采油工程3：有杆泵采油--汤

第三章有杆泵采油 主要内容 抽油装置及泵的工作原理 抽油机悬点运动规律及悬点载荷 抽油机平衡 扭矩及功率计算 影响泵效因素及提高泵效措施 有杆抽油系统设计 有杆抽油系统工况分析 有杆泵采油典型特点 1 常规有杆泵采油 抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵 2 地面驱动螺杆泵采油 井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵 有杆泵采油分类 地面能量通过抽油杆 抽油泵传递给井下流体 常规有杆泵采油是目前我国应用最广泛的采油方式 我国机械采油井占总井数的90 以上 其中有杆泵占机采井的90 以上 全国产液量的60 产油量的75 靠有杆抽油采出 本章主要讲授矿场普遍采用的游梁式抽油机井有杆泵采油 即 常规有杆泵采油 螺杆泵是一种新型的机械采油设备 苏联于1973年首先研制成功采油用井下单螺杆泵 之后 美国 加拿大 法国等一些国家也相继研制和应用了螺杆泵采油 我国从1986年开始引进和使用螺杆泵采油 螺杆泵采油 就其驱动方式来讲 可分为地面驱动和井下驱动两类 目前广泛应用的是地面驱动单螺杆泵 采油方法 螺杆泵采油 一 系统组成螺杆泵主要由地面驱动和井下泵两部分组成 驱动部分由防爆电机 皮带轮 减速箱和光杆密封器组成 井下泵由接头 转子 定子 定位衬套和扶正器等组成 采油方法 螺杆泵采油 二 工作原理 略 采油方法 螺杆泵采油 三 特点1 结构简单 占地面积小 有利于海上平台和丛式井组采油 2 只有一个运动件 转子 适合稠油井和出砂井应用 3 阀内无阀件和复杂的流道 水力损失小 4 泵实际扬程受液体粘度影响大 粘度上升 泵扬程下降较大 四 国内技术现状1 螺杆泵采油技术应用领域比较宽广 不仅在高粘 含气 含砂的油井上得到应用 而且在高含水 海上油井上也得到了应用 在发挥螺杆泵解决高粘度 高含气 高含砂油井井液抽汲难的优越性的同时 配合各种防砂措施和电加热空心抽油杆 使螺杆泵的应用领域不断拓宽 2 通过开发一系列专用配套装置 解决了驱动系统调控 管柱防脱与扶正 杆柱防脱与扶正 泵与抽油杆的对接 抽空保护 清防蜡解堵 工况诊断等技术难题 采油方法 螺杆泵采油 四 国内技术现状3 通过研究螺杆泵系统所受作用力和力矩 建立了描述系统工作状况的数学模型 为螺杆泵采油系统的分析诊断奠定了基础 4 通过开展螺杆泵工况诊断和优化技术的研究 可以帮助人们正确判断油井工作状况 提供地面驱动系统 井筒内杆柱设计和泵型等方面的优化设计方案 提出调参的依据 采油方法 螺杆泵采油 五 发展趋势1 为提高排量和扬程 国外各公司在单螺杆泵结构优化的同时 积极研究多头螺杆泵 2 为提高螺杆泵的综合性能和使用寿命 国外各公司在优化定子橡胶的配方和增强转子的耐磨 抗腐蚀的同时 还探索使用金属定子 非金属转子 采油方法 螺杆泵采油 五 发展趋势3 为降低螺杆泵的制造成本 以提高经济效益 国外各公司在普遍从采用圆钢毛坯加工成型转子向采用热轧成型转子方向发展的同时 积极发展钢管热轧成型转子 4 为避免杆 管磨损和抽油杆断脱问题 以减少井下事故 国外各公司不断改进井下驱动的螺杆泵系统 应用规模日益扩大 采油方法 螺杆泵采油 第一节抽油装置及泵的工作原理 一 抽油装置 抽油机 抽油杆 抽油泵 其它附件 设备组成 抽油装置示意图 一 抽油机 它是有杆深井泵采油的主要地面设备 它将电能转化为机械能 将旋转运动转化成往复运动 游梁式抽油机 游梁 连杆 曲柄机构 减速箱 动力设备和辅助装置 包括 游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种 抽油机的运动过程 工作原理 工作时 动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴 带动曲柄作低速旋转 曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动 挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动 游梁式抽油机分类 后置式 普通式 和前置式 运动规律不同 后置式上 下冲程的时间基本相等 前置式上冲程较下冲程慢 图3 2后置式抽油机结构简图 图3 3前置式气动平衡抽油机结构简图 游梁和连杆的连接位置不同 不同点 平衡方式不同 后置式多采用机械平衡 前置式多采用气动平衡 新型抽油机 为了节能和加大冲程 节能 加大冲程 图3 4异相型游梁式抽油机 异相型游梁式抽油机是近二十年来发展起来的一种性能较好的抽油机 从外形上看 它与常规型游梁式抽油机没有显著的差别 其特点是 1 上冲程曲柄转角 约192 