第三章有杆泵采油

1、第三章 有杆泵采油有杆泵一般是指利用抽油杆上下往复运动所驱动的柱塞式抽油泵。有杆泵采油具有结构简单、适应性强和寿命长的特点，是目前国内外应用最广泛的机械采油方式。本章将系统地介绍游梁式抽油机有杆抽油装置、采油原理、工艺设计及油井工况分析方法。第一节 有杆抽油装置典型的有杆抽油装置主要由三部分组成，如图3-1所示。一是地面驱动设备即抽油机；二是安装在油管柱下部的抽油泵；三是抽油杆柱，它把地面设备的运动和动力传递给井下抽油泵柱塞使其上下往复运动，使油管柱中的液体增压，将油层产液抽汲至地面。就整个有杆抽油生产系统而言，还包括供给流体的油层、用于悬挂抽油泵并作为举升流体通道的油管柱、井下器具（油管锚、

2、气锚、砂锚等）、油套管环形空间及井口装置等。图3-1 典型的有杆抽油生产系统1-吸入阀；2-泵筒；3-排出阀；4-柱塞；5-抽油杆；6-动液面；7-油管；8-套管；9-三通；10-盘根盒；11-光杆；12-驴头；13-游梁；14-连杆；15-曲柄；16-减速器；17-动力机（电动机）一、抽油机抽油机（pumping unit）是有杆抽油的地面驱动设备。按其基本结构抽油机可分为游梁式和无游梁式两大类，目前国内外应用最为广泛的是游梁式抽油机（俗称磕头机）。游梁式抽油机主要由游梁连杆曲柄（四连杆）机构、减速机构（减速器）、动力设备（电动机）和辅助装置等四部分组成，如图3-2所示。游梁式抽油机工作时，

3、传动皮带将电机的高速旋转运动传递给减速器的输入轴，经减速后由低速旋转的曲柄通过四连杆机构带动游梁作上下往复摆动。游梁前端圆弧状的驴头经悬绳器带动抽油杆柱作上下往复直线运动。根据结构形式不同游梁式抽油机分为常规型（普通型），异相型、前置型和异型等类型。常规型和前置型是游梁式抽油机的两种基本型式。1.常规型抽油机常规型游梁抽油机如图3-2所示。它是目前油田使用最广的一种抽油机。其结构特点是：支架位于游梁的中部，驴头和曲柄连杆分别位于游梁的两端，曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方，上下冲程运行时间相等。图3-2 常规型游梁式抽油机结构1-刹车装置； 2-电动机； 3-减速器皮带轮； 4-减速器；

4、5-输入轴； 6-中间轴； 7-输出轴； 8-曲柄；9-连杆轴；10-支架；11-曲柄平衡块；12-连杆； 13-横船轴； 14-横船； 15-游梁平衡块；16-游梁； 17-支架轴； 18-驴头； 19-悬绳器；20-底座2. 异相型抽油机异相型抽油机是上世纪七十年代发展起来的一种性能较好的抽油机，如图3-3所示。从外形上看，它与常规型抽油机并无显著差别，故常规型与异相型也称后置型抽油机。其结构特点是：曲柄轴中心与游梁尾轴承存在一定的水平距离；曲柄平衡重臂中心线与曲柄中心线存在偏移角（曲柄平衡相位角）。使得上冲程的曲柄转角明显大于下冲程，从而降低了上冲程的运行速度、加速度和动载荷，达到减小抽

5、油机载荷、延长抽油杆寿命和节能的目的。图3-3 异相型游梁式抽油机结构1-刹车装置；2-电动机； 3-减速器皮带轮；4-减速器；5-曲柄； 6-曲柄平衡块；7-支架； 8-曲柄平衡重臂；9-连杆；10-游梁； 11-驴头； 12-悬绳器；13-底座3前置型抽油机前置型抽油机（mark II pumping unit）如图3-4所示。其结构特点是：支架位于游梁的一端，驴头和曲柄连杆同位于另一端。在相同曲柄半径下，前置型的冲程长度明显大于常规型，抽油机的规格尺寸较常规型小巧。这种抽油机上冲程运行时间长于下冲程运行时间，从而降低了上冲程的运行速度、加速度和动载荷。前置型多为重型长冲程抽油机，除采用机

