抽油机节能、测试、热洗培训教.ppt

第一章 抽油机深井泵采油 机械举升采油方式是目前大庆油田的最 主要的、也是应用最为广泛的是采油方式。 在机械举升工艺中，抽油机深井泵采油是 应用井数最多的举升工艺。在本章节中，重 点介绍抽油机深井泵采油的基础理论、技 术发展、测试技术以及节能新技术的应用。 第一节 抽油机深井泵抽油装置及基础 理论计算 抽油机深井泵采油方式，简称为抽油机 采油方式。本节介绍的主内容是抽油机装置的 构成，抽油机技术的发展以及抽油机举升工艺 的基础理论。 一、抽油机深井泵抽油装置 抽油机深井泵抽油装置 是指由抽油机、 抽油杆、深井泵组成的抽油系统。它借助于抽 油机曲柄连杆机构的运动，将动力机（一般为 电动机）的旋转运动转变为光杆的上下往复运 动，用抽油杆带动深井泵柱塞进行抽油。 （一）抽油机 抽油机是抽油机深井泵抽油系统中的主要地面设备 。游梁式抽油机主要由游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、 动力设备、辅助设备等四大部份组成。工作时，动力机 将高速旋转动动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲 柄轴做低速旋转运动，曲柄通过连杆经横梁带动游梁作 上下往摆动，挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆作上下 往复动动。 游梁式抽油机按照结构主要分为两大类：即普通式游 梁式抽油机和前置式游梁式抽油机。 随着抽油机制造技术的不断发展进步，自 20世纪90年代后，陆续开发了不同形式的以节 能为目的的抽油机，节能抽油机仍然属于普通 式游梁式抽油机结构。关于节能型抽油机的结 构特点，将在节能技术中加以介绍。 普通式游梁式抽油机和前置式游梁式抽油 机两者的主要组成部分相同，只是游梁与连杆 的连接位置不同。普通抽油机一般采用机械平 衡，而前置式抽油机最初多采用气动平衡，但 由于技术上的不完善，后来使用机械平衡的方 法，目前在我厂使用的前置式抽油机均为机械 平衡。前置式抽油机上冲程曲柄转角为195， 下冲程曲柄转角165，使得上冲程较下冲程慢 。 我国已制定了游梁式抽油机系列标准，其型 号表示方法如下： CYJ10-3-53HB 平衡方式：F：复合平衡 Y：游梁平衡 B：曲柄平衡 Q：气动平衡 减速箱形式代号：H为点啮合双圆弧 齿轮，渐虎线人字齿轮省略。 减速箱曲柄轴最大输出扭矩，KN.m 光杆最大冲程 m 悬点最大载荷 10 KN 游梁式抽油机代号：CYJ-常规型 CYJY-异相型 CYJQ-前置型 （二）抽油泵 抽油泵是抽油机深井泵抽油系统中的井下设备。由于 它的工作环境复杂，条件恶劣，而且它工作的好坏直接关 系到油井的产量，因而应满足以下一般要求： （1）结构简单，强度高，质量好。连接部分密封可靠； （2）制造材料耐磨，抗腐蚀性好，使用寿命长； （3）规格能满足排量要求，适应性强； （4）便于起下。 抽油泵主要由工作筒、柱塞及固定凡尔、游动凡尔组 成。按照抽油泵在油管中的固定方式分为杆式泵和管式泵 。在我厂主要应用管式泵。 我国已制定了抽油泵系列标准，其型号表示方 法如下： CYB 38 R H A M 4.5-1.5-0.6 加长短节长 m 柱塞长度 m 泵筒长度 m 定位部件形式 定位形式 泵筒形式 抽油泵形式：R：杆式泵； T：管式泵。 抽油泵公称直径：mm 抽油泵代号 定位部件形式：C-皮碗式；M-机械式 定位部位：A-定筒式、顶部定位 B-定筒式、底部定位 T-动筒式、顶部定位 泵筒形式：H-金属柱塞厚壁筒 L-金属柱塞组合泵筒 W-金属柱塞薄壁筒 S-软柱塞薄壁筒 P-软柱塞厚壁筒 抽油泵柱塞和泵筒配合分为三个等级，其间隙值见下表 间间隙等级级 直径上的间间隙（m） 207070120120170 抽油泵的等级与试压时的漏失量有关，管式泵不同等级漏失量推荐值 见下表： 公称直径 （mm） 试验压试验压 力 （MPa） 间间隙等级级 最大漏失量（L/min） 32 10 1054511196 381255351421 441456201645 561847892094 571878032131 702309862617 8327211693103 9531213383552 （三）抽油杆 我国生产的抽油杆从级别上分有C、D、K、H 等四种级别。C级抽油杆用于轻、中型负荷的抽油 机井；D级抽油杆用于中、重负荷的抽油机井；K 级抽油杆用于轻、中负荷有腐蚀性的抽油机井。 H 级抽油杆是近年来各抽油杆厂家根据油田开发过程 中大泵井逐渐增多和聚驱不断投入开发研制出的高 强度抽油杆，高强度抽油杆分为工艺型和材料型两 种。大庆油田使用最广泛的抽油杆为C级和D级抽 油杆。由于各个抽油杆生产厂家采取的加工工艺不 一，使用的加工材料不一，抽油杆的机械性能也各 不相同。 二、抽油泵的工作原理 （一）泵的抽汲过程 1、上冲程 抽油杆带动柱塞向上运动，柱塞上的游动凡尔 受管柱内液柱的压力而关闭。此时泵内压力降低 ，固定凡尔在环形空间液柱压力与泵内压力之差 （即沉没压力）的作用下而打开。如果油管内已 充满液体，在井口将排相当于柱塞冲程长度的一 段液体，同时泵内吸入液体。