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采油工艺及设备1 第一部分 油气基本知识 . 2 第二部分 完井与测试 . 4 第三部分 自喷采油和气举采油 . 8 第四部分 有杆抽油设备 . 14 第五部分 无杆抽油设备 . 31 第六部分 修井设备 . 40 第七部分 压裂和酸化设备 . 43 2 第一部分 油气基本知识 一、石油的物理性质 分析地层原油的物理性质一般要取得以下几项基本参数。 1)饱和压力地层原油在压力降低到开始脱气时的压力称饱和压力。原始饱和压力是指油田开采初期地层保持在原始状况下测得的饱和压力。一般所说的饱和压力即指原始饱和压力。 2)原始溶解气油比在地层原始状况下单位重量(或体积)原油所溶解的天然气量称为原始气油比单位是“立方米每吨或立方米每立方米”。油井生产时每采出一吨原油伴随采出的天然气量称生产气液比单位是“立方米每吨”。 3)原油密度和相对密度原油密度是指单位体积原油的质量。单位是“千克每立方米”。原油的相对密度是指原油在温度为20时的密度与温度为4时同样体积纯水密度之比值。 4)原油粘度石油在流动时其内部分子之间产生的摩擦阻力称为原油粘度。单位是“毫帕秒”。 5)原油凝固点原油冷却到失去流动性时的温度叫做原油的凝固点。 6)原油体积系数地层条件下单位体积原油与其在地面条件下脱气后的体积之比值称为体积系数。 7)原油收缩率地层原油取到地面后天然气逸出使体积缩小收缩的体积占原体积的百分数称为收缩率。 8)原油压缩系数(又称压缩率)单位体积的地层原油压力每增加或减小1帕时体积的变化称为压缩率单位是“每帕或每兆帕”。 9)溶解系数在一定压力范围内每增加单位压力时在单位重量原油中所溶解的天然气量。单位是“立方米每吨兆帕”。 二、石油的化学性质 石油主要由碳、氢元素组成碳占8387%氢占1014%还有氧、氮和硫但含量都不超过1个别油田含硫量可达34。 蜡烷烃的碳原子个数为1542左右时呈固态的碳氢化合物称为蜡。原油中含蜡的百分数称为含蜡量。 胶质是原油中分子量较大的烃类并含有氧、氮、硫等杂质。它溶解性较差只能溶解于石油醚、苯等。石油蒸发或氧化后胶质成分增加。密度较小的石油一般含胶质4一5而较重的石油胶质含量可达20或更多。原油中所含胶质的百分数称为胶质含量。 3 沥青质为暗褐色至黑色的脆性物质含有碳、氢、氧、氮、硫等元素的高分子多环有机化合物其分子量比胶质大许多倍不溶于石油醚或酒精可溶于苯、三氯甲烷及二硫化碳也可被硅胶吸附。原油中所含沥青质的百分数称为沥青质含量。 三、天然气的物理性质 天然气是以气态碳氢化合物为主的各种气体组成的混合气体。有的从独立的气藏中采出有的是伴生在石油中被采出。天然气一般无色有汽油味和硫化氢味可以燃烧。 描述天然气物理性质主要有以下几项参数 1体积系数 气体在油层条件下所占的体积与在标准状况(20和0101MPa)下所占体积的比值。单位是“立方米每立方米”。 2) 弹性压缩系数 压力每变化1兆帕气体体积的变化率。 3天然气粘度 天然气流动时气体内部分子间的摩擦力。 4) 天然气密度和相对密度 单位体积气体的质量称天然气密度单位是“千克每立方米”。相对密度则是指在某一压力和温度下的天然气密度与在标准状况下同体积干燥空气的密度之比值。 四、天然气的化学性质 天然气的主要成分有甲烷(CH4)乙烷(C2H6)、丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)还有二氧化碳(C02)、一氧化碳(CO)、氢(H2)、硫(S)和氮(N2)等。甲烷在天然气中含量最多占42一98。