毕业设计（论文）-抽油机配套工艺--地面负压控套装置设计【全套图纸】.doc

摘 要在石油工业中，绝大多数的油田生产时都有伴生气同时产出，油井中适当的套压有助于提高石油产量。然而随着开采的深入，井中的油气比逐渐提高，当达到一定程度后就无法继续提高产油量了。泵筒被气体填充，充不满液体，严重时发生气锁，形成无效冲程。我国有许多油田处于采油后期，但依然有开采潜力，而且使用的游梁式抽油机均在服役期，合理的设施改进有利于降低成本，提高效益。本设计针对在采油过程中这些现象，对常规游梁式抽油机进行改进方案设计。使它能够防止气锁的产生，并且能够提高泵效，达到稳定产量，合理利用有限资源的效果。首先对常规游梁式抽油机的结构及一些参数进行阐述，其次针对气锁产生的机理进行分析，然后进行改进设计配套设施（抽气泵）的分析。关键词：游梁式抽油机；气锁；抽气泵全套图纸，加153893706AbstractIn the oil industry, most of the oil production is also associated gas output, Well appropriate sets of pressure to increase oil output. But with the deepening of mining,oil and gas wells than the gradual increase, to some extent after the arrival unable to raise the volume of liquid. Pumo gas cylinder filling, liquid filling dissatisfaction seriously when gas locks, formed invalid stroke. Many of our oilfield production at the late, but there is still a potential for exploitation, and use of the beam pumping unit is the length of service, reasonable to improve facilities to reduce costs and enhance efficiency.The design targeted at the production process of these phenomena, the conventional beam pumping unit to improve program design, it can prevent the locking gas production, and to improve pump efficiency, stable yield, a reasonable use of limited reasources results. First, the conventional beam pumping unit and the structure of some of the parameters are explained, second,gas against the lock mechanism, then proceed to improve the design facilities (pump gas pressure) analysis.Key words: beam pumping unit;gas lock; antihypertensive pump negative pressure control device sets目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论11.1 选题意义11.2 气锁11.3国内外的防气锁措施综述21.3.1 防气锁游动阀21.3.2 螺旋式固定阀罩31.3.3 槽形球室型闭式阀罩31.3.4 两级压缩抽油泵41.3.5 环形阀抽油泵41.3.6 气液置换防气泵41.3.7 双级承载杆式泵51.3.8 机械强制启闭抽油泵5第2章 有杆抽油系统82.1 概述82.2 系统组成及泵的工作原理82.2.1 系统组成及抽油装置82.2.2 泵的工作原理112.3 泵效的影响因素及提高措施122.3.1 泵效的影响因素132.3.2 提高泵效的措施162.4 含气油井的抽油泵泵效和气锁条件172.5 避免气锁并提高泵效的途径18第3章 抽气泵降压套的设计203.1 设计方案203.2 抽气泵降压套主要参数计算213.3 抽气泵降压套主要零件的结构、材料及技术要求223.3.1 缸体223.3.2 缸体盖233.3.3 缸体端部联接形式243.3.4 活塞243.3.5 活塞杆253.3.6 活塞杆的导向、密封和防尘263.3.7 抽气泵的缓冲装置与排气装置263.4 