采油工程-第03章有杆泵采油.ppt

第三章 有杆泵采油,主要内容： ① 抽油装置及泵的工作原理 ② 抽油机悬点运动规律及悬点载荷 ③ 抽油机平衡、扭矩及功率计算 ④ 影响泵效因素及提高泵效措施 ⑤ 有杆抽油系统设计 ⑥ 有杆抽油系统工况分析,有杆泵采油典型特点： 地面能量通过抽油杆、抽油泵传递给井下流体,(1) 常规有杆泵采油：抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵2) 地面驱动螺杆泵采油：井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵有杆泵采油分类：,常规有杆泵采油是目前我国应用最广泛的采油方式，我国机械采油井占总井数的90%以上，其中有杆泵占机采井的90%以上全国产液量的60％、产油量的75%靠有杆抽油采出螺杆泵是一种新型的机械采油设备苏联于1973年首先研制成功采油用井下单螺杆泵，之后，美国、加拿大、法国等一些国家也相继研制和应用了螺杆泵采油我国从1986年开始引进和使用螺杆泵采油 采油螺杆泵，就其驱动方式来讲，可分为地面驱动和井下驱动两类目前广泛应用的是地面驱动单螺杆泵采油方法－螺杆泵采油,（一）系统组成 螺杆泵主要由地面驱动和井下泵两部分组成驱动部分由防爆电机、皮带轮、减速箱和光杆密封器组成井下泵由接头、转子、定子、定位衬套和扶正器等组成。

采油方法－螺杆泵采油,地面驱动螺杆泵抽油装置示意图,定子,转子,地面驱动螺杆泵采油：,（二）工作原理 螺杆泵是靠空腔排油（即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室），当转子转动时，封闭空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移封闭腔在排出端消失，空腔内的原油也就随之由吸入端均匀地挤到排出端同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入这样，封闭空腔不断地形成、运移和消失，原油便不断地充满、挤压和排出，从而把井中的原油不断地吸入，通过油管举升到井口采油方法－螺杆泵采油,（三）特点 1）结构简单，占地面积小，有利于海上平台和丛式井组采油； 2）只有一个运动件（转子），适合稠油井和出砂井应用； 3）无脉动排油特征； 4）阀内无阀件和复杂的流道，水力损失小； 5）泵实际扬程受液体粘度影响大，粘度上升，泵杨程下降较大采油方法－螺杆泵采油,（四）国内技术现状 1）螺杆泵采油技术应用领域比较宽广，不仅在高粘、含气、含砂的油井上得到应用，而且在高含水、海上油井上也得到了应用在发挥螺杆泵解决高粘度、高含气、高含砂油井井液抽汲难的优越性的同时，配合各种防砂措施和电加热空心抽油杆，使螺杆泵的应用领域不断拓宽。

2）通过开发一系列专用配套装置，解决了驱动系统调控、管柱防脱与扶正、杆柱防脱与扶正、泵与抽油杆的对接、抽空保护、清防蜡解堵、工况诊断等技术难题采油方法－螺杆泵采油,（四）国内技术现状 3）通过研究螺杆泵系统所受作用力和力矩，建立了描述系统工作状况的数学模型，为螺杆泵采油系统的分析诊断奠定了基础 4）通过开展螺杆泵工况诊断和优化技术的研究，可以帮助人们正确判断油井工作状况，提供地面驱动系统、井筒内杆柱设计和泵型等方面的优化设计方案，提出调参的依据采油方法－螺杆泵采油,（五）发展趋势 1）为提高排量和扬程，国外各公司在单螺杆泵结构优化的同时，积极研究多头螺杆泵 2）为提高螺杆泵的综合性能和使用寿命，国外各公司在优化定子橡胶的配方和增强转子的耐磨、抗腐蚀的同时，还探索使用金属定子、非金属转子采油方法－螺杆泵采油,（五）发展趋势 3）为降低螺杆泵的制造成本，以提高经济效益，国外各公司在普遍从采用圆钢毛坯加工成型转子向采用热轧成型转子方向发展的同时，积极发展钢管热轧成型转子 4）为避免杆、管磨损和抽油杆断脱问题，以减少井下事故，国外各公司不断改进井下驱动的螺杆泵系统，应用规模日益扩大采油方法－螺杆泵采油,（四）国内技术现状 5）螺杆泵实验室已初具规模，可以检测螺杆泵水力特性、定子橡胶耐油气浸特性、螺杆泵结构参数等，在不同工况条件下模拟螺杆泵工作特性，进行综合评价。