6、械平衡方式外，还有采用气动平衡方式。图3-4 前置型游梁式抽油机结构1-驴头；2-游梁；3-横梁；4-连杆；5-减速器；6-悬挂器； 7-曲柄销；8-支架；9-曲柄；10-底座；11-电动机；12-刹车装置我国游梁式抽油机型号表示法如下：例如：规格代号为8-3-37的常规型游梁式抽油机，减速器采用点啮合双圆弧齿轮，平衡方式为曲柄平衡，型号为CYJ8-3-37HB。表示抽油机的额定悬点载荷为80kN，光杆悬点最大冲程为3m，减速器额定扭矩为37kNm。为了增大冲程、节能及改善抽油机的结构特性和受力状态，国内外还发展了许多变形游梁式抽油机，如双驴头、旋转驴头、调径变矩、下偏杠铃以及斜井游梁式抽油机

7、等。为了扩大有杆抽油方式的适用范围，改善其技术经济指标，国内外还发展了许多不同类型的无游梁抽油机（特别超长冲程抽油机），如链条式、增距式和宽带式抽油机等，多为长冲程和慢冲次，以适应深井和稠油的特殊需要。 二、抽油泵抽油泵（有杆泵sucker rod pump）是有杆抽油系统的井下关键设备，安装在油管柱的下部，沉没在井液中，通过抽油机、抽油杆传递的动力抽汲井内的液体。它所抽汲的液体中常会含有蜡、砂、气、水及腐蚀性物质，在数百米到上千米的井下工作，泵内压力会高达20MPa以上。为了使抽油泵能适应井下复杂的工作环境和恶劣的条件，对抽油泵基本要求是：结构简单、强度高；工作可靠，使用寿命长；便于起下而且

8、规格类型能满足不同油田的采油工艺需要。1.泵的工作原理抽油泵主要由泵筒、柱塞、固定阀和游动阀四部分组成。泵筒即为缸套，其内装有带游动阀的柱塞。柱塞与泵筒形成密封，用于从泵筒内排出液体。固定阀（standing valve）为泵的吸入阀（intake valve），一般为球座型单流阀，抽油过程中该阀位置固定。游动阀（traveling valve）为泵的排出阀（exhaust valve），它随柱塞运动。柱塞上下运动一次称一个冲程，也称一个抽汲周期，其间完成泵进液和排液过程，如图3-5所示。图3-5 泵的工作原理（a）上冲程（吸液进泵）； （b）下冲程（排液出泵）1）上冲程在理想情况下，抽油杆柱

9、向上拉动柱塞，如图3-5（a）所示。柱塞上的游动阀受油管内液柱压力一开始就关闭。此时，泵内（柱塞下面的）容积增大，压力降低，固定阀在油套环空液柱压力（沉没压力）与泵内压力之差的作用下被打开，原油被吸入泵内。与此同时，如果油管内已逐渐被液体所充满，柱塞上面的一段液体将沿油管排到地面。所以，上冲程是泵内吸入液体，井口排出液体的过程。造成吸液进泵的条件是泵内压力（吸入压力）低于沉没压力。2）下冲程抽油杆柱向下推动柱塞，如图3-5（b）所示。固定阀一开始就关闭，柱塞挤压固定阀和游动阀之间的液体，使泵内压力增高。当泵内压力增加到大于柱塞以上液体压力时，游动阀被顶开，柱塞下面的液体通过游动阀进入柱塞上面，

10、使泵排出液体。由于有相当于冲程长度的一段光杆从井外进入油管，井口将排挤出相当于这段光杆体积的液体。所以，下冲程是泵向油管内排液的过程，造成泵排出液体的条件是泵内压力高于柱塞以上的液柱压力。 2.泵的理论排量泵的工作过程是由三个基本环节组成：柱塞在泵内让出容积、原油进泵和从泵内排出原油。在理想情况下，柱塞上下一次吸入和排出的液体体积相等，即等于柱塞在上行时走过的几何体积APS。所以，泵的理论排量（pump displacement）为 （3-1）式中 Qt泵的理论体积排量，m3/d； Ap柱塞截面积（D2/4），m2； D泵径，m； S光杆冲程，m； n冲次，min-1。3. 抽油泵类型和结构按

