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1、第八章 机械采油技术,油田在开发过程中，地层能量逐渐下降，到一定时期油层能量就不足以使油井自喷。还有一些油田，由于原始地层能量小，或是由于油稠，一开始就不能自喷。这些井都必须借助机械进行采油，也叫人工举升方式采油。目前采用的机械采油方法可分为气举采油和深井泵采油两大类，而深井泵采油方式又分为有杆泵和无杆泵采油技术。（1）有杆泵采油：a、游梁式抽油机深井泵装置采油；b、地面驱动螺杆泵采油（2）无杆泵采油：包括水力活塞泵，射流泵，电动潜油泵等。,第一节 有杆泵采油基础 目前我国陆上大部油井都是机械采油井，机械采油中，气举采油占的比重较小，主要是深井泵采油法。用深井泵采油法生产的井通常叫抽油井。有杆
2、泵定义：地面动力设备，通过抽油杆将动力传递给井下的深井泵，带动其工作。目前使用最广泛的是游梁式抽油机深井泵装置。即叩头机，也叫驴头抽油机，校行政楼前有一台。另外还有链式抽油机，液压抽油机和滚筒抽油机等无游梁式抽油机。这种井通常也叫抽油机井。有杆泵已有相当大的历史，机械采油中有重要地位，因为：优点：结构简单，工作可靠，管理方便，适应性强。缺点：地面设备笨重，泵排量不很大，机械事故比较多，深井泵经常需要检修，不能很好地适应砂、蜡、水、稠等复杂情况及海上采油。,一、游梁式抽油机深井泵抽油装置 1、抽油装置图10-1所示为游梁式抽油装置工作示意图。,工作过程：用油管6把深井泵的泵筒2下到井内液面以下，
3、在泵筒下部装有只能向上打开的吸入凡尔（固定凡尔）1。用直径16-25mm的抽油杆柱把柱塞3从油管内下入泵筒。柱塞上装有只能向上打开的排出凡尔（游动尔）4。最上面与抽油杆相连的称光杆，它穿过三通8和盘根分别9由悬绳悬挂在驴头10上。借助抽油机的曲柄连杆机构13和12的作用，把动力机15（电动机或内燃机）的旋转运动变为光杆的往复运动，进而带动深井泵的柱塞进行抽油。抽油装置由三大部件组成。,（1）抽油机：它是有杆深井泵采油的主要地面设备，也是主要部分。游梁式抽油机主要由游梁连杆曲柄机构，减速装置，动力设备和辅助装置等四大部组成。工作时，动力设备的高速旋转运动，通过皮带的减速箱传给曲柄轴，带动曲柄作低
4、速旋转。曲柄通过连杆经横梁带动游梁作下上摆动，使驴头上下运动，挂在驴头上的悬绳器便带动抽油杆作往复运动。分为普通式和前置式。普通式游梁式抽油机的结构如图10-2，它们两者的差别是游梁机连杆的连接位置不同，主要的组成部分是相同的。普通式多采用机械平衡，支架在驴头和曲柄连杆之间，其上、下冲程的时间相等。为了节能和加大冲程，又发现了多种变型的游梁式抽油机，如异相型游梁式抽油机，又称曲柄偏置式抽油机。,我国家已制定了游梁式抽油机系列标准，其型号表示如下：,2、抽油泵又叫深井泵，是游梁式抽油机装置的井下部。在抽油过程中，靠泵的抽汲作用，原油先进入泵筒，再沿着油管被举升到地面。它主要由：工作筒（泵筒）、衬
5、套、固定凡尔、空心活塞及游动凡尔组成。工作条件恶劣。要求：结构简单、强度高，质量好，连接部分密封可靠，耐磨，抗腐蚀，寿命长。按照深井泵在井内的安装方式不同，可分为两大类：管式泵：它的泵筒是接在油管上的，下入井后，再用抽油杆柱下入活塞。图10-3。优点：泵径大，排量大，同时结构简单，加工方便。缺点：检修需起下油管，这就增加了修井的工作量。适应范围：浅井，大排量井，中等下泵深度的油井，不适应下泵深度大的深井。,杆式泵，把活塞、固定凡尔、泵筒装成一个整体，用抽油杆柱通过油管下入井内，座于接在油管上的外工作筒内。图10-3。优点：检修方便，不必起下油管，大大缩短了作业时间，没有固定凡尔，也就没有固定凡
