（石油与天然气工程专业论文）小排量井口式抽油系统研究.pdf

大庆石油学院工程硕士专业学位论文 小排量井口式抽油系统研究 捅要 本文通过对常规抽油系统的调研 分析了国内外抽油机 抽油杆和抽油泵的应 用现状及发展方向 针对常规抽油系统在小排量油井中应用时存在的不适应性入手 以降低劳动强度 减少作业维护费用 降低能耗和减少一次性投资为目的 提出了 地面采用井口式抽油装置 井下采用轻质柔性抽油杆配合杆式抽油泵的解决方案 文中阐述了井口式抽油系统的结构及原理 分析了井口式抽油系统悬点的运动规律 分析了地面设备在工作状态下的受力状态 计算分析了钢丝绳抽油杆振动阻尼问题 探讨了抽油泵柱塞的超行程问题 模拟试验表明 井口式抽油系统作为一种新型的抽油设备 其原理可行 地面 驱动装置能够对柔性抽油杆及井下杆式泵实现起下作业 旌工工艺可行 井下使用 小直径柔性杆 悬点载荷降低 电参数变化平稳 载荷波动小 抽油装置装机功率 小 维护费用低 能够实现节能降耗的目的 本文所研究的抽油系统 中间动力传动部件采用柔性抽油杆 井下配套杆式抽 油泵 其地面驱动装置将传统抽油机驴头的上下往复运动变为旋转运动 并且能够 利用自身结构对井下柔性抽油杆及泵体实现起下作业 井口光杆也由普通钢质光杆 变为柔性光杆 这是理论研究和工艺方法的创新 这些创新都是前人所没有研究和 尝试的 是本文的一大显著特点 该理论研究和工艺方法为今后研究 设计适应小排量油井的抽油系统提供了新 理论 新方法 关键词 小排量 抽油系统 抽油装置 钢丝绳抽油杆 摘要 t h e s t u d yo fs m a l lf l u xw e l l h e a dp u m p i n gw e l ls y s t e m a b r t r a c t t l l i sa r t i c l ea n a l y s i s e dt h es t a t eo fa p p l i c a t i o na n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o ni nn a t i o n a lw e l lp u m p i n g u n i t p u m p i n gr o d a n do i lw e l lp u m pb ys o m ei n v e s t i g a t i o nf o rc o n v e n t i o n a lp u m pu n i t i tb e g i n e c lf r o m d e a l i n gw i t l lt h eu n s u i t a b l ep e o p e r t yt h a tc o n v e n t i o n a lp u m p i n gw e l ls y s t e mi sa p p l i e dt os m a l lf l u x w e l l 1 1 1 ep u r p o s ew a st h a td i m i n i s h e dm a n p o w e r sw o r k d e c r e a s e dm a i n t e n a n c ec o s t r e d u c e de n e r g y c o n s u m p t i o na n do n et i m ei n v e s t m e n t p r e s e n t e dt h a tw e l l h e a dp u m p i n gu n i ta p p l i e so nt h eg r o u n d a n dt a k et h ep r o j e c tt h a tl i g h t f l e xs u c k e rr o dm a t c h e st or o do i lp u m p i n t r u d u e e dt h em e c h a n i s ma n d p r i n c i p l eo f w e l l h e a dp u m ps y s t e mi nt h i sa r t i c l e a n a l y s i s e dt h em o v e m e n tr e g u l a t i o no f l a n g d i n gt o p o f t h ew e l l h e a dp u m ps y s t e m a n dt h es t a t eo f r e c e i v e ds t m l g t ha st h eg r o u n de q u i p m e n ti sw o r k i n g a n dt h es h o c k i n gd a m pf a c t o ro ft h es t e e lc a b l es u c k e rr o d d e b a t e dt h eq u e s t i o nt h a to i lw e l lp u m p i n c r e a s e dt h es t r o k e m o d e lt e s ti l l u s t r a t e d t h ep r i n e i p l eo f w e l l h e a dp u m ps y s t e mw