大于下冲程的曲柄转角 约168 因此上冲程悬点运动较下冲程缓慢 降低了上冲程悬点的加速度 从而降低了上冲程悬点的惯性载荷 提高了抽油机的承载能力 2 曲柄中心线与平衡重力臂中心线之间设置了一特殊的相位角 可降低净扭矩峰值 改善了减速箱的工作条件 同时可降低电机功率 据美国同类产品的资料报道 与常规式抽油机相比 可节省电机功率15 双驴头游梁式抽油机 采用平衡配重的平衡方式使平衡易调且平衡效果好 在一定程度上具有节能效果 属于节能型游梁式抽油机 双驴头游梁式抽油机 链条式抽油机 链条式抽油机的特点 1 冲程长 有利于稠油井开采 2 采用气动平衡 因而电机工作平稳 且平衡效果好 3 占地面积小 节能效果好 4 钢丝绳使用寿命短 易造成断链条事故 宽带式抽油机 宽带式抽油机的特点 1 冲程长 冲次低 尤其适用于深井 稠油开采 2 结构紧凑 布局合理 体积小 重量轻 尤其运用于海洋采油 3 可不停机六级调节工程冲程 4 运动特性好 与常规型抽油机相比 扭矩减少50 动载减少1 2 1 3 实际承载能力增加 5 采用同频自动控制损局 整机运行平稳 噪音低 节电达10 35 优点 冲程倍增 缺点 游梁前端载荷增大近一倍 液压增程抽油机 游梁式抽油机系列型号表示方法 CYJ12 3 3 70 H F Y B Q 游梁式抽油机系列代号 CYJ 常规型 CYJQ 前置型 CYJY 异相型 悬点最大载荷 10kN 光杆最大冲程 m 减速箱曲柄轴最大允许扭矩 kN m 减速箱齿轮形代号 H为点啮合双圆弧齿轮 平衡方式代号 F 复合平衡 Y 游梁平衡 B 曲柄平衡 Q 气动平衡 2 抽油泵 a 结构简单 强度高 质量好 连接部分密封可靠 b 制造材料耐磨和抗腐蚀性好 使用寿命长 c 规格类型能满足油井排液量的需要 适应性强 d 便于起下 e 结构上应考虑防砂 防气 并带有必要的辅助设备 一般要求 机械能转化为流体压能的设备 主要组成 工作筒 外筒和衬套 柱塞及游动阀 排出阀 和固定阀 吸入阀 分类 按照抽油泵在油管上的固定方式可分为 管式泵和杆式泵 典型的抽油泵 管式泵 杆式泵 A 管式泵 B 杆式泵 管式泵 外筒和衬套在地面组装好接在油管下部先下入井内 然后投入固定阀 最后再把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内 杆式泵 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 由预先装在油管预定深度 下泵深度 上的卡簧固定在油管上 检泵时不需要起油管 管式泵特点 结构简单 成本低 泵径大 排量大 但检泵时必须起出油管 修井工作量大 故适用于下泵深度不很大 产量较高的油井 杆式泵特点 结构复杂 制造成本高 排量小 检泵不需起出油管 修井工作量小 杆式泵适用于下泵深度大 产量较小的油井 3 抽油杆柱 常规抽油杆通过接箍连接成抽油杆柱 上经光杆连接抽油机 下接抽油泵的柱塞 其作用是将地面抽油机悬点的往复运动传递给井下抽油泵 常规抽油杆的杆体是实心圆形截面的钢杆 其特点是 结构简单 易制造 成本低 主要用于常规有杆抽油方式 1 外螺纹接头2 卸荷槽3 推承面台肩4 扳手方径5 凸缘6 圆弧过渡区 抽油杆的直径分别为13 16 19 22 25 28mm 抽油杆的长度一般为8000mm和7620mm 另外 为了调节抽油杆柱的长度 还有长度不等的抽油杆短接 抽油杆的强度 C级杆 570MPa D级杆 810MPa 接箍 它是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件 按其结构特征可分为 普通接箍 异径接箍和特种接箍 普通接箍 连接等直径的抽油杆异径接箍 用于连接不同直径的抽油杆特种接箍 主要有滚轮式接箍和滚珠式接箍 用于斜井和普通油井 降低抽油杆和油管之间的摩擦力 减少对油管的磨损 扶正器 为了满足高含水 稠油 高含蜡 含腐蚀介质以及深井和斜井采油的需要 国内外开发并应用了许多结构 材料 用途与普通抽油杆不同的特种抽油杆 如 1 超高强度杆2 玻璃钢杆3 铝合金杆4 空心抽油杆5 连续抽油杆 玻璃钢抽油杆 具有强度高 重量轻 弹性好和耐腐蚀的特点 其强度和同规格的D级钢杆相近 但重量只有钢杆的1 3 塔里木油田大量选用 其主要目的 降低抽油机的悬点负荷 以最大限度的提高抽油杆的使用寿命 进而延长检泵周期 玻璃钢抽油杆通过几年的实践 得到以下3条结论 1 在条件允许的情况下 使用玻璃钢杆适当降低抽油杆负荷 一般控制在60 70 减少断脱现象 2 玻璃钢杆原则上不重复使用 由于缺乏对起出的玻璃钢抽油杆的检测手段 因此若重复使用 将增大玻璃钢抽油杆的断脱机率 3 严格控制产品质量 保证使用至少一年 高强度H级杆 1 由于H级杆比同规格D级杆的强度高30 