（油气田开发工程专业论文）特殊抽油泵举升工艺设计理论与方法研究.pdf

r e s e a r c ho nt h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do fa r t i f i c i a ll i f t t e c h n o l o g yf o rs p e c i a lp u m p at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gh a i j u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f x u ej i a n q u a n c o l l e g eo fp e t r o l e u me n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) l 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：猛选逸 日期：钆l j 年 多月7 | 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和 电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学 位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印， 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其它复制手 段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签 指导教师签名： 日期：籼71 年 日期：扣71年 二月7 日 石月7 日 摘要 近年来，抽油机井开采环境变得越来越复杂，油井出砂、油井含气、稠油油藏、斜 井等都是现在油井开采所面临的重要问题，这些问题的存在，给油井的生产带来了很大 的不便。国内外研制出多种特殊抽油泵，以适应恶劣的开采环境，减小这些因素带来的 不利影响，提高泵效，保障油井的正常生产。 以常规泵、动筒式防砂泵、液压反馈式抽稠泵、浸入式抽稠泵、深抽泵为研究对象， 对各种泵进行了受力分析，建立了相关的受力模型，编制了“特殊抽油泵举升工艺优化 设计 软件，可用于使用特殊抽油泵的油井的工况分析及生产参数的优化设计。实例计 算表明，与常规泵相比，动筒式防砂泵使用对抽油杆柱载荷及油井系统效率均影响很小； 浸入式抽稠泵和液压反馈式抽稠泵由于其特殊结构，存在向下的液压反馈力，增大下行 力，有助于杆柱下行，对粘度高的油井适应性较好，系统效率比常规泵高；深抽泵由于 其上柱塞直径较小，达到减载目的，下冲程时，在沉没压力作用下，产生一个向下的作 用力，有助于杆柱下行，与其它四种泵相比，在其它条件相同的情况下，其载荷差最小， 系统效率最高。 关键词：特殊抽油泵，受力分析，工况分析，系统效率，举升设计 r e s e a r c ho nt h ed e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do fa r t i f i c i a ll i f tt e c h n o l o g y f o rs p e c i a lp u m p z h a n gh a i j u n ( o i l & g a sf i e l dd e v e l o p m e n te n g e i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x u ej i a n q u a n a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u e de x p l o i t a t i o no fw o r l do i l ，t h ep r o d u c t i o nc o n d i t i o n so fp u m p i n gw e l l s b e c o m em o r ea n dm o r ec o m p l e x t h es a n dp r o d u c t i o n , g a sc o n t e n t , h e a v yo i la n dd e v i a t e d w e l l sa r ea l li m p o r t a n tp r o b l e m st h a tb r i n gal o to fr e s i s t a n c et oo i lp r o d u c t i o n a tp r e s e n t , t h e r eh a v eb e e nav a r i