防氣抽油泵設(shè)計(jì)

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1、1490008574 防氣抽油泵設(shè)計(jì) 摘 要：在高氣液比油井中，氣體對(duì)泵效的影響十分嚴(yán)重。這些氣體占據(jù)泵腔的部分體積，會(huì)降低泵腔內(nèi)的充滿度，導(dǎo)致抽油泵閥球開(kāi)啟滯后，甚至出現(xiàn)“氣鎖”現(xiàn)象?！皻怄i”時(shí)還會(huì)發(fā)生“液壓沖擊”，造成有桿抽油系統(tǒng)的振動(dòng)，加速其損壞。結(jié)果造成抽油機(jī)井頻繁作業(yè)，使檢泵周期縮短，開(kāi)發(fā)成本增加。本文介紹的防氣抽油泵采用機(jī)械起動(dòng)和關(guān)閉的標(biāo)槍閥結(jié)構(gòu)，克服了氣鎖現(xiàn)象。 本文首先介紹了國(guó)內(nèi)外抽油泵的發(fā)展現(xiàn)狀，接著論述了防氣抽油泵的工作原理，初步確定了氣液抽油泵的整體結(jié)構(gòu)。然后對(duì)氣液抽油泵的整體結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了泵的外徑和泵筒的長(zhǎng)度。最后對(duì)抽油泵的主要零件，如泵筒

2、、柱塞、泵閥、閥罩等進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算以及校核，并對(duì)抽油泵的排量進(jìn)行了計(jì)算。 通過(guò)本文的研究，對(duì)抽油泵的研制起到一定的促進(jìn)作用。 關(guān)鍵詞：氣鎖；防氣抽油泵；低產(chǎn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 39 Anti-gas pump design Abstract In the well with high gas/oil ratio, the gas has the destructive influence to the pump efficiency. These gases hold partial volumes of pump cavity and reduce the fullne

3、ss in the pump cavity, which will cause the valve ball’s opening lag of sucker rod pumps and will even result in the “gas lock”. The “shock from hydraulic pressure” follows the “gas lock”, which causes the vibration of oil pumping system and accelerates its damage. The result creates the frequent wo

4、rk of oil pumping well, reduces the pump examining cycle and increases the exploiting cost. This a rticle describes the anti-gas pump can overcome the “gas lock” by machinery starting and the closed javelin valve structure. In this paper, it introduces the pump prevented gas-lock development presen

5、t situation , then discussed the graduated design , the working principle of the anti-gas pump , and preliminarily determines the overall structure of the anti-gas pump . Next it designed and calculated the anti-gas pump to the overall structure and dimensions , determined the pump diameter and the

6、length of the pump cylinder . In the end , the main parts , such as pump cylinder , pump plunger , pump valve and valve cover , are designed , calculated and checked for pump , then the output volume is calculated . Eventually , it determines anti-gas pump what they design can prevent effectively g

7、as- lock and work normally . Their are some certain effects though study of this paper in promote the develop of the oil pump. Key words: gas lock; anti-gas pump; low production; Structure desig 目 錄 1 緒論 1 1.1 國(guó)內(nèi)外抽油泵發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.1.1 國(guó)外抽油泵發(fā)展及介紹 1 1.1.2 國(guó)內(nèi)抽油泵發(fā)展及介紹 3 1.2 國(guó)內(nèi)外抽油泵優(yōu)缺點(diǎn)介紹

8、 5 1.2.1 國(guó)外抽油泵生產(chǎn)大國(guó)所生產(chǎn)的抽油泵特點(diǎn) 5 1.2.2 國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的抽油泵類(lèi)型比較 6 1.3 研究意義 6 1.4 課題研究?jī)?nèi)容 7 1.5 創(chuàng)新點(diǎn) 7 1.6 研究進(jìn)度 8 2 氣液抽油泵的結(jié)構(gòu)及工作原理 9 2.1 防氣抽油泵的基本結(jié)構(gòu) 9 2.2 防氣抽油泵工作原理 9 3 防氣抽油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1 抽油泵總體尺寸計(jì)算 11 3.1.1 油管直徑與泵徑的匹配 11 3.1.2 抽油桿規(guī)格與泵徑的匹配 11 3.1.3 抽油泵最大外徑 11 3.1.4 抽油泵長(zhǎng)度 12 3.2 抽油泵主要零件的設(shè)計(jì)與

9、計(jì)算 12 3.2.1 古德曼圖 12 3.2.2 泵筒的設(shè)計(jì)與計(jì)算 17 3.2.3 柱塞的設(shè)計(jì)與計(jì)算 27 3.2.4 泵閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算 28 3.2.5 閥罩的設(shè)計(jì)與計(jì)算 32 3.3 泵的排量計(jì)算 35 4. 結(jié) 論 36 5. 參考文獻(xiàn) 37 6. 致 謝 39 1 緒論 1.1 國(guó)內(nèi)外抽油泵發(fā)展現(xiàn)狀 有桿抽油泵由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、操作簡(jiǎn)便、維修容易，仍然是美國(guó)和俄羅斯等國(guó)的主要機(jī)械采油設(shè)備。目前全世界約有75%的油井是用有桿泵開(kāi)采的,有桿泵是有桿抽油裝置的最關(guān)鍵部分，它應(yīng)用抽油桿的垂直運(yùn)動(dòng)或鋼纜帶動(dòng)井下柱塞泵工作。 1.1

10、.1 國(guó)外抽油泵發(fā)展及介紹 國(guó)外石油機(jī)械制造商投入了大量的人力和物力來(lái)推動(dòng)有桿泵采油的技術(shù)進(jìn)步和提高其采油的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)先后研制成功了一系列新型有桿抽油泵,即,雙管泵和多相泵等抽稠泵;抗沖蝕泵、自旋轉(zhuǎn)柱塞泵、防砂防氣泵和旋流柱塞抽油泵等防砂泵及連續(xù)油管抽油泵、下沖程有桿泵和帶收集柱塞抽油泵等高效抽油泵。 （1） 防氣泵 美國(guó)Harbison Fischer公司研制了一種可在氣鎖情況下使用的新型有桿泵,其泵筒上部為逐漸增大的錐形。當(dāng)柱塞上行接近上死點(diǎn)進(jìn)入該錐形區(qū)后,泵的漏失量增加。其結(jié)果可均衡柱塞和游動(dòng)閥上下的壓力,在柱塞下行時(shí)泵筒內(nèi)可立即達(dá)到高壓,使游動(dòng)閥強(qiáng)制打開(kāi),這就可從根本上

11、消除泵氣鎖,使其在產(chǎn)氣量大的油井上正常使用。 礦場(chǎng)示功圖測(cè)試表明,采用該種新型防氣泵抽油,光桿的最小載荷增大,抽油桿柱的諧振減小,泵上桿柱承受的壓縮載荷降低。由此可見(jiàn),采用它可從根本上消除泵氣鎖,縮小桿柱的應(yīng)力范圍。還可消除泵的氣、液擊,減輕泵的桿管磨損,保證氣量大井正常生產(chǎn)。 （2） 防氣防砂泵 美國(guó)CDI動(dòng)力裝置公司研制了一種防氣防砂泵,其撈砂工具安裝在兩節(jié)泵筒之間,在每個(gè)沖程中柱塞都要通過(guò)它上下,其沖程和柱塞的長(zhǎng)度決定了泵筒的長(zhǎng)度和工具的位置。與目前的刮砂柱塞和高壓縮閥罩相比,其防砂效果是最好的。在泵的下沖程,柱塞在完全通過(guò)撈砂工具之前,泵內(nèi)氣體被截留在柱塞和工具之間,這時(shí)油管內(nèi)