在相同载荷条件下 疲劳寿命高两倍 此时同比在不增加载荷的条件下 将延长检泵周期 抽油杆柱中还有以下附属器具 1 光杆 位于抽油杆顶端 其作用是连接驴头钢丝绳与井下抽油杆 并同井口盘根配合密封抽油井口 因此 对其强度和表面光洁度要求较高 2 加重杆 用于大泵提液井 稠油井和深油井 抽油杆柱下部采用加重杆是减少抽油杆柱弯曲偏磨 防止抽油杆断脱的有效方法 3 抽油杆扶正器 用于深井 斜井和定向井 使抽油杆柱处于油管中心 不直接与油管接触 减少抽油杆的磨损 振动和弯曲 此外还用用于减少抽油杆振动的减振器 防止抽油杆接箍旋松的防脱器等 二 泵的工作原理 一 泵的抽汲过程 抽油杆柱带着柱塞向上运动 柱塞上的游动阀受管内液柱压力而关闭 1 上冲程 泵内压力降低 固定阀在环形空间液柱压力 沉没压力 与泵内压力之差的作用下被打开 油层 活塞上行 泵吸入的条件 泵内压力 吸入压力 低于沉没压力 泵内吸入液体 井口排出液体 活塞上行 游动阀关闭 固定阀打开 液柱压力 沉没压力 2 下冲程 柱塞下行 固定阀在重力作用下关闭 泵内压力增加 当泵内压力大于柱塞以上液柱压力时 游动阀被顶开 柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部 使泵排出液体 油层 活塞下行 泵排出液体的条件 泵内压力 排出压力 高于柱塞以上的液柱压力 柱塞上下抽汲一次为一个冲程 在一个冲程内完成进液与排液的过程 活塞下行 游动阀打开 固定阀关闭 液柱压力 泵内压力 工作原理 深井泵是依靠抽油机带动抽油杆使活塞在衬套内部做往复运动来实现抽油的 活塞上下运动一次称为一个冲程 分为上冲程和下冲程 每分钟内完成上 下冲程的次数称为冲次 用n来表示 悬点在上 下死点间的位移 称为光杆冲程 用S来表示 活塞在上 下死点间的位移 称为活塞冲程 用Sp来表示 二 泵的理论排量 泵的工作过程是由三个基本环节所组成 即柱塞在泵内让出容积 井内液体进泵和从泵内排出井内液体 在理想情况下 活塞上 下一次进入和排出的液体体积都等于柱塞让出的体积 每分钟的排量为 每日排量 泵的理论排量 第二节抽油机悬点运动规律及载荷 研究目的 是研究抽油装置动力学 它是进行抽油装置的设计 选择以及工作状况分析的基础 悬点 抽油杆在驴头上的悬挂点 运动规律 位移S 速度v 加速度a 一 抽油机悬点运动规律 固定杆 游梁支点与曲柄轴的连线 活动杆 曲柄 连杆 游梁后臂 四连杆机构 四连杆机构可以简化为简谐运动和曲柄滑块运动 一 简化为简谐运动时悬点运动规律 假设条件 r l 0 r b 0 图3 7抽油机四连杆机构简图 游梁和连杆的连接点B的运动可看做简谐运动 即认为B点的运动规律和D点做圆周运动时在垂直中心线上的投影 C点 的运动规律相同 则B点经过t时间 曲柄转角 时位移为 驴头在下死点曲柄垂直向上 以下死点为坐标零点 向上为坐标正方向 则悬点A的位移为 A点的加速度为 A点的速度为 图3 8简谐运动时悬点位移 速度 加速度曲线 二 简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律 把B点绕游梁支点的弧线运动近似地看做直线运动 则可把抽油机的运动简化为曲柄滑块运动 图3 9曲柄滑块机构简图 A点位移 假设条件 解的过程 为了便于用求导来得到A点的速度和加速度 应将A点得位移公式进一步简化 二项式定理展开 取前两项 A点的位移 A点的速度 A点的加速度 悬点冲程 最大位移 适用条件 应用于一般计算和分析 在精确计算和分析及抽油机设计时 则须按抽油机实际四连杆计算 悬点的最大加速度 即在上 下死点处 图3 10悬点速度变化曲线1 按简谐运动计算 2 精确计算 3 按曲柄滑块机构计算 图3 11悬点加速度变化曲线1 按简谐运动计算 2 精确计算 3 按曲柄滑块机构计算 通过游梁摆角的变化来求得位移 三 精确方法计算悬点运动规律 二 抽油机悬点载荷计算 一 悬点所承受的载荷 抽油机在工作时悬点所承受的载荷 是进行抽油设备选择及工作状况分析的重要依据 动载荷 静载荷 其他载荷 杆重液重 沉没压力井口回压 振动惯性摩擦 一 静载荷 包括 抽油杆柱载荷 作用在柱塞上的液柱载荷 沉没压力对悬点载荷的影响 井口回压对悬点载荷的影响 上冲程 即杆柱在空气中的重力 下冲程 即杆柱在液体中的重力 1 抽油杆柱载荷 2 作用在柱塞上的液柱载荷 上冲程 下冲程 A 上冲程 B 下冲程 游动阀关闭 作用在柱塞上的液柱载荷为 游动阀打开 液柱载荷作用于油管 而不作用于悬点 3 沉没压力 泵口压力 对悬点载荷的影响 上冲程 在沉没压力作用下 井内液体克服泵入口设备的阻力进入泵内 此时液流所具有的压力即吸入压力 吸入压力作用在柱塞底部产生向上的载荷 下冲程 吸入阀关闭 沉没压力对悬点载荷没有影响 4 