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有杆泵抽油原理简介

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有杆泵抽油 原理 简介
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有杆泵抽油系统原理简介试讲人:黄新武一、绪论( 1)• 采油方法通常是指将从油层流到井筒中的原油 (包括水等液体 )举升到地面所采用的方法。• 采油方法包括自喷采油法和机械采油法两大类。• 自喷采油法是利用油层本身的能量将从油层流到井筒中的原油举升至地面的方法。• 机械采油法是当油层能量小,仅仅依靠油层本身的能量不能将从油层流到井筒中的原油举升到地面即油井不能自喷生产时,利用人工的方法将从油层流到井筒中的原油举升到地面的方法。一、绪论( 2)(一)、机械采油法的分类• 机械采油法又称人工举升法,它包括气举法和泵抽法两类。• 气举法是通过一定的流道,向井下注入高压气体,利用高压气体的膨胀能将井下的原油通过另一流道举升到地面的方法。• 泵抽法是利用安装在井下的深井泵将井下原油举升到地面的方法。• 泵抽法中又分为有杆泵抽法和无杆泵抽法。• 有杆泵抽法是利用抽油杆将地面机械设备所产生的运动传递到井下深井泵的抽油方法。• 无杆泵抽法是利用抽油杆以外的其它方法将地面能量传递到井下以驱动井下深井泵抽油的方法。一、绪论( 3)(二)、有杆泵采油法的分类• 有杆泵采油法分为:杆驱往复泵抽油系统及杆驱螺杆泵抽油系统等。典型杆驱往复泵抽油系统 典型杆驱螺杆泵抽油系统地面驱动采油螺杆泵,主要由地面驱动装置和井下螺杆泵两部分组成。地面驱动装置将井口动力通过抽油杆的旋转运动传递到井下,驱动井下泵工作,它依靠转子在定子中旋转,形成一系列空穴,从吸入端向排出端渐进,连续完成从井底吸油和向井口排油。一、绪论( 4)(三)、无杆泵采油法的分类• 无杆泵采油法分为:井下水力活塞泵、水力喷射泵、深井电潜泵以及井下电机驱动螺杆泵等。典型井下水力活塞泵、水力喷射泵 典型深井电潜泵 典型井下电机驱动螺杆泵电动潜油螺杆泵是近年来采油设备发展的新突破,它结合了潜油电泵和地面驱动螺杆泵的优点,输送介质范围广;节电效果显著;油管、杆柱无磨损;可用于斜井、水平井;可使用小直径油管;运行可靠、维修量小;启动扭矩大,更加适合斜井、稠油井以及高含砂、高含气井的开采。二、杆驱往复泵抽油原理• 前面已经讲过,有杆泵采油法分为:杆驱往复泵抽油系统及杆驱螺杆泵抽油系统等。• 杆驱往复泵抽油系统主要包括三大部分:抽油机、抽油杆、井下抽油泵。• 抽油机 抽油杆 井下抽油泵 、杆驱往复泵抽油原理(一)、基本原理( 1)• 载荷及悬点功的分析:• 上冲程(杆及泵活塞上行)时,抽油机悬点载荷为:液柱载荷、杆柱载荷、摩擦阻力、杆柱液柱惯性力等。• 下冲程时,抽油机悬点载荷为:浸在井液中的杆柱载荷、摩擦阻力、杆柱液柱惯性力等。• 由于悬点及抽油杆、活塞的上下周期性运动,悬点载荷、悬点功(光杆马力)也呈周期性变化。• 悬点功( 抽油机悬点输出功。上冲程时,抽油机悬点动力与悬点载荷相反,抽油机输出正功;下冲程时,抽油机悬点动力与悬点载荷相同,抽油机输出负功。二、杆驱往复泵抽油原理(一)、基本原理( 2)• 示功图:• 对于悬点载荷的测试及分析现场使用的是示功图的方法。• 示功图是悬点载荷与悬点距上冲程起点(下止点)的位置关系。• 现场测试,利用示功仪 、杆驱往复泵抽油原理(一)、基本原理( 3)• 动力平衡:• 由于抽油机悬点功为周期性的正负功,并且正功大负功小。这样对抽油机系统及电网的不平衡冲击较大,一方面对设备的抗负荷能力要求高 一方面,机械及电路的能量损耗大。• 对于电网来说,最节能的方式是:追求均匀的电功率负荷。• 因此,在抽油系统的设计上,一是机械的方法,包括抽油机的力的平衡、时间的变化,电路的无功补偿,井下泵力的平衡等。