12、的井液可向下進(jìn)入工具,氣體就可排入其中。上沖程柱塞通過(guò)工具時(shí),保留在其中的井液向下充滿泵筒下方,這就進(jìn)一步減少了其中的氣體,減輕泵的液擊和氣鎖。它的下井成功率很高,目前已在美國(guó)一些油田的嚴(yán)重出砂井和產(chǎn)氣量大井上應(yīng)用,均獲得了成功。 （3） PSZ陶瓷抽油泵閥 美國(guó)Nilcra陶瓷公司研制了PSZ陶瓷抽油泵閥。經(jīng)過(guò)60多口油井實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：平均檢泵周期延長(zhǎng)4.4倍，每口油井修理費(fèi)用減少13640美元，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。 （4） 下沖程有桿泵 美國(guó)Skilman 泵公司研制的一種下沖程有桿泵，其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是即使在下死點(diǎn)，油管內(nèi)的泵塞仍長(zhǎng)于泵筒，并且光桿直徑與泵柱塞相同。目前它已被

13、制成管式泵和桿式泵，使用它可以均衡上下沖程時(shí)舉升的井液載荷和出油管線壓力，從而可降低桿柱的反向應(yīng)力。在上沖程時(shí)，游動(dòng)閥關(guān)閉，井液充滿柱塞下方的泵筒，桿柱就舉升等于桿柱直徑的液柱，同時(shí)油管內(nèi)又增加了光桿和柱塞的體積，而油管內(nèi)的容積不變，因此桿柱不承受井口回壓；在下沖程時(shí)，柱塞和光桿下行，使油管內(nèi)容積變化，就可將游動(dòng)閥和固定閥之間的井液排入油管，這時(shí)光桿進(jìn)入油管內(nèi)滯留井液的增壓作用可將這一部分井液排出地表，并且井液排出的壓力由桿柱質(zhì)量提供，可進(jìn)一步降低下沖程時(shí)的輸入功率和桿柱的反向應(yīng)力。礦場(chǎng)使用結(jié)果表明，它具有最大和最小載荷相等、功率需求和電力消耗低、桿柱故障少、油井免修期長(zhǎng)、可抗砂和其他固體相磨

14、損的優(yōu)點(diǎn)。 （5） 抽稠泵 ①雙管泵：美國(guó)Multh泵液面控制公司開(kāi)發(fā)了一種雙管泵,是由一根其中下入抽油桿的動(dòng)力液管柱和一根生產(chǎn)管柱組成的雙管柱。它有一個(gè)裝在抽油桿上的由磨光桿、密封部件和液流轉(zhuǎn)換頭組成的轉(zhuǎn)換裝置,可使液流沿生產(chǎn)管柱上行,而這時(shí)的動(dòng)力液管柱是被水、稀油或煤油充滿。因它抽吸的稠油不從桿管間排出,可減少稠油沿桿管環(huán)空運(yùn)動(dòng)的摩擦力。此外其轉(zhuǎn)換裝置上還裝有一個(gè)固定環(huán)形閥,可防止井液中的砂礫進(jìn)入泵內(nèi)造成砂卡。其柱塞上方的環(huán)形單流閥還可消除氣鎖。如將其轉(zhuǎn)換裝置改為旁通管,即可由泵入口注入稀釋劑,以抽吸特高粘原油。 目前采用該種雙管泵已可使注蒸汽熱采井增產(chǎn)原油,使早先有桿柱斷脫的冷

15、采井在最高產(chǎn)量下生產(chǎn),并可抽吸特高粘原油。礦場(chǎng)使用結(jié)果表明,該種雙管泵不僅可高效地抽吸稠油,防止泵砂卡和氣鎖,還可大幅度降低光桿負(fù)荷。其結(jié)果可降低抽油電耗和油井維護(hù)成本,大幅度延長(zhǎng)油井免修期。 ②多相泵：美國(guó)Quinn泵公司新近開(kāi)發(fā)了一種多相泵。它是專(zhuān)為抽吸泡沫/含氣液和稠油設(shè)計(jì)的。該種多相泵取消了常規(guī)泵的固定閥和罩,可降低井液進(jìn)泵阻力,增加入泵流量和完全消除泵的氣鎖,并可抽吸含砂乳化液和稠油。其游動(dòng)閥總成位于柱塞頂部,剛性密封環(huán)和固定閥位于泵筒上方,這樣就可在泵入口產(chǎn)生噴嘴效應(yīng),使井液在上沖程時(shí)快速進(jìn)泵。另外,用合成材料制造的固定閥托架上還裝有橡膠刮子和密封環(huán),可有效地密封閥桿和防止抽油時(shí)

16、閥桿遇卡。泵在下沖程時(shí),固定閥首先關(guān)閉,柱塞繼續(xù)下行游動(dòng)閥開(kāi)啟,井液進(jìn)入柱塞上部的泵筒;上沖程時(shí),游動(dòng)閥關(guān)閉,泵筒內(nèi)所有井液可由打開(kāi)的固定閥托架進(jìn)入油管,并被抽吸到地表。 （6） 旋流柱塞抽油泵 美國(guó)Eagle技術(shù)革新公司研制了一種可直接安裝在常規(guī)柱塞上方的旋流柱塞,生產(chǎn)了一種旋流柱塞有桿泵。它可使產(chǎn)液中的砂、砂礫、硫化鐵和其它微?？焖偻ㄟ^(guò)泵總成,防止它們聚集在泵筒與柱塞之間。常規(guī)泵的柱塞與泵筒之間允許井液通過(guò),其污物就會(huì)在其中聚積。柱塞在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)就會(huì)被快速磨損,特別是會(huì)在柱塞和泵筒表面產(chǎn)生劃痕。另外由此產(chǎn)生的摩擦力,還會(huì)造成抽油機(jī)自動(dòng)停機(jī)和桿柱斷裂。該種旋流柱塞有桿泵,可在下行時(shí)強(qiáng)制

17、攜帶柱塞與泵筒之間聚集的機(jī)雜物,使其通過(guò)排出孔進(jìn)入柱塞中心,在其中與其他井液混合入泵,再被排入油管。在泵的整個(gè)上行期間,機(jī)雜物均被收集在該種新型柱塞上部的錐形腔內(nèi);在泵下行時(shí),它們就會(huì)被向上沖洗,通過(guò)錐形腔的三翼形內(nèi)表面進(jìn)入油管。與此同時(shí),安裝在該種新型柱塞內(nèi)的軸向帶孔葉片,還可使井液-機(jī)雜物不停地旋轉(zhuǎn)。其結(jié)果可使柱塞和泵筒均勻磨損,延長(zhǎng)其使用壽命。 （7） 抗沖蝕泵 美國(guó)Quinn泵公司開(kāi)發(fā)了一種抗沖蝕泵,由插入式導(dǎo)向罩、鈦硬質(zhì)合金球/座和頂部控制總成3部分組成。它采用雙層鍍鉻或聚合物柱塞密封,可有效地防止地層微粒和壓裂砂進(jìn)入泵的柱塞泵筒內(nèi)。礦場(chǎng)實(shí)際使用結(jié)果表明,采用它可有效地防止泵磨