井口回压对悬点载荷的影响 液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对悬点产生附加的载荷 上冲程 增加悬点载荷 下冲程 减小抽油杆柱载荷 由于沉没压力和井口回压在上冲程中造成的悬点载荷方向相反 可以抵消一部分 因而 在近似计算中可以忽略这两项 二 动载荷 惯性载荷 振动载荷 1 惯性载荷 忽略杆液弹性影响 抽油机运转时 驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动 因而产生抽油杆柱和液柱的惯性力 惯性力与质量有关 与悬点加速度的大小成正比 其方向与加速度方向相反 抽油杆柱的惯性力 液柱的惯性力 为油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数 上冲程 前半冲程加速度为正 即加速度向上 则惯性力向下 从而增加悬点载荷 后半冲程中加速度为负 即加速度向下 则惯性力向上 从而减小悬点载荷 悬点加速度在上 下冲程中大小和方向是变化的 下冲程 与上冲程相反 前半冲程惯性力向上 减小悬点载荷 后半冲程惯性力向下 将增大悬点载荷 有公式 3 11a 3 11b 最大加速度应发生在上下死点处 其值见上面公式 将公式 3 11a 3 11b 带入到 抽油杆柱的惯性力 液柱的惯性力 抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷 上冲程 取r l 1 4时 下冲程 液柱引起的悬点最大惯性载荷 上冲程 下冲程 下冲程中液柱不随悬点运动 没有液柱惯性载荷 悬点最大惯性载荷 上冲程 下冲程 2 振动载荷 抽油杆柱本身为一弹性体 由于抽油杆柱作变速运动和液柱载荷周期性地作用于抽油杆柱 从而引起抽油杆柱的弹性振动 它所产生的振动载荷亦作用于悬点上 其数值与抽油杆柱的长度 载荷变化周期及抽油机结构有关 在考虑抽油杆柱弹性时最大载荷计算时介绍 三 摩擦载荷 1 抽油杆柱与油管的摩擦力 2 柱塞与衬套之间的摩擦力 3 液柱与抽油杆柱之间的摩擦力 4 液柱与油管之间的摩擦力 5 液体通过游动阀的摩擦力 上冲程主要受 1 2 4 影响 增加悬点载荷 下冲程主要受 1 2 3 5 影响 减小悬点载荷 1 抽油杆柱与液柱之间的摩擦力 抽油杆柱与液柱间的摩擦发生在下冲程 摩擦力方向向上 阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化 最大值为 主要决定因素 液体粘度和抽油杆的运动速度 把悬点看做简谐运动 则 2 液柱与油管间的摩擦力 上冲程时 游动阀关闭 油管内的液柱随抽油杆柱和柱塞上行 液柱与油管间发生相对运动而引起的摩擦力的方向向下 故增大悬点载荷 下冲程液柱与抽油杆柱间的摩擦力约为上冲程中油管与液柱间摩擦力的1 3倍 即 3 液体通过游动阀产生的阻力 fp柱塞面积fo阀孔面积 在高粘度的大产量井内 液体通过游动阀产生的阻力往往是造成抽油杆柱下部弯曲的主要原因 对悬点载荷也会造成不可忽略的影响 由于液流通过游动阀的压头损失而产生的柱塞下行阻力为 抽油杆柱载荷 液柱载荷及惯性载荷是构成悬点载荷的三项基本载荷 稠油井内摩擦载荷及大沉没度井的沉没压力产生的载荷突出 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 将产生较大冲击载荷 从而影响悬点载荷 二 悬点最大和最小载荷 1 计算悬点最大载荷和最小载荷的一般公式如下 最大载荷发生在上冲程最小载荷发生在下冲程 在下泵深度及沉没度不很大 井口回压及冲数不高的稀油直井内 在计算最大和最小载荷时 通常可以忽略Pv F Pi Ph及液柱惯性载荷 则 令 则 2 考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算 自学 初变形期 从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程 自学要点 抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷 动载荷 抽油杆柱运动引起的自由纵振产生的振动载荷 忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响 初变形期后 抽油杆柱带着活塞随悬点做变速运动 在此过程中 除了液柱和抽油杆柱产生的静载荷外 还会在抽油杆柱上引起动载荷 3 计算悬点最大载荷的其它公式 应用于一般井深及低冲数油井 简谐运动 杆柱和液柱惯性载荷 简谐运动 杆柱惯性载荷 简谐运动 杆柱和液柱惯性载荷 曲柄滑块运动 杆柱惯性载荷 第三节 抽油机平衡 扭矩与功率计算 一 抽油机平衡计算 不平衡原因 若抽油机没有平衡块 