泵等等,但对预防井底严重的气体影响还没有真正解决。
70年代开始制造长冲
程泵、稠油泵以及其他新型的泵。
然而设计水平和制造工艺的落后,再加上原材料的品种较少,远远不能满足油田井下各种复杂情况的需要。
80年代末期,抽油泵制造水平逐步由衬套泵发展到批量生产整筒泵,制造工艺、热处理工艺有较大的提高,新型泵的品种也不断增加。
但与国外相比,抽油泵的结构设计改进较少,新品种欠缺。
1
西安石油大学本科毕业设计(论文)
目前我国使用的抽油泵,有两种结构型式的杆式泵和四种结构型式的管式泵,杆式泵的使用数量仅占管式泵的1%,且杆式泵只有顶部固定型式,适应能力较差.我国抽油井基本上采用标准型泵,不能适应稠油、含砂、含水量大、含硫化氢等腐蚀性
较强、结蜡严重等油井的生产。
近几年为研制异型泵做了大量工作,如江汉油田研制
了长冲程泵,泵总长8.5m,内径70mm,外径90mm,采用软活塞配整体泵筒结构.与华北油田Bn型增距式抽油机配套使用,平均泵效达91%.目前我国抽油泵泵筒仍由多节短衬套组合而成。
过去每节衬套只有150mm长,现已大批生产每节300mm长的衬套。
近两年玉门石油机械厂已小批量生产CYB70/1.8~SGZY长筒泵。
还给辽河油田生产了CYB57/6GZY长筒稠油泵。
胜利油田也已小批量生产CYB70/燕GLY和cyB83/3.3GY型长泵筒无衬套金属柱塞抽油泵。
在长泵筒制造工艺方面,玉门石油机械厂近几年搞出
了两种整体泵筒制造工艺,即大泵筒内壁镀铬和中型泵筒内壁辉光离子氮化。
泵筒材料大多用20CrM。
,经热处理后硬度为HRC60~62,此硬度低于井内工作介质中所含石
英砂的硬度,故泵筒内表面往往被拉伤,严重影响抽油泵的使用寿命.
然而国内对于在高油气比的油井开采,为使高油气比油井生产正常,各油田作了大量工作,采取的技术主要从减少进泵液体中的含气比和降低进泵游离气对泵阀
开启的影响2个方面进行。
前者主要由增大沉没度,降低冲次和采用各种气锚和适时放掉套管气来实现;后者则靠加大冲程长度,减少余隙容积及采用特殊结构的防气抽油泵来达到。
其中的主要差别在于防气抽油泵的防气原理不同,例如采用机械强
制开启的游动阀以减小游离气对游动阀开启的影响;采用气液置换的防气泵或采用两级压缩抽油泵则是降低压缩腔内的油气比来提高泵效。
所以,上述防气泵皆是在普通抽油泵基础上对阀体或腔体进行了一些改进,或增添特种结构而成的新型防气泵。
上述改进能较好地防止气锁,提高泵效,但加工难度大,寿命不容易提高,且增加了操作难度。
以往,解决抽油泵气锁问题采取如下措施:
①在泵的结构上,减小柱塞在下死点处和固定阀间的余隙容积,使用双游动阀和两级压缩抽油泵,使用标枪阀做
游动阀下行程强制打开。
但此方法泵安全强度差,结构复杂,成本高;②利用气锚将原油中的游离气体在没有进人泵筒之前分离出来,进人套管,定期放气。
这种方法对减少气体对泵工作的影响有一定效果。
但事实上所有气锚都不可能将游离气体全部
分离出去,不能彻底解决气锁问题,而且定期排放套管气,对天然气资源也造成了浪费。
美国HarbisonFischer公司研制了一种可在气锁情况下使用的新型有杆泵,其泵
筒上部为逐渐增大的锥形。
当柱塞上行接近上死点进入该锥形区后,泵的漏失量增加。
其结果可均衡柱塞和游动阀上下的压力,在柱塞下行时泵筒内可立即达到高压,使游动阀强制打开,这就可从根本上消除泵气锁,使其在产气量大的油井上正常使用。
矿场示功图测试表明,采用该种新型防气泵抽油,光杆的最小载荷增大,抽油杆柱的谐振减
小,泵上杆柱承受的压缩载荷降低。
由此可见,采用它可从根本上消除泵气锁,缩小杆柱的应力范围。
还可消除泵的气、液击,减轻泵的杆管磨损,保证气量大井正常生产
2
西安石油大学本科毕业设计(论文)
另外,美国OilWell公司研发的一种防气抽油泵,具有气液混抽的作用,可以用
于开采含有大量气体的原油。
其泵筒有上、下泵筒组成,两种之间用加长短节连接,
泵的柱塞很长,可搭接在上、下泵筒之间,在泵筒内形成上部、中部和下部三个油室,
