活塞式抽油泵的初步设计

　　设计计算活塞式抽油泵的初步设计蔡世民‘牛全宇隋子玉臧春燕（吉林油田公司采油工艺研究院）李光沙丽王玉超（吉林油田公司第三采油厂）（吉林油田公司新北采油厂）及由于油层出砂引起泵体严重损坏和卡泵等事故，在汽车气缸活塞密封结构的启发下，初步设计出靠活塞环组密封的新型活塞式抽油泵。这种泵由泵筒和活塞两部分构成，但所需配套泵倚的长度可大大缩短。活塞外表面开有活塞槽，槽内配合有截面呈直角三角形的弹性钢质内外活塞环组。

　　外活塞环的上端面上有4个凸起块，并采用特殊的开口结构，可在保证密封性的同时自由调节其外径；两活塞环在下冲程时提供进液通道，上冲程时起密封作用。活塞式抽油泵与传统抽油系相比，进泵流体流动阻力小，效率高，特别适用于稠油的举升。

　　主题词活塞式抽油泵结构设计特点目前，国内外各大油田广泛应用的柱塞式抽油泵，在使用过程中常常发生因柱塞、阀等严重磨损造成的漏失现象，以及由于油层出砂引起泵体严重损坏和卡泵等事故。这不但加大了井下维修作业的工作量，而且影响了油井的正常生产。因此，迫切需要开发出一种新式抽油泵。

　　汽车发动机中的活塞W与柱塞式抽油泵中的柱塞工作方式极为相似，抽油泵柱塞除工作环境比汽车活塞恶劣外，其余各项参数均较宽松，尚且目前汽车发动机的活塞环密封技术已相当成熟。为了使抽油泵适应气、液、固三相共存的工作环境，对柱塞式抽油泵柱塞的结构进行了改造，初步设计出靠活塞环组密封的活塞式抽油泵。

　　结构及工作原理活塞式抽油泵由泵筒和活塞两部分构成。其结构示意图见。活塞的外侧面开有矩形沟槽，即活塞槽，活塞槽内配装截面为直角三角形的弹性钢质内外活塞环组，两活塞环截面的底角a相等。

　　在不受力的情况下，内环内径小于活塞槽的直径，外环外径大于栗筒内径。

　　活塞式抽油泵结构示意-活塞；2?外活塞环；3-内活塞环；4-泵筒活塞环采用开口结构，这种结构的活塞环在保证密封性的同时，可自由调整其外径，接口处为斜端面，以便于排出进人其中的砂粒，使活塞环不至于丧失收缩功能。装配活塞环组时，首先将内活塞环过盈配合在活塞槽中，然后将外活塞环间隙配合在内活塞环的外面。外活塞环主要有上端面、内侧面和外侧面三个面。在它的上端面有4个凸起块，外侧面有一矩形槽，主要起防砂作用，可容纳进人活塞环-菜筒间隙的砂子，减少砂子划伤泵筒和卡泵，延长泵的使用寿命。两个活塞环在下冲程提供进液通道，而在上冲程起密封作用，将油流举升至井口。外活塞环的外形见。目前，活塞式抽油泵还处在结构设计阶段，下一步准备进行室内结构模拟试验，然后再进行现场试验，终推广应用。

　　上冲程在上冲程过程中，外活塞环主要受4个力作用（如所示）：上端面受上覆液体的压力P、内侧面受内活塞环的支持力7V、外侧面受泵筒的挤压力F及摩擦力/.由于JVsina得出A泵挂泵挂深度，m；S??外活塞环上端面面积，m2；a??活塞环底角，（°）；k?-外活塞环与栗筒间的摩擦系数。

　　当活塞在抽油杆的拉力作用下向上运行时，外活塞环受到上覆流体的压力P和向下摩擦力/的共同作用。为了平衡这两个向下的力，内活塞环给外活塞环以支持力W的作用，这个力分解的一个水平向外的分力（AT sincO使外活塞环与栗筒间的摩擦力/进一步加大，从而使活塞环所受向下的合力（P+/）加大，反过来，又使其所受支持力W加大，同时导致其水平向外的分力（iVsina）进一步加大，终使得活塞与活塞环之间达到非常紧密的密封。，以适应不同类型的井。如易出砂井，就可使用配合a较小的活塞环组的泵进行开采，以延长泵的使用寿命。

　　外活塞环上冲程受力分析下冲程当活塞上冲程结束后开始转人下冲程时，由于外活塞环与栗筒间存在摩擦，外活塞环会保持瞬时静止。当活塞下行至外活塞环上端面4个突起块后，外活塞环就在活塞的推动下向下运动，泵下的流体会沿着两活塞环间的缝隙，以及活塞和外活塞环凸起块周围的空隙进人栗筒，直至下冲程结束，然后转入上冲程，将流体举升至井口。下冲程工作简图如所示。因为活塞式抽油泵采用环形进液通道，孔道截面积大，当通道径向尺寸为3mm时，其小面积可达282mm2，相当于半径为9.5mm圆孔的面积。与传统的抽油泵相比，进泵的流体流动阻力小，效率高，特别适用于稠油的举升。

　　体密度为95kg/m3，菜径44mm，摩擦系数ft为0.02，外活塞环内径30mm，外活塞环上端面面积S为8.13xlO?V2；代人，当泵漏失严重需检泵作业时，只需更换活塞环即可。因此，采用活塞式抽油栗可节约大量作业和维修费用。

　　制造成本低活塞式抽油泵的密封段只有活塞环部分，比原来的长柱塞短，在相同冲程情况下，泵筒长度也可相应缩短。此外，省去游动阀，避免了间隙引起漏失、阀打开滞后等不良现象的发生，而且简化了柱塞结构，因而可大大降低生产成本。

　　适用于高含气、稠油及出砂油气层的开采活塞式抽油泵进人下冲程便可进液，没有滞后现象，同时也避免了传统抽油泵气锁现象的发生。

　　活塞式抽油栗采用的是环形进液通道，比传统抽油泵的进液通道大，进液效率篼，特别适用于稠油开采。活塞式抽油泵的密封段较传统抽油泵大大缩短，且有防砂槽，减小了砂卡的可能性，可在出砂井中安全使用。

　　活塞环密封组合可系列化针对不同类型的井，可选用不同底角a的活塞环组合系列，以实现不同的密封效果，满足生产的需要。

　　改造成本低可在原有泵筒的基础上，将传统抽油泵柱塞改成成本低廉的活塞-活塞环结构，即改造成活塞式抽油泵。

　　下泵过程中，如何防止活塞式抽油泵活塞环脱落的问题，尚未找到解决办法。

　　为实现与现有泵筒的配合，活塞环材料的优选及配合表面的处理等，需进一步试验研究。

　　为了防止活塞在工作中左右摆动，抽油泵上方的抽油杆需加装扶正器，扶正器的具体加装位置及数量有待试验研究。