机械采油技术

第十章机械采油技术 有杆泵采油基础无杆泵采油基础 有杆泵采油典型特点 地面能量通过抽油杆 抽油泵传递给井下流体 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 常规有杆泵采油是目前我国最广泛应用的采油方式 大约有80 以上的油井采油采用该举升方式 第一节有杆泵采油基础 一 抽油装置 抽油机 抽油杆 抽油泵 其它附件 抽油过程介绍 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 一 抽油机 有杆深井泵采油的主要地面设备 它将电能转化为机械能 包括游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种 游梁式抽油机组成 游梁 连杆 曲柄机构 减速箱 动力设备和辅助装置 工作原理 游梁式抽油机分类 后置式和前置式 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 后置式抽油机结构简图 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 异相型游梁式抽油机 异形游梁式抽油机 双驴头游梁式抽油机 链条式抽油机 宽带传动抽油机 液压抽油机 游梁式抽油机系列型号表示方法 CYJ12 3 3 70 H F Y B Q 2 抽油泵 机械能转化为流体压能的设备 工作筒 外筒和衬套 柱塞及游动阀 排出阀 和固定阀 吸入阀 a 结构简单 强度高 质量好 连接部分密封可靠 一般要求 按照抽油泵在油管中的固定方式可分为 管式泵和杆式泵 主要组成 分类 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 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 管式泵特点 结构简单 成本低 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 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 杆式泵特点 结构复杂 制造成本高 排量小 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 能量传递工具 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 抽油杆的杆体直径分别为13 16 19 22 25 28mm 抽油杆的长度一般为8000mm或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节 接箍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 用于斜井或普通油井中降低抽油杆柱与油管之间的摩擦力 减少对油管的磨损 扶正器 抽油杆的强度 C级杆 570MPa D级杆 810MPa 超高强度抽油杆 玻璃钢抽油杆 空心抽油杆 电热抽油杆 连续抽油杆 柔性抽油杆 如钢丝绳抽油杆 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 泵吸入的条件 泵内压力 吸入压力 低于沉没压力 A 上冲程 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 泵内吸入液体 井口排出液体 B 下冲程 2 下冲程 柱塞下行 固定阀在重力作用下关闭 泵排出的条件 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油与排油的过程 光杆冲程 光杆从上死点到下死点的距离 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 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 冲次 一分钟的时间内抽油泵吸入与排出的周期数 1 泵效 在抽油井生产过程中 实际产量与理论产量的比值 2 影响泵效的因素 3 漏失影响 1 抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩 2 气体和充不满的影响 4 体积系数的影响 三 泵效及其影响因素 3 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 特别是稠油的井 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和N的选择一定要避开不利配合区 2 确定合理沉没度 3 改善泵的结构 提高泵的抗磨 抗腐蚀性能 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 四 地面示功图分析 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 一 理论示功图及其分析 1 静载荷作用下的理论示功图 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 图10 5静载理论示功图 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 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 