机采技术优化方案.ppt

2005年11月,机采管理及优化技术,主讲：庞海峰,一、常规举升工艺技术简介,二、举升参数的优化,三、机采井的节能降耗,四、抽油机井的功况诊断,五、机采井指标计算方法,大庆油田自1981年大面积转抽以来，宣告了自喷开采阶段的结束，随之油田进入了强采即“机械采油”阶段。,前 言,自1859年第一口现代油井在美国小镇“梯特斯维尔”钻成后，即拉开了采油工程技术发展的序幕。,1、抽油机,2、电动潜油离心泵,3、地面驱动螺杆泵,机采阶段大庆油田在用的举升方式主要有三种：,一、常规举升工艺技术简介,在20世纪30年代前苏联人依据力学理论中的“四连杆”机构发明了游梁式抽油机。,（一）、抽油机,抽油机,1、基本术语：,异相型游梁式抽油机：驴头和曲柄连杆机构分别位于支架前后，平衡角不为零的游梁式抽油机。,悬点载荷：抽油机驴头悬点的实际载荷，KN。,额定悬点载荷：抽油机正常工作允许的最大悬点载荷，KN。,光杆最大冲程：调整抽油机冲程调节机构，使光杆能获得的最大位移，m。,最高冲次：动力机输出轴上装最大直径胶带轮时，抽油机所获得的冲次，min-1。,减速器扭矩：减速器输出轴的实际扭矩，KN.m。,抽油机,a.常规型；b.前置型；c.异相型；,2、游梁式抽油机类别,CYJ：常规型游梁式抽油机；CYJQ：前置型游梁式抽油机；CYJY：异相型游梁式抽油机；Y：游梁平衡。在游梁上加平衡重的平衡方式；B：曲柄平衡。在曲柄上加平衡重的平衡方式；F：复合平衡。同时采用游梁平衡和曲柄平衡的平衡方式；Q：气动平衡。用气缸平衡的平衡方式；H：点啮合双圆弧齿形。渐开线齿形不标注。,3、游梁式抽油机代号,抽油机,4、型号表示法,例：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,抽油机,5、常规游梁式抽油机基本参数,游梁式节能抽油机,对于有游梁的抽油机而言，指在平衡状态下，只要是满足其净扭矩曲线波动范围小（与常规机比较）、且趋于平稳，无负净扭矩值出现的抽油机，我们将其定义为节能抽油机。,1、节能抽油机的定义：,游梁式节能抽油机,2、三种机型的净扭矩曲线对比图：,对于非节能抽油机而言，其本身的结构设计就允许其做负功，这是一种正常现象；对于节能抽油机而言则是因为其失去平衡而出现了做负功，这是一种不正常现象。,3、对有游梁抽油机电机做负功的科学解释：,抽油机的发展方向,1、存在问题,目前在用抽油机体积大、能耗高、系统效率相对较低。多数“节能抽油机”的应用形不成规模，导致其售后服务跟不上，最终夭折。,2、发展方向,“简化结构、减小体积、降低能耗、延长使用寿命”是未来抽油机追求的目标。,电机直驱抽油泵的运动，已开始了这方面的尝试。,一、常规举升工艺技术简介,（二）、电动潜油离心泵,电动潜油离心泵，简称电泵，由前苏联人A.S.艾鲁托诺夫先生发明，1923年电泵被引入美国，美国第一台潜油电泵在洛杉矶问世。1926年美国开始在坎隆斯的鲁赛尔油田应用潜油电泵抽油。我国是从1964年首先在沈阳机电局开始研制40方/日潜油电泵的，通过现场试验，各项技术指标没有达到要求，另外由于当时的一些其它原因，被迫停止研制。1981年天津电机厂首先研制成功200方/日800米扬程潜油电泵。,潜油电泵是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏、接线盒和动力电缆将电能输送给井下潜油电机，使潜油电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的井液举升到地面。,电动潜油离心泵,1、工作原理：,潜油电泵由三大部分七大件组成:,电动潜油离心泵,井下部分：包括潜油电机、保护器、分离器、多级离心泵（俗称井下四大件）。中间部分：潜油电缆（分大扁电缆和小扁电缆）。地面部分：包括控制屏和变压器。