11、抽油泵在油管中的固定方式分为管式泵和杆式泵两大类型。通常对于符合抽油泵标准设计和制造的抽油泵称为常规泵；而具有专门用途，如稠油泵、防气泵、防砂卡泵等，与标准结构不同的泵称为特殊泵或专用泵。抽油泵又分为整筒泵和组合泵（衬套泵）。组合泵的外筒内装有多节衬套组成泵筒，并与金属柱塞配套；而整筒泵没有衬套；与软密封柱塞配套。SYS5059-91标准抽油泵的基本型式如图3-6所示。图3-6 抽油泵基本型式1定筒式杆式泵；厚壁泵筒，顶部定位，组合泵筒，顶部定位2定筒式杆式泵；薄壁泵筒，顶部定位，薄壁泵筒，顶部定位，软密封柱塞3定筒式杆式泵；厚壁泵筒，底部定位，组合泵筒，底部定位4定筒式杆式泵；薄壁泵筒，底部

12、定位，薄合泵筒，底部定位，软密封柱塞5动筒式杆式泵；厚壁泵筒，底部定位，组合泵筒，底部定位6动筒式杆式泵；薄壁泵筒，底部定位，薄合泵筒，底部定位，软密封柱塞7厚壁泵筒或组合泵筒管式泵8厚壁泵筒管式泵，软密封柱塞1）管式泵 图3-6中7和8为管式泵（tubing pump）的结构图。管式泵一般将泵筒在地面组装好后由油管接箍直接连接在油管下部下入到设计的泵挂深度处，然后投入可打捞的固定阀装置，最后把柱塞连接在抽油杆柱下端下入泵筒内。检泵打捞固定阀时，通常采用两种方法：一种是利用柱塞下部的卡扣或丝扣起抽油杆柱时捞上来；另一种是柱塞下部无打捞装置，在起出抽油杆柱和柱塞后，用绞车、钢丝绳下入专门的打捞工

13、具将固定阀捞出。管式泵的结构简单、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。但起下泵作业时，需要起下全部油管，且修井作业时间长，费用高。故管式泵适用于下入深度不大，产量较高的油井。2）杆式泵杆式泵（insert pump）是将整个泵在地面组装成套后，随抽油杆柱插入油管内的预定位置固定，故又称为“插入式泵”。杆式泵又按其固定方式分为以下三种：（1）定筒式顶部固定杆式泵。其柱塞经阀杆与抽油杆连接，并作上下运动。由泵顶部的固定支承装置将泵筒固定在油管内的预定位置上，如图3-6中1、2所示。 （2）定筒式底部固定杆式泵。其柱塞与抽油杆柱连接，并作上下运动。由泵的底部锁紧装置将泵筒固

14、定在油管内的预定位置上，如图3-6中3、4所示。 （3）动筒式底部固定杆式泵。其泵筒与抽油杆柱连接，并作上下运动。柱塞通过拉管及底部锁紧装置固定在油管内预定位置的支承套上，如图3-6中5、6所示。杆式泵与管式泵相比结构复杂，制造成本高。在相同油管直径下允许下入的泵径较管式泵小。但杆式泵是整泵通过油管下井，泵内各精密部件得到良好保护，不易损伤柱塞；起下泵时无需起下油管，检泵方便；可用于深井。另外，它还有形式多样，选择余地大等优点。在国外，大部分有杆泵井都使用杆式泵，目前我国也正在逐步推广使用。3 ) 组合泵为了减少磨损、防止砂卡，国内常用带环状槽的金属柱塞。金属柱塞与其相配合的衬管其加工要求高，

15、制造不便，易于磨损。为了便于加工和保证质量，衬管分段加工，然后组装在泵筒内，这类泵称为衬管泵或组合泵。这类泵在长途运输和使用中易发生“错缸”即衬管错位。4 ) 整筒泵（软密封柱塞泵）前面介绍的都是金属柱塞泵。软密封柱塞泵只是柱塞与金属柱塞不同，其余结构与金属柱塞泵相同。软密封柱塞泵具有在压力作用下能扩大直径和材质较软的特点，柱塞与泵筒内表面可以不经表面硬化处理。目前软密封柱塞可分为皮碗式柱塞、环式柱塞、碗式和环式组合柱塞和组合填料柱塞四种基本结构。软密封柱塞与整体泵筒配合，即称整体泵筒，密封性和耐磨性好，整体泵筒和柱塞的加工要求低，易制造，皮碗磨损后只需起出柱塞更换皮碗，而柱塞体仍可继续使用。

16、整筒泵与组合泵相比具有：泵效高、冲程长、形式多、规格全、重量轻、装卸方便、不会发生“错缸”等优点。4. 抽油泵的型号及基本参数我国的抽油泵型号表示方法如下：例如：公称直径为38mm，泵筒长度为4.5m的厚壁筒，定筒式顶部固定，金属柱塞长1.2m，加长短节长度为0.6m的杆式泵标记为：CYB38-RHAM4.5-1.5-0.6。又如：公称直径为70mm，泵筒长度为4.5m的多节衬套式组合泵，金属柱塞长1.2m的管式泵标记为：CYB-70TL4.5-1.2。三、抽油杆柱常规抽油杆通过接箍连接成抽油杆柱（sucker rod string），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

