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应用技术 计算抽油泵充满系数的新方法 董世民 Ξ 燕山大学机械工程学院 崔晓华 大庆石油学院机械系 摘要 鉴于常用的计算抽油泵充满系数的公式没有考虑余隙容积内自由气体积的膨胀与压缩 对充满系数的影响,提出了一种计算抽油泵充满系数的新方法。这种方法充分考虑了余隙容积对 充满系数的影响,指出抽油泵的充满系数不仅取决于余隙容积系数与泵吸入口的气液比,而且还 取决于压缩比。在压缩比一定的条件下,抽油泵的充满系数随泵吸入口气液比和余隙容积系数的 增加而降低;在泵吸入口气液比与余隙容积系数一定的条件下,充满系数随压缩比的减小而增 加,即在排出压力一定的条件下,充满系数随沉没压力的增加而增加。 关键词 抽油泵 充满系数 计算方法 余隙容积 问题的提出 众所周知,抽油泵的排量系数不仅是衡量抽油 泵工作性能的数量指标,而且也是评价有杆抽油系 统整体工作性能的数量指标。在影响抽油泵排量系 数的诸多因素中,最主要的是充满系数。目前广泛 采用下式计算充满系数[1 ,2] η充 1-RK / 1 R 1 式中 R 抽油泵吸入口的气液比; K 余隙容积系数。 由上式可见,式中没有考虑余隙容积内自由气 体积的膨胀与压缩对充满系数的影响。为此,笔者 拟根据充满系数的定义,进一步研究抽油泵充满系 数的计算方法。 充满系数的计算公式 图1为抽油泵柱塞在不同冲程位置时,抽油泵 泵筒内的物性分布示意图。 图1 抽油泵泵筒内物性分布示意图 73 2002年 第30卷 第1期 石 油 机 械 CHINA PETROLEUM MACHINERY 董世民,教授,生于1962年, 1983年毕业于大庆石油学院石油矿场机械专业, 1986年毕业于石油大学石油机械工程专业,获硕士学 位, 1998年毕业于西南石油学院机械设计及理论专业,获博士学位。现从事教学和机械采油系统工作理论与节能技术的研究工作。本刊特 约通讯员。地址 066004河北省秦皇岛市。电话 0459 4653256。 收稿日期 2001 - 02 - 22;修改稿收到日期 2001 - 06 - 09 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图1a中抽油泵的余隙容积为V0,行程容积为 Vp;图1b表示抽油泵柱塞上冲程结束时,泵筒内 自由气的体积为Vg,液体体积为Vl;图1c表示下 冲程开始初期,抽油泵固定阀关闭而游动阀打开之 前,泵筒内的自由气被压缩的过程,当泵内压力达 到游动阀的开启压力时,泵筒内的自由气的体积为 Vg-ΔVd;图1d表示柱塞到达下死点时,余隙容 积内自由气的体积为V0g;图1e表示柱塞上冲程 初期,游动阀关闭而固定阀打开之前,余隙容积内 自由气体积膨胀而压力降低的过程,当泵筒内压力 降低到固定阀开启压力时,固定阀打开,此时余隙 容积内自由气的体积膨胀了ΔVs;图1f表示吸入过 程结束时,泵筒内实际吸入的液体体积为Vs,实 际吸入的气体体积为Vg′ 。 由充满系数的定义,可得计算充满系数的一般 表达式为 η充 Vs Vp Vs Vs Vg′ Vs Vg′ Vp 1 1 R 1- ΔVs Vp 2 根据余隙容积内残留自由气的体积变化规律, 便可建立体积ΔVs的计算方法。为便于研究, 笔 者做以下几点假设 1不考虑泵吸入阀与排出阀的水力损失; 2假设泵的吸入压力和排出压力为常数; 3假设油气水三相均匀进泵和均匀排出; 4假设余隙容积内自由气的膨胀和压缩为多 变过程。 当柱塞上冲程结束时,泵筒内油气水混合物的 压力为ps,泵筒内自由气的体积为Vg,如图1b所 示。在柱塞下冲程的固定阀关闭而游动阀打开之 前,泵筒内自由气被压缩增压。当游动阀打开时, 泵筒内油气水混合物的压力为pd,泵筒内自由气 体积为Vg-ΔVd。由气体压缩的多变过程可得此时 泵内自由气的体积Vg-ΔVd为 Vg-ΔVd Vg ps pd 1 n 3 式中 ps 抽油泵的沉没压力, Pa ; pd 抽油泵排出口压力, Pa ; n 多变过程指数,n≈111[2]。 由于假设油气水三相混合物被均匀排出,因此 柱塞到达下死点时,余隙容积内残留气体的体积 V0g可由下式计算 V0g V0 Vl Vg-ΔVd V g-ΔVd 4 当柱塞上冲程运动到固定阀打开瞬时,余隙容 积内残留的高压气体体积由V0g膨胀到V0gΔVs, 则Δ Vs可由下式计算 ΔVs V0g pd ps 1 n -15 由式3、4与5可得 ΔVs KRVp 1 R ps pd 1 n 1- ps pd 1 n 6 将式6代入式 2 , 得到充满系数计算公式 η充 1 1 R 1- KR 1 R ps/ pd 1 n 1- ps/ pd 1 n 7 计算结果与分析 笔者分别根据式1与式7计算了抽油泵 在不同泵吸入口气液比、沉没压力与余隙容积系数 时的充满系数。图2a、b、c、d分别给出了充满系 数随泵吸入口气液比、沉没压力、余隙容积系数与 压缩比pd/ ps的变化规律。图中沉没压力ps 310MPa ,排出压力pd 10MPa ,含水50 ,生产气 油比50 ,泵吸入口气液比R 110 ,余隙容积系数 K 012 ,图中“1”表示目前常用公式的计算结 果,“2”表示笔者所给公式的计算结果。表1列出 了部分参数条件下两种计算公式的对比结果。 