基于AMESim的抽油泵优化设计与试验.pdf

湖北汽车工业学院学报Journal of Hubei University of Automotive Technology第 37 卷第 2 期2023 年 6 月Vol.37 No.2Jun.2023doi：10.3969/j.issn.1008-5483.2023.02.014基于AMESim的抽油泵优化设计与试验陈明豪1，陆锦锦1，陆婕1，杨凯2，刘元1，严谨3（1.武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064；2.湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，湖北 武汉 430205；3.广东海洋大学 海洋工程与能源学院，广东 湛江 524029）摘 要：针对常规抽油泵存在泵阀关闭滞后、泵效低等问题，采用AMESim建立了抽油泵仿真模型，并对柱塞的漏失量、出油阀阀芯位移及阀口流量等响应特性与排量特性进行了分析。对抽油泵进行了结构优化，通过在出油阀阀芯上安装弹簧与机械限位，降低了出油阀阀芯的关闭时间，减少了油液溢出对其排量产生的影响。进一步分析了不同弹簧刚度与不同垂直倾角对出油阀阀芯量位移的影响。试验结果表明：抽油泵排量具有良好的线性度与稳定性，优化后排量较优化前排量提高约15%。关键词：石油钻采；斜井；抽油泵；AMESim仿真中图分类号：TE933.3文献标识码：A文章编号：1008-5483（2023）02-0066-05Optimization and Experiment of Oil Well Pump Based on AMESimChen Minghao1,Lu Jinjin1,Lu Jie1,Yang Kai2,Liu Yuan1,Yan Jin3（1.Wuhan Second Ship Design and Research Institute,Wuhan 430064,China;2.School of Physics and Mechanical&Electrical Engineering,Hubei University of Education,Wuhan 430205,China;3.College of Ocean Engineering and Energy,Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524029,China）Abstract：In view of the problems of delayed pump valve closing and low pump efficiency of conventional oil well pumps,a simulation model of the oil well pump was established by using AMESim.Theresponse and displacement characteristics of the plunger leakage,displacement of the oil outlet valve score,and flow rate of the valve port were analyzed.The structure of the oil well pump was optimized.Byinstalling a spring and a mechanical limit on the oil outlet valve s core,the closing time of the oil outletvalve s core was reduced,and the influence of oil overflow on the displacement was alleviated.The influence of different spring stiffness and vertical inclination