当其含量超过95时则称为干气而乙烷以上的重烃含量超过5时称为湿气。干气多产自纯气藏而湿气则多与石油伴生。 天然气分析一般要进行常见的以下几个组分含量的分析即甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷、正戊烷、异戊烷、二氧化碳、硫化氢、氮气和一氧化碳等。 五、油气藏 地下岩层中能够聚集并储藏石油或天然气的场所称为油气藏。形成油气藏必须具备生、储、盖、运、圈等条件。 1 盖层 是紧邻储集层的不渗透岩层起阻止油气向上逸散的作用的岩、石膏等不渗透岩层都可作为良好的盖层。 2 圈闭 能阻挡油气继续运移并能使油气聚集起来形成油气藏的地质场所称为圈闭。圈闭是由储集层、盖层、遮挡物三部分组成三者缺一不可。 4 3油气田 是指受局部构造(或岩性、地层) 所控制的某一面积范围内的油、气藏的总和。 4气顶 油藏中的石油和天然气是按密度分布的天然气最轻充满油层的最顶部故称为气顶。由于各油藏的油层压力和油、气的组成不同有的油藏有气顶而有的油藏则没有气顶。没有气顶的油藏是因为油层压力大于饱和压力气体全部溶解于石油之中的原因。 5 含油边界、含水边界、含气边界 油、气、水在储油构造中顶部是天然气中间是石油下面是水。在气与油接触处和油与水接触处分别叫油气界面和油水界面如图1-2。 含油边界在这边界以外没有含油区。 含水边界在这个边界以内就没有水。 含气边界在这个边界以外就没有游离的天然气。如图1- 3。 第二部分 完井与测试 2.1完井方式 2.1.1 垂直井完井方式 1. 射孔完井方式 射孔完井是目前国内外使用最为广泛的一种完井方式其中包括套管射孔完井和尾管射孔完井。 2裸眼完井方式 3. 割缝衬管完井方式 4砾石充填完井方式 1裸眼砾石充填完井方式 2套管砾石充填完井方式 5 2.1.2 水平井完井方式 1 裸眼完井方式 2 割缝衬管完井方式 3 射孔完井方式 4 管外封隔器完井方式 2.1.3 完井井口装置 在油气井进行测试和生产过程中都必须有一套安全可靠的井口装置以便能有控制、有计划地进行井内作业和生产。 完井井口装置是装在地面用以悬吊和安放各种井内管柱及控制和导引井内油气流出或地面流体注入的井口设备。 完井井口装置通常包括套管头、油管头和采油树三大主要部件。 1套管头 套管头在井口装置的下端其作用是将表层套管与油层套管连接起来并使管外空间严密不漏表层套管外用水泥封固。 2 油管头 油管头装在套管头和釆油树之间。 包括 大四通(套管四通) 油管悬挂器 油管悬挂器用来悬挂井下自喷油管柱封隔油管和套管间的环形空间。 大四通左、右端与井口闸门(套管闸门)连接可用于观测套管压力和进行各项修井、测试作业。 3采油树 采油树是指自喷井口装置的地上部分它用法兰盘坐于油管头之上。 采油树用于控制和调节升举到井口的油气流向与大四通配合形成修井液和压井液的正、反循环及进行测井作业以及关闭井口。 采油树主要由油管四通(小四通)、四个井口闸阀和节流器组成。 工厂制造的井口装置是将油管头、采油树及套管头法兰装配成一个整体。常将这种成套的自喷井口装置简称为采油树。 4采气树 釆气树和采油树结构相似但考虑到天然气的特点对采气树要求更为严格 1)所有部件均采用法兰连接 2)套管闸阀和总闸阀均成对配置其中一个为备用 3)节流器采用针形阀而不是固定孔径的油嘴 4)全部部件均经抗硫化氢处理。 6 2.2 试 油 对可能出油气的生产层在降低井内液柱压力的情况下诱导油气入井然后对生产层的油、气、水产量地层压力及油、气的物理化学性质等进行测定。这一整套工艺技术称为试油。 试油的目的是为了认识和鉴别油气层为油、气田的正常生产和开发提供可靠的依据。 