游梁式抽油机连杆机构尺度优化及结构设计-外文翻译.doc

本科毕业设计（论文）外文翻译译文学生姓名： 院 （系）： 机械工程学院 专业班级： 机械0702 指导教师： 完成日期： 20 年 月 日 要 求1、外文翻译是毕业设计（论文）的主要内容之一，必须学生独立完成。2、外文翻译译文内容应与学生的专业或毕业设计（论文）内容相关，不得少于15000印刷符号。3.外文翻译译文用A4纸打印。文章标题用3号宋体，章节标题用4号宋体，正文用小4号宋体，20磅行距；页边距上、下、左、右均为2.5cm，左侧装订，装订线0.5cm。按中文翻译在上，外文原文在下的顺序装订。4、年月日等的填写，用阿拉伯数字书写，要符合关于出版物上数字用法的试行规定，如“2005年2月26日”。5、所有签名必须手写，不得打印。最新技术进展使有杆抽油系统比ESP系统效率更高Latest Technological Advances in Rod Pumping Allow Achieving Efficiencies Higher than with ESP Systems作者： Gabor Takacs , Hadi Belhaj起止页码： 1-7出版日期（期刊号）： 2010.11.14 SPE 136880出版单位： SPE外文翻译译文：版权所有2010年，石油工程师学会本文是作者为参加在阿布扎比国际石油展览会及会议而准备的论文，该次会议在2010年11月1到4号阿联酋阿布扎比举行。本文是由石油工程学会组织委员会在审查了论文作者所提交的摘要信息之后所选中的。石油工程学会人员没有评阅这些文章内容，它由作者进行修改。文章中并不一定非要反映任何石油工程学会、其工作人员或会员的观点。在石油工程师学会会议上提交的论文由石油工程协会编委会出版评阅。基于商业目的对论文电子文本的任何部分的复制、传播或储存都是石油工程学会所禁止的。允许复制的印刷文本仅限于不超过300字的摘要部分，插图不能被复制。摘要必须明确地说明文章是在何处以及由何人所写。摘要:在油井中，最重要的两种人工举升方法是抽油杆泵和电潜泵，成千上万的这种两泵遍布世界各地。虽然它们运行特点和应用范围有很大的区别，但许多情况下，他们其中任何一个都可以在设定好的油井中应用。最终，根据它们的能源效率和所需最小表面的输入功率，来选择恰当的方法。本文为评估这两种升降机研究方法的有效性和实现最大功效的针对性需求，提供了必要的背景。在泵送系统中对功率流进行了研究，而且功率流被描述为通常范围内的功率损失来源。该系统的整体电源效率是由一个简单公式来定义的，这个公式将在必要时检测不同系统单元主要部分的功率损失。彻底的调查研究各组成部分效率可以找到影响整个系统功率的最明显因素。正如本文所提到的，获得最大效率的最重要的举措是合理的选择泵的类型，即柱塞尺寸、冲程长度组合和抽速。详细计算ESP系统中的各部分能量损失并且描述了单独每个部分损失的相对重要性。由于ESP系统的各组成部分串联，一个相对简单的公式可以用来描述电能损失和水力损失对整个系统效率的影响。由于ESP系统总效率的重要性，对系统效率的公式进行了研究。本次调查的结果提供关于如何设计一个ESP系统，以提供最高的电源效率的关键信息。通过一个事例说明了提出的计算模型的实际运用，这个事例就是在同井中有杆泵和ESP都能获得相对较高的产液量（1300万桶）。详细的安装设计，使得有杆抽油泵和ESP杆有了若干个不同的操作模式。本文论证了使用像高强度抽油杆杆连接这种最新技术，通过获得更高能效，有杆抽油杆系统可以成功地和安装了ESP的杆泵相匹敌。简介期望能从更深井开采出大量的液体流量，达到这一期望的唯一方法通常是ESP或气举，而不是有杆抽油系统。