a sc o r r e c ta san e we q u i p m e n t t h e g r o u n dd r i v i n gd e v i c ec o u l dr o u n dt r i pf o rf l e x i b l es u c k e rr o da h dt h ed o w n h o l er o dp u m p a n d o p e r a t i n gp r o c e s sw a sf e a s i b l e i tm a d et h el a n d i n gt o p ss t r e n g t ht od e c r e a s et ou s e i n a l ld i a m e t e t f l e x i b l er o c ke l e e t i i c a lp a r a m e t e rc h a n g e ds t a b i l i t i l y 1 0 a dw a v ea m p l i t u d ed e c r e a s e 正t h eo n l o a d i n g p o w e ro f b e a mu n i tw a sc u td o w n m a i n t e n a l l t ec o s tf e u a n dc o u l de n e r g y s a v i n ga n dd e c r e a s e l o s s s t u d i e dp u m p i n gw e l ls y s t e r ni nt h i sa t t i c l e t h ei n t e r m e d i a t ep o w e rt r a n s m i s s i o np a r t su e s e d f l e x i b l er o d t h ed o w n h o l ea s s e m b l e dr o dp u m p t h eg r o u n dd r i v i n gd e v i c ew o u l dt r a r l s f o r l nu pa n d d o w nr e c i p r o c a t i n gm o t i o ni n t or o t a t i n gm o t i o n w i t ho w nm e c h a n i s mr o u n d e dt r i pf o rt h ed o w n h o l e f l e x i b l er o da n dp u m p w b m a dp o l i s h e dr o dc h a n g e dc o n l m o ns t e l lf o rf l e x i b l ep o l i s h e dr o d i tw a sa i n n o v a t i o ni nt h e o r ys t u d ya n de r a t t w o r km e t h o d i tw a sar e m a r k a b l ef e a t u r ei nt h i sa r t i c l e b e c a u s e t h e s ei n n o v a t i o n s e 化r i o ts t u d i e da l i da t t e m p t e df o rp r e h u m a n t h es t u d i e dt h e o r ya n de r a f l w o r km e t h o db r o u g h tf o r w a r d s o m ei m wt h e o r i e sa n dm e t h o d sf o r s t u d i n ga n dd e s i g n i n go f t h el a t t e rs m a l lf l u xp u m p i n gw e l ls y s t e m k e yw o r d s m a l lf l u x p u m p i n gw e l ls y s t e m p u m p i n gw e l ld e v i c e s t e e lw i r es u c k e rr o d 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 刖吾 有杆抽油是国内外石油工业传统的机械采油方式之一 当今机械采油方式占绝 对主导地位 目前 我国的有杆抽油井数己达8 0 0 0 0 口左右 占机械采油井总数的9 0 以上 因此 抽油机械是各油田耗电主要设备之一 优化设计出更节能的抽油系统 是国内外工程技术人员一直追求的目标 l 在此方面 技术人员进行了艰苦不懈的努 力 从不同角度做了大量的工作 取得了一个又一个丰硕的成果 为油田开采做了 应有的贡献 分析与研究各种新型节能抽油系统工作原理 从根本上克服常规抽油 系统的不足 在结构上 维护上都有较大的突破与改进 因而本科题的开展 从节 能降耗角度来说 将给采油系统带来一个新的思路 从而达到一项新的突破 目前 我国各大油田相继进入中高含水开发期 2 井底压力降低 逐步丧失自喷 能力 3 j 为保证原油稳产 