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密封件的壽命問題是通過一組密封裝置和限制了泵在井中氣體部分下落的速度來保障的。為了降低泵在井中氣體部分的下降速度，而又不影響泵在液體中的下落速度，泵體中提供了一種制動裝置，它對穿過泵體的流體提供了不同的阻尼，即因流體是氣體還是液體而不同。特別地，該制動裝置在泵體腔內入口塞堵形成的臺肩的上部安置了一個制動體，它在底端正對著臺肩開有一個內腔。該制動體的外表面是一個圓錐面，越往下面該錐面變得越大，因而形成了圍繞著制動體下端的流體阻尼區。制動體上安置了一個制動器閥門和一個對著閥門的壓縮彈簧，當閥盤與臺肩重疊的時候，它能夠阻止氣體在泵體中的快速通過。因此，泵下落速度由于氣體通過閥盤的速率而受到了限制。當泵達到井中液體的部分時候，進入泵體腔內的液體對閥盤的第一次撞擊驅動閥盤覆蓋住制動體的內腔而使液體能流過泵腔。尤其是通過圍繞著制動體底端的環行通道。在制動體的底端開了一些槽，它們位于腔（制動體腔）與環行通道之間，這樣，一旦液體流過環行通道吸附現象就會在制動體底端的腔內產生來維持制動體底端與閥盤的相配合的狀態，進而能確保液體能順利流過泵體，因此也就能確保泵體在井中液體部分的順利通過。

該發明也包含有密封組件，她含有高彈性的部件與套管內徑相配合，它被牢牢地固定在兩個支座之間，他還具有可調節的外徑以達到使用一種型號的密封組件就可以適應不同型號的油井。為達到這樣的目的，該發明提供了幾組密封組件，每一組件都含有高彈性密封件，該高彈性密封件都具有末端與肩環的凸緣相配合。密封的中間向外突出在密封件與肩環之間形成一個腔，在該腔內置有調節環來支撐著密封件的末端，這樣就能把密封件固定在泵體的周圍。每一調節環均由上下隔套組成，這樣調節環的長度就可以調節，主要是通過調節密封件尾端的距離來實現的，因此就能改變密封件的外徑來匹配所用井的套管。

3.4套管泵試驗裝置

以下是套管泵的試驗裝置示意圖

圖3-3套管泵的試驗裝置

研制實用的套管泵要利用實驗設備。美國俄克拉何馬州的Basco公司與FreeLift公司合作設計并制造了一臺實驗設備，該設備能在41/2英寸和51/2英寸的套管中試驗套管泵。利用此設備制造了性能可靠的套管泵

圖3.3是試驗設備的示意圖，該裝置中有一個計時器，它能夠準確測出套管泵的下行速度。能夠確定泵在單相和兩相流條件下的下行時間。產液量用孔板流量計計量，當壓力為0~10.95時，測到的產氣量為0~7080。在不同條件下進行了大量試驗，積累了大量的資料來確定套管泵的功能。除了實驗室資料外，還從常規的實際油井中獲取了現場資料。

利用積累的資料，FreeLift公司確定了為使某一給定井成功地應用套管泵所必需保持的壓力和產量。

3.5套管泵現場應用條件

影響套管泵的正常工作的主要因素有兩個：一是油井的有關參數；二是套管泵的有關結構參數。在油井的有關參數中，油井內天然氣的壓力直接影響到套管泵每次所能舉升的液體的質量，而油井的天然氣產量又決定了在某一段時間內泵所能舉升的次數。套管泵內壓力檢測裝置的結構參數控制著泵在液體段內的下落深度；減速裝置的結構參數又影響著泵在油井中的下落速度(包括氣體段和液體段)。所以最好的情況應該是:合理確定泵的有關結構參數，控制泵的下落速度及泵在液體段內的下落深度，以使泵在某一段時間內(如1天)所舉升的液體質量與油井的產氣量、產液量和油井內的天然氣壓力等參數達到較好的匹配。.

要弄清套管泵在某一特定井中的工作情況，首先必須確定該井是否能產出足夠的氣體，并有足夠的產量和壓力來推動套管泵工作。

為此可以使用下面的程序和理論。

為此目的借鑒了俄克拉何馬洲一口井的實際資料，并用以下程序進行了計算。

第一步：獲取要求的數據。

射孔段頂部深度，1700m。

套管尺寸，41/2英寸。

產氣量,1360。

管線壓力，2.34（若井口點火放空燒掉則為1.46）

產液量，0.460/日。

關井壓力，（不能用瞬時關井壓力）。14.6。

達到關井壓力時所用時間，5小時。

第二步：確定該井天然氣和原油產量是否太高。

套管泵運行的最大產量受下列三個條件限制。

（1）套管泵每個行程只能可靠地舉升0.64~0.8液體。

（2）套管泵完成一次循環時間可能很長。根據大量試驗和經驗：最大日產量不超過6.36

（3）在氣產量最高的井，作用在套管泵上的摩擦力阻礙了泵的下行。根據線性動量守恒公式

和Bernoulli方程

由上述兩方程得到

套管泵能逆流下行的最大產氣量約為9912/日。

將來更有效的套管泵設計，應能使套管泵在產氣量大于9912/日，產液量大于6.36/日的井中工作。FreeLift公司的實驗設備的最大排氣能力為7000，在上述條件下，套管泵工作平穩。