众所周知，这种情况的主要原因是受抽油杆钢强度的限制。由于深处的抽油泵单独受到载荷和压力，且抽油杆的负载过重超过其自身重量，以至于油杆无法承受而断裂。这种情况下，有杆泵抽油需要引入更高强度材料的杆作为基本驱动装置。抽油杆的疲劳硬度极限是对抽油杆强度最好的定义，因为大多数抽油杆疲劳断裂发生在远低于抗拉强度处，甚至是所用钢材的屈服强度处。材料的疲劳是指材料的塑性拉伸破坏，这种破坏归因于像抽油杆柱的脉动载荷张力一样的反复变形。典型的断裂常发生在抽油杆的应力集中表面（类似于表面缺口缺陷、表面腐蚀缺陷等），并且慢慢以直角的形式发展成应力，即在整个杆材料中。从而承载截面逐步减少，直到剩下的金属面是过载和断裂为止。Tenaris杆API D级杆高强度杆最小应力，ksi最大应力，ksi图1：古德曼修正图 这个行业经历了连续的技术进步，从早期抽油机井中使用的木山胡桃木杆技术发展成为强钢筋技术。作为几十年前最强的杆API中D级抽油杆，被一些特殊的高强度材料杆所取代，像Norris 97，Trico 66等。最新发展的抽油杆是由泰纳瑞斯1开发的新型线程杆和优质杆的联接，如果将这项新技术应用在用传统材料制成的抽油杆上，则会大大的提高抽油杆柱的疲劳寿命。这一技术的改进归因于这样一个事实，通常抽油杆的断裂损坏多数发生的联接处。多亏了这些新型特殊强度联接杆能够承受比API中最高强度材料所承受的还要高的应力范围。图1中古德曼修正图清晰的说明了非API杆料的优越性能，这是现今可用杆材料中的最高疲劳硬度极限。抽油杆杆材料强度的显著改善恰恰详细的说明了需要重新核实抽油杆泵安装深度的极限。本文的目的是解决与此相关的问题，并具有两重性：探讨抽油杆杆的应用率，解除仅仅在几年前还望而却步的深处，以及有杆抽油系统的功率损失与ESP系统的功率损失作比较。为了达到本文的要求，首先必须要对这两种人工举升装置（SRP和ESP）的功率损失进行计算。在此基础上，系统设计的开发要确保最低功耗的要求，从而使两个举升装置进行利弊比较。有杆抽油系统的功率损失系统的功率流井下能量损失：摩擦损失，水力损失输出功率表面损失：机械损失，电损失输入功率光杆功率图2 有杆抽油系统能量损失图2介绍了能量流和沿有杆抽油系统能量损失的可能来源。泵系统的有效功率，, 是由井下泵完成的，井下泵将开采出来的油液从泵的安装深度输送给原动机处，通常是一个电动马达。系统效率任何人工举升系统的整个电源效率最好用有限的成份效率来描述。在有杆抽油泵中，以下因素有助于确定数量和定义固有组件： 光杆所需的电量要很容易测量或计算。该电动机（通常的原动力）效率要是已知的。因为在光杆所需的能量(PRHP)包括系统中井下所有的损失;而表面损失可划分为机械和电机损失，整个系统的效率通常被定义为： （1）其中：-举升效率； -表面驱动力的机械效率； -电动机的整体效率。系统各成分的效率举升效率光杆功率（PRHP）是由泵做的有效功()和井下泵所有的能量损失的总和。这说明了光杆上产生的机械动力，并且在多方面得以体现。最可靠的解决方案要涉及到测功机卡和执行计算卡，但计算模型对其他领域的计算也可用。该泵系统的井下组件的能源效率的特点是油井中能量损失的相对量。这个参数称为举升效率，而且它是有效的液压功率和光杆所需功率之商：= （2）其中：-用流体上升的液压功率；HP PRHP-光杆功率；HP表面机械效率机械能量损失发生在机械传动系统部分，它们包括抽油机、变速箱和V传送带的传动摩擦损失。由于这些传动系统的作用，在原动机轴上的机械功率（）常常比光杆所需的（PRHP）要大。因此，很容易用一个机械效率描述这些能量损失：= （3）其中：=电机轴机械功率，HP。