高产 一是增大油井的排液量 二是加强低产 低效井开 发 大马拉小车现象严重 4 从而使机械采油系统的能耗急剧增加 机械采油系统的 能耗已经成为影响采油成本的主要因素之一 据统计 我国机械采油系统的年耗能 电量已经超过注水系统 成为油田生产的第一用电大户 抽油系统耗能约占油田耗电的1 3 5 而有杆抽油系统的平均效率仅为2 3 左 右 尚有较大的节能潜力 6 近年来 虽然各油田加大了对提高抽油系统效率研究 试验及推广应用的工作力度 使该系统的运行效率有了较大的提高 但受装备技术 水平的限制 仍有很大的潜力可以挖掘 尤其是现代抽油系统设计是处于定性阶段 缺乏一定的理论指导 采用现代优化设计方法 对抽油系统进行优化 在一定程度 上提高了用电效率 使结构具有一定的合理性 并得到了改进 如设计出了各种变 径节能抽油机 如渐开线抽油机 改进的曲柄连杆抽油机 双驴头式抽油机 采用 轻质连续抽油杆降低设备负荷 改进泵结构以提高泵效等 这些相关节能技术的应 用 抽油系统性能和节能效果都有很大提高 与常规抽油系统相比节电高达2 0 3 0 以上 但也可以看出抽油系统到目前为止 节能潜力还很大 为了响应中国石油天然气集团公司提出的 节能降耗 要求 为了适应我国东部 主力油田产量递减加快 增油条件变差 有杆抽油机数量剧增 油田用电状况紧张 的局面 为适应开采低产低效井系统效率低的实际情况 需要进一步克服常规抽油 系统的不足 研究新的抽油系统来满足以上需要 本课题就是在常规抽油系统的基 础上 分析不足 找出原因和克服的办法 从而实现降低能耗的目的 有杆抽油系统效率是衡量有杆抽油系统性能总的指标 七五 期间 大庆石油管 前言 理局与大庆石油学院联合开展了提高抽油机系统效率的科学攻关 研制出了异相曲 柄平衡抽油机等节能元件 8 八五 期间 全国各油田在提高抽油系统效率方面又做 了大量工作 使我国抽油系统效率的总体水平有所提高 9 经过 九五 期间的科学攻 关 我国游梁式抽油机井系统效率又有一定提高 尽管如此 在游梁式抽油机井中 电动机所输入的能量约有7 0 损失掉了 这么大的能源浪费 亟需我们对抽油系统 进行深入的研究 常规游梁式抽油系统一般很难实现长冲程抽油 因其体积过大 耗材多 经济成 本高 1 0 1 无游梁抽油系统可以克服常规抽油系统的部分不足 突破死角限制 如易 实现长冲程 可以达到十米 几十米 甚至上百米 采用柔性件连接 可减少冲击 载荷 减少对部件的磨损 尤其是抽油泵 提高了泵的寿命 减少了对减速器的磨 损 延长了其寿命 由于无游梁 用钢丝绳代替钢体连杆减轻了重量 耗材少 降 低了成本 它具有结构简单 维护方便 运行平稳 井上事故少等特点 减轻了 工人劳动量 减少了维护费用 正由于无游梁抽油系统以上优点 科技人员对此的 研究也越来越多 找出了许多原理 推导出一系列公式 设计出一系列无游梁抽油 设备 目前国内新型无游梁抽油机主要以下型式 滚筒式长冲程抽油机 滚筒式无 连杆抽油机 滑轮支架式增程抽油机 复合天轮式长冲程抽油机 1 2 天车平衡式抽 油机 滑轮式柔性系统抽油机 复动轮式抽油机 机械换向钢绳式抽油机 大轮增 程式长冲程抽油机 双摆式长冲程抽油机 轮系增距式抽油机 轨迹链条式抽油机 链条增程式长冲程抽油机 摆轮增程式长冲程抽油机 齿轮增程式长冲程抽油机 皮带轮挂块一驴头背面砝码一悬吊砝码三级平衡双驴头抽油机 异相曲柄一异步摆锤 尾 架砝码三级平衡四边形抽油机 卧式无游梁抽油机 宜矩式抽油机 数控式抽油机 油管平衡液压抽油机 平衡缸与光杆同轴的滚珠丝杠抽油机 平衡缸与光杆同轴的 柔性抽油机 倍增式长冲程液压马达驱动对偶平衡式抽油机 液压驱动平衡抽油机 车载液压长冲程抽油机 空气压力采油机等 国外新型无游梁抽油机有 摆动平衡 抽油机 齿轮齿条传动无游梁抽油机 井式链传动增程式无游梁抽油机 高粱式无 游梁抽油机 圆筒支架钢丝绳抽油机 塔式储液室抽油机 沉没式长冲程抽油机 深井活塞式双作用抽油机 机械平衡液压抽油机等等 可以看出 科技人员在此方 面做出很大的成就 但很少针对低产低效井在节能技术上做系统研究 而正是这些 油井具有更大的节能潜力 所以开展此方面的研究是很有意义的 也是很必要的 太痰 浦学巯王提硕士专业学藿论文 1 1 攒浊豢绞篱彳 1 1 t 捆油枫赫奔 第1 耄概述 采油方法通常是揍将流瓢捧瘫懿原油搿聚剩蟪蔗土艨鬻用嚣方法 冀巾包括赢 囔采酒和椒械莱油两释 囊喷采洼方法舶特点楚稍羽她屡率撮戆戆蠡来举舞豫油 是最经蓥熬舞鬟方法 照燕菠装涟鑫嚣不凝开发 地瑟压力不凝海燕 姥鼷簸耋不 断消耗 帮健在注采努疑瓣渡圃 宅靛中簸期瞧掘魂了永淹和强永淹鹃现壤 遮藏 油蟹就不 溺臼喷的方法群采了 翔辩 出予地层的她蕊姆燃 有一些油弗一歼始 藏举鼹鑫喷 对于不熊自喷的油井 就必须袋用机械设备将原油从多 底举辩到地殛 这耱舞袋方法髂受褪棱袋濑 机藏采油又分辨气举法靼热濑法嚣耱方法 气举法燕 程霆蹑续瓤靛麓量 把簸濑举羚裂建器 纛糖油渣瓣特点蹙将各静蘸秘鹣浆放弱势 下 利熙避荫驱动装麓进行拯油 震抽酒法开袋 篱融鲰擞翔最广泛鼹抽油设备是游鬃按濑撬 抽濑袋装疆 或称 为霄拇抽油竣蒋 玄鼢绻翰麓孳 l 逢容瓣 维护方使 掰越 在溜暇褥剩广泛痰 震 l 囊撼濑撬蔗骞耪箍濑豹篷瑟动力传璐设备 是梅 辩 三搔 系缓驰主娶缀藏莓 分 搪溺棍静产生藕壤霸出来已久 迄今强祷露年绣变 巍掰最早 普及最广豹叁 属常靓游粱式抽油枫 型今谯 