刘乾义;郭庆平
【摘 要】The structure and working principle of hydraulic piston pumps is introduced* analysis and calculation of its effective displacement pump and hydraulic motor displacement, and the actual displacement and rated discharge capacity were made. The force balance equation for hydraulic piston pump was established. The P/E values were computed to obtain friction losses, which provided a basis for design and application of hydraulic piston pumps.%介绍了水力活塞泵的结构及工作原理,分析计算了其液马达排量和泵的有效排量、实际排量及额定排量,建立了水力活塞泵力平衡方程,计算得到摩阻损失和P/E值,为水力活塞泵的设计应用提供依据. 5g怎么做【期刊名称】《石油矿场机械》
【年(卷),期】2012(041)007
【总页数】3页(P52-54)
【关键词】水力活塞泵;力平衡;设计计算
【作 者】刘乾义;郭庆平
【作者单位】新疆油田公司采油一厂,新疆克拉玛依834000;渤海钻探井下分公司,河北任丘062552
【正文语种】中 文
【中图分类】TE933.3
水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备，由地面动力泵将动力液增压后经油管或专用通道泵入井下，驱动马达做往复运动，将高压动力液传至井下，驱动油缸和换向阀帮助井下柱塞泵抽油。适用于高气油比、出砂、高凝油、含蜡、稠油井及深井、斜井、水平井。 水力活塞泵有单作用和双作用2种，地面泵都用高压柱塞泵。流程有2种：①开式流程，为单管结构，以低黏度原油为动力液，既能减少管道摩擦阻力，又可降低抽出油的黏度，并与采出液混在一起采出地面；②闭式流程，用轻油或水为动力液，用水时要增添润滑剂和防腐剂，自行循环，不与产出的液体相混，工作过程中只需补充少量工作液。
井下水力活塞泵由液马达和泵通过空心活塞杆相连组成，液马达和泵可以有1个或多个，如图1所示。泵由缸套、柱塞、吸人阀、排出阀及平衡管组成，分为单作用和双作用泵。
高压动力液经管柱注人井中，驱动水力活塞泵上的液马达，使动力液高压势能转变为往复运动的机械能。液马达驱动泵将机械能转变为液体的静压，使流体采出地面。水力活塞泵也存在气锁，由于设计和制造的原因，泵的柱塞不能把泵中流体完全排出，未驱排到的容积称作余隙容积。当吸人流体含游离气时，在泵排出冲程末端，一部分流体会存留在余隙容积中，压力等于泵排出压力。泵柱塞反向运动，余隙容积中的气体膨胀，压力同时降低。压力未降到泵的吸人压力时，吸人阀不会打开，泵的有效冲程长度减少，严重时会使吸人阀打不开，这种现象称作气锁。在原油生产中，为了防止套压过高造成沉没度过低和发生抽油泵“气锁”，普遍采用的方法是套管放气［1－2］。 2.1 液马达排量
液马达处理的流体是动力液，假设为不可压缩液体，液马达实际排量等于动力液流量，液马达有效排量是从液马达排出口排出的动力液流量。液马达效率是液马达有效排量与液马达实际排量之比，它与液马达漏失有关，漏失又与配合间隙、动力液的黏度、磨损情况等纸张打孔机
有关。液马达实际排量应比液马达额定排量小，在20%～80%较合理。因为当液马达实际排量与额定排量相比很小时，马达阀的动作不协调，当液马达实际排量接近额定排量时，液马达使用寿命较短。同样，泵的实际排量也应比泵的额定排量小。
动力液流量即液马达实际排量为
式中，Qn为动力液流量（即马达实际排量），m3／d；Qer为马达额定排量，m3／d；n为液马达（泵）的实际转速，r／min；nmax为液马达（泵）的额定转速，r／min；n／nmax为液马达速度比，可取0.8；ηe为液马达效率，新马达效率高达0.95，磨损后可降到0.8，设计时取0.9。
2.2 泵的排量
2.2.1 有效排量