电机效率用一个整体效率来描述电动机的全部损失，这个效率是电动机轴上的机械功率和电源平均功率的比值计算： （4）其中：=电机的输入功率，HP。最大限度地提高系统效率由于系统的效率是由公式一中的三项公式来定义，研究这些单独项式得出这样一重要结论：有杆抽油泵在工作时获得最大能源效率的可能方法。表面机械效率平均值高，通常超过90为有利条件也就是可以很好的保护抽油机和变速箱。在这个技术文献中，对因为变速箱加载此方法的效率提高了机组额定容量达成了共识。至于电机效率，电机采用泵送接近90时，稳定的负载下电机可能已到达满载效率。但由于电机在抽油过程中的循环加载，其实际的负载值在30至80范围不等。执法机关等。 2目前电机效率达到78 - 91%美国电气制造商协会5马力-60马力D级电机。如图所示，表面机械效率，电机效率，的可能值在相当窄的范围内变化。与此同时，如果选择型号合适的变速箱和电动马达，它们可取最大值。一个经恰当保养的抽油单元，它的减速器运行在接近其最大扭距范围内能确保机械效率在= 90以上。一个正确选择电动马达也能提供相对高的值。因此，该驱动系统和马达的综合效率（）可以在67- 88范围内，如来自麦考伊等人 3。相对于上述效率通常的变化范围，提升效率，可以在非常广泛的范围内变化，取决于抽油模式（柱塞尺寸，冲程长度，泵速）的选择。在可能值的下限，考虑到一个磨损过的泵产生的液体量很小，取得一个可忽略的液压动力，然而光杆还消耗着一定的能量，加到一个值几乎为零提升效率上。另一方面，拥有大功率泵，低抽油速度的油井，理想状况下，在光杆处需要不会多于液压动力。例如，塔卡克斯4报道94至38的提升效率，据高尔特5，提升效率可通过选择最优化抽油模式实现相当大的改善，即抽油泵的大小，光杆冲程长度，抽油速度，杆柱的设计综合。总之，实现整个系统高效率的基本要求是找到提升效率最大可能值。由于这是通过恰当选择抽油模式，正确选择泵的大小组合方式，光杆冲程长度实现的，抽油速度是至关重要的。无论是设计一个新的抽油系统或改进现有的装置性能，这一定是有有杆抽油专家努力的首要目标。有杆抽油有杆抽油系统模式被定义为泵的大小，光杆冲程长度，抽油速度，杆柱设计的综合。如果考虑到API标准：（a）超过10种柱塞尺寸，（b）约20种行程长度，（三）六种抽油杆尺寸，和（d）抽油速度可以在任何低于20SPM的地方，可组合的数量是巨大的。为了生产出给定的流体量，然而，大部分理论上可能的抽油模式证明是不切实际的或不经济的，但是消除这些仍有大量选择需考虑。最优设计从基于提升效率的现存抽油模式中选择的，从中选取最大效率的。ESP系统中的能量状况ESP系统中的能量损失如图3所示，ESP系统中的能量损失。总能量被系统各部分消耗，令有部分能量用于将井下液体提升至表面，（即液压能量)所有的能量损失发生在井下和地表部件。在ESP系统中的能量分类可依据发生能量损失的地方；因此，可通过井下和井上损失区别。另外一种能量损失分类方法是根据他们的属性将他们分为液压的和电动的。电机损失泵损失容器损失流量损失背压损失表面电量损失 图3 ESP系统中的能量损失系统效率在定义ESP系统的整体能源使用效率时，因素的最小数量将被用来促进实际应用。为此，在井中的液压损失可用单一效率值表示，液压损失包括层流和背压损失，ESP泵的效率和气体分离器能组合为一个整体。由于马达和地面设备的效率是已知的知，ESP装置的总效率在以下被给出。 （5）其中：ESP泵效率；ESP电机效率；地表电系统效率。油井中的水力损失包括流量损失和背压水力损失，其定义如下： （6）其中：=举升油液所需的水力功率，HP；=油管摩擦功率损失，HP；=井口回压功率损失，HP；ESP的电缆功率效率定义为： （7）其中：=电机的输入功率，kW；=ESP电缆电源功率损失，kW。