on the displacement of the oil outlet valve score was further analyzed.The test results show that the displacement of the oil well pump has excellentlinearity and stability,and the displacement is improved by about 15%after optimization.Key words：oildrillingandproduction;inclinedwell;oilwellpump;AMESimsimulation收稿日期：2022-11-27；修回日期：2023-03-21基金项目：湖北省教育厅科学技术研究计划项目（B2020175）；广东省促进经济高质量发展专项资金（粤融办函 2020 161号）第一作者：陈明豪（1993-），男，硕士，助理工程师，从事机械优化设计方面的研究。E-mail：通信作者：陆婕（1990-），女，硕士，助理工程师，从事机械优化设计方面的研究。E-mail：石油钻采系统是我国能源领域的重要装备，其稳定性与可靠性对石油开采效益具有重要的影响1。近年来，石油领域投入大量的新技术和新装备，石油勘探、钻井开采工作的效率显著提升，经济收益大幅提高2。随着石油开采开发层系的下移，井深增加，泵挂位置、井斜角度也逐渐增大，常规抽第37卷 第2期油泵采油系统泵阀关闭滞后、泵效低等问题日益突出3-4。为有效解决以上问题，专家学者开展了大量的研究工作，李大建等针对常规管式泵采油系统管杆偏磨严重、泵阀关闭滞后、效率低的问题，采用固定阀弹簧等优化泵的结构，使泵效提高约%5。曲斌针对直井泵在斜井中存在的偏磨与漏失等问题，采用阀芯机械强制启闭与弹簧复位，提高了抽油泵在斜井的适应性6。吴珍等对常规抽油泵在斜井段中生产时会出现问题进行了分析，并研制了大斜度井抽油泵7。周晓君等对抽油泵的环隙漏失以及泵阀容积损失进行了理论分析，对泵的结构进行了设计和改善8-9。韩洪升等通过研究常规泵在不同倾斜角度下的工作特性及阀球运动规律，得到了2种抽油泵泵效开始降低的临界倾角，分析了倾斜角度和冲次对泵效的影响10。由于双作用抽油泵在1个周期内吸排油2次，其泵阀关闭滞后、间隙漏失等对其泵效影响更为突出，为有效改善以上问题，文中采用AMESim对双作用抽油泵响应特性与排量特性进行仿真分析，并根据仿真结果对其结构进行了优化，以期改善抽油泵阀门的启闭特性，提高泵效增大产量。1仿真模型建立与原理分析抽油泵是常用的井下抽油装置，主要作用是将井底原油提升到地面。为了提高其效率，确保石油供给的连续性与稳定性，抽油泵设计为双作用结构，结构原理图及AMESim仿真模型见图12，根据抽油泵结构设置其仿真参数见表1，垂直倾角为0。表1 抽油泵仿真参数进油阀阀芯直径/mm阀座直径/mm阀芯质量/g阀芯最大行程/mm值292380115出油阀阀芯直径/mm阀座直径/mm阀芯质量/g阀芯最大行程/mm值3830180322上泵腔上泵腔直径/mm下泵腔直径/mm上泵腔杆径/mm节流孔径/mm值4656380.1a 上冲程b 下冲程1234567891011121211107891234561-出油阀；2-上泵腔；3-进油阀；4-下泵筒；5-下柱塞；6-沉砂管；7-上泵筒；8-上柱塞；9-下泵腔；10-进油筛管；11-接头；12-电机图1 双作用抽油泵结构原理图123456718910111213141-原油；2-进油阀阀芯；3-分段线性信号源；4-进油阀质量块；5-位移与速度模块；6-进油阀弹簧；7-下泵腔；8-出油阀阀芯；9-节流孔；10-进油阀质量块；11-出油阀弹簧；12-排油口；13-流量传感器；14-上泵腔图2 抽油泵AMESim仿真模型抽油泵采用直线电机驱动，直线电机具有推力大、响应速度快、结构简单、运行稳定等特点。为了简化动力传递装置结构，提高动力的传递效率与抽油泵运行的可靠性，将直线电机与抽油泵柱塞直接连接。