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1、采油工程原理与设计采油工程原理与设计第三章 常规有杆泵采油主要内容：主要内容： 抽油装置及泵的工作原理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悬点运动规律及悬点载荷 抽油机平衡、扭矩及功率计算抽油机平衡、扭矩及功率计算 泵效计算泵效计算 有杆抽油系统设计有杆抽油系统设计 有杆抽油系统工况分析有杆抽油系统工况分析附录附录A API RP 11L采油工程原理与设计采油工程原理与设计有杆泵采油典型特点： 地面能量通过抽油杆、抽油泵传递给井下流体。(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
2、下螺杆泵。有杆泵采油分类：常规有杆泵采油是目前我国最广泛应用的采油方式，大约有80%以上的油井采油采用该举升方式。采油工程原理与设计采油工程原理与设计第一节 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过程介绍 采油工程原理与设计采油工程原理与设计工作时，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。(一)抽油机有杆深井泵采油的主要地面设备，它将电能转化为机械能，包括游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。游梁式抽油机组成游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置
3、工作原理游梁式抽油机分类后置式和前置式采油工程原理与设计采油工程原理与设计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：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。采油工程原理与设计采油工程原理与设计新型抽油机：为了节能和加大冲程。异相型游梁式抽油机异形游梁式抽油机双驴头游梁式抽油机链条式抽油机宽带传动抽油机液压抽油机节能加大冲程采油工程原理与设计采油工程原理与设计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
4、列代号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，悬点最大载荷，10 10 kNkN光杆最大冲程，光杆最大冲程，m m减速箱曲柄轴最大允许扭矩减速箱曲柄轴最大允许扭矩, ,kN.mkN.m减减速速箱箱齿齿轮轮形形代代号号，H为点啮合双圆弧齿轮，省略渐开线人字齿轮平衡方式代号平衡方式代号F：复合平衡Y：游梁平衡B：曲柄平衡Q：气动平衡采油工程原理与设计采油工程原理与设计(2)抽油泵：机械能转化为流体压能的设备工作筒(外筒和衬套)、柱塞及游动阀(排出阀)和固定阀(吸入阀)a.结构简单，强度高，质量好，连接部分密封可靠；一般要求按照抽油泵在油管中的固定方式可分为：
5、管式泵管式泵和杆式泵杆式泵主要组成分类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备。采油工程原理与设计采油工程原理与设计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。管式泵特点：结构简单、成本低，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
6、需要起油管。杆式泵特点：结构复杂，制造成本高，排量小，修井工作量小。杆式泵适用于下泵深度大、产量较小的油井。采油工程原理与设计采油工程原理与设计(3)抽油杆：能量传递工具。1-外螺纹接头；2-卸荷槽；3-推承面台肩；4-扳手方径；5-凸缘；6-圆弧过渡区采油工程原理与设计采油工程原理与设计抽油杆的杆体直径分别为13、16、19、22、25、28mm，抽油杆的长度一般为8000mm或7620mm，另外，为了调节抽油杆柱的长度，还有长度不等的抽油杆短节。接箍是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。按其结构特征可分为：普通接箍、异径接箍和特种接箍。普通接箍：普通接箍：连接等直径的抽油杆异径接箍：异径接箍
7、：用于连接不同直径的抽油杆特种接箍：特种接箍：主要有滚轮式接箍和滚珠式接箍，用于斜井或普通油井中降低抽油杆柱与油管之间的摩擦力，减少对油管的磨损扶正器扶正器抽油杆的强度：C级杆(570MPa)、D级杆(810MPa)采油工程原理与设计采油工程原理与设计超高强度抽油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采油工程原理与设计采油工程原理与设计二、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和自重作用而关闭。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(
