游梁式抽油机井抽油装置系统设计及应用

哈尔滨石油学院 I 目 录 第第 1 1 章章 前前 言言 1 1 1 1 设计的目的及意义 1 1 2 目前国内外发展趋势 1 1 3 设计的主要内容 4 第第 2 2 章章 抽油泵的选择抽油泵的选择 5 5 2 1 油井产能计算 5 2 2 冲程及冲次的确定 11 2 3 泵径的计算 12 2 4 泵型的确定 13 2 5 活塞和衬套的配合间隙的确定 13 第三章第三章 抽油杆的确定抽油杆的确定 1414 3 1 抽油杆长度的确定 14 3 2 悬点载荷的计算 15 3 3 抽油杆强度的确定 21 3 4 抽油杆组合的确定 22 第四章第四章 抽油机的选择抽油机的选择 2424 4 1 抽油机的选择原理 24 4 2 计算并校核减速箱扭矩 26 4 3 计算电动机功率并选电机 27 第第 5 5 章章 实例分析实例分析 3030 参考文献参考文献 3434 哈尔滨石油学院 1 第 1 章 前 言 1 1 设计的目的及意义 油田开发是一项庞大而复杂的系统工程 必须编制油田开发总体建设方案 油田 开发工作的指导性文件 采油工程设计更是总体方案的重要组成部分和方案实施 的核心 而游梁式抽油机的设计抽油装置系统设计更是采油课程设计的重中之重 该课程为石油工程专业采油模块学生必修课 它是石油工程专业主干课 采 油工程 的扩展和补充 石油工程学生在学完专业基础课和专业课之后 为加深 学生对采油工程深入了解 训练学生系统 全面和综合应用采油工程技术方法和 设计能力 开设本课程 目的是为了学生综合应用能力打下基础 培养学生毕业 后能更快的适应和应用采油工程理论和技术方法解决采油工程问题 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 有杆泵采油方法以结构简单 适应性强和寿命长等特点 成为目前最主要的采油 方法 抽油机是有杆泵抽油的主要地面设备 按是否有梁 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 依据详探成果和必要的生产试验资料 在综合研 究的基础上对具有工业价值的油田 按石油市场的需求 从油田的实际情况和生 产规律出发 提高最终采收率 近些年来 为了满足采油工艺对长冲程 低冲次 抽油机的需要 国内近年来研制出多种新型游梁式与无游梁式长冲程 低冲次 节能抽油机 游梁式抽油机的设计受到了抽油机设计工作者的重视 并取得了明 显的经济效益 游梁式抽油机的最基本特点是结构简单 制造容易 维修方便 特别是它可以长期在油田全天运转 使用可靠 因此尽管它存在驴头悬点运动的 加速度大 平衡效果差 效率低 在长冲程时体积较大和笨重的特点 但依旧是 目前应用最广泛的抽油机 1 2 目前国内外发展趋势 随着油田的开发 抽油机的投入量日益增加 发展高效 节能 可靠性高的 抽油机是石油机械装备工业的当务之急 也是生产厂家始终追求的目标 国外在 抽油机的开发上投入精力比较多 研究的时间也比较早 除大量开发生产游梁式 抽油机外 一些科研和制造公司正在研制和推出各种非传统型号的抽油机 哈尔滨石油学院 2 1 2 1 国外抽油机生产概况 目前 世界各国仍然大面积的应用游梁式抽油机 美国生产游梁式抽油机的 厂家有十几家 品种 型号繁多 此外 英国 法国 前苏联 罗马尼亚等国均 有生产多种抽油机的厂家 美国API Spec11E 抽油机规范 中规定 抽油机共有77种规格 悬点最大 载荷为9 214 kN 冲程长度0 4 7 6 m Lufkin公司是美国生产抽油机最早和最 大的公司 在1923年生产了美国第一台游梁抽油机 1931年率先研制了两块平衡 重的曲柄平衡抽油机 1959年研制了前置式抽油机 也是最早生产前置式气平衡 抽油机的一家公司 目前 Lufkin公司生产B C M A等4种系列抽油机 B系列 游梁平衡抽油机有8种规格 悬点最大载荷24 49 4 kN 冲程长度0 6 1 21 m C系列曲柄平衡抽油机有64种规格 悬点最大载荷24 165 5 kN 冲程长度 0 76 4 2 m M系列前置式抽油机有46种规格 悬点最大载荷64 86 193 68 kN 冲程长度1 62 5 68 m A系列前置式气平衡抽油机有26种规格 悬点最大载荷 78 47 213 1 kN 冲程长度1 62 6 09 m 俄罗斯生产13种规格游梁抽油机 悬点最大载荷20 200 kN 冲程长度0 6 6 m 还生产20种规格曲柄摇臂式抽油机 悬点最大载荷10 200 kN 冲程长度 0 4 6 m 还生产06M型 液压驱动型 平衡液缸型等无游梁抽油机 悬点最大载 荷150 kN 最大冲程长度10 m 法国Mape公司生产了12种规格曲柄平衡游梁抽油机 悬点最大载荷160 kN 最大冲程长度4 2 m 还生产H系列长冲程液压驱动抽油机 悬点最大载荷199 kN 最大冲程长度10 m 最大冲次5 min 1 此外 Mape公司还生产立式斜井抽 油机和液缸型抽油机 两种抽油机均已形成系列 加拿大生产的液 电 气组合一体式HEP抽油机 悬点最大载荷72 103 9 kN 冲程长度1 63 4 27 m 具有较好的使用性能 罗马尼亚按美国API标准生产了51种规格游梁抽油机 悬点最大载荷194 kN 最大冲程长度4 8 m 还生产35种规格前置式抽油机 