水力活塞泵采油

1、2021/3/141 2 水力活塞泵采油 （1）水力活塞泵井设备与工作原理 （2）水力活塞泵井生产参数优化设计 （3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断 2021/3/142 3 本章课后大作业 (1)绘制单作用水力活塞泵工作原理示意 图,并说明上下冲程工作原理。 2021/3/143 4 主要内容 8水力活塞泵采油 （1）水力活塞泵井设备与工作原理 （2）水力活塞泵井生产参数优化设计 （3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断 2021/3/144 5 图4-8 开式水力活塞泵采油系统 液马达 一、水力活塞泵井设备与工作原理 高压泵机组 高压控制管汇 动力液处理装置 计量装置 地面管线 井口 抽油

2、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 井下器具管柱结构 2021/3/145 6 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。 2021/3/146 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); 7 2021/3/147 8 (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

3、系统类型分类: (1) 按系统井数分类 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:乏动力液不与产出液混合。 开式循环方式:乏动力液与产出液混合。 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 2021/3/148 9 (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

4、点是泵径受到限制,排量较小。 2021/3/149 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。 10 2021/3/1410 11 图4-8 开式水力活塞泵采油系统图4-9 闭式水力活塞泵采油系统 2021/3/1411 12 水力活塞泵井下机组 (1) 液马达:将动力液的压能转换为机械能 带动泵工作。 (2) 泵:将液马达传递给它的机械能转换成 液体的压能,用来提高油

5、层产出液的压能。 (3) 主控滑阀:利用液压差动原理控制液马 达和泵柱塞做往复运动的换向控制机构。 2021/3/1412 单作用泵工作原理示意图13 (一)单作用泵工作原理 下冲程: 主控制滑阀位于下死点, 如图4-12a所示。 这时,高压动力液从中心 油管经过通道a 。进入液马达 下缸,作用在活塞下面的环形 面积上。 同时,高压动力液还经过 通道b 进入腔室c ,再由通道d 进入液马达上缸,作用在液马 达活塞上面的全面积上。 2021/3/1413 单作用泵工作原理示意图14 (一)单作用泵工作原理 因此,液马达活塞上、下 两面都作用有动力液的高压, 但由于它上面的面积大于下面 的面积,

6、所以上面的总压力大于下 面的总压力, 就是在这个压力差作用 下,液马达进行下冲程。 2021/3/1414 由于液马达活塞和泵活 塞用一个活塞杆相连, 前者的下冲程必然引起 泵活塞的下冲程。 此泵是和一般抽油泵结 构相同的单作用泵,因此， 下冲程时,固定阀( 吸入阀) 关闭,而游动阀( 排出阀)打 开,抽油泵排出下冲程中被 吸入泵内的油层产出液。 随着液马达活塞的下冲 程继续进行,活塞杆继续往 下。 单作用泵工作原理示意图15 2021/3/1415 活塞杆实际上是一个 辅助控制滑阀, 在杆身的上部和下部 开有控制槽e和f。 当活塞杆接近下死点 时,它的上部控制槽e沟通 了主控制滑阀上、下端的

7、 腔室c和g, 使高压动力液由控制 槽e进入主控制滑阀下端腔 室g。 单作用泵工作原理示意图16 2021/3/1416 由于主控制滑阀上端面 的面积小于下端面的面积, 在同样的高压动力液作 用下,下面的总压力必然大 于上面的总压力, 所以使主控制滑阀推向 上死点。这时,就开始进行 上冲程。 单作用泵工作原理示意图17 2021/3/1417 上冲程: 主控制滑阀位于上死 点,如图4-12b所示。 这时,高压动力液从中 心油管经过通道a进入液马 达下缸。 由于主控制滑阀位于上 死点,堵塞了通道b，使高 压动力液不能象下冲程一样 由通道d进入液马达上缸。 单作用泵工作原理示意图18 2021/3

8、/1418 这时,液马达上缸经 过通道d、主控制滑阀中 部的环形空间h和抽取的 油层产出液相沟通。 因此,液马达的上缸 充满低压油层产出液, 而下缸仍然作用有高 压动力液。 单作用泵工作原理示意图19 2021/3/1419 这时,在压力差的作用 下,液马达的活塞进行上冲 程。 上缸中工作过的乏废动 力液和抽取的油层产出液相 混合后,提升到地面。 上冲程时,抽油泵的游 动阀关闭,固定阀打开，进 行吸油过程。随着上冲程的 进行,活塞杆继续往上。 单作用泵工作原理示意图20 2021/3/1420 当活塞杆接近上死点 时,它下部的控制槽f使主控 制滑阀的下腔室和抽取的原 油相沟通。 单作用泵工作原