6、尔打捞装置。缺点：同一油管直径允许下入的泵径相对较小。因而排量小，结构复杂，成本高。用于产量小，下泵深度大的油井。管式泵常用的规格有：32、38、43、56、70、83mm。3、抽油杆，截面为圆形的实心钢制杆，是游梁式抽油机装置的动力传递工具。按其名义直径可分为：5/8 3/4 7/8 1四种。物理性质来选择抽油杆的尺寸。为了减轻抽油杆的重量，增加允许下泵深度，除小产量浅井外，大多采用不同直径的组合抽油杆柱（等强度法）。,二、深井泵的工作原理1、泵的抽汲过程 抽油机把高速旋转的运动变成悬点的低速往复运动之后，通过抽油杆带动井下的深井泵工作。其工作原理：（1）上冲程吸入过程 活塞上升：游动凡尔关
7、闭，并将冲程上的一段液柱排出井口。同时泵内压降低，使吸入压力pi小于泵的沉没压力Psu，固定凡尔打开，井中流体进入泵内活塞所让出的空间，载荷作用在活塞上。即：游动凡尔关闭，固定凡尔打开，抽油杆伸长，油管缩短，井内液体吸入泵内。（2）下冲程排出过程 固定凡尔关闭，游动凡尔打开，抽油杆缩短，油管伸长，泵内液体被排入油管。,1、上冲程,2、下冲程,2、理论排量每个冲次排量：V=fps每分钟Vn=fp S N每日Vt=1440fp S N m3/d或 Qt=1440fp S N t/dQt泵的理论排量，t/d；fp活塞面积，m2；S冲程，m；N冲数，次/分；密度，t/m3。,三、泵效及其影响因素 泵效
8、：实践证明，油井的实际产量Qp总是小于理论排量Qt，两者之比称为泵效，即：一般的泵效在0.7左右。1、影响泵效的因素 正常情况下，泵效为，工作是良好的，有些带喷的井的泵效接近或大于1。矿场实践证明，泵效往往平均低于0.7，甚至有的低于0.3。影响泵效的因素很多，但从泵工作的三个基本环节（柱塞让出体积，液体入泵和从泵内排出）来看，可归纳为以下三个方面：,（1）抽油杆柱与油管柱的弹性伸缩，使活塞的实际冲程SpS。（2）气体和充不满的影响，气体有压缩性，影响泵效充不满是油来不及流入井筒内，产生了空抽，影响泵效。（3）漏失的影响，泵筒与柱塞之间的漏失影响泵效。2、提高泵效的措施（1）确定合理的工作方式
9、：即fp、S、N，要有足够大的设备能力来保证调整这三个参数。（2）使用油管锚，减少冲程损失，在油管下部用油管锚将其固定在套管上，消除伸缩。（3）合理利用气体能量及减少气体影响。,四、深井泵工作状况分析（一）悬点载荷分析1、抽油杆柱重量 驴头上、下运动时，也带着抽油杆运动，所以抽油杆的重量始终是作用在悬点上。上冲程：游动凡尔关闭，抽油杆柱不受管内液体的浮力作用。所以悬点载荷为抽油杆柱在空气中的重量，即：Wr=frrsL=qrLWr抽油杆在空气中的重量；ft抽油杆截面积；rs抽油杆的密度；L抽油杆的长度；qr每米抽油杆在空气中的重点。,下冲程：游动凡尔打开，油管内液体的浮力作用在杆柱上。即：Wr=
10、frL(rs-rl)=qrL Wr抽油杆柱在液体中的重量；qr每米抽油杆柱在液体中的重量；b抽油杆柱在液体中失重系数。b=rs-r1/rsr1抽汲液体的密度。2、作用在活塞上的载荷只有上冲程时，才有：W1=(fp-fr)L1W1上冲程时作用在活塞上的环形液柱重量。fp活塞载面积；fr抽油杆截面积。,(二)理论示功图及其诊断 1 静载荷作用下的理论示功图，图10-.5。示功图就是悬点载荷随光杆位程的变化，不考虑杆、管变形，曲线所构成的封闭图形。在静载荷作用下的示功图为长方形，如图中ABCD。实际上，由于液柱载荷上、下冲程中发生转移，必然会引起抽油杆柱和油管的弹性变形，结果使上冲程的悬点加载和下冲
11、程悬点卸载都不是瞬间完成的，而有一个过程。加载（减载）完毕之时，变形结束。即为ABCD，为静载荷作用下考虑杆、管壁的理论示功图。光杆冲程损失为BB,A点表示驴头处在下死 点位置，光杆只承受杆柱在 液体中的重量。当上行时，游凡尔关闭，活塞的液柱重 量逐渐从油管转移到抽油杆 上，这时，杆拉伸，管缩短，活塞相对于泵筒来说没有发生 位移，出现了BB段，其长度为拉伸、缩短的数值，即冲程损失，BA为增载线，到B点增载完毕变形也结束了。活塞连续上行至C点，吸入过程完成（截荷不变）。同时C点上死点，下行时，光杆卸载，有DD的损失，D点后载不变至A点，完成一个冲程，活塞位移Sp=DA。,2 考虑惯性载荷后的理论