在这里提出的公式的优点是，虽然它需要项目最小值的测定，它提供了检测系统组件的可能性，这些组件可能会发生相当大的能量损失。使用这个公式，因此，有助于达到最佳的经济条件和减少液体提升成本。最大化系统效率由于之前完成了有杆泵抽油，经过对基本公式（5）的分析之后，取得最大效率的条件就可以被确定。对每个项目的重要性及其对系统的整体效能的作用的研究可以给出关于能让ESP系统高效运行的方法的重要信息。最简单的情况被表面电效率给出，有一个非常高的值（通常是97），而且在大多数情况下不会改变。因此，它对整个系统的效率，影响极为轻微，不需要进一步的讨论。该项目的量描述井中水力损失，取决于以下参数：（一）油管的尺寸，（二）所需的抽油速率，以及（c）井口压力。前两个都涉及到在油管流压下降，它们确定井下油管浪费的能量。油管中的压力降越低，效率越高，这由传统的ESP设计程序保证，可使摩擦水头损失限制到低于实际管长的10。克服井口压力的能量通常保持在最低限度以减少水力损失，但如果油在井口卡住则能量可能是非常巨大的。总之，一个足够高的水力效率通常是被适当的安装设计程序保证，但当生产控制是由表面节流器执行时，极低值也可能出现。ESP泵的效率，是由制造和选定的离心泵的类型决定的。水泵的选择取决于：（a）规定的流速，和（b）可用泵的性能曲线。因为流速方面任何离心泵效率可以在非常广泛的范围有所不同（从零到最大），这对（a）最初选择具有最高的效率泵，及（b）检查低效运作是绝对重要的。电动机的效率，主要取决于电机的实际负载，如电动机轻载，则效率下降。如果井的流体流速被固定，驱动ESP系统所需能量也为常量，我们不得不选择一个最高效率的电动机。相同容量，但具有所需电压和电流的不同组合的马达是可用的，最终选择高度影响ESP电缆的工作。如果选择一个具有高电流要求电机时，电压下降，电能在电缆中浪费增加，降低了电缆的效率，另一方面，低电流需求降低功率损失，提高了效率。由于这适用于任何电缆尺寸，最佳条件只能在考虑了所有可能的电缆尺寸后才能获得。根据先前对公式5中ESP系统的效率不同条件的讨论。可以得出结论，如果：（a）泵，及（b）一个电动马达，都有可能的最高效率;以及（c）已选的提供最少的功率损失的线缆，可得到最高能效系统。SRP和ESP装置功率效率比较介绍 表1 油井主要数据的调查射孔深度，ft7000产液量,blpd1300套管尺寸，in6 5/8井底静压，psi1800泵挂深度，ft6900产液指数,bpd/psi0.9井口压力，psi100含水率，%90生产气油比，sct/STB50油比重0.86前几节的讨论使我们了解了有杆抽油方式，ESP装置可按最优功率效率设计。类似的，对现有装置的运行进行评估来进行改善，系统低效率的原因可精确定点并可对功率损失高于可接受范围的组件进行检测。所有这些考虑可以改善系统效率，能增加人工举升操作的盈利能力。 为了阐述本论文主旨，这是一个最近的例子，客户想要在已给的表1的井获得每天1300桶的液体流量。根据在井中注水的数据，动态液面在预期液体率大约是6120英尺，由被Lea et al.提出的公式计算得出，消耗在将液体提升到表面的有用的流体能量为58.12马力。有杆抽油系统设计所前所述，抽油杆泵最大功率利用效率出现在举升效率最大值。样井的安装设计计算遵循最优化步骤，在4详细假设：（一）传统抽油机，（二）泰纳瑞斯PC棒，（三）非腐蚀性环境运转系数sf= 1和（四）一根固管绳索，几个API的锥形杆；适用于一系列条件的可能的抽油模式如表2所示都能从一定深度以设计速率提油。