以尽可能在不增加总功的情况下实现电功的相对均匀。• 抽油机的设计、现场测试都集中在:抽油机输出的 扭矩 上 二、杆驱往复泵抽油原理(二)、抽油机( 1)• 主要目的: 产生悬点的往复运动,并尽可能地将输出点(悬点)输出的正负功变换成抽油机输入点的相对均匀的正功率。• 抽油机的形式: 主要是将电动机或发动机的旋转运动转变为悬点的往复运动。• 所采用的机械原理:1. 旋转运动变换成往复运动,主要有曲柄连杆机构;链条悬点机构等。2. 输出的正负功变换成抽油机输入点的相对均匀的正功率,主要利用附加平衡重的方法。二、杆驱往复泵抽油原理(二)、抽油机( 2)二、杆驱往复泵抽油原理(二)、抽油机( 3)• 常规游梁式抽油机的工作原理:1、曲柄连杆机构:电控箱 发动机减速箱曲柄连杆游梁驴头 衡机构:平衡重电功补偿二、杆驱往复泵抽油原理(二)、抽油机( 4)• 其它类型抽油机的工作原理:• 1、链条悬点机构:• 电机 — 变速箱• 链条 链悬点• 滑架 — 平衡重• 钢索 2、其它形式:• ( 1)、磨擦换向• 电控 — 变频 — 变速 — 磨擦换向 —平衡重• ( 2)、直线电机• 电控 — 变频 — 直线电机 驱往复泵抽油原理(三)、抽油泵( 1)• 常规抽油泵工作原理:• 上冲程:• ( 1)、游动凡尔关闭,活塞上承载油管内的液柱压力(差压);并推动泵筒内活塞上部的液柱上行。• ( 2)、固定凡尔开启,泵的吸入口,依靠泵筒外的动液面液柱压力将泵筒外的液体挤入活塞下的泵筒。• 下冲程:• ( 1)、游动凡尔开启,活塞不承压;并由于活塞下行,泵筒内的液体由活塞下部交换至活塞上部。• ( 2)、固定凡尔关闭,泵底承载油管内的液柱压力(差压)。• 抽油泵的形式:• 以泵的适应井下流体流动条件划分:常规泵与特种泵。• 以泵的连接形式划分:管式泵与杆式泵。二、杆驱往复泵抽油原理(三)、抽油泵( 2)• 常规管式泵结构: 常规杆式泵结构:二、杆驱往复泵抽油原理(三)、抽油泵( 3)• 特种泵形式( 1)三作用抽油泵该泵是一种新型的深抽提液设备,由两台抽油泵通过特殊部件串联而成,它有三个工作腔,在生产过程中可交替吸排液,使泵能连续排油;由于该泵由两组独立的进排油系统,可实现油层的分层开采,有效的解决层间矛盾,发挥潜力层作用,提高采收率;因上下两泵串联而成,中间有密封装置,故下柱塞出不了泵筒,在施工时必须安装脱接器进行抽油杆与柱塞联接,并在泵上的管柱上安装泄油器。双排泵双作用泵二、杆驱往复泵抽油原理(三)、抽油泵( 4)• 特种泵形式( 2)串联式抽油泵该泵的泵筒与柱塞由不同规格的两种抽油泵泵筒与柱塞联结而成。它利用液力反馈的原理,在下冲程时产生向下的推力,克服稠油与抽油杆的摩擦力,减轻抽油杆的交变程度,减少和避免抽油杆断脱。可适用于粘度较低但断脱频繁的油井,适用于没有热采条件的稠油井。该抽油泵还可改变抽油杆受力状况。•长柱塞注采泵 (稠油 )该泵工作时,由于结构的特殊性,柱塞上下两头始终露出泵筒两端,从而防止砂粒进入泵筒,避免了砂卡柱塞,减轻了柱塞 \泵筒的磨损,提高了整泵的使用寿命。当需要注汽时,下放柱塞到最下端,即可进行作业。长柱塞注采泵二、杆驱往复泵抽油原理(三)、抽油泵( 5)• 特种泵形式:( 3)阀式注采泵是为解决稠油开采的问题而在管式抽油泵的基础上开发的一种泵。阀式注采泵强制机械阀式抽稠油泵二、杆驱往复泵抽油原理(三)、抽油泵( 6)• 特种泵形式:( 4)长柱塞防砂卡抽油泵动筒式防砂卡抽油泵 动筒式杆式泵二、杆驱往复泵抽油原理(三)、抽油泵( 7)• 特种泵形式:( 5)斜井抽油泵(弹簧凡尔 ) 悬挂式抽油泵有杆射流增压抽油泵泄油脱接配套抽油泵 防腐抽油泵防气锁抽油泵二、杆驱往复泵抽油原理(四)、抽油杆、油管• 抽油杆:• 作用:动力、动作传递作用及承载作用。• 特性:强度、弹性伸缩、自重、阻力。• 类型:常规钢杆、连续抽油杆、钢索、玻璃钢杆、空心抽油杆。• 油管:• 作用:密封(保证油管内泵筒以上液柱与泵口以下及管外不同压力系统。