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1、第三章 有杆泵采油,主要内容： 抽油装置及泵的工作原理 抽油机悬点运动规律及悬点载荷 抽油机平衡、扭矩及功率计算 影响泵效因素及提高泵效措施 有杆抽油系统设计 有杆抽油系统工况分析,有杆泵采油典型特点：,(1) 常规有杆泵采油：抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵。,(2) 地面驱动螺杆泵采油：井口驱动头的旋转运动通过抽油杆传递给井下螺杆泵。,有杆泵采油分类：,地面能量通过抽油杆、抽油泵传递给井下流体。,常规有杆泵采油是目前我国应用最广泛的采油方式，我国机械采油井占总井数的90%以上，其中有杆泵占机采井的90%以上。全国产液量的60、产油量的75%靠有杆抽油采出。,本章主要讲授矿场普
2、遍采用的 游梁式抽油机井有杆泵采油。 即：常规有杆泵采油,螺杆泵是一种新型的机械采油设备。苏联于1973年首先研制成功采油用井下单螺杆泵，之后，美国、加拿大、法国等一些国家也相继研制和应用了螺杆泵采油。我国从1986年开始引进和使用螺杆泵采油。螺杆泵采油，就其驱动方式来讲，可分为地面驱动和井下驱动两类。目前广泛应用的是地面驱动单螺杆泵。,采油方法螺杆泵采油,（一）系统组成螺杆泵主要由地面驱动和井下泵两部分组成。驱动部分由防爆电机、皮带轮、减速箱和光杆密封器组成。井下泵由接头、转子、定子、定位衬套和扶正器等组成。,采油方法螺杆泵采油,（二）工作原理（略）,采油方法螺杆泵采油,（三）特点1）结构简
3、单，占地面积小，有利于海上平台和丛式井组采油；2）只有一个运动件（转子），适合稠油井和出砂井应用；3）阀内无阀件和复杂的流道，水力损失小；4）泵实际扬程受液体粘度影响大，粘度上升，泵扬程下降较大。,（四）国内技术现状 1）螺杆泵采油技术应用领域比较宽广，不仅在高粘、含气、含砂的油井上得到应用，而且在高含水、海上油井上也得到了应用。在发挥螺杆泵解决高粘度、高含气、高含砂油井井液抽汲难的优越性的同时，配合各种防砂措施和电加热空心抽油杆，使螺杆泵的应用领域不断拓宽。 2）通过开发一系列专用配套装置，解决了驱动系统调控、管柱防脱与扶正、杆柱防脱与扶正、泵与抽油杆的对接、抽空保护、清防蜡解堵、工况诊断等
4、技术难题。,采油方法螺杆泵采油,（四）国内技术现状 3）通过研究螺杆泵系统所受作用力和力矩，建立了描述系统工作状况的数学模型，为螺杆泵采油系统的分析诊断奠定了基础。 4）通过开展螺杆泵工况诊断和优化技术的研究，可以帮助人们正确判断油井工作状况，提供地面驱动系统、井筒内杆柱设计和泵型等方面的优化设计方案，提出调参的依据。,采油方法螺杆泵采油,（五）发展趋势 1）为提高排量和扬程，国外各公司在单螺杆泵结构优化的同时，积极研究多头螺杆泵。 2）为提高螺杆泵的综合性能和使用寿命，国外各公司在优化定子橡胶的配方和增强转子的耐磨、抗腐蚀的同时，还探索使用金属定子、非金属转子。,采油方法螺杆泵采油,（五）发
5、展趋势 3）为降低螺杆泵的制造成本，以提高经济效益，国外各公司在普遍从采用圆钢毛坯加工成型转子向采用热轧成型转子方向发展的同时，积极发展钢管热轧成型转子。 4）为避免杆、管磨损和抽油杆断脱问题，以减少井下事故，国外各公司不断改进井下驱动的螺杆泵系统，应用规模日益扩大。,采油方法螺杆泵采油,第一节 抽油装置及泵的工作原理,一、抽油装置,抽油机,抽油杆,抽油泵,其它附件,设备组成,抽油装置示意图,(一)抽油机,它是有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，将旋转运动转化成往复运动。,游梁式抽油机,游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、 动力设备和辅助装置,包括：游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种,
6、抽油机的运动过程,工作原理,工作时，动力机将高速旋转运动通过皮带和减速箱传给曲柄轴，带动曲柄作低速旋转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁作上下摆动。挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆柱作往复运动。,游梁式抽油机分类,后置式（普通式）和前置式,运动规律不同：后置式上、下冲程的时间基本相等；前置式上冲程较下冲程慢。,图3-2 后置式抽油机结构简图,图3-3 前置式气动平衡抽油机结构简图,游梁和连杆的连接位置不同。,不同点：,平衡方式不同：后置式多采用机械平衡；前置式多采用气动平衡。,新型抽油机：为了节能和加大冲程,节能,加大冲程,图3-4 异相型游梁式抽油机,双驴头游梁式抽油机,双驴头游梁式抽油机,链条式抽
