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1、2,水力活塞泵采油,（1）水力活塞泵井设备与工作原理,（2）水力活塞泵井生产参数优化设计,（3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断,3,本章课后大作业, (1)绘制单作用水力活塞泵工作原理示意,图，并说明上下冲程工作原理。,4,主要内容,8水力活塞泵采油,（1）水力活塞泵井设备与工作原理,（2）水力活塞泵井生产参数优化设计,（3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断,5图4-8 开式水力活塞泵采油系统,液马达,一、水力活塞泵井设备与工作原理,高压泵机组,高压控制管汇,动力液处理装置计量装置,地面管线,井口,抽油泵滑阀控制机构,系统,组,成,油井装置,地面流程,水力活塞泵井下机组井下器具管柱结构,6,
2、工作原理：,动力液地面加压；,油管或专用动力液管输送；,动力液被传至井下液马达处；,滑阀控制机构换向；,动力液驱动液马达；,液马达做往复运动；,液马达通过活塞杆带动抽油泵做往复运动；,原油被增压举升。,适,应,条,件,主要缺点：,油层深度与排量范围大；,含蜡；,稠油；,井斜。,(1) 机组结构复杂，加工精度要求高；(2) 地面流程大，投资高(规模效益)；7,8,(2) 按动力液循环分类,(3) 按动力液性质分类,水力活塞泵采油系统类型分类：,(1) 按系统井数分类,单井流程系统；多井集中泵站系统；大型集中泵站系统。,闭式循环方式：乏动力液不与产出液混合。,开式循环方式：乏动力液与产出液混合。,
3、原油动力液水力活塞泵采油系统,水基动力液水力活塞泵采油系统,9,(4) 按井下泵的安装方式分类,固定式安装：整个泵随油管下入井内，优点是泵径,大、排量大，缺点是起泵必须起油管。,插入式安装：泵工作筒随大直径油管下入井内，而沉,没泵机组则用小直径油管下入，插到泵工作筒内。,投入式安装：又分单管封隔式和平行管柱式，泵工,作筒随油管下至井底，沉没泵机组则从油管中投,入，使用液力下泵和起泵，优点是起下泵方便，缺,点是泵径受到限制，排量较小。,最常用的三种水力活塞泵抽油装置,(1) 开式循环单管封隔器投入式水力活塞泵采油系统；,(2) 闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵采油系统；,(3) 开式循环平行管柱
4、投入式水力活塞泵采油系统。,平行旁通管为乏动力液的流道。,平行管通到封隔器下部，以排放封隔器下部聚集的气体。10,11,图4-8 开式水力活塞泵采油系统,图4-9 闭式水力活塞泵采油系统,12,水力活塞泵井下机组,(1) 液马达：将动力液的压能转换为机械能,带动泵工作。,(2) 泵：将液马达传递给它的机械能转换成,液体的压能，用来提高油层产出液的压能。,(3) 主控滑阀：利用液压差动原理控制液马,达和泵柱塞做往复运动的换向控制机构。,单作用泵工作原理示意图13,(一)单作用泵工作原理,下冲程：,主控制滑阀位于下死点，,如图4-12a所示。,这时，高压动力液从中心,油管经过通道a 。进入液马达,
5、下缸，作用在活塞下面的环形,面积上。,同时，高压动力液还经过,通道b 进入腔室c ，再由通道d,进入液马达上缸，作用在液马,达活塞上面的全面积上。,单作用泵工作原理示意图14,(一)单作用泵工作原理,因此，液马达活塞上、下,两面都作用有动力液的高压，,但由于它上面的面积大于下面,的面积，,所以上面的总压力大于下,面的总压力，,就是在这个压力差作用,下，液马达进行下冲程。,由于液马达活塞和泵活,塞用一个活塞杆相连，,前者的下冲程必然引起,泵活塞的下冲程。,此泵是和一般抽油泵结,构相同的单作用泵，因此，,下冲程时，固定阀( 吸入阀),关闭，而游动阀( 排出阀)打,开，抽油泵排出下冲程中被,吸入泵内