18、損、砂卡和漏失,從而可大幅度延長(zhǎng)抽油泵在出砂井中的使用壽命和油井免修期,降低油井維護(hù)成本。 （8） 自旋轉(zhuǎn)柱塞泵 美國(guó)研制了一種自旋轉(zhuǎn)柱塞抽油泵,其泵體與柱塞之間為剛性連接,并且其泵體外表面還加工有可經(jīng)由通道與其內(nèi)腔連通的螺旋槽。在下沖程時(shí),井內(nèi)原油可通過(guò)上沖程時(shí)被堵住的孔進(jìn)入柱塞,再由柱塞內(nèi)通道進(jìn)入泵體,最后再經(jīng)由通道進(jìn)入螺旋槽。這樣一來(lái),油流的上行分速度就可反過(guò)來(lái)作用于螺旋槽上緣,對(duì)泵體產(chǎn)生一個(gè)扭矩,在該扭矩的作用下,泵體和柱塞就可順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),這時(shí)因抽油桿柱是通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭與泵體連接的,柱塞就可在泵筒內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng),柱塞在每一下沖程的順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),就可使其外圓均勻磨損,并可清除柱塞與泵筒之間

19、的積砂。采用該種自旋轉(zhuǎn)柱塞泵,已使美國(guó)加里福尼亞中部的一個(gè)油田的嚴(yán)重出砂油井的維護(hù)費(fèi)用下降了37%,油井小修次數(shù)下降了51%,修泵費(fèi)用減少了48%。由此可見(jiàn),它適用于嚴(yán)重出砂井,采用它可降低采油成本,縮短油井停產(chǎn)時(shí)間,延長(zhǎng)油井免修期,并可使“死井”變“活”,增產(chǎn)原油。 1.1.2 國(guó)內(nèi)抽油泵發(fā)展及介紹 我國(guó)的抽油泵的品種，質(zhì)量，水平已經(jīng)接近國(guó)際水平，研制出的常規(guī)整筒泵大量出口，為適應(yīng)多種油井條件的需要，國(guó)內(nèi)在生產(chǎn)常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)抽油泵的同時(shí)，又研制了許多特殊類(lèi)型的抽油泵，如防砂抽油泵，防氣斜井抽油泵，液力反饋抽油泵，防垢抽油泵以及應(yīng)用于稠油井的抽油泵等多種特種泵。 （1）勝利油田根據(jù)需要研制開(kāi)

20、發(fā)了多種抽稠泵、管式防砂泵、防腐耐磨泵、帶余隙調(diào)零功能的閥式防氣泵和排氣抽油泵、分層開(kāi)采用的串聯(lián)泵和分抽混出泵、大排量雙作用和三作用泵，以及油氣分采泵。開(kāi)發(fā)了用于深井、斜井、定向井、叢式井以及水平井等的過(guò)橋式和機(jī)械啟閉式抽油泵。另外勝利油田也已小批量生產(chǎn)CYB70/燕GLY和cyB83/3.3GY型長(zhǎng)泵筒無(wú)襯套金屬柱塞抽油泵。 （2）吐哈油田有桿泵防氣技術(shù)自1999年起在油田試驗(yàn)，2001年開(kāi)始規(guī)模應(yīng)用，截至2003年5月，已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用326井次，平均提高泵效12.2%，單井增油1.42噸／日，應(yīng)用效果顯著。 （3）中原油田采油工藝研究所設(shè)計(jì)的ZY57-I型防氣抽油泵，防氣抽油泵采用了無(wú)襯

21、套，整泵筒長(zhǎng)沖程和軟硬結(jié)合的短活塞結(jié)構(gòu)，特別是采用了承載閥，放氣孔，標(biāo)槍閥組成的排氣、防氣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了有氣時(shí)可排氣，有油時(shí)可排油，完全可以代替普通抽油泵抽油，特別適用于各油田氣油比高的抽油機(jī)井，其泵效比普通泵效提高了１５％以上，并具有起下泵、檢泵作業(yè)簡(jiǎn)便，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。 （4）如江漢油田研制了長(zhǎng)沖程泵，泵總長(zhǎng)8.5m，內(nèi)徑70mm，外徑90mm，采用軟活塞配整體泵筒結(jié)構(gòu).與華北油田Bn型增距式抽油機(jī)配套使用，平均泵效達(dá)91%。 （5）采油工藝研究院機(jī)械采油所研制了防砂抽油泵。目前國(guó)內(nèi)用于抽油開(kāi)采特別是粘度較高稠油開(kāi)采的抽油泵主要存在以下問(wèn)題：常規(guī)泵的固定凡爾在一般稠油條件下不能正常工作，特

22、別是在特稠油和超稠油條件下關(guān)閉遲緩或不能關(guān)閉，這樣抽油泵的泵況就遭到破壞；當(dāng)抽油泵遇到含砂油井時(shí)會(huì)導(dǎo)致砂卡。因此目前常規(guī)泵不能很好的適應(yīng)稠油開(kāi)采特別是超稠油開(kāi)采的需要。 為了解決稠油開(kāi)采中上述問(wèn)題，采油工藝研究院機(jī)械采油所科研人員在2005年初開(kāi)始對(duì)短柱塞、低摩阻、防砂抽油泵進(jìn)行前期調(diào)研工作。在調(diào)研的過(guò)程中了解到國(guó)內(nèi)外同類(lèi)抽油泵的技術(shù)發(fā)展情況：抽油泵大多只是針對(duì)性的解決開(kāi)采中一種問(wèn)題。針對(duì)這種情況，采研院科研人員下決心研制一種較全面的短柱塞、低摩阻、防砂稠油泵，以解決稠油開(kāi)采特別是超稠油開(kāi)采遇到的生產(chǎn)問(wèn)題。 這個(gè)院項(xiàng)目組確定新型抽油泵的設(shè)計(jì)方案后，科研人員在結(jié)構(gòu)上大膽的采用了短柱塞結(jié)構(gòu)，同

23、時(shí)應(yīng)用重閥球結(jié)構(gòu)解決稠油泵工作中閥關(guān)閉不及時(shí)的問(wèn)題，應(yīng)用大的固定閥結(jié)構(gòu)減少稠油入阻力，設(shè)計(jì)了合理的環(huán)形及螺旋防砂結(jié)構(gòu)，使該泵具有較好的防砂卡功能。 （6）玉門(mén)石油機(jī)械廠已小批量生產(chǎn)CYB70/1.8~SGZY長(zhǎng)筒泵。還給遼河油田生產(chǎn)了CYB57/6GZY長(zhǎng)筒稠油泵。在長(zhǎng)泵筒制造工藝方面，玉門(mén)石油機(jī)械廠近幾年搞出了兩種整體泵筒制造工藝，即大泵筒內(nèi)壁鍍鉻和中型泵筒內(nèi)壁輝光離子氮化。 從總體上看，目前國(guó)內(nèi)外抽油泵發(fā)展趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)新型泵，研制防砂，防氣等特殊泵并提高其關(guān)鍵件耐久性與可靠性，以適應(yīng)特殊油井條件及適應(yīng)油井不同采液量的需要。 1.2 國(guó)內(nèi)外抽油泵優(yōu)缺點(diǎn)介紹 1.2.1 國(guó)外抽油泵生

