抽油泵柱塞改进6.docVIP

1 抽油泵柱塞工艺改进 抽油泵是油田井下采油的主要设备，主要由泵筒、柱塞、固定阀和游动阀等组成。柱塞的上游动阀罩是影响抽油泵使用寿命的关键部件，上游动阀罩在柱塞往复运动中既承担着较大的拉力和下行时的压力，又起着关闭和开启阀的作用，同时还是泵内油流进入油管的通道，是整个泵中最容易受到损害的零件。由于阀球在上游动阀罩出油室内频繁磨损和冲击，加上来自管杆柱的交变载荷和高速、高压液流的冲击，导致上游动阀罩疲劳断裂。通常发生在φ32、φ38、φ44 mm小泵径抽油泵的柱塞开口阀罩上，φ57mm以上的抽油泵则很少发生。随着部分低产能区块的开发及油井含水的上升，泵挂深度增加、产出液含水高，柱塞开口阀罩断裂现象时有发生，因泵故障导致躺井的机率大幅上升，不得不引起关注。 图2 柱塞开口阀罩断裂形貌 以常规φ38mm深井泵为例，柱塞上游动阀阀罩是整个抽油管串断??最集中的部位。 图1 柱塞开口阀罩结构图 其原因，一是阀罩上有3个出油槽，承载面积偏小。阀罩的最小承载截面积只有204mm2，仅相当于16mm抽油杆的截面积(201mm2)；二是阀球在阀罩内1a时间要跳动3×106～6×106次，在部分井上游动阀球对阀罩内壁的磨损较严重，削弱了承载能力。整筒泵柱塞开口阀罩结构见图1，该结构符合API SPEC 11AX《抽油泵及其组件规范》，也是美国National oilwell公司技术图纸的设计形状，有三个流道槽、三个连接筋。其断裂部位发生在连接筋的中部，断裂形貌如图2，连接筋内侧有明显的阀球撞击的圆形形状，连接筋被阀球的多次撞击发生了延展变形，使连接筋中部变薄，承载能力下降，在达到一定程度后，发生断裂破坏。 2010—2011年，黄88块维护作业中，柱塞上阀罩断裂6井次，占同期维护作业工作量的11.3%。从断裂处可见柱塞内壁被阀球研磨变薄；发生柱塞断裂的油井均有腐蚀结垢现象。阀罩表面点状及坑状腐蚀属于典型微生物腐蚀特征，同时通过对阀罩表面刮取垢样分析，主要为腐蚀产物为FeS。 1.1受力分析 抽油泵工作过程中，上冲程柱塞开口阀罩内阀球关闭，阀球承受液柱压力；上冲程转换为下冲程时，柱塞下行对泵筒充液腔产生的压力通过阀座孔作用于阀球上的力必须大于阀球承受的液柱压力阀球才能打开，受力分析如图3。在打开瞬间，这个力作用在整个阀球上，使阀球对阀球腔室（阀罩连接筋、球腔顶部位置）产生撞击力，同时对抽油杆柱产生向上的作用力，造成柱塞上部的抽油杆弯曲，产生压应力，这也是造成抽油杆柱下部在承受拉压应力载荷作用下易发生断裂的原因之一。 柱塞开口阀罩结构参数、连接筋的承载面积、抽油杆的承载面积如表1。从表中数据可以看出，柱塞开口阀罩3个连接筋处的承载面积都比φ16mm抽油杆的承载面积大，φ38mm柱塞开口阀罩3个连接筋处的承载面积与φ19 mm抽油杆的承载面积相当，φ44mm柱塞开口阀罩3个连接筋处的承载面积比φ22 mm抽油杆的承载面积大；在现场深井杆柱组合设计时，φ32、φ38mm抽油泵柱塞上部通常与φ16 mm抽油杆连接。 图3中，D1为阀球直径mm；d1为阀座孔径mm;D2为柱塞直径mm；p1为阀球关闭时作用于阀球上的液柱压力，MPa；F1为阀球关闭时作用于阀球上的液柱压力，N，F1=π/4×D12×p1；p2为阀球打开瞬间作用于阀座上的压力，MPa(即泵充液腔压强)；F2为阀球瞬间打开后p2通过阀座孔作用于整个阀球上的力，N，F2=π/4×d12×p2；当F2≥F1时，阀球才能打开；F3为阀球瞬间打开后作用于阀球下部压力与上部压力的压差产生的对阀球的冲击力，N，F3=π/4×D12×(p2-p1)；F4为上冲程转为下冲程后，抽油杆柱推动柱塞下行，使柱塞下部泵腔变为高压腔达到压力p2时，所需的杆住下行力，N，根据作用力与反作用力原理，这个力将反向作用于抽油杆柱上，为抽油杆的轴向压力，F4=π/4×D22×（p2-p1）。 按1000m泵挂深度计算（不考虑沉没度和井口回压），设定作用在阀球上的液柱压力为10MPa；则阀球打开瞬间，作用于阀球上的压力p2、阀球对球腔的撞击力F3、产生压力p2所需的杆柱下行力F4（即作用于抽油杆上的轴向压力）。抽油泵工作情况下受力情况如表2，从表中计算数据可以看出，在1000 m泵挂时，阀球开启瞬间对阀腔的撞击力在1800N以上，随着泵挂的加深，撞击力将更大，而频繁撞击极易造成开口阀罩的损坏；柱塞下行力对杆柱造成的轴向压力在5000N以上，将会造成抽油杆柱下部的弯曲破坏。 表1 连接筋处与抽油杆承载面积对比参数 参数抽油泵抽油杆32mm38mm44mm57mm16mm19mm22mm阀球腔孔径/mm19.9 24.8 29.7 36.3 　　　阀罩外径/mm30.5 37.0