鼗界各鬻中仍蠢绝对优势 谯大庆油潮约占9 0 隧 着油田的不断歼发 簧袋抽濑辊具程长净撵 大负旃 低携耗 体积小 熬爨轻等 将点来满足秘懿发震静溜翻褥要 越采越多赡新型抽油棱籀继研裁或功 投入生产 对淫瑶豹鬣袋锻蹬了委藏 蒋括按油枫主要努为类如下 r 豢规麓 嚣谶激 偏最穗 淑造銎 i 攘绩构壁式 l一籍势式 繇矮式 藕动褒 l r 游鬃式捆浦枫 1 l 厂机挑平赞 l 一按平衡方斌1 按潼魏 气涟灞平键 l 1 抵矮式 滚筒式 塔絮式 镪带式 无游粱式抽油 链条式 艘谁式 绳索式 第l 章概述 1 1 2 抽油杆篱奔 抽油柽蹙有杼抽油设备的踅要缀成郝搏 它的主要俸黑是将蟪掰驱动装受豹动 力传递至并下 实现抽汲动作 拙濑轷的疲势强度和使用寿念影响了整个采油系统 的运转罔期1 1 4 j 按结掏来隧分 抽酒轩可分为连续拙浊杼和菲连续抽 l l l 秆 连续掬油杆有钢丝 绳连续抽油杼 钢制连续抽油轩和碳绎壤复合材料运续抽油杆3 种 非连续掳油秆 有替遇镪质抽油秆 不锈钢抽油杆 铝含金抽油秆和玻璃钢抽油杆4 种 非连续抽油杆制遣工艺篱单 施工作韭方便 易于运输 在实际斑丽中占有绝 对的优势 一般势况郝可斑用 连续捆溜秆对油蛰磨损小 杼柱失效壤率低 降低 缝蔺设备受赫 遁台特殊髯况琏搿 在宥耱泵采演系统巾 掏油栉柱承受拉 匿 弯及扭力等循环载荷鹣终用 其 工作环境为含有一定瘸蚀介质匏原油 嚣此 抽油拇豹敏障形式为疲劳断裂或脱扣 抽浊秆靛断脱事故会严重影嗡整个抽油系统鲢运转周期及爨油产量 增加维护费甩 提高采油残本 1 1 3 抽油泵麓奔 抽漓裂楚抽滴的井下设备 它所拯救携滚体中含有移 蜷 气 承及腐蚀性物 矮 又在数西岽到上千米麴并下工作 蠢些涵箨豹装内疆力会离这2 0 m p a 以土 赝 以 宅的工作环境复杂 条件恶劣 两麓王作的好蕊又直接影响到油并产量 因龅 抽油泵热有如下特点 a 缀构简单 强度寓 质赞好 连接部分密封可靠 瓣制造材 料耐磐抗艨蚀性好 使用寿命长 c 规赣类型能满起油雕撵滚豢的需簧 适瘦往强 按照抽油泵在油管中的固定方式 掏油泵蜀分为管式泵和程式泵 营式菜的结构箍单 成本低 在相丽的油管赢经蠹允许下入的裂径较书 式泵大 鞠琵捧爨较丈 僵捻泵对必须超出油管 修井工挥量穴 适合深度誉是缀大 产燧 较搿韵洼磐 轩茂泵检泵方硬 但结构复杂 制造成本菇 在楣弼的油管直径下允诈下入的 泵径姥管式裂小 管式泵适合于下裘深度大 产罄较小的油势 1 2 掏油系统骥状及发震方巍 i 2 1 国内外抽浊枫珑状疑发展方向 强蒋 世器备国仍然太纛积应用游粱式抽油枫 美国生产游梁式摭油规的公司 瘁 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 有十几家 品种 型式繁多 有前置式和偏置式 l 卯 此外 法国 前苏联 罗马尼 亚等国均有生产多种抽油机的厂家 我国游梁式抽油机的制造已有四十多年历史 特别是8 0 年代开始自行设计以来 逐步实现国产化 不仅自给 还部分出口 目前 我国已有兰州石油机械厂 兰通 石油机械厂 宝鸡石油机械厂等三十多家生产抽油机 兰州石油机械厂是我国生产 常规游梁式抽油机的主要厂家 共有十一种规格 无游梁抽油机近年来也得到飞速发展 尤其朝着长冲程无游梁方向发展 如增 大冲程无游梁抽油机 长冲程抽油机 目前国内生产无游梁抽油机型式有五十余种 例如滚筒式长冲程抽油机 复合天轮式长冲程抽油机 大轮增程式长冲程抽油机 渐开线无游梁抽油机等等 国外无游梁抽油机也有六十多种 如摆动平衡抽油机 轮系式无游梁抽油机 曲柄链条长冲程抽油机等 抽油机的发展趋势主要有以下几个方向 a 朝着大型化方向发展 随着世界油气资源的不断开发 开采油层深度逐年增加 石油含水量也不断增 加 采用大泵提液采油工艺和开采稠油等 都要求采用大型抽油机 所以近年来 国外出现了许多大型抽油机 例如前置式气平衡抽油机最大载荷1 3 k n 气囊平衡抽 油机最大载荷2 7 k n 等 将来会有更大载荷抽油机出现 b 朝着低能耗方向发展 为减少能耗 提高经济效益 近年来国外研制与应用了许多节能型抽油机 如 异相型抽油机节电1 5 3 5 前置式气平衡抽油机节电3 5 轮式抽油机节电 3 0 0 o 4 0 大圈式抽油机节电3 0 c 朝着精确平衡发展 近年来国内外非常重视改进和提高抽油机的平衡效果 使抽油机得到更精确平 衡 例如 变平衡力矩抽油机 可使上冲程平衡力矩大于下冲程力矩 前置式气平 衡抽油机 可以在动态下调节气平衡 平衡效果较好 自动平衡机可以保证在上下 冲程每一瞬间得到较精确平衡 d 朝着高适应性方向发展 现在抽油机应具备较高的适应性 以便拓宽使用范围 例如适应各种自然地理 和地质构造条件抽油的需要 适应各种成分石油抽汲的需要 适应深井抽汲的需要 适应长冲程的需要 适应节电的需要 适应精确平衡的需要 适应无电源和间抽的 需要 适应优化抽油的需要等 e 朝着长冲程无游梁抽油机方向发展 第1 章概述 近年来国内外研制与应用了多种类型的长冲程抽油机 其中包括增大冲程游梁 抽油机 增大冲程无游梁抽油机和长冲程无游梁抽油机 实践与理论表明 增大冲 程无游梁抽油机是增大冲程抽油机的发展方向 长冲程无游梁抽油机是长冲程抽油 机的发展方向 采用长冲程抽油方式 抽油效率高 抽油机寿命长 动载小 排量稳定i 具有 较好的经济效益 如法国m a p e 公司的抽油机 最大冲程1 0 