抽气泵的设计计算273.4.1 抽气泵设计计算273.4.2 抽气泵主要几何尺寸的计算273.4.3 液压缸结构参数的计算29结 论32致 谢33参考文献34DirectoryAbstractIAbstractIIDirectoryIIIChapter 1 Introduction11.1 Significance of the topic11.2 Gas lock11.3 Domestic and international anti-airlock measures Review21.3.1 Anti-gaslock traveling valve21.3.2 Spiral fixed valve cover31.3.3 Groove ball room closed valve cover31.3.4 Two-stage compression pump41.3.5 Annular valve pump41.3.6 Gas-liquid replacement anti pump41.3.7 Two-stage bearing rod pump51.3.8 The mechanical force the hoist pump5Chapter 2 of sucker rod pumping system82.1 Outline82.2 System components and the pump works82.2.1 System components and pumping unit82.2.2 Pump works112.3 Affecting Factors and Improving measures of the efficiency of the pump122.3.1 Factors affecting pump efficiency132.3.2 Measures to improve the efficiency of the pump162.4 Gas wells, pump pump efficiency gas lock condition172.5 To avoid air locks and ways of improving the efficiency of the pump19Chapter 3 buck sets of pump design203.1 Design203.2 Pump buck sets the main parameters of calculation203.3 Pump buck sets of main parts of the structure, materials and technology requirements223.3.1 Cylinder223.3.2 Cylinder cover233.3.3 The cylinder end of the connection form243.3.4 Piston243.3.5 Piston rod253.3.6 The orientation of the piston rod, seals and dust263.3.7 The pump buffer device and exhaust263.4 The pump design calculations273.4.1 Pump design calculations273.4.2 Pumping the pump main calculation of the geometric dimensions273.4.3 The calculation of the hydraulic cylinder structure parameters29Conclusions32Acknowledgements33References3435第1章 绪论1.1 选题意义在石油工业中，绝大多数的油田生产时都有伴生气同时产出，不可避免地要有一部分气体进入泵筒，这部分气不但占据了泵筒的有效空间，减少吸入的油量，形成吸入过程的无效冲程，而且这部分游离气在柱塞由上死点下行时受压缩，不能像液体受压缩时那样压力很快上升，达不到柱塞上部液柱压力时，游动阀打不开，不能进行排油。当泵筒中都充满气时，游动阀始终打不开，就形成了气锁。为了解决气锁对冲程的影响，提高机井泵效，特提出对常规游梁式抽油机的改进设计的项目。1.2 气锁随着油田开发的深入，气体对油井影响日益明显，主要表现在：泵筒充不满液体，泵效低；泵筒内气体重复压缩和膨胀，造成固定阀和游动阀无法打开，形成气锁，油井不出油；泵筒充不满液体，抽汲时在泵筒内会发生液面冲击，抽油杆柱振动加剧，加速了抽油杆、阀罩、泵阀、油管等井下设备的损坏，造成抽油机井频繁作业，检泵周期缩短，开发成本增加。抽油泵在抽汲过程中，泵腔内存在游离气、溶解气及凝析气，这些气体是影响抽油泵泵效的主要因素。