e t yo fs p e c i a lp u m p st om e e tt h eh a r s hp r o d u c t i o ne n v i r o n m e n ta th o m e a n da b r o a d t h ea d v e r s ee f f e c t so ft h e s ef a c t o r sm u s tb ee l i m i n a t e di no r d e rt oi m p r o v ep u m p e f f i c i e n c ya n dp r o t e c tt h er e g u l a r o i lp r o d u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ec o n v e n t i o n a lp u m p ，t r a v e l l i n gb a r r e ls a n dc o n t r o lp u m p ，h y d r a u l i c f e e d b a c kh e a v yo i lp u m p ，i m m e r s e dp u m pa n dd e e pw e l lp u m pa r es t u d i e d , a n dt h ef o r c e a n a l y s i so ft h ep u m p sa r ec o n d u c t e d ，t h er e l a t e df o r c em o d e l sa r ee s t a b l i s h e da n dt h es o f t w a r e o f o p t i m i z a t i o no f l i f tt e c h n o l o g yf o rs p e c i a lp u m p si sc o m p i l e d , w h i c hc a l lb eu s e dt oa n a l y z e t h ew o r k i n gc o n d i t i o n sa n do p t i m i z ep r o d u c t i o np a r a m e t e r s e x a m p l es h o w st h a tc o m p a r e d 谢也c o n v e n t i o n a lp u m p s ，f o rt h et r a v e l l i n gb a r r e ls a n dc o n t r o lp u m p ，t h el o a do ft h er o d b o t t o ma n dt h es y s t e me f f i c i e n c yc h a n g es m a l l b e c a u s eo ft h es p e c i a ls t r u c t u r e so f h y d r a u l i c f e e d b a c kh e a v yo i lp u m pa n di m m e r s e dp u m p ，t h e r ei sad o w n w a r dh y d r a u l i cf e e d b a c kf o r c e a td o w ns t r o k e ，w h i c he n s u r et h e i rg o o da d a p t a b i l i t yf o rh e a v yo i lw e l l ，c o m p a r e d 谢t 1 1t h e c o n v e n t i o n a lp u m p ，l e v e ru n d e rt h ec o l u m nl o a d - s t r o k ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h es y s t e m e f f i c i e n c yd e c r e a s e s ；f o rt h ed e e pw e l lp u m p ，w h e na tu ps t r o k e ，a st h eu p p e rp i s t o nd i a m e t e r i ss m a l l e r , t h ea c t i o na r e ao fl i q u i dc o l u m ni ss m a l l e r , t h em a x i m u ml o a di sr e d u c e da n dt h e p u r p o s eo fr e d u c i n g l o a di sa c h i e v e d ；w h