m w g c o 公司的抽油 机最大冲程2 4 3 8 m 原苏联钢带式超长冲程抽油机最大冲程1 5 0 0 m o 朝着自动化和智能化方向发展 抽油机技术发展的显著标志是自动化和智能化 b a k e r 提升系统公司 d e l t a x 公司 a p s 公司等研制了自动化抽油机 具有保护和报警功能 实时监测 油井运动参数及时显示与记录 并通过综合计算分析 推得出最优工况参数 进 步指导抽油机最优工况抽油 n s c o 公司智能抽油机 采用微处理机和自适应电子 控制器进行控制与监测 具有抽油效率高 节电 多功能 安全可靠 经济性好 适应性强等优点 1 2 2 国内外抽油杆现状及发展方向 2 0 世纪8 0 年代开始 随着我国主要油田进入中后期开采 投入开发的油藏类 型越来越复杂 促进了国产抽油杆品种 质量和数量几个方面的发展 我国抽油杆制造厂由1 9 8 1 年的2 家到1 9 9 8 年增加到2 7 家 抽油杆的品种由1 种增加到1 2 种 抽油杆年产能力由2 0 0 x 1 0 4 m 增加到2 6 9 3 x 1 0 4 m 不仅满足了国内 各油田的生产需要 而且出口美国 加拿大 印度 印尼 巴基斯坦 墨西哥 苏 丹 俄罗斯 哈萨克斯坦 土库曼斯坦和乌兹别克斯坦等1 1 个国家 我国已形成 支由抽油杆制造厂 油田和l o 个研究院所 9 所高等院校组成的高水平的抽油杆研 制队伍 使我国与国外抽油杆研制先进水平的差距缩短二十多年 大港油田集团新世纪公司从1 9 9 2 年至1 9 9 8 年1 0 月共生产空心抽油杆1 7 9 6 x 1 0 4 m 空心抽油杆和电加热抽油杆装置成功地解决了 三高 原油开采的难题 国产准贝氏体超高强度抽油杆达到了s y 厂r 6 2 7 2 1 9 9 7 超高强度抽油杆 的要求 i t fg 非调质钢抽油杆采用低碳mnb 系列非调质钢 镦锻后无需热处理就可使其 力学性能达到d 级抽油杆的要求 1 7 生产这种抽油杆简化了工艺 节约了能源 降 低了成本 东北输油管理局铁岭机械厂1 9 9 4 年至1 9 9 8 年共生产tfg 非调质钢抽 油杆1 1 0 0 x 1 0 4 m 供6 个油田使用 效果较好 淄博石油设备厂研制的hl 型超高强度抽油杆采用fg2 0 非调质钢 锻造后经 6 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 高温回火处理 l 引 该厂1 9 9 4 年到1 9 9 8 年1 0 月共生产这种抽油杆1 1 2 x 1 0 4 m 主要 供应胜利油田和中原油田应用 效果很好 玻璃钢抽油杆具有重量轻 弹性好 耐腐蚀等优点 适用于深井 超深井和腐 蚀井 l 合理使用玻璃钢抽油杆可以节电 增产和延长检泵周期 我国使用玻璃钢 抽油杆的抽油井 泵挂最深达3 0 0 1 2 m 增产效果最好的井日增产液1 1 4 7 t 日增产 油3 3 9 t 寿命最长达6 年多 涂层防腐抽油杆是在d 级或h 级抽油杆的杆体表面喷涂一层耐腐蚀 高强度复 合材料 具有优良的附着性能和防腐性能 适用于各种腐蚀介质的油井 抽油杆使 用寿命长 杆体光滑结蜡少 中原油田腐蚀严重 使用涂层防腐抽油杆后 平均检 泵周期延长1 倍以上 钢丝绳连续抽油杆抽油系统的试验研究在国外始于上世纪6 0 年代初 我国石油 大学 北京 从9 0 年代初开始进行理论研究 于1 9 9 7 年先后成功地指导了几个油田的 钢丝绳连续抽油杆抽油系统的试验 下泵深度2 2 5 0 m 使用寿命己超过1 9 个月 取 得了提高油井产量和泵效的良好效果 目前已有五个油田先后进行了钢丝绳连续抽 油杆抽油系统试验 取得了一定效益 但也暴露出一些问题 使用钢丝绳连续抽油杆后 产量和泵效提高 悬点最大载荷可减小2 0 3 0 最大载荷与最小载荷差值减小 曲柄扭矩减小 抽油机所耗功率减小1 0 2 0 系统效率大大提高 2 0 由于接箍数量减少 杆柱断脱扣的事故会减少 杆柱与油管 壁的磨损减轻 钢丝绳连续抽油杆表面几乎无磨损 液体流动阻力减小 结蜡现象大 大减轻 近年来 国外新材料抽油杆和连续抽油杆有了很大发展 出现了多种形式抽油 杆 大大地提高了抽油杆的适应性 经济性 可靠性和先进性 为多快好省地开采 石油做出了贡献 新材料抽油杆主要有不锈钢抽油杆 铝合金抽油杆 玻璃钢抽油 杆 石墨带抽油杆和钢带抽油杆等 为了适应强化采油和含有c 0 5 较多的油井采油的需要 美国公司采用a i s l 4 3 1 不锈钢材料 制造了不锈钢抽油杆 此外 在a p i c 级和d 级抽油杆表面喷涂不锈 钢后 也具有不锈钢抽油杆的耐腐蚀性能 美国m e g a 工业公司研究开发了铝合金抽油杆 具有很好的使用性能和经济效 益 铝合金抽油杆的质量比较轻 只有钢质抽油杆质量的三分之一 可以减少抽油 机载荷 或者可以下入更深井的抽油泵 铝含金抽油杆具有较好的耐腐蚀性能 耐 腐蚀能力为钢质抽油杆的3 5 倍 2 1 l 俄罗斯和瑞典分别研制了钢带式超长冲程抽油机 采用了钢带抽油杆 在地面 第1 章概述 抽油机滚筒上面缠绕着这种钢带抽油杆 在钢带抽油杆的另一端直接连接着井下具有 特殊结构的抽油泵柱塞 钢带抽油杆在地面抽油机滚筒上缠绕或退绕 可使井下抽 油泵柱塞以一定的速度和运动范围进行上下往复运动 这种抽油机的冲程长度是目 前世界上最长的 其冲程长度可达4 0 0 1 