第三章 有杆泵采油.ppt
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驱动的柱塞式抽油泵。,第一节 有杆抽油装置,典型有杆抽油装置如右图:,一、抽油机,游梁式抽油机主要由游梁连杆曲柄机构、减速机构、动力设备和辅助装置等四部分组成。,1.常规型抽油机 2.异相型抽油机,结构特点：曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方。,结构特点：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）。,1.常规型抽油机 2.异相型抽油机,运动特点：上下冲程运行时间相等。,运动特点：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，达到减小抽油机载荷、延长抽油杆寿命和节能的目的。,结构特点：支架位于游梁的一端，驴头和曲柄连杆同位于另一端。运动特点：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。,3.前置型抽油机,前置型多为重型长冲程抽油机，除采用机械平衡外还采用气动平衡。,CYJQ14-5-73HQ气动平衡游梁式抽油机,例:CYJ8-3-37HB,我国游梁式抽油机型号表示法,YCYJ10-5-37HB特形双驴头游梁式抽油机,.其它结构型式(1)变形游梁式抽油机如:双驴头式 旋转驴头式 大轮驴头式 大轮式 斜直井游梁式目的：增大冲程、节能及改善抽油机的结构特性和受力状态。,CYJYR3-2.1-9HF旋转驴头游梁式抽油机,CYJX5-3-26HB斜井游梁式抽油机,(2)无游梁抽油机(特别超长冲程抽油机)如:链条式 增距式 宽带式等主要特点：多为长冲程和慢冲次目的:扩大有杆泵的适用范围,适应深井和稠油的特殊需要。,无游梁式抽油机,链条式抽油机,KCJ5-3.6-7HZ宽皮带式抽油机,增距式抽油机,二、抽油泵抽油泵：有杆泵采油的井下设备基本要求：结构简单、强度高；工作可靠，使用寿命长；便于起下，而且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、固定阀和游动阀组成。,柱塞上下运动一次称一个冲程,也称一个抽汲周期。,（1）上冲程：抽油杆带动活塞向上运动。游动凡尔关闭，井口排液。泵内压力下降，固定凡尔打开，泵内吸油。吸入条件：泵内压力 沉没压力 抽油杆加载伸长，油管卸载缩短。,沉没压力泵吸入口的压力。动液面生产时的环 空液面高度。静液面关井时的液 面高度。hs沉没度；hf 动液面高度。,（2）下冲程：抽油杆带动活塞向下运动泵内压力升高，固定凡 尔关闭，停止吸油。游动凡尔打开，泵内油 转入活塞以上的油管，井口出液。泵排出液体的条件：泵内压力活塞以上液柱压力抽油杆卸载缩短，油管杆加载伸长。,2.泵的理论排量假设：活塞的冲程等于光杆的冲程；活塞让出的体积完全被原油充满；抽油系统无漏失。即:柱塞上下吸入和排出的液体体积相等泵的理论排量为:(3-1)式中：Qt泵的理论体积排量，Ap柱塞截面积；Ap D泵径，m；S光杆冲程，m；n冲次，。,按抽油泵在油管中的固定方式分为,（1）杆式泵 柱塞、固定凡尔、游动凡尔和工作筒装成一个整体，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”。特 点：操作方便、结构复杂、成本高，适应于深度大、产量小的井。,3.抽油泵类型和结构,（2）管式泵 工作筒、固定凡尔装在油管尾部；游动凡尔装在柱塞上。先下工作筒，再下油管，最后用抽油杆下入柱塞。特点 结构简单、成本低,操作复杂。适用于下泵深度不大、产量较高的井。,SYS5059-91标准抽油泵的基本型式如图3-6所示。,按抽油泵泵筒结构又分为整筒泵和组合泵（3）组合泵 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。（4）整筒泵 泵筒为整体泵筒。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。（5）特种抽油泵 防气泵、防砂泵、抽稠泵、液力反馈泵等。,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，机械式，金属柱塞长1.5m,加长短节长度为0.6m的杆式泵标记为:,CYB38-RHAM4.5-1.5-0.6,三、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。,四、附属器具：1.光杆: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。,2.加重杆:用于大泵抽油、稠油井和深井，抽油杆柱的下部采用加重杆，防止抽油杆柱下部发生纵向弯曲，减少抽油杆的断脱事故。3.抽油杆扶正器:用于斜井和丛式井，使抽油杆处于油管中心，不直接与油管接触，减少抽油杆的磨损、振动和弯曲。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。,刮蜡器,滚轮式扶正器,五、特种抽油杆,1、超高强度抽油杆2、玻璃钢抽油杆 主要特点：重量轻；耐腐蚀；可实现超冲程；不能受压3、空心抽油杆4、连续抽油杆5、柔性抽油杆,第二节 抽油机悬点运动,一、简化分析1.