6）开展了潜油电机驱动螺杆泵的试验，在电机变极降速、井下机械降速、变频降速等方面进行了有益的探索设计试验了地面驱动、油管传动扭矩带动井下定子转动螺杆泵，取得了良好的生产效果采油方法－螺杆泵采油,第一节 抽油装置及泵的工作原理 Pumping Equipment and Pump Mechanics,中国陆上第一口油井位于陕西省延长县石油希望小学校内 陕西延长石油驰名中外中国是世界上最早发现和使用石油的国家，而陕西省延长县又是中国最早发现和使用石油的地方第一节 抽油装置及泵的工作原理,一、抽油装置,抽油机,抽油杆,抽油泵,其它附件,抽油过程介绍,,(一)抽油机,有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，将旋转运动转化成往复运动 包括：游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种,游梁式抽油机组成,游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、 动力设备和辅助装置,工作原理,工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄作低速旋转曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动游梁式抽油机分类,后置式和前置式,(一)抽油机,③运动规律不同—后置式上、下冲程的时间基本相等；前置式上冲程较下冲程慢。

图3-2 后置式抽油机结构简图,图3-3 前置式气动平衡抽油机结构简图,①游梁和连杆的连接位置不同不同点：,②平衡方式不同—后置式多采用机械平衡；前置式多采用气动平衡③运动规律不同—后置式上、下冲程的时间基本相等；前置式上冲程较下冲程慢①游梁和连杆的连接位置不同不同点：,②平衡方式不同—后置式多采用机械平衡；前置式多采用气动平衡游梁式抽油机,链条式抽油机,常规有杆泵采油：,新型抽油机：为了节能和加大冲程,节能,加大冲程,,,图3-4 异相型游梁式抽油机,,,又称曲柄偏置式游梁抽油机，平衡重中心线与曲柄中心线有一相位角，使峰值扭矩降低，使上冲程较下冲程慢双驴头游梁式抽油机,双驴头游梁式抽油机,链条式抽油机,宽皮带式抽油机,液压增程抽油机,游梁式抽油机系列型号表示方法,CYJ 12—3.3—70(H) F(Y，B，Q),(2)抽油泵：机械能转化为流体压能的设备,a.结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠； b.制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长； c.规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强； d.便于起下； e.结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备一般要求,(2)抽油泵： 机械能转化为流体压能的设备,主要组成,工作筒(外筒和衬套)、柱塞及游动阀(排出阀)和固定阀(吸入阀),分类,按照抽油泵在油管上的固定方式可分为： 管式泵和杆式泵,A-管式泵,B-杆式泵,管式泵：外筒和衬套在地面组装好接在油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后再把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内。

杆式泵：整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的下端整体通过油管下入井内，由预先装在油管预定深度(下泵深度)上的卡簧固定在油管上，检泵时不需要起油管管式泵特点：结构简单、成本低，排量大但检泵时必须起出油管，修井工作量大，故适用于下泵深度不很大，产量较高的油井杆式泵特点：结构复杂，制造成本高，排量小，修井工作量小杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井管式泵 Tubing Pump,杆式泵 Inserted Pump,(3)抽油杆：能量传递工具杆体直径分别为13、16、19、22、25、28mm，,抽油杆的长度一般为8000mm或7620mm接箍是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件抽油杆的强度：C级杆(570MPa)、D级杆(810MPa),抽油杆（rod String ）,主要功能：传递能量,抽油杆的长度一般为8000mm或7620mm，另外，为了调节抽油杆柱的长度，还有长度不等的抽油杆短节抽油杆的强度：C级杆、D级杆、 K级杆,常规钢抽油杆的机械性能,接箍（Coupling）是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件按其结构特征可分为：普通接箍、异径接箍和特种接箍普通接箍：连接等直径的抽油杆,异径接箍：用于连接不同直径的抽油杆,特种接箍：主要用于斜井或普通油井中，降低抽油杆柱与油管之间的摩擦力，减少对油管的磨损。