图2 充满系数随各因素的变化规律 83 石 油 机 械2002年 第30卷 第1期 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表1 新计算公式与原计算公式充满系数计算结果对比 泵吸入口 气液比 余隙容 积系数 压缩比pd/ ps2压缩比pd/ ps4压缩比pd/ ps6 原公式新公式 相 差 百分数 原公式新公式 相 差 百分数 原公式新公式 相 差 百分数 0140 012016571017012612901657101690541830165710168524110 01401600001688212182016000016667101000160000165628155 016015429016752191600154290164291515601542901627013143 0180 012014667015443141270146670153371215601466701527811158 014013778015331291140137780151182611901377801500124145 016012889015219441640128890148994110101288901472338183 由图2中曲线变化规律与表1计算结果对比, 可得如下结论。 1在压缩比一定的条件下,新公式与目前常 用公式计算结果的差值随泵吸入口气液比的增加而 增加,随余隙容积系数的增加而增加;在泵吸入口 气液比与余隙容积系数一定的条件下,新公式与目 前常用公式计算结果的差值随压缩比pd/ ps的增加 而减小。 2抽油泵的充满系数不仅取决于余隙容积系 数与泵吸入口的气液比,而且还取决于压缩比pd/ ps。在压缩比一定的条件下,抽油泵的充满系数随 泵吸入口气液比的增加而降低,随余隙容积系数的 增加而降低,这与目前的认识是一致的;在泵吸入 口气液比与余隙容积系数一定的条件下,充满系数 随压缩比pd/ ps的减小而增加,即在排出压力一定 的条件下,充满系数随沉没压力的增加而增加。 参 考 文 献 1 万邦烈 1 采油机械的设计计算 1 北京石油工业出版 社, 1988 106～107 2 陈家琅,陈涛平,魏兆胜 1 抽油机井的气液两相流动 1 北京石油工业出版社, 1994 72～73 , 177～178 本文编辑 朱必兰 上接第36页 2注意配套技术的应用。杆式泵的作业相 对管式泵来讲要求精细,因此有必要配置相应的有 杆泵举升工艺优化设计软件,杜绝凭经验设计的现 象。同时,为克服杆、管变形造成的泵效损失,应 配套使用油管锚。实践证明,油管锚的配套使用, 大大提高了杆式泵的使用效果。 3对稠油和载荷大的井,要加大杆式泵的支 承力度。通过实践,使用双卡式杆式泵可以增加杆 式泵的坐封力,从而避免因固定工作筒的限位短节 失效而造成工作筒和柱塞同时运动。 4要加强油管的清洗工作,对含蜡井要增 加清蜡次数,改善清蜡效果。 5下入杆式泵前,应对油管柱进行试漏,图 2是专为下杆式泵井进行试漏的密封器。 6对出砂较严重的井,可以考虑使用动筒式 底部固定的杆式泵。 7优化设计,配备高强度抽油杆。对杆式泵 抽油井,每口井都要用计算机优化杆柱设计,在条 件许可的情况下,选用H级抽油杆,还应利用杆 式泵的多样性,优选泵型、泵径,从而达到提高泵 效,增加产量的目的。 图2 油管柱试漏用密封器 1 阀球; 2 密封器本体; 3 销 钉; 4 阀座; 5 筛管; 6 丝堵 8可对杆式泵的结构稍加修改,增强其适用 性。如去掉工作筒下面连接的筛管护罩,增大油流 通道,减少吸入阻力,提高泵效。 总之,杆式泵在大港油田的应用,已见到显著 效果。笔者认为,各油田若能科学地推广应用杆式 泵,必将取得可观的效益。 本文编辑 李学富 932002年 第30卷 第1期董世民等计算抽油泵充满系数的新方法 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. Subject Concept Terms non - electric - drive drilling rig drilling fluid displacement control apparatus study Sun BaofuNew Century Machinery Manufacturing Company of Dagang Oilfield Group, Tianjin . Application of rod pumps in the southern area of Dagang Oilfield.CPM, 2002 , 301 35～36 , 39 The liquid level of the oil wells in the southern area of Dagang Oilfield descends and the tubing pump having been used for oil recovery must be lowered deeper and deeper year after year. Since 2000 , rod pumps were put into use in this area. Use of the rod pump in 43 wells shows that , the oil productivity of 21 wells was increased , and pumping efficiency in 25 wells was enhanced , and the working conditions of rod pumps in 22 wells were improved. The problems with the application of the rod pump are discussed in the end. Subject Concept Terms rod pump Dagang Oilfield application effect Dong ShiminMechanical Engineering Institute of YanShan University , Qinhuangdao City , Hebei Province , Cui Xiaohua. New for calculating