悬点最大载荷194 kN 最大冲程长度5 4 m 配用7种规格减速器 最大扭矩105 1 kN m 此外 罗马尼亚还生产前置式气平衡抽油机 悬点最大载荷152 kN 最大冲程长度4 2 m 目前 世界上抽油机最大下泵深度为4530 m 在美国Reno油田的一口抽油井 上使用 俄罗斯抽油机最大下泵深度为4000 m 目前 世界上寿命最长的抽油机 是美国Lufkin公司生产的 该公司生产的抽油机寿命一般均在15年以上 其中1 台配有2英寸 63 5 mm 蜗轮减速器的小型抽油机 自1921年安装使用以来 到 1993年为止已经连续运转了72年 累计运转时间达450000 h 创造了历史上抽油 机寿命最高纪录 哈尔滨石油学院 3 目前 全世界生产抽油装置的公司有300多家 其中生产抽油机的公司有150 多家 美国抽油机品种规格齐全 技术水准先进 质量较好和较稳定 应用范围 较广泛 10 11 1 2 2 国内抽油机生产概况 国内抽油机制造厂有数十家 产品类型已多样化 但游梁式抽油机仍处于主 导地位 根据公开发表的资料统计 我国现有6大类共45种新型抽油机 并且每 年约有30种新型抽油机专利 十多种新试制抽油机 已形成了系列 基本满足了 陆地油田开采的需要 12 各种新型节能游梁式抽油机 如双驴头式抽油机 六 连杆抽油机 前置型游梁式抽油机 异相曲柄平衡抽油机 前置式气平衡抽油机 下偏杠铃系列节能抽油机和用窄V形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田 推广应用 并取得了显著的经济效益 长冲程 低冲次的无游梁式抽油机的研制 也取得了一些进展 如由胜利油田研制的无游梁链条抽油机 经过国内十几个油 田稠油及丛式井的推广使用 在低冲次抽油和抽稠油方面已初见成效 此外 桁 架结构的滑轮组增距式抽油机 链条滚筒式抽油机已在某些油田进行了工业试验 齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展 质量轻 成本低 便于 调速和调整冲程的液压抽油机经过几年的研制和工业性试采油 也积累了一定的 经验 其它形式新颖的抽油机如数控抽油机 连续抽油杆抽油机 车载抽油机 磨擦式抽油机 六连杆游梁式抽油机和斜直井抽油机 直线电机抽油机等也正处 于不断改造和试生产过程中 13 19 另外 根据市场供求信息 2007 年 大庆油田装备制造集团研制成功新型抽 油机 DCYJY 3 53HB 抽油机 同时为满足大庆油田建设需要 这个集团还开展 了 DCYJY10 3 37HB 和 DCYJY 2 5 26HB 低冲次抽油机的系列研发工作 并计划系 列开发双驴头低冲次抽油机 1 2 3 抽油机发展趋势 在市场经济条件下 油田开发必须以经济效益为中心 因此 依靠技术 节 能降耗 挖潜增效将是油田开发永恒的主题 也是抽油机发展的方向 通过对我 国现有45种新型抽油机的分析研究 可以看出我国抽油机全面系统真实的发展趋 向 主要体现在以下16个方面 20 23 1 向多品种方向发展 2 科研设计与制造向多方位方向发展 3 理论与科研向高水平方向发展 4 向高适应性发展 5 向高效节能方向发展 哈尔滨石油学院 4 6 向高综合经济效益方向发展 7 向尽量满足采油工艺需要方向发展 8 向高技术方向发展 9 向高可靠性方向发展 10 向高性能方向发展 11 向大型化方向发展 12 向增大冲程方向发展 13 向长冲程无游梁抽油机方向发展 14 向精确平衡方向发展 15 液压抽油机向功能回收型方向发展 16 向标准化 系列化 通用化方向发展 1 3 设计的主要内容 1 抽油泵的选择 1 油井产能的选择 2 冲程及冲次的选择 3 泵径的计算 4 泵型的确定 5 活塞和衬套配合间隙的确定 2 抽油杆的选择 1 抽油杆长度的确定 2 悬点载荷的计算 3 抽油杆强度的确定 4 抽油杆组合的确定 3 抽油机的选择 1 抽油机选择原则 2 计算并校核减速箱扭矩 3 计算出电动机功率并选电机 哈尔滨石油学院 5 第 2 章 抽油泵的选择 2 1 油井产能计算 1 单相液体渗流时的流入动态 1 符合线性渗流时的流入动态 根据达西定律 定压边界圆形油层中心一口井及圆形封闭地层中心一口井的产量 分别为 2 1 r ln h2 o S r B ppK q w e o wfeO o 2 2 2 1 ln 2 o S r r B pphK q w e o wfeo o 式中 油井产量 地面 o qsm3 油层的有效渗透率 o K 2 m 油层有效厚度 hm 地层油的粘度 o sP a 原油体积系数 o B 供给边缘压力 e paP 井底流动压力 wf paP 油井供油 泄油 半径 e rm 井底半径 w rm 表皮系数 与油井完善程度有关 S 在非圆形封闭泄油面积的情况下 其产量公式可根据泄油面积形状和油井位 置进行校正 即令公式中的 其中值按泄油面积形状和井的 wxwe rACrr 21 x C 哈尔滨石油学院 6 位置查表可求 实际生产中 油井的平均地层压力有时比供给边界压力易求得 因此 R p e p 2 3 S h S h r r B pp K q r r B pp K w e wfR w e wfR 4 3 ln 2 2 1 ln 2 0 0 0 0 0 0 0 0 q 单相液体渗流条件下 油层及流体物性基本不随压力改变 