泵的有效排量是在吸人条件下泵排出地层流体的总体积流量。当地层流体含有气体时，泵在井底的排量与地面的排量不同，因为游离气体要占据一定的体积，液体中的溶解气会使液体的体积比地面体积大，可以采用泵的最大体积效率描述这种影响。泵的最大体积效率
定义为在无漏失条件及地面标准条件下的液体体积与井底吸入条件下的气液总体积之比，它等于油、气、水三相地层体积系数的倒数，即
式中，ηVmax为泵的最大容积效率；Vs、Vd分别为标准条件下液体体积和吸入条件下气液总体积，m3。
如果最大容积效率＜0.5，推荐采用气体排放系统的管柱设计。
2.2.2 实际排量
泵的实际排量是在吸入条件下实际通过泵的地层流体的体积流量。泵的实际排量与泵的漏失和气体干扰有关，液体通过配合间隙会漏失；气体干扰使泵的有效冲程降低或造成间歇气锁，目前不能定量描述这种影响，因此把它归为漏失损失，可以采用漏失效率描述这种影响。泵的漏失效率是泵的有效排量与泵的实际排量之比，新泵的漏失效率在0.9以上，磨损后可降到0.2，设计时泵的漏失效率一般取0.85。
2.2.3 额定排量
泵的额定排量是在吸入条件和泵的额定转速下的实际排量，水力活塞泵应按泵的额定排量进行选择。
泵的额定排量为
式中，Qpr为泵的额定排量，m3／d；ηpint为漏失效率。
3.1 力平衡方程
对开式动力液系统，由于连杆是空心的，在连杆上下两端的压力均为动力液压力，除作用于马达活塞和泵柱塞面积上的压力外，液马达和泵还存在摩阻造成的压力损失。在每个半冲程的始末，运动反向会产生短期的减速和加速，但主要冲程部分为常速，可以忽略惯性力。因此，向上的力等于向下的力。
在下冲程情况下，向下的力为
式中，Fd为向下的力，103 kN；pn、ps为动力液压力和泵吸入压力，MPa；Aer、Aep、App、Apr为液马达连杆、马达活塞、泵柱塞和泵连杆面积，m2。
向上的力为
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式中，Fu为向上的力，103 kN；pd、pfr为泵排出压力和摩阻造成的压力损失，MPa。
由Fd－Fu，求解出动力液压力为
对上冲程的分析得出的结果和式（6）相同。同样，对单作用泵的分析也得出类似的结果，只是面积比不同。
令P／E＝（App－Apr）／（Aep－Aer），则式（6）变为羊毛抛光轮
式中，P／E为泵柱塞与马达活塞面积之比或称压力比。
当P／E＞1时，泵柱塞大于液马达活塞，这种泵适用于浅井；当P／E＜1时，适用于深井。
自动化监测3.2 摩阻损失
水力活塞泵的摩阻损失包括水力摩阻损失和机械摩擦损失2类，水力摩阻损失占绝大部分。
总摩阻损失等于马达摩阻损失和泵的摩阻损失之和，马达摩阻损失占总摩阻损失的75%～80%。水力活塞泵的摩阻损失与运转速度、流体黏度、密度以及游离气体含量等有关。运转速度增加，机械摩擦损失增加，流体流速加快，水力摩阻损失增加；当吸人流体含游离气体时，泵送液体的额定流量减少，摩阻损失也减小。由于马达摩阻损失大，应采用井底条件下动力液黏度和密度计算摩阻损失。
计算摩阻损失的经验公式为
式中，γn为动力液的相对密度；μn为动力液的黏度，mPa·s；C为经验系数。
3.3 初选P／E
P／E值与举升所需的地面泵工作压力有关。假设水力活塞泵在一个全是水的系统中工作，地面泵工作压力为27.58MPa，泵的摩阻损失为3.45 MPa，忽略动力液管和返出管的摩阻，井处于抽空状态，可以导出估计最大P／E值的经验公式为
式中，Lp为下泵深度
在设计时，如果有2台以上的泵满足排量要求，应选择其中P／E值最小、举升能力最大的一台泵。
电子离合器实践表明：水力活塞泵特别适用于深井、定向井和小井眼井，在稠油井和重蜡井中也很有效。水力活塞泵采油的优势主要是动力液可作为添加剂的载体，起到降黏、降凝、防止石蜡沉积等作用。与其他采油工艺相比，有其特定的应用范围，应加强测试手段和计量工艺的研究，完善水力活塞泵采油工况诊断和优化设计系统。随着海洋油田的开发，水力活塞泵的应用有广阔的前景。
【相关文献】
［1］ 韩兵奇，李连峰，高栋梁，等.油井套管气控制装置探讨［J］.石油矿场机械，2011，40（12）：86－88.
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