第三步：確定套管泵每天的工作行程數和每行程的產液量。

泵每天工作的行程數（）一般在1~10之間變化，以2~4次為最佳。該推薦值是基于對密封罩的磨損和撕裂最小提出的。這里，隨便選一個行程/日，如=2行程/日。

每行程產液量（）一般在0.16~0.95之間。其中以0.32~0.64最佳。當每行程排液量超過0.8時。套管泵的工作就變得越來越不正常。

確定每行程的產液量：

＝

=0.23/行程/日

第四步：確定舉升每一行程液體所需的壓力。

每一行程過程中，推動泵所需的壓力（）是泵所舉升液量的函數。泵上部的氣柱靜壓要略微低于套管泵每一行程實際舉升的液量，但在計算中一般將其忽略。

方程中的常有量有：泵的重量（）每桶原油和鹽水的平均重量（分別為和）以及套管內橫截面積（）

確定的公式為：

式中：——原油體積數/行程；

——出口管線壓力，；

——鹽水體積數/行程。

。

根據圖3-4，當=1.5，油/鹽水比例為2.5/0.4，套管直徑為英寸時，求得舉升每一行程液體所需的壓力為：

=4/行程

再求得每一行程所需的總絕對壓力：

（表壓）+4.088/行程

=6.424/行程

第五步確定每天可用的氣量。

用來推動泵工作的氣體量（）要少于油井的總日產量。這主要是由于當泵位于井的頂部或下行程時，生產出的氣體沒有用來推動泵

下述方程包括通過密封罩沿程漏失（LL），因而在計算中需加一氣體損失系數（LF）以保證有足夠的氣體舉升液體。

式中：——泵在氣體和液體中的下行速度。m/s

——套管體積，

——泵在井口停留泄掉油或氣的時間，s/；

——行程數

天然氣的標準體積數，單位行程以及行程數/日都是無因次量。

取近似值，上述方程簡化為：

/日

該方程表示的曲線、如圖3-5所示。

取氣體量1359，行程數2次/日，由圖3-5得到

=11.44/日

第六步：確定在要求的舉升壓力下可得到的氣體體積。

利用壓縮系數Z的進一步計算表明：在P2的壓力下，可得到的氣體體積（V2）可極為近似的按理想氣體近似公式描述：

=

=189.23

式中：——標準大氣壓。

第七步：確定每天需要的氣體體積量

每天需要的氣體體積量可以由下面公式進行計算

該方程的曲線如圖3-6和圖3-7所示。

取套管直徑為41/2英寸（射孔段井深1700m），行程數2次/日由圖3-6查得

=28.32；

第八步：確定每天可選用的最大行程數。

計算套管泵每天工作行程數（）的公式主要是基于下面的假設條件：達到關井壓力的時間（Ts）和關井壓力（Ps）在套管泵的運行壓力范圍（5.27~10.5）內接近成正比關系。

基于這一假設導出下面公式：

式中TF為泵的下行系數，它把套管泵的下行時間結合到了方程之中。泵下行系數（TF）保證了每天的形成數為一穩妥值。

該方程的曲線如圖3-8所示：

=0.41

取=0.41，=5小時，行程數=2。

由圖3-8得到每天可采用的行程數；

=10行程/日

第九步：根據計算結果確定對某一給定井采用套管泵能否正常運行。

該井必須滿足下列條件：

1．該井的油。氣產量分別不超過6.36和9912。

2．關井壓力Ps加上1.03（絕對）必須達到或超過舉升液體所需之壓力P2，即：

3．油井產氣量必須大于推動套管泵工作所需的氣體量V3：

4．套管泵每天可最大工作數必須大于行程數：.