5 0 0 m 可根据油井情况和采油需要选择 美国h e a n 公司利用航天技术 采用高级石墨合成材料制成石墨带抽油杆 可 以代替现有的钢质抽油杆和玻璃钢抽油杆 石墨带抽油杆采用高级石墨合成材料 其抗拉强度和许用工作应力均较高 抽油杆柱较轻 例如 1 5 2 4 m 长的石墨带抽油杆 总质量还不到6 8 k g 每米抽油杆只有o 0 4 4 6 k g 拿大c o r o d 公司研究开发了c o r o d 抽油杆 也是一种可缠绕式连续抽油杆 其 截面为椭圆形 c o r o d 抽油杆已经在许多国家1 5 0 0 0 多口油井中使用 其中最大下泵 深度已达3 5 0 0 m 在加拿大油田 c o r o d 抽油杆主要用开采稠油 也用于深井和斜井 抽油 此外还有3 0 0 0 多口定向井和丛式井也采用了c o r o d 抽油杆进行抽油 抽油杆技术的发展趋势是 曲朝着新工艺方向发展 如喷涂不锈钢抽油杆 综合强化抽油杆 b 1 朝着高强度方向发展 如s 一8 0 k d 级 e l 级 9 7 型抽油杆 曲朝着连续杆方向发展 如钢带抽油杆 石墨带抽油杆 c o r o d 抽油杆 钢绳 抽油杆 d 朝着新材料方向发展 如不锈钢抽油杆 铝合金抽油杆 玻璃钢抽油杆 石 墨带抽油杆 c 朝着耐腐性方向发展 如不锈钢抽油杆 铝合金抽油杆 玻璃钢抽油秆 石 墨带抽油杆 d 朝着耐磨损方向发展 如c o r o d 抽油杆等 1 2 3 国内外抽油泵现状及发展方向 发明深井泵后很长一段时间技术发展不快 至l j 2 0 世纪中叶开始研究整筒深井泵 与衬套式深井泵同时生产 关于深井泵在技术上有争论的两大问题 一是整筒式深 井泵好 还是衬套式深井泵好 二是柱塞上是有防砂槽好 还是无防砂槽好 直到 2 0 世纪8 0 年代 由于整筒深井泵显著提高了泵效 一般比衬套式深井泵约提高1 0 延长了柱塞泵筒副的使用寿命 并可节约4 0 左右优质钢材 逐步取代了衬套式抽油 泵 美国a p i 有关深井泵的规模已淘汰了衬套式深井泵 这是近年来深井泵主要技术 进步之一 为了适应采油工艺的需要 多年来除了标准深井泵 管式泵和杆式泵 外 开发 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 出各种特殊类型的深井泵 如适用于大排液量的双作用泵 使用于高汽油比的两级 压缩抽油泵和机械启闭阀深井泵等防气泵 适用于抽稠油的流线型深井泵和液压反 馈泵 适用于出砂井的自润滑式防砂泵 伸缩式三管防砂泵和防砂卡泵等防砂泵 适用于深井抽油的过桥泵 适用于斜井抽油的斜井深井泵 适用于过泵测试或加热 的空心泵 为减小沉没度的有杆射流增压泵等 为了延长深井泵使用寿命 在改进深井泵零部件方面 主要采取提高泵筒柱副的 耐久性和阀组的可靠性 泵筒采用了多种原材料和热处理工艺 除渗氮外 发展了 碳氦共渗以及镀硬铬工艺 柱塞除采用镀硬铬工艺外 还发展了喷焊镍基合金和喷 涂陶瓷等工艺 值得注意的是 为了提高泵筒一柱塞副的耐久性 要根据油井的特 点合理匹配泵筒和柱塞的材料 如在高矿化度介质中泵筒采用镀硬铬工艺较好 而 柱塞也采用镀硬铬效果并不理想 为了提高阀组可靠性和抗防腐性 常用高碳铬不 锈钢和铸钴等材料替代一般的不锈钢 9 第2 章选题的科学依据及设计原则 第2 章几种抽油机调研及抽油系统设计原则 2 1 对几种抽油机的调研 通过调研几种抽油机 了解了一些抽油机的使用情况 下面作以简要介绍 2 1 1 摩擦式抽油机 摩擦式抽油机通过电动机正反转驱动减速机带动摩擦轮转动 无触点换向开关 换向 使抽油杆上下运动来抽汲油液 钢丝绳一端通过悬绳器与光杆连接 另一端 与配重箱连接 根据示功图载荷的大小可调整配重铁 以调节摩擦轮两端的拉力差 做到精确平衡 该机结构简单 开关磁阻电机一摆线针轮减速机一摩擦轮 抽油杆 平衡重 中 间采用联轴器连接 该机采用的开关磁阻电机是一种新型电机 性能好 功率因数高 起动电流仅 为额定值的 3 0 且可换向达1 0 0 0 次 h 摆线针轮减速机为一种行星减速机 减速 比大 承受负载大 冲次可根据生产需要用旋钮任意无级调节 可以实现抽油机工作中上下行程速 度的分别控制 冲程长度可以根据需要设计配套高度的塔架 在最大冲程下实现任 意冲程的调节 调平衡简单方便 操作强度低 操作时间短 平衡率可调到9 5 以 上 在稠油开采上可根据吞吐周期内油温和粘度的变化 及时调整抽汲速度 实现 每个吞吐周期内高效采油 在聚合物驱采油井上同样可以实现在较快上行速度的情 况下 按照需要合理减慢抽油杆下行速度 防止抽油杆偏磨 提高泵的充满程度和 泵效 有效地解决了聚合物驱井筒举升的难题 该机结构简单紧凑 整机重量轻 电动机恒扭矩输出 起动无冲击电流 节电效果显著 2 1 2 矮型异相曲柄平衡抽油机 整机重量轻 高度矮 成本低 通过优化设计 使整机重量比同型号常规机减 轻了2 t 节省了钢材 降低了成本 其整机高度比常规机降低了1 8 m 管理方便 操作简单 节能降低 由于该机极位夹角的存在 使得上冲程曲柄转角为1 9 0 延 长了上冲程运行时间 放慢了上冲程速度 从而 降低了上冲程动载荷 提高了系 1 0 大庆右油掌院工程硕士专业学饭论文 绞效率 同孵 绱置是的存在 霞缛减速簇麴柄轴狰衽矩变纯平缓 峰值攮少 毽 该机具有上冲程慢下冲程快的运动特性 抽油井使用应注意它适含 氍产量的油井 2 1 3 