8、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。采油工程原理与设计采油工程原理与设计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油与排油的过程。 光杆冲程：光杆从上死点到下死点的距离。 泵内压力增加，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。采油工程原理与设计采油工程原理与设计（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
9、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： 每分钟的排量为： 每日排量:泵的理论排量冲次：一分钟的时间内抽油泵吸入与排出的周期数。采油工程原理与设计采油工程原理与设计第二节 抽油机悬点运动规律及载荷一、抽油机悬点运动规律(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点做圆运动时在垂直中心线上的投影(C点)的运动规律相同。则B点经过t时间(曲柄转角)时位移为：采油工程原理与设计采油工程原理与设计 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
10、度为:A点的速度为:图3-8 简谐运动时悬点位移、速度、加速度曲线采油工程原理与设计采油工程原理与设计(二)简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律假设条件：0r/l1/4 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点加速度:A点位移：A点速度: 采油工程原理与设计采油工程原理与设计图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采油工程原理与设计采油工程原理与设计二、抽油机悬点载荷计算1.静载荷(一)悬点所承
11、受的载荷包括：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抽油杆柱载荷上冲程：上冲程：（即杆柱在空气中的重力）下冲程：下冲程：（即杆柱在液体中的重力）采油工程原理与设计采油工程原理与设计作用在柱塞上的液柱载荷上冲程 游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为： 下冲程 游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。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。采油工程原理与设计采油工程
12、原理与设计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将产生附加的载荷。 上冲程：上冲程：增加悬点载荷:下冲程：下冲程：减小抽油杆柱载荷:2.动载荷(惯性载荷、振动载荷)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。采油工程原理与设计采油工程原理与设计抽油杆柱的惯性力：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
13、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。采油工程原理与设计采油工程原理与设计抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷上冲程上冲程：取r/l=1/4时，下冲程下冲程：液柱引起的悬点最大惯性载荷上冲程：上冲程：下冲程下冲程中液柱不随悬点运动，没有液柱惯性载荷悬点最大惯性载荷上冲程：上冲程：下冲程：下冲程：采油工程原理与设计采油工程原理与设计振动载荷 抽油杆柱本身为一弹性体，由于抽油杆柱作变速运动和液柱载荷周期性地作用于抽油杆柱，从而引起抽油杆柱的弹性振动，它所产生的振动载荷亦作用于悬点上。其数值与抽油杆柱的长度、载荷变化周期及抽油机结构有关。(在
14、考虑抽油杆柱弹性时最大载荷计算时介绍)3. 摩擦载荷(1)抽油杆柱与油管的摩擦力 （杆管）上冲程主要受(1)、(2)、(4)影响，增加悬点载荷(2)柱塞与衬套之间的摩擦力 （柱塞与衬套）(3)液柱与抽油杆柱之间的摩擦力 （杆液）(4)液柱与油管之间的摩擦力 （管液）(5)液体通过游动阀的摩擦力 （阀阻力）下冲程主要受(1)、(2)、(3)、(5)影响，减小悬点载荷采油工程原理与设计采油工程原理与设计抽油杆柱与液柱之间的摩擦力 抽油杆柱与液柱间的摩擦发生在下冲程，摩擦力方向向上。阻力的大小随抽油杆柱的下行速度而变化，最大值为：主要决定因素：液体粘度和抽油杆的运动速度。把悬点看做简谐运动，则液柱与