简谐运动 当rl0及r/b0时，B点的运动简化为简谐运动，且与C点的运动规律相同,而A点的运动与B点成比例关系:SA/SB=a/b SB=r(1-cost)SA=SB a/b,(3-2)(3-3)(3-4),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）。,上下死点（=0,180）加速度最大：,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，B点绕游梁支点的弧线运动近似看作直线运动，则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:,B点位移：,(3-5),(3-6),(3-7),在=0和=180（上、下死点）处悬点的最大加速度:,(3-8),(3-8a),二、精确分析 1.几何关系,2.运动分析,(3-15),悬点位移对曲柄转角的变化率dsA/d是抽油机减速器曲柄轴扭矩计算的重要特性参数，即扭矩因数（Torque Factor）,(3-11),(3-13),(3-14),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。,第三节 抽油机悬点载荷,一、悬点静载荷及其理论示功图1.上冲程悬点静载荷 在上冲程中，游动阀关闭，柱塞上下流体不连通。产生悬点静载荷的力包括抽油杆柱重力和柱塞上、下流体压力。,(1)抽油杆柱重力上冲程作用在悬点上的抽油杆柱重力为它在空气中的重力,(2)作用于柱塞上部环形面积上的流体压力（泵排出压力）,(3-18),(3-19),作用在柱塞上的液柱载荷：,忽略井口油压Pt,上冲程悬点静载荷,上冲程中的悬点静载荷可简化为:,(3-21),(3-21c),(3)作用于柱塞底部的流体压力（泵吸入压力）,(3-20),(3-20a),2.下冲程悬点静载荷,(3-24a),(3-22),(3-23a),(3-18),证明：,3.多级抽油杆柱的重力,抽油杆柱在空气中的重力为：,对于多级组合杆柱，可用下式计算其平均值：,(3-18a),(3-25),(3-23a),(3-26),m组合杆柱的总级数；qri第i级抽油杆柱每米自重，kN/m；i第i级杆柱长度与杆柱总长度之比值。,在静载差作用下杆柱的变形量可根据虎克定律确定:=/E:应变:应力 E:弹性模量=/L=WL/A=L=L/E=WLL/AE,4.静载荷作用下的理论示功图,(3-27),对于m 级组合杆柱：,(3-28a),(3-28),油管柱在静载作用下的变形量为:,(3-29),总的静载变形量为抽油杆柱与油管柱两部分静载变形之和。,（3-31）,（3-30）,对于m 级组合抽油杆柱：,Et油管弹性常数=(EAt)-1，kN-1,在静载荷作用下，抽油泵柱塞的冲程长度SP较抽油机悬点的冲程长度S减少变形量，故也称静载冲程损失。,(3-32),图 3-14,ABC为上冲程静载变化线，CDA为下冲程静载变化线AB为加载线，CD为卸载线；加载和卸载过程中，游、固阀均关闭,加,载,线,吸入过程(固定阀开),卸,载,线,排液过程(游动阀开),二、悬点动载荷,1.惯性载荷,（3-33）,液柱惯性载荷：,（3-34）,杆柱惯性载荷 Ir：,上冲程中杆柱引起的悬点最大惯性载荷Ir1为：,（3-35）,下冲程中杆柱引起的悬点最大惯性载荷为：,（3-36）,上冲程中液柱引起的悬点最大惯性载荷IL1为：,（3-37）,下冲程中液柱不随悬点运动，因而不存在液柱惯性载荷。,上冲程中悬点最大惯性载荷I1为 下冲程中悬点最大惯性载荷I2为,考虑惯性载荷的理论示功图由静载理论示功图的平行四边形ABCD被扭歪成ABCD。,2.振动载荷,一般情况下,在计算悬点载荷时常将其忽略。,三、摩擦载荷,作用在悬点上的摩擦载荷由以下五部分组成。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力 该摩擦力F3发生在下冲程，其方向向上，是稠油井内抽油杆柱下行遇阻的主要原因。阻力的大小随杆柱下行速度变化，其最大值可近似地表示为：,(3-39),(3-40),决定F3的主要因素是井液粘度及抽油杆柱的运动速度。因此，在抽汲高粘度液体时，应考虑采用低冲次、长冲程工作方式。由于井液粘度既受到温度的很大影响,又与液体中的含气量有关，随井深变化较大，所以应当分段计算不同井段的粘度与摩擦力。,4.液柱与油管之间的摩擦力 该摩擦力F4发生在上冲程，其方向向下，故增大悬点载荷。根据高粘度油井现场资料统计，F4约为0.77 F3。,5液体通过游动阀的阻力 液流通过游动阀时产生的压头损失为：,(3-41),由液流通过游动阀的压头损失而产生的下行阻力为：,(3-42),上冲程中作用在悬点上的摩擦载荷有F1、F2及F4，其方向向下，故增加悬点载荷。下冲程作用在悬点上的摩擦载荷有F1、F2、F3及F5，其方向向上，故减小悬点载荷。,四、悬点最大和最小载荷,1.简化公式,发生在上冲程的最大载荷可简化为：,若取r/l=1/4，则,发生在下冲程的最小载荷可简化为：,(3-45),(3-45a),(3-46),其它简化公式：,(3-47),前置型抽油机,(3-48),常规型抽油机,2.美国API方法,(3-51),(3-52),(3-53),在实际应用时，应注意将其预测结果与实测值进行评价，选用符合具体油田情况的计算方法，并对其进行必要的修正。,