双摆转域程式擒洼机 它是通过由原来的四杆机构改交为变杆机构 达到节能的目的 该机工作时 装在曲柄销上的滚轮在摆杆轨道上往复滚动 带动自重较大的摆杆上下摆动 借助 手摇柽装置涮弼扛轩骧瑗在运动过程中透一步调节撼油枧的平舞 实现了降低挂耩 轴净扭矩 进而达到了降低电动机功率目的 该机的机械性能优于常规机和偏霞式 抽油机 最大扭矩峰值下降幅度较大 与常规机相比下降了4 2 1 9 5 与偏置机相比 下降了2 6 9 6 7 该机能游除电执作负功现象 挺矩搬数值较蔫 高达5 4 4 8 周 期载苟系数岛偏置桃相比更接近1 不足是滚轮的使用寿命短 2 1 4 复合夭轮式长冲程抽油机 该撬是一秘无游粱撼酒掇 它与翦芬联c r m 型机辕式无游梁弦油机缀搪经 它 是将常规游粱式抽油机的游梁 驴头换成一组同心不同直径的大小天轮 其结构与 普通游梁式抽油机基本相同 主要由机架 电机 减速器 曲柄连杆 大天伦 小 天轮 小天轮绳 大天轮绳和悬绳器缀成 浚机具密设计参数犬 提液能力较强的 特点 戳7 0 m m 泵径为铡 最大理论瓣基可这每天3 9 8 m 3 该瓤冲程大i 强渡能力 强 运行平稳可靠 与游粱机相比结构复杂 整机獯量和高度较大 安装 调参和 维修保养比较费力 2 1 5 双驴基抽油机 该机是将常规机游粱与横梁的铰连接 改为变径圆弧形的后驴头 钢丝绳与横 梁的软连接 构成交参数暇杆机构来传递运动和扭矩 克服了原机构的死角 增加 游梁摆是 冲程提高2 0 q 0 嚣辩正转时慢提糗放 适用于轴稀漶 反转辩为饶 提慢放 适用于抽稠油口 由于采用了变径圆弧形的游梁后臀 游粱与横粱之间采用柔性连接等结构 得 变参数圈籽瓤拇 该枫毒每在工锌薅 依靠游粱瑶翳毒簸长度缝蠢援律交纯实现受 载大时平衡力矩大 负载小时平衡力矩小的工作状态 该机游粱力臂变化产生的变 动扭矩和平衡块按正弦规律产生的平衡扭矩之和能尽可能地拟合载荷扭矩的变化 这是该机一个刨造性的特点 从丽使挎扭矩波动小 达到加强平衡 降低能糕的基 的 第2 章选题的科学依据及设计原则 2 1 6 渐开线异型抽油机 该机通过改变抽油机扭矩因数的变化规律加强平衡效果 达到节能目的 工作 时通过小天轮的渐开线形状 实现了有效长度有规律的变化 该变化起到了负载大 时有效半径大 负载小时有效半径小 从而加强了抽油机的平衡效果 达到了节能 的目的 该机明显优于偏置及 最大净扭矩峰值下降较大 与常规机相比下降了 5 2 0 9 8 与偏置机相比下降了3 9 4 7 9 该机能够消除电机作负功现象 扭矩指数l e t 值较高 模拟工况下的l e t 值均大于7 0 周期载荷系数与偏置机相比更接近1 但该机驱动绳强度不够 使用过程中易断 且价格较高 该机在井况出现异常时的 自我保护能力差 2 2 井口式抽油系统设计原则 常规抽油系统在开采低产低效油井时 普遍存在大马拉小车 检换泵烦琐 能 耗高等弊端 因此 新型抽油系统研制应从降低作业强度 减少日常维护费用 降 低能耗 降低机型 减少一次性投资等方面入手 2 2 1 降低劳动强度 将井下动力传动部件由钢质抽油杆变为钢丝绳抽油杆 利用滚筒实现抽油杆及 井下泵的起下作业 提高作业效率 降低劳动强度 2 2 2 减少作业维护费用 油井的作业维护主要是井下泵的定期检测 动力传动部件采用钢丝绳抽油杆 井下泵体采用杆式抽油泵 这样利用滚筒即可对钢丝绳抽油杆及井下泵进行起下作 业 可以节省立作业架的费用和起下油管费用 2 2 3 降低能耗 钢丝绳抽油杆具有比钢质抽油杆更大的抗拉强度 其抗拉强度约为钢质d 级抽 油杆的2 倍 因此 承受相同的载荷情况下 使用钢丝绳抽油杆可以降低抽油杆直 径 减少液柱与抽油杆之间的摩擦 使能耗降低 2 2 4 减少一次性投资 地面设备所承受的载荷主要为抽油杆的杆柱载荷和抽汲时的液柱载荷 由于钢 丝绳抽油杆强度高 杆柱重量可以降低4 5 以上 因此 地面设备承受的载荷降低 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 设备机型降低 一次性投资降低 1 3 第3 章井口式抽油系统设计 第3 章井口式抽油系统设计 3 1 抽油系统结构设计 3 1 1 结构及工作原理 井口式抽油系统地面驱动装置主要由驱动电机 减速器 联轴器 转盘 偏心 轮 支撑架和柔性杆扶正轮等部件组成 工作时 通过控制装置启动电机转动 皮 带把电机动力传递给减速器输入轴 通过减速器减速 把传递到输入轴上的高速运 动变为低速运动 驱动与输出轴相连接的转盘低速转动 两个转盘中心各连接一个 中心轴 两轴处于同一轴线上 两转盘中心轴不连接 而是靠一偏心轴连接 以实 现同步运转 柔性光杆即可以直接悬挂在转盘偏心轴的滚轮上 也可以将地面一端 固定在支撑架的某一位置上 由于转盘不停地旋转 偏心轴就带动了柔性光杆不停 地上下运动 从而带动抽油杆实现抽汲运动 井口式地面驱动装置结构如下图 图3 1 井口式地面驱动装置结构图 f i g 3 1 d e c h a n ls ms k e t c h o fw e ll h e a dg r o u n dd r i r e 3 1 2 冲程调整方式 a 将地面柔性杆一端直接悬挂在转盘偏心轴上 此时冲程为转盘中心到偏心轮 中心距离r 的2 倍 即2 r 调整偏心轮相对于中心r 的距离 使r 增大到r 则冲程 由2 r 增大到2 r 冲程调节范围为2 r r 如下图所示 