上冲程中，如果固定阀与游动阀之间有圈闭的气体，且膨胀后不能使降低的压缩腔压力低于泵的吸入压力，固定阀不能打开，泵即发生上冲程气锁；当泵的排除压力低于油管内的液柱压力时，游动阀不能打开，即泵在下冲程时发生气锁。严重时，在上、下冲程均有可能发生气锁现象1。因此减少气体对泵的影响，提高抽油泵泵效，是油田开发中提液增效的一项重要手段。中原油田属极复杂断块油气藏，原始油气比高达150-200m3/m3；部分生产井油气比高2000m3/m3。对于含气油井，要提高泵的充满系数就必须降低泵原油的油气比2。1.3 国内外的防气锁措施综述目前国内外已经采用了许多措施来防止含气油井的抽油泵发生气锁并提高其泵效 , 下面对各种结构进行分析比较。1.3.1 防气锁游动阀1. 滑动剪切密封阀该阀没有阀球、阀座和阀罩，它采用滑动剪切密封技术，在下冲程时利用阀杆的向下运动带动滑阀的硬质碟片向下滑动而强制打开油流通道，上冲程时又随阀杆而强制关闭，不受流体压缩的影响，避免了气锁，滑动剪切密封阀原理如图1-1所示3。1-阀杆；2-泵筒；3-滑动剪切阀总成；4-柱塞图1-1滑动剪切密封阀原理图该结构设计有缓冲腔室，在下冲程流体会充满缓冲腔，所以能在上冲程时减缓冲击4。该阀可用于含气油井或封隔器以下的位置。2. 带阀球顶杆的防气游动阀有以下两种：（1）磁力强制开启游动阀用作下游动阀，它是在常规下游动阀的下接头内增加永磁滑块和顶杆。上冲程时，永磁滑块和顶杆相对柱塞下行，在磁力作用下游动阀关闭；下冲程时，永磁滑块和顶杆相对柱塞上行，在顶杆作用下游动阀开启。虽然该阀防气效果明显，但柱塞下行阻力较大，需与加重杆、扶正器配套使用，不适用于含气的稠油井5。（2）带阀心的游动阀该阀也是在常规游动阀的基础上改进的，它是在阀座下增加作阀球顶杆用的阀心，阀心能在一定的范围内滑动，具有一定的防气锁作用6。1.3.2 螺旋式固定阀罩该阀罩由阀盖、阀体和下接头互相焊接而成。阀盖上的6个12mm油流通孔与盖的端面成45角；阀体内壁上的2条螺旋槽同样与阀体端面成45角，并与阀盖的螺旋线对齐。这种阀改变了液流进入泵腔的方向，增强了通液能力，提高了泵控制可压缩流体的能力。当阀球离开阀座时，入口流量面积迅速增大，井液通过阀罩内腔的螺旋槽而产生螺旋运动，形成锥状液流，降低液流通过阀罩的流动阻力，不会引起大的压降，减少原油内溶解气的释放和凝析气的产生，从而能有效地防止固定阀的气锁，提高了泵效。在防气特种泵中，很少对固定阀进行改进，固定阀一般都用常规阀球。螺旋固定阀罩与防气游动阀或防气泵结合使用，防气效果会更好7。1.3.3 槽形球室型闭式阀罩该阀有良好的导向性，阀球的飘忽量很小。井液自下向上流过斜槽时，流体对阀球有一个向下的分力，使阀球不会靠紧在球室的顶部，这样不但出油孔过流面积增加，而且当柱塞反方向时，此分力促使阀球迅速下落，减少入座泵效损失8。油气混抽阀固定阀罩也具有流线形流动特性,能减轻进入泵腔液流的紊流程度,减少原油内溶解气的逸出能有效地防止阀球动作的滞后提高泵效9。槽形球室型闭式阀罩可应用于下游动阀和固定阀。增加阀座孔直径有利于减小入口处的油流阻力，也有利于防止气锁，但通孔直径太大，阀球的冲击速度会增加；若太小，阀球的升距又会增大。阀座通孔直径取阀球直径的0.1779倍为宜10。因为阀球对阀座的冲击动能与阀球的质量无关，球大只会增加水力损失，所以用大固定阀是提高泵效的有益途径。阀合理的流道应能导向并限制阀球的最大升距，以及合理的阀罩结构，有利于提高泵效。1.3.4 两级压缩抽油泵该泵有2道密封副和2个工作腔，是在常规泵的基础上改进的，它由细长的上柱塞与较大直径的下柱塞串联而成，在下柱塞下端有下游动阀，在上柱塞下端有上出油阀和中间出油阀。下冲程时，下工作腔的油气进入上工作腔，完成第一级压缩；上冲程时，上工作腔的油气再次被压缩，完成第二级压缩。这种泵适用于高油气比油井，且在下冲程时上游动阀关闭有利于柱塞下行，抽油杆受力情况更还好，有利于防气抽稠。油气比大时，上工作腔比下工作腔小得多。1.3.5 环形阀抽油泵这种泵也是在常规泵的基础上改进的，在泵筒的出口装一环形阀和座而构成。环形阀的上下活动限制在阀罩内，阀中间的通孔与拉杆过渡配合，其启闭靠拉杆的上下移动来完成。该泵在下冲程时，环形阀关闭，并承受液柱压力，这样，环形阀与下游动阀之间的腔体压力Pd就迅速降低，泵效就增加，同时下游动阀就很容易打开，能防止气锁。由于环形阀的作用，Pd/P0比值明显降低，泵效e就显著增大。上冲程时，环形阀随拉杆移动到环形阀罩腔体的上部。该环形阀抽油泵能在油气比达420的油井中正常工作。1.3.6 气液置换防气泵此类泵是为了降低泵在泵压缩腔中的油气比来提高泵效。1. 泵筒上部逐渐增大的防气锁容积泵 加拿大Harbison-Fischer公司研制的防气锁抽油泵，也是在常规泵的基础上对泵筒进行改进的11。其泵筒上部为一直径逐渐增大的锥形。当柱塞接近上死点进入这一锥形后，柱塞与泵筒间的漏失就会增加，进而可以均衡柱塞上下的压力，同时泵腔内的气体也可以通过增大的间隙排到柱塞上面。