2.2.1 诱导油、气流 油、气井因其地层能量不同在钻开生产层或射孔后可遇到两种情况 在一定的液柱压力下油、气井能自喷 不能自喷。 对于自喷井可进行放喷测试对于不能自喷的井则必须进行诱导油、气流的工作。 油、气入井不畅的原因一般是 1)油、气层原始渗透率低 2)油、气层地层压力偏低 3)油、气流动性差或井内液柱压力过高 4)油、气层受污染堵塞等。 对于因井筒内液柱压力大不能自喷的井应采取降低井筒内液柱压力的办法诱导油、气入井。 常用方法:气举法 抽汲 提捞法 2.2.2 增大油、气流通道 人工强化措施_水力压裂和酸化处理。 原因: 1) 油、气井生产层严重地受到钻井液和水泥浆的污染导致孔隙或裂缝通道被严重堵塞 2) 油、气井生产层的原始渗透率很低 目的: 扩大油、气层的孔隙和原始裂缝形成新的人工裂缝增大油、气层渗透率增大油、气通道。 2.2.3 完井测试 完井测试的主要任务 7 通过地下资料的收集和分析确定油、气层的工业价值为油、气井正常生产和制订合理的开发方案提供可靠的依据。 测试要取全取准下述几方面的资料 1) 油、气、水产量 2) 原始地层压力井口油管压力和套管压力 3) 油、气层中部温度及地热增温率 4) 油、气、水样。 油、气、水产量测量方法: 1)常用大罐量油法及分离器量油法。 大罐量油法 一般采用立式罐并装有直径不小于76.2mm直插至油罐底部的量油管。 分离器量油法又称为玻璃管量油法 该方法的理论根据是连通管压力平衡的原理。 2)用节流式流量计测量天然气的产量 油、气、水取样方法: 油、气、水样有井口样和井下样之分。 井口样 在井口取样闸门处取得供一般分析用。 井下样 下入专门的井底取样器在井底条件下取得样品并加以封存供进行保持地层压力和温度的高压物性分析用。 原始地层压力、井口油管压力和套管压力获取: 原始地层压力: 井底流动压力: 油、气井生产过程中井筒中油气层中部或生产层处的压力。 井底流动压力=井内液柱压力+井口压力+流体从井底至井口的流动阻力。 井底静压 油、气井在关井停产后待井筒中的压力恢复到稳定时所测得的油。 层中部压力 井底压力测量设备井底压力计实际测量。 井口油管压力、套管压力测量设备压力表。 2.2.4 中途测试 每钻穿一油、气层即停钻对油、气层进行测试。测试完后视情况而定或者恢复钻进或者在获得高产油、气流的情况下就此完井投产。这种自上而下逐层钻穿、逐层测试的方法称为中途测试。 中途测试优点 8 能迅速发现油、气流并可初步确定油、气层压力和生产能力。 避免了钻井液对油、气层的长期污染有助于取得可靠的油、气、水资料。 有助于提高探井的成功率加快油、气田的勘探和开发速度。 中途测试工艺有两个主要环节 诱导油、气流 取得测试资料。 中途测试除了准确取得被测试层基本的油、气、水资料外还必须考虑钻井工艺的一些要求。 第三部分 自喷采油和气举采油 3.1 自喷采油 油田上的生产井按其生产方式的不同分为自喷采油和机械采油两大类型。 如果油层具有足够的能量不仅能将原油从油层内驱入井底而且还能够将其由井底连续不断地举升到地面上来。这样的生产井我们称它为自喷井。用这种自喷的方式进行采油称其为自喷采油。 四种流动过程 原油从油层流到计量站一般要经过四种流动过程原油沿油层流人井底从井底沿井筒流到井口通过油嘴沿地面管道流至计量站。 四种流动过程各自 遵循不同的规律: ? 沿油层流动为渗流 ? 沿井筒的流动为垂直多相或单相管流 9 ? 通过油嘴的流动为嘴流 ? 沿地面管道的流动一般为多相水平管流。 自喷能量的消耗 自喷生产时原油的流动主要是受地层渗流阻力、井筒液柱重力和原油与井筒管壁的摩擦阻力等因素的影响。 (1) 原油在地层中流动时主要能量消耗是流体克服在多孔介质岩石中的渗流阻力。 (2) 原油在井筒中流动时主要是克服井筒内液柱重力和原油与井筒管壁的摩擦阻力。 液柱重力受原油密度、含水量、溶解气和浮力等影响。 原油与井筒管壁的摩擦阻力主要与流体粘度大小有关。 (3)原油通过油嘴时要消耗一定的能量。 (4)在多相水平管流过程中主要的能量消耗是流体通过各种管线时产生的局部水力损失和沿管线流动的沿程水力损失等。 3.2 气举采油 气举是在油井停喷后恢复生产的一种机械采油方法亦可作为自喷生产的能量补充方法帮助实现自喷。 气举采油工艺过程是通过向井筒内注入高压气体的方法来降低井内注气点至地面的液柱密度以减小地层与井底的压差使油气继续流并举升到地面。 气举工艺所需设备主要是地面的压缩机站和井中的气举阀。 3.2.1 气举采油的优点和局限性 气举采油的优点 1气举井井下设备的一次性投资低尤其是深井一般都低于其它机械采油方式的投资。 2能延长油田开采期限增加油井产量。 3气举采油的深度和排量变化的灵活性大举升深度可以从井口到接近井底日产量可从1m3以下到3000m3以上。 4大多数气举装置不受开采液体中腐蚀性物质和高温的影响。 5井下无摩擦件故适宜于含砂含蜡和高含水(95)的井。 6易于在斜井、定向井、丛式井和井筒弯曲的井中使用尤其适合于气油比高的井。 7维持生产的费用大大地低于其它类型机械采油方式在深井中更为明显。 8产量可以在地面控制气举的主要设备(压缩机组)装在地面容易检查修理和维护。 9占地少适合于居民区和海上油田。 10 气举局限性 (1) 必须有充足的气源。虽然可以使用氮气或废气但与使用当地产的天然气相比成本高且制备和处理困难。 (2) 气体压缩机站增加了投资基本建设费用高。 (3) 采用中心集中供气的气举系统不宜在大井距的井网中使用。但目前已有不少油层连通性较好的油田釆用把气顶作为气源气举后再通过注入井把气注回到气顶解决了这个问题。 (4) 使用腐蚀性气体气举时需增加气体的处理费用和防腐措施费用。 (5) 连续气举是在高压下工作安全性较差在注气压力下含水气体易在地面管线和套管中形成水合物影响气举的正常工作。 (6) 套管损坏了的高产井不宜采用气举。 (7) 乳化液和粘稠液难以气举因此不适合用于原油含蜡高和粘度高的结蜡井和稠油井。 (8) 单独用于小油田和单井的效果较差。 3.2.2 气举方式 根据补充能量是否连续进行可将气举井分为连续气举和间歇气举两种方式。 连续流动气举 气体连续地通过油、套环形空间注入经过安装在最深部的气举阀进入油管使来自油层内的流体混气。注入气加上地层气使进入油管柱内的总气量增加降低了注气点以上的混合物密度使流体被连续升举到地面。 连续气举机理类似于自喷井。 间歇气举 周期性气举即注入一定时间的气体后停止注气液体段塞被升举并快速排出同时地层油聚集在井底油管中随后又开始注气如此反复循环进行。 间歇气举的注气时间和注气量一般由时钟驱动机构或电子驱动进行控制。 间歇气举井的生产是不连续的。 连续气举适用于产液指数和井底压力高的中高产量井。 间歇气举适用于井底压力低、产液指数较高的油井。 连续气举井在油层供液能力下降、井底液量聚集太慢时常会转为间歇气举。 气举井的井下管柱有开式、半闭式和闭式气举管柱三种。 开式气举管柱 油井内只下装有气举阀的油管柱底部敞开仅限于不能下封隔器的连续气举井使用。 半闭式气举管柱 气举管柱中下部有封隔器可防止液体进入油套环形空间主要用于连续气举井。 11 闭式管柱 下部下有封隔器和单流阀可防止气体压力经过油管作用于油层主要用于间歇气举井。 (3) 腔式气举 一种闭式气举、间歇气举。 