管内高压流体不漏至管外)、挂泵、承载作用。• 特性:强度、弹性伸缩、阻力。• 类型:常规油管、连续油管、内涂油管、保温油管。• 杆驱往复泵抽油系统中存在的问题:• 1、油层流至井筒中的流体属油、气混合物。并含水、含蜡、含砂、含腐蚀性介质等。不同油田,不同的开发阶段突出问题不同:稠油、高气油比、高含蜡、高含水、高含砂、高腐蚀性。• 2、泵的供排协调问题。即油层流至井筒的液体与泵排出的液体相等,但与泵的排液能力不一定匹配。以及油层的间隙出液。• 3、井筒径向空间的限制、井斜,杆、管相对运动的磨擦,磨损、脱扣等问题。• 4、液柱载荷的交替作用,油杆的承载压缩及油管的伸缩;作业泄液等问题。• 根据其主要矛盾及次要矛盾的不同,必须采用相应的措施。三、杆驱往复泵抽油系统研究方向三、杆驱往复泵抽油研究方向(一)、抽油机• 抽油机的研究方向:• 1、动力 曲柄连杆机构;• 链悬点机构;• 直线电机、开关磁阻电机 2、平衡原理:• 往复运动电机功率平衡 问题: 悬点载荷在周期性或不规则的变化 运行线路的变化,可实现速度的变化,从而在一定程度上可减轻惯性载荷及扭矩峰值冲击。• 电机 3、减速调速、控制原理:• 减速箱 经济、节能、安全、方便原理。比如机架、悬绳、操作、控制等原理。• 常规抽油杆管的主要问题是:防蜡、防脱、防漏失、防偏磨。• 清防蜡主要有:• 电热空心杆、管外伴热电缆、尼龙刮蜡器、 机械刮蜡器 、磁防蜡器。• 热洗井、化学清防蜡。• 涂层、复合油杆、油管 防脱主是油杆下行时,因液柱浮力作用, “中和点”以下杆柱交替受拉 防脱器、加重杆、操作规范。• 连续油杆 防漏失主要是油管丝扣问题。• 操作规范。• 连续油管 防偏磨• 扶正器。三、杆驱往复泵抽油研究方向(二)、抽油杆、管及附件•油杆的承载压缩及油管的伸缩。•油管锚定。•抽油杆改性,主要是减载。•玻璃钢杆。•作业泄液等问题。•泄油器。•对于稠油、高凝油还有一个液阻问题。•热力、化学、渗水。• 可靠性:• 泵的漏失、磨损、卡堵 质、精度。• 泵效:• 充满程度 液不足) ,气体影响。• 供排平衡是现场设计的目的。• 过高的液面,过长的杆柱对动力及地面设备是一种浪费;同时由于井深有限及现场追求的尽可能降低井底流压(实际井底流压存在一个合理值),是一种矛盾。• 供液不足,泵效低,同样对动力及地面设备是一种浪费;同时存在液击问题,对设备(机、杆、泵等)安全性造成影响。• 供液不足及气体影响是现场较普遍的一种现象 。• 解决思路是自动监测 遍采用的是抽油杆载荷监测。三、杆驱往复泵抽油研究方向(三)、抽油泵及配套装置( 1)• 气体进泵:• 气体影响,气锁降低泵效。一直以来以井下油气分离为目的 下油气分离器)的高效。• 但实际上,油管内液柱中如果混气,则可减轻液柱压力,起到气举的作用。• 两工帽空心凡尔杆抽油泵泵;• 附加凡尔垫抽油泵。• (防砂、防气锁)三、杆驱往复泵抽油研究方向(三)、抽油泵及配套装置( 2)• 动力的井下平衡:• 双作用泵、双排泵、三作用泵。• 问题:压排 曲等机械问题及配套解决方案。• 由于常规游梁式抽油机及其变型的曲柄连杆机构类抽油机在油田应用非常普遍。以及目前计算机及通信技术的成熟。• 目前遥控遥测及自动控制方面与之配套的应用研究也在快速发展。• 监测的主要内容为: 悬点载荷、位移,电机电流、电功率,井口压力(回压、套压)、温度、动液面(泵口压力),以及红外探测光杆密封盒温度,现场音像等。三、杆驱往复泵抽油研究方向(四)、遥控遥测及自动控制( 1)• 对于含水比、气油比、产油量等,由于计量技术问题,目前主要在计量站以分离器间歇式求产进行。计量方面,以前追求的是准确性,而对间歇式计量的代表性没有注意。实际上间歇式求产与连续生产过程的差别较大。主要用于控制、分析与处理的连续计量误差可以适当放大。• 因此,以适当经济可靠的井口计量方式与遥测配套,取代计量站是研究的方向。