如果此過程的任一條件沒有滿足，那么每天工作行程數就應該改變，而且應該按此過程從新計算。

每一口井都應該按其具體井況而進行仔細計算，有的井適合用套管泵，有的井不適合用套管泵，這應看計算結果而定，若所計算結果都符合上述條件，那么這口井就非常適合使用套管泵。

套管泵自身的結構參數(氣缸內活塞行程△S和減速裝置及流道阻力)也對其工作性能有很大的影響。

1．氣缸內活塞的行程

氣缸內活塞的行程直接影響套管泵下人液面以下的深度，控制泵每次舉升液柱的高度H，其關系可表示為

式中：

2．減速裝置及流道阻力

減速裝置用于控制泵的下落速度，其實質是對流過泵內的流體產生一定的阻尼。泵以一定速度均速下落時，流過泵內流道(包括減速裝置的其他流道)的流體產生的阻力損失為

式中:為通過泵內流道流體的體積流量。當泵在天然氣中下落時，取；當泵在液體中下落時，取為泵內流道的進出口壓差。由泵內流道中流體的動量方程及泵的平衡方程導出

式中：為密封皮碗上部介質的壓力，對于在天然氣中的下落情況，近似取為。由此可得出對應于泵在天然氣及液體中下落的兩種極限工況，泵內流體的阻力損失，和。為泵以=2.54m/s在天然氣中下落時通過泵內流道的天然氣的阻力損失。為泵以=0.051m/s在液體中下落時通過泵內流道的液體的阻力損失。以此阻力損失作為流道計算的依據，即(1)泵在天然氣中以不大于2.54m/s的速度下落時，泵內流道對天然氣的阻力損失不小于。(2)泵在液體中以不小于0.51m/s的速度下落時，泵內流道對液體的阻力損失不大于。

要使套管泵達到理想的自動舉升效果，還存在一些實際問題。這是因為每一種規格的套管泵對油田的井況都有一定的限定范圍，即使是同一規格的套管泵，其活塞的行程、減速裝置的節流間隙都要根據井況進行相應的調整。目前套管泵的設計和應用主要還是根據實驗來確定川，下述間題還需作進一步探討。

1.壓力檢測裝置中，活塞與氣缸的摩擦阻力對壓力變化的不敏感度及不同形狀的密封

皮碗與套管壁的摩擦力與其上下壓差的關系;

2.減速裝置對流體的阻力與其結構、流體的性質及運動參數之間的關系;

3.不同約束邊界條件下，流體對閥球的拖曳力的確定。

第4章套管泵井口裝置

4.1套管泵井口裝置組成

套管泵井頭裝置由以下幾部分組成：

由下至上依次為：總閘閥，防噴盒，由此分為兩條支路，一條是日常工作時的油路，其組成為：下泄油管，工作閘閥，壓力表，主泄油管路，儲油罐；另一條支路供有故障或者停止工作時候用的，其組成是捕檢副閘閥，捕檢腔，法蘭端蓋，上泄油管，泄油閥，捕檢主閘閥，壓力表，主泄油管路，儲油罐。

4.2套管泵井口裝置工作原理

1．工作時，總閘閥開啟，捕檢副閘閥關閉，工作閘閥開啟，捕檢主閘閥關閉，這樣工作支路與非工作支路互不干涉，

當套管泵舉升著油液通過總閘閥上升到防噴盒里面時，上面的液體先流入泄油管，當游液全部進入到泄油管路時，套管泵的中心桿正好碰到捕檢副閘閥，該碰撞促使套管泵的內封閉閥打開,泄掉套管泵下面的氣體，。這樣就使套管泵從新落回井中進行另一次生產。

2．其非工作時的原理為：

當要檢修或不工作時，需要捕捉套管泵，這樣就設計了捕檢腔，其工作原理為：

非工作時，工作閘閥關閉，捕檢主閘閥開啟，捕檢副閘閥也開啟,這樣非工作支路開通。當套管泵上升至通過總閘閥時，關閉總閘閥，這樣就不能使套管泵從新落回到井中，套管泵上升，泄掉油液之后，其中心桿改之與端蓋發藍碰撞，泄掉套管泵下面的氣體，這時或停止工作，或在關閉捕檢主閘閥后打開端蓋發藍，取出套管泵進行檢修。

4.3套管泵井口裝置尺寸設計要求

為了套管泵能正常輸送油液，必須保證各部件之間的相對位置。套管泵井頭裝置設計須按套管泵的尺寸而定，為了泄掉油液之后能及時泄掉套管泵下面的氣體和在要泄掉套管泵下面的氣體的時候能盡可能多的泄掉油液，使生產效率提高，應嚴格保證下泄油管與捕檢副閘閥的相對位置或上泄油管與法蘭端蓋的相對位置。

考慮到泵體在其下面高壓氣體的推動下做非直線上升動作，它與防噴盒的外壁，捕檢腔的外壁均有碰撞，對外壁有力的作用，所以主腔法蘭處的連接均采用鋼圈密封。

為能盛裝住整個套管泵體，總閘閥與端蓋法蘭之間的距離應大于套管泵工作位置總長度，即內封閉閥關閉，中心桿伸出導向管時的總長度。

第5章套管泵封隔器

5.1封隔器設計

封隔器設計應能保證承載泵體的全部重量，還應該具有結構簡單，封隔效果好，還應具有一定的減震性能。為此目的，在老師的指導下，設計了如圖6.1所示的封隔器2，它完全靠自身的彈力使自己壓緊油井套管，用它與油井套管之間的摩擦力來起到封隔作用。又由于封隔器材料為彈簧鋼，所以具有一定的減震功能。

