付 丽，王 璐，孙美玲，管 琳

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；

2. 辽河油田勘探开发研究院 计算所，辽宁 盘锦 124010； 3. 中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

井下串联抽稠油泵滑阀弹簧参数优化

付 丽1，王 璐1，孙美玲2，管 琳3

（1. 辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；

2. 辽河油田勘探开发研究院 计算所，辽宁 盘锦 124010； 3. 中海石油（中国）有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057）

井下串联抽稠油泵能对粘度高、在井筒中流动阻力大的稠油进行有效举升。该泵在上冲程时从油管掺入降粘液，并吸入地层产出液；在下冲程时将二者混合并通过油套环空举升至地面。分析了滑阀弹簧的受力情况，通过试算的方法对弹簧的材料和几何参数进行设计，并进行强度和稳定性校核。对该泵的在不同情况下工作时的参数设置具有指导作用。

抽稠油泵；弹簧；工作参数

稠油具有粘度高、流动性差的特点，开采的成本和技术要求均较高，这给稠油油藏开发造成了一定的困难[1,2]。有些原油在地层条件下可进入井筒，但在井筒中流动困难，井下串联抽稠油泵能够对其进行有效的降粘开采。泵内滑阀弹簧参数的选择对该泵在生产过程中上、下滑阀能否顺利打开和关闭以及掺降粘液举升稠油是十分重要的，因而是该泵设计的关键环节。

1 井下串联抽稠油泵结构及工作原理

井下掺液抽稠油泵由泵筒总成、柱塞总成和固定阀总成三大部分组成，其中泵筒总成包括上、下泵筒及接头；柱塞总成包括上、下柱塞，上、下滑阀及空心连杆等；固定阀总成包括吸入阀、排出阀等。

抽油泵的工作原理如图1所示。柱塞上行时，由于上柱塞截面积大于下柱塞截面积，中泵腔容积变大压力降低。滑阀在两端压差的作用下打开，掺入的降粘液从上泵腔进入中泵腔内。同时，进油阀在泵筒内外压差作用下打开，吸入稠油，出油阀复位关闭。柱塞下行时，中泵腔体积减小，压力迅速增大，上滑阀关闭，下滑阀在两端压差作用下打开，掺入液进入下泵腔，与稠油在此混合，最终由出油阀排出，通过油套环空流向地面。

2 弹簧受力分析

为了保证该泵的正常工作，要求在上冲程过程中上滑阀开启，下滑阀关闭；在下冲程过程中上滑阀关闭，下滑阀开启。因此，弹簧应满足的条件为

（1）上冲程

式中：F1′—上滑阀打开时上滑阀弹簧的弹力，N；

F2—下滑阀关闭时下滑阀弹簧的弹力，N；

p1—上泵腔压力，Pa；

p2—中泵腔压力，Pa；

p3—下泵腔压力，Pa；

Ah1—上滑阀截面积，m2；

Ah2—下滑阀截面积，m2。

图1 井下串联抽稠油泵工作原理Fig.1 working principle of down hole pumps in series

（2）下冲程

式中：F1—上滑阀关闭时上滑阀弹簧的弹力，N；

F2′—下滑阀开启时下滑阀弹簧的弹力，N。

3 弹簧的设计

常规的设计方法是通过弹簧的工作载荷及变形量来选择弹簧的类别及材料，再根据国标选择合适的弹簧[3]。从(1)式和(2)式可以知道，该泵的上滑阀弹簧和下滑阀弹簧受力情况类似，未知条件比较多，不能通过常规方法进行设计，而需要通过试算的方法对弹簧进行设计。

图2为利用试算法设计滑阀弹簧的流程，由于弹簧的外径必须小于泵筒的内径，因此从外径入手设计弹簧，之后对结果进行验算。如果不满足泵的工作要求则重新选择弹簧的外径进行设计。所设计的弹簧需要满足以下条件：

①由于弹簧与掺入液和地下产出液等具有一定腐蚀性的流体接触，因而弹簧的材料必须具有一定的防腐蚀能力。

②弹簧的几何参数符合泵腔空间结构限制。需要确定的几何参数主要包括弹簧的自由高度、有效圈数、刚度、螺旋角、展开长度、压并高度、压并时弹簧外径、最小最大工作负荷时的高度等，确定方法可参考文献[3]。

③弹簧所受载荷在泵工作区范围。

④弹簧满足强度及稳定性要求。

图2 滑阀弹簧的设计流程图Fig.2 Flow chart of Slide Valve Spring design

弹簧的强度校核包括疲劳安全强度S1和弹簧的静强度安全系数S2两方面，与许用安全系数[S]的关系应满足

其中，疲劳安全强度和静强度安全系数的计算公式为

式中：τ0—脉动疲劳极限，N/mm2；

τmax—最大循环变应力，N/mm2；

τmin—最小循环变应力，N/mm2；

τs—弹簧扭转屈服极限，N/mm2。

弹簧的稳定性方面，应满足条件：

式中：b—高径比；

H0—弹簧的自由高度，m；

D2—弹簧的中径，m；

bc—临界高径比。

4 计算实例

以玉东 2-50井为例来说明该方法在滑阀弹簧参数优化中的应用。该井的基础数据如表1。

表1 玉东2-50井基础数据Table 1 Data base of YuDong 2-50 well

以滑阀弹簧参数为设计目标，应用本文第2部分和第3部分对基础数据进行分析，得到滑阀弹簧参数，如表2。

5 结 论

（1）滑阀弹簧要保证在上冲程过程中上滑阀开启，下滑阀关闭；在下冲程过程中上滑阀关闭，下滑阀开启，从而使井下串联抽稠油泵能够正常工作。

（2）滑阀弹簧受力的未知因素比较多，不能用常规方法对其进行设计，只能用试算的方法进行设计。

（3）由于弹簧与掺入液和地下产出液等具有一定腐蚀性的流体接触，因而弹簧的材料必须具有一定的防腐蚀能力。

（4）滑阀弹簧的几何参数应符合泵腔空间结构限制，所受载荷应在泵工作区范围，并且满足强度及稳定性要求。

表2 滑阀弹簧设计结果Table 2 Design Results of Slide Valve Spring

［1］张琪.采油工程原理与设计[M].东营：石油大学出版社，2000.

［2］万仁浦.采油工程手册[M].北京：石油工业出版社，2008-08.

［3］成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.

Parameter Optimization of the Spool Spring of Down Hole Pumps in Series

FU Li1，WANG Lu1，SUN Mei-Ling2，GUAN Lin3
（1.College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China;
2. Liaohe Oilfield Exploration and Development Research Institute, Liaoning Panjin, 124010, China;
3. Cnooc (China) Co., LTD. Zhanjiang branch, Guangdong Zhanjiang 524057, China）

By using the down hole pumps in series, heavy oil with high viscosity which can cause high resistance in the well bore can be effectively lifted. Degradable fluid is injected in the pump from oil tube during the process of upstroke; meanwhile the produced fluid would be sucked in. And during the process of down stroke, the degradable fluid and produced fluid would be mixed and lifted up to the ground through casing tubing annulus. In this paper, strength performance of the spool spring was analyzed. The material of the spring and its parameters were designed through trial calculation. Then the intensity and stability of the spring were also checked. All this can provide a guide for parameter setting in different working conditions.

Heavy oil pump; Spring; perational parameter

TE 345

A

1671-0460（2012）05-0536-03

2012-03-28

付丽（1982-），女，辽宁抚顺人，助理实验师，硕士，2009年毕业于辽宁石油化工大学，研究方向：油气储运。E-mail：fuli861820@163.com。