当电动机带动抽油机运转时 由于上冲程中悬点承受着最大的载荷 所以抽油机必须作很大的功才能使驴头上行 而到下冲程中 抽油机在自身的重力作用下克服浮力下行 此时抽油机不仅不需要做功 反而接受外来的能量作负功 因而就造成抽油机上下冲程的不平衡 抽油机不平衡造成的后果 上冲程中电动机承受着极大的负荷 下冲程中抽油机反而带着电动机运转 造成功率的浪费 降低电动机的效率和寿命 由于负荷极不均匀 会使抽油机发生激烈振动 而影响抽油装置的寿命 会破坏曲柄旋转速度的均匀性 影响抽油杆和泵正常工作 一 平衡原理 抽油机不平衡 是因为上 下冲程中的悬点载荷不同 造成电动机在上 下冲程所作的功不相等 要使抽油机在平衡条件下运转 则应在下冲程中把能量储存起来 在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功 从而使电动机在上下冲程中都做相等的正功 设计一个简单的平衡实验 在抽油机后梁加一个重物 下冲程 抽油杆自重和电动机一起对重物做功 上冲程 重物储存的能量释放出来和电动机一起对悬点做功 要使抽油机平衡 应该让电动机在上下冲程做功相等 为了使抽油机平衡 在下冲程中需要储存的能量或上冲程中需要释放的能量应该是悬点在上下冲程中所做功之和的一半 二 平衡方式 气动平衡 机械平衡 游梁平衡 游梁尾部加平衡重 曲柄平衡 旋转平衡 平衡块加在曲柄上 复合平衡 混合平衡 游梁尾部和曲柄上都有平衡重 下冲程 通过游梁带动的活塞压缩气包中得气体 把下冲程中做的功储存起来并转化成气体的压缩能 上冲程 被压缩的气体膨胀 将储存的压缩能转换成膨胀能帮助电机做功 多用于大型抽油机 节约钢材 改善抽油机的受力状况 但加工制造质量要求高 三 平衡计算 抽油机在一个抽汲循环中 重物在下冲程中储存的能力或上冲程中帮助电动机所作的功 等于上冲程和下冲程悬点做功之和的一半 上冲程中悬点所作的功 下冲程中悬点所作的功 由于惯性载荷在上下冲程所作的总功为0 因而没有考虑惯性力 上式的结果为在下冲程中存储的能量或在上冲程中平衡重所作的功 1 复合平衡 图3 14复合平衡 平衡半径公式 2 曲柄平衡 平衡半径公式 图3 15曲柄平衡 3 游梁平衡 达到平衡所需要的游梁平衡块重 图3 16游梁平衡 四 抽油机平衡检验方法 1 测量驴头上 下冲程的时间平衡条件下上 下冲程所用的时间基本相等 如果上冲程快 下冲程慢 说明平衡过量 则应减小平衡重量或平衡半径 反之则应增加平衡重量或平衡半径 2 测量上 下冲程中的电流平衡条件下上 下冲程的电流峰值相等 如果上冲程的电流峰值大于下冲程的电流峰值 说明平衡不够 应增加平衡重量或增大平衡半径 反之则应减小平衡重量或平衡半径 3 观察法声音 皮带松紧 启动是否顺利等 抽油机在生产过程中因油层情况 油井情况和油井工作制度的改变 其原来的平衡都会被破坏 二 曲柄轴扭矩计算及分析 一 计算扭矩的基本公式 抽油过程中减速箱输出轴 曲柄轴 的扭矩M等于曲柄半径R与作用在曲柄销处的切线力T的乘积 即 复合平衡抽油机 曲柄平衡抽油机 游梁平衡抽油机 不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式 推导要点 力矩平衡 三角几何关系 以上公式为扭矩计算的精确公式 但由于其中有一些几何参数无法求出 因而很难直接用于实际计算 简化条件 忽略游梁摆角和游梁平衡重惯性力矩的影响 复合平衡抽油机 曲柄平衡抽油机 游梁平衡抽油机 扭矩因数 悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩与悬点载荷的比值 抽油机结构不平衡值B 等于连杆与曲柄销脱开时 为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力 方向向下为正 不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式 二 扭矩因数计算 图3 17抽油机几何尺寸与曲销受力图 五 最大扭矩计算公式 1 计算最大扭矩的近似公式 1 抽油机悬点运动简化为简谐运动 2 忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影响 3 最大峰值扭矩发生在曲柄转角为90 时 简化条件 有效平衡值 抽油机结构不平衡重及平衡重在悬点产生的平衡力 它表示了被实际平衡掉的悬点载荷值 在平衡条件下 2 计算最大扭矩的经验公式 苏联拉玛扎诺夫于1957年提出 根据国内油井扭矩曲线的峰值建立的经验公式 三 电动机选择和功率计算 一 电动机功率计算 电动机的选择关系到电能的利用效率和能否充分发挥抽油设备与油层生产能力 a 负荷是脉冲的 而且变化大 游梁式抽油装置的特点 