7、油机,宽皮带式抽油机,液压增程抽油机,游梁式抽油机系列型号表示方法,CYJ 123.370(H) F(Y，B，Q),游梁式抽油机系列代号,CYJ-常规型,CYJQ-前置型,CYJY-异相型,悬点最大载荷，10 kN,光杆最大冲程，m,减速箱曲柄轴最大允许扭矩,kN.m,减速箱齿轮形代号，H为点啮合双圆弧齿轮。,平衡方式代号,F：复合平衡,Y：游梁平衡,B：曲柄平衡,Q：气动平衡,(2)抽油泵,a.结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠； b.制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长； c.规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强； d.便于起下； e.结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设
8、备。,一般要求,机械能转化为流体压能的设备,主要组成,工作筒(外筒和衬套)、柱塞及游动阀(排出阀)和固定阀(吸入阀)。,分类,按照抽油泵在油管上的固定方式可分为：管式泵和杆式泵,典型的抽油泵,A-管式泵,B-杆式泵,管式泵：外筒和衬套在地面组装好接在油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后再把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内。,杆式泵：整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的下端整体通过油管下入井内，由预先装在油管预定深度(下泵深度)上的卡簧固定在油管上，检泵时不需要起油管。,管式泵特点：结构简单、成本低，泵径大，排量大。但检泵时必须起出油管，修井工作量大，故适用于下泵深度不很大，产量较高的油井。,杆式
9、泵特点：结构复杂，制造成本高，排量小，检泵不需起出油管，修井工作量小。杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。,(3)抽油杆(能量传递的工具),杆体直径分别为13、16、19、22、25、28mm等。,抽油杆的长度一般为8000mm或7620mm。,接箍：抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。,抽油杆的强度：C级杆(570MPa)、D级杆(810MPa),光杆,光杆：联接驴头钢丝绳与井下抽油杆，并同井口盘根盒配合密封井口。,超高强度抽油杆(EL级杆),玻璃钢抽油杆,空心抽油杆,电热抽油杆,连续抽油杆,柔性抽油杆：如钢丝绳抽油杆,特种抽油杆,普通型抽油杆：结构简单、制造容易、成本低；直径小，有利于在
10、油管中上下运行。主要用于常规有杆泵抽油方式。,二、泵的工作原理,（一）泵的抽汲过程,抽油杆柱带着柱塞向上运动，柱塞上的游动阀受管内液柱压力而关闭。,泵吸入的条件：泵内压力(吸入压力)低于沉没压力。,A-上冲程,1)上冲程,泵内压力降低，固定阀在环形空间液柱压力(沉没压力)与泵内压力之差的作用下被打开。,泵内吸入液体、井口排出液体。,作用在泵上的 环形空间液柱压力,B-下冲程,2)下冲程,柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。,泵排出液体的条件：泵内压力(排出压力)高于柱塞以上的液柱压力。,柱塞上下抽汲一次为一个冲程，在一个冲程内完成进液与排液的过程。,光杆冲程：光杆从上死点到下死点的距离。,泵内压
11、力增加，当泵内压力大于柱塞以上液柱压力时，游动阀被顶开。,柱塞下部的液体通过游动阀进入柱塞上部，使泵排出液体。,工作原理：深井泵是依靠抽油机带动抽油杆使活塞在衬套内部做往复运动来实现抽油的。,活塞上下运动一次称为一个冲程，分为上冲程和下冲程。,每分钟内完成上、下冲程的次数称为冲次，用n来表示,悬点在上、下死点间的位移，称为光杆冲程，用S来表示。,活塞在上、下死点间的位移，称为活塞冲程，用Sp来表示。,（二)泵的理论排量,泵的工作过程是由三个基本环节所组成，即柱塞在泵内让出容积，井内液体进泵和从泵内排出井内液体。,在理想情况下，活塞上、下一次进入和排出的液体体积都等于柱塞让出的体积：,每分钟的排