这样，在柱塞开始下行时，泵筒内的压力就会立即升高，使游动阀强制开启。该泵能消除气锁和液击，降低泵上方抽油杆的压缩载荷，减轻抽油杆柱振动，对杆柱的使用有利。由于该泵泵筒上部的逐渐增大，增加了在上冲程末的漏失，相对来讲会增加冲程损失，并且不利于含砂油井使用，因为在下冲程开始时，砂粒会随着液流进入锥形泵筒与柱塞的楔形间隙，增加砂粒卡泵和拉伤泵筒与柱塞配合面的机会。在停抽时要特别注意砂卡或砂埋，所以该泵仅适用于不含砂油井。2. 中排气抽油泵 该泵与常规泵相比，只是在泵筒的中部开有排气孔。在上冲程快接近终点时，泵腔与油套环空通过排气孔相通，一部分气体通过排气孔排到泵筒外面，环空的液体通过排气孔进入泵筒内，从而增加充满度，防止气锁，提高了泵效。排气孔在检泵作业时还能起到泄油的作用12。3. 气液混抽泵 该泵有内径相等的上、下两泵筒，中间通过内径比泵筒内径大的一段管子连接，该管子内壁与柱塞外表面构成一个被称为换气腔的腔体。上冲程末，换气腔中的液体流入下泵筒内，下泵筒内液体上部的气体上升积聚到换气腔中，达到气液置换的目的。下冲程末，柱塞上部的液体与换气腔中的气体再次进行气液置换，从而实现抽油泵的正常工作，既不会发生气锁，还能达到气液混抽的目的。天然气不再需要定期排放，而是直接进入集输，节约了天然气资源。停抽时柱塞的位置比较关键，不能让上柱塞低于上泵筒以下，否则容易造成防砂。上述3种气液置换防气泵，要严格按照使用说明书调整防冲距，否则会达不到防气的目的，它们适合于不含砂或含砂少的含气油井。1.3.7 双级承载杆式泵柱塞拉杆设计有一小直径段，在下冲程止点时，此段小直径与滑阀内孔之间的环空用于连通游动阀上腔和液柱，达到气液置换。该双级承载杆式泵的结构与环形阀抽油泵基本相同，具有环形阀和在下死点时进行气液置换的功能，防气锁效果显著。但在工作中会牺牲一部分有效冲程。开抽前调整防冲距是关键技术，调整不当就达不到防气的目的。1.3.8 机械强制启闭抽油泵1. 机械启闭抽油泵如图1-2所示，该泵有环形阀、机械强制启闭游动阀、下死点放气的结构。具有双级杆式泵的全部功能，同时游动阀还能机械强制启闭，有效地防止气锁发生。但该泵结构较复杂，使用中也要注意调整防冲距。1-环形阀；2-拉杆；3-推块；4-泵筒；5-柱塞；6-固定阀图1-2机械强制启闭抽油泵2. 防气抽稠泵如图1-3所示，该泵没有固定阀，下游动阀为吸入阀，上游动阀为机械强制启闭阀，2道密封副构成压缩腔，下行程时有较大的液力反馈力帮助抽油杆下行。可以不动管柱，将上柱塞提出上泵筒即可进行注蒸汽热采，应用效果较好。1- 上柱塞；2-上泵筒；3-强制阀；4-下游动阀；5-下泵筒；6-下柱塞图1-3防气抽稠泵这两种种机械强制启闭抽油泵都有对游动阀强制启闭的功能，由于游动阀的特殊结构形式，其球面的加工精度不易保证，会造成阀副密封不严，工作不可靠，并且强制阀始终以固定的周线密封接触，会缩短上游动阀寿命。在含气油井中,要防止气锁和提高泵效,需要采取综合防气的措施,除适当增加沉没度、加大冲程、降低冲次、定期放掉套管气（或采用井口定压放气阀）、用大过流面积的高性能井下油气分离器（或气锚）外,还需使用阀启闭不受气体影响的特殊结构的抽油泵14。主要包括3个方面:（1） 对阀体的改进。固定阀采用带有螺旋槽形球室的大流道阀罩；游动阀采用滑动剪切密封阀或环形阀。（2） 对腔体的改进。可以用两极压缩抽油泵；中排气抽油泵、气液混抽泵、双级承载杆式泵等和在常规泵基础上加以改进的防气抽油泵。使用中要注意防砂和严格调整防冲距。其中双级承载杆式泵的防气锁效果较好。（3） 在高油气比的油井中，完全采用特种结构的防气锁抽油泵，其阀的开启不受气体的影响如机械启闭抽油泵或防气抽稠泵，它们的防气效果都较好，能有效地防止气锁、提高泵效，但加工难度大、寿命不容易提高。两级压缩泵具有液力反功能，可用于含气的稠油井。第2章 有杆抽油系统2.1 概述 目前在多种采油方式中，机械采油最为重要，尤其是有杆泵。我国有杆泵占机械采油井90%以上。大庆油田目前约有抽油机井16600口以上，按泵挂1000m计算，使用抽油杆约16600m。有杆泵采油包括游梁式有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油两种方法。其中游梁式有杆泵采油方法以其结构简单、适应性强和寿命长等特点，成为目前最主要的机械采油方法。本章将系统地介绍有杆泵采油基本原理、系统设计以及系统分析等内容。2.2 系统组成及泵的工作原理2.2.1 系统组成及抽油装置图2-1为游粱式有杆泵采油井的系统组成，它是以抽油机、抽油杆和抽油泵“三抽”设备为主的有杆抽油系统。其工作过程是：由动力机经传动皮带将高速的旋转运动传递给减速箱，经三轴二级减速后，再由曲柄连杆机构将旋转运动变为游梁的上、下摆动，挂在驴头上的悬绳器通过抽油杆带动抽油泵柱塞做上、下往复运动，从而将原油抽汲至地面。 1. 