通过分段线性信号源设置直线电机速度与周期，直线电机速度与柱塞位移曲线如图34所示。抽油泵工作周期为4.66 s。在1 s时直线电机1000600200-200-600-1000012345时间/s速度/（ms-1）图3 直线电机速度曲线陈明豪，等：基于AMESim的抽油泵优化设计与试验 672023年6月湖北汽车工业学院学报向下匀加速至900 mms，并保持匀速运动0.33 s，在2.33 s时匀减速至0 mms，此时柱塞向下位移至最大值1200 mm。故上泵腔体积增大而压力降低，克服进油阀阀芯重力使其阀口开启，油液迅速进入上泵腔，抽油泵完成吸油。同时，下泵腔体积减小而压力升高，下泵腔内的油液经油管排出到地面上，抽油泵完成1次排油。直线电机上行程参照下行程运动速度与时间，反向运动2.33 s使柱塞复位。故上泵腔体积减小而压力增大，克服出油阀阀芯重力使其阀口开启，油液经出油阀口排出后，大部分经油管排出到地面上，另一部分油液进入下泵腔，抽油泵完成2次排油。故抽油泵在1个周期内吸排油2次，确保石油供给的连续性与稳定性。柱塞表面开有均压槽以避免柱塞与缸筒偏磨，且柱塞与缸筒之间存在0.1 mm间隙，在油液润滑作用下提高柱塞在缸筒内运行平稳性。柱塞与缸筒的间隙对柱塞的漏失量存在一定影响，因此，设置节流孔孔径为0.080.12 mm，以模拟柱塞与缸筒间隙，得到不同孔径下柱塞漏失量对比曲线，如图5所示。柱塞漏失曲线均呈阶梯状周期性上升，且柱塞漏失量随孔径增大逐渐增大。因此，在保证缸筒运行平稳性的基础上，尽量降低柱塞与缸筒的间隙，以减少柱塞的漏失量。抽油泵在1个周期内出口阀芯的位移及其阀口流量曲线如图6所示。当柱塞上行程时，上泵腔体积减小压力迅速升高，克服出油阀阀芯重力使其阀口迅速开启。受抽油泵物理结构影响，出油阀阀芯最大开度为22 mm，此时出油阀阀口开启，油液迅速排出，最大流量约1.5 Ls。在4.66 s时，柱塞再次进行下一周期运动，上泵腔体积增大而压力降低，出油阀阀口流量迅速降低为0 Ls。由于出油阀阀芯影响迟滞，阀口关闭不及时，导致出油阀阀口油液反向流回上泵腔内，最大流量约-1 Ls，故抽油泵效率大幅较低。2优化设计抽油泵出油阀阀芯在重力与压力作用下启闭，开度过大且关闭不及时，易出现阀芯响应迟滞及阀口流量降低等问题。同时，为了使抽油泵能够在多角度斜井中使用，进一步减少油液回流对抽油泵泵效产生的影响，对抽油泵出油阀阀芯的响应特性进行理论分析，并对其结构进行优化。如图7所示，在出油阀阀芯上安装弹簧与机械限位块。在弹簧力作用下，阀芯在多角度斜井中可有效关闭。出油阀阀芯的开度越小，阀芯的关闭时间越短，因此，在保证阀口通流面积的基础上，使阀芯的开度最小，即阀座通流面积与阀口通流面积相等：D24=Dxmax（1）式中：D为出油阀阀座直径。即xmax=D 4（2）0-400-800-120001235时间/s位移/mm4图4 柱塞位移曲线504030201000102030405060时间/s质量/g0.08 mm0.09 mm0.10 mm0.11 mm0.12 mm图5 不同孔径下柱塞的漏失量对比曲线2218141062-20123456时间/s位移/mma 阀芯位移曲线2.01.51.00.50.0-0.5-1.0-1.50123456时间/s流量/（Ls-1）b 阀口流量曲线图6 优化前出油阀阀芯位移和阀口流量曲线 68第37卷 第2期通过对抽油泵进油阀阀芯的开度进行机械限位，降低了阀芯的关闭时间，减少了阀芯响应迟滞导致的油液溢出对排量产生的影响。同时还保证了在每个运动周期内阀芯开启量均保持一致，使抽油泵流量更加稳定。出油阀阀芯结构优化后的位移和阀口流量曲线如图8所示。在出油阀阀芯上安装弹簧与机械限位块后，出油阀阀芯最大开度为15 mm，满足阀座通流面积需求。同时出油阀阀芯响应灵敏，阀口流量更加稳定，阀口最大流量约为 1.6 Ls，在4.66 s时阀芯迅速关闭，阀口无反向溢流的问题。设置出油阀阀芯弹簧刚度为520 Nmm，阀芯垂直倾角为-3030，得到不同弹簧刚度与不同垂直倾角时出油阀阀芯位移对比曲线，如图9所示。