6、的油层产出液。,随着液马达活塞的下冲,程继续进行，活塞杆继续往,下。,单作用泵工作原理示意图15,活塞杆实际上是一个,辅助控制滑阀，,在杆身的上部和下部,开有控制槽e和f。,当活塞杆接近下死点,时，它的上部控制槽e沟通,了主控制滑阀上、下端的,腔室c和g，,使高压动力液由控制,槽e进入主控制滑阀下端腔,室g。,单作用泵工作原理示意图16,由于主控制滑阀上端面,的面积小于下端面的面积，,在同样的高压动力液作,用下，下面的总压力必然大,于上面的总压力，,所以使主控制滑阀推向,上死点。这时，就开始进行,上冲程。,单作用泵工作原理示意图17,上冲程：,主控制滑阀位于上死,点，如图4-12b所示。,这时
7、，高压动力液从中,心油管经过通道a进入液马,达下缸。,由于主控制滑阀位于上,死点，堵塞了通道b，使高,压动力液不能象下冲程一样,由通道d进入液马达上缸。,单作用泵工作原理示意图18,这时，液马达上缸经,过通道d、主控制滑阀中,部的环形空间h和抽取的,油层产出液相沟通。,因此，液马达的上缸,充满低压油层产出液，,而下缸仍然作用有高,压动力液。,单作用泵工作原理示意图19,这时，在压力差的作用,下，液马达的活塞进行上冲,程。,上缸中工作过的乏废动,力液和抽取的油层产出液相,混合后，提升到地面。,上冲程时，抽油泵的游,动阀关闭，固定阀打开，进,行吸油过程。随着上冲程的,进行，活塞杆继续往上。,单作用
8、泵工作原理示意图20,当活塞杆接近上死点,时，它下部的控制槽f使主控,制滑阀的下腔室和抽取的原,油相沟通。,单作用泵工作原理示意图21,这时，在主控制滑阀上,端面作用有高压动力液，,下端面作用的是低压的,油层产出液。,在这个压力差作用下，,主控制滑阀就往下运动到下,死点。,这样，就使液马达重新,开始转入下冲程。,单作用泵工作原理示意图22,23,(二)井下机组工作参数计算,在水力活塞泵井的设计中，应根据油井的生产和地质情,况，确定基本参数计算的内容，它包括以下几项：,在液马达处和地面井口处所需的动力液压力；,动力液的流量；,水力活塞泵的排量、功率和效率。,P1-驱动液马达的压力,P2-泵排出压
9、力,P3-泵吸入压力,P4-乏动力液排出压力,q1-动力液流量,qsc-泵排量,s-井口动力液压力,r-闭式乏动力液井口压力,wh-产出液井口压力,Ae-液马达活塞的截面积,Ap-泵柱塞的截面积，,Ar-活塞杆截面积。,图4-13 闭式与开式动力液压力分析系统24,图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力 25,图4-14表示了一种,双作用水力活塞泵,在上、下冲程中的,压力作用简图。,根据在各截面积上,的力的平衡可得到,水力活塞泵井下机,组的压力平衡方程,。,图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力26,以上冲程为例进行分析。,向下作用的力：,P Ar + P4 ( Ae Ar ) + P2
10、( Ap Ar ) + Fr,1,其中，Fr为机组的摩擦力。,向上作用的力：,1 1,P ( Ae Ar ) + P3 ( Ap Ar ) + P Ar,以向上作用力为正，根据力,的平衡可得到机组上下的压,力平衡式：,1,( P P4 )( Ae Ar ) ( P2 P3 )( Ap Ar ) Fr = 0,或,1, Pr = 0,Ap ArAe Ar,P P4 ( P2 P3 ),（4-13）图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力27,令,E,P,Ap ArAe Ar,=,泵与马达柱塞的纯截面积,比，对于双作用泵也等于泵,与马达排量比。则（4-13）,式可写为：,1, Pr = 0,E,P