实行腔室气举时注入气进入腔室后位于被举升液体之上在注入气进入油管前液体段塞的速度就已经达到或接近举升速度从而可以减少注入气的窜流也就是减少了注入损失。 大多数腔室气举装置可分为双封隔器及插入式单封隔器两类。主要用于井底压力低采油指数高的油井。 (4柱塞气举 柱塞气举是一种特殊类型的间歇气举方式是靠柱塞推动上部的液柱向上运动防止气体的窜流和减少液体的回落提高气体举升效率。 柱塞气举管柱的最下端为油管卡定器上部为缓冲弹簧用来缓解柱塞下行的冲击力再上部为柱塞。 柱塞气举井井口有防喷管和手动捕捉器用来回收和下入柱塞。 3.2.3 气举井下装置 1井下注气管柱 分单管注气管柱和多管注气管柱。 12 2) 气举阀 气举阀是气举采油系统的关键部件主要是用启动注气压力把井内液面降至注气点的深度并在此深度上以正常工作所需的注气压力按预期的产量进行生产。 气举阀基本上是一种井下压力调节器。 阀的设定压力在地面由弹簧或波纹管充气来调节。 启闭控制方式有 (1) 套管压力控制 (2) 油管压力控制 (3) 油管和套管压力两者共同控制 目前常用的气举阀是 充气波纹管式气举阀 弹簧负载式气举阀 (1) 注入压力操作气举阀非平衡式波纹管充气注入压力操作阀 工作原理注入压力作用在大面积上生产压力作用在小面积上。 13 开启气举阀时力平衡方程式阀的开启公式 vtvbcbbtApAApAp)( bvtbvcbtAApAApp)1( 式中 pbt气举阀在不同井温下腔室内充气压力MPa pc作用于波纹管的注气压力MPa pt阀嘴处的生产压力MPa Ab波纹管有效面积mm2 Av阀嘴有效面积 mm2 。 式中1-Av/Ab和Av/Ab值由制造厂家提供。 结构 分固定式和可投捞式。 主要由充气腔室、波纹管、阀杆及阀嘴和单流阀组成。 2生产压力液力操作气举阀 工作原理生产压力作用在大面积上注入压力作用在小面积上。 开启气举阀的力平衡方程式 bbtvbtvcApAApAp)( bvbvcbvbttAAAApAApp11 14 关闭时pbt=pt 式中 pc与阀嘴接触的注入压力MPa pt与波纹管接触的生产压力MPa pbt腔室内压力或弹簧负载力MPa Av阀嘴有效面积mm2 Ab波纹管有效面积mm2。 结构 与注入压力操作阀基本相同见上图。不同之处在于生产压力操作阀具有一个反向阀座密封装置。这种反向阀座密封装置可以保证注入压力作用于小阀孔面积上生产压力作用于波纹管大面积上。 3气举工作筒 分为固定式工作筒和可捞式偏心工作筒主要用来安装气举阀。 固定式工作筒 气举阀装在筒外调整阀时必须起出油管 偏心可投捞式 工作筒气举阀装在筒内调整阀时可用专用投捞工具进行不用起出油管。 第四部分 有杆抽油设备 第一节 概述 1.1 采油方法 自喷采油法和机械采油法。 自喷采油法利用地层本身的能量来举升原油。 机械采油法分为气举法和抽油法 气举法利用压缩气体的能量把原油提升到地面 抽油法将各种结构的泵放到井下进行抽油所以抽油法又叫泵法。 1.2 游梁式抽油机的结构 地面部分游梁式抽油机 由电动机、减速箱和四连杆机构组成 井下部分抽油泵 抽油泵它悬挂在套管中油管的下端 中间部分抽油杆柱 15 1.3 抽油泵的结构和抽油泵的工作原理 分、上下冲程 1.4 无游梁式抽油机 机械式无游梁抽油机和液压式无游梁抽油机。 第二节 游梁式抽油机 2.1 游梁式抽油机结构 1) 驴头 2游梁 3横梁 4曲柄 5平衡重 6减速箱 7支架 8悬绳器 9电机 10刹车机构 2.2 游梁抽油机代号 如CYJ3-1.2-7(H)F(Y;B;Q) 16 2.3 游梁式抽油机驴头悬点载荷的确定 四个基本参数(悬点载荷、冲程长度、冲程次数和曲柄轴扭矩)设计和选用抽油机的重要参数。 