9、理示意图21 2021/3/1421 这时,在主控制滑阀上 端面作用有高压动力液, 下端面作用的是低压的 油层产出液。 在这个压力差作用下, 主控制滑阀就往下运动到下 死点。 这样,就使液马达重新 开始转入下冲程。 单作用泵工作原理示意图22 2021/3/1422 23 (二)井下机组工作参数计算 在水力活塞泵井的设计中,应根据油井的生产和地质情 况,确定基本参数计算的内容，它包括以下几项: 在液马达处和地面井口处所需的动力液压力; 动力液的流量; 水力活塞泵的排量、功率和效率。 2021/3/1423 P1-驱动液马达的压力 P2-泵排出压力 P3-泵吸入压力 P4-乏动力液排出压力 q1

10、-动力液流量 qsc-泵排量 ps-井口动力液压力 ppr-闭式乏动力液井口压力 pwh-产出液井口压力 Ae-液马达活塞的截面积 Ap-泵柱塞的截面积, Ar-活塞杆截面积。 图4-13 闭式与开式动力液压力分析系统 24 2021/3/1424 图4-14 作用在Kobe式 A泵上的压力 25 图4-14表示了一种 双作用水力活塞泵 在上、下冲程中的 压力作用简图。 根据在各截面积上 的力的平衡可得到 水力活塞泵井下机 组的压力平衡方程 。 2021/3/1425 图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力 26 以上冲程为例进行分析。 向下作用的力: P Ar + P4 ( Ae Ar )

11、 + P2 ( Ap Ar ) + Fr 1 其中,Fr为机组的摩擦力。 向上作用的力: 1 1 P ( Ae Ar ) + P3 ( Ap Ar ) + P Ar 2021/3/1426 以向上作用力为正,根据力 的平衡可得到机组上下的压 力平衡式: 1 ( P P4 )( Ae Ar ) ( P2 P3 )( Ap Ar ) Fr = 0 或 1 Pr = 0 Ap Ar Ae Ar P P4 ( P2 P3 ) （4-13） 图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力 27 2021/3/1427 令 E P Ap Ar Ae Ar = 泵与马达柱塞的纯截面积 比,对于双作用泵也等于泵 与

12、马达排量比。则（4-13） 式可写为: 1 Pr = 0 E P P4 ( P2 P3 ) P （4-14） 图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力 28 2021/3/1428 图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力 29 方程（4-14）是水力活塞泵油 井设计与分析的基本方程。利 用动力液的单相管流和产出液 的多相管流公式就可建立井下 与井口压力和排量等的关系。 1 Pr = 0 E P P4 ( P2 P3 ) P （4-14） 2021/3/1429 30 主要内容 8水力活塞泵采油 （1）水力活塞泵井设备与工作原理 （2）水力活塞泵井生产参数优化设计 （3）水力活塞泵采油生产管理

13、与故障诊断 2021/3/1430 31 二、水力活塞泵井生产参数优化设计 (2) 决定开式或闭式系统; (3) 决定油井气体全部泵出,还是放气; (4) 选择合适的井下装置; (5) 系统工况参数确定; (6) 决定建设泵站还是单井系统; 井筒流体物性分布 下泵深度 井筒压力分布 井筒温度分布 动力液排量 泵效 功率与举升效率 (7) 选择地面泵组; (8) 设计动力液系统。 (1) 油井产能分析; 2021/3/1431 32 根据需要的泵排量和下图确定泵型 图3-18 国产水力活塞泵举升能力曲线 1-长冲程双作用泵;2-平衡式单作用泵; 3-双液马达双作用泵;4-变压力比单作用泵 202

14、1/3/1432 33 井下机组径向尺寸的确定 水力活塞泵井下机组的径向尺寸受到油井直径的限 制,特别是对于自由安装式水力活塞泵。 油管 2in 2 1/2 in 井下机组的外径 47.5mm 58.5mm 由干井下机组径向尺寸很小,所以给水力活塞泵的结构 设计带来许多特殊要求。 2021/3/1433 34 冲程长度和冲程次数的选择 在井下机组径向尺寸很小的条件下,为了保证一 定的排量,必须尽可能增加活塞的冲程长度和冲程次 数。 冲程长度的增加主要受到机组中高精度同心部件 的结构工艺性、细长活塞杆的纵向稳定性、工作部件 和泵阀的耐久性以及方便等因素的限制。 2021/3/1434 对于自由安