e na td o w ns t r o k e , t h ea c t i o no fs u b m e r g e n c e p r e s s u r ei sh e l p f u lf o rt h ed o w n w a r do fr o dc o l u m na n dt h el o a dd i f f e r e n c ei sr e d u c e d c o m p a r e d 、) l ，i mt h eo t h e rf o u rp u m p si nt h ec o n d i t i o n sb e i n ge q u a l ，t h ed e e pw e l lp u m p sl o a d d i f f e r e n c ei ss m a l l e s ga n dt h es y s t e me f f i c i e n c yi sb i g g e s t k e yw o r d s ：s p e c i a lp u m p ， s t r e s s a n a l y s i s ，w o r k i n gc o n d i t i o na n a l y s i s ，s y s t e m e f f i c i e n c y ，l i rd e s i g n 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究意义。1 1 2 国内外研究现状及存在问题3 1 2 1 防砂减磨技术4 1 2 2 防气技术6 1 2 3 抽稠技术7 1 2 4 斜井泵技术9 1 2 5 深抽泵技术9 1 3 本文的研究内容9 第二章特殊抽油泵受力分析1 1 2 1 游梁式抽油机加速度的精确解1 1 2 2 常规泵1 3 2 3 防砂泵16 2 3 1 长柱塞防砂泵1 7 2 3 2 等径防砂抽油泵1 8 2 3 3 动筒式防砂泵1 9 2 4 防气泵2 2 2 4 1 长柱塞中排气防气泵2 3 2 4 2 中空防气泵。2 4 2 4 3 环形阀防气泵2 5 2 5 抽稠泵2 6 2 5 1 液压反馈式抽稠泵。2 7 2 5 2 变排量抽稠泵31 2 5 3 浸入式抽稠泵3 3 2 5 4 电加热抽稠泵3 7 2 6 斜井泵。3 8 2 7 减载深抽泵3 9 2 8 本章小结_ 4 2 第三章搿特殊抽油泵举升工艺优化设计软件一设计4 3 3 1 优化软件设计思路4 3 3 2 优化软件的主体功能4 3 3 2 1 特殊抽油泵特性参数4 3 3 2 2 油井生产参数，4 4 3 2 3 产能分析4 5 3 2 4 油井的工况校核4 6 3 2 5 动杆柱设计4 7 3 2 6 不动杆柱设计4 8 3 3 本章小结5 0 第四章计算与分析5 2 4 1 系统效率的计算5 2 4 1 1 举升效率的计算5 2 4 1 2 地面效率的计算5 2 4 2 抽油泵泵型的影响5 3 4 2 1 不同泵型的比较分析5 3 4 3 原油粘度的影响- 5 6 4 3 1 不同原油粘度的比较分析5 6 4 3 2 加入加重杆后不同原油粘度的比较分析6 0 4 4 下泵深度的影响6 3 第五章结论6 7 参考文献6 8 攻读硕士学位期间取得的学术成果7 1 致谢7 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究意义 世界油田开采工业已经经历了1 5 0 年之久，随着社会的进步，科学技术的发展同时 也提高了人类开采油气田的能力。但是也是随着开采能力的上升，油田的开采难度也在 逐渐增长，所需要的技术水平也越来越高。稠油、出砂油藏和深水油气藏等高难度油 藏在已有探明储量中所占的比例相当高。油气开采技术的创新方向将主要集中在针对老 油田、稠油和油砂油藏等特殊油藏进行有效开采的重点领域。 有杆抽油的方法是应用最早，也是最广泛的一种人工举升采油的方法。现在，在各 种机械采油的方法中，有杆泵采油仍然是处于重要的地位。有杆泵采油系统所具有的特 点包括：结构简单、适应性强、成本低等，所以有杆泵采油系统一直都是占主导地位。 全世界大概有8 0 以上的油井都是采用有杆抽油泵开采的，而且随着油田开发的逐渐深 入，有杆抽油泵采油井所占的比例也在不断增大，而抽油泵是整个有杆抽油装备中的关 键部分。根据特殊油层的特殊需要，为了推动有杆抽油泵采油的技术进步和提高其采油 的经济效益，越来越多的特殊泵被研制。 在整个有杆泵抽油井生产系统的总成本中，抽油泵占的比例并不是太大，却是决定 抽油装置工作技术的关键部件，抽油泵的工作状况对于油井的检泵周期具有很大影响。 目前油田面临的问题有： 油井的供液能力逐渐变差。泵挂深度越来越深，管杆偏磨现象越来越严重，井 下的管柱结构也变得更加复杂，而且产出液具有强腐蚀性、高矿化度、电化学腐蚀和化 学腐蚀同时存在的特点。