12、示功图，由于驴头带着抽油杆和液柱作变速运动，因而会有抽油杆柱和液柱的质量引起的惯性力作用在悬点上，这称为惯性载荷。使示功图发生变形。还有振动载荷，也引起变化。还有摩擦力等。3 其它情况：有气体、漏失都会影响示功图的形状。,A,B,C,D,A,B,C,D,P,S,第二节 无杆泵抽油设备简介一、电动潜油离心泵（简称电泵或电潜泵）电潜泵举升技术就是用油管把离心泵和电机下入井中，把油举升至地面的采油设备。1、结构与组成，图10-13所示，电潜泵是由多级叶导轮串起来的一种电动离心泵，除了其长度直径小外，其它与普通泵的工作原理一样。电潜泵装置有：井下部分，由多级离心泵，保护器和潜油电机。井下部分是电潜泵的
13、主要机组。地面部分，控制台、自耦变压器，电缆滚筒，导向轮等。中间部分：特殊电缆，油管。,结构特点如下：,（1）潜油电动机，是电潜泵的动力，一般用的是两极、三相鼠笼式异步感应电动机。工作原理与其它感应电动机一样。结构上的特殊点是上止推轴承及特殊的油循环系统。外观上，细而长，转子和定子各分若干节，每节有单独的绕组，密封要求严格。（2）保护器：能平衡电潜油电机中的压力，由于深下几十米到几百米，因此电泵外壳会受到很大的液体压力，使电机内部变压器油的压力永高于周围井筒中的静压0.3-2kgf/cm2，这样既使有泄漏，只能从内部往外部漏，而不会往里漏液。主要有连通式、沉淀式和胶囊式保护器三种。（3）潜油电
14、泵：为多级离心泵，包括固定的转动两大部分，与普通离心泵相比：直径小，排量范围大，外径一般为85.5-102mm，排量范围可达30-8000m3/d；级数多，扬程范围宽，级数可达400级，长度可达20m，扬程一般在150-4500m；泵吸口有气体分离或压缩装置，防止气蚀，提高泵效；有径向扶正，轴向卸载和液压平衡机构。,优点：排量大（可达8000m3/d）；压头高可达4500m，下井深度已达2500m；能方便准确地调节工作参数；能减轻石蜡的析出，具有较高的携蜡，携砂能力；能量直接转换，总效率高，可达到=60%-70%，大大简化了地面设备，油管基本受静载荷，因而使用寿命长，修理间隔长；易于自动控制。
15、缺点：是泵的结构复杂，对电缆要求高，电机的密封要求也高。如果将泵和电缆以及电机的密封问题解决好，应用前途较广。电潜泵适用于高产井或大排液量井和深井、斜井、小井眼井，还可用于多砂，高含蜡的油井，也可用于地层转注。电潜泵在国内沈阳、重庆、大庆、上海各家生产，排量20-1589m3/d。,二、水力活塞泵采油 是一种液压传动的无杆抽油设备，是液压传动在抽油设备上的应用。1、组成 井下部分是水力活塞泵的主要机组，是心脏，包括水力发动机、活塞和控制滑阀。地面部分其作用是供给及处理动力液，包括地面动力泵，各种阀件及动力液的处理设备。中间部分中心油管将动力液送到井下机组，专门通道将废动力液和抽汲的原油由井下排
16、到地面。,2、工作流程 动力液罐吸入管地面动力泵加压后排出管井口四通8中心油管10井下机组中的水发动机其活塞通过活塞杆与下面的活塞泵的活塞相连，水力发动机的往复运动就使泵不断地从地层中抽取原油。3、水力活塞泵的井下机组的工作原理 就是将地面的液压能量，驱动水力发动机的活塞往复运动，进而驱动泵，不断地抽取原油。范围：深井、超深井；斜井、定向井；稠油井 水力活塞泵对不同油井条件的适应性情况，见表10-1。,三、水力射流泵采油 结构原理：其主要工作元件是喷嘴、喉管（又称混合室）和扩散管等。高压动力液由油管进入射流泵，经过喷嘴时以高速喷出，使喷嘴周围的压力下降。井筒的地层液体径单流阀进入喷嘴周围的环形空间，并被喷嘴喷出的动力液吸入喉管。在喉管中动力液和地层液充分混合后进入扩散管，然后经泵进出口进入油套环形空间，从而被举升到地面。,喷嘴,喉管,扩散管,P,优点：由于结构特点，具有抽汲广泛流体的能力，适用于高气油比、高温、高含砂和腐蚀性液体；检泵方便，无需起油管，可通过液力投捞或钢丝起下；结构简单，尺寸小，性能可靠，运转周期长，适用于斜井及海上油田；易调参数。缺点：因存在严重的喘流和摩擦，泵效低；一般需要大的动力液量或高的压力而需高压地面设备。,