17、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。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，如超高强度杆、玻璃钢杆、铝合金杆、空心抽油杆、连续抽油杆和电热杆等。抽油杆柱中还有以下附属器具：（1）光杆（polished rod）。位于抽油杆最上端，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、稠油井和深抽井，抽油杆柱下部采用加重杆是减少抽油

18、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。此外还有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。第二节 抽油机悬点运动规律掌握抽油机驴头悬点的位移、速度和加速度的变化规律是研究抽油装置动力学和进行抽油系统动态分析的基础。游梁式抽油机是以游梁支点和曲柄轴中心的连线作为固定杆，以曲柄、连杆和游梁后臂为三个运动杆所构成的四连杆机构（图3-7）。为了便于分析，可简化为简谐运动和曲柄滑块机构。而在减速器输出轴扭矩计算和有杆抽油系统数值模拟中则需要对四连杆机构进行精确分析。图3-7

19、 常规型抽油机四连杆机构一、简化分析1. 简谐运动如图3-7所示，将游梁后臂b与连杆l的连接点B的运动简化为简谐运动(视rl0及r/b0时)，即认为B点的运动规律与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，其悬点位移SA、速度vA和加速度aA分别为 （3-2） （3-3） （3-4）式中 曲柄转角（=t）；曲柄角速度；t时间。图3-8 为按以上三式计算得出的悬点位移、速度和加速度随角的变化曲线（CYJ8-3-48B，S=3m，n=9min-1）。此图表明：抽油机在一个冲程中，悬点的速度和加速度的大小和方向都在变化。上冲程的前半冲程为加速运动，加速度为正（加速度方向与速度方向均

20、向上）；后半冲程为减速运动（加速度方向与速度方向相反）。下冲程只是改变了运动方向，前半冲程仍为加速运动（加速度方向与速度方向均向下）；后半冲程仍为减速运动（加速度方向与速度方向相反）。图3-8 简化为简谐运动时悬点运动规律2曲柄滑块机构模型假设曲柄半径r与连杆长度l的比值范围为0r/l1/4，抽油机的运动可简化为曲柄滑块机构的运动。令=r/l，悬点的运动规律为 (3-5) (3-6) (3-7)由式(3-7)对求导并令为零，可求得在=0和=180（下、上死点）处悬点的最大加速度。 (3-8) （3-8a）图3-9 和3-10 是以CYJ8-3-48B抽油机(S =3m，n=9 min- 1 )

21、 的杆件尺寸（表3-1）分别按简谐运动、曲柄滑块机构和精确方法计算的悬点速度和加速度曲线。可以看出，按曲柄滑块机构计算的速度变化为“歪曲”的正弦曲线；加速度变化为“歪曲”的余弦曲线。曲柄滑块机构模型是常用的模型，可用于一般的计算和分析。而简谐运动模型只能用于粗略估算和简单分析。 图3-9 悬点速度曲线 图3-10 悬点加速度曲线二、精确分析 1. 几何关系常规型和前置型游梁式抽油机连杆机构的几何关系分别如图3-11a、b所示。异相型游梁式抽油机几何关系与常规型相同。图3-11 抽油机几何关系A游梁前臂长度；C游梁后臂长度；P连杆长度；R曲柄半径；I游梁轴中心到曲柄轴中心的水平距离；C与J的夹角

22、；H游梁支承中心到底座底部的高度；K与J的夹角；G曲柄轴中心到底座底部的高度；K游梁支承中心到曲柄轴中心的距离；J曲柄销中心到游梁支承中心的距离；C与K的夹角；b驴头在下死点位置的角；t驴头在上死点位置的角；C与P之间的夹角；R与P之间的夹角；R与零度线的夹角即曲柄转角（02）；零度线与K的夹角（曲柄初相角）美国石油学会（API）推荐方法是将常规型和前置型抽油机曲柄初相角（零度）分别规定为时钟12点和6点位置。 常规型 (3-9) 前置型 (3-9a) 以上二式中的“+”和“”取决于曲柄的旋转方向。严格地讲，以上二式规定并不完全符合实际情况。因为悬点的位移是以悬点处于下死点位置度量。对于常规型