于是 上述产量公式 又可以写成 2 4 0 0 qpp J wfR 2 5 0 0 p P q J wf R 称为才有指数 它是一个表示油井产能的一个智指标 这一指标综合反 J0 映油层性质 流体性质 完井条件及封闭泄油面积等与油井产能的关系 在单相 液体渗流条件下 才有指数的数值等于单位生产压差下的油井产量 才有指数的 数值可用来评价和分析油井的生产能力 才有指数值大说明油井生产能力强 反 之生产能力弱 在对比不同有层的生产能力时 为了消除油层厚度因素 常用单 位有层厚度的采油指数 即比采油指数 比采油指数的数值等于采油指数除以油 层的有效厚度 因此也成为每米采油指数 2 符合非线性渗流时的流入动态 当油井产量很高时 在井底附近将不再符合线性渗流 而呈现高速非线性渗 流 根据渗流力学中非线性渗流二项式 油井产量与生产压差之间的关系可表示 为 2 6 2 oowfR BqAqpp 变形得 2 7 o o wfR BqA q pp 式中 A B 与油层及流体物性等有关的系数 哈尔滨石油学院 7 因此 在系统试井时 如果单相液流呈非线性渗流 可由试井资料绘制 与的关系曲线 该关系曲线为一直线 直线的斜率为 B 截距为 owfR qpp o q A 求得 A B 后 便可利用原式预测非达西渗流范围内的油井流入动态 2 油气两相渗流时的流入状态 当油藏中出现油气两相渗流时 油层及流体物性都碎压力而变化 油井产量 与井底流压之间将呈现非线性渗流关系 因而必须根据油气两相渗流的基本规律 来研究其油井流入动态 1 沃格尔方程 当地层压力低于饱和压力时 油藏的驱动类型为溶解气驱 此时整个油藏均 处于气液两项流动 除高粘度原油及严重污染的油井外 沃格尔排除特殊情况后 得出 2 8 8 02 01 maxRR wf o o p p p p q q wf 2 斯坦丁方程 斯坦丁给出 0 5 FE 1 5 范围内的量纲一的流入动态曲线 该曲线可用来 计算 FE 不等于 1 的实际油井的流入动态曲线 2 9 2 max 1 8 02 01 RR wf o FE o p p p p q q wf 2 10 FEpppp wfRRwf 3 哈里森方程 哈里森提供了 1 FE 2 5 范围内的量纲一的 IPR 曲线 该曲线可用来计算 高流动效率井的 IPR 曲线和预测低流压下的产量 因哈里森未提供相应的方程 所以只能用查图法计算 3 单相与两相同时存在时的组合型流入动 1 完善井的组合型 IPR 曲线 当油藏压力高于饱和压力 而流压低于饱和压力时 油藏中将同时存在单相 油流与油 气两相流动 在单相油流区域流入动态曲线为一直线 在油气两相流 动区域流入动态曲线可以用沃格尔方程描述 在饱和压力点处 由于压力 流量 连续 所以流入动态曲线也应连续 这样便可组合出 IPR 曲线 如下图所示 哈尔滨石油学院 8 2 1 组合型 IPR 曲线 1 单相原油流动部分 当时时 油藏中全部为单相液体流动 此处的 pp b wf 流入动态可表示为 2 11 00 qppj wfR 单相液流采油指数可有测试结果与求得 qotestpwftest 2 12 pp q J wftextR otext 0 流压等于饱和压力时的产量为 qb 2 13 0 pp J q bRb 2 油气两相流动部分 当时 油藏出现油 气两相流动 如果用及 pp bwf pb 代替沃格尔方程方程中的及 则可用沃格尔方程描述时 qcpRqomaxpp bwf 的流入动态 即 2 14 2 0 8 02 01 p p p p qqq b wf b wf cb 哈尔滨石油学院 9 2 15 1 8 1 p P q q b R b c 如果测试时的流压低于饱和压力时 2 16 8 0 2 01 8 1 2 0 p p p pp PP q J b wftext b wftext b bR otext 当油井在流压低于饱和压下生产时 有层中为气液两相流动 因此仅用上述 的单相流采油指数来分析油井的生产能力是不够的 如果用两相流状态 流压低 于饱和压力 下采油指数分析其产油能力 进行油井之间的生产能力的比较将更 加具有实际意义 两相流动状态下的采油指数可定义为增大生产压差时的产量增 加值 其值等于流入动态曲线上某一点斜率的负倒数 即 2 17 dq J wf dq0 0 2 18 J p p J b 0 wf 0 9 8 9 1 式中 下的采油指数油 气两项条件 pp J b wf 0 上式可以看出 两相渗流条件下采油指数与井底流压有关 即流入动态曲线 上个点的采油指数是不同的 采油指数随流压得降低而减小 1 组合型 IPR 曲线的通式 前面介绍的组合型 IPR 曲线只针对完善井而言的 下面介绍考虑油井不完善 与采出程度影响时的组合型 IPR 曲线 1 单相流动部分仍可用原式表达 2 油气两相流动部分 2 19 q 2 2 0 1 2 p pp FE p pp qq b wfb VFEv b wfb cb 当时 pp b wf 哈尔滨石油学院 10 2 20 FEV p J q b c 2 0 或 2 21 1 2 P P q q B R b c FEV 单相采油指数 2 22 p pp p P J b wf R V wf VFE 2 b 1 q 2 0 0 有气两相流动条件下采油指数 2 23 J p p J b V FEV V FEV FE 