,电动潜油离心泵,潜油电泵供电流程：,地面电源,变压器,控制屏,潜油电缆,潜油电机,潜油电泵抽油工作流程：,分离器（吸入口）,多级离心泵,单流阀,测压阀（泄油阀）,井 口,出油干线,电动潜油离心泵,隔离井液。密封潜油电机轴的动力输出端,防止井液进入潜油电机。压力平衡。保护器的充油腔体与油井相连通,从而平衡潜油电机和保护器中各密封部位两端的压差。承受轴向力。内设一个推力轴承,承担作用在泵轴、分离器轴和保护器轴向下的轴向力。传递扭矩。保护器连接潜油电机轴与泵轴(或分离器轴),连接潜油电机壳体与潜油泵壳体(或分离器壳体)，起到传递电机轴到泵轴的扭矩，包括传递壳体的反向扭矩。,保护器的作用:,一是作为井液进入多级离心泵的吸入口；二是当混合气液体进入离心泵之前，先通过分离器进行气、液两相分离。被分离出的气体进入油、套管环形空间，液体则进入离心泵内，这样就可避免气体对泵产生气蚀，减少气体对泵工作性能的影响，从而提高泵效和延长泵的使用寿命，使潜油电泵机组能够正常运转。,分离器的作用：,油气分离器是潜油电泵机组的四大部件之一，它位于保护器和多级离心泵之间。油气分离器有两个基本作用：,电动潜油离心泵,电动潜油离心泵,潜油泵由多级叶轮、导壳组成,叶轮、导壳的结构形式决定潜油泵的排量,叶轮、导壳的级数是决定潜油泵的扬程和匹配潜油电机功率的重要因素。潜油泵的叶轮、导壳通常由镍铸铁制成,它具有耐腐蚀、耐磨、铸造性能好和切削加工性能好等优点。泵轴一般由蒙乃尔K合金钢制造,这种材料具有较高的强度,较好的耐腐蚀性和耐磨性,并具有良好的刚性和塑性。,潜油泵的结构,电动潜油离心泵,潜油泵的工作原理与地面使用的普通离心泵一样。当机组启动后,潜油电机带动潜油泵轴上的叶轮高速旋转,叶轮叶片驱使叶轮流道内的液体转动,这部分转动的液体在离心力的作用下向叶轮外缘流去,这部分向叶轮外缘流动的液体对叶轮吸入口处的液体产生一种吸力,在这一过程中,叶轮中的液体绕流叶片,在液体绕流运动中叶轮的叶片对液体作用一升力,使液体获得能量而流出叶轮,这时液体的动能与压能均增大。,工作原理,潜油电泵的启动和停机,以及运行中的一系列控制,需要专门的控制设备来完成。潜油电泵专用控制柜分为手动、自动两种控制方式,供电电源为交流50Hz,工作电压为400-2500V,额定电流最大为150A。控制柜具有短路保护、单相保护、三相过流保护和欠载停机、延时自动启动功能。通过仪表可随时测量电机运行电压、电流参数,并自动记录电机运行电流,从而使电泵管理人员及时掌握和判断潜油电机的运行状况。,控制柜的工作原理,电动潜油离心泵,电动潜油离心泵,电泵控制柜,一、常规举升工艺技术简介,（三）、地面驱动螺杆泵,20世纪30年代中期法国的 moineau发明了单螺杆泵，做为容积泵的螺杆泵，以其地面驱动装置简单、体积小，能耗低，对较恶劣的工作环境适应性强等优势越来越受到油田采油工程技术人员的重视。也正因如此螺杆泵这种举升方式在油田中的应用规模才日趋扩大。,地面驱动螺杆泵,螺杆泵是有别于“活塞式抽油泵和电动潜油泵”的一种容积式泵，如图所示（1：2结构）：,e转子偏心距 mm d转子截圆直径 mm T（T=2t）定子导程 mm,螺杆泵的三个基本结构参数：,地面驱动螺杆泵,1、螺杆泵采油系统的组成：,电控部分：电控箱是螺杆泵的控制部分，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录螺杆泵正常生产时的电流、电压等数据，有过、欠载自动保护功能。,地面驱动部分：地面驱动装置是螺杆泵系统的主要地面设备，是把动力传递给井下泵转子，使转子实现星行运动，实现抽吸液体的机械装置。,地面驱动螺杆泵,它是借助于单螺旋线的转子与双螺旋线的定子配合时产生的空腔实现抽吸液体入泵举升液体出井。,2、螺杆泵的工作原理：,3、螺杆泵的型号表示方法：,地面驱动螺杆泵,例：GLB300-21表示抽油杆地面驱动的螺杆泵，每转排量为300ml，泵的总级数为21。