24、產(chǎn)大國(guó)所生產(chǎn)的抽油泵特點(diǎn) 世界上生產(chǎn)抽油泵的國(guó)家主要有美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、加拿大和羅馬尼亞等。 （1）美國(guó) 美國(guó)有桿抽油泵的特點(diǎn)是:標(biāo)淮泵泵筒長(zhǎng)筒化、整體化、零件規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化、制造工藝及材質(zhì)上的多樣化。因此可用不同材質(zhì)、不同制造工藝和各種零件規(guī)格型式組配的泵達(dá)幾千種，使用單位可根據(jù)各種井液及油井不同開(kāi)采階段選用所需的抽油泵。在有桿抽油泵中，標(biāo)準(zhǔn)型泵的數(shù)量占90%，其結(jié)構(gòu)型式以桿式泵為主，管式泵為輔。標(biāo)準(zhǔn)型桿式泵共有9種結(jié)構(gòu)型式，38種基本泵徑，管式泵只有兩種結(jié)構(gòu)型式，6種基本泵徑，其中金屬柱塞和軟密封柱塞各8種。美國(guó)為滿足不同油井采油工藝要求，設(shè)計(jì)制造了非標(biāo)準(zhǔn)異型泵. ①大排量雙作用泵，

25、其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是串聯(lián)兩個(gè)柱塞，中間密封，形成兩個(gè)腔室，比相應(yīng)的桿式泵提高排量70%左右，比相同泵徑的標(biāo)準(zhǔn)管式泵排量還高; ②不用油管而直接固定在套管壁上的套管泵，是靠一個(gè)既起封隔作用又起懸掛作用的井壁封隔器，使用時(shí)只要順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)抽油桿就能把泵固定在井壁的任意位置，上提時(shí)不轉(zhuǎn)動(dòng); ③稠油轉(zhuǎn)流泵，其上部裝有密封旁流裝置，使被抽的稠油排出泵以后從油管和套管的環(huán)形空間流到井口，油管中則為輕質(zhì)油，可減少抽油桿上下運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力; ④液力反沖泵，其結(jié)構(gòu)采用兩個(gè)柱塞，游動(dòng)閥和固定閥均裝在運(yùn)動(dòng)部件上，下沖程時(shí)上游動(dòng)閥關(guān)閉，從而借用油管液柱壓力推動(dòng)下沖程; ⑤雙級(jí)防“氣鎖”泵，是利用兩個(gè)定筒式桿式泵串聯(lián)成一

26、個(gè)泵，形成上低壓腔和下高壓腔，類(lèi)似兩級(jí)壓縮機(jī)的工作機(jī)構(gòu); ⑥重負(fù)荷全沖程抽油泵，其結(jié)構(gòu)是在厚壁筒兩端增加一短節(jié)，使柱寒在上、下沖程時(shí)能越過(guò)泵筒，端面，因而工作中具有把雜質(zhì)排除在泵筒之外的自潔作用，并使泵筒全長(zhǎng)均勻磨損。同時(shí)，短節(jié)臺(tái)肩面能密封泵筒端頭螺紋，以防腐蝕性井液侵入。美國(guó)現(xiàn)有三種泵筒:一是普通整體泵筒，用鋼、鑄鐵或抗腐蝕合金制成.高碳鋼泵筒內(nèi)孔淬火硬度為HRC54~57;鑄鐵泵筒內(nèi)孔鍍鉻，鍍層厚度為0.0762mm;合金鋼泵筒內(nèi)孔氮化處理，蒙乃爾合金加鍍鉻工藝的泵筒硬度高達(dá)HRC80，適用于嚴(yán)重磨蝕和嚴(yán)重硫化氫與二氧化碳腐蝕同時(shí)出現(xiàn)的油井.普通泵筒的長(zhǎng)度有13種(從1.219m到7.3

27、2m).厚壁泵筒壁厚為6.475mm，薄壁泵筒壁厚為3.3mm。二是單襯套泵筒，即鋼外套內(nèi)裝一個(gè)鑄鐵或抗腐蝕合金的整體襯套，長(zhǎng)度與普通泵筒一樣。三為多節(jié)襯套泵筒，雖然美國(guó)規(guī)范取消了這種泵筒，而實(shí)際上仍在生產(chǎn)(每節(jié)襯套長(zhǎng)300mm)，這樣可以利用長(zhǎng)度不大的特種材料制造耐磨性高的泵筒，如離心澆鑄的高硬度鑄鐵襯套，晶粒均勻致密，使用效果較好，成本也低。 （2）俄羅斯 俄羅斯的抽油泵在9種標(biāo)準(zhǔn)泵型中，有兩種定為整體泵筒. 俄羅斯研制了一種具有液力保護(hù)往塞副的無(wú)油管抽油泵，該泵直接支承在套管封隔器上，柱塞在機(jī)油內(nèi)工作，通過(guò)一個(gè)特殊橡膠隔膜泵裝置抽送原油. 俄羅斯為防止短節(jié)襯套泵的襯套措位和襯套間液流

28、串通，在襯套與外管間注入一種塑料，使襯套與外管合一，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，修理困難。俄羅斯近年研制了自封式注塞，這種往塞能隨柱塞副的磨損自動(dòng)補(bǔ)償，消除間隙.蘇聯(lián)軟往塞的密封環(huán)采用246C號(hào)橡膠，扯斷強(qiáng)度ZOokgf/cm“，TM一2硬度90以上.為提高桿式泵柱塞的耐磨性，在柱塞工作表面預(yù)先滾壓菱形網(wǎng)紋槽，以利于及時(shí)排除沉積在柱塞環(huán)形間隙中的微細(xì)砂粒及機(jī)械雜質(zhì)，從而減輕對(duì)柱塞的腐蝕。 1.2.2 國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的抽油泵類(lèi)型比較 本設(shè)計(jì)主要涉及管式防氣抽油泵的設(shè)計(jì)，故重點(diǎn)介紹管式抽油泵類(lèi)型的比較。 （1）斜井泵 優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)定向井井斜角60正常工作，保持較高泵效。 （2）多功能長(zhǎng)柱塞抽油 優(yōu)點(diǎn)：

29、實(shí)現(xiàn)注采功能，可實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱完成注汽、轉(zhuǎn)抽。具有一定的防砂功能。注汽孔可充當(dāng)泄油器，避免上提管柱原油污染井場(chǎng)?？蓪?shí)現(xiàn)定向井井斜角60正常工作。 （3）液壓反饋抽稠泵 優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)注采功能，可實(shí)現(xiàn)不動(dòng)管柱完成注汽、轉(zhuǎn)抽。增加泵下行力，克服泵上桿柱因?yàn)橛统碓斐傻南滦欣щy。 （4）防氣泵 優(yōu)點(diǎn)：周期排氣式抽油泵是常規(guī)管式泵的泵筒中間部分設(shè)計(jì)了一個(gè)氣體儲(chǔ)存腔室，不增加其他任何結(jié)構(gòu)及作業(yè)程序，即可在抽油機(jī)帶動(dòng)柱塞上下抽吸的工程中，通過(guò)此氣體儲(chǔ)存腔室，周期性的把泵筒內(nèi)的氣體排出泵外，達(dá)到防氣的目的，從而提高泵效，使采油效率得到提高，能有效減少“氣鎖”發(fā)生的可能性。 （5）短柱塞防砂泵 優(yōu)點(diǎn)：短