0 wf 0 2 1 2 2 1 当 V 0 2 FE 1 时 以上各式将分别还原为完善井的情况下相应的形式 4 三相渗流时油井流入状态 沃格尔建立的 IPR 曲线末考虑含水情况 而就大多数注水开发油田而言 随着采 出情况的增加 油井早晚要见水 如果流压低于饱和压力 就会出现油气水三相 渗流 佩特布拉斯根据油流的沃格尔方程和水油的定生产指数 从几何的角度导 出油气水三相渗流时的 IPR 曲线及计算公式 2 24 89 8 1 max maxmax max b j J q p f f qq jp qq p P q o R w w ol b bo b R 式中 采油指数 含水率 产液量井底流压为零时的最大 产油量井底流压为零时的最大 w lmax omax J f q q 测试时 如果时 则 pp btext wf 哈尔滨石油学院 11 2 25 ppq wftextRtext J 测试时 如果时 则 pp bwftext 2 24 8 1 1 p P f p ppf q wftext R w b bRw text A J 式中 2 25 wftext 8 0 2 01 2 wftext p p p p b A b 此外 威金斯等的研究表明 含水井中的水相与油相 都可以用上式来表 征其流入动态 只是其中的相对渗透率 粘度 体积系数应分别采用水相与油相 的值 他们的模拟计算还表明油藏中原始含水饱和度对各相 IPR 曲线形状的影响 与采出程度对 IPR 曲线形状的影响趋势相同 即随着原始含水饱和度的增加 IPR 曲线变直 2 2 冲程及冲次的确定 发动机的活塞从一个极限位置到另一个极限位置做的功 冲程的长度对引 擎的活塞速度有直接的关系 冲程变大后活塞速度也会随之增加 机械损耗也就 越大 这将直接限制了引擎的最高转速 活塞运动均速公式为 冲程 2 转速 一般引擎的活塞均速不会超过 20m s 无论引擎排气量大小或者运作转速范围 活塞速度越快对于引擎寿命也越不利 冲次指在抽油机井中 抽油杆每分钟上下往复运动的次数 现在油田上用 的抽油机 冲次都在 4 以上 产量高的油井 喜欢冲次高的抽油机 因为产液量 大 冲次跟不上趟 就是 小马拉大车 影响产量 但是低产井的抽油机如果 冲次降不下来 属 大马拉小车 常常会出现空抽现象 抽油机的效率就会降 低 冲程和冲次是确定抽油泵直径 计算悬点载荷的前提 选择时应遵守下述原则 1 一般情况下应采用大冲程 小泵径的工作方式 这样既可以减小气体对泵效 的影响 也可以降低液柱载荷 从而减小冲程损失 2 对于原油比较稠的井 一般是选用大泵径 大冲程和低冲次的工作方式 3 对于连抽带喷的井 则选用高冲次快速抽汲 以增强诱喷作用 4 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 5 所选择的冲程和冲次应属于抽油机提供的选择范围之内 哈尔滨石油学院 12 2 3 泵径的计算 抽油泵是由抽油机带动把井内原油举升到地面的常用井下装置 1 普通 抽油泵主要由泵筒 吸入阀 活塞 排除阀四大部分组成 按照抽油泵在井下的 固定方式 可分为管式泵和杆式泵 管式泵又称油管泵 特点是把外筒 衬套和吸入阀在地面组装好并接在 杆式抽油泵油管下部先下入井中 然后把装有排出阀的活塞用抽油杆通过油管下 入泵中 衬套由材料加工成若干节 衬入外筒内部 活塞是用无缝钢管制成的中空圆 柱体 外表面光滑带有环状沟槽 作用是让进入活塞与衬套间隙的砂粒聚集在沟 槽内 防止砂粒磨损活塞与衬套 并且沟槽中存的油起润滑活塞表面的作用 检泵起泵时为泄掉油管中的油 可采用可打捞的吸入阀 固定阀 通过下 放杆柱 让活塞下端的卡扣咬住吸入阀的打捞头 把吸入阀提出 但是这种泵由 于吸入阀打捞头占据泵内空间 使泵的防冲距和余隙容积大 容易受气体的影响 而降低泵效 目前大多数下入管式泵的井 是在油管下部安装泄油器 通过打开 泄油器卸掉油管中的油 在下入大泵的井中 由于活塞直径大于油管内径 不能 通过油管下入活塞 采用的方法是先把活塞随油管下入井中 后下入抽油杆柱 利用一个称为脱节器的装置与泵中活塞对接 管式泵结构简单 成本低 在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大 因而排量大 但检泵时必须起下油管 修井工作量大 故适用于下泵深度不大 产量较高的井 杆式泵 杆式抽油泵又称为插入泵 其中定筒式顶部固定杆式泵特点是有内外两 杆 式抽油泵个工作筒 外工作筒上端装有椎体座及卡簧 卡簧的位置为下泵深度 下泵时把外工作筒随油管先下入井中 然后装有衬套 活塞的内工作筒接在抽油 杆的下端下入到外工作筒中并由卡簧固定 另外还有固定点在泵筒底部的定筒式 底部固定杆式泵 以及将活塞固定在底部 由抽油杆带动泵筒上下往复运动的动 筒式底部固定杆式泵 检泵时不需要起出油管 而是通过抽油杆把内工作筒拔出 杆式泵检泵方便 但结构复杂 制造成本高 在相同的油管直径下允许下入的泵径教管式泵要小 适用于下泵深度较大 产量较小的油井 目前常规抽油泵存在金属活塞和衬套加工要求高 制造不方便 且易磨损的 缺点 泵的工作原理是在泵工作时过程中 活塞是主动件 作用是通过改变泵内的 压 抽油泵工作原理力 泵阀是从动件 仅当满足阀球下方的压力大于其上方压 力时才打开 让液体通过阀座孔向上流 否则阀关闭阻止液体向下流 哈尔滨石油学院 