coefficient of fullness of oil well pumps.CPM, 2002 , 301 37～39 A new for calculating the coefficient of fullness of oil well pumps is put forward. This takesfull con2 sideration of the influence of the clearance volume on the coefficient of fullness. It is indicated that the coefficient of full2 ness not only depends on the clearance volume coefficient and the ratio of the gas volume to the liquid volume , but also lies on the compression ratio the ratio of the discharge pressure to the sinking pressure . When the compression ratio is constant , the coefficient of fullness decreases with the increase of gas - fluid volume ratio and the clearance volume coef2 ficient ; while the gas - fluid volume ratio and the clearance volume coefficient is given , the coefficient of fullness increas2 es with the decrease of the compression ratio. Subject Concept Terms oil well pump coefficient of fullness calculating clearance volume Wang HongchaoBaoji Water Pump Factory , Baoji City , Shaanxi Province , Jiang Xihui , Zhang Jichao. Modifi2 cation of water injection pump for pressure upgrading.CPM, 2002 , 301 40～41 The water injection system in Wenmi Oil Production Plant in Tuha Oilfield has been running at excessive pressure , some of the parts of the system were severely worn. Therefore the water injection pump must be modified for pressure up2 grading. The is lessening the diameter of the pump plunger to raise the discharge pressure of the pump. Practice shows that , by using this , without changing the existing other equipment and installations , the system can meet the need of high - pressure water injection. In the light of the problems with the modification , the pump plunger and spacing ring and stuffing are improved. Subject Concept Terms water injection pump pressure upgrading plunger stuffing improvement Zhu Hailin Dept. of Mechanical Engineering , Jiangsu Institute of Petrochemical Technology , Changzhou City , Jiangsu Province , Z ou Min. Features and developing trends of gear pumps for transferring high - viscosity liquids. CPM, 2002 , 301 42～44 The design features and perance of the gear pumps for transferring high - viscosity liquids are analyzed. Its de2 veloping trends are expounded from 6 aspects. And this provides a reference for developing gear pumps suitable to the production conditions of petrochemical industry in China. Subject Concept Terms gear pump design feature perance developing trend 4 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.