扶正器,Centering Guide,超高强度抽油杆(EL级杆),玻璃钢抽油杆,空心抽油杆,电热抽油杆,连续抽油杆,柔性抽油杆： 如钢丝绳抽油杆,二、泵的工作原理 Pump Mechanics,光杆冲程：光杆从上死点到下死点的距离，用S表示冲程：光杆（或柱塞）上、下运动一次称为一个冲程柱塞冲程：柱塞在上、下死点间的位移冲次: 每分钟内完成冲程的次数，用n来表示几个基本概念,动液面---生产时的环空液面深度Lf,静液面---关井时的环空液面深度Ls,沉没度---生产时的环空液面距泵口距离hf,二、泵的工作原理,(一)泵的抽汲过程,抽油杆柱带着柱塞向上运动，柱塞上的游动阀受管内液柱压力而关闭泵吸入的条件：泵内压力(吸入压力)低于沉没压力A-上冲程,1)上冲程,泵内压力降低，固定阀在环形空间液柱压力(沉没压力)与泵内压力之差的作用下被打开泵内吸入液体、井口排出液体B-下冲程,2)下冲程,柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭泵排出的条件： 泵内压力(排出压力)高于柱塞以上的液柱压力柱塞上下抽汲一次为一个冲程，在一个冲程内完成进油与排油的过程光杆冲程：光杆从上死点到下死点的距离泵内压力增加，当泵内压力大于柱塞以上液柱压力时，游动阀被顶开。

柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部，使泵排出液体工作原理：深井泵是依靠抽油机带动抽油杆使活塞在衬套内部做往复运动来实现抽油的二)泵的理论排量,泵的工作过程 是由三个基本环节所组成，即柱塞在泵内让出容积，井内液体进泵和从泵内排出井内液体在理想情况下，活塞上、下一次进入和排出的液体体积都等于柱塞让出的体积：,每分钟的排量为：,每日排量:,泵的理论排量,冲次：一分钟的时间内抽油泵吸入与排出的周期数第二节 抽油机悬点运动规律及载荷,一、抽油机悬点运动规律,(一)简化为简谐运动时悬点运动规律,假设条件：r/l0、r/b0,图3-7 抽油机四连杆机构简图,游梁和连杆的连接点B的运动可看做简谐运动，即认为B点的运动规律和D点做圆运动时在垂直中心线上的投影(C点)的运动规律相同则B点经过t时间(曲柄转角φ)时位移为：,以下死点为坐标零点，向上为坐标正方向，则悬点A的位移为：,A点的加速度为:,A点的速度为:,图3-8 简谐运动时悬点位移、速度、加速度曲线,,(二)简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律,假设条件：0r/ι1/4 λ=r/ι r/b=0 把B点绕游梁支点的弧线运动近似地看做直线运动，则可把抽油机的运动简化为曲柄滑块运动。

曲柄滑块机构简图,A点加速度:,A点位移：,A点速度:,图3-10 悬点速度变化曲线 1-按简谐运动计算；2-精确计算；3-按曲柄滑块机构计算,图3-11 悬点加速度变化曲线1-按简谐运动计算；2-精确计算；3-按曲柄滑块机构计算,按曲柄滑块计算的悬点速度变化为歪曲的正弦曲线、加速度为歪曲的余弦曲线,曲柄滑块机构模型可做一般的计算和分析简谐运动模型只能做估算和简单分析三）悬点运动规律的精确分析,,,,二、抽油机悬点载荷计算,1.静载荷,(一)悬点所承受的载荷,包括：抽油杆柱载荷；作用在柱塞上的液柱载荷；沉没压力对悬点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响,①抽油杆柱载荷,失重系数,②作用在柱塞上的液柱载荷,上冲程:,下冲程:,A-上冲程,B-下冲程,游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：,游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点③沉没压力(泵口压力)对悬点载荷的影响,上冲程 在沉没压力作用下，井内液体克服泵入口设备的阻力进入泵内，此时液流所具有的压力即吸入压力吸入压力作用在柱塞底部产生向上的载荷:,下冲程 吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响④井口回压对悬点载荷的影响,液流在地面。