5.2封隔器彈射裝置設計

由于本封隔器結構簡單，所以其安裝及定位有些困難，為此設計了其彈射裝置，如圖6.1所示，起結構如下：

滑板3，拉桿5和釣鉤通過焊接連在一起，構成彈射裝置的一個整體運動部分，滑槽6，8分別安裝在滑板的兩端，使滑板能在其槽內自由向上滑動，其下端封閉。滑槽6，兩端分別鉸接彈性鋼絲繩9和棘爪14，滑槽8兩端分別鉸接彈性鋼絲繩9和棘爪13，彈性鋼絲繩9通過拉伸彈簧11連接在滑板3上；封隔器2上焊接有兩個彈射板19，20，其上各有一個彈射孔，封隔器上端中心處也通有一個小孔。封隔器上的這三個小孔是用來把封隔器安裝在拉桿上的。

5.3封隔器彈射裝置工作原理

如圖6.1和圖6.2所示，首先把封隔器安裝在彈射裝置的拉桿5上，封隔器靠自身彈力即可固定在拉桿5上。當下放封隔器到達預定深度之前，棘爪處于非工作狀態，即處于圖6.1的狀態，但到達預定深度后，向上拉伸鋼絲繩18，封隔器進入工作狀態，如圖6.2所示，由鋼絲繩18帶動滑板3拉桿5及拉伸彈簧11一起向上運動，拉伸彈簧11的向上運動通過彈性鋼絲繩9帶動滑槽8，6一起向上運動，滑槽8，6的向上運動帶動棘爪14，13也向上運動，然而棘爪14，13運動到卡箍21的環槽內時停止運動，這樣就阻止了滑槽8，6的向上運動，但拉桿5，滑板3繼續向上運動，運動到圖所示位置時，滑板3尚未脫離滑槽8，但拉桿已脫離封隔器的兩個彈射板19，20。這時，封隔器已經彈射完畢。之后，繼續向上拉鋼絲繩18，帶動滑板3脫離滑槽8，6。之后滑槽8，6處于自由懸空狀態，通過彈性鋼絲繩9，拉伸彈簧11吊在滑板3上，隨著滑板3一同回收到地面，至此彈射過程完畢。

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第6章結論與建議6.1結論

本文基于套管泵的工作原理，著重以它的結構設計為重點，為能更有效，更安全的舉升油液，本文所設計的套管泵的重點部位有：

（1）總內封閉閥，它能夠保證由井中的氣體壓力驅動而到達井頭的套管泵到達井口時釋放出泵體下面的氣體。

（2）制動體，本文設計了一種與眾不同的制動裝置，它能夠保證泵在井中氣體部分的下落速度不過分快而又不影響它在井中液體部分的下降速度。

（3）密封罩，它為泵提供了一組密封裝置，能夠被調節地匹配其所用于的井，

在套管泵與所用井的套管之間形成密封。同時其壽命也因制動體的調節而得到了延長

由于泵體結構的特殊性，常規井口裝置不能適應其生產要求，為此，進一步設計了與之配套的井口裝置；為使其不落入生產層位以下，降低生產效率，又設計了簡單實用的封隔器，并一同設計了它的彈射裝置。

另外，通過借鑒美國俄克拉何馬洲一口井的實際資料，給出了套管泵現場使用條件的公式，并結合資料給出了具體計算。

6.2建議

基于不同現場具體實際要求，還可以對其某些部位進行結構優化調整，其調整如下：

（1）如圖6.1所示，為進一部控制套管泵在油井中液體部分的下落速度，可以對底端的入口塞堵進行調整，塞堵長度可按實際要求進行適當延長進行加重設計，這樣就要求在塞堵上轉有如圖所示的通孔，另外還可以通過螺釘在泵座的外側安置壁袖，這樣也能達到加重目的。

（2）如圖6.2所示，可以簡化內封閉閥閥座的結構，即內封閉閥閥座與密封罩擋圈制造成一體，這樣就減少了閥套的設計安裝。但是其內部的內封閉閥閥座面相對于泵體的位置高度還是可以調節的，通過取不同長度的調整環298就可以保證兩密封罩之間的距離與臺肩56和內封閉閥閥座一體的擋圈之間的距離一致。

（3）如圖6.3所示，為了能更充分的利用泵體下面的液體壓力，讓更多的液體進入到密封罩的內腔內，可把原來開在泵體內壁上的小孔該開在密封罩自身的下部，這樣液體可不經泵體內腔而直接沿著泵座外壁進入到密封罩的內腔內，可以改善密封罩與套管內壁的密封。

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