15、油管间的摩擦力 上冲程时，游动阀关闭，油管内的液柱随抽油杆柱和柱塞上行，液柱与油管间发生相对运动而引起的摩擦力的方向向下，故增大悬点载荷。采油工程原理与设计采油工程原理与设计杆管摩擦力：杆管摩擦力：液体通过游动阀产生的阻力：液体通过游动阀产生的阻力：柱塞与衬套之间的摩擦力：柱塞与衬套之间的摩擦力： 抽抽油油杆杆柱柱载载荷荷、液液柱柱载载荷荷及及惯惯性性载载荷荷是是构构成成悬悬点点载载荷荷的的三三项项基基本本载载荷荷。稠稠油油井井内内存存在在摩摩擦擦载载荷荷及及大大沉沉没没度度的的井井沉沉没没压压力力产产生生的的载载荷荷；在在低低沉沉没没度度井井内内，由由于于泵泵的的充充满满程程度度差差，会会发
16、发生生柱柱塞塞与与泵泵内内液液面面的的撞撞击击，将将产产生生较较大大冲冲击击载载荷荷，从从而而影响悬点载荷。影响悬点载荷。采油工程原理与设计采油工程原理与设计(二)悬点最大和最小载荷1.计算悬点最大载荷和最小载荷的一般公式最大载荷发生在上冲程，最小载荷发生在下冲程，其值为：在下泵深度及沉没度不很大，井口回压及冲数不高的稀油直井内，在计算最大和最小载荷时，通常可以忽略Pv、F、Pi、Ph及液柱惯性载荷，则：令：则：采油工程原理与设计采油工程原理与设计2.2.考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算考虑抽油杆柱弹性时悬点最大载荷的计算 初变形期之后，抽油杆柱带着活塞随悬点做变速运动。初变形期之后，抽油
17、杆柱带着活塞随悬点做变速运动。在此过程中，除了液柱和抽油杆柱产生的静载荷之外，还会在此过程中，除了液柱和抽油杆柱产生的静载荷之外，还会在抽油杆柱上引起在抽油杆柱上引起动载荷动载荷。初变形期末抽油杆柱运动引起的自由纵振初变形期末抽油杆柱运动引起的自由纵振产生的振动载荷产生的振动载荷初变形期：初变形期：从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程。从上冲程开始到液柱载荷加载完毕的过程。抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷抽油杆柱做变速运动所产生的惯性载荷动动载载荷荷忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响忽略液柱对抽油杆柱动载荷的影响采油工程原理与设计采油工程原理与设计抽油杆柱自由纵振产生的振动载荷 在初变形期末激发
18、起的抽油杆的纵向振动微分方程为:边界条件初始条件抽油杆柱的自由纵振在悬点上引起的振动载荷为:用分离变量法求解为：坐标原点选在悬点采油工程原理与设计采油工程原理与设计图3-13 随 的变化悬点的的振动载荷是 的周期函数。所以，最大振动载荷发生在 处，实际上由于存在阻尼，振动将会随时间衰减，故最大振动载荷发生在 处，即：采油工程原理与设计采油工程原理与设计抽油杆柱的惯性载荷 惯性载荷的大小取决于抽油杆柱的质量、悬点加速度及其在杆柱上的分布。悬点加速度的变化决定于抽油机的几何结构。简谐运动时，悬点加速度为：抽油杆柱距悬点x处的加速度为： 初变形期之后抽油杆柱随悬点做变速运动，必然会由于强迫运动而在抽
19、油杆柱内产生附加的动载荷。为了使问题简化，把强迫运动产生的动载荷只考虑为抽油杆柱随悬点做加速度运动而产生的惯性载荷。采油工程原理与设计采油工程原理与设计在x处单元体上的惯性力将为：积分后可得任一时间作用在整个抽油杆柱L上的总惯性力：采油工程原理与设计采油工程原理与设计悬点最大载荷 初变形期后，悬点载荷P是抽油杆柱载荷、液柱载荷、及振动、惯性载荷叠加而成，即:t0为初变形期经历的时间 取最大振动载荷出现的时间为悬点出现最大载荷的时间,则得到计算悬点最大载荷的公式：采油工程原理与设计采油工程原理与设计a.油管下端固定 在油管下端固定的情况下，初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度等于悬点运动速度，即油
20、管下端固定时悬点最大载荷为：b.油管下端未固定初变形期末悬点运动速度： 初变形期末柱塞对悬点的相对运动速度将小于悬点运动速度，并且：油管下端未固定时悬点最大载荷为：采油工程原理与设计采油工程原理与设计3.计算悬点最大载荷的其它公式一般井深及低冲数油井简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷简谐运动、杆柱惯性载荷简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷采油工程原理与设计采油工程原理与设计第三节 抽油机平衡、扭矩与功率计算一、 抽油机平衡计算不平衡原因 不平衡造成的后果 上下冲程中悬点载荷不同，造成电动机在上、下冲程中所做的功不相等。上冲程中电动机承受着极大的负荷，下冲程中抽油机带着电动机运转，造成功率的浪费，降低电动机
21、的效率和寿命； 由于负荷极不均匀，会使抽油机发生激烈振动，而影响抽油装置的寿命。 破坏曲柄旋转速度的均匀性，影响抽油杆和泵正常工作。采油工程原理与设计采油工程原理与设计(一)平衡原理 在下冲程中把能量储存起来，在上冲程中利用储存的能量来帮助电动机做功，从而使电动机在上下冲程中都做相等的正功。 所以，为了使抽油机平衡，在下冲程中需要储存的能量或上冲程中需要释放的能量应该是悬点载荷在上下冲程中所做功之和的一半。下冲程：上冲程：平衡条件：采油工程原理与设计采油工程原理与设计(二)平衡方式气动平衡：机械平衡游梁平衡：游梁尾部加平衡重；曲柄平衡(旋转平衡)：平衡块加在曲柄上；复合平衡(混合平衡)： 游梁