当抽油泵工作时抽油机的驴头悬点上作用有下列六项载荷 (1) 抽油汗柱自重用P杆表示。表示(它在油时中的重量用杆P户)作用方向向下。 (2) 油管内、柱塞上的油柱重(即柱塞面积减去抽油杆面积上的油柱重)用P油表示作用方向也向下。 (3) 油管外油柱对柱塞下端的压力用P压表示P压的大小取决于泵的沉没度作用方向向上。 (4) 抽油杆柱和油柱运动所产生的掼性载荷相应地用P杆惯和P油惯表示。它们的大小与悬点的加速度成正比而作用方向与加速度方向相反。 (5) 抽油杆柱和油柱运动所产生的振动载荷用P振表示P振的大小和方向都 6柱塞和泵筒、抽油杆(接箍)和油管简的半干摩擦力用户P摩干表示。还有抽油杆和油柱间、油柱和油管问以及油流通过抽油泵游动阀(排出阀)的液体摩擦力用P摩液表示。P摩干和P摩液的作用方向和抽油杆的运动方向相反。其中游动阀的液体摩擦力只在泵下冲程、游动阀打开时产生的所以它的作用方向只向上。 静载荷1、2、3 动载荷4、5、6 17 悬点静载荷的大小和变化规律 1上冲程 压油杆静上PPPP FhLfFLf沉油杆油杆杆 )( 油沉油杆杆)(hLFLf 油杆PP 2下冲程 P静下杆P 3)下死点从下冲程到上冲程的转折点 1抽油杆伸长 P=P静上P静下油P 2油管缩短 3有效冲程 4上死点 抽油杆缩短 18 油管伸长 19 r抽油杆变形量 t油管变形量 美尔斯公式 20 2.6 游梁式抽油机平衡 2.6.1平衡基本原理 平衡游梁、曲柄和复合平衡包括机械平衡和气动平衡。 2.6.2 现场检查平衡效果的方法 1依靠观察抽油机和发动机的工作情况平衡不好会产生很大的振动 2用秒表测量上、下冲程的时间在抽油机平衡时上下冲程的时间应基本相等)。 3如果发动机是电动机就可以测量电动机的输入电流如果上冲程的最大电流与下冲程的最大电流值相等就认为平衡合适如果前者大于后者就表示平衡重不够需要增加游梁平衡重块数或加大曲柄平衡重的平衡半径如果前者小于后者表示平衡重过多应减少游梁平衡重块数或减小曲柄平衡重的平衡半径。 第三节 无游梁式抽油机 3.1 链条式无游梁式抽油机 3.1.1 结构 (1) 动力传动系统一包括电动机、皮带传动装置和减速箱。 (2) 换向系统一一包括主动链轮、上链轮、轨迹链条、主轴销、滑块、往返架和导轨等。 (3) 平衡系统包括平衡链条、平衡链轮、平衡柱塞、平衡缸、储能气包、油泵和油气管等。 (4) 悬挂系统包括悬绳器、上钢丝绳和滑轮。 (5) 机架底座系统包括机架、底架和油底壳。 链条式无游梁抽油机的工作原理如下电动机通过皮带传动、减速箱减速后驱动主动链轮旋转。这样一来轨迹链条就在垂直布置的主动链轮和上链轮间运转。在轨迹链条上有一个特殊链节它通过主轴销、滑块带动往返架。当轨迹链条作环形运动时特殊链节也随着作环形运动。由于导轨的限制往返架只能沿着机架轨 21 道作上、下垂直往返运动。在往返架上端有上钢丝绳通过滑轮连接挂光杆的悬绳器。往返架的上、下垂直往返运动就使光杆和抽油杆相应地进行下冲程和上冲程。往返架的下端有平衡链条、平衡链轮连接气动平衡系统以满足抽油机的平衡要求。 3.1.2 链条式无游梁抽油机的悬点运动分析 当上下链轮以等角速度链旋转时轨迹链条上的特殊链节就带动往返架从上死点A移到下死点D。 往返架的下冲程即悬点上冲程的位移AOOD由三段垂直线组成 1AO段长度等于上链轮半径R链在此段中往返架或悬点的速度和加速度按简谐运动规律变化。 (2) 00段一长度等于上、下两个链轮的中心距在此段中往返架或悬点为等速直线运动速度不变等于轨迹链条的运动速度或上、下链轮的圆周速度此时加速度等于零(略去链传动本身的运动不均匀性)。 (3)OD段长度等于下链轮半径R链和上链轮半径相等)在此段中往返架或悬点的速度和加速度又按简谐运动规律变化。 往返架的上冲程即悬点下冲程的位移DOOA也由三段垂直线组成 D0段、00段和0D段。往返架或悬点的速度和加速度和上面的分析完全相同只是运动的方向相反而已。图1一51中给出往返架的下冲程即悬点的上冲程以及往返架的上冲程即悬点的下冲程的速度和加速度随位移变化的规律。 3.1.3 链条式无游梁抽油机的悬点动载分析和设计计算特点 22 悬点静载荷计算同游梁式抽油机 1上冲程 2下冲程 P静下杆P 3动载荷 悬点的动载P动包括两部分 部分是抽油杆柱和油柱运动所产生的惯性载荷用P惯表示它的大小正比于悬点的加速度而作用方向和后者相反 另一部分是抽油杆柱和油柱运动所产生的振动载荷用P振表示。P振的最大值正比于上冲程或下冲程静变形期结束后一瞬间柱塞相对于悬点的运动速度而后者又和此时相当的悬点速度有关。 根据链条式抽油机的结构特点和工作条件不同悬点的动载分析应该分两种情况进行讨论 1R链 2R链 为了保证链条式抽油机的结构紧凑多采用R链条件作为结构设计的条件。 R链条件下的动载荷为 式中kv上和kv下可根据不同的抽油泵、抽油杆和油管的尺寸有表111直接查得。 利用上述公式可得出有关链轮式抽油机设计计算的几个特点 1R链条件下的动载荷P动上和P动下正比于R链n链值。在设计计算时上、下链轮尺寸R链的选择只要考虑结构设计的实际需要以及保证链传动的足够的使用寿命和一定的运动均匀性即可。上下链轮尺寸的选择是设计时首先应该确定的。 2从抽油工艺的角度来看轨迹链条的运动速度或链轮的圆周速度V链大小主要受两个条件的限制1悬点最小载荷的限制 2泵柱塞最大运动速度的限制 泵柱塞的最大运动速度限制 运动速度限制的原因 23 1泵柱塞运动速度过大如上冲程中柱塞上行速度过大超过液体进入泵筒的流速这时液体就来不及充满泵筒使充满系数下降。 2泵柱塞运动速度过大在下冲程中柱塞又会与泵筒内液体发生冲击使抽油杆产生纵向弯曲造成柱塞卡死甚至使整套装置产生振动而早期损坏 3泵柱塞运动速度过大会加剧柱塞和衬套的磨损。 国内外推荐的泵柱塞运动的最大速度 Sn50m/min 推出V链V链=50/30=1.67m/s 3)功图由静载荷和振动载荷构成 3.2 液压式抽油机 四种典型的液压回路 24 第四节 抽油杆 国产抽油杆的杆体直径d杆为16、19、22和25mm(即58、34、78和1)。 4.1 抽油杆的强度计算 杆fPmaxmax 杆fPminmin 式中下标i表示抽油杆柱的任意断面。 25 设计和校核抽油杆强度时常用当当 当是考虑循环交变应力的相当应力。 当有多个计算公式或方法计算 1 奥金格公式计算当 maxa当 1147 该公式的实质是将不对称循环应力转化为计算用的对称循环应力。威尔诺夫基首次用于计算抽油杆强度现场抽油杆设计常用该公式 K1当当 1-148 4.2 抽油杆强度计算和选择 抽油杆柱的结构有单级杆柱与多级杆柱两种。 设计抽油杆柱时必需考虑下列要求 (1)抽油杆柱应具有足够的疲劳强度 2抽油杆柱重量应尽可能最小 (3) 由抽油杆柱弹性伸长所造成的柱塞冲程损失不应该太大否则会引起泵装置的排量和效率的下降 26 (4) 抽油杆柱的成本不应过高。选择抽油杆钢材牌号时应考虑到合金钢制的以及经热处理的抽油杆比碳钢抽油杆成本高。 抽油杆柱的设计计算首先是要保证其疲劳强度即在杆柱的任意断面i上相当应力当不应超过在给定使用条件下该抽油杆材料的许用相当应力当值。 当当 i (1-155) 其次是保证抽油杆柱各级的等强度使每级抽油杆柱承载最大的断面上的相当应力都相等即 321当当当 (1-156) 式中,下标1、2、3指的是抽油杆柱相应级的上部断面。 