目前国产抽油机所选配的电动机大多是高起动转矩系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机 b 启动条件困难 要求有大的启动转矩 c 所用的电动机功率不太大 但总的数量大 d 在露天工作 要求电动机维护简单 工作可靠 电动机功率与曲柄轴上的扭矩关系式为 由于抽油机悬点载荷是变化的 所以电动机功率与传到曲柄轴上的扭矩也是变化的 因此在变负荷条件下 电动机的选择一般是根据扭矩的变化规律 按等值扭矩来计算 即 等值扭矩Me 用一个不变化的固定扭矩代替变化的实际扭矩 使其电动机的发热条件相同 则此固定扭矩即为实际变化的扭矩的等值扭矩 等值扭矩与最大扭矩之间的关系 作简谐运动时 扭矩呈正弦规律变化 真实运动规律 考虑到不平衡等因素 实际计算时建议采用 电动机功率 3 光杆功率计算的近似计算 水力功率 在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功率 光杆功率 通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率 1 根据实测示功图准确计算 2 根据示功图绘制扭矩曲线准确计算光杆平均功率 第四节泵效计算 泵效 在抽油井生产过程中 实际产量与理论产量的比值 影响泵效的因素 1 抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩 2 气体和充不满的影响 因为实际产量一般都比理论产量要低 柱塞冲程小于光杆冲程 泵内吸入气体和泵的排量大于油层供油能力 3 漏失影响 柱塞与衬套的间隙及阀和其他连接部件间的漏失都会使排量减少 此时若泵的质量好 漏失的影响不大 但是如果液体有腐蚀性或含砂时 就会造成腐蚀和磨损 还有泵内结蜡 这会严重破坏泵的工作 一 柱塞冲程 柱塞冲程小于光杆冲程 抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩 泵效小于1 交变载荷作用 液柱载荷交替地由油管转移到抽油杆柱和由抽油杆柱转移到油管 使杆柱和管柱发生交替地伸长和缩短 一 静载荷作用下的柱塞冲程 冲程损失的影响因素分析 2 抽油杆和油管的性质 组合 3 下泵深度 4 抽油泵的规格 1 油层供液状况和生产流体的性质 柱塞冲程 冲程损失 油管柱的缩短或伸长量 抽油杆柱的伸长或缩短量 冲程损失计算式 根据虎克定律 冲程损失 m Wl 考虑沉没度影响后的液柱载荷 为上 下冲程中静载荷之差 N fr ft 抽油杆及油管金属横截面积 m2 L 抽油杆柱总长度 m l 液体密度 kg m3 E 钢的弹性模量 2 06 1011Pa Lf 动液面深度 m 多级抽油杆的冲程损失 若各级杆及油管的钢级不同 则E单独取值 m 抽油杆柱级数 m Li 第i级抽油杆的长度 m fri 第i级抽油杆的截面积 m2 柱塞截面积越大 泵下得越深 则冲程损失越大 为提高泵效 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 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 活塞冲程为0 泵的实际排量等于0 二 考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算 当悬点上升到上死点时 抽油杆柱有向下的 负的 最大加速度和向上的最大惯性载荷 抽油杆在惯性载荷的作用下还会带着柱塞继续上行 当悬点下行到下死点后 抽油杆的惯性力向下 使抽油杆柱伸长 柱塞又比静载变形时向下多移动一段距离 柱塞冲程增加量 根据虎克定律 惯性载荷引起的柱塞冲程增量为 上冲程 下冲程 由于抽油杆柱上各点所承受的惯性力不同 计算中近似取其平均值 即 因此 考虑静载荷和惯性载荷后的柱塞冲程为 尽管惯性载荷引起的抽油杆柱的变形使柱塞冲程增大 有利于提高泵效 但增加惯性载荷会使悬点最大载荷增加 最小载荷减小 使抽油杆受力条件变坏 所以 通常不会增加惯性载荷 快速抽汲 的办法来增加柱塞冲程 三 抽油杆柱的振动对柱塞冲程的影响 理论分析和实验研究表明 抽油杆柱本身振动的相位在上下冲程中几乎是对称的 即如果上冲程末抽油杆柱伸长 则下冲程末抽油杆柱缩短 因此 抽油杆振动引起的伸缩对柱塞冲程的影响是一致 即要增加都增加 要减小都减小 其增减情况取决于抽油杆柱自由振动与悬点摆动引起的强迫振动的相位配合 液柱载荷交变作用 抽油杆柱变速运动 抽油杆柱振动 抽油杆柱变形 二 泵的充满程度 气锁 抽汲时由于气体在泵内压缩和膨胀 吸入和排出阀无法打开 出现抽不出油的现象 多数油田在开采时 都是在井底流压低于饱和压力的条件下生产的 即使在高于饱和压力下生产 泵口压力也是低于饱和压力的 