13 上冲程 左图 抽油杆带着活塞向上运动 活塞上的游动阀受阀球自重和管内 压力作用关闭 泵内 活塞下方 容积增大压力降低 固定阀在环形空间液柱压 力 沉没压力 与泵内压力差的作用下被打开 原油进泵 同时井口排出液体 下冲程 右图 抽油杆带着活塞向下运动 固定阀关闭 活塞挤压泵中液体使 泵内压力升高到高于活塞上方压力时 游动阀被顶开 泵中液体排到活塞上方的 油管中同时由于光杆进入井筒 在井口挤出相当于光杆体积的液体 2 2 工作原理 抽油泵泵径的确定是十分重要的 泵径就是根据前面确定的冲程 s 冲次 n p d 陪产方案给出的设计排量 Q 以及统计给出的泵效 由计算得 vpsn dQ 2 360 出 2 4 泵型的确定 泵型取决于油井条件 井深小于 1000m 含砂量小于 0 2 油井结蜡较严重或油 较稠 应采用管式泵 产量较小的中深井或深井 可采用杆式泵 2 5 活塞和衬套的配合间隙的确定 活塞和衬套的配合间隙 要根据原油粘度 井温及含沙量等数据来选择 配合等级为一级时 配合尺寸在 0 02 到 0 07 之间适用的条件为下泵深度大 含砂少 粘度较高的油井 配合等级为二级时 配合尺寸在 0 07 到 0 12 之间适用的条件为含砂不多的 油井 配合等级为三级时 配合尺寸在 0 12 到 0 17 之间适用的条件为含砂多 粘 度高的浅井 哈尔滨石油学院 14 第三章 抽油杆的确定 3 1 抽油杆长度的确定 抽油杆是抽油机井的细长杆件 它上接光杆 下接抽油泵起传递动力的作用 抽油杆单根长度为 7 6 或 8 米 材质一般是高碳钢表面镀硬铬 在油管内用内 螺纹箍一根根连接起来一直延伸到地下油层处的活塞上 通过往复运动来泵油 目 前的油井长度一般在两千米左右 以胜利油田为例 最深的以达三千余米 选择合 适的抽油杆是十分重要的 我国生产的抽油杆从级别上分有 C D K 三种级别 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 大庆油田使用的抽油杆为 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 3 1 g pp L L swf H p 式中 s g m pp pp H L L s wf p 2 3 a a m m m kg 重力加速度 井液密度 沉没压力 流压 油层中部深度 下泵深度 3 2 11 1 293 273 1 1 pp fp R bs wsc p t 式中 p f R w a 6 sc p 10 1 0标准状况压力 含水率 经泵生产气油比 泵充满系数 哈尔滨石油学院 15 Kt 泵的温度 3 2 悬点载荷的计算 抽油机在工作时悬点所承受的载荷 是进行抽游设备选择及工作状况分析的 重要的依据 因此 在进行抽油设备选择之前 必须掌握抽油机悬点载荷的计算 的计算方法 3 2 1 悬点承受的载荷 抽油机在正常工作时 悬点所承受的载荷根据其性质可分为静载荷 动载荷 以及其它载荷 静载荷通常是指抽油杆柱和液柱所承受的重量以及液柱对抽油杆 的浮力所产生的悬点载荷 动载荷是指抽油杆柱运动时的振动惯性以及摩擦所产 生的悬点载荷 其它载荷主要有沉没压力以及井口回压在悬点上形成的载荷 1 抽油杆柱的重力产生的悬点静载荷 由于抽油杆柱所受的重力在上 下冲程中始终作用在悬点上 其方向向下 故增加了悬点载荷 上冲程中抽油杆柱的重力作用在悬点上的载荷为 3 3 LA g W r s r 式中 mL A s g m NW r S kg 抽油杆柱的长度 抽油杆截面积 重力加速度 取 抽油杆 钢 密度 抽油杆柱的重力 m 807 9 7850 m 2 2 3 s r 下冲程中 由于抽油杆柱承受液体的浮力 方向向下 故作用在悬点上的载 荷为抽油杆柱在液体中的重量 即 3 4 LA g W r s rl 式中 m Wrl 3 l kg 抽汲液的密度 重量 抽油杆柱在液体中的 2 液柱的重量产生的悬点载荷 在上冲程中 液柱的重量经抽油杆住作用于悬点 其方向向下 是悬点载荷 增加 其值为 哈尔滨石油学院 16 3 5 LAA g W rp 1 l 式中 m 2 活塞截面积 生的悬点载荷 上冲程中液柱的重量产 A NW P l 在下冲程中 液柱的重量作用于有管上 因而对悬点的载荷没有影响 3 振动载荷与惯性载荷 抽油机从上冲程开始到液柱载荷加载完毕 这一过程称为初变形期 初变形 期之后 抽油杆才带动活塞随悬点一起运动 抽油杆柱本身是一个弹性体 在周期性交变力的作用下做周期性变速运动 因而将引起抽油杆柱做周期性的弹性振动 这种振动还将产生振动冲击力 这个 力作用在悬点上便形成振动载荷 同时 变速运动将产生惯性力 作用于悬点上 便形成惯性载荷 数据和实践表明 液柱载荷一般都不会在活塞上 即抽油杆下端 产生明显的 振动载荷 因此 在下面的讨论中忽略了液柱的振动载荷 1 抽油杆住的振动引起的悬点载荷 在初变形期末激发起得抽油杆柱的纵向振动 可用一段固定 一端自由的细 长杆的自由纵振动微分方程来描述 即 3 6 x u a t u 2 2 2 2 2 式中 u 抽油杆柱任一截面积的弹性位移 x 自悬点到抽油杆柱任一截面的距离 a 弹性波在抽油杆柱中的传播速度 等于抽油杆中的声速 t 从初变形期末算起的时间 假设悬点载荷在初变形期的变化接近于静变形 沿杆柱的速度按直线规律 分布 