工作过程中柱塞起封隔上、下泵筒的作用。
但是,这种泵在结构上比较复杂,加工难
度大,不容易生产使用,需要改进。
1.3论文研究内容
我设计的气液混合抽油泵是基于根据生产需要以功能设计为原则,在原抽油泵
结构基础上进行技术改造而进行的,其中的主要内容如下:
(1)气液抽油泵的工作原理及防止气锁的方法说明:
首先查找有关气液抽油
泵的资料,然后结合我国油田的实际情况对普通抽油泵的优缺点进行分析,最后提出自己的气液抽油泵,并分析它的防止气锁的方法,以及工作原理。
(2)气液抽油泵的结构设计:
通过对普通抽油泵的结构分析,再结合设计的任务要求和自己的防气锁方法、工作原理,设计气液抽油泵的结构。
(3)气液抽油泵的装配图、零件图的绘制:
运用自己的CAD绘图知识,绘制设计的气液抽油泵的结构图,包括装配图、零件图等。
1.4创新点
(1)在泵筒外添加了中空管组件,由柱塞的移动可以在泵筒内形成上部、中部和下部三个油室,为泵内的气体开辟了通道,排除了气体的干扰,提高了泵效,避免了气锁和液击的发生。
(2)在普通管式组合泵的基础上,结合了它的优点,去掉了衬套,也减轻了泵的自身重量;
(3)均采用了管螺纹连接,保证整个抽油泵的密封性。
3
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2气液混抽泵的结构及工作原理
2.1气液混抽泵的基本结构
气液抽油泵的结构主要由上阀罩组成、泵筒、柱塞、下游动阀罩总成、中空管组件固定阀总成等组成。
具体结构见下图:
1—接箍;2—上阀罩总成;3—泵筒;4—柱塞;
5—下游动阀罩总成;6—中空管组件;7—固定阀总成
图2-1气液混抽泵结构
2.2气液混抽泵的工作原理
柱塞上行时,井底原油经固定阀进入下部油室,由于低压和紊流,原油中气体膨胀,分离气泡上升至下部油室的顶部;而上一工作过程中存留于中间油室内的原油所含的气体处于受压缩状态,其气-液比低于下部油室;当柱塞脱离泵筒到达上止点时,
中、下油室连通,两室混合液的气-液比介于连通前两室气-液比之间,低于井底原油的气-液比,因而使抽入的液体量增加。
柱塞下行时,固定阀关闭,上部油室中的气体向上运动,柱塞继续下行到一定位置,就有一部分液、气体被封闭在中间油室内;当下部油室内的液体压力等于或略大于柱塞腔内液体压力时,游动阀开启,下部油室中的液体通过柱塞流向上部油室;柱塞接近下止点时,上部油室与中部油室连通,中部油室液体中被压缩的气体逸出。
直至下冲程结束,这样便完成了一个抽汲过程。
当柱塞又开始上行,上部油室与中部油室再次隔绝开时,中部油室中的液、气体
处于被压缩状态,且其内气体已有一部分逸出,中间油室内的气-液比较低。
因此,当柱塞继续上行时,又可以使抽液量增加,从而保证将含气原油正常地开采出来。
中空腔室的设置给泵内气体开辟了通道,而中空腔内液体与下腔室气体的交换,又增加了泵筒内液体的充满系数,降低了泵内的气-液比,排除了气体的干扰,提高了泵效,避免了气锁和液击的发生。
4
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3气液混抽泵的设计
3.1抽油泵总体尺寸计算
3.1.1油管直径与泵径的匹配
管式抽油泵要与油管连接,故油管直径必须与抽油泵的泵型相匹配。
(1)同一种泵型同一种规格的抽油泵可以与一种规格或者两种规格的油管相匹配,其目的是在空间允许的范围下提供较大的选择余地。
(2)因为管式泵是插入式管,油管内径必须大于杆式泵最大外径,反映为油管尺寸代号比泵径尺寸代号前两位数值要大。
管式泵大部分也符合此规律,但有一部分
(30-325TH等)油管尺寸代号反而小于泵径尺寸代号的前两位数值,说明此时柱塞
直径大于油管内径,柱塞必须事先放在泵筒内,用脱接器与抽油杆连接。
管式泵最大外径受到套管内径的限制,我国常用的是140512''套管,壁厚最厚
的一种内径为117.7mm,与它配的抽油泵最大外径应控制在116mm,有时因作业
需要应留出更大的空隙。
3.1.2抽油泵长度