在抽汲时总是气液同时进泵 气体进泵必然减少进入泵内的液体量从而影响泵效 可能发生 气锁 用充满系数 来表示气体的影响程度 图3 20气体对冲满程度的影响 充满系数 表示泵在工作中的液体充满程度 越高则泵效越高 充满系数 的推导 用R表示泵内气液比 即 图3 20气体对冲满程度的影响 泵充满程度的影响因素分析 2 生产流体的性质 气液比R愈小 就越大 为降低进泵的气液比 可增加泵的沉没深度 使原油中的自由气体更多的溶于原油 或使用气锚 使气体在泵外分离 减少气体进泵 1 防冲距K值越小 值就越大 因K Vs Vp 因而要减小K值 要尽可能使Vs小和提高Vp 因而 在保证柱塞不撞到固定阀的情况下 尽量减小防冲距 以减小余隙 如果忽略余隙 则Vs 0时 K 0 则有 3 94 若油层能量低或者原油的粘度大使泵在吸入时的阻力很大 那么活塞移动快时 供油就跟不上 油还没来得及充满泵筒 活塞就已经开始下行了 出现充不满的现象 从而降低泵效 对于这种情况 一般可加深泵挂增加沉没度 或选用合理的抽汲参数 以适应油层的供油能力 对于稠油 可以采取降粘措施 三 泵的漏失 1 排出部分漏失 2 吸入部分漏失 3 其它部分漏失 影响泵效漏失 漏失很难计算 除了新泵可根据试泵实验测试结果和相关式估算外 泵由于磨损 砂蜡卡和腐蚀所产生的漏失以及油管丝扣 泵的连接部分和泄油器不严等所产生的漏失很难计算 柱塞与衬套的间隙漏失 游动阀漏失 都会使泵内排出的液量减少 固定阀漏失会减少进入泵内的液量 如油管丝扣泵的连接部分及泄油器不严等 柱塞与衬套间隙漏失计算 静止条件下的漏失量 活塞向上运动时上带液量 原本要漏失的带上去了 总漏失量为 若只考虑柱塞间隙漏失时 漏失系数为 低粘深井漏失大 措施 提高泵配合等级 快速抽汲 四 提高泵效的措施 1 选择合理的工作方式 选用大冲程 小冲次 减小气体影响 降低悬点载荷 特别是稠油井 连喷带抽井选用大冲数快速抽汲 以增强诱喷作用 深井抽汲时 S 光杆冲程 和N 冲次 的选择一定要避开不利配合区 fp 柱塞截面积 S N的具体数值 除了可用计算得出外 还可根据生产试验来确定 3 改善泵的结构 4 使用油管锚减少冲程损失 5 合理利用气体能量及减少气体影响 2 确定合理沉没度 确定合理的沉没度 可以降低泵口的气液比 减少进泵的气量从而提高泵的充满程度 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 提高泵的质量 冲程损失主要是因为抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩造成的 若下入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 第五节有杆抽油系统设计 一 抽油杆强度计算及杆柱设计 二 地面示功图的分析 三 井下示功图的分析 重点 抽油杆柱工作时承受着交变负荷所产生的非对称循环应力作用 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 若是在最大拉应力下破坏 则断裂事故将主要发生在拉应力最大的上部 但矿场试验表明 上部下部都有断裂 因此抽油杆柱必须根据疲劳强度来进行计算 抽油杆的选择主要确定的参数有 杆长 杆径 组合及材料 一 抽油杆柱设计 1 奥金格公式 自学 1 杆柱强度计算方法 原则 抽油杆内的折算应力小于疲劳破坏下的许用应力强度 2 修正古德曼图 目前国内多采用修正的古德曼图来进行抽油杆强度的校核和杆柱设计 修正的古德曼图 横坐标为抽油杆柱最小应力 min 纵坐标为抽油杆柱最大应力 max 修正古德曼图 修正的古德曼图给出的应力范围比为 要保证抽油杆柱不发生疲劳破坏 抽油杆的最大应力不应超过许用最大应力 即 抽油杆柱的许用最大应力的计算公式 2 有杆抽油机生产系统设计 有杆抽油系统包括油层 井筒流动 机 杆 泵和地面管线到油气分离器 有杆抽油系统设计主要是选择机 杆 泵 管以及抽汲系数 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 设计内容 对于某一固定的抽油机型号 设计的内容有 泵型 泵径 冲程 冲次 泵深及相应的杆柱组合和材料 并预测相应的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 需要的数据 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 地面脱气原油的粘度 3 含水率 套压 油压 生产油气比 设计前油井的产量 流压 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 自学 第六节有杆抽油系统工况分析 