现在大部分的老油田已经逐渐进入了高含水期。 地层出砂现象严重。与油田开发初期相比较，目前的出砂量将近达到了开发初 期的7 8 倍，如此高的含砂量对井下设备的损坏程度是十分严重的。 油稠问题突出。随着油田的逐年开发，轻组分原油已经被大量采出，而地层中 残余的原油含蜡量比例已经逐渐上升，由于油稠，使得摩擦阻力增大，工作负荷也随之 加重【1 】。 出砂是砂岩油层开采过程中油层比较常见的问题之一，而且出砂问题也给提高疏松 砂岩油藏采油速度加大了难度。我国疏松砂岩油藏的分布范围较广、储量也较大，产量 占有重要的地位，而油井出砂问题正是这类油藏开采的主要问题。出砂所带来的危害很 大，主要表现为：由于砂埋油层和井筒砂堵等因素造成的油井停产：出砂使得地面和井 第一章绪论 下的相关设备受到了严重腐蚀、并且出现砂卡现象；逐渐加大了冲砂检泵、地面清罐等 维修工作量；出砂严重时，还会引起井壁坍塌甚至损坏套管。这些危害不仅提高了原油 生产成本，而且还增加了油田开采的难度。因此，对疏松砂岩油藏开采而言，针对油井 防砂工艺技术的研究及其发展是非常重要的。考虑到油藏出砂的严重性，所以可以考虑 使用具有防砂功能的特殊抽油泵来解决油层出砂问题，减少出砂问题对油井的影响。 当油藏中含有气体时，常规泵中的油液充满程度较差，泵效低，往往就会出现“气 锁 现象，使抽油泵无法正常的工作，从而使油井的系统效率逐渐降低，最终影响到抽 油井的生产。 同样，稠油在我国的分布也很广，而且储量很大。开采中的主要问题就是稠油的流 动性差：一方面是原油的粘度过高，油层渗流阻力太大，使得原油无法从油层流入井筒； 另一方面原油即使能够流到井底，但是在从井底向井口流动的过程中，由于降压脱气和 散热降温等因素也会使原油的粘度逐渐增加，从而严重地影响了原油生产的正常进行。 可以通过使用具有液压反馈原理的特殊泵来降低稠油油藏对开采的影响。 抽油泵的工作环境较为复杂，条件相对恶劣，因此抽油泵一般要满足以下要求：结 构简单，质量好，强度高，连接部分密封可靠；制造材料的耐磨性和抗腐蚀性好，使用 寿命长：规格类型能够满足油井排液量的需要，适应性强；便于起下；在结构上应该考 虑防砂、防气，并且带有必要的辅助设备。 考虑到我国现有的情况，环境复杂，条件恶劣，所以仅仅常规抽油杆是不能够满足 于现在油田要求，所以针对不同高难度油层的特殊泵被研发应用。由于特殊抽油泵能有 效地解决常规泵开采中遇到的问题，提高泵的使用性能而且能延长抽油泵的使用寿命， 所以特殊抽油泵得到了广泛应用。目前，现场应用的特殊泵种类很多，如防砂泵、防气 泵、抽稠泵、斜井泵等，这些特殊抽油泵技术是利用了独特且具有针对性的结构和原理， 分别在不同特殊场合下使用，提高抽油泵的性能，满足了现场的需要，解决了油田存在 的油藏出砂、油藏含气、稠油和斜井等特殊油层的问题。 防砂减磨技术解决了砂卡柱塞、砂磨等问题；防气技术主要解决泵充满程度低、“气 锁 的问题；抽稠技术能够解决下行困难、原油粘度大无法进泵、进油流道小等问题； 斜井泵技术解决阀球的关闭滞后、偏落问题。 由于油层越来越复杂的现况，且国内外对特殊抽油泵的研究相对较少，对于复杂油 藏所应用的不同特殊抽油泵的使用效果还不是很清楚，所需要选用哪种抽油泵才能更好 的提升泵效，延长泵的寿命也是不能确定的。所以通过对各个特殊抽油泵的受力模型分 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 别分析各种特殊抽油泵对油井系统效率的影响，选择相对合适的抽油泵应用到生产中， 来提高泵效，满足抽油井提高效率的要求【2 1 。 1 2 国内外研究现状及存在问题 目前，国内大部分的油田都已经进入到了开发的后期，面临着油层出砂、注聚合物 开发、稠油热采、强腐蚀介质环境、高含水以及井况差等一些因素的影响，从而造成了 抽油泵的出现了砂卡、变形、结垢、腐蚀、漏失、磨损等故障，使得抽油泵的免修期变 得越来越短，最终严重的影响了油田开发综合经济效益的提高。 有杆抽油泵采油在国内外油田开发中应用都是最为广泛的采油方式，但是因为油田 开采是一个相当复杂的系统工程，且因为油田地质条件的复杂，并且采油装备施工是不 可逆的，所以如果当采油系统投入生产后再出现系统不匹配、设备失效或者是工作效率 低下等情况，再考虑更换装备或是重新设计系统都将会增加采油成本，大大降低油田的 经济效益。以往的设计施工都是主要凭借经验，不能准确地预知采油系统的工作性能好 坏，很难符合油田的生产要求。 其发展趋势为： 图1 - 1 抽油泵的发展趋势 r i g l - 1t h ed e v e l o p m e n tt r e n do fp u m p 对于实际的油藏环境，对抽油泵的需求也有随之发生改变，抽油泵发展的趋势主要 是包括了以下几个方面： 向长冲程抽油泵方向发展，为长冲程的抽油机配套； 3 第一章绪论 向多功能特殊泵方向发展，例如适应稠油油藏，适应高含砂，含气等复杂环境 的特殊泵； 向自补偿泵方向发展，以提高泵效、节能降耗、降低摩阻、延长泵寿命为目的。 