抽油机抽油机是有杆泵采油的主要地面设备，按是否有游梁，可将其分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机是通过游梁与曲柄连杆机构将曲柄的圆周运动转变为驴头的上、下摆动。按结构不同可将其分为常规型和前置型两类。常规型游梁式抽油机是目前矿场上使用最为普遍的抽油机，其特点是支架在驴头和曲柄连杆之间，上、下冲程时间相等。前置型游梁式抽油机的减速箱在支架的前面，缩短了游梁的长度，使得抽油机的规格尺寸大为减小，并且由于支点前移，使上、下冲程时间不等，从而降低了上冲程的运行速度、加速度和动载荷以及减速箱的最大扭矩和需要的电机功率。为了提高冲程、节约能源及改善抽油机的结构特性和受力状态，国内内外还出现了许多变形抽油机，如异相型、旋转驴头式、大轮式以及六杆式双游梁等抽油机。为了减轻抽油机重量，扩大设备的使用范围以及改善其技术经济指标，国内外研制了许多不同类型的无游梁式抽油机。其主要特点多为长冲程低冲次，适合于深井和稠油井采油。目前，无游梁式抽油机主要有:链条式、增距式和宽带式抽油机。1-吸入阀；2-泵筒；3-活塞；4-排出阀；5-抽油杆；6-油管；7-套管；8-三通；9-盘根盒；10-驴头；11-游梁；12-连杆；13-曲柄；14-减速箱；15-电动机图2-1 有杆泵采油井的系统组成2. 抽油泵抽油泵是有杆泵抽油系统中的主要设备，主要由工作筒(外筒和衬套)、活(柱)塞及阀(游动阀和固定阀)组成，如图2-2所示。游动阀又称为排出阀；固定阀又称为吸入阀。抽油泵按其结构不同可分为管式泵和杆弋泵。（a）管式泵；（b）杆式泵1-油管；2-锁紧卡；3-活塞；4-游动阀；5-工作筒；6-固定阀图2-2 抽油泵结构简图如图2-2（a）所示，管式泵是把外筒和衬套在地面组装好后，接在油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后把活塞接在抽油杆柱下端下入泵筒内。其特点是：结构简单、成本低；在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量较大；检泵时需起出油管，修井工作量大。因此，管式泵适用于下泵深度不大、产量较高的井。如图2-2（b）所示，杆式泵是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，由预先安装在油管预定位置上的卡簧固定在油管上。其特点是：检泵不需起出油管，检泵方便；结构复杂，制造成本高；在相同油管直径下允许下入的泵径比管式泵小，故排量较小。因此，杆式泵适用于下泵深度较大，但产量较低的井。由于井液性质的复杂性，对泵往往有特殊要求，因此，从用途上又可将抽油泵分为常规泵和特种泵。特种泵主要有防砂泵、防气泵、抽稠泵、分抽混出泵和双作用泵以及各种组合泵。3. 光杆与抽油杆光杆主要用于联接驴头钢丝绳与井下抽油杆，并同井口盘根盒配合密封井口。因此，对其强度和表面光洁度要求较高。光杆分为普通型和一端镦粗型两种：普通型光杆两端可互换，当一端磨损后可换另一端使用；一端镦粗型光杆联接性能好，但两端不能互换。常用的抽油杆主要有普通抽油杆、玻璃纤维抽油杆和空心抽油杆三种类型。普通型抽油杆结构简单、制造容易、成本低；直径小，有利于在油管中上下运行。因此，它主要用于常规有杆泵抽油方式。玻璃纤维抽油杆耐腐蚀，有利于延长寿命；重量轻，有利于降低抽油机悬点载荷和节约能量；弹性模量小，可实现超冲程，有利于提高泵效。空心抽油杆由空心圆管制成，成本较高，它可用于热油循环和热电缆加热等特殊抽油工艺，也可以通过空心通道向井内添加化学药剂。适用干高含蜡、高凝固点的稠油井。此外，还有连续杆、钢丝绳杆、不锈钢杆以及非金属带状杆等特殊用途的抽油杆。2.2.2 泵的工作原理泵的活塞上、下运动一次称为一个冲程，可分为上冲程和下冲程。此外，冲程还是描述抽油泵的工作参数，即指悬点（或活塞）在上、下死点间的位移，称为光杆冲程（或活塞冲程），用S（或Sf）来表示。每分钟内完成上、下冲程的次数称为冲次，用n来表示。1. 上冲程抽油杆柱带动活塞向上运动，见图2-3（a），活塞上的游动阀受管内液柱压力作用而关闭，泵内压力随之降低。固定阀在沉没压力与泵内压力构成的作用下，克服重力而被扫开，原油进泵而井口排油于此同时，抽油杆由于加载而伸长，油管卸载而缩短。2. 下冲程抽油杆柱带动活塞向下运动，见图2-3 （b），固定阀一开始就关闭，泵内压力逐渐升高。当泵内压力升高到大于活塞以上液柱压力和游动阀重力时，游动阀被顶开，活塞下部的液体通过游动阀进入活塞上部，泵内液体排向油管。与此同时，抽油杆由于卸载而缩短，油管加载而伸长。（a）上冲程；（b）下冲程1-排出阀；2-活塞；3-衬套；4-吸入阀图2-3 泵的工作原理2.3 泵效的影响因素及提高措施在抽油井生产过程中，泵的实际排量Q常小于其理论排量Qt，二者的比值称为泵的容积效率v油田通称为泵效，即v=Q/Qt （2-1）其中 Qt=1440AFsn=360dF2sn （2-2）式中 Q，Qt泵的实际排量与理论排量，m2/s；AF活塞截面积，m2；s光杆冲程，m；n冲次，min-1；dF泵径，m。