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防气抽油泵的工作原理及基本组成
核心提示: 抽油泵是油田开发过程中的主要设备之一,改善抽油泵的性能可有效地提高油田的原油产量,从而提高油田开发的经济效益。
  抽油泵是油田开发过程中的主要设备之一,改善抽油泵的性能可有效地提高油田的原油产量,从而提高油田开发的经济效益。目前对抽油泵的研制工作大致可分为以下三个方面。 
  (1)基于力学分析,通过对运动条件和受力条件的简化,对泵阀开启和下落过程进行力学描述; 
  (2)根据生产需要以功能设计为原则,在原抽油泵结构基础上进行技术改造,如防砂卡泵和防气抽稠油泵的开发; 
  (3)以研究抽油泵效率及其影响因素为目的进行实验室内的有关测试和观察研究。 
  如大庆石油学院进行的抽油泵能耗测试研究,采用压力传感器和位移传感器测量抽油泵进出口压力历程曲线、阀球压差变化曲线以及示功图、漏失量等。 
  目前,对改善泵性能的最根本的问题——泵内流场还无人涉及。关于泵阀运动规律、泵内结构的合理性论证及其改进等问题解决的关键因素是泵内的流场状态,所以研究泵内流场尤其是混相流流场是改善抽油泵性能的关键所在。随着PIV(粒子成像测速)技术、LDV(激光多普勒液流速度计)技术及超声波技术的日趋成熟,人们可以利用这些先进的流场测试技术在不干扰流场的情况下达到测定的高精度,在加拿大已有使用这些先进技术研究抽油泵流场的实例,但未见有关成果的发表。因此,利用PIV等先进技术对抽油泵内流场进行研究以改进抽油泵的结构是今后发展的大方向。鉴于此,石油大学(北京)海洋工程研究室开展了抽油泵内流场可视化研究,由于这方面尚无先例可循,计划先从试验着手,理论与实践并举。
  抽油泵模拟试验装置设计思路 
  抽油泵在井下的工作介质不是单相的,故对现场工作的抽油泵泵腔内流场的实际测试比较困难。为了节省时间和资金,又能测试一般情况下抽油泵泵腔内流场状况,必须使抽油泵模拟试验装置具有气源和液源,以及可视化研究条件,而且流量可调,还应能对单一液相和气液两相时泵内流场的特点进行可视化观察和记录,因此整个泵腔应是透明的。另外,由于流场变动特性较强,应有相应的数据采集和处理系统。为观察泵冲次对流场的影响,抽油杆动力驱动系统应可调。 
  模拟试验装置结构设计 
  为模拟现场抽油泵的柱塞及光杆的上下往复运动,必须选择合适的动力系统。一种方案是缩小现场抽油泵的地面动力系统,即采取电动机带动的驴头驱动方式。这种方案的缺点是造价昂贵,占地面积大,不适合于实验室用。另一种方案是直接用电动机带动绳索通过滑轮使光杆及柱塞上下运动,但为保证系统平衡需配置平衡重,另外换向微电动机的选择也有困难。以上两种方案都无法模拟泵内进出口压力,也不能调节泵流量。为解决以上问题,笔者采用液压控制系统及气动控制系统来实现动力系统的模拟。液压控制系统主要是实现柱塞的上下往复运动和控制进出口压力,气动控制系统则控制混相流时的进气。同时,液压控制系统又分为两大部分:第一大部分是动力油缸液压系统,它是主要的动力源;第二大部分是抽油泵压力补偿系统,主要是用来控制抽油泵进出口压力并为泵供油。下面分别就这三个部分加以介绍。 
  1.动力油缸液压系统[1] 
  动力油缸液压系统主要由动力油缸、行程开关、二位四通电磁换向阀、溢流阀、油泵和调速阀构成,流程如图1所示。 
1—动力油缸;2—二位四通电磁换向阀;3—调速阀;4—溢流阀;5—油泵;6、7—行程开关 
  工作原理:当动力油泵向动力油缸上端供油时,驱动活塞向下运动,从而带动光杆向下运动,当光杆触动行程开关6时,二位四通电磁换向阀换向,动力油泵开始向动力油缸下端供油,驱动活塞向上运动,从而带动光杆向上运动;当光杆触动行程开关7时,二位四通电磁换向阀再次换向,重新开始下一个冲程。调速阀可以调节活塞运动速度,从而来改变冲次,溢流阀则可调节动力油缸内的压力,改变柱塞驱动力。 
  2.抽油泵压力补偿系统 
  抽油泵压力补偿系统主要由油箱、油泵、顺序阀、蓄能器、抽油泵、压力表、压力油箱和溢流阀组成,流程如图2所示。 
1—油箱;2—油泵;3—顺序阀;4—蓄能器;5—抽油泵;6—压力表;7—压力油箱;8—蓄能器;9—溢流阀 
  工作原理:油泵始终处于工作状态,溢流阀则调节到一定压力,当抽油泵进出口压力超过调节压力时,溢流阀溢流,进口压力降低;当进口压力过低时,油泵向压力油箱注油,从而使进口压力上升至调节压力。两个蓄能器的作用是避免抽油泵进出口压力的剧烈波动,保证抽油泵的进出口压力达到工况要求。 
  3.气动控制系统 
  气动控制系统由气泵、气体流量计、电磁开关、单向阀和行程开关组成,流程如图3所示。 
  1—气泵;2—气体流量计;3—电磁开关;4—单向阀;5—抽油泵;6—行程开关 
  工作原理:当抽油泵做上冲程运动时,电磁开关打开,气体通过单向阀进入抽油泵,当光杆接触到上行程开关时,电磁开关关闭,气路不通,这时抽油泵做下冲程运动。当光杆再次接触下行程开关时,电磁开关打开,气路开通,再次向抽油泵内供气。

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