对于不同类型油藏的开采特征和不同井况的条件采用不同的采油技术，可以有效地 解决常规泵在开采时遇到的各种问题。防砂减磨技术能够解决砂磨、砂卡柱塞等问题； 抽稠技术能够解决下行困难、稠油无法进泵等问题，防气技术能够解决泵充满程度低、 气锁等问题；斜井泵技术可以解决阀球关闭滞后以及偏落等问题。 目前，对特殊泵的需求越来越大，但是特殊泵还不是完全成熟的技术，还需要根据 现实中具体的问题来进行调节和修正，以使泵能更好的工作，提高泵效。对于各种不同 类型的抽油泵，需要分析它们的物理模型，研究相应的数学模型来熟悉各种泵的特点， 以及针对不同的油层情况确定所需要的具体抽油泵。 有杆抽油泵是有杆采油机械的最终执行部件之一，它的性能能够最终决定采油效 率，常规型有杆抽油泵主要分为管式泵、杆式泵两种【3 】【4 1 。 有杆抽油泵是一种特殊形式的往复泵，动力是从地面经过抽油杆传到井下，在抽油 杆柱的带动下，抽油泵的柱塞开始做上下往复运动，最终实现将液体从油井中举升到地 面。 柱塞上下往复运动一次，抽油泵完成了一个抽油周期。周而复始，液体就不断被举 升到地面上来【5 】【6 1 。 由于现阶段油层条件越来越复杂，仅靠简单的常规泵是不能解决实际的复杂问题， 所以必须要借助于各种特殊泵的协助。 在常规有杆泵的设计基础上，为了解决油田生产过程中出现的诸如出砂、油稠、气 体、斜井等特殊问题，研制出了各种类型的特殊抽油泵用。 1 2 1 防砂减磨技术 在我国，很多油田的储层都是砂岩，其结构比较疏松，油井的出砂现象严重，对于 粉细砂岩，地层的防砂难度就更大。而常规泵往往会出现砂埋抽油杆，砂卡柱塞以及砂 磨泵筒、柱塞等现象，这样就使得抽油泵过早失效，减小了泵的寿命，尤其是在井液的 矿化度高、腐蚀较为严重的油井中，由于砂粒的磨损，就使得柱塞和泵筒的防腐耐磨受 到破坏，导致井液和不耐腐蚀部分直接接触，形成了化学和电化学的腐蚀，造成了泵的 漏失迅速增大，泵效降低。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一般情况，常规泵应用在出砂油藏开采时往往就会出现砂磨或砂卡柱塞现象。由于 泵的结构不合理就会出现砂卡或砂埋现象，即造成砂卡的根源就是常规泵柱塞的阶梯轴 状结构。在阶梯处常常是圆滑过渡，但是由于砂粒磨损，会与泵简之间形成可以留存砂 粒的楔形间隙，当自锁角大于或者等于楔形角时，楔形间隙内的砂粒就不能随着柱塞上 行，使柱塞与泵筒之间形成了较大的摩擦力，随之就会出现砂粒磨损泵筒、柱塞或砂卡 柱塞的现象【8 】。防砂减磨技术在出砂油藏的应用，能够有效地解决常规泵抽油时常遇到 的问题，延长抽油泵的使用寿命【9 】【1 0 1 。 ( 1 ) 长柱塞短泵筒结构 这种抽油泵采用了短泵筒、长柱塞的结构【1 l 】，整个抽油过程中，柱塞的上部一直是 暴露在泵筒之外的，这样就消除了常规泵存在的沉砂环境，不能形成自锁，也不会出现 砂卡柱塞的现象【9 】。上行时，泵筒内壁受的压力要比外壁所受压力低，泵筒会逐渐向内 压缩，间隙慢慢变小；而常规泵下行的时候，泵筒外壁所受压力比内壁的压力低，泵筒 逐渐向外扩张，间隙变大。所以相对于常规泵，具有长柱塞短泵筒结构的抽油泵的间隙 漏失变小，而且有高泵效和高效工作周期长的特点【9 】。 泵的柱塞长度要大于泵筒的长度，抽油原理与常规泵相似。这种泵主要用于井液含 砂小于3 的高含砂井和间开含砂油井。 这种结构的泵能够防止大砂粒进入到密封间隙，只有比密封间隙还小的少量粉细砂 能进入，所以砂粒对柱塞和泵筒的磨损就逐渐降低，耐砂磨性能好。 这种结构的泵具有以下几种特点： 防砂卡：使用常规泵时出现砂卡，往往是因为砂粒存在于泵筒与柱塞之间的间 隙中而形成了自锁，而长柱塞短泵筒的结构不会形成自锁。 防砂磨：因为大量的砂粒落入到泵筒的密封间隙中，尤其是在楔形间隙中，砂 粒在慢慢由大变小的过程中，对柱塞和泵筒的磨损是相当严重的。而长柱塞短泵筒式的 泵使大砂粒无法进入到密封的间隙，仅有比密封间隙还细小的少量粉细砂能够进入，所 以，砂粒对泵筒和柱塞的磨损会减轻【1 2 】。 防砂埋：由于长柱塞短泵筒的结构，在整个抽油过程中，柱塞一直会有部分露 在泵筒外部，这样就保证了泵筒的封闭性，在油井停抽时，下沉的砂粒就会沿着沉砂环 空沉到泵下的尾管处，排除砂埋现象的发生。 ( 2 ) 等径刮砂结构 “等径这个概念是相对于常规泵柱塞而言的，在常规泵的柱塞上隔一定距离就会 5 ： 第一章绪论 有环形的凹槽，目的是为了让凹槽里的液体能够起到润滑柱塞的作用，但是在实际的生 产中却给砂粒创造了存留的空间，造成砂卡柱塞和砂磨。等径刮砂结构避免了这种情况 的发生，该结构的柱塞表面光滑，没有设凹槽，只是在柱塞的两端分别设有刮砂的结构。 