造成泵吸入液体的 条件是泵内压力低于沉没压力。 2、下冲程 抽油杆带动柱塞向下运动，固定凡尔立即关 闭，泵内压力升高到大于柱塞以上液柱压力时， 游动凡尔打开，柱塞下部的液体通过游动凡尔进 入柱塞上部，使泵排出液体。所以下冲程是泵向 油管排液的过程，条件是泵内压力高于柱塞以上 液柱压力。 （二）泵的理论排量 泵的工作过程由三个基本环节组成，即：柱塞在泵内 让出容积、井内液体进泵内和从泵内排出液体。理想情 况下，柱塞上、下冲程进入和排出的液体体积都等于柱 塞让出的体积V。 式中：fp柱塞面积， ，m2 s光杆冲程 m D泵径 m 每分钟排量Vm 每日排量： 三、抽油机悬点载荷的计算 抽油机在不同抽汲参数下工作时，悬点所承受的载荷是 选择抽油设备及分析设备工作状况的重要依据。为此了解 悬点承受哪些载荷和怎样计算这些载荷是十分必要的。 （一）悬点承受的载荷 1、静载荷 （1）抽油杆柱载荷 驴头带动抽油杆运动过程中，抽油杆柱的载荷始终作用 于驴头上。但在下冲程时，游动几尔打开，油管内液体的 浮力作用于抽油杆柱上，所以，下冲程中作用在悬点上的 抽油杆柱的重力减去液体的浮力，即它在液体中的重力作 用在悬点上的载荷。而在上冲程中，游动凡尔关闭，抽油 杆柱不受油管内液体浮力的影响，所以上冲程中作用在悬 点上的抽油杆柱的载荷是抽油杆在空气中的重力。 上冲程作用在悬点上的抽油杆柱的载荷： 式中：Wr抽油杆在空气中的重力，N； g重力加速度，m/s2； fp抽油杆截面积，m2； s抽油杆材料（钢）的密度，s=7850Kg/m3； L抽油杆长度m； qr每米抽油杆的质量，Kg/m。 下冲程作用在悬点上的抽油杆柱的载荷： 式中：Wr抽油杆在空气中的重力，N； l液体的密度，kg/m3。 为了便于计算，我们在表中列出不同直径抽油杆在空气 中的每米重量。 直径d(m) 截面积积（cm2） 空气中每米抽油杆重量（ Kg/m） 16 19 22 25 2.00 2.85 3.80 3.91 1.64 2.30 3.07 3.17 （2）作用在柱塞上的液柱载荷 在上冲程时，由于游动凡尔关闭，液柱载荷作 用在柱塞上；而下冲程时，由于游动凡尔打开， 液柱载荷作用在油管上，因而悬点只在上冲程承 受液柱载荷。 （3）沉没压力对悬点载荷的影响 上冲程时，在沉没度压力的作用下，井内液体克服泵的 入口设备的阻力进入泵内，此时液流所具有的压力称吸入 压力，此压力作用在柱塞底部产生向上的载荷： 式中：Pi吸入压力pi作用在柱塞底部产生的载荷 N pi吸入压力 Pa fp柱塞截面积 m2 pn沉没压力 Pa pi液流通过泵固定凡尔产生的压力降 Pa 而在下冲程时，吸入阀（固定凡尔）关闭，沉没压力 对悬点载荷没有影响。 其中，pi的确定比较复杂，计算公式如下： 式中：vf-液体通过固定凡尔阀孔的流速，m/s; fp柱塞截面积，m2； f0固定凡尔阀孔截面积，m2； vp柱塞运动速度，m/s； 由实验确定的阀流量系数。对于标准型阀可查 图。 但在查图之前需计算雷诺数NRe： 式中：d0固定凡尔阀孔径，m； vf液流速度，m/s； 液体运动粘度，m2/s。 （4）井口回压对悬点载荷的影响 液流在地面管线流动阻力所产生的井口回压对悬点 产生附加载荷。其性质与液体产生的载荷相同，特点 是上冲程增大悬点载荷，下冲程减小抽油杆柱载荷。 上冲程时： 下冲程时： 式中：Ph井口回压 Pa 由于沉没压力和井口回压在上冲程时产生的悬点 载荷变化方向相反，故此在近似计算中将其忽略。 2、动载荷 （1）惯性载荷 抽油机运转时，驴头带抽油杆和液柱做变速 运动，因而产生抽油杆和液柱的惯性力。如果 忽略抽油杆和液柱的的弹性影响，则可以认为 抽油杆和液柱的各点与抽油机悬点运动完全一 致，产生的惯性力除与抽油杆和液柱的质量有 关外，还与悬点加速度的大小成正比。 抽油杆的惯性力Ir为： 液柱的惯性力Il为： 式中：-考虑油管过流断面变化引起液柱加速度 变化的系数： ftf-油管过流断面面积 如果结合抽油机悬点运动规律，最大加速 度将发生的上死点和下死点，其加速度值分 别为： 上死点时 下死点时 以此可求得上冲程时抽油杆柱引起的悬点最大 惯性载荷Iru为： 下冲程时液柱引起的悬点最大惯性载荷Ird为： 上冲程时液柱引起的悬点最大惯性载荷Ilu为： 下冲程时液柱不随悬点运动，因而没有液柱 惯性载荷。 下冲程时液柱不随悬点运动，因而没有液柱 惯性载荷。 实际上由于受抽油杆柱和液柱的弹性影响 ，抽油杆柱和液柱各点的运动与悬点的运动并 不相同，所以按上述悬点最大加速度计算的惯 性载荷将大于实际数值，在液柱中含气和冲次 较低的情况下，计算点最大载荷时可忽略液柱 惯性载荷。 （2）振动载荷 抽油杆柱作为一弹性体，由于抽油杆柱作变速 运动和液柱载荷周期性地作用在抽油杆上，从 而引起抽油杆的弹性振动，它所产生的振动载 荷也作用于悬点上，其数值与抽油杆的长度、 载荷变化周期及抽油机结构有关。在一般情况 下的理论计算时，忽略抽油杆柱的振动载荷。 3、摩擦载荷 抽油机井工作时，作用在悬点上的摩擦载荷受以下五部 份的影响： （1）抽油杆柱与油管之间的摩擦力：在直井内通常不超 过抽油杆柱重量的1.5%。 （2）柱塞与衬套之间的摩擦力：当泵径不超过70mm时 ，其值小于1717N。 （3）液柱与抽油杆之间的摩擦力：除与抽油杆长度和运 动速度有关外，主要取决于液体的粘度。 （4）液柱与油管之间的摩擦力：除与液流速度有关外， 主要取决于液体的粘度。 （5）流体通过游动凡尔的摩擦力：除与固定凡尔的结构 有关外，主要取决于液体的粘度。 上冲程中作用在悬点上的摩擦载荷主要受（ 1）（2）及（4）三项影响，其方向是向下， 增加悬点载荷。下冲程中作用在悬点上的摩擦 载荷主要受（1）（2）（3）及（5）四项影响 ，其方向是向上，减小悬点载荷。 在直井中无论稠油还是稀油，抽油杆柱与 油管、柱塞与衬套之间的摩擦力数值都不大， 均可忽略，但在稠油井内，液柱摩擦引起的摩 擦载荷则是不可忽略的，但对于大庆油田而言 ，原油的性质不属于稠油，因而液柱摩擦引起 的摩擦载荷可以忽略。 4、抽汲过程中的其它载荷 一般情况下，抽油杆柱载荷、作用在柱塞上的 液柱载荷及惯性载荷是构成悬点载荷的三项基本 载荷，在稠油井内的摩擦载荷及大沉没度井中的 沉没压力对载荷的影响也是不可忽略的。 除上述载荷外，在抽油过程中尚有其它一些 载荷，如在低沉没度井内由于泵的充满程度差， 会发生柱塞与泵内液面的撞击，产生较大的冲击 载荷，从而影响悬点载荷。各种原因产生的撞击 ，虽然可能会造成较大的悬点载荷，是抽油中的 不利因素，但在进行设计计算时尚无法预计，故 在计算中都不考虑。 （二）悬点最大、最小载荷 1计算悬点最大和最小载荷的一般公式 根据对悬点所承受的各种载荷的分析，抽油机 工作时，上、下冲程中悬点载荷的组成是不同 的。最大载荷发生在上冲程中，最小载荷发生 在下冲程中，其值分别如下： 式中：Pmax、Pmin悬点最大和最小载荷； Wr、Wr上、下冲程中作用在悬点上的抽油杆柱载 荷； Wl作用在柱塞上的液柱载荷； Iu、Id上、下冲程中作用在悬点上的惯性载荷； Phu、Phd上、下冲程中井口回压造成的悬点载荷； Fu、Fd上、下冲程中的最大摩擦载荷； Pv振动载荷； Pi上冲程中吸入压力作用在活塞上产生的载荷。 在下泵深度及沉没度不很大、井口回压及冲数 不甚高的稀油直井内，在计算最大和最小载荷时 ，通常可以忽略Pv、Fu、Fd 、Phu、Pi i及液柱 惯性载荷。此时可得： 如果按将抽油机悬点运动规律简化为简谐运动 时，则可忽略r/l的影响。 2、计算悬点最大载荷的其它公式 抽油杆在井下工作时，受力情况是相当复杂的 ，所有用来计算悬点最大载荷的公式都只能得到近 似的结果。现将国内外所用的一些比较简便的公式 列在下面，供计算时参考： 公式 公式 公式 公式 公式 公式可用于一般井深及低冲数油井。 公式是式 的另一种表达形式，本 质上是完全相同的。 公式、和V都是把悬点运动简化为简谐运动，取r l0。公式只考虑了抽油杆柱产生的惯性载荷，公式 和V同时考虑了抽油杆柱和液柱的惯性载荷。考虑到摩 擦力的影响， 在公式和工中的液柱载荷采用W(即作用在柱塞整 个截面积上的液柱载荷)，而公式V中采用W1(即作用在柱 塞环形面积人一人上的液柱载荷)。所以，公式V的计算结 果较公式小。 四、泵效的计算 在抽油井生产过程中，实际产量Q一般都比理 论产量Qt要低，两者的比值叫泵效，用表示 ，即： 影响泵效的因素很多，但从深井泵工作 的三个基本环节(柱塞让出体积，液体进泵 ，液体从泵内排出)来看，可归结为以下三 个方面： (1)抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩。根据深井泵 的工作特点，抽油杆柱和油管柱在工作过程中因 承受着交变载荷而发生弹性伸缩，使柱塞冲程小 于光杆冲程，所以减小了柱塞让出的体积。 (2)气体和充不满的影响。当泵内吸人气液混 合物后，气体占据了柱塞让出的部分空间，或者 当泵的排量大于油层供油能力时液体来不及进入 泵内，都会使进入泵内的液量减少。 (3)漏失影响。柱塞与衬套的间隙及阀和其它 连接部件间的漏失都会使实际排量减少。 从上述三方面出发，泵效的一般表达式可写为： 考虑抽油杆柱和油管柱弹性伸缩后的柱塞冲程与光 杆冲程之比， 表示杆、管弹性伸缩对泵效的影响； 进入泵内的液体体积与柱塞让出的泵内体积之比， 表示泵的充满程度； 泵漏失对泵效影响的漏失系数； 由于泵效是以地面产出液的体积计算，则是考虑地 面原油脱气引起体积收缩对泵效计算的影响。为吸人条 件下被抽汲液体的体积系数。 （一）柱塞冲程 一般情况下，柱塞冲程小于光杆冲程，它是 造成泵效小于1的重要因素。抽油杆柱和油管柱的 弹性伸缩愈大，柱塞冲程与光杆冲程的差别也愈 大，泵效就愈低。抽油杆柱所受的载荷不同，则 伸缩变形的大小不同。如前所述，抽油杆柱所承 受的载荷主要有：抽油杆柱及液柱载荷；抽油杆 柱和液柱的惯性载荷及抽油杆柱的振动载荷。下 面就分别分析由这些载荷作用所引起的抽油杆柱 及油管的弹性变形，以及对柱塞冲程的影响。 由于作用在柱塞上的液柱载荷在上、下冲程中交 替地分别由油管转移到抽油杆柱和由抽油杆柱转 移到油管，从而引起杆柱和管柱交替地增载和减 载，使杆柱和管柱发生交替地伸长和缩短。 当驴头开始上行时，游动阀关闭，液柱载荷作用 在柱塞上，使抽油杆发生弹性伸长。因此，柱塞 尚未发生移动时，悬点这一段距离即为抽油杆柱 的伸长，用r表示. 当悬点继续运动时，油管要卸去载荷要缩短一 段距离。此时，柱塞与泵筒之间没有相对位移。 这段缩短距离使悬点增加了一段无效位移。