30、柱塞結(jié)構(gòu)和采用大配合間隙減小泵的柱塞下行阻力；合理的防砂結(jié)構(gòu)，有效解決含砂井的卡砂問(wèn)題; 大的通道結(jié)構(gòu)降低泵閥進(jìn)油阻力；防砂結(jié)構(gòu)對(duì)短柱塞進(jìn)行扶正，有效的解決采用短柱塞而引起地偏磨問(wèn)題；采用加重閥球結(jié)構(gòu)，有效的避免稠油開(kāi)采閥球關(guān)閉不及時(shí)問(wèn)題。 （6）軟柱塞抽油泵 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)泵筒柱塞“零”間隙，泵效較高； 具有防砂結(jié)構(gòu)，具有一定的防砂卡功能 1.3 研究意義 現(xiàn)有技術(shù)中的抽油泵的種類(lèi)很多，目前我國(guó)通用的是SYB型管式抽油泵，這種泵的缸套絕大部分是由長(zhǎng)度150mm或300mm的金屬襯套疊加裝配起來(lái)的。其閥球結(jié)構(gòu)均采用鋼球閥球，其中下部有一個(gè)固定閥球，活塞上有兩個(gè)浮動(dòng)的游動(dòng)的閥球?；钊统橛?/p>

31、桿是剛性連接。但在氣油比較高的生產(chǎn)井中，由于氣體的可壓縮性的影響，往往造成游動(dòng)閥球遲后打開(kāi)或打不開(kāi)，嚴(yán)重的可造成氣鎖，使泵抽空或嚴(yán)重地影響泵的效率，直接影響井的產(chǎn)量。 在油田開(kāi)采中后期的油井或動(dòng)液面低的油井，特別是高氣液比的油井，氣體是影響抽油泵泵效的主要因素之一。含氣油井中的抽油泵閥球一般都會(huì)開(kāi)啟滯后，當(dāng)在泵腔內(nèi)的氣體所占據(jù)的體積足夠大時(shí)，不但下沖程時(shí)游動(dòng)閥打不開(kāi)，甚至上沖程時(shí)承載閥也有可能打不開(kāi)。整個(gè)上、下沖程中只是腔內(nèi)氣體在膨脹和壓縮，而沒(méi)有液體舉升，此時(shí)抽油泵出現(xiàn)“氣鎖”現(xiàn)象，無(wú)法正常工作。氣鎖時(shí)還常發(fā)生“液壓沖擊”，造成有桿抽油泵的振動(dòng)，并加速損壞。因此在含氣抽油井中，需要使用具有

32、防氣鎖和提高泵效的特種結(jié)構(gòu)抽油泵 我國(guó)自1958年以來(lái)，大量使用有桿泵采油，但是，由于可供使用的有桿泵品種少，規(guī)格不全，泵效低，檢泵周期短，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，適應(yīng)性能差，因而不能滿足油田開(kāi)發(fā)的需要。泵效低是因井深、地質(zhì)情況復(fù)雜， 地層滲透率低， 油氣比高使泵產(chǎn)生“氣鎖” 等因素所致。為了消除原油中氣體影響， 提高泵效， 增加單井產(chǎn)量，井下防氣抽油泵的研究具有重要意義。 1.4 課題研究?jī)?nèi)容 本論文設(shè)計(jì)需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題就是防氣抽油泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整個(gè)抽油泵的結(jié)構(gòu)合理，并能夠相應(yīng)地降低能耗。 （1）進(jìn)行中、外文資料檢索和必要的調(diào)研，完成外文資料翻譯； （2）主要認(rèn)真查閱、收集相關(guān)資料，深

33、刻理解論文所要設(shè)計(jì)的內(nèi)容,完成開(kāi)題報(bào)告； （3）了解防氣抽油泵的意義及功能介紹； （4）掌握防氣抽油泵的工作原理，分析其優(yōu)越性； （5）設(shè)計(jì)防氣抽油泵機(jī)械結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行參數(shù)計(jì)算及性能校核； （6）繪制防氣抽油泵裝配圖，設(shè)計(jì)圖紙為零號(hào)圖紙一張； 1.5 創(chuàng)新點(diǎn) （1）采用了無(wú)襯套，整泵筒長(zhǎng)沖程和軟硬結(jié)合的短活塞結(jié)構(gòu)。不存在亂缸套問(wèn)題，克服了因 錯(cuò)亂缸套而造成的井下作業(yè)。 （2）本防氣抽油泵采用了機(jī)械起動(dòng)和關(guān)閉的標(biāo)槍閥結(jié)構(gòu)，在上沖程時(shí)提前關(guān)閉，下沖程時(shí)提前打開(kāi)。只要抽油桿一動(dòng)標(biāo)槍閥就會(huì)動(dòng)作，這樣克服了由于氣體影響使浮動(dòng)閥球打不開(kāi)而造成的氣鎖現(xiàn)象。 （3）本防氣抽油泵的活塞采用了軟硬

34、結(jié)合的活塞體，它具有軟柱塞和硬柱塞的共性，密封性能好，沒(méi)有漏失量。同時(shí)采用了浮動(dòng)活塞結(jié)構(gòu)，抽油桿與活塞體沒(méi)有剛性連接，因此可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可以減少因扭矩增大使抽油桿變形和斷脫，提高了抽油桿的壽命，降低了采油成本。 （4）本防氣抽油泵采用了放氣裝置，使液柱中的砂粒沉淀于泵筒之外，減少了泵內(nèi)磨損，提高了使用壽命，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了防氣排氣，克服了氣鎖現(xiàn)象。 1.6 研究進(jìn)度 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間為2011年2月23日至2011年6月6日，結(jié)合導(dǎo)師的要求和自身的實(shí)際情況，決定以下設(shè)計(jì)進(jìn)度： 第一階段： 1周- 3周 熟悉論文題目，進(jìn)行中、外文資料檢索和必要的調(diào)研，收集資料，完成開(kāi)題報(bào)告和外文資料翻譯；

35、 第二階段： 4周-10周 推導(dǎo)各性能參數(shù)的計(jì)算公式及其它參數(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方 程，設(shè)計(jì)防氣抽油泵結(jié)構(gòu)及各零部件結(jié)構(gòu)； 第三階段： 11周-14周 繪制圖紙，撰寫(xiě)論文； 第四階段： 15周-16周準(zhǔn)備答辯。 2 氣液抽油泵的結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1 防氣抽油泵的基本結(jié)構(gòu) 原理如圖2-1所示 圖2-1 防氣抽油泵結(jié)構(gòu)示意圖 2.2 防氣抽油泵工作原理 防氣抽油泵與常規(guī)抽油泵相比較，其結(jié)構(gòu)上有以下幾個(gè)特點(diǎn)： （1）柱塞出油閥為一標(biāo)槍形的錐形閥（標(biāo)槍閥），所以此閥的開(kāi)啟不是靠壓差，