抽油泵长度主要取决于泵筒长度,它与冲程长度有关,具体的说是柱塞长度、冲程长度、防冲距和加长短节长度等决定。
推荐柱塞长度和防冲距按表3-1选择。
表3-1
推荐柱塞长度和防冲距
下泵深度
900
1200
1500
1800
2100
2400
2700
3000
3300
柱塞长度
0.6
0.9
1.2
1.2
1.2
1.2
1.5
1.5
1.8
防冲距
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.6
0.9
0.9
0.9
此次设计柱塞长度为
1.2m,冲程长度为
4.0m,防冲距为0.6m,下泵深度为1500m,
泵筒的总长度为4.9m,抽油泵总长为6.4m。
3.2抽油泵的主要零件的设计与计算
因各种零件的结构、作用和工况不同,设计计算的内容也有区别。
泵筒、柱塞等
零件侧重于强度、刚度的计算,而泵阀计算则侧重与结构设计计算。
3.2.1古德曼图
石油机械疲劳强度计算时,经常利用古德曼图(图3-1),它是一张极限应力图。
抽油泵是一种往复泵,各种零件所受应力为交变应力,可借用古德曼图进行计算。
5
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3.2.1.1古德曼图
金属材料用古德曼图,其横坐标是交变应力的平均应力m,纵坐标是最大应力
max和最小应力min。
一张完整的古德曼图是凸八边形构成的封闭图形。
工作在封闭
图形范围内的零件其寿命可达到107次循环以上,是安全的。
图3-1古德曼图
3.2.1.2实际耐久极限
试件在周期应力作用下,不发生循环破坏(循环破坏次数达到107次)的最大应
力称为耐久极限。
耐久极限是通过表面光滑、直径5-7mm圆柱形试件,在转杆寿命试验机上试验获得的。
大量试验证明:
对于黑色金属和和部分有色金属,耐久极限
'
n
与材料抗力强度b存在一定关系,并于加载方式有关,即:
n'=CPb
(3-1)
'
式中:
n—耐久极限,MPa;
b—材料强度极限,MPa;
CP—加载方式系数,弯曲:
CP
0.7,轴向拉压:
CP
0.5,
扭转:
CP=0.4。
6
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实际使用的零件与试样有差异,工况与试验条件也不尽相同,应将耐久极限根据实际情况进行调整,使之能适应实际情况,调整后的数据称为实际耐久极限。
影响实际耐久极限的因素主要有偏载情况、直径大小、工件表面质量和介质性质等。
(1)偏载系数(CL)
轴向拉压,因偏心而产生不确定的弯曲,将影响实际耐久极限。
对于抽油泵零件而言可取偏载系数CL=0.8。
(2)直径系数(CD)
抽油泵泵筒可取:
CD0.9。
(3)工件表面系数CS
工件表面粗糙度对耐久极限有较大的影响,而且材料强度极限越大,影响越明显。
抽油泵零件表面大部分经过机械加工,故推荐表面系数CS为:
C
0.89
2.184
10
(3-2)
S
b
(4)腐蚀情况系数(Ch)
一般取Ch0.5~1,腐蚀情况越严重,系数Ch越小,无腐蚀Ch=1。
(5)实际耐久极限
综合比较,实际耐久极限
n为:
'
CLCDCSChCPb
n
CLCDCSChn
(3-3)
3.2.1.3交变应力
最小应力min,最大应力
max,平均应力
m,应力振幅
a,应力振程
r,它们
之间的关系如下:
m
(
max
min)/2
(3-4)
a
(
max
min)/2
(3-5)
r
2a
maxmi
(3-6)
3.2.1.4应力集中系数
对于抽油泵而言,大部分零件的危险断面在螺纹上,推荐按表3-2确定应力集中
系数。
7
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表3-2
螺纹应力集中系数
材料
滚制螺纹
切制螺纹
退火钢(<H
- 配套讲稿:
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