用t 表示。所以，吸入阀仍然是关闭的。 当驴头继续上行时，柱塞才开始与泵筒发生 相对位移，吸人阀开始打开并吸入液体，一直到 上死点。由此看出：柱塞有效移动距离（柱塞冲 程）Sp比光杆冲程小，而且r+t。 下冲程开始时，吸入阀立即关闭，液柱 载荷由抽油杆柱逐渐移到油管上，使抽油杆 缩短r，而油管伸长t。此时，只有驴头下行 r+t距离之后，柱塞才开始与泵筒发生相 对位移。因此，下冲程中柱塞冲程仍然比光 杆冲程小值。 抽油杆柱和油管柱的自重伸长在泵工作的整 个过程中是不变的，因此，它们不用会影响 柱塞冲程。由此，柱塞冲程： 式中 冲程损失。 由于液柱载荷引起的冲程损失使泵效降低的 数值为： 值可根据虎克定律来计算： 如果为多级抽油杆，则： 由公式可看出：柱塞截面积愈大，泵下得愈深 则冲程损失愈大。为了减小液柱载荷及冲程损 失，提高泵效，通常不能选用过大的泵，特别 是深井中总是选用直径较小的泵。当泵径超过 某一限度(引起的s/2)之后，泵的实际排量不但 不会因增大泵径而增加，反而会减小。当s时 ，活塞冲程等于零，泵的实际排量等于零。 （二）泵的充满程度 多数油田在深井泵开采期，都是在井底流压 低于饱和压力下生产的，即使在高于饱和压力下 生产，泵口压力也低于饱和压力。因此，在抽汲 时总是气液两相同时进泵，气体进泵必然减少进 入泵内的液体量而降低泵效。当气体影响严重时 ，可能发生“气锁”，即在抽汲时由于气体在泵内 压缩和膨胀，使吸人和排出阀无法打开，出现抽 不出油的现象。 通常采用充满系数来表示气体的影响程度： 式中 Vp上冲程活塞让出的容积； Vl每冲程吸人泵内的液体体积。 充满系数表示了泵在工作过程中被液体充满 的程度。愈高，则泵效愈高。泵的充满系数与泵 内气液比和泵的结构有关。 （三）泵的漏失 影响泵效的漏失因素包括： (1)排出部分漏失。柱塞与衬套的间隙漏失、 游动阀漏失，都会使从泵内排出的液量减少。 (2)吸入部分漏失。固定阀漏失会减少进入泵 内的液量。 (3)其它部分的漏失。尽管泵正常工作，由于 油管丝扣、泵的连接部分密封不严，都会因漏 失而降低泵效。 由于磨损、砂卡、蜡卡及腐蚀所产生的漏失很难计 算，可根据示功图来分析漏失的严重程度。新泵正常 工作时的漏失量，一般可根据试泵时所测的漏失量来 估算，亦可根据下面方法来计算和分析漏失量与抽汲 参数之间的关系。 式中 D泵径，m； 液体运动粘度，m2/s； L柱塞长度，m； H柱塞两端的液柱压差，m； g重力加速度，m2/s； e柱塞与泵筒的径向间隙，m； P柱塞运动速度，ms。 （四）提高泵效的措施 泵效的高低是反映抽油设备利用效率和管 理水平的一个重要指标。前面只就泵本身的工 作状况进行了分析，谈到了相应的措施。实际 上，泵效同油层条件有相当密切的关系。因此 ，提高泵效的一个重要方面是要从油层着手， 保证油层有足够的供液能力。 下面简要介绍为了提高泵效在井筒方面应采取 的一般措施： （1）选择合理的工作方式。 当抽油机已定，设备能力足够大时，在保证产量 的前提下，应以获得最高泵效为基本出发点来调 整参数。一般是先用大冲程和较小的泵径，这样 ，既可减小气体对泵效的影响又可降低悬点载荷 。对于油比较稠的井，一般采用大泵、大冲程、 小冲数；而对于连喷带抽的井则选用大冲数快速 抽汲，以增强诱喷作用 （2）确定合理沉没度，以降低泵口气液比 ，减少进泵气量，从而提高泵的充满程度。 （3）改善泵的结构，提高泵的抗磨、抗腐 蚀性能，采取防砂、防腐蚀、防蜡及定期检泵 等措施。 （4）使用油管锚减少冲程损失。如前所述， 冲程损失是由于静载变化引起抽油杆柱和油管柱 的弹性伸缩造成的。如果用油管锚将油管下端固 定，则可消除油管伸缩，从而减少冲程损失。 （5）合理利用气体能量及减少气体影响。气 体对抽油井生产的影响随油井条件不同而不同。 对刚由自喷转为抽油的井，初期尚有一定的自喷 能力，可合理控制套管气，利用气体能量来举油 ，使油井连喷带抽，从而提高油井产量和泵效。 实践证明：对于一些不带喷的抽油井，合理控制 套管气可起到稳定液面和产量的作用，并可减少 因脱气而引起的原油粘度的增加。 对于一般含气的抽油井，要提高泵的充满系 数就必须降低进泵气油比，其措施之一是适当 增加沉没度，以减少泵吸入口处的自由气量。 但要增大沉没度，就必须增加下泵深度。因此 ，用增大沉没度来提高泵效的措施总是受到某 些条件的 高含气抽油井减少气体对泵工作影响的有 效措施是在泵的人口处安装气锚 ，将油流中的 自由气在进泵前分离出来，通过油套管环形空 间排到地面。 第二节 有杆抽油系统的计算 一、抽油杆强度的计算及杆柱设计 （一）抽油杆的受力特征及强度计算方法 抽油杆的选择主要包括确定抽油杆柱的长 度、直径、组合及材料。下泵深度确定后，抽 油杆柱的长度就定了。为了保证抽油杆安全工 作，必须根据材料及强度来确定其直径。 抽油杆柱工作时承受着交变负荷，因此，在 抽油杆内产生了由max到min。的非对称循环应 力： max抽油杆柱顶部的最大应力； min曲油杆柱顶部的最小应力； Pmax悬点最大载荷； Pmin悬点最小载荷； 在交变负荷作用下，抽油杆柱往往是由于 疲劳而发生破坏，而不是在最大拉应力下破坏 。因为，如果在最大拉应力下发生破坏，那么 抽油杆的断裂事故将主要发生在拉应力最大的 上部，但是矿场使用抽油杆的实践表明：在上 部、中部和下部都有断裂。