23、抽油机（图3-11a ），当悬点处于下死点时，悬点位移为零，游梁后臂端点处于上死点，此时连杆P与曲柄R展开在一直线上，这一直线即为零度线，但并非正好处在时钟12点位置上。对于前置型抽油机（图3-11b），悬点处于下死点时，连杆P与曲柄R重合在一直线上，这一直线的位置一般与时钟6点位置存在一定偏差，其偏差与抽油机杆件尺寸有关。应用余弦定理，可得到曲柄零度线与K的夹角（曲柄初相角）的通用解析式。 (3-10)式中 T机型指数（对于常规型抽油机T=1；前置型T=1）。 由式（3-10）可知，曲柄初相角并非常数，不仅与机型有关，还与所使用的冲程（曲柄半径R）有关。抽油机几何关系如下：式中D曲柄旋转方向

24、指数（规定以悬点处于下死点处，曲柄背向支架旋转D=1；曲柄指向支架旋转D=1）。2. 运动分析曲柄转角为时，悬点相对于下死点的位移为 (3-11) 游梁摆动角位移与最大角位移之比值即为悬点位移与冲程长度之比，称为位移比（Position Ratio），也称位置因数或无因次位移。 (3-12)式中 Smax悬点最大位移即冲程=TA（b-t）。由速度瞬心法可以导出悬点速度公式(3-13)，综合考虑了抽油机类型和曲柄旋转方向。 (3-13)式中游梁后臂C与连杆P之间的夹角，由C、J、P构成的三角形应用余弦定理得 （3-14）上式中当0时的示功图是考虑动载荷以后，光杆载荷的变化。此时：Wmax F1

25、+ （3-37）Wmin F2 （3-38）式中 Wmax悬点最大载荷(PPRL,Peak Polished Rod Load)；Wmin悬点最小载荷(MPRL,Minimum Polished Rod Load)；F0上冲程中柱塞上下的静压差作用在悬点上的液柱载荷（即上、下冲程静载差，用式（3-23）表示为动液面以上全柱塞面积上的液柱载荷）； F1最大载荷系数，是液柱载荷F0与上冲程最大动载荷之和；F2最小载荷系数，即下冲程最大动载荷。在后面将介绍悬点最大、最小载荷和柱塞冲程比的计算方法，其它参数的计算方法类似。1965年该公司解散时，中西部研究所将已完成的研究成果转让给美国石油学会（API

26、），成为目前的API方法，即1967年公布的API RP 11L“API有杆抽油系统设计计算方法”。目前API方法已广泛应用于有杆抽油系统的工艺设计。实践证明，该方法在一般情况下是可靠的。由于这一抽油系统的物理数学模型是在上述假设条件下建立的，当实际油井工况与其假设条件存在较大偏差时，其计算结果的偏差也会增大。2) 基于求解波动方程的数值模拟方法Gibbs（1963）建立了描述杆柱弹性振动行为的一维波动方程（3-39），并根据给定的机杆泵技术参数及井下工况条件，确定波动方程的边界条件和初始条件，采用差分法数值求解，预测悬点及杆柱任意截面的载荷变化（示功图）。这一数学方法也称有杆抽油系统数值模拟

27、，可全面定量预测有杆抽油系统动态参数。有关这一专题的进一步论述请阅读参考文献2。 (3-39)采用例3-1的基本数据，抽油机为CYJ10-3-37B，冲次为9min-1，考虑油管未锚定且无气体影响（系统模拟的下边界条件）。结合机杆泵参数和泵工况，按上述数值模拟方法可预测出悬点、两级杆连接处和泵的载荷变化，如示功图3-18所示。由图得到的悬点最大、最小载荷分别为65.60、14.23kN；两级杆连接处最大、最小载荷分别为52.85、10.81kN。图3-18 预测示功图三、摩擦载荷在井液粘度不大的直井中，摩擦载荷不大，一般可以忽略。但是对于井液粘度较大的井，其摩擦载荷可能高达十几千牛以上，不能忽略。作用在悬点上的摩擦载荷由以下多个部分组成。 1.抽油杆柱与油管之间的摩擦力该摩擦力F1在上、下冲程中都存在，其大小在直井内通常不超过抽油杆重量的1.5%。2.柱塞与泵筒之间的摩擦力该摩擦力F2在上、下冲程中都存在，一般在泵径不超过70mm时，其值小于1717N。3.抽油杆柱与液柱之间的摩擦