则微分方程的初始条件和边界条件分别为 初条件 3 7 L x v t t u t 00 0u 边界条件 3 8 0 0 0 Lx x u x u 式中 v 初变形期末抽油杆柱下端 活塞 相对于悬点的运动速度 根据分离变量法 以上初始条件和边界条件下 方程组的解为 哈尔滨石油学院 17 3 9 x L n t n n n n v tx 2 12 sin 12sin 12 1 03 0 2 0 8 u 式中 抽油杆柱自由振动的固有频率 0 抽油杆柱的自由纵振动在悬点处产生的振动载荷为 Fv 3 10 t n n a vAE AEF n r x x u rv 0 2 0 2 0 12sin 12 1 8 式中 E 抽油杆材料的弹性模量 式中可以看出 悬点的振动载荷是的周期性函数 其周期为 2 初变 t 0 形期末激发的抽油杆柱的自由纵振动 在悬点处产生振动载荷的振幅 即最大振 动载荷为 3 10 v a EA F r maxv 最大振动载荷发生在 处 但实际上由于存在阻尼 振动将 2 5 2 1 0 t 会随时间逐渐衰减 故最大振动载荷发生在处 出现最大振动载荷的 2 1 t 0 时间则为 3 11 a L tm 2 0 2 抽油杆柱与液柱产生的惯性载荷 驴头带动抽油杆柱和液柱变速运动时同时存在加速度 因而产生惯性力 如果忽略抽油杆柱和液柱的弹性影响 则可以认为抽油杆柱和液柱各点和悬点 den 运动规律完全一致 抽油杆柱与液柱的惯性力的大小与其质量和加速度的乘 积成正比 方向则与加速度方向相反 有上述分析可知 悬点在接近上 下死点加速度最大 因此 惯性载荷也在 接近上 下死点时达到最大值 并且 惯性载荷在上死点附近方向向上 减小悬 点载荷 在下死点附近方向向下 增加悬点载荷 如果采用曲柄滑块机构模型来计算加速度 抽油杆柱和液柱在上 下冲程中 产生的最大惯性载荷值分别为 哈尔滨石油学院 18 3 12 AA AA sn W s g W F sn W s g W F sn W s g W F rti rp r ird ilu r r r 1 1790 1 2 1 1790 1 2 1 1790 1 2 2 2 2 2 1 2 2 ilu 1 式中 油管的过流面积 数 起液柱加速度降低的系 油管过流断面扩大引 产生的最大惯性载荷 抽油杆柱在下冲程中 载荷冲程中产生的最大惯性 抽油杆柱和液柱在上 A F FF ti irl iluiru N N 实际上 由于抽油杆柱和液柱的弹性 抽油杆和液柱各点的运动与悬点的运 动并非一致 因此 上述按悬点最大加速度计算的惯性载荷将大于实际值 下面 讨论考虑抽油杆柱的弹性时 抽油杆柱产生的惯性载荷 初变形期末抽油杆随悬点做变速运动 必须会由于强迫运动而抽油杆柱内产 生附加的惯性载荷 惯性载荷的大小取决于抽油杆柱的品质 悬点加速度及其杆 柱上的分布 为了讨论问题方便 将悬点运动近似看做简谐运动 这时 悬点运 动的加速度为 3 14 t s A 2 cos 2 a 式中 冲时间从悬点下死点算起的上 悬点加速度 a t A 抽油杆柱上距悬点 x 处的加速度为 a 3 15 cos 2 2 a xs tax 在 x 处单元体上的惯性力为单元体的质量与加速度的乘积 Fir d g dx qr ax 即 3 16 dx a xs g t q dF r ir 2 2 哈尔滨石油学院 19 对上式求积分 即可得任一时刻作用在整个抽油杆柱上的总惯性力为 3 17 dx a x g s t q F l r ir cos 2 0 2 考虑到弹性波在抽油杆中的传播速度 则上式的解为 E a 3 18 sin 2 a Ls a E t A F r ir 4 摩擦载荷 抽油机工作时 作用在悬点上的摩擦载荷由以下五部分组成 1 抽油杆柱与油管的摩擦力 2 柱塞与衬塞的摩擦力 3 抽油杆柱与液柱之间的摩擦力 3 19 v mm m F m L max22 2 1 rl 1 ln1 1 2 式中 抽油杆柱最大下行速度 抽油杆直径 油管内径 之比 油管内径与抽油杆直径 井内液体的动力粘度 摩擦力 抽油杆柱与液柱之间的 s s N v d d p F r ti rl m m m m max a1 4 液柱与油管之间的摩擦力 3 20 3 1 rl lt F F 5 液体通过游动阀的摩擦力 3 21 gg v A Av h P V p 2 1 2 1 2 2 2 2 2 1 21 哈尔滨石油学院 20 式中 阀流量系数 阀孔截面积 活塞截面积 活塞运动速度 重力加速度 液体通过阀时的流速 损失 液体通过游动阀的压头 m m m m m m 2 2 2 1 1 A A v s v h v p p s g s 5 其他载荷 除上述各种载荷以外 还有如沉没压力和管线回压产生的载荷等都会影响到 悬点载荷 沉没压力的影响只发生在上冲程 它将减小悬点载荷 液流在地面管线中得 流动阻力所造成的井口回压 将对悬点产生附加载荷 其性质与油管内的作用载 荷相同 即上冲程中增加悬点载荷 下冲程减少悬点载荷 因二者可以部分抵消 一般计算中常忽略 3 2 2 悬点的最大和最小载荷 抽油机在上 下冲程中悬点载荷的组成是不同的 最大载荷和最小载荷的计 算公式分别为 上冲程 3 22 FFFFFFWWsvubuirur ilumax 下冲程 3 23 FFFFWWvdbdird rlmin 式中 的悬点载荷 