4.2.1 分析设计法 烕尔诺夫斯基的抽油杆柱设计法此方法现场常用且可靠 该法的主要出发点是满足疲劳强度条件和等强度条件。 1 对于单级抽油杆上部断面的平均应力m和a应力幅由下式计算 D-抽油泵活塞直径m 1.1060/2n 由am max 和 maxa当 即可计算出当 要求满足当当 (2) 对于两级抽油杆离柱塞第一级所求长度为l1的抽油杆柱上部断面的平均应力1m和1a应力幅由下式计算 27 等强度条件 2max21max1aa 1167 由上述公式即可计算出l1 l2=L-l1 尽管此法没考虑阻力的影响但由由于计算简单被广泛使用。 作业选择等强度多级抽油杆柱用于下列工作条件抽油泵直径44mm下泵深度1500m动液面深度600km液体重度(或原油重度)液=9000Nm3抽汲参数为悬点冲程长度3m冲程次数8min-1。试用烕尔诺夫斯基的抽油杆柱设计法设计出抽油杆组合。 4.3 抽油杆柱下部加重杆的计算和选择 加重的原因大泵和稠油是下行阻力增加。 为了解决上述问题广泛采用在抽油杆下部使用加重杆。它的重量和刚度要足以防止下冲程时抽油杆柱下部产生的纵向弯曲现象。 阀摩干弯PPP 28 第五节 抽油泵 5.1 组成与分类 抽油泵由四个主要零件组成柱塞、泵筒、固定阀(吸入阀)和游动阀(排出阀) 结构特点 1 由于它是在井下工作连在油管下端或固定在油管内部所以其外廓尺寸受油管内径的限制。 2 为了提高排量只有加长冲程长度。目前抽油泵最大冲程长度超过6m而一般活塞泵最大冲程长度仅为0.4m左右。这样就使抽油泵的外廓尺寸又细又长。 3 因受径向尺寸限制抽油泵的固定阀和游动阀重迭放置一般固定阀装在泵筒下端游动阀装在柱塞上如图I一75所示。 4 抽油泵是在油井内含砂、蜡、气、水、硫化氢等条件下工作因此泵的零件易被磨损和腐蚀造成漏失降低排量。 5 特别是在深井条件下泵筒内压力高达1020MPa不仅对强度要求较高而且对柱塞和缸套(或泵筒)、阀和阀座的密封性也要求较高。 6 在原油含蜡、气较多时甚至会使抽油泵不能正常工作。 抽油泵大类别有管式泵和杆式泵两类 1管式泵 1用途 管式抽油泵的泵筒直接接在油管柱下端柱塞随抽油杆下人泵筒内。管式泵只有泵筒和柱塞两大部分故泵径可设计得较大理论排量大。一般用于供液能力强、产量较高的浅、中深油井但作业时必须起出全部油管。作业费用较高 2结构 管式泵主要由泵筒、固定阀和带有游动阀的空心柱塞组成。分为整筒式管式抽油泵(如图抽油泵2-2所示)和组合泵筒式管式抽油泵 2杆式抽油泵 1用途 杆式抽油泵具有内外两层工作筒一般设计泵径较小泵排量较小。作业时只需起出抽油杆就可将泵带至地面进行检修不需动油管柱作业工作量小。一般用于液面较低、产量较小的深井。 2结构 杆式抽油泵主要由泵筒、柱塞、游动阀、固定阀、泵定位密封部分及外筒等组成分为定筒式杆式泵和动筒式杆式泵两类。定筒式杆式泵又有顶部固定和底部固定杆式泵两种。 3工作原理 29 作业下井时首先将泵的外筒、密封定位部分连接到油管柱中下到泵挂预定位置(动筒式杆式泵是将柱塞固定在泵外筒底部中心位置组成一个整体接到油管柱内)再将柱塞、泵筒、固定阀和泵支承密封所组成的抽汲部分(动筒式杆式泵该部分主要由游动阀、泵筒、泵支承密封部分组成)连接到抽油杆柱下端随抽油杆柱一起下入泵外筒的密封定位处使泵筒固定并密封。 5.2 抽油泵的排量和排量系数的计算 理论排量单作用泵 nSFnSFQ柱塞柱塞理14402460 泵效 理实QQ 缩漏冲充 5.3 延长抽油泵泵效使用寿命提高抽油泵排量的途径 5.3.1 减少砂对抽油泵工作影响 采用两方面的措施一方面要“防”砂另一