12、量为：,每日排量:,泵的理论排量,第二节 抽油机悬点运动规律及载荷,研究目的：是研究抽油装置动力学，它是进行抽油装置的设计、选择以及工作状况分析的基础,悬点：抽油杆在驴头上的悬挂点。,运动规律：位移 S、速度 v 、加速度 a 。,一、抽油机悬点运动规律,固定杆：游梁支点与曲柄轴的连线,活动杆：曲柄、连杆、游梁后臂,四连 杆 机构,四连杆机构可以简化为简谐运动和曲柄滑块运动,(一)简化为简谐运动时悬点运动规律,假设条件：r/l0、r/b0,图3-7 抽油机四连杆机构简图,游梁和连杆的连接点B的运动可看做简谐运动，即认为B点的运动规律和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。
13、,则B点经过t时间(曲柄转角)时位移为：,驴头在下死点 曲柄垂直向上,以下死点为坐标零点，向上为坐标正方向，则悬点A的位移为：,A点的加速度为:,A点的速度为:,图3-8 简谐运动时悬点位移、速度、加速度曲线,(二)简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律,把B点绕游梁支点的弧线运动近似地看做直线运动，则可把抽油机的运动简化为曲柄滑块运动。,图3-9曲柄滑块机构简图,A点位移：,假设条件：,解的过程,为了便于用求导来得到A点的速度和加速度，应将A点得位移公式进一步简化。,二项式定理展开，取前两项,A点的位移：,A点的速度：,A点的加速度：,悬点冲程（最大位移）：,适用条件：应用于一般计算和分析，在精确
14、计算和分析及抽油机设计时，则须按抽油机实际四连杆计算。,悬点的最大加速度，即在上、下死点处。,图3-10 悬点速度变化曲线 1-按简谐运动计算；2-精确计算；3-按曲柄滑块机构计算,图3-11 悬点加速度变化曲线1-按简谐运动计算；2-精确计算；3-按曲柄滑块机构计算,二、抽油机悬点载荷计算,(一)悬点所承受的载荷,抽油机在工作时悬点所承受的载荷，是进行抽油设备选择及工作状况分析的重要依据。,动载荷,静载荷,其他载荷,杆重 液重,沉没压力 井口回压,振动 惯性 摩擦,（一）静载荷,包括：抽油杆柱载荷；作用在柱塞上的液柱载荷；沉没压力对悬点载荷的影响；井口回压对悬点载荷的影响,上冲程,（即杆柱在
15、空气中的重力）,下冲程,（即杆柱在液体中的重力）,1.抽油杆柱载荷,2.作用在柱塞上的液柱载荷,上冲程:,下冲程:,A-上冲程,B-下冲程,游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：,游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。,3.沉没压力(泵口压力) 对悬点载荷的影响,上冲程:在沉没压力作用下，井内液体克服泵入口设备的阻力进入泵内，此时液流所具有的压力即吸入压力。吸入压力作用在柱塞底部产生向上的载荷:,下冲程：吸入阀关闭，沉没压力对悬点载荷没有影响。,4.井口回压对悬点载荷的影响,液流在地面管线中的流动阻力所造成的井口回压对悬点产生附加的载荷。,上冲程：增加悬点载荷,下冲程：减小抽油杆柱载
16、荷,由于沉没压力和井口回压在上冲程中造成的悬点载荷方向相反，可以抵消一部分，因而，在近似计算中可以忽略这两项。,（二）动载荷(惯性载荷、振动载荷),1.惯性载荷(忽略杆液弹性影响),抽油机运转时，驴头带着抽油杆柱和液柱做变速运动，因而产生抽油杆柱和液柱的惯性力。惯性力与质量有关，与悬点加速度的大小成正比，其方向与加速度方向相反。,抽油杆柱的惯性力：,液柱的惯性力：,为油管过流断面变化引起液柱加速度变化的系数,上冲程:前半冲程加速度为正，即加速度向上，则惯性力向下，从而增加悬点载荷；后半冲程中加速度为负，即加速度向下，则惯性力向上，从而减小悬点载荷。,悬点加速度在上、下冲程中大小和方向是变化的。,下冲程:与上冲程相反，前半冲程惯性力向上，减小悬点载荷；后半冲程惯性力向下，将增大悬点载荷。,有公式（3-11a，3-11b）：,最大加速度应发生在上下死点处，其值见上面公式.,将公式（3-11a，3-11b）带入到：,