上冲程中沉没压力产生 振动载荷 载荷 上 下冲程中最大摩擦 造成的悬点载荷 上 下冲程中井口回压 载荷 悬点承受的最大和最小 N N N N N F F FF FF WW s v du bdbu minmax 抽油杆柱在工作时的受力里情况是相当的复杂 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 除了一般计算公式外 有时还采用了一些其它 比较方便的公式经行计算 哈尔滨石油学院 21 3 3 抽油杆强度的确定 抽油杆的制造材料决定了抽油杆的强度及其它性能 应根据油井中的流体性 质和井况来确定 不同直径的抽油杆组合 应保证各种杆径的抽油杆在工作都能 够满足强度要求 下面主要介绍抽油杆强度强度的确切方法 抽油杆的强度校核是保证抽油杆安全工作的前提条件 其校核方法有计算和 图表法两种 1 计算法 抽油杆工作时承受着交变载荷 因此 抽油杆到发的最小应力到最大应力 变化的非对称循环应力作用 即 3 24 A W A W r r max max min min 非对称盈利条件下的抽油杆强度条件为 3 25 2 minmax max 1c a ac 式中 幅值应力 循环应力的应力分别为抽油杆柱的这算 c a 非对称循环疲劳极限应力 即抽油杆柱的许用应力 与抽油 1 杆的材料有关 选择抽油杆时 要遵守等强度原则 即要求各级杆柱上部断面上的这算应力 相等 2 图表法 哈尔滨石油学院 22 3 1 修正古德曼图 近几年国内采用美国石油协会 API 推荐的方法 即利用修正古得曼 Goodman 图的方法 修正古德曼图给出的是许用应力范围 常用应力范围比来衡量抽油杆柱PL 使用情况 3 26 min minmax all PL 式中 杆的利用率 提高抽油 并具有较高的值 以小于应用范围比 一般要求 100 PLPL 和实际使用应力范围抽油杆的许用应力范围 minmaxminall 3 4 抽油杆组合的确定 通常人们把确定抽油杆柱组合称为抽油杆柱设计 其具体设计计算步骤为 1 根据下泵深度及泵径 假设一液柱载荷Wlk 2 给最大和最小荷载分别赋初值 3 27 FFWFWWpblvpblko 0minmax 3 给定最下级抽油杆直径 取计算段长度为 以抽油泵为计算段的起 drjHi 点 其距油层中部的高度为 HHP 0 4 计算段上端距油层中部的高度 3 28 HHHi01 则该计算段的中心距油层中部的高度为 3 29 2 10HHHavi 5 计算该段中心处的井温以及原油与混合物的粘度 Havi 6 求该段的最大载荷增量和最小载荷增量 并进行积累 W imax W imin 3 30 WW n n imax i 0 max WW n i n imin 0 min LHLm j m n i n j 1 00 哈尔滨石油学院 23 7 校核该段抽油油杆 如不满足强度 则将抽油杆直径增大为 返回 d jr 1 步骤 4 重新计算该段 如满足强度条件 则取起点 返回步骤 4 继 HH10 续计算上一段 直到井口为止 8 计算液柱载荷 并与假设的液柱载荷比较 如满足精度要求 WlcalWlk 则计算结束 否则重新假设液柱载荷 返回步骤 2 再2 1 WWWlcallkkl 次计算 哈尔滨石油学院 24 第四章 抽油机的选择 4 1 抽油机的选择原理 4 1 1 抽油机的介绍 抽油机是开采石油的一种机器设备 俗称 磕头机 通过加压的办法使石 油出井 当抽油机上冲程时 油管弹性收缩向上运动 带动机械解堵采油器向上 运动 撞击滑套产生振动 同时 正向单流阀关闭 变径活塞总成封堵油当抽油 机下冲程时 油管弹性伸长向下运动 带动机械解堵采油器向下运动 撞击滑套 产生振动 同时 反向单流阀部分关闭 变径活塞总成仍然封堵油套环形油道 使反向单流阀下方区域形成高压区 这一运动又对地层内的油流通道产生一种反 向的冲击力 4 1 2 抽油机的改型与发展 塔架式数控抽油机 塔架式数控抽油机属于 长冲程 低冲次 机电一体化的抽油机 是现代 机械制造技术 控制技术 功率电子技术与机电一体化技术集成创新的完美结合 它采取控制系统驱动电机运行 通过组合减速传动使抽油机的动力源和终端负载 作换向运动 拖动抽油杆上下反复运行 抽油杆和配重形成了天平式的平衡 相 互不断地交换储存和释放势能的过程 实现了运行时的平衡 使机械效率达到 90 以 上 无功损耗接近于零 起到了四两拨千斤的效果 与常规抽油机相比节能效果 达到 30 70 解决了常规抽油机机械效率低 难以实现长冲程和高耗能的难题 塔架式数控抽油机的主要特点是 1 采用牢固耐用的组合减速传动系统 结合工业电脑数字化控制的永磁同 步制动电机技术 实现了柔性启动 加速 减速 超低速运行 避免了抽油机在 换向启动时的机械冲击 做到了抽油机只保养无大修 延长了抽油机的使用寿命 2 采用简练机身 最大限度的利用空间位置 突破了常规抽油机最大冲程 和最低冲次的局限 最大冲程可达 8 米 最低冲次 0 5 次 扩大了抽油机的使用 范围 扩展了抽油机的使用范围 特别适合中高含水期大排量 深井 稠油井的 重载强抽 延长了抽油杆 抽油泵的使用寿命 适合了当今大排量 低渗透 稠 油井 深井的不同开采的需要 大庆油田现场 3 运用变频调速和程序自动控制技术 变传统机械式抽油为现代智能化采 哈尔滨石油学院 25 油 运行效率高 能耗少 使用可靠 