一种新型整筒式短柱塞抽油泵的研制

摘要：本文针对常规筒式泵存在容易造成砂卡，杆柱脱落，定向磨损，寿命短的问题，提出了研制一种新型抽油泵，该泵具备泵效高，使用寿命长，加工简单的特点，通过现场应用，可以提高泵效10%，节约作业成本和维修费用。

关键词：抽油泵 短柱塞 原理 泵效

目前油田各采油厂使用的是常规筒式抽油泵，该泵由接箍，泵筒柱塞体，固定阀组成，其缺陷是采油过程中容易造成砂卡，杆柱脱落，定向磨损，寿命短的特点，常规筒式抽油泵固定阀为整球起落式，其运动方式决定要消耗一定能量用来打开固定阀球，使其始终离开球座，才能使采油液进入泵腔；当柱塞下落使液压增大，而球却不能迅速回落密封，这样使泵筒内的液体有一部分回落井身中，这部分回程损失在每一个冲程中都有，相对来说在一定程度上降低了泵效。为了减少磨损，防止砂卡，提高寿命，增加泵效，开展了一种新型筒式短柱塞抽油泵的研制

1 工作原理

短柱塞抽油泵是在泵筒基本不变的情况下，用组合柱塞代替光滑柱塞，其结构见图1。图中柱塞杆1外套带凹凸形状的橡胶套圈3，橡胶套圈外套一组经过特殊处理的金属密封环2 （也可以用特种材料的非金属密封环）。带凹凸的橡胶套圈是偏心的，并成双对应， 每对展平相对弧度为180/n（n是两个凹凸肩槽数量），金属密封环与橡胶套圈为同一中心的筒状。

组合柱塞密封工作原理如下：当密封环和泵筒需要接触密封时，密封环2与套圈3最厚部分移向缸壁，由于套圈的偏心作用，因此密封环与泵筒可以零间隙密封，这也是提高泵效的关键所在。因为套圈是成对的凹凸形状，工作时每一对以180/n相互错开，所以密封环与泵缸接触不是一条线而是一个面，实现了密封环与缸的内壁全密封接触。

组合柱塞的水力学原理如下：由于套圈的凸肩和凹槽是偏心的，各组密封环面相互紧密接触，并挤压着套圈，这时的密封环是以成对的方式对着另一对密封环在径向平面以一定角度展开，因此在密封环和缸壁之间形成了复杂的曲折间隙，它对液体从高压腔向低压腔流动有很大的阻力，密封间隙里的水力阻力也因流体通过间隙时多次改变流动方向而增加。工作时密封环和缸壁的间隙由于长时间磨

损而增加，此时橡胶套圈的偏心挤压使密封环和缸壁的间隙逐渐减少，达到了自动补偿的目的。这种密封结构既能保证减少井下有杆泵柱塞与缸之间的间隙，同时又能补偿密封面的磨损，因此降低了介质的漏失量，延长了密封环的使用寿命。

为了减少密封环和缸内壁的摩擦阻力，在保证密封环强度的情况下，环的外圆面可以涂一层耐磨、耐腐的材料。

通过试验台和现场试验，此种组合柱塞只有一组进油阀，去掉了出油阀，不但使加工简单、适用，而且减少了阻力，提高了水力效率。根据理论计算和试验结果表明，不同井深所装密封环的数量也不同，但当密封环超过一定数量时，就不再受井深的影响。

当橡胶套圈装在柱塞杆上后，用手工或胎具装上密封环，然后用端部丝扣调节各密封环接触面松紧度，当达到要求时（一般丝扣和调节压环留0.2～ O.5mm距离）用石油胶固死丝扣，使之保持间隙不变，这样既保证了密封环相互接触的松紧度，又保证了柱塞在泵筒中的灵活运行和水力效率。密封环相互接触的松紧度直接影响到环与缸的密封间隙。

2 室内试验

（1）以组合柱塞和普通光滑柱塞同泵缸之间的一定的几何学参数和运动学参数为依据，确定了间隙漏失量及其与压力的关系，从关系图中可以看出，普通光滑柱塞漏失量明显高于组合柱塞。

（2）当组合柱塞压差大于8 MPa时，适当增加偏心环数可保持在原水平上再减少密封漏失。

（3）在正确组装活塞时，组合柱塞对缸壁的摩擦力与环数无关，同时也表明组合柱塞和光滑柱塞的摩擦力都一样，而且与活塞冲数无关。

（4）试验同时得出组合柱塞泵和光滑柱塞泵在相同工作时间内泵排量与时间的关系（见图2）。由于摩擦副的磨损，光滑柱塞泵排量从一开始就随时间而减少，这时产量和电力的损失用画斜线的面积示出，这条曲线性质取决于磨损强度。

对于组合柱塞泵，排量曲线有三个区间，在第一区间由于环与泵缸磨合致使排量增加；在第二区间泵以最高排量工作，这一阶段的持续时间将取决于摩擦副的磨损强度和偏心环的偏心距；当偏心环磨损而且不能挤压到缸壁后开始活塞工作的第三阶段。

3 短柱塞抽油泵的特点

近几年，在充分吸收国外先进技术的基础上，经过国内油田反复试验改进.研制出一种高效、长寿短柱塞抽油泵。该泵的最大特点是：

（1）泵效高。由于特殊的结构原理，柱塞在运行过程中，密封环在弹性套圈作用下可以达到零间隙密封，与常规光滑柱塞相比.可以提高泵效5～ 10倍 ，甚至更高。

（2）使用寿命长。由于弹性套圈的补偿作用，使得密封环在磨损后仍能自动补偿， 与光滑柱塞相比，寿命可以提高l～2倍。

（3）加工简单， 制造容易。此泵柱塞长度只是常规光滑柱塞长度的三分之一至四分之一， 而且外部密封环磨损后，在基体不变的情况下，可以方便拆换，所以加工成本只是普通光滑柱塞的一半。

（4）给旧泵维修开辟了新的途径。当泵筒磨损到0.3～0.5 mm 时， 只要换上相匹配的密封环即可重新使用。

4 经济效益分析

（1）结构简单、尺寸小、加工容易、费用低。短柱塞泵的柱塞只是常规泵柱塞长度的三分之一至四分之一，节省加工成本大约4O ～5O 。

（2）泵效高。通过试验室和现场试验得知，与常规光滑柱塞相比，该泵泵效可以提高10%左右。如年产1 000×l04 t的油田，采用此项技术后可提高产量100×l04 t，其经济效益显著。

（3）使用寿命长。通过试验证明，该泵是常规泵使用寿命的1倍以上，例如某油田计划年用泵1 000台，用此种泵就可以少用500套泵。

（4）旧泵维修费用低。当柱塞和泵筒磨损到一定程度后，满足不了生产使用时，常规泵就得报废换新泵，如要强行修复，其费用很高，而且范围很小。该泵如果柱塞磨损，在其基体不变的情况下，换上加工简单、成本低廉的密封环即可再利用。旧泵的修复成本大约是一台新泵成本的20 左右，如年修复旧泵500台代替新泵，其节省的费用也是非常可观的。

参考文献：

[1]李金霜. 双油层合采抽油泵的设计探讨及应用[J]. 中国校外教育， 2010， （02）

[2]孙宝福，金有海. 影响抽油泵排量因素分析与改进措施探讨[J]. 石油机械， 2007， （10） .

[3]于新哉，王泽香，李永兵. 双作用抽油泵研制与应用[J]. 石油矿场机械， 2009， （04） .