因此，抽油杆柱必 须根据疲劳强度来进行计算。 根据研究，在非对称循环应力下的抽油杆强度条件为 ： 式中 : -1 一许用应力； -1一对称循环疲劳极限应力 K一安全系数； -1一折算应力； a一循环应力的应力幅： 在确定抽油杆柱组合时，应该注意在活塞下 行时，由于活塞与衬套的摩擦及液体通过游动阀 的阻力，往往会使抽油杆柱下部发生纵向弯曲， 产生弯曲应力。因此，有时下部抽油杆采用一段 直径较大的抽油杆(或加重抽油杆)。采用下部加 重杆柱，一方面可提高刚度和增加强度；另一方 面，这部分杆柱重量能够克服活塞下行阻力，减 小弯曲。 （二）抽油杆柱设计方法 对于钢杆抽油杆柱设计来说，一般采用等强 度原则，即各级杆柱顶端面的应力范围比或折 算应力相等。 但是随技术研究的不断深入，目前已不再 进行这一类的设计，因此，等应力设计方法不 再介绍。目前最为常用的是最大应力设计方法 。即前面介绍的奥金格公式设计方法。 二、抽油机-深井泵抽油系统设计 有杆抽油系统包括油层、井筒流动、机 杆泵。有杆抽油系统设计主要是选择机、 杆、泵、管以及抽汲参数，并预测其工况指 标，使整个系统高效而安全地工作。 （一）设计的原则 以油藏供液能力为依据，以油藏与抽油设 备的协调为基础，最大限度地发挥设备和油 藏潜力，使抽油系统高效而安全地工作。 （二）设计的内容 对刚转为有杆泵抽油的井和少量需调整 抽油机机型的有杆抽油的井，可初选抽油机 机型。对大部分有杆抽油的油井，抽油机不 变，为已知。对于某一抽油机型号，设计内 容有：泵型、泵径、冲程、冲次、泵深及相 应的杆柱组合和材料，并预测相应抽汲参数 下的工况指标，包括载荷、应力、扭矩、功 率、产量及电耗等。 （三）需要的基础资料 有杆抽油井生产系统设计需要的基础数据如 下： (1)井深，套管直径，油藏压力，油藏温度。 (2)油、气、水密度，油饱和压力，地面脱气 原油粘度。 (3)含水率，套压，油压，生产气油比，设 计前油井的产量、流压(或动液面和泵深，或产 液指数)。 （四）设计方法 有杆抽油系统设计方法可分为不限定产量 和给定产量两种情况下的设计。 1不限定产量时的设计，不限定产量时 的设计实际上是在一定的设备条件下，寻求发 挥设备最大潜力的抽油设计方案， 此类设计一 般由专业技术经济管理人员进行,因而在此不再 讲述。 2给定产量时的设计 这是根据油井的配产任务，寻求为完成规定产量使抽油系 统在高效率下工作的抽油方案。其核心是确定合理的抽汲 参数。设计步骤与不限定产量时的主要不同点是： (1)以规定的产量作为设计产量，不再先假定产量。 (2)进行杆柱设计时，若杆柱超应力，则应选高强度杆或 重新确定能满足规定的抽汲参数组合(主要是Dp、S、N) ；若最后仍无法满足，则停止设计，说明配产不合理，有 杆抽油方式无法实现配产任务。 (3)如果抽油机超扭矩和超载荷，则可更换大型抽油机， 重新进行设计。 (4)能够基本满足规定产量的抽汲参数可能会有多种组合 ，则应以系统的效率高、能耗低作为抽汲参数的选择依据 。 第三节 抽油机-深井泵抽油系统工况分析 油井生产分析的目的是了解油层生产能力 、设备能力以及它们的工作状况，为进一步制 定合理的技术措施提供依据，使设备能力与油 层能力相适应，充分发挥油层潜力，并使设备 在高效率下正常工作，以保证油井高产量、高 泵效生产。 抽油井分析应包括如下内容： (1)了解油层生产能力及工作状况，分析是否 已发挥了油层潜力，分析、判断油层不正常工 作的原因。 (2)了解设备能力及工作状况，分析设备是否 适应油层生产能力，了解设备潜力，分析、判 断设备不正常的原因。 (3)分析检查措施效果。 总起来说，有杆抽油系统工况分析就是分 析油层工作状况及设备工作状况，以及它们之 间的相互协调性。 一、抽油机井的液面测试分析 （一）液面测试技术的发展 液面测试技术近几年来的发展主要是在数据 录取方面。其基本的测试原理没有本质的变化。 如测试的声仍然是开口子弹。 普通的双声道回声仪采用的是将声波信号通 过转换使仪器表笔发热，在恒速运动的记录纸上 记录波形信号，之后进行测试资料的解释。 目前的液面测试是将声波信号转换为电信 号，电信号通过计算机模拟形成数据信号， 并存贮在测试仪器之内，之后将测得的数据 通过计算机软件进行回放，并进行解释。解 释结果可直接在企业网上实现数据的传输和 查阅。 （二）静液面、动液面及采油指数 静液面是关井后环形空间中液面恢复到静 止(与地层压力相平衡)时的液面，可以用从 井口算起的深度LS表示其位置，也可以用从 油层中部算起的液面高度HS来表示其位置。 与它相对应的井底压力就是油藏压力。 动液面是油井生产时油套环形空间的液面 。可以用从井口算起的深度LF表示其位置， 亦可用从油层中部算起的高度HF来表示其位 置。与它相对应的井底压力就是流压Pf。与 静液面和动液面之差(即H=HS-HF)相对应的 压力差即为生产压差。 沉没度是表示泵沉没在 动液面以下的深 度，其大小应根据气油比的高低、原油进泵 所需的压头大小来定。 与自喷井不同的是抽油井一般都是通过液面的变化， 来反应井底压力的变化。因此，抽油井的流动方程多采用 下式来表示： 式中 Q油井产量，td； HS、LS 静液面的高度及深度，m； Hf、Lf动液面的高度及深度，m； K采油指数，t/(dm)。 