一举将传统的机械采油装备带入了电子时 代 采用无线遥控操作 液晶屏数字显示 清晰可见 调整参数 冲程 冲次 简便易行 无级分别调整上下冲程的冲次 可根据井下工况随时改变参数 达到 最大泵效及工艺的要求 4 独特的配重设计 能轻松 迅速地完成调整平衡的作业 5 可靠的安全保障 运行时运动件与人隔离 操作机器与高压电隔离 调 平衡时配重块落地调整安全无忧 电脑全方位监控抽油机运行 具有过载 失载 缺相等多种保护功能并有自动起机 不平衡报警 停机 显示故障原因 历史故 障记录等保护功能 6 牢固耐用使用方便 抽油机装卸载 调防冲距上提下挂 碰泵等不用辅 助设备即可完成 大庆油田采油十厂五矿自 2007 年至今已有 108 台塔架式数控抽油机投 产运行 平均运行功率 1kw 左右 维护简单 方便 4 1 3 抽油机的选择原理 油井内的机械解堵采油器就是利用油管柱周期性的弹性变形来产生周期性的 上下往复运动 从而对地层产生抽吸挤压频繁交替变换的活塞作用 油层内 粘 连 的液滴和堵塞颗粒物受到这种频繁地抽吸力和挤压力扰动后 被迫脱离原位 最终 使不易移动的液滴开始流动 使 粘连 的堵塞颗粒物脱离油道 实现疏 通油道 扩大油流增加原油产量的目的 套环形油道 使正向单流阀下方区域形 成负压区 相当于对地层产生了一个强大的抽吸力 磕头机即游梁式抽油机是油 田广泛应用的传统抽油设备 通常由普通交流异步电动机直接拖动 其曲柄带以 配重平衡块带动抽油杆 驱动井下抽油泵做固定周期的上下往复运动 把井下的 油送到地面 在一个冲次内 随着抽油杆的上升 下降 而使电机工作在电动 发 电状态 上升过程电机从电网吸收能量电动运行 下降过程电机的负载性质为位 势负载 加之井下负压等使电动机处于发电状态 把机械能量转换成电能回馈到 电网 然而 井下油层的情况特别复杂 有富油井 贫油井之分 有稀油井 稠油 井之别 恒速应用问题显而易见 如抛却这些不谈 就抽油机油泵本身而言 磨 损后的活塞与衬套的间隙漏失等都是很难解决的问题 况且变化的地层因素如油 中含砂 蜡 水 气等复杂情况也对每冲次抽出的油量有很大的影响 看来 只 有调速驱动才能达到最佳控制 引进调速传动后 可根据井下状态调节抽油机冲程频次及分别调节上 下行 程的速度 在提高泵的充满系数的同时减少泵的漏失 以获得最大出油量 尤其 是采用变频调速既无启动冲击 又可解决选型保守 线路较长等所致的功率因数 偏低等问题 获得节能增效的同时又能提高整机寿命 尤其是油泵的寿命 减少 哈尔滨石油学院 26 机械故障提高可靠性 通过以上的介绍我们应了解选择抽油机时 要使计算的悬点最大载荷小于所 选择抽油机的许用载荷 同时所选择的抽油机能够提供前面确定的冲程 4 2 计算并校核减速箱扭矩 4 2 1 减速箱的介绍 减速箱可称之为减速机和减速器 可分为工业用减速箱与汽用减速箱 前者可分类为蜗轮蜗杆减速箱 齿轮减速箱 蜗杆减速箱 蜗轮减速箱以及行星 减速箱等 按传动级数主要分为单级 二级 多级 而后者是一般用于四轮驱动 的车 这样可以避免在转弯的时候四个轮胎的转速一样而导致的转弯不足和意外 的发生 1 作用 减速箱的作用主要是降低电动机的输出或提高电动机的输出 另外 动力源 汽油机或柴油机 的转速一般和我们需要的转速是有差异的 输出转速都很高 为了得到我们需要的转速或转矩 需要将动力源的转速降低 减速箱能到起这样 的作用 但是减速箱还有改变运动方向 实现不同转速等用途 2 特点 1 工业用减速箱结合国际技术要求制造 具有很高的科技含量 2 节省空间 可靠耐用 承受过载能力高 功率高 3 能耗低 性能优越 有自动限速功能 4 振动小 噪音低 节能高 反应快 5 采用优质材料 钢性铸铁箱体 散热好 在轻负荷工况功率消耗小 6 经过精密加工 适与各类电机配套 形成机电一体化 7 应用广泛 完全能保证并提供减速电机产品使用质量 4 2 2 计算并校核减速箱扭矩 1 活塞冲程 4 1 s 0 0 0p KFNS KFsS rP tp SNfS s 2 泵的排量 PD d m 3 4 2 Ds NPD P 2 1131 0 哈尔滨石油学院 27 3 最大载荷 PPRL N 4 3 s 001 1 kFNKF kKFW rr rrrf SNf SSPPRL 4 最小载荷 MPRL N 4 4 002 2 KFNKF KKFW rr rrrf SNfS sSMPRL 5 最大扭矩 PT N m 4 5 TKKsarr sTPT2 2 2 为时的扭矩修正系数 与调整百分数 b 和有 Ta 3 0 KWrrf s KWr s rf 关 4 6 2 0 00 2 sKFN sKWT kFNKs r rrfa rr Nfb bf SNfT 6 光杆功率 PRHR S 4 7 60 003 3 sKFNsKF sKsKF rr rr NF sNPRHR 7 有效平衡值 CEB N 4 8 2 06 1 0FWrf CBA 选择减速箱时 要使计算的最大功率小于所选的许用功率 4 3 计算电动机功率并选电机 个油田的井下情况 地面环境及操作条件有较大的差别 自喷采油的方法往 往不能满足油田的生产需要 而一些其它人工采油方法受到了人们的青睐 而这 些方法的实施都离不开电动机 为此 本节主要介绍电动机 电动机 Motors 是把电能转换成机械能的一种设备 它是利用通电线圈 也就是定子绕组 产生旋转磁场并作用