36、而是 依靠抽油桿的上下機(jī)械移動(dòng)來(lái)完成。標(biāo)槍閥與柱塞為浮動(dòng)連接，在軸向允許有15mm的相對(duì)運(yùn)動(dòng)距離，徑向彼此可以相對(duì)旋轉(zhuǎn)。上下拉桿接頭處各鉆一個(gè)放氣孔，拉桿中心有一通孔，使上下放氣孔連通。 （2）泵筒出油閥為一環(huán)形閥，環(huán)形閥中心開(kāi)一小孔，與拉桿滑動(dòng)配合。 （3）柱塞較短，一般為0.5m左右。上段為硬柱塞，下段為軟柱塞，提高了密封性能，增加了與泵筒的摩擦力 上沖程：在上沖程開(kāi)始之前，承載閥和進(jìn)油閥在壓差作用下，處于關(guān)閉狀態(tài)。標(biāo)槍閥隨抽油桿上行15mm提前關(guān)閉，再帶動(dòng)柱塞向上運(yùn)動(dòng)。此時(shí)下腔室內(nèi)壓力迅速降低，當(dāng)壓力低于泵的入口壓力時(shí)，進(jìn)油閥打開(kāi)而進(jìn)油。與此同時(shí)，上腔室內(nèi)壓力逐漸升高，當(dāng)其高于油

37、管內(nèi)的液柱壓力時(shí)，承載閥就被打開(kāi)而排油。在上沖程過(guò)程中，如果泵筒內(nèi)充滿氣體，也不影響泵的正常工作， 因?yàn)榉罋鈽?biāo)槍閥隨抽油桿上下動(dòng)作， 根本不存在由于氣體影響而造成標(biāo)槍閥滯后打開(kāi)或打不開(kāi)的可能性。當(dāng)泵筒內(nèi)上下腔室充滿氣體時(shí)，由于氣體的膨脹，壓縮性很大，因此在上沖程過(guò)程中，上腔室內(nèi)的壓力有可能低于液柱壓力，造成承載閥滯后打開(kāi)或根本打不開(kāi)的可能性。但是這種泵設(shè)計(jì)有放氣孔裝置。當(dāng)活塞接近上死點(diǎn)時(shí)或離開(kāi)上死點(diǎn)之前，放氣孔把液柱與泵筒內(nèi)上腔室連通。這時(shí)上腔室內(nèi)是低壓區(qū)，而液柱是高壓區(qū)，由于壓差的作用，高壓液體迅速通過(guò)放氣孔占據(jù)上腔室內(nèi)的氣體空間，上腔室的氣體被驅(qū)入液柱內(nèi)，通過(guò)放氣孔訊速完成液體和氣體相互交

38、替的過(guò)程。這樣可避免由于氣體的影響，造成承載閥延遲打開(kāi)或打不開(kāi)(即發(fā)生氣鎖)的可能性。 下沖程：承載閥和進(jìn)油閥在壓差作用下，在整個(gè)下沖程中處于關(guān)閉狀態(tài)。下沖程開(kāi)始時(shí)，標(biāo)槍閥首先下行l(wèi)5mm，提前打開(kāi)，使上下腔室連通，然后推動(dòng)活塞繼續(xù)下行，使下腔室內(nèi)的油、氣很容易進(jìn)入上腔室。當(dāng)活塞接近下死點(diǎn)時(shí)，或離開(kāi)下死點(diǎn)前，放氣孔又使液柱和上腔室連通，完成液氣交替過(guò)程。 3 防氣抽油泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 抽油泵總體尺寸計(jì)算 3.1.1 油管直徑與泵徑的匹配 管式抽油泵要與油管連接，故油管直徑必須與抽油泵的泵型相匹配。 （1） 同一種泵型同一種規(guī)格的抽油泵可以與一種規(guī)格或

39、者兩種規(guī)格的油管相匹配，其目的是在空間允許的范圍下提供較大的選擇余地。 （2）管式泵油管內(nèi)徑必須大于桿式泵最大外徑，反映為油管尺寸代號(hào)比泵徑尺寸代號(hào)前兩位數(shù)值要大。但有一部分（如30-325TH等）油管尺寸代號(hào)反而小于泵徑尺寸代號(hào)的前兩位數(shù)值，說(shuō)明此時(shí)柱塞直徑大于油管內(nèi)徑，柱塞必須事先放在泵筒內(nèi)，用脫節(jié)器與抽油桿連接。 3.1.2 抽油桿規(guī)格與泵徑的匹配 與抽油泵連接的第一根抽油桿規(guī)格已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，其推薦的規(guī)格見(jiàn)表3-1 表3-1 泵徑與抽油桿規(guī)格的匹配 尺寸 15-125 25-150 25-175 25-225 30-275

40、 30-325 35-375 泵徑（mm） 31.75 38.10 44.45 57.15 69.85 82.55 95.25 抽油桿 規(guī) 格 CYG13 (1/2) CYG16 (5/8) CYG19 (3/4) CYG19 (3/4) CYG22 (7/8) CYG22 (7/8) CYG25 (1) 3.1.3 抽油泵最大外徑 管式泵最大外徑受到套管內(nèi)徑的限制，我國(guó)常用的是140（）套管，壁厚最厚的一種內(nèi)徑為117.7mm,與它匹配的抽油泵最大外徑應(yīng)控制在小于116mm，有時(shí)因作業(yè)需要應(yīng)留出更

41、大的空隙，像70真空測(cè)試泵，為了在套管與抽油泵之間窄小的環(huán)形空間內(nèi)下儀器測(cè)試，最大外徑不得大于90mm。有時(shí)為了在小套管中下大泵，不得不采用一些輔助機(jī)構(gòu)（如脫節(jié)器等），但是這樣做，不僅增加作業(yè)難度，而且對(duì)工作的可靠性帶來(lái)一定影響。 但本設(shè)計(jì)采用了無(wú)襯套，整泵筒長(zhǎng)沖程和軟硬結(jié)合的短活塞結(jié)構(gòu)。不存在亂缸套問(wèn)題，克服了因 錯(cuò)亂缸套而造成的井下作業(yè)。 3.1.4 抽油泵長(zhǎng)度 抽油泵長(zhǎng)度主要取決于泵筒長(zhǎng)度，它與沖程長(zhǎng)度有關(guān)，具體的說(shuō)是柱塞長(zhǎng)度、沖程長(zhǎng)度、防沖距和加長(zhǎng)短節(jié)長(zhǎng)度等決定。 推薦柱塞長(zhǎng)度和防沖距按表3-2選擇。 表3-2 推薦柱塞長(zhǎng)度和防沖距 下泵深度 900 1200

42、1500 1800 2100 2400 2700 3000 3300 柱塞長(zhǎng)度 0.6 0.9 1.2 1.2 1.2 1.2 1.5 1.5 1.8 防沖距 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.9 0.9 0.9 本防氣抽油泵的活塞采用了軟硬結(jié)合的活塞體，其特征在于活塞體的上部為硬柱塞體，下部為多個(gè)軟活塞環(huán)所組成，其長(zhǎng)度為0.5m,軟活塞環(huán)為尼龍材料。 3.2 抽油泵主要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 因各種零件的結(jié)構(gòu)、作用和工況不同，設(shè)計(jì)計(jì)算的內(nèi)容也有區(qū)別。泵筒、柱塞等零件側(cè)重于強(qiáng)度、剛度的計(jì)算，而閥球、閥座、閥罩等零件則側(cè)

43、重與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。 3.2.1 古德曼圖 石油機(jī)械疲勞強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，經(jīng)常利用古德曼圖（圖3-1），它是一張極限應(yīng)力圖。抽油泵是一種往復(fù)泵，各種零件所受應(yīng)力為交變應(yīng)力，可借用古德曼圖進(jìn)行計(jì)算。 3.2.1.1 古德曼圖介紹 金屬材料用古德曼圖 ，其橫坐標(biāo)是交變應(yīng)力的平均應(yīng)力，縱坐標(biāo)是最大應(yīng)力和最小應(yīng)力。一張完全的古德曼圖是最大應(yīng)力和最小應(yīng)力凸八邊形構(gòu)成的封閉圖形。工作在封閉圖形范圍內(nèi)的零件其壽命可達(dá)到次循環(huán)以上，是安全的。 從圖中可知，只要有關(guān)材料性質(zhì)的三個(gè)數(shù)據(jù)抗拉強(qiáng)度極限、屈服極限和實(shí)際耐久極限確定以后，不難作出古德曼圖。只要幾種零件的、和Ⅰ相同，可以共用一張古德曼圖。 3.2.