2 考虑惯性载荷后的理论示功图 图10 6考虑惯性和振动后的理论示功图 S 2 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 图10 8有气体影响的示功图 气体影响示功图 充满系数 气锁 充不满影响的示功图 充不满现象 地层产液在上冲程末未充满泵筒的现象 液击现象 泵充不满生产时 柱塞与泵内液面撞击引起抽油设备受力急剧变化的现象 充不满的示功图 2 漏失对示功图的影响 排出部分的漏失 图10 9泵排出部分漏失 柱塞的有效吸入行程 泵效 吸入部分漏失 图10 10吸入凡尔漏失 柱塞的有效吸入行程 泵效 图10 11吸入凡尔严重漏失 吸入部分和排出部分同时漏失 图10 12吸入凡尔和排出凡尔同时漏失 3 柱塞遇卡的示功图 柱塞在泵筒内被卡死在某一位置时 在抽汲过程中柱塞无法移动而只有抽油杆的伸缩变形 图形形状与被卡位置有关 活塞卡在泵筒中部 4 带喷井的示功图 在抽汲过程中 游动阀和固定阀处于同时打开状态 液柱载荷基本加不到悬点 示功图的位置和载荷变化的大小取决于喷势的强弱及抽汲液体的粘度 喷势强 油稀带喷 喷势弱 油稠带喷 5 抽油杆断脱 抽油杆断脱后的悬点载荷实际上是断脱点以上的抽油杆柱重量 只是由于摩擦力 才使上下载荷线不重合 图形的位置取决于断脱点的位置 抽油杆柱的断脱位置可根据下式来估算 抽油杆断脱 出砂井 6 其它情况 结蜡井 管式泵活塞脱出工作筒 防冲距过小活塞碰固定凡尔的示功图 地面驱动螺杆泵井采油技术 60年代中期以来 随着石油钻采机械和采油工艺技术的发展 螺杆泵采油技术得到了迅速发展 地面驱动螺杆泵采油与其它采油方式相比 具有结构简单 运动部件少 液流平稳 系统效率高和能耗小等特点 且对稠油井 出砂井及含气井等有很好的适应性 地面驱动螺杆泵采油方式在全国许多油田中得到了越来越多的应用 但地面驱动螺杆泵抽油井的设计理论却不够完善 矿场生产系统设计及抽汲参数的选择等长期处于半经验状态 致使油井生产能力得不到充分发挥 并造成系统资源和能源的浪费 1节点系统的划分 求解点设置在下泵深度处 油层 井筒与抽油设备的协调条件 质量守恒能量守恒热量守恒 2主要计算模型 通过对地面驱动螺杆泵井生产系统工作的分析 相对于常规有杆泵井而言 其不同点主要表现在泵的工作特性 抽油杆柱运动规律和受力状况以及地面设备工作原理等三个方面 所以在其生产系统优化设计中的计算模型特殊性主要在于泵效组成分析和抽油杆柱设计 组合 计算方法 2 1抽油杆柱轴向力计算模型 杆柱载荷 折算液柱载荷 杆液的摩擦载荷 井口轴向力 举升井筒流体的扭矩 启动时驱动抽油杆柱的扭矩 正常生产时驱动抽油杆柱的扭矩 2 2抽油杆柱扭矩计算模型 杆液的摩擦扭矩 启动时 抽油杆柱井口总扭矩 正常生产时 抽油杆柱井口总扭矩 2 3抽油杆柱设计强度理论 对抽油杆截面的力学分析可知 其危险点为二向应力状态 根据第四强度理论 抽油杆柱的强度条件为 2 4泵效组成分析 实际泵效气体的影响体积系数变化的影响漏失的影响 第二节无杆泵采油基础 一 电动潜油离心泵采油 1 能量传递过程 2 地层流体举升过程 电潜泵举升方式的主要优点 1 排量大 2 操作简单 管理方便 3 能够较好地运用于斜井与水平井以及海上采油 4 在防蜡方面有一定的作用 电潜泵举升方式的主要缺点 1 下入深度受电机功率 油套管直径 井筒高温等的限制 2 比较昂贵 初期投资高 3 作业费用高和停产时间过长 4 电机 电缆易出现故障 5 日常维护要求高 图10 14开式水力活塞泵采油系统 二水力活塞泵采油 液马达 高压泵机组 井下器具管柱结构 井口 高压控制管汇 计量装置 动力液处理装置 地面管线 抽油泵 滑阀控制机构 系统组成 油井装置 地面流程 水力活塞泵井下机组 工作原理 动力液地面加压 油管或专用动力液管输送 动力液被传至井下液马达处 滑阀控制机构换向 动力液驱动液马达 液马达做往复运动 液马达通过活塞杆带动抽油泵做往复运动 原油被增压举升 适应条件 主要缺点 油层深度与排量范围大 含蜡 稠油 井斜 1 机组结构复杂 加工精度要求高 2 地面流程大 投资高 规模效益 2 按动力液循环分类 3 按动力液性质分类 水力活塞泵采油系统类型分类 1 按系统井数分类 乏动力液不与产出液混合 乏动力液与产出液混合 单井流程系统 多井集中泵站系统 大型集中泵站系统 闭式循环方式 开式循环方式 原油动力液水力活塞泵采油系统 水基动力液水力活塞泵采油系统 4 按井下泵的安装方式分类 固定式安装 整个泵随油管下入井内 优点是泵径大 排量大 缺点是起泵必须起油管 插入式安装 泵工作筒随大直径油管下入井内 而沉没泵机组则用小直径油管下入 插到泵工作筒内 投入式安装 又分单管封隔式和平行管柱式 泵工作筒随油管下至井底 沉没泵机组则从油管中投入 使用液力下泵和起泵 优点是起下泵方便 缺点是泵径受到限制 排量较小 最常用的三种水力活塞泵抽油装置 1 开式循环单管封隔器投入式水力活塞泵采油系统 2 闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵采油系统 3 开式循环平行管柱投入式水力活塞泵采油系统 平行旁通管为乏动力液的流道 平行管通到封隔器下部 以排放封隔器下部聚集的气体 图10 14开式水力活塞泵采油系统 图10 15闭式水力活塞泵采油系统 图10 16射流泵采油井下系统示意图 三 水力射流泵采油 高压泵机组 井下器具管柱结构 井口 高压控制管汇 计量装置 动力液处理装置 地面管线 系统组成 油井装置 地面流程 射流泵 通过注入井内的高压动力液的能量传递给