,4、螺杆泵设备参数,地面驱动螺杆泵,5、存在问题,地面驱动螺杆泵,6、发展方向,进一步完善其配套技术，开展沉没度变化对泵效及定子橡胶老化的定量化研究；开展旋转过程中的挠曲变形与不同心摆动对抽油杆运动影响程度的研究，建立、完善螺杆泵井抽油杆的扶正理论；开展螺杆泵工况诊断技术研究。,总之，地面螺杆泵在未来的发展中，首先应解决定子橡胶的使用寿命问题，我认为伴随着材料科学的发展我们会寻求到能够替代橡胶的新材料，开发出非金属、非橡胶定子的长寿命新型螺杆泵。,四、抽油机井的功况诊断,泵功图建立的基本理论,在示功图的智能诊断中，实现建立泵功图的基本理论是“S.Glbbs波动方程”。l、S.Glbbs波动方程 1966年S.Glbbs将井下抽油泵处的负荷变化假象成以应力波的形式沿抽油杆柱传递到地面，由此推导并建立了抽油杆系一维阻尼波动方程。,c粘滞阻尼系数,四、抽油机井的功况诊断,在此利用在光杆处所得到的光杆载荷与时间的关系曲线以及光杆位移与时间的关系曲线作为边界条件来求解S.Glbbs方程，就可得到抽油杆任意截面处的示功图，直至泵功图。理论标准泵功图为一矩形,泵功图,2、S.Glbbs波动方程的经典求解方法,*分离变量法求解。*变步长有限差分法求解,在两个以截断傅立叶级数表示的边界条件下，即：悬点动载荷函数,光杆位移函数,其特解为：位移与深度、时间的函数,应用计算机确定抽油杆及抽油泵示功图的一般计算步骤 计算傅立叶系数 计算阻尼系数 C 计算特殊函数,3、泵功图建立理论的发展现状,伴随着人们对有杆泵系统工作原理认识的逐步深入，示功图智能诊断理论被不断的完善，目前已诞生的诊断理论已达到了三种，即：微分方程（S.Glbbs波动方程）传递函数 状态方程,使用微分方程模型时的特点,便于用数字计算机求解；特别适用于线性系统，对于非线性系统的判断准确率较低；计算过程烦琐，所用时间相对较长。,便于用数字计算机求解 不但适用于线性系统，也可适用于非线性系统；不但适用于恒参数系统，也可适用于变参数系统；不但适合单输入、单输出系统，也适用于多输入、输出系统。,应用状态方程来表示的数学模型时的优势,批量井快速诊断,阻尼系数的选择,诊断结束后按功况类别查看三个月单井功图信息,可按两种诊断方法进行诊断,开井数除以不包括计划关井在内的抽油机井总数的百分数,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,式中：Kc抽油机井利用率，%；开井生产井数，口；总井数，口；计划关井数，口,1、利用率,(1）开井生产井数是指在统计期内月连续生产24h以上，并有产液量的抽油机井；间歇抽油机井有间歇抽油制度，并有产液量的井。（2）计划关井包括测压或钻井关井；方案或试验关井；间开井恢复压力期间关井；油田内季节性关井或压产关井。,注：,指统计井生产天数之和与日历天数之和的比率,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,式中：fr抽油机井有效生产时率，%；统计期内统计井的日历天数之和，d；统计期内统计井的生产天数之和，d；,2、时率,抽油机井的实际产液量与泵的理论排量的比值叫做泵效。,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,式中：d单井泵效，%；QS单井实际日产液量，m3/d；QL单井抽油泵理论日产液量，m3/d；D抽油泵的直径，m；S使用的光杆冲程，m；n抽油机的冲次，次/min；,3、泵效,泵效大于80%和连喷带抽井不参加平均泵效的统计。,抽油井在生产过程中油套管环形空间中的液面深度叫做动液面。,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,式中：Hd单井动液面，m；Hc单井实测动液面深度，m；Hb单井套补距，m；Hzd单井折算动液面，m；Pt单井的套压，MPa；g重力加速度，g=9.8m/s2；,4、动液面,单井泵挂深度是指抽油井井口至抽油泵吸入阀之间的深度。