由上式可得： 在测量液面时，套管压力往往不等于零， 这 样，在 不同套压下测得的液面并不直接反映井底 压力的高低。为了除套压影响，提出一个“折算液 面”的概念。 式中 LJC折算动液面深度，m； LF在套压为PC时测得的动液面深度，m； PC测液面时的套管压力，MPa； g重力加速度，ms； 0环形空间中的原油密度，kg/m3。 （四）液面位置的测量 抽油井的液面采用回声仪来测量，它是利用声 波在环形空间中的传播速度和测得的反射时间来 计算其位置： 式中 L液面深度，m； v声波传播速度，m/s； t声波从井口到液面后再返回到井口所需 要的时间，s。 声波速度可以用不同的方法来确定。 1、有音标井 为了确定音速，应预先在测量井内的油管上 装一音标。音标位置应在液面以根据已知的音标 深度和测得的音标反射所需时间t1就可确定声速 v： 将计算的速度代入计算公式即可得出： 2无音标井 有些井预先没有下音标或无法下音标，对于这类井有两 种确定音速的方法： （1） 计算法 根据波动理论和声学原理，利用气态方程，将声波在气体中 的传播速度计算公式进行简化，其计算公式为： 式中 V声波速度，m/s； K绝热指数； T气体绝对温度，K； g0天然气相对密度(标准状况下)； Z气体压缩因子，在低压下一般取1。 根据实据测得的液面曲线，用前n根油管长度 ，曲线长度，液面波深度、测试接箍波、液面波 的时间来进行计算。 计算公式与有音标计算方法相同。 （五）含水井油水界面及工作制度与含水的 关系 含水井正常抽油时，泵吸人口以上的油套 管环形空间流体不会发生流动。因此，油水由 于密度差而发生重力分异，使泵吸人口以上的 环形空间的液柱中不含水，而在吸人口以下为 油水混合物。故正常抽汲时油水界面稳定在泵 的吸入口处。 流动压力可近似地表示为： 式中 Pf流压，MPa； H油层中部深度，m； L泵挂深度，m； hs沉没度，m； g重力加速度，m/s2； LG井内液气混合物平均密度， kg/m3； o吸人口以上环形空间油柱平均密度，kg/m3； Pc套压，MPa。 对于低气油比含水油井，可采用在泵下加深 尾管的方法来降低流压，以提高产量。对于低含 水、高气油比的油井(除带喷井外)， 加深尾管会 降低泵的充满系数，因为进入尾管后从油中分出 的气体将全部进入泵内。 二、地面示功图分析 示功图是由载荷随位移的变化关系曲线所 构成的封闭曲线图。表示悬点载荷与位移关系 的示功图称为地面示功图或光杆示功图。在实 际工作中是以实测地面示功图作为分析深井泵 工作状况的主要依据。由于抽油井的情况较为 复杂，在生产过程中，深井泵将受到制造质量 、安装质量以及砂、蜡、水、气、稠油和腐蚀 等多种因素的影响，所以，实测示功图有时奇 形怪状，各不相同。为了能正确分析和解释示 功图，常常需要以绘制理论示功图为基础。 C （一）理论示功图及其分析 A B D SP 以悬点位移为横坐标，悬点载荷为纵 坐标作出的静载荷作用下的理论示功 图如图所示。 在下死点A处的悬点静载荷为W/r ，上冲程开始后液柱载荷W/l 逐渐加 在柱塞上，并引起抽油杆柱和油管柱 的变形，载荷加完之后，停止变形。 从B点悬点以不变的静载荷(W/r+W/l) 上行至上死点C。 从上死点开始下行后，由于抽油杆柱和油管柱的弹性， 液柱载荷W/l逐渐地由柱塞转移到油管上，故悬点逐渐卸载。 在D点卸载完毕，悬点以固定的静载荷继续下行至A点。 这样，在静载荷作用下的悬点理论示功图为 平行四边形ABCD。ABC为上冲程的静载荷变化 线。AB为加载线， 加载过程中，游动阀和固定 阀同时处于关闭状态； 由于在B点加载完毕，变 形结束，柱塞与泵筒开始发生相对位移，固定阀 也就开始打开而吸入液体。 故 B C为吸入过程， 在此过程中游动阀处于关闭状态。 由于在D点卸 载完毕，变形结束， 柱塞与泵筒发生向下的相对 位移， 游动阀被顶开而开始排出液体。故DA为 排出过程， 排出过程中固定阀处于关闭状态。 (二)典型示功图分析 典型示功图是指某一因素的影响十分明 显，其形状代表了该因素影响下的基本特征 的示功图。在实际情况下，虽然有多种因素 影响示功图的形状，但总有其主要因素，所 以，示功图的形状也就反映着主要因素影响 下的特征。 1、气体和充不满对示功图的影响 由于在下冲程末余隙内还残存 一定数量的溶解气和压缩气，上冲 程开始后泵内压力因气体的膨胀而 不能很快降低，使吸人阀打开滞后 ，加载变慢。余隙越大，残存的气 量越多，泵口压力越低，则吸入阀 打开滞后得越多。 下冲程时，气体受压缩，泵内压力不能迅速提高，使排 出阀滞后打开，卸载变慢。泵的余隙越大，进入泵内的气量 越多，示功图的“刀把”越明显。当进泵气量很大而沉没压力 很低时，泵内气体处于反复压缩和膨胀状态，吸入和排出阀 处于关闭状态，出现“气锁”，但气锁会因沉没压力升高而自 动解除。 当沉没度过小供液 不足使液体不能充满工 作筒时，充不满的图形 特点是下冲程中悬点载 荷不能立即减小，只有 当柱塞遇到液面时，才 迅速卸载。 所以，卸载线较气体影响的卸载线陡而直。有 时，当柱塞碰到液面时，振动载荷线会出现波浪。 快速抽汲时往往因撞击液面而发生较大的冲击载荷 ，使图形变形得很厉害。 