11、 P4 ( P2 P3 ) P,（4-14）图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力28,图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力29,方程（4-14）是水力活塞泵油,井设计与分析的基本方程。利,用动力液的单相管流和产出液,的多相管流公式就可建立井下,与井口压力和排量等的关系。,1, Pr = 0,E,P P4 ( P2 P3 ) P,（4-14）,30,主要内容,8水力活塞泵采油,（1）水力活塞泵井设备与工作原理,（2）水力活塞泵井生产参数优化设计,（3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断,31,二、水力活塞泵井生产参数优化设计,(2) 决定开式或闭式系统；,(3) 决定油井气体全部泵出，还是
12、放气；,(4) 选择合适的井下装置；,(5) 系统工况参数确定；,(6) 决定建设泵站还是单井系统；,井筒流体物性分布,下泵深度井筒压力分布,井筒温度分布,动力液排量,泵效功率与举升效率,(7) 选择地面泵组；,(8) 设计动力液系统。,(1) 油井产能分析；,32,根据需要的泵排量和下图确定泵型,图3-18 国产水力活塞泵举升能力曲线,1-长冲程双作用泵；2-平衡式单作用泵；,3-双液马达双作用泵；4-变压力比单作用泵,33,井下机组径向尺寸的确定,水力活塞泵井下机组的径向尺寸受到油井直径的限,制，特别是对于自由安装式水力活塞泵。,油管2in2 1/2 in,井下机组的外径 47.5mm 5
13、8.5mm,由干井下机组径向尺寸很小，所以给水力活塞泵的结构,设计带来许多特殊要求。,34,冲程长度和冲程次数的选择,在井下机组径向尺寸很小的条件下，为了保证一,定的排量，必须尽可能增加活塞的冲程长度和冲程次,数。,冲程长度的增加主要受到机组中高精度同心部件,的结构工艺性、细长活塞杆的纵向稳定性、工作部件,和泵阀的耐久性以及方便等因素的限制。,对于自由安装式水力活塞泵，当冲程长度达1m,时，它的总长应为55.5m左右。井下机组的长度过,大会使起下操作和运输复杂化。,实践证明，对于自由安装式井下机组，冲程长度,等于1m或少些，基本就能满足工艺要求。对于固定安,装式井下机组，根据使用要求的不同，可
14、采用较大的,活塞冲程长度。,一般情况下，冲程长度可选择在0.41m之间。35,冲程次数的增加受到井下机组的使用寿命及泵缸充,满系数的限制，泵缸的充满系数取决于油井中原油粘度,和机组的沉没度,一般的冲程次数在4085次/min范围内变化对于科贝公司生产的井下机组，冲程和冲次之间,关系可由下式确定：,236,泵活塞、液动机活塞以及活塞杆直径比值的确定,根据给定的机组工作参数，正确地选择泵活塞、,液动机活塞以及活塞杆直径比值是设计计算的重要问,题之一。,泵活塞和液动机活塞的直径比值，一方面取决于,下泵深度，即下泵深度愈大比值愈小；另一方面又受,到地面动力泵排出压力的限制。,泵活塞直径=d管/1.75
15、， d管/2， d管/2.5液动机活塞直径=d管/2活塞杆直径=d管/437,38,液动机活塞的速度调节和冲程换向,一般不需要经常改变井下机组的工况或活塞组的,平均速度。,为了调节液动机活塞的平均速度，只要改变进入,液动机的动力液流量即可，而动力液流量的改变可采,用容积调节和节流两种方法。,容积调节用作粗略调节，利用选择相应排量的地,面动力泵或进行地面动力泵排量的有级调节（换柱塞,直径或变冲程次数），它的优点是无功率损失。,39,节流调节用作准确调节，在地面动力泵的排出管线,上装节流阀，用以改变动力液的流动阻力，将多余的液,量引回地面动力泵的吸入管线，同时利用稳压器维持节,流阀中的压力降不变，