15、装式水力活塞泵,当冲程长度达1m 时,它的总长应为55.5m左右。井下机组的长度过 大会使起下操作和运输复杂化。 实践证明,对于自由安装式井下机组，冲程长度 等于1m或少些,基本就能满足工艺要求。对于固定安 装式井下机组,根据使用要求的不同，可采用较大的 活塞冲程长度。 一般情况下,冲程长度可选择在0.41m之间。 35 2021/3/1435 冲程次数的增加受到井下机组的使用寿命及泵缸充 满系数的限制,泵缸的充满系数取决于油井中原油粘度 和机组的沉没度 一般的冲程次数在4085次/min范围内变化 对于科贝公司生产的井下机组,冲程和冲次之间 关系可由下式确定: 2 36 2021/3/143

16、6 泵活塞、液动机活塞以及活塞杆直径比值的确定 根据给定的机组工作参数,正确地选择泵活塞、 液动机活塞以及活塞杆直径比值是设计计算的重要问 题之一。 泵活塞和液动机活塞的直径比值,一方面取决于 下泵深度,即下泵深度愈大比值愈小;另一方面又受 到地面动力泵排出压力的限制。 泵活塞直径=d管/1.75, d管/2， d管/2.5 液动机活塞直径=d管/2 活塞杆直径=d管/4 37 2021/3/1437 38 液动机活塞的速度调节和冲程换向 一般不需要经常改变井下机组的工况或活塞组的 平均速度。 为了调节液动机活塞的平均速度,只要改变进入 液动机的动力液流量即可,而动力液流量的改变可采 用容积调

17、节和节流两种方法。 容积调节用作粗略调节,利用选择相应排量的地 面动力泵或进行地面动力泵排量的有级调节（换柱塞 直径或变冲程次数）,它的优点是无功率损失。 2021/3/1438 39 节流调节用作准确调节,在地面动力泵的排出管线 上装节流阀,用以改变动力液的流动阻力，将多余的液 量引回地面动力泵的吸入管线,同时利用稳压器维持节 流阀中的压力降不变,使活塞平均速度稳定。 节流调节法的优点是安装和使用方便,缺点是引起 功率损失和装置总效率的降低。 因此应该设法使准确调节时多余的液量最小,在这 方面成组驱动比单独驱动优越得多。 2021/3/1439 40 液动机活塞的冲程换向是由控制滑阀来实现的

18、。 控制滑阀是井下机组最重要的部件,它的正确设计 在很大程度上决定了井下机组的效率和寿命。 控制滑阀应满足下列五点要求: （1）保证液动机活塞的无冲击换向; （2）保证换向的活塞组能到达极限位置（冲程长度的 计算值）,最大限度地利用液动机和泵的工作容积和尽可 能地减少余隙容积; （3）使活塞组的工作循环能保证自动作用的泵阀关闭 滞后最小和冲击最小; （4）尽量缩短换向时间和减少功率损失; （5）当液动机活塞和滑阀在任一位置时,保证液动机 及时启动。 2021/3/1440 41 当液动机活塞换向时,它的速度调节是利用主滑阀 对进、出液动机的动力液进行节流来达到的。 为了保证无冲击换向,必须使主

19、滑阀运动提前，即 比液动机活塞到达死点时有一定的提前值,把动力液引 入或放出主滑阀腔室。 因此,当液动机活塞接近一个死点时，主滑阀就开 始堵塞动力液引入（或放出）液动机的通孔,增加液流 阻力,减少液流流量，使液动机活塞速度减慢，直到液 动机通孔完全被堵塞,液动机活塞就完全停止。 2021/3/1441 42 液动机的加速由于主滑阀逐步打开通孔而进行得很平 稳。 液动机活塞制动和加速的平稳性给泵阀的开关创造了 有利条件。 液动机活塞的加速制动段所需的时间和路程可分别进 行计算。 液动机活塞速度的变化规律取决于主滑阀腔室的通孔 形状和主滑阀的速度,后者有时作成随位移能平滑地或有 级地减小。 假如活

20、塞组的质量较大和速度较大,为了使其在换向 前能平滑地制动,在液动机缸体的死点附近装有缓冲装 置。 2021/3/1442 43 主滑阀的控制是由辅助滑阀或活塞杆来实现的, 后者和液动机活塞刚性联接, 辅助滑阀控制主滑阀的冲程换向和动力液进入主滑阀 腔室的提前值,它也是用节流调节主滑阀的速度，利用在 辅助滑阀或活塞杆的不同区段上采用不同断面的节流槽, 就可使主滑阀获得一定的速度变化规律。 2021/3/1443 44 由于地面泵和整个液压系统的强度条件,动力液 的压力不能超过一定数值。在选择活塞杆直径比值时 ,必须特别注意它的强度，因为活塞杆的强度实际上 限制了井下机组的活塞所能承受的载荷数值。 2021/3/1444 45 结构设计中的几个特殊问题 1.