上冲程时，柱塞向上运动，刮砂柱塞能够把泵筒内壁附近的砂粒有效地刮落到柱塞的排 液口处，从而消除常规泵由于砂粒的压实作用，柱塞与泵筒之间形成的硬性挤压摩擦力， 因此可以有效防止柱塞的砂卡，可以延长柱塞的使用寿命，增大油井的高泵效的生产周 期；在下冲程时，该结构能下行刮砂，且当柱塞下行时，积留在柱塞排液口附近的部分 砂粒可以被排出的井液冲走，在下个上冲程时能够保证柱塞的工作环境是最佳的，以达 到防砂卡和自动冲洗的目的 9 1 。 等径刮砂抽油泵可广泛应用于油井含砂在0 2 以内，原油粘度不超过2 0 0 0 m p a s ( 地 面5 0 c 时脱气原油) 的各类抽油井中。这种泵的结构特点：在柱塞的端口都有锐利的尖 口，不仅能够避免砂粒的沉积，还可以在上、下冲程时起到刮砂的作用 1 3 】。 ( 3 ) 动筒式沉砂结构 这种结构的抽油泵泵筒由抽油杆带动做上、下运动，而柱塞、沉砂筒和与沉砂筒下 部相连接的井下尾管，都是由加长管固定在管柱上，油管柱是直接与沉砂筒相连的。排 出阀是在泵筒上部，在柱塞的上面形成的封闭井液的容积很小，所以在工作时，减少了 在柱塞与泵筒配合间隙内砂子的沉积，在停抽后，因为排出阀关闭，砂子不能沉积在泵 内，这种泵适用于含砂量小于1 3 的油井【1 4 1 。 1 2 2 防气技术 - 当抽油泵内存在气体时，就会出现“抽油阀开启滞后 的现象，从而产生“气锁 现象，影响了泵的充满程度。 一般情况下，当抽油时存在气液两相同时进泵，气体进泵必定会减少泵内液体量， 降低泵效。当气体影响比较严重时，就可能会发生“气锁 现象一在抽油时因为气体在 泵内会发生压缩和膨胀，吸入阀和排出阀无法正常打开，形成抽不出油的现象。 对于抽油泵本身而言，目前只要通过改变抽油泵的结构来达到抽油泵的防气效果。 把进入到泵筒的气体排到泵筒的外面，包括油管内部的气体以及泵筒和套管环形空间的 气体，目前的防气泵就是在这种思想的基础上设计研制的。 ( 1 ) 长柱塞中排气防气结构 长柱塞中排气结构的抽油泵与常规泵的不同之处就是在泵筒的中部开有一个进油 6 一 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 排气槽，并且使用了整体超长的柱塞。在抽油泵工作时，气体就通过泵筒中部的排气槽 排到油套环空，达到改善进油状况的效果，提高了泵筒排气槽以下的泵筒腔室内的充满 程度，所以这种泵能比常规泵更好的提高泵效。泵筒中部的排气槽将油管和套管彼此相 互连通。除此以外，若将长柱塞从泵筒中提出，不用再动油管柱也可以对稠油井进行蒸 汽吞吐【15 1 。 ( 2 ) 中空防气结构 中空防气泵比较适用于套管不防气，尾管能够下至油层中、上部分，并且能充分利 用气体能量可以实现连抽带喷的抽油井、泵径较大且泵挂较深的高气油比的抽油井、油 井的产出液含气较高从而造成的泵效降低的抽油井。 这种泵的特点是两个泵筒间存在一个中空管，柱塞在上、下冲程时能够完全的穿越 中空管，中空管的作用相当于给泵内的气体开辟了新通道，且能够增加工作筒内的液体 充满程度，从而使泵内气液比降低，在某种程度上排除气体的干扰，更加有利于泵效的 提高【1 6 1 。 ( 3 ) 环形阀防气结构 环形阀防气泵是在常规泵的结构基础上，将上部的排出阀变为环形阀，此外还增加 了摩擦环和拉杆等部件，不用再增加其它作业程序，仅利用环形阀就可以降低排出阀的 开启压力，从而减少气体对泵的影响，最终达到防止“气锁”，提高泵效的目“1 7 1 。 这种泵主要是针对于含砂量较少的高气油比井，通过减少气体对泵的影响，可以防 止“气锁 现象，提高泵效。 1 2 3 抽稠技术 目前世界上正在使用的常规泵难以满足稠油井对有杆抽油泵的采油技术发展的需 要。而稠油井主要存在的问题是井液存在粘滞力强、粘度较高、流动性差等特点。 下冲程时，受到井液与杆柱的摩擦阻力和作用在柱塞截面上的上项力的作用，下行 阻力的变大，最终造成杆柱下行困难，此外，因为进油通道仅是吸入阀的流通面积，所 以进油通道较小，使得泵的充满程度变差，泵效降低【9 】。通过对常规泵的原有结构和抽 油原理进行针对性的改变，把泵腔强制充满原理和液力反馈原理应用到泵的设计思路， 就能够有效地解决常规泵无法解决的抽稠难题。 ( 1 ) 液力反馈原理 液力反馈原理是由大小两种不同直径的抽油泵组成的基本结构来实现。下冲程时， 7 第一章绪论 液力反馈结构的抽油泵在柱塞上端和下端分别受不同压力影响作用着不同压力，上面是 来自于泵上面油管液柱产生的压力，下面是泵的沉没压力。由于压差的作用，排出阀关 闭；此外，作用在小泵柱塞两端的压差，能够产生一个向下的作用力，克服井液阻力， 并拉着抽油杆柱下行。这种泵就是在抽油杆柱下端施加一个拉力，于是克服杆柱下行时 的摩擦阻力，以此来增加泵的有效冲程【9 】。 液压反馈抽稠泵在抽油过程中上、下两个泵都是处于密封状态。由液柱压力对泵产 生的液压反馈力，增加了泵的下行力，克服由于油稠问题所造成的杆柱下行困难的问题， 最终使抽油泵能在抽油井中正常的生产。