2、游动凡尔漏失 上冲程时，泵内压力降低，柱塞两端产生压差，使柱塞 上面的液体经排出部分的不严密处(阀及柱塞与衬套的间隙) 漏到柱塞下部的工作筒内，漏失速度随柱塞下面压力的减小 而增大。由于漏失到柱塞下面的液体有向上的“顶托”作用， 所以悬点载荷不能及时上升到最大值，使加载缓慢，随着悬 点运动的加快，“顶托”作用相对减小，直到桂塞上行速度大 于漏失速度的瞬间，悬点载荷达到最大静载荷。 当柱塞继续上行到后半冲程时，因活 塞上行速度又逐渐减慢。在柱塞速度小 于漏失速度瞬间又出现了漏失液体的“顶 托”作用，使悬点负荷提前卸载。 当漏失量很大时，由于漏失液体对 柱塞的“顶托”作用很大，上冲程载荷远 低于最大载荷，吸人阀始终是关闭的， 泵的排量等于零 3 、固定凡尔漏失 下冲程开始后，由于固定凡尔 漏失，泵内压力不能及时提高而 延缓了卸载过程，同时使排出阀 不能及时打开。 当柱塞速度大于漏失速度后 ，泵内压力提高到大于液柱压力 ，将游动凡尔打开而卸去液柱载 荷。 下冲程的后半冲程中因柱塞速度减小，当小于漏失速度时 ，泵内压力降低使游动凡尔提前关闭，悬点提前加载。 由于固定凡尔的漏失而造成游动凡尔打开滞后和提前关闭 ，活塞的有效排出冲程spa减小，泵效下降。 当固定凡尔严重漏失时，游动凡尔一直不能打开，悬点 不能卸载。 吸入部分和排出部分同时漏失时的示功图 是分别漏失时的图形的叠合，近似于椭圆形。 4、带喷井的示功图 对于具有一定自喷能力的 抽油井，抽汲实际上只起 诱喷和助喷作用。在抽汲 过程中，游动阀和固定阀 处于同时打开状态，液柱 载荷基本加不到悬点。示 功图的位置和载荷变化的 大小取决于喷势的强弱及 抽汲液体的粘度。 5、抽油杆断脱 抽油杆断脱后的悬点载荷实 际上是断脱点以上的抽油杆柱重 量，只是由于摩擦力的作用，才 使上、下载荷线不重合。图形的 位置取决于断脱点的位置。抽油 杆柱的断脱位置可根据下式来估 算： 式中 L自井口算起的断脱点位置，m； C动力仪力比，N/ m m h示功图中线至基线的距离，mm； qr每米抽油杆柱的质量，kg/m； b抽油杆在液体中的失重系数； g重力加速度，m/s2。 6、其它情况 油井结蜡及出砂和活塞在泵筒中下入位置不 当，都会反映在示功图上 结蜡井功图 脱出工作筒功图 碰泵功图。 第四节 抽油机井系统效率及节能技术 抽油机井的耗能占全厂总能耗的三分之一 以上，是全厂能耗占有比例最大的一个部份， 因而采取节能降耗技术措施，提高机采井系统 效率是降低我厂维护成本，实现油田可持续发 展的重要手段，这与每一名员工的切身利益息 息相关。 系统效率，顾名思义就 是系统的工作效率。机采井 的系统工作效率就是机采井 的系统效率。 一、系统效率 以抽油机井为例，抽油机井的系 统效率主要是由以下工作效率组成： 一是电机的工作效率；二是皮带传动 效率；三是减速箱的传动效率；四是 四连杆机构的传动效率；五是抽油杆 传动效率；六是抽油泵的工作效率。 由于上述各个部份均起到传递能量的作 用，因而在计算过程中，可以用能量的形式 来加以表达。将电机工作效率定义为电， 则电的表达式为： 将皮带传动效率定义为皮带，则皮带的表达 式为： 将减速箱传动效率定义为减速箱，则减速箱的 表达式为： 将抽油泵工作效率定义为抽油泵， 则抽油泵的表达式为： 抽油机井的系统效率为各部份工作 效率（传动效率）之积 抽油机井系统效率的表达式为 其中的W抽油泵是指抽油泵在举升液体 时所做的功，可以用下式表达： 将四连杆机构传动效率定义为四连杆，则 其表达式为： 将抽油杆传动效率定义为抽油杆，则其表 达式为： 将抽油泵工作效率定义为抽油泵， 则抽油泵的表达式为： 抽油机井的系统效率为各部份工作 效率（传动效率）之积 抽油机井系统效率的表达式 为 其中的W抽油泵是指抽油泵在举升液体 时所做的功，可以用下式表达： 式中：Q油井日产液量 N H液体的被举升高度，简称举升高 度 米 由于我们现场上被实际测得的是抽油机 井的动液面深度，并且动液面的深度受套压 的直接影响，同时井口还有一定的压力（称 为油压或回压）。因而需对举升高度进行计 算。 式中：H动机采井的动液面深度，米 液混合液比重 混合液的密度由以下公式确定： 计算公式如下： 但由于工程单位制与国际单制之 间的差别，需要将系统效率计算公式 进行统一单位，以适合我们目前最为 常用的计量单位的使用。 能量的最基本单位为焦耳（J）， 目前在工程单位制中最为常用的单位 是吨、米、KW，因此要换算成牛 顿（N）、米。 换算关系为： 1吨=9800 N 1KW=3600000 J/H 将功率换算为日耗电量，则需将功率 值乘以24。 将上述换算关系代入系统效率计算公 式，可得出如下公式： 抽油机井系统效率的影响因 素及提高系统效率的手段 1、影响系统效率的因素 从公式上看，系统效率与产液量、举升 高度之积成正比，与电机消耗功率成反比。 换句话就是，产液量越高、动液面越深，系 统效率越高；耗电量越小，系统效率越高。 但是，三者之间有一定的影响。假如 ：两口在原油物性一致的条件下，两口井 下泵深度、泵径与产液量均相同，动液面 越高，耗电量越小；如果两口井动液面高 度相同时，则产液量越大，耗电量越大。 从油田生产技术管理角度上 看，影响系统效率的因素主要 有如下五个方面： 一是原油物性的影响 原油组分中，如果重质含量（指胶质、 沥青质和蜡质）含量越高，举升液体过程中 需要克服的摩擦阻力越大，电机的耗电量也 就越大。