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1、隔膜式液力抽油泵的设计与分析隔膜式液力抽油泵的设计与分析陈浩王长江 2，裴延波李悦钦倪平平 1（1.西南石油大学石油天然气装备教育部重点，地面液压系统对动力液加压，动力液经油管、泵体中心管进入橡胶囊，在压力 P（中心管内动力液静压与泵压之和）的作用下，橡胶囊逐渐胀开，迫使隔膜泵的进油凡尔关闭、出油凡尔打开，并克服静压力（环形空间内原油产生的静压力）把原油挤入套管内，继而被举升至地面，完成排油过程；如 b 所示：地面液压系统卸压，泵体中心管内只有动力液产生的静压力 Pd、环形空间内亦只有静压力 Py，橡胶囊在碟簧组弹力的作用下逐渐被压缩，动力液回流入中心管。此时，出油凡尔被迫关闭、进油凡尔打开，
2、原油经进油孔流入泵体中，完成吸油过程。地面液压系统交替加卸压，以促使吸排油的交替循环，实现隔膜泵的抽油功能。2 理论排量的分析与计算由以上的工作原理可知，决定隔膜泵排量的主要因素是橡胶囊内腔容量。当地面液压系统加压时，从泵体出油孔排出油的体积矣橡胶囊的总体积；当地面液压系统卸压时，从进油孔吸入油的体积矣橡胶囊收缩的总体积。故而，要计算隔膜泵的理论排量就必须首先确定橡胶囊的排液趋势及橡胶囊的组数。2.1 等效模型的建立学理论求取通孔流速，继而拟合橡胶囊的排液曲线。2.1.1 等效前提条件等效前提条件：组合碟簧的内径为隔膜泵中心管外径（约 20 mm） 、碟簧外径与隔膜泵泵体之间应留有定余量，以满
3、足碟簧形变时的径向延伸，故碟簧外径暂取 45mm.进而可知：碟簧作用在橡胶囊护板上的环形面积为 n（452 -202）/4.在同一平面上，橡胶囊围绕隔膜泵中心管开有 4 个出口，每个出口的尺寸待定。从等效前提条件看，橡胶囊的每个出口所对应的作用力和作用面积为 F/4 与 n /16，具有相同面积的圆的直径约为 20.16mm，此直径与泵体中心 i.nei，因为橡胶囊排液孔排液时的流体速度无法直接 u 求得，故可通过建立碟簧系统的等效模型并由流体力管内径相差甚微，故可在等效模型中等同。2.1.2 等效思路阐释等效思路：动力液通道（泵体中心管）等效为中的 n 管，因通道中始终是充满液体的，且液体量
4、不变，故等效的 n 管中亦充满液体，卸压回流后 n 管中的液体量仍不变，因回流压力迫使 n 管中部分液体溢出。碟簧在工作时有预紧力，其大小等于动力液通道中液体产生的静压强与碟簧受力面积之积，可与中的 n 管等效。另外，承受预紧力的碟簧在脉冲压力下又产生新的变形量和新的弹性应力，此部分弹性应力的 1 /4 即可等效为相应高度的液柱产生的静压力，亦将脉冲压力的 1/4 等效为相应高度液柱产生的静压力，如中的 H 所对应的那段液柱即为等效高度。2.2 等效模型具体参数的计算与排液曲线的拟合等效模型如，由主要技术指标知：I 管液面未下降时，H =375m，2=2500m，两管的内径均为20mm，下部连
5、通管的内径为 5mm、长度为 7mm，管液体为清水且不可压缩，n 管装满液体，且始终不变，t 随时间逐渐下降。这就归结为解决下面两个问题：（1）I 管液面开始下降的瞬间，下部连通孔处的流体速度， （2）I 管液面下降的高度与连通孔流体速度之间的曲线关系，对于问题（1） ，此种形式的出流为孔口非恒定淹没出流，以过孔口中心的水平面为基准面，则能量方=h2I、n 管内流体高度，m；外，2I、n 管液面上的大气压强，Pa；p管内液体密度，kg/m3；g重力加速度，m/s2；I、n 管内流体流速，m/s；hw流体的水头损失，m.由等效模型可知，H 进入 n 管，迫使 n 管溢出等体积液体，确保 n 管液
6、体高度与液体量均不变，达到合理等效的效果。因为碟簧的回压相当于 I 管液体的回落，故根据流体力学相关理论可把等效模型中的小孔出流定性为薄壁孔口的非恒定出流 M.因两管中的介质相同，小孔出流又可定性为孔口淹没出流。综合言，4-一 ic3ULaemePubli 之，上述模型即为薄壁小孔的非恒定淹没出流问题。Z孔口的局部阻力系数；突然扩大的局部损失。=1，且I、n 管内径是通孔内径的数倍，故在通孔处液体流动的瞬间，I、n管内液面几无变化，即无因次。表 1 薄壁小孔参数表收缩系数把已知条件代入下的通孔流体流速是不相同的，可随机选择相应值进行计算（取值愈多，曲线愈精确） 。根据排液孔流体速度、脉冲时间、