这种泵没有吸入阀，井下也可以不使用泄油器， 还能在不动管柱的情况下，进行井下测试和注汽热烈1 8 】【1 9 】。 ( 2 ) 变排量结构 变排量抽稠泵适用于通过注汽吞吐开采的稠油井。这种泵的原理与液压反馈式抽稠 泵基本上是相同的，其不同之处是在上、下柱塞之间采用了脱接器相连，使得变排量结 构的泵具有两种不同的排量工作状态。在稠油井注蒸汽焖井后，油井开抽的前期，让脱 接器处于“脱 位，可以使吸入阀变成固定阀，此泵的工作原理，排液量与上面的大泵 是相同的，从而能实现大泵径抽油。当稠油的温度下降、原油的粘度升高时，再将脱接 器处于“接位，这样吸入阀就变成游动阀，此泵的工作原理，排液量相当于相同泵径 的液压反馈式抽稠泵，来实现反馈抽稠【2 0 】。 变排量抽稠泵可以消除由于粘度的升高而造成的一些不利因素，以此来提高泵效， 增大油井的生产周期、增加周期产油量。这种泵能够一泵变成两泵来用，减少一次作业 的费用，实现降低生产成本，是一项高效率的开采稠油的新技术。 ( 3 ) 浸入式抽稠结构 浸入式抽稠油泵较适用于需要进行注汽吞吐的稠油井。这种泵完全不同于常规泵一 直使用的传统方式，该泵是将稠油吸入泵腔后，变成柱塞再浸入到稠油中，当泵开始排 油，在沉没压力的作用下，稠油就会通过油管大直径的通道直接流入到整个泵筒；柱塞 向下“浸入过程中，已经充满泵筒的稠油相对于泵筒不需要再向上流动，由于稠油的 惯性和泵腔内外的压差便使稠油充满泵腔。这种泵在上、下冲程中，稠油都可以进入泵 筒，泵的充满程度变大，因此能提高泵效【2 1 1 。 浸入式抽稠泵没有固定阀，能够一次性配套的完成管柱的注汽一转抽一转注的工作 循环，而且还同时具有不动管柱的正反洗井、冲砂、压井以及作业时自动泄油的工作性 能。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 4 ) 电加热原理 原油的粘度会随温度的升高而逐渐减低，在稠油井中，通常会采用加热的方法来降 低原油的粘度，然后进行开采。当电加热抽稠泵开始工作时，在空心光杆内装有电缆， 电缆穿泵而过可以深入到泵下的地层，再由地面设备供电，电热杆的杆体会发热，从而 对尾管中的稠油加热。位于尾管中的稠油被加热后，粘度会降低，流动性逐渐增加【2 2 】。 电加热抽稠泵下方的电热杆的长度是由原油粘度高低而确定的。稠油可以得到充分 。加热、降粘，所以电加热抽稠泵可以针对粘度极高的特稠油井。 1 2 4 斜井泵技术 我国绝大多数斜井仍然是采用的有杆泵技术，所以针对斜井的特殊需求，开发了斜 井泵技术，这种泵的主要特点表现在把单簧强制复位和扶正结构应用到排出阀和吸入阀 上，通过弹簧力的作用来使阀球能够关闭。这样就能解决斜井抽油时出现的柱塞偏磨、 阀球偏落以及阀球关闭滞后等问题，从而提高了容积效率和抽油泵的寿命【9 1 。 1 2 5 深抽泵技术 油田的进一步发展导致了泵挂深度逐渐加深，抽油机的悬点载荷也在随之增加2 3 1 ， 泵在井下所处的工作环境较恶劣，常规有杆泵很难适用于深井的开采【2 4 1 1 2 5 1 ，所以适用于 油井深抽的深抽泵就应运而生。这种泵是采用大小不同的两个柱塞和配套的井下工具， 从而达到使抽油系统的悬点载荷大幅度下降的效果，而且还能保持较大的排液量【2 6 】。 这种泵适用于冲程小于4 5 m ，井斜小于4 5 0 ，油井原油粘度一般小于1 0 0 0 m p a s ， 含砂小于0 1 的油井。 1 3 本文的研究内容 ( 1 ) 调研现阶段油田抽油机井所使用的各种泵( 常规泵、防砂泵、防气泵、抽稠泵、 斜井泵、深抽泵等1 ； ( 2 ) 分别研究常规泵、防砂泵、防气泵、抽稠泵、斜井泵和深抽泵等的受力状况， 建立相应的泵柱塞的受力模型； ( 3 ) 研究常规泵、防砂泵、防气泵、抽稠泵、斜井泵和深抽泵等流体进泵流动阻力 和流体出泵流动阻力； ( 4 ) 建立常规泵、防砂泵、防气泵、抽稠泵、斜井泵和深抽泵等工况分析模型； ( 5 ) 特殊抽油泵举升工艺设计软件设计与开发； 9 第一章绪论 ( 6 ) 计算与分析，分析各种泵的使用对油井系统效率、举升效率的影响，计算结果 的对比与验证，生产参数的敏感性分析等。 l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章特殊抽油泵受力分析 悬点载荷是抽油机井的主要工况指标之一，本章通过研究各种特殊抽油泵在工作期 间的受力情况对悬点载荷及系统效率的影响【2 7 1 ，对各种泵进行适应性评价。 本章主要是涉及以下几种特殊抽油泵的受力分析，由于是针对不同特殊类型油井而 采用的抽油泵，其结构特点也是不同的，但是主要研究抽油泵的受力对抽油杆柱的影响， 所以某些泵的受力情况和常规泵是相似的，在此就没有赘述。本章只是着重的讨论了抽 油泵受力情况不同的几种泵【5 1 1 2 钔。 