44、1.2 實(shí)際耐久極限 試件在周期應(yīng)力作用下，不發(fā)生循環(huán)破壞（循環(huán)破壞次數(shù)達(dá)到次）的最大應(yīng)力稱(chēng)為耐久極限。耐久極限是通過(guò)表面光滑直徑5-7mm圓柱形試件，在轉(zhuǎn)桿壽命試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)獲得的。大量試驗(yàn)證明：對(duì)于黑色金屬和和部分有色金屬，耐久極限與材料抗力強(qiáng)度存在一定關(guān)系，并于加載方式有關(guān)，即： （3-1） =0.5673=318.5MPa 式中 ：—耐久極限，MPa； —材料強(qiáng)度極限，MPa； —加載方式系數(shù)，彎曲: 軸向拉壓: 扭轉(zhuǎn)： 。 實(shí)際使用的零件與試樣有差異，工況與試驗(yàn)條件也不盡

45、相同，應(yīng)將耐久極限根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，使之能適應(yīng)實(shí)際情況，調(diào)整后的數(shù)據(jù)稱(chēng)為實(shí)際耐久極限。影響實(shí)際耐久極限的因素主要有偏載情況、直徑大小、工件表面質(zhì)量和介質(zhì)性質(zhì)等。 圖3-1 古德曼圖 （l） 偏載系數(shù) 軸向拉壓，因偏心而產(chǎn)生不確定的彎曲，將影響實(shí)際耐久極限。對(duì)于抽油泵零件而言可取偏載系數(shù)。 （2） 直徑系數(shù) 抽油泵泵筒可?。? （3）工件表面系數(shù)： 工件表面粗糙度對(duì)耐久極限有較大的影響，而且材料強(qiáng)度極限越大，影響越明顯。抽油泵零件表面大部分經(jīng)過(guò)機(jī)械加工，故推薦表面系數(shù)為： （3-2）

46、 （4）腐蝕情況系數(shù) 有腐蝕介質(zhì)存在，將使實(shí)際耐久極限下降，一般取～，腐蝕情況越嚴(yán)重，系數(shù)越小，無(wú)腐蝕。 取=0.9 （5）實(shí)際耐久極限 綜合比較，實(shí)際耐久極限為: （3-3） = MPa 3.2.1.3 交變應(yīng)力 最小應(yīng)力min，最大應(yīng)力max，平均應(yīng)力m，應(yīng)力振幅a，應(yīng)力振程r ，它們之間的關(guān)系如下： （3-4）

47、 MPa （3-5） MPa （3-6） MPa 3.2.1.4 應(yīng)力集中系數(shù) 應(yīng)力集中對(duì)耐久極限有很大的影響，應(yīng)力集中系數(shù)的大小可以參考有關(guān)書(shū)籍取用。對(duì)于抽油泵而言，大部分

48、零件的危險(xiǎn)斷面在螺紋上，推薦按表3-2確定應(yīng)力集中系數(shù)。由抽油泵泵筒材料選擇則=3.0。有應(yīng)力集中存在時(shí)，可以看作應(yīng)力相應(yīng)增加了倍，仍可應(yīng)用古德曼圖，此時(shí)計(jì)算應(yīng)力比實(shí)際應(yīng)力增大倍。 表3-3 螺紋應(yīng)力集中系數(shù) 材料 滾制螺紋 切制螺紋 退火鋼（＜HB200） 2.2 2.8 淬火冷拔鋼（＞HB200） 3.0 3.8 3.2.1.5 古德曼圖解析法 用圖解法比較麻煩，也不便于使用微機(jī)處理，推薦使用解析法。解析法的關(guān)鍵是如何用計(jì)算法求得與相應(yīng)的允許最大應(yīng)力振程。為此把古德曼圖分成四個(gè)區(qū)（見(jiàn)圖3-1），由于古德曼圖已將極限應(yīng)力曲線簡(jiǎn)化成為折線，故不難求得諸直線的

49、方程及交點(diǎn)的坐標(biāo)。從而求得與相應(yīng)的。各區(qū)對(duì)應(yīng)的平均應(yīng)力的范圍，允許最大、最小應(yīng)力和最大振程等的計(jì)算式列于表4-5。 ① 應(yīng)力極限 最大應(yīng)力極限 ==353MPa （3-7） 最小應(yīng)力極限 = -= -353MPa （3-8） 各區(qū)分界處平均應(yīng)力 （3-9） 261.8MPa

50、 （3-10） 154.791353 198.209 MPa ② 安全系數(shù) 根據(jù)考慮應(yīng)力集中后的平均應(yīng)力來(lái)確定所用古德曼圖的區(qū)間，并由相應(yīng)的計(jì)算式求出允許最大應(yīng)力振程，則安全系數(shù)n為 （3-11） Ⅰ區(qū)間 （3-12）

51、 MPa 則 （3-13） 401.548/83.592 4.80 Ⅱ區(qū)間 （3-14）

52、 MPa 則 （3-15） 235.6/83.592 2.8 Ⅲ區(qū)間 （3-16） MPa 則

53、 （3-17） =3.70 Ⅳ區(qū)間 （3-18） MPa 則 （3-19）

54、 3.2.2 泵筒的設(shè)計(jì)與計(jì)算 圖3-2 泵筒結(jié)構(gòu)圖 泵筒是抽油泵的主要零件，柱塞在其內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，抽汲油液，它又是固定閥、泵筒接箍等零件的支持件。泵筒是加工難度最大的零件，價(jià)值約占整筒泵總價(jià)的60%左右。 3.2.2.1 對(duì)泵筒的性能要求 （1）泵筒與柱塞形成一運(yùn)動(dòng)副，要保證柱塞轉(zhuǎn)動(dòng)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)靈活無(wú)阻卡，且磨損均勻； （2）保證泵筒與柱塞之間有足夠的密封能力； （3）要有足夠的強(qiáng)度、剛度和疲勞強(qiáng)度，能適應(yīng)深抽需要； （4）要有較好的耐磨性； （5）要有較好的抗腐蝕能力。 3.2.2.2 泵筒的材料 從井下介質(zhì)情況看，主要存在固體顆粒和腐蝕性物質(zhì)，不同井中