垂直倾角为0时，出油阀阀芯弹簧刚度为520 Nmm，弹簧刚度增大，阀口关闭越快，但弹簧刚度过大时，出油阀阀口最大开度减小。弹簧刚度为5 Nmm时，阀芯垂直倾角为-3030，出油阀阀芯响应稳定，最大开度均为15 mm。如图10所示，抽油泵优化前后排量曲线均周期性连续上升，这是由于抽油泵为双作用泵，在1个周期内吸排油2次，仿真结果表明：抽流泵的排量具有较好的连续性与稳定性。同时，由于优化后克服了出油阀阀口反向溢流问题，故抽油泵排出的油液体积较优化前多。3025201510500102030405060时间/s体积/L优化前优化后图10 抽油泵优化前后仿真排量对比曲线3试验与分析为验证抽油泵的性能，搭建了抽油泵样机试验系统如图11所示。为了验证抽油泵优化前后排量的线性度与稳定性，每间隔10 min检测抽油泵排出机械限位块xD图7 出油阀阀芯结构优化图16128400123456时间/s位移/mma 阀芯位移曲线1.41.00.60.2-0.20123456时间/s流量/（Ls-1）b 阀口流量曲线图8 优化后出油阀阀芯位移和阀口流量曲线16128400123456时间/s位移/mm5 Nmm-18 Nmm-111 Nmm-114 Nmm-117 Nmm-120 Nmm-1a 不同弹簧刚度16128400123456时间/s位移/mm-30-20-100102030b 不同垂直倾角图9 出油阀阀芯位移对比曲线陈明豪，等：基于AMESim的抽油泵优化设计与试验 692023年6月湖北汽车工业学院学报的油液体积，得到抽油泵优化前后排量对比曲线如图12所示，在1060 min范围内，抽油泵优化前后排量对比曲线均呈线性增长，具有良好的线性度与稳定性。抽油泵的排量提升率表示为=()V1-V2V-12（3）式中：V1为优化后排量；V2为优化前排量。优化后排量较优化前排量升率约15%。4结论抽油泵在间隙孔径为0.080.12 mm时，柱塞漏失曲线均呈阶梯状周期性上升，且随着孔径增大，柱塞的漏失量逐渐增大。因此在保证缸筒运行平稳性的基础上，尽量降低柱塞与缸筒的间隙，以减少柱塞的漏失量。在抽油泵出油阀阀芯上安装弹簧与机械限位块，降低了阀芯的关闭时间，减少了阀芯响应迟滞导致的油液溢出对排量产生的影响，并保证了在每个运动周期内阀芯开启量均保持一致，使抽油泵流量更加稳定。试验结果表明，抽油泵排量具有良好的线性度与稳定性，优化后排量较优化前提升约15%。参考文献：1 孙力.石油钻采机械设备常见故障及预防措施分析J.石化技术，2022，29（9）：232-234.2李航.石油机械在石油工程中的使用研究 J.科技创新与应用，2022，12（22）：177-180.3刘东旭.提高机采井抽油泵效的措施 J.化学工程与装备，2021（12）：95-96.4邓奎，林峰，马正才.斜井抽油技术在马北一号油田水平井的应用 J.科技创新导报，2009，6（16）：82-83.5李大建，甘庆明，刘显，等.大斜度井抽油泵结构改进及应用 J.石油矿场机械，2012，41（12）：63-66.6曲斌.斜井抽油泵优化设计研究 J.化学工程与装备，2019（2）：116-117，82.7吴珍，华爱凤，雷佳.大斜度井抽油泵的研制 J.化工管理，2014（20）：193.8周晓君，顾文君，丁维超.斜井抽油泵阀球启闭时间的计算与分析 J.工业控制计算机，2015，28（1）：97-99.9周晓君，丁维超，顾文君.斜井抽油泵漏失机理的研究及其参数优化 J.工业控制计算机，2015（2）：73-76.10韩洪升，屈成亮，王庆伟，等.不同倾斜角度下抽油泵泵效室内试验 J.科学技术与工程，2010，10（36）：9073-9076.1-过滤器；2-蓄能器；3-压力表；4-压力传感器；5-溢流阀；6-流量计；7-高压软管；8-普通软管；9-抽抽泵；10-存液管；11-轴承支座；12-三角支架；13-取液平台；14-变压器；15-控制柜；16-泄油阀a 原理图b 实物图图11 抽油泵试验系统实物图14001200100080060040020000102030405060时间/min体积/L优化前优化后图12 抽油泵优化前后试验排量对比曲线 70