16、使活塞平均速度稳定。,节流调节法的优点是安装和使用方便，缺点是引起,功率损失和装置总效率的降低。,因此应该设法使准确调节时多余的液量最小，在这,方面成组驱动比单独驱动优越得多。,40,液动机活塞的冲程换向是由控制滑阀来实现的。控制滑阀是井下机组最重要的部件，它的正确设计,在很大程度上决定了井下机组的效率和寿命。,控制滑阀应满足下列五点要求：,（1）保证液动机活塞的无冲击换向；,（2）保证换向的活塞组能到达极限位置（冲程长度的,计算值），最大限度地利用液动机和泵的工作容积和尽可,能地减少余隙容积；,（3）使活塞组的工作循环能保证自动作用的泵阀关闭,滞后最小和冲击最小；,（4）尽量缩短换向时间和减
17、少功率损失；,（5）当液动机活塞和滑阀在任一位置时，保证液动机,及时启动。,41,当液动机活塞换向时，它的速度调节是利用主滑阀,对进、出液动机的动力液进行节流来达到的。,为了保证无冲击换向，必须使主滑阀运动提前，即,比液动机活塞到达死点时有一定的提前值，把动力液引,入或放出主滑阀腔室。,因此，当液动机活塞接近一个死点时，主滑阀就开,始堵塞动力液引入（或放出）液动机的通孔，增加液流,阻力，减少液流流量，使液动机活塞速度减慢，直到液,动机通孔完全被堵塞，液动机活塞就完全停止。,42,液动机的加速由于主滑阀逐步打开通孔而进行得很平,稳。,液动机活塞制动和加速的平稳性给泵阀的开关创造了,有利条件。,液
18、动机活塞的加速制动段所需的时间和路程可分别进,行计算。,液动机活塞速度的变化规律取决于主滑阀腔室的通孔,形状和主滑阀的速度，后者有时作成随位移能平滑地或有,级地减小。,假如活塞组的质量较大和速度较大，为了使其在换向,前能平滑地制动，在液动机缸体的死点附近装有缓冲装,置。,43,主滑阀的控制是由辅助滑阀或活塞杆来实现的，,后者和液动机活塞刚性联接，,辅助滑阀控制主滑阀的冲程换向和动力液进入主滑阀,腔室的提前值，它也是用节流调节主滑阀的速度，利用在,辅助滑阀或活塞杆的不同区段上采用不同断面的节流槽，,就可使主滑阀获得一定的速度变化规律。,44,由于地面泵和整个液压系统的强度条件，动力液,的压力不能
19、超过一定数值。在选择活塞杆直径比值时,，必须特别注意它的强度，因为活塞杆的强度实际上,限制了井下机组的活塞所能承受的载荷数值。,45,结构设计中的几个特殊问题,1. 元件的密封问题；,2. 连接件的同心度问题；,3. 油管柱强度问题。,46,主要内容,8水力活塞泵采油,（1）水力活塞泵井设备与工作原理,（2）水力活塞泵井生产参数优化设计,（3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断,47,目前，有以下对水力活塞泵进行工况诊断的方法：,一、直观分析判断法,直观分析判断法能够作出比较准确的定性判断和大体,的定量分析，对水力活塞泵采油井的管理十分必要。但该,方法一直停留在人工观察井口动力液压力变化，凭经验
20、进,行工况诊断的水平，由于各人经验的相互差异，增大了分,析诊断结果的误差，导致盲目起换泵的工作量的增加而影,响油井产量，因此这种方法远远不能满足水力活塞泵生产,现代化管理水平的需要。,48,二、压力系统分析法,水力活塞泵采油井的工况可以采用压力系统分析（即,节点分析）法来进行诊断。为了得出比较精确的定量分析,数据，需要编制程序进行什算，其核心是计算泵吸入压力,P4。,对于开式系统,49,对于闭式系统,计算出P4后，可计算出油层中部压力和生产压,差，同时能够分析判断泵效、泵深和工作参数是否,合理以及油井的生产潜力。,50,三、对比分析法,该方法是对水力活塞泵泵内压力分布进行分析，总结,出液马达活塞理论运动规律，根据多口油井测试、检泵对,比资料，整理得出几种在矿场上常见的典型工况模版。,应用计算机采集井口动力液压力和流量随时间的变化,曲线，对比典型工况模版，进行泵况诊断分析。,