1 4 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 图3 2 冲程调整方式示意图 f i g 3 2d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fa d j u s t i n gp u m pl i f tm e t h o d b 将柔性杆绕过偏心轮 端头固定于井口或支架上 调整偏心轮与转盘中心轴 问距离来调整冲程大小 当轴间距由r 变化到r 时 冲程由4 r 增大到4 r 此时调整 范围为4 r r 冲程调整方法如下图所示 2 7 拂z o 募 x2 冲程4 r冲程4 r 图3 3 增程结构冲程调整方式示意图 f i g 3 3d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fi n c r e a s i n gs t r o k em e t h o d 由于偏心轮可以沿着滑槽滑动 并可以固定在可调范围内任意位置 因此可实 现冲程及排量连续可调 这样能够更好地使与油井井况相适应 达到供排液平衡 3 1 3 冲次调整方式 由于变速箱具有固定的变速比 因此这里冲次调整还是采用更换带轮的方法 可根据实际需要设置不同的转速 3 1 4 杆柱起下方法 当检泵作业时 卸掉平衡块及偏心轮 在两转盘的对应孔中平行插入一定数目 第3 章井口式抽油系统设计 的横梁 制成简易滚筒 这样 在转盘转动的同时 就可以将柔性杆缠绕在简易滚 筒上 井下泵就随着柔性杆一起被提出井筒 下泵过程正好与上面的操作顺序相反 这里不再累述 起下作业过程示意图如下 图3 4 杆柱起下作业示意图 f i g 3 4d i a g r a m m a t i cs k e t c ho fs u c k e rr o d r o u n dt r i p 3 2 动力传动部件优选 为了降低悬点载荷 方便现场施工维护 采用滚筒对井下杆柱及泵体进行起下 作业 因此 需要选用柔性抽油杆来作为中间传递动力的部件 目前 可供选择的 柔性抽油杆有两种 即碳纤维抽油杆和钢丝绳抽油杆 3 2 1 碳纤维连续抽油杆 美国利用独特的航空航天设计和材料技术 经过1 0 余年的努力 于2 0 世纪9 0 年代初研制成功碳纤维复合材料连续抽油杆 并进行了现场试验田 试验结果表明 碳纤维抽油杆克服了普通钢制抽油杆质量大 能耗高 失效频繁 活塞效应大 起 下作业速度慢 易磨损的缺点 是一种很有发展前途的特种抽油杆1 2 4 1 我国在碳纤 维抽油杆的研制方面才冈l l n l l 起步 从2 0 0 0 年至今的4 年时间里先后进行了1 6 口井 的现场试验 取得了满意的效果 2 5 1 为碳纤维抽油杆在国内油田的进一步应用提供 了很好的借鉴经验 3 2 1 1 碳纤维抽油杆优点 大庆石油学院工程硕士专业学位论文 碳纤维抽油杆呈带状 横截面近似为矩形 心部为碳纤维 表面覆盖玻璃纤维 布 基体为乙烯树脂 2 6 碳纤维抽油杆与普通钢制抽油杆相比 它具有如下优点 1 重量轻 能耗低 同等抗拉强度下 碳纤维抽油杆的质量仅为普通钢制抽 油杆的1 5 2 耐疲劳 在最大载荷8 0 k n 最小载荷2 7 k n 的交变载荷作用下 经l o7 次 的疲劳试验 抽油杆及接头不发生失效破坏 剩余强度仍为原始强度的9 0 3 耐腐蚀 在常温和9 0 c 的酸碱溶液及原油中浸泡3 个月 无任何变化 适 合任何腐蚀井 4 系统阻力系数低 碳纤维抽油杆成带状 除下部配重杆柱外 没有接箍 因此 杆柱柱塞效应降低 运转阻力下斛2 7 1 5 减轻油管磨损 碳纤维抽油杆表面硬度低于油管 而且是与油管线摩擦 可以提高油管的使用寿命 6 截面积小 流体通经增加 碳纤维抽油杆的比强度和比模量远高于钢材 同等抗拉强度下碳纤维抽油杆截面积小 因此可以增加过油截面积 减小过油阻力 7 机械化程度高 碳纤维抽油杆大部分是无接头作业 连续起下速度可达 2 0 m m i n 而且工人的劳动强度降低 3 2 1 2 我国碳纤维抽油研究进展 我国碳纤维抽油杆于2 0 0 0 年6 月开始试生产 试验过程中 针对不同介质 不 同温度 不同偏磨等情况 改善了配方 提高了碳纤维抽油杆原材料的档次和质量 并在以下方面取得突破 1 改进了加工工艺 实现5 0 0 0 m 碳纤维抽油杆连续生产 2 提高了碳纤维抽油杆的适应温度 已从初期的6 0 提高到了目前的1 2 0 3 扩大了产品系列 提高了碳纤维抽油杆的泵挂深度 4 初步解决了碳纤维抽油杆防偏磨 防腐蚀问题 延长了油井的检泵周期 3 2 1 3 我国碳纤维抽油试验效果 我国从2 0 0 0 年7 月开始先后在胜利 中原 大港等油田进行了碳纤维连续抽油 杆的现场试验 使油井的生产参数得到优化 产液量明显提高 达到了预期效果 主要表现在以下几个方面 1 在现有地面设备条件下 实现了深抽工艺 2 油井产量和泵效都有不同程度的提高 1 7 第3 章井口式抽油系统设计 3 电流明显减小 抽油机负荷减轻 对电机功率 减速箱扭矩要求变小 4 通过深抽 协调了低产井供排关系 解决了低渗透油井间歇抽油难题 3 2 1 4 碳纤维抽油杆存在问题 通过使用碳纤维抽油杆 也暴露出了如下问题 2 8 1 冲程损失大 现场示功图分析表明 应用碳纤维抽油杆冲程损失都较大 冲程为5 m 时 损失在3 4 m