这里定义的“泵效”虽然与按泵的输出功率与输入功率之比所定义的泵效的意义不同，但在一定程度上也可以反映泵工作状况的优劣。一般泵效为0.70.8时，就认为泵工作状况良好；有些带喷井的泵效有可能接近或大于1.0。实践表明，平均泵效往往低于0.7，甚至更低。2.3.1 泵效的影响因素影响泵效的因素是多方面的，但归纳起来主要有：抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩、气体和充不满的影响以及漏失三个方面。1. 抽油杆和油管柱弹性伸缩的影响抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩，将减小活塞冲程，因而降低泵效。抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩量越大，活塞冲程与光杆冲程的差别也就越大，泵效也就越低。抽油杆柱所受的载荷性质不同，则伸缩变形的性质与程度也不同。（1）静载荷对活塞冲程的影响当驴头开始上行时，由于抽油杆柱加载和油管柱卸载，使抽油杆柱伸长r，油管柱缩短t，这期间活塞并未产生位移，从而使活塞冲程比光杆冲程减少t，并且=r+t。当变形结束后，活塞才开始与泵筒发生相对位移，吸入阀开始打开吸入液体，一直到上死点。下冲程与上冲程的影响相同，使活塞冲程比光杆冲程减少。这种由于抽油杆柱与油管柱的弹性伸缩使活塞冲程小于光杆冲程的值，称为冲程损失。在抽油杆柱与油管柱的弹性伸缩影响下的活塞冲程为：sF=s-（r+t）=s- （2-3）根据广义虎克定律，冲程损失大小为：=（+） （2-4）式中 冲程损失，m；AF，At活塞及油管金属截面积，m2；L抽油杆柱总长度，m2；1液体密度，kg/m；E钢的弹性模量，取2.061011Pa；Hf1动液面深度，m；Li第i级抽油杆的长度，m；Ari第i级抽油杆的截面积，m2。（2）惯性载荷对活塞冲程的影响悬点到达上死点时，抽油杆柱有向下的最大加速度和向上的最大惯性载荷，使抽油杆柱带动活塞比静载荷作用时向上多移动一段距离iu；同样，悬点到达下死点时使抽油杆柱带动活塞比静载荷作用时向下多移动一段距离id。这样，使活塞冲程比只有静载荷作用时要增加i。i=iu+id （2-5）由于抽油杆柱上各点的惯性力不同，故取其平均值。根据广义虎克定律可得：iu=（1-）id= = （1+）则 i= （2-6）在静载荷和惯性载荷的共同作用下，活塞冲程为：sF=s-+i=s（1+）- （2-7）考虑到弹性波在抽油杆中的传播速度=，式（2-7）还可以写成：sF=s（1+）- （2-8）其中 =L/尽管惯性载荷作用引起的抽油杆柱变形将使活塞冲程增大。有利于提高泵效，但增加惯性载荷将会增加悬点的最大载荷、减小悬点的最小载荷，使抽油杆柱的受力条件变坏。因此，通常不用增加惯性载荷(即快速抽汲)的办法来增加活塞冲程。（3）振动载荷对活塞冲程的影响理论分析和实验研究表明：抽油杆柱本身振动的位相在上、下冲程中几乎是对称的，即如果在上冲程末抽油杆柱伸长，则在下冲程末抽油杆柱必然缩短：反之亦然。因此，不论是上冲程还是下冲程，由抽油杆柱振动引起的伸缩对活塞冲程影响都是一致的。究竟是增加还是减小，将取决于抽油杆柱自由振动与悬点摆动引起强迫振动的位相配合。对于深井，常常存在着一个s和n配合的不利区域，在此区域内提高冲次，反而会减小活塞冲程。2. 气体和充不满的影响抽油泵的吸入口压力常低于饱和压力，因此总有气体进泵。气体进泵必然减少进泵液体的量，从而使得泵效降低。当气体影响严重时，由于气体在泵内的压缩和膨胀，使得吸入阀无法打开而抽不出油，这种现象称为“气锁”。气体对泵效的影响程度常用泵的充满系数来反映，充满系数是指每冲次吸入泵内的原油（或液体）的体积Vo与活塞让出容积VF之比：即 = （2-9）充满系数表示泵在工作过程中被液体充满的程度。越大，充满程度越高，泵效也越高。泵的充满系数与泵内气油比及泵的结构有关。定义Fg0和Ks分别为泵内的气油比和泵的余隙比，即：Fg0= Vg/V0可导出充满系数表达式为= （2-10）由式（2-10），可得出如下结论：（1）Ks值越小，值就越大。根据Ks的定义，若要使Ks值小则应使Vs量小或增大活塞冲程以提高VF。因此，在保证活塞不撞击固定阀的情况下，应尽量减小防冲距，以减小余隙比。（2）Fg0值越小，值就越大。为了降低进入泵内的气油比，可增加泵的沉没度提高泵吸入口压力，使原油中的自由气更多地溶于油中。也可以使用气锚，使气体在泵外分离，以防止和减少气体进泵。若油层能量低或由于原油粘度高导致进泵阻力过大，都将出现供油跟不上、油还未来得及充满泵筒而活塞已开始下行，即形成所谓的充不满现象从而降低泵效。对于这种情况，一般可采取加深泵挂增大沉没度，或选用合理的抽汲参数以及增产增注等措施，以适应油层的供油能力。对于稠油井，还可采取降粘措施。3. 漏失的影响抽油泵在工作时，由于各种原因将产生漏失，使泵效降低。