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 分析目的 油层与抽油设备协调 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 抽油井分析包括以下内容 一 抽油井液面测试与分析 一 动液面 静液面及采油指数 静液面 是指关井后环形空间中液面恢复到静止 与底层压力相平衡 时的液面 Ls或Hs 对应于油藏压力 动液面 油井生产时油套环形空间的液面 Lf或Hf 对应于井底流压 静液面与动液面之差 即 H Hs Hf 相对应的压力差即为生产压差 采液指数J 与自喷井不同 抽油井一般都是通过液面的变化 来反映井底压力的变化 则多采用以下流动方程 沉没度 hs 表示泵沉没在动液面以下的深度 其大小可以根据气油比的高低 原油进泵所需要的压力大小来定 可以看出 与抽油井的采油指数J与自喷井的一样 都表示单位生产压差下的油井日产油量 但此处是用相应的液柱来表示压差的 折算液面 在测量液面时 套管压力往往不为零 这样就会有误差 因而把在一定套压下测得的液面折算成套管压力为零时的液面 二 液面位置的测量 测量仪器 回声仪 测量原理 利用声波在环形空间流体介质中的传播速度和测得的反射时间来计算其位置 有音标井和无音标井 二 地面示功图的分析 重点 示功图 载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图 地面示功图或光杆示功图 悬点载荷与位移关系的示功图 在实际工作中是以实测的地面示功图作为深井泵工作状况的主要依据 由于在实际工作中 抽油井的情况比较复杂 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 因而 实测的示功图有时会是奇形怪状 各不相同的 因而 为了正确分析和解释示功图 常常要以绘制理论示功图为基础 一 理论示功图及其分析 1 静载荷作用下的理论示功图 图3 28静载理论示功图 以悬点的位移为横坐标 悬点的载荷为纵坐标的静载荷理论示功图如下 循环过程 下死点A 加载完成B 上死点C 卸载完成D 下死点A 在下死点A处的悬点静载荷为Wr 上冲程开始后 液柱载荷Wl 逐渐加在柱塞上 并引起抽油杆柱和油管柱的变形 载荷加完后 停止变形 从B点以后悬点以不变的静载荷 Wr Wl 上行至上死点C 图3 28静载理论示功图 在上死点开始下行后 由于抽油杆柱和油管柱的弹性 液柱载荷Wl 是逐渐的由柱塞转移到油管上 因而悬点逐渐卸载 在D点卸载完毕 悬点以固定的静载荷Wr 继续下行至A点 图3 28静载理论示功图 CDA为下冲程静载荷变化线 CD为卸载过程 游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态 在D点卸载完毕 变形结束 柱塞与泵筒发生向下相对位移 游动凡尔被顶开 排出液体 DA为排出过程 固定凡尔处于关闭状态 在静载荷的作用下 悬点理论示功图为平行四边形ABCD ABC为上冲程静载荷变化线 AB为加载过程 加载过程中 游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态 在B点加载完毕 变形结束 柱塞与泵筒开始发生相对位移 固定凡尔打开而吸入液体 BC为吸入过程 BC SP为泵的冲程 游动凡尔处于关闭状态 1 考虑惯性载荷后的理论示功图 考虑惯性载荷时 是把惯性载荷叠加在静载荷上 因为悬点上的惯性载荷的变化规律与悬点加速度的变化规律是一致的 在上冲程中 前半程有一个由大到小向下作用的惯性载荷 增加悬点载荷 后半程有一个作用在悬点上的由小变大的向上的惯性载荷 减小悬点载荷 在下冲程中 前半程有一个由大到小向上的惯性载荷 减小悬点载荷 后半程有一个有小到大向下作用的惯性载荷 增加悬点载荷 因此其示功图成为了平行四边形A B C D 2 考虑振动载荷后的理论示功图 考虑振动载荷后的理论示功图 考虑振动时 由于抽油杆柱的振动是发生在粘性的液体中 因而为阻尼振动 叠加之后在B C 线和D A 线上就出现逐渐减弱的波浪线 二 典型示功图分析 典型示功图 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 1 气体和充不满对示功图的影响 有气体影响的示功图 气体影响示功图 气锁 泵的余隙越大 进入泵内的气量越多 则线DD 越长 示功图的 刀把 越明显 GasLock 下冲程 气体受压缩 泵内压力不能迅速提高 使排出阀滞后打开 点D 卸载变慢 CD 泵的余隙越大 进入泵内的气体越多 则DD 线越长 刀把 越明显 当进泵的气体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