7、排液孔直径等因素对排液量进行的计算值见表 2 所示（该表计算值是将脉冲时间六等分后而得，若欲得多点处小孔流速及流量，只需将脉冲时间细化即可，此处不再赘述） 。表 2 排液量计算值对应小孔流速/间隔时间/小孔面积/mm2 排液孔直径/mm 根据排液量计算值可得橡胶囊排液曲线如所示。2.3 理论排量的计算从隔膜泵的设计要求看，碟簧应该承受的最大较高，常用的普通标准碟簧由于负载小或变形小而不能满足要求 18-19，故委托上海某弹簧厂设计专用碟簧，要求碟簧的特性为负载大、变形大。上海某弹簧厂设计计算的单个碟簧参数为：高度 H0 =6.3mm，厚度 5=4.5mm，碟簧外径 D=45mm，压平时的变形量
8、A.=1.8mm，工作最大变形量 f=0.75h0 =1.35mm，承受载荷约为53kN，故单个弹簧即可满足压力要求。压力为 50 MPa；另一方面，又要求碟簧有足够的变 r A11.形，以确保橡胶囊的正常工作。这就对碟簧的要求比 Fig.5 碟簧在橡胶囊护板上的作用面积 5=（452 碟簧由预紧力产生的变形约为。5h，即预紧变形量为=0.9mm.故单个碟簧的有效变形量/2 设定橡胶囊有效高度（橡胶囊高度减去 2 倍的橡胶囊厚度）为 h 则要求碟簧有效变形量亦应为 h，此时需要叠合碟簧的个数为 Z =h/2 个；碟簧总高度为Hz =（H-）xZ，其组合形式如所示。橡胶囊完全张开时，内径为20m
9、m，外径为 50mm，囊厚度取 1mm，故而可得单个橡胶囊的容积 V 设定橡胶囊在碟簧预紧力作用下处于压实状态，则组合碟簧与对应的单个橡胶囊的总高度为 Hz+因泵体长度矣 2000mm，故单个泵体中可安装碟簧组数为 Z=2 000HZ+2） ，其值整取，所取橡胶囊个数与碟簧组数相同，则 Z 个橡胶囊的总体积 Vz 从可以看出，橡胶囊的排液量主要体现在前 3 秒钟，故可适当增大脉冲次数，缩短排液时间。假设脉冲周期为 10 次/min，则橡胶囊每天的排量 Q 经计算，符合各项要求的橡胶囊有效高度所对应的相关参数值见表 3、表 4所示。表 3 取整后的橡胶囊参数表橡胶囊有效高度/橡胶囊理论组数/组橡
10、胶囊实际组数/组橡胶囊有效容积/mm3 冲次/单泵日产量表 4 橡胶囊取整与弹簧组合参数表橡胶囊有效高度/所需碟簧理论个数/个所需碟簧实际个数/个橡胶囊理论组数/组橡胶囊实际组数/组安装总长度/ h 可满足隔膜泵橡胶囊的要求。3 隔膜泵的连接方式当需要更大的采油产量时，可把隔膜泵串接起来组成多级隔膜泵。鉴于隔膜泵长度较长，有可能在下井过程中出现卡阻，故以软连接的方式串接，以减少意外事故的发生。具体软连接方式如所示（图中只给出 2 级连接） 。其中，软连接接头由特种材料制成，可承受较大的工作压力及拉压应力；钢丝绳用于承载拉应力，避免多级隔膜泵软连接接头及 reserv wwwne 连接软管因承载
11、过大而脱节。因动力液脉冲周期为 10 次/min，故一次脉冲时间为 6s，在如此短的时间内要求橡胶囊内的液体排得越多越好，故而要求橡胶囊的有效高度在相同的排量下愈小愈好。结合表 3、表 4，综合考虑各因素，选定橡胶囊的有效高度为18mm.此时的单泵日产量为 3.33m3，橡胶囊与碟簧安装的总长度为1 另外，橡胶囊所承受的最大压力出现在地面液压系统卸压时，最大压力=工作压力-井底压力= FELUWA 公司的膜 M 的压力可达 35 4 结论液力隔膜泵采用囊体结构，囊内充动力液，囊外为产出液，可有效避免动力液与产出液混合现象的发生。通过建立等效模型、拟合橡胶囊排液曲线可知，橡胶囊的排液量主要体现在前 3 s，故而可适当提高冲次，以增大隔膜泵日产量。该泵可通过软连接方式串接，以满足不同生产井的产量要求。