特殊抽油泵 防砂泵 防气泵 抽稠泵 长柱塞防砂泵 等径防砂抽油泵 动筒式防砂泵 长柱塞中排气防气泵 中空防气泵 环形阀防气泵 液压反馈式抽稠泵 变排量抽稠泵 浸入式抽稠泵 电加热抽稠泵 斜井泵 深抽泵 图2 - 1 特殊抽油泵的分类 f i 9 2 - 1t h e c l a s s i f i c a t i o no fs p e c i a lp u m p 考虑抽油泵的受力情况时，以方向向下作为正方向。 2 1 游梁式抽油机加速度的精确解 一般情况下，抽油机的加速度都是简化成了近似解，但是往往这样就不能满足其精 确计算的需求，下面将给出抽油机加速度精确解的求解方法【2 9 1 。 厂t厂t厂iil 第二章特殊抽油泵的受力分析 ，量少 。 h ：l g 图2 - 2 游梁式抽油机的示意图 f i 9 2 2 b e a mp u m p i n gu n i tc h a r t 根据游梁瓦抽涸秽l 的还动特点，建互出掰梁的还动万程，最后得出悬点的加速度计 算公式如下： 口。：甜k 口塑茎型生鱼出型翌二盟兰型竺堡盟二堕! 型q ( 2 - 1 ) 4 u s i n ( v r + 口1 其中，( 2 1 ) 式中的部分变量可写成以下形式 口=corksin面(#面+bo万)+brsin(#-o) ( 2 2 ) 6 ，s i n ( 沙+ 口) 、7 k = 2 + ( 日一g ) 2 ( 2 3 ) ，：厄i 面百万石丽 ( 2 4 ) y = 矿i + r s i n 矽面 ( 2 - 5 ) 唬= t g - l 瓦1 虿( 2 - 6 ) 秒= 万一c 。s 。1 ( 等 一y c 2 7 ， 一般认为，悬点的上、下死点位置就对应的1 8 0 。和3 6 0 。( 或0 0 ) 得曲柄转角，因此计 算中通常把0 0 曲柄转角作为基本参考点。 式中，目为任意时刻的游梁摆角，就是游梁得后臂与y 方向夹角；i c ，是任意时刻 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 和y 方向夹角；矽是曲柄转角，它的值是角速度0 7 与时间f 的乘积，即矽= c o t 。 由式( 2 l h 2 - 7 ) 的代换关系可知，加速度是关于的函数，而又是关于角速度国 的函数，对于某个已知型号的抽油机，抽油机的几何尺寸( 口，b ，厶冠g 厂) 是已知的，再给出 曲柄旋转的角速度国的具体数据，便可计算出加速度【3 0 】。 2 2 常规泵 常规泵是现阶段应用最广，也是最基础的抽油泵，主要应用于一般的抽油井，常规 泵的结构如图2 3 所示。 i 磊盘 u 僦 i 、，i l j 一 上冲程 上一 麇舅 h ，l i f 徭泰 l j 下冲程 图2 - 3 常规泵的工作过程 f i 9 2 - 3t h ew o r k i n gp r o c e s so f t h e c o n v e n t i o n a lp u m p ( 1 ) 工作原理 上冲程时，排出阀关闭，柱塞在抽油杆柱带动下做向上运动，柱塞以下的泵腔容积 逐渐增大，压力随之逐渐降低，吸入阀打开，在环形空间液柱压力与泵内压力之下的作 用下，液体通过吸入阀阀孔进入到泵腔内，而柱塞上方杆管环空的液体就被不断的举升 到地面上来【5 1 。 下冲程时，吸入阀关闭，抽油杆柱带动着柱塞做向下的运动，当泵内压力增高到大 于柱塞以上液柱压力时，排出阀顶开，柱塞下部的液体通过排出阀流到柱塞上部，使泵 毋 13 第二章特殊抽油泵的受力分析 排出液体【5 1 。 柱塞上下往复运动一次，抽油泵完成了一个抽油周期。周而复始，液体就不断被举 升到地面上来。 ( 2 ) 柱塞的受力分析 图2 4 常规泵的受力分析图 f i 9 2 4c o n v e n t i o n a lp u m p s t r e s sa n a l y s i sc h a r t 图2 4 中各变量表示：e 为柱塞上液柱向下的力，n ；兄、为上、下冲程井口 回压产生的力，n ；l 为上冲程的液柱的惯性力( 前后半程的方向不同) ，n ；f r 为抽油 杆柱对柱塞施加的力，n ；c 为柱塞与泵筒的摩擦力，n ；e ，为液体流经阀孔的摩擦力， n ；只为泵内压力只作用在柱塞上产生的载荷，n ；f o , 为对抽油杆柱的顶托力，n 。 1 ) 上冲程 上冲程时，由于压差的存在，排出阀关闭，吸入阀开启。 排出阀处压力作用的力1 3 l 】 排出阀处压力作用的力大小相当于方向相反的几个力的总和，即 l m = 兄+ 巧= ，( a p 一) ( 2 - 8 ) 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中，p o , 。为泵排出me , j 了，p a ；a p 为柱塞的截面积，m 2 ；a r m 为最下面一级抽油 杆柱横截面积，m 2 。 由沉没压力作用在泵筒内向上的力 f = b 彳。= p ，, a p 一瓦 ( 2 - 9 ) = p c + p , g (