55、固體顆粒大小、含量和腐蝕性物質(zhì)的化學(xué)成分、濃度都有變化，應(yīng)根據(jù)不同介質(zhì)選擇相應(yīng)的泵筒材料。為了更好地發(fā)揮材料的使用性能，還應(yīng)該與采用的工藝結(jié)合起來(lái)，以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益。 制造泵筒的材料主要有碳鋼、合金鋼、不銹鋼和有色金屬。往往因受到泵筒毛坯供應(yīng)情況的限制，最常用的是碳鋼和合金鋼。 制造泵筒用的毛坯是緊密鋼管，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有生產(chǎn)?？梢苑譃閮深?lèi)：一是直縫焊接、芯軸拉拔的精密鋼管，這種毛坯壁厚均勻，彎曲較小，殘余應(yīng)力較小，易于加工；二是冷拔、冷軋無(wú)縫管，這種毛坯尺寸精度高，表面質(zhì)量好，可以有效控制加工余量，但壁厚不太均勻，殘余應(yīng)力相對(duì)較大。制造組合泵缸套一般用普通無(wú)縫鋼管。 泵筒磨擦表面強(qiáng)化工

56、藝主要有碳氮共滲（或滲碳）、氮化和鍍鉻等，國(guó)內(nèi)還在進(jìn)行鍍鎳、鍍碳化鎢合金、激光淬火等工藝試驗(yàn)，均有成功的報(bào)道。 綜合考慮 選擇泵筒材料為45號(hào)鋼鍍鉻。 制造泵筒的毛坯是精密鋼管（冷拔、冷軋無(wú)縫管）。這種毛坯尺寸精度高，表面質(zhì)量好，可以有效的控制加工余量。 泵筒摩擦表面強(qiáng)化工藝主要有碳氮共滲（或滲碳），氮化和鍍鉻等。本設(shè)計(jì)采用鍍鉻。各種泵筒材料與工藝對(duì)井下介質(zhì)的適應(yīng)能力，對(duì)于常用幾種工藝滲（鍍）層厚度及硬度推薦數(shù)值見(jiàn)下表3-4: 表3-4 泵筒滲（鍍）層厚度及硬度 表面處理方法 滲（鍍）層厚度 （mm） 表面硬度 （HRC） 心部硬度 （HB） 鍍鉻 66～

57、72 207～240 滲碳或者 滲氮共滲 58～66 氮化 HV856～1307 3.2.2.3 泵筒的技術(shù)要求 （1）內(nèi)徑制造偏差為mm。 （2）形位偏差 泵筒全長(zhǎng)內(nèi)內(nèi)徑變動(dòng)量要求控制在制造公差內(nèi)，即最大為0.05mm。 內(nèi)孔圓柱度用綜合測(cè)量，基本尺寸為D的泵筒，用的綜合量規(guī)檢查時(shí)應(yīng)能通過(guò)。 內(nèi)孔表面粗糙度不大于Ra0.4。 3.2.2.4 泵筒強(qiáng)度計(jì)算 （1）泵筒分類(lèi) ①按泵筒壁厚可分為薄壁筒、中厚壁筒、厚壁筒和超厚壁筒。API規(guī)范中，薄壁筒壁厚3.175mm，厚壁筒6.35mm，中厚壁筒和超厚壁筒的壁厚由生產(chǎn)廠自定，一般中厚壁筒壁厚4.763

58、mm，超厚壁筒8 ~12mm。本次設(shè)計(jì)中選用的泵筒壁厚為6.35mm。 ②按泵筒兩端螺紋結(jié)構(gòu)可分為外螺紋和內(nèi)螺紋兩種，本次設(shè)計(jì)采用外螺紋。 ③按受力方式可分為擠扁和復(fù)合抗力兩種。對(duì)于管式泵（TH、TP）受復(fù)合抗力。 （2）危險(xiǎn)工況、危險(xiǎn)部位和危險(xiǎn)斷面 對(duì)于管式泵而言，無(wú)論上行程或是下行程均為危險(xiǎn)工況，上行程時(shí)泵筒危險(xiǎn)部位在柱塞上方，而下行程時(shí)泵筒在全長(zhǎng)均為危險(xiǎn)部位。如圖（3-3）所示 泵筒危險(xiǎn)斷面兩端螺紋處。推薦螺紋處計(jì)算直徑為： （3-20）

59、 mm 式中 —— 螺紋處計(jì)算直徑，mm; —— 螺紋螺紋大徑，mm； —— 螺距，mm。 圖3-3 抽油泵受力分析 螺紋危險(xiǎn)斷面處，承載面積計(jì)算如下： 外螺紋泵筒（用于厚壁筒、中厚壁筒） ; （3-21） 因此 =44mm =54.76mm 危險(xiǎn)斷面承載面積： （3-22）

60、 式中 —— 危險(xiǎn)斷面承載面積，mm2； —— 計(jì)算內(nèi)經(jīng)，mm； —— 計(jì)算外徑，mm。 （3）載荷分析 ①筒內(nèi)、外壓力 筒內(nèi)、外壓力是由井液造成的，其計(jì)算式為 （3-23） 式中 —— 筒內(nèi)、外壓力，MPa； —— 井液密度，kg／m3，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可取=103 kg／m3； —— 下泵深度，m，要求1500 m； —— 井口回壓，M Pa，依實(shí)際情況確定，一般取 = 1.5～5 MPa，計(jì)算時(shí)可取 = 2 MPa，故有

61、 （3-24） = 21.6 MPa ②附加軸向載荷 把由筒內(nèi)壓力造成軸向載荷以外的軸向載荷稱(chēng)為附加軸向載荷，它包括泵筒組自重、尾管重量、井液浮力及柱塞和泵筒之間的摩擦力。因泵筒組自重占軸向載荷的比例不大，可忽略不計(jì)；為安全起見(jiàn)，井液浮力不予考慮。故附加軸向載荷及應(yīng)力為 (3-25) （3-26） 式中 —— 附加軸向載荷，N； —— 附加軸向載荷

62、應(yīng)力，MPa； W —— 尾管重量，kg，在下泵2000m時(shí)，允許掛尾管重量3135 kg； —— 柱塞與泵筒之間的摩擦力，N，井液粘度不大，摩擦力可以忽略不計(jì)故設(shè)計(jì)時(shí)按 = 0考慮。 （4）應(yīng)力分析 從泵筒上取一應(yīng)力元（如圖3-4），它受三向應(yīng)力，危險(xiǎn)點(diǎn)在泵筒內(nèi)徑處。 圖3-4 泵筒應(yīng)力分析圖 （3-27） =

63、21.6 MPa （3-28） （3-29） =64.58MPa MPa （3-30） （3-31） MPa （5）許用應(yīng)力的計(jì)算 泵筒一般用塑性材料制造，

64、推薦許用應(yīng)力為 （3-32） 式中 —— 許用應(yīng)力，MPa； ———— 材料屈服極限，MPa，45# 碳素結(jié)構(gòu)鋼為353MPa； n —— 安全系數(shù)，n = 1.2 ～ 1.6，一般管式泵可取n = 1.4 。 [] = 353 / 1.4 （3-33） = 252.14 MPa

65、 即252.14MPa67.5 MPa 故滿足強(qiáng)度要求。 （6）最大下泵深度 = （3-34） =6223m 式中 （3-35） 因?yàn)?223m＞2000m,所以滿足條件 （7）允許掛尾管重量：

66、 （3-36） 故滿足條件 3.2.2.5 泵筒疲勞強(qiáng)度計(jì)算 （1）交變應(yīng)力 泵筒軸向載荷為（應(yīng)力為），最大軸向應(yīng)力是筒內(nèi)壓力形成的軸向應(yīng)力與最小軸向應(yīng)力之和，考慮應(yīng)力集中系數(shù)，故交變應(yīng)力為 （3-37） =1.29 （3-38） =110.43MPa （3-39） MPa