,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,La=h1+h2,式中：La单井泵挂深度，m；h1该井补心高差，m；h2该井吸入阀以上至油管挂长度，m。,5、泵挂深度,沉没度是指抽油泵吸入阀沉没在动液面以下的深度。,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,6、沉没度,平均沉没度不得以平均泵挂深度减平均动液面算出。,式中：单井冲程利用率，%；单井实际冲程长度，m；单井设备铭牌最大冲程长度，m；平均冲程利用率，%；统计井实际冲程长度之和，m；统计井设备铭牌最大冲程长度之和，m。,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,7、冲程利用率,式中：单井冲次利用率，%；单井实际冲次，min-1；单井设备铭牌最大冲次，min-1；平均冲次利用率，%；统计井实际冲次之和，min-1；统计井设备铭牌最大冲次之和，min-1。,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,8、冲次利用率,式中：单井扭矩利用率，%；单井实际最大扭矩，kNm；单井设备铭牌扭矩，kNm；平均扭矩利用率，%；统计井实际最大扭矩之和，kNm；统计井设备铭牌扭矩之和，kNm。,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,9、扭矩利用率,10、平衡率,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,式中：单井平衡率，%；抽油机下冲程最大电流，A；抽油机上冲程最大电流，A；统计井的平均平衡率，%；统计期内平衡总井数，口。,在85%100%之间的抽油机井为平衡。,11、系统效率,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,电器测试参量：三相线/相电流、三相线/相电压、有功功率、无功功率、视在功率、电量、功率因数。井口测试参量：油压、套压、产液量和含水率。井下测试参量：油井动液面深度。光杆（抽油机井）测试参量：示功图、光杆载荷和光杆位移。,测试参量,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,定义及计算公式,（1）机械采油井的输入功率P1：拖动机械采油设备的电动机的输入功率。为电测量参数。,（2）机械采油井的有效功率P2：将井内液体输送到地面所需的功率为机械采油井的有效功率。,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,（3）机械采油井的系统效率：机械采油井的有效功率与输入功率的比值,（4）抽油机井的光杆功率：光杆提升液体并克服井下各种阻力所消耗的功率,A示功图面积 mm2 Sd示功图减程比 m/mm fd示功图力比 N/mm ns光杆实测平均冲次 min-1,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,（5）抽油机井的地面效率：光杆功率与电机输入功率的比值,（6）抽油机井的井下效率：抽油机井的有效功率与光杆功率的比值,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,（7）机械采油井的平均系统效率：各种机械采油井总的平均效率.采用输入功率加权平均法计算,五、机械采油技术经济指标计算和统计方法,（1）抽油机井示功图、动液面、油套压、电参数要求同步测试。（2）电泵井、螺杆泵井动液面、油套压、电参数要求同步测试。（3）按照开发部要求，每季度监测井数按总井数的20-25%测算，每年普测一次。,测试要求,