影响泵效的漏失主要有：（1）排出部分漏失：指活塞与衬套的间隙漏失和游动阀漏失，将减少泵内排出的油量。（2）吸入部分漏失：指固定阀漏失，它将会减少进入泵内的油量。（3）其它部分漏失：由于油管丝扣、泵的连接部分及泄油器不严，都将降低泵效。2.3.2 提高泵效的措施泵效的高低，是反映抽油设备利用率和管理水平的一个重要指标。前面只就泵本身的工作过程进行了分析，并提出了相应的措施，但是，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。实践证明，对于注水开发而采用有杆泵采油的油田，加强注水是保证油井高产量、高泵效生产的根本措施，在一定的油层条件下，使泵的工作同油层条件相适应是保证高泵效的前提。对于井筒方面，提高泵效应采取下述措施。1. 选择合理的工作方式选择合理的工作方式来提高泵效的基本原则是：（1）当抽油机己选定，并且设备能力足够大时，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抽汲参数。（2）当产量不限时，应在设备条件允许的前提下，以获得尽可能大的产量来提高泵效。调整抽汲参数时，在保证AF、s和n的乘积不变（即理论排量一定）的条件下，虽然可以任意调整三个参数，但当其组合不同时，冲程损失、气体的影响及漏失的影响也不同。此外，对于深井抽汲时，要充分注意振动载荷影响的s和n配合不利区。2. 使用油管锚如前如述，冲程损失是由于载荷变化所引起抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩造成的。使用油管锚将油管下端固定，则可消除油管变形，从而减小冲程损失。3. 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的不同而不同。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，利用气体的能量来举油，使油井连抽带喷，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进行合理控制套管气，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。对于正常抽油的井，要想提高泵的充满系数就必须减少进泵的气量，以降低泵内气油比。另外，还可采取适当增大沉没度或安装气锚等措施。2.4 含气油井的抽油泵泵效和气锁条件1. 泵腔内的压力含气油井中的抽油泵，在上冲程时，固定阀和游动阀之间会有气体聚积，若没有相的变化(即泵腔内的油在压力降低时无凝析气产生)，则泵腔内的压力变化可根据气体的状态变化规律近似地表示为：Px=PiVg/(Vg+Vx) yPdLg/(Lg+x)y （2-11）式中 Pax柱塞在上冲的x位置时，压缩腔内的压力，Mpa；x柱塞相对于上冲开始时的位置，m；Pi游动阀关闭瞬间，压缩腔内的压力，近似于泵的排出压力，MPa；Pd泵的排出压力，Mpa；Vg在上冲开始，当游动阀关闭时，固定阀与游动阀之间聚积的气体体积，m3；Vx当柱塞在x位置时，柱塞上行让出的体积，m3；Lg在上冲开始，当游动阀关闭时，固定阀与游动阀之间被聚积的气体有效长度，m；泵腔内气体的比热比(定压比热与定容比热之比值)。等温膨胀或压缩时，气体的比热比=1；绝热膨胀或压缩时，甲烷在大气压下，=1.30312. 含气油井的抽油泵泵效如果泵吸入处的气液体积比(即油气比)是m，则抽油泵泵效为：e= （2-12）式中 e抽油泵泵效，%；Lb泵内凝析气所占据的一部分冲程长度，m；Po泵的吸入压力，MPa；S泵的冲程，m；Soff泵的有效冲程长度，m；Soff=S-Lg(Pd/Po)1/-13. 气锁发生的条件由式（2-12）可知，对于油气比m足够大（即m）或有限的油气比，分子趋于0时，泵将不送液，此时就发生气锁。（1）上冲程在上冲程中，如果在固定阀与游动阀之间有圈闭的气体，且膨胀后不能使降低的压缩腔压力低于泵的吸入压力，固定阀不能打开，泵即发生气锁。根据式（2-11），有：ps = pd Lg / (Lg +S) ph Lg / (Lg +S) po （2-13）或 ph /po (1 +S / Lg ) （2-14）式中 Po柱塞在上死点位置时，压缩腔内的压力，MPa ；Ph油管内的液柱压力，MPa。当式（2-13）成立时，泵在上冲程时发生气锁。（2）下冲程在下冲程中，压缩腔内的压缩压力为：PDx =P0（1 f）S +Lg /x + Lg - fS （2-15）式中 PDx柱塞在下冲程的x位置时，压缩腔内的压力，MPa；f泵内液体扫过的体积充满度，无量纲。由此可得：=1+ （2-16）当泵的排出压力低于油管内的液柱压力（即Ph Pd）时，游动阀不能打开，即当（2-16）成立时，泵在下冲程时发生气锁。2.5 避免气锁并提高泵效的途径1. 