22、尾部和曲柄上都有平衡重。(1) 气包内的气体压缩与膨胀(2) 多用于大型抽油机；(3) 节约钢材；(4) 改善抽油机受力状况；(5) 加工质量要求高(如气包的密封性等)。采油工程原理与设计采油工程原理与设计(三) 平衡计算1)复合平衡图3-14 复合平衡平衡半径公式:2)曲柄平衡平衡半径公式：图3-15 曲柄平衡采油工程原理与设计采油工程原理与设计3)游梁平衡达到平衡所需要的游梁平衡块重: 图3-16 游梁平衡(四)抽油机平衡检验方法1)测量驴头上、下冲程的时间平衡条件下上、下冲程所用的时间基本相等。如果上冲程快，下冲程慢，说明平衡过量。2)测量上、下冲程中的电流平衡条件下上、下冲程的电流峰值
23、相等。如果上冲程的电流峰值大于下冲程的电流峰值，说明平衡不够。采油工程原理与设计采油工程原理与设计二、曲柄轴扭矩计算及分析(一)计算扭矩的基本公式 抽油过程中减速箱输出轴(曲柄轴)的扭矩M等于曲柄半径与作用在曲柄销处的切线力T的乘积，即：复合平衡抽油机：曲柄平衡抽油机：游梁平衡抽油机：不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式不同平衡方式的抽油机扭矩精确计算相关式思考题：上述公式的推导。采油工程原理与设计采油工程原理与设计简化条件：忽略游梁摆角和游梁平衡重惯性力矩的影响。复合平衡抽油机:曲柄平衡抽油机：游梁平衡抽油机：扭矩因数：悬点载荷在曲柄轴上造成的扭矩与悬点载荷的比值。抽油机结构不平衡值B：等
24、于连杆与曲柄销脱开时，为了保持游梁处于水平位置而需要加在光杆上的力。(方向向下为正)不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式不同平衡方式的抽油机扭矩简化计算相关式采油工程原理与设计采油工程原理与设计(二)扭矩因数计算图3-17 抽油机几何尺寸与曲销受力图采油工程原理与设计采油工程原理与设计(三)悬点位移与曲柄转角的关系扭矩曲线驴头在下死点位置时的 角驴头在上死点位置时的 角随角而变的b和K之间的夹角冲程百分数：抽油机运动规律实测示功图悬点载荷与曲柄转角的关系扭矩因素与曲柄转角的关系图3-18 濮1-3井扭矩曲线1.净扭矩；2.油井负荷扭矩；3.曲柄平衡扭矩采油工程原理与设计采油工程原理与设计(四
25、)扭矩曲线的应用1.检查是否超扭矩及判断是否发生“背面冲突”2.判断及计算平衡平衡条件：3.功率分析减速箱输出的瞬时功率: 减速箱的平均输出功率：电动机输出的平均功率：电动机输入的平均功率：4.效率分析电机、皮带传动、减速箱的效率分析。“背面冲突”：抽油过程中曲柄轴上出现负扭矩现象时，减速箱的主动轮变为从动轮的现象。采油工程原理与设计采油工程原理与设计(五)最大扭矩计算公式2.计算最大扭矩的近似公式(1) 抽油机悬点运动简化为简谐运动(2) 忽略抽油机系统的惯性和游梁摆角的影响(3) 最大峰值扭矩发生在曲柄转角为90时简化条件：有效平衡值 ：抽油机结构不平衡重及平衡重在悬点产生的平衡力。它表示
26、了被实际平衡掉的悬点载荷值。在平衡条件下：1.根据扭矩曲线计算最大扭矩采油工程原理与设计采油工程原理与设计3.计算最大扭矩的经验公式苏联拉玛扎诺夫于1957年提出：根据国内油井扭矩曲线的峰值建立的经验公式：采油工程原理与设计采油工程原理与设计三、电动机选择和功率计算(一)电动机功率计算 电动机的选择关系到电能的利用效率和能否充分发挥抽油设备与油层生产能力。a.负荷是脉冲的，而且变化大；游梁式抽油装置的特点： 目前国产抽油机所选配的电动机大多是高起动转矩系列的三相异步封闭式鼠笼型电动机。b.启动条件困难，要求有大的启动转矩；c.所用的电动机功率不太大，但总的数量大；d.在露天工作，要求电动机维护
27、简单、工作可靠。采油工程原理与设计采油工程原理与设计电动机功率与曲柄轴上的扭矩关系式为：由于抽油机悬点载荷是变化的，所以电动机功率与传到曲柄轴上的扭矩也是变化的，因此在变负荷条件下，电动机选择的一般是根据扭矩的变化规律，按等值扭矩来计算，即：等值扭矩Me ：用一个不变化的固定扭矩代替变化的实际扭矩，使其电动机的发热条件相同，则此固定扭矩即为实际变化的扭矩的等值扭矩。采油工程原理与设计采油工程原理与设计等值扭矩与最大扭矩之间的关系作简谐运动时，扭矩呈正弦规律变化：真实运动规律：考虑到不平衡等因素，实际计算时建议采用：电动机功率：采油工程原理与设计采油工程原理与设计（二）抽油效率计算(3) 光杆功率计算的近似计算：水力功率：在一定时间内将一定量的液体提升一定距离所需要的功率。光杆功率：通过光杆来提升液体和克服井下损耗所需要的功率。(1) 根据实测示功图准确计算：(2) 根据示功图绘制扭矩曲线准确计算光杆平均功率。采油工程原理与设计采油工程原理与设计地面效率：电动机效率皮带和减速箱效率四连杆机构效率盘根盒效率抽油杆效率抽油泵效率管柱效率井下效率：抽油效率：(结)