在各种条件相同的情况下，这种井 的系统效率也就越低。 二是泵况的影响 泵况好的井与泵况差的井在耗电量上尽 管有差距，但耗电量的减小是不与泵漏失量 成比例关系的，同时由于泵况变差，油井的 产液量下降动液面上升，致使产液量与举升 高度之积变小，系统效率下降，有时系统效 率可能降至为零。因而泵况好的井系统效率 高于泵况差的井。 三是与抽油机本身的工作状况有关 如平衡状况、润滑状况、对中状况 等等，这通常是指抽油机井的“五率”。 上述的工作状况越好，能耗将越低，系 统效率将越高。 四是与电机本身有关 从理论上讲，将一定量的液体从井底举 升到地面，所消耗的能量将会是一定的，但 是，电机实际消耗的功率将会远远大于这一 能量。主要原因除去各运转部的工作效率的 影响之外，有两个方面，一是电机本身将会 消耗一部份能量，这一部份的能量起到为电 机运转的励磁作用；二是电机有一部份空载 能量消耗。 五是与油层的供液状况、工作参数有关 抽油泵泵径选择的合理，地面参数选择 的合理，抽油泵下入深度也非常合理，不仅 能够保证油层与抽油泵之间供采平衡，同时 会得到较高的系统效率。如果各种参数都不 合理的，将出现供大于采或采大于供情况， 前者会导致产液量相对偏低，举升高度相对 偏小，系统效率较低。后者尽管有较高的产 液量，但出现供液不足的状况，致使能耗很 大，系统效率也会较低。 一是可以采取向套管内加入降粘化学药 剂的方法。 二是好泵况分析、检泵恢复的工作。 三是认真做好抽油机井的“五率”调整。 2、提高系统效率的方法 五个方面 四是相应采取一些节能技术措施。如 更换节能型电机、节能型控制箱等方法减 小电机的空载能量消耗。 五是相应的变换工作参数的方法。对 于高液面的抽油机井，可以采取换大泵径 、上提泵挂等方法；对于地面抽汲参数偏 大的井，可以采取换大泵径下调参数的方 法；对于供液条件不好的井，可以采取换 小泵径、下调参数的方法。 2、提高系统效率的方法 五个方面 二、抽油机井节能技术 抽油机-深井泵举升本身是一种耗能的举 升工艺，由于抽油机-深井泵举升过程中由于 悬点载荷呈周期性变化，悬点载荷的不均匀性 ，必然导致在其能耗过程中表现出了一定的特 殊性。正是由于这种特殊性，也为抽油机井实 施节能降耗带来了一定的前提条件，也可以肯 定地说，目前抽油机井节能措施无不针对其能 耗的特殊性而采取的。 （一）抽油机的电能消耗的特点 一是其能耗的不均衡性。平衡效果好，其 不均衡性表现差，平衡越不好，不均衡衡性表 现越强，甚至会出现上下冲程能耗比值为负； 二是表现为平均有功功率与电机额定功率 比值较低的特点。这主要是由于抽油在启动时 需要较大的转矩，因而在选择抽油机电机时， 额定功率选择较大。 三是表现为常规电机的低功率因数特点。产 生的原因有二：一是电机的利用率较低；二是 感性负荷表现强烈。 （二）节能技术 抽油机井节能技术主要有三大类： 一是提高功率因数类。如电容补偿、永磁 电机。 二是提高电机功率利用率类。如高转差电 机、多速电机、Y-转换控制箱。 三是改善电机消耗功率不均衡类。主要 是液力藕合器、离合器等。 1、电容补偿及补偿量的计算 电容补偿采用的是与并联电力电容补偿无功 功率。利用电容电流与电感电流相位相反的作 用抵消电感电流，从而提高功率因素。 电容补偿一是降低了抽油机电机工作时的 无功功率，使功率因素提高；二是电容补偿降 低了电机的工作电流，从而减小了线路及用电 设备（电机）的发热损失。 电容补偿量的计算一般由下式确定 ： 式中：P最大负荷日平均有功功率，kw； tg1、tg2补偿前后功率因数角的正切值； cos1、cos2补偿前后功率因数值； Qc补偿电容容量，kvar。 2、节能电机的种类及节能原理 目前油田为常用的节能电机主要有三类， 即：高转差电机、双功率电机、永磁电机。 （1）高转差电机 目前应用的高转差电机均为引进技术。一是美国 技术；二是俄罗斯技术。两种技术特别有着本质的区 别。 美国技术着重从解决电机的散热问题角度来 提高电机的转差率。使用的材料是铝合金材料 ，它利用铝合金材料的散热能力强的特点提高 电机的转差率。CJT系列高转差电机是这一技 术的代表产品。 俄罗斯技术着重从提高电机绕组的绝缘等 级，实现提高电机搞高温性提高电机的转差率 。YCCH系列电机是这一技术的代表产品。 （2）多速电机 该电机主要是通过设计电机定子，在定子 中安装两套不同极对数的定子绕组，并结合高 转差电机的设计特点，通过提高定子绕组的绝 缘等级，使电机实现了双速、双功率、高转差 的技术特点，从而实现了节能的效果。从节能 机理上主要有两点，一是具备的高转差的节能 技术特点；二是具备了通过自动调整接线方式 实现双速（双功率）运行的特点，揭高了电机 的功率利用率。 3、节能配电箱的种类及节能原理 节能配电箱主流产品有三大类：一类是 实现自动调节电机工作电压的配电箱；另一 类是实现自动调整电机接线方式变换电机工 作功率；第三类是实现自动无功补偿的配电 箱。 （1）自动调节电机工作电压的原理 该技术是利用跟踪电路，对电机的工作电 流进行跟踪，并通过控制电路，控制主回路中 的大功率晶体管（即可控硅）的导通角，实现 大电流工作时导通角大，工作电压大