避免气锁的发生针对含气油井的常规抽油泵而言，当给定了下泵深度以后，油管内的液柱压力Ph即已给定，要避免上、下冲程中气锁的发生，根据式（2-14）、（2-16）可知，只有增加泵的吸入压力Po、加大冲程S、减小泵腔内被聚积的气体有效长度Lg。2. 提高泵效的途径很明显，由式（2-12）可看出，要提高含气油井的抽油泵泵效，需要从以下几个方面做工作：（1）降低Pd/Po比值。常规泵的排出压力Pd由下泵深度决定，只有提高泵的吸入压力Po，即增加泵的沉没度，才会提高泵效。但随着沉没度的不断增加，会加剧凝析气的产生，即会加大Lb，所以有一个最佳沉没度；另外，随着沉没度的不断增加，还会因冲程损失及漏失的可能性增加而降低泵效。（2）加大冲程S，提高抽油泵的压缩比。（3）降低冲次n。随着冲次的降低，泵腔内的压力变化速度就会减慢，腔内从原油中分离出的溶解气和凝析气就会减少，Lg和Lb都会减小。同时每一冲程的排油时间就长，油气在进泵前就会有较长的分离时间，减少了进入泵腔的气体。（4）降低进入泵腔内的油气比m。采用具有尽可能大的过流面积的高性能井下油气分离器（或气锚），能降低进入抽油泵的游离气体。（5）设计合理的流道。增加阀座孔面积、改善流道。阀座孔面积较大，入口处油流阻力就小，同时阀球开启瞬间的过流而积较大，也提高了进油效能；进油阀的流道阻力小，也能减少泵腔内的气体分离，从而提高充满度。（6）定期放掉套管气。这有利于油套环空间井液溶解气的分离，降低进入泵腔前井液的油气比，从而提高泵效。（7）采用特殊结构的防气抽油泵。包括对游动阀、固定阀、腔体结构、压缩方式的改进，以及采用在上（或下）死点附近放气的方式来达到既能防止气锁、又能提高泵效的目的。第3章 抽气泵降压套的设计本排气泵是液压缸的反用，即用机械带动液压缸活塞杆，从而达到抽气排气的过程。但该抽气泵的设计参数符合液压缸的设计规则，以下的设计步骤参照液压缸的设计。3.1 设计方案 以大庆杏北油田为例。大庆杏北油田现有抽油机井2129口，其中215口井的流压低于1.5MPa，而且这些井的套压相对于流压又较高，流压与套压之比为2.5:1。抽油泵的沉没度平均不到100m，泵受气体影响严重，泵效低、产量低。而采取降低套压，减小油套环空内自由气量的方法是能相对提高泵吸入口的密度，减小进泵的气体量，降低油层表面回压，使抽油泵的沉没度增加，动液面上升，改善泵吸入口状况，提高泵效，进而达到增油降气的目的。降低套压的方法很多，说明书主要介绍采用抽气泵降套压方法。抽气泵降套压是一种利用安装苗抽油机游梁前臂和抽油机底座之间的抽气泵，从油井套管内吸取气体并把气体排入生产管线，进而降低套管压力的方法。工作原理是：当驴头上冲程时，游梁前臂带动抽气泵的活塞从套管内吸取气体，此时，排出阀关闭；当驴头下冲程时，游梁前臂带动活塞压缩气体排入生产管线，此时吸入阀关闭。依次循环往复，以达到降低套管压力的目的15。使用抽气泵降低套管压力时应注意，当混合液柱被吸升到井口时，应停止降套压；当套压恢复至零压以上时，再开始工作。3.2 抽气泵降压套主要参数计算1. 初选系统工作压力该抽气泵的工作压力已给定：1MPa-3MPa；出口最大压力：3MPa；活塞最大行程800mm，初选工作压力为3MPa。2. 计算抽气泵的主要结构尺寸（1）确定抽气泵的活塞及活塞杆直径本设计采用CYJ5-1.6-9F作为设计参考，它的最大行程1.6m，整机冲次最大为16min-1，整机长宽高为6.1m1.85.0m，根据设计需要降压泵的最大行程为800mm，所以假设游梁上驴头悬点到中间支点的距离是2m，降压泵在游梁上的安装位置约为离支架中心点1m处。抽气泵最大载荷时，为上冲程时，其载荷力为60kN，工作在活塞杆在受拉状态。图3-1活塞按式3-1计算活塞直径：D= （3-1）此时P2约为大气压为0.1MPa。取为0.3，则D为163mm，取D为170mm。活塞杆直径d为51mm，取d为55mm。（2）液压缸的基本参数根据标准液压缸缸筒内径尺寸选则180mm，活塞杆外径选则63mm，液压缸活塞行程为800mm，液压缸活塞杆螺纹型式使用外螺纹（有肩）形式。图3-2 活塞杆的选用类型其直径与螺距为M 42mm 2mm，螺纹长为70mm。（3）液压缸的类型液压缸采用单活塞杆双作用液压缸，其特点是活塞双向运动产生推、拉力。活塞行程终了时减速制动，减速值可调节。采用中间耳轴的安装形式，这样液压缸可以在垂直面内摆动，活塞杆轴向弯曲作用较小。缸体端部采用拉杆联接，结构通用性好，缸体加工容易，装卸方便，应用较广，外形尺寸大，质量大。3.3 抽气泵降压套主要零件的结构、材料及技术要求3.3.1 缸体1. 缸体的材料缸体常用材料为20、35、45号无缝钢管。因20号钢的力学性能略低，且不能调质，应用较少。当缸筒与缸底、缸头、管接头或耳轴等件需焊接时，则应采用焊接性能较好的35钢，粗加工后调质。一般清况下，均采用45钢，并应调质到241-285HB。缸体毛坯也可采用锻钢、铸钢或铸铁件。铸钢可采用ZG320-570等材料，铸铁可采用HT200-HT350间的几个牌号或