表二包含，除了可能的抽油模式的参数，由West design 8 计算所需杆锥度的百分比，以及与各锥段相对负荷。预测的最小和最大的光杆负载以及所需要的光杆马力可采用TP的11升的API 9的方法模型计算出来。大多数情况下需要2 管配以大的泵达到所需要的液体流量。在许多情况下，达到要求速率后用星号表示，抽油杆脱落问题被预测，泵速超过临界速度将被需要，这些情况可经进一步研究消除。如果假设其它两个效率的均值(见公式1)，举升效率对系统的整体效率的影响是很容易看到。前所示，平面机械和电机损失可以被转换成约= 0.7的综合效率。整个系统的效率基于该值，连同可能的抽油模式，详情见表3。表中还包含了所需的抽油机尺寸和有杆抽油装置所需的总的地面能量需求。表2： C-1824D-365-216抽油机的抽油模式计算柱塞尺寸冲程冲次抽油杆尺寸钻杆柱光杆载荷净扭矩峰值功率提升效率长度载荷最大值载荷最小值表3：标准井的SRP系统的功率损失冲次冲程柱塞尺寸序号抽油机表4 标准井的ESP系统的功率损失ESP系统设计传统的装置设计步骤是需要考虑对供应商单方面提供的ESP装置和设备进行评估。估算结果如表4所示，表中给出了13种可能出现的情况的性能数据。该泵所选的是需要105马力304级垂直深度1200的泵。泵的效率=57%。所的120马力电机的运行效率是=83%。在不同的ESP系统流量和背压损失的水力损失是相同的，这由于它们有相同的固定液体流量。用一个效率为=92%来计算2的管柱。如表所示，对四个所有电压和电流的要求提供了不同的组合电机进行了研究。最后，根据现有的ESP对电缆的影响对电缆尺寸进行了评估并且计算相应的电缆效率值。在某些情况下，尺寸较小的导体会使过高的电压（超过30 V/ 1.000英尺）降低甚至消失。正如所见，由于不同的电缆规格有不同数量的功率损失，所以电缆效率（）的变化范围很广泛。最好的和最差情况下的系统效率相差约8，而该系统的最佳功率要求要比系统的最低效率少24千瓦。设计对比对SRP系统和ESP系统的电源状况作详细的评估后比较它们的优点。表5包含了最好和最差的工作状态下举升方法的主要参数。运行模式的比较表明，最好的ESP装置需要的输入功率比最好的有杆抽油系统多大约40%；后者是样例的最优化解决方案，从6900英尺深度生产1300桶/每天。表5：SRP系统和ESP系统的效率对比最差最好操作方式输入功率效率输入功率效率ESP系统SRP系统总结本文研究了两种最重要的人工举升方法的能源效率：抽油杆杆泵和电潜泵。在深井中产生较高液体流量的情形下，来比较SRP和ESP两种装置的效率。得出以下主要结论：特殊的高强度抽油杆材料的发展使有杆抽油装置在以往不可能达到的深度和生产速度范围内得以应用。SRP系统和ESP系统的能量效率对比表明了这些装置对影响优化运行最高能效的重要因素的依赖。以在6900英尺深处生产1300桶油液为例，抽油杆杆泵抽油系统比ESP装置的效率更高。符号对照泵挂深度，ft电源电能，HP水力功率，HP电机机械功率，HP注水井井口压力，psi光杆功率，HP参考文献1. Telli , F.D.:“Increasing Sucker Rods Working Capacities .”J.Petr.Techn.January 2010,26-92 Lea, J. F.-Rowlan , L.-McCoy, J.:“Artificial Lift Power Efficiency.”Proc.46 th Annual Southwestern Petroleum Short Course, Lubbock, Texas, 1999 pp52-63.3. McCoy , J.N.et al.:“Motor Power / Curre