• 液面(泵口压力)的监测,目前主要使用的是回声仪,不利于遥控遥测及连续测试;在遥控遥测方面主要应用的是井下压力计,但成本高,起下作业复杂。• 自动控制的主要内容为: 悬点载荷(抽空控制)、光杆密封过热(防漏防喷)控制、井口回压(防漏)。• 抽空控制,只以悬点载荷是不全面的,配合经济可靠的液面(泵口压力)测试及井口计量是研究的方向。• 遥控的主要内容: 抽油系统的异常以及现场作业情况等。三、杆驱往复泵抽油研究方向(四)、遥控遥测及自动控制( 2)• 对于其它类型的采油系统,遥控遥测及自动控制与之类似。• 与不断发展的机采系统相配套的,经济可靠的 测试方法的研究是遥控遥测及自动控制的关键。四、杆驱螺杆泵抽油原理杆驱螺杆泵抽油装置主要包括:井口驱动装置、抽油杆、井下螺杆泵。• 井口驱动装置 抽油杆 井下螺杆泵 、杆驱螺杆泵抽油原理(一)、螺杆泵 (1)• 井下螺杆泵 下单螺杆泵的抽油工作原理( 1):螺杆泵由一个单头转子和一个双头定子组成一个相对运动组件,两件之间形成一个密闭的空腔,当转子在定子内转动时,螺旋空腔就会从一端向另一端移动,产生泵的作用。空腔在泵的入口顺序形成直至另一端,其空间尺寸由定转子的螺旋空间尺寸所决定,当转子旋转时吸入口的液体介质随着空腔的螺旋运动向另一端排出。四、杆驱螺杆泵抽油原理(一)、螺杆泵 (2)井下单螺杆泵的抽油工作原理( 2):最大的优点是:对气、液、砂、稠油等流体适应性强。最大的缺点是:定子为胶筒,干磨会烧毁定子,同时转定子间的密封会因磨损而降低。但最重要的一点: 螺杆泵定子胶筒的磨损问题。正转示意 反转示意转子螺旋方向与转子旋转方向决定其腔室移动方向(反螺旋,正旋转)转子、定子螺距差倍。四、杆驱螺杆泵抽油原理(一)、螺杆泵 (3)螺杆泵转子、定子腔室原理的发展研究:1、 螺杆泵定子胶筒的磨损问题: 可调定子 。2、直腔胶筒、螺杆转子?对腔环外腔没有利用,有效腔室小。3、钢制腔环、阶曲转子?4、 合金扁弹性管、适当长螺距转子 ?5、腔环外腔的利用?调节定子外圆表面上的螺钉,以改变衬套的径向尺寸,可延长定子使用寿命 3倍或 4倍。可调定子四、杆驱螺杆泵抽油原理(二)、抽油杆、油管( 1)• 在杆驱螺杆泵抽油系统中,抽油杆是做旋转运动的,是对井口驱动装置产生的旋转动力(扭动)的传递。• 主要特点:杆柱承受扭性载荷。由于杆、管柱的弹性、(井斜,杆管)磨阻、转子的扭性载荷,会加剧油杆、油管的扭曲及轴向伸缩。• 因此,井口相对均匀的旋转运动,传递到转子是呈周期间歇性的,(停) 管的轴向伸缩而产生的转子的上下波动。油杆在油管内也并不总是绕其“几何轴心”做旋转运动,而是间歇性地做“曲转”转动。• 这方面的研究目前不是很深入。• 主要问题:纽曲 扣。• 常见的现象:油杆、油管的磨损比杆驱往复系统严重。• 油杆底部脱扣现象及顶部脱扣现象常见。• 油管底部及定子脱扣普遍。四、杆驱螺杆泵抽油原理(二)、抽油杆、油管( 2)• 目前解决的方法:• 适当选用大直径杆, 附加扶正器 ,地面驱动头及抽油杆底部止逆装置。• 油管锚普遍采用。按要求应使用张力锚,使油管处于拉伸状态最有利。但张力锚,操作相对复杂,且一旦出现故障往往造成大修井。所以现场使用压力锚的情况仍较常见。• 研究的方向: 作为完善方面,油管锚、 油杆的扶正方式及扶正器、转子的轴向波动附加伸缩节等的研究。• 正因如此,以及电控技术及电机的发展,目前井下电驱螺杆泵已成为发展的方向。四、杆驱螺杆泵抽油原理(三)、测试及监测• 杆驱螺杆泵的测试,目前主要是电流及电功率。• 与其它机采监测一样:井口压力、液面或泵口流压、含水比、气油比及产量测试。• 除电流、电功率外,扭转矩监测相对较为重要。• 螺杆泵的分析也相对简单。不妥之处 请批评指正 !谢谢 !黄新武此讲稿是个人对有杆泵采油系统及其发展的认识的一个简结,与教科书的讲法在概念及顺序上都有所不同,对理论及公式也未加介绍。
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