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1、第八章,机械采油设备,1.机械采油的概念通过给井中原油补充机械能将油采到地面的方法称为机械采油法。2.机械采油法分类气举采油有杆泵采油（80-90%）无杆泵采油,有杆泵采油,(1)常规有杆泵采油Sucker Rod Pumping 抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传递给井下柱塞泵。,有杆泵采油,(2)地面驱动螺杆泵采油：Progressive Cavity Pumping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,常规有杆泵采油是目前我国最主要的采油方式，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。目前我国大约有抽油机8万多台。耗电量为油田开发总用电量的
2、1/4。全国产液量的60、产油量的75%靠有杆抽油采出。系统效率为20%左右。,第一节 有杆泵抽油装置,有杆泵抽油用油管把深井泵泵筒下入到井内液面以下，在泵筒下部装有，吸入阀，用抽油杆柱把柱塞下入泵筒，柱塞上装有，排出阀（游动阀）。通过抽油杆柱把抽油机驴头悬点产生的上下往复直线运动传递给抽油泵向上抽油。,一、抽油机(Beam Pumping Unit),有杆深井泵采油的主要地面设备将电能转化为机械能将旋转运动转化成往复运动。包括：游梁式抽油机无游梁式抽油机组成动力设备减速箱换向机构（游梁-连杆-曲柄机构）辅助装置,抽油机Beam Pumping Unit/Pumping Jack,一、游梁式抽
3、油机,1.游梁式抽油机的分类：,变型抽油机为适应长冲程做成前臂长，驴头端重,基本型游梁的前臂和后臂接近等长,抽油机技术发展历程,又回到四连杆机构（可变）异型、弯梁、调径变矩、杠铃游梁 20世纪80年代后,木制磕头机,常规游梁式抽油机,前置式、异相、空气平衡式,无游梁抽油机（链条、皮带）20世纪70年代,游梁,连杆,平衡块,曲柄,电机,皮带轮,减速箱,支架,驴头,悬绳器,常规型,游梁式抽油机主要部件,驴头：作用：将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆柱的垂直直线往复运动，同时可保证抽油时光杆始终对准井口中心，承担井下各种载荷的作用。,可拆卸式：螺栓连接,驴头根据移开井口方式分为,上翻式：驴头穿销为横
4、穿式，可上翻180,侧转式：驴头穿销为立穿式，可侧转180,游梁式抽油机主要部件,游梁：1）作用装在支架轴承上，前端安装驴头承受井下载荷，后端连接横梁、连杆、曲柄。绕支架轴承上下摆动来传递动力。2）特点抽油机工作时，游梁绕支架轴承做摇摆运动传递动力，同时承受悬点载荷、连杆拉力和支架通过轴承对游梁的反作用力等，因此，游梁本身必须具有足够的强度和刚度；为使驴头悬点与井口中心一致，游梁需配置微调装置。3）分类按材料分类：型材游梁和幅板箱式游梁按结构形式和截面形式分类：等截面游梁、变截面等强度游梁、绷绳桁架式游梁,游梁式抽油机主要部件,曲柄连杆机构：作用：是将电动机的旋转运动转变成驴头的上下往复运动。
5、曲柄是传递扭矩的主要部件。,游梁式抽油机主要部件,平 衡 块：帮助电机做功，减小电动机上下行程的载荷差。悬 绳 器：连接光杆和驴头的柔性连接件，可供动力仪测示功图用。横 梁：连杆和游梁连接的中间部件，带动游梁做摆动运动。刹车装置：有内胀式和外抱式两种，是靠刹车片和车轮毂接触时发生摩擦而起到制动作用。,前置型抽油机,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。,后置式抽油机结构简图,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。,游梁式抽油机分类,后置式,前置式,游梁式抽油机的分类,常规型抽油机
6、 异相型抽油机,结构特点：曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方。,结构特点：曲柄轴中心与游梁尾轴承存在一定的水平距离；曲柄平衡重臂中心线与曲柄中心线存在偏移角（曲柄平衡相位角）。,运动特点：上下冲程运行时间相等,运动特点：使得上冲程的曲柄转角明显大于下冲程，从而降低了上冲程的运行速度、加速度和动载荷，达到减小抽油机载荷、延长抽油杆寿命和节能的目的,常规型游梁式抽油机,异型游梁式抽油机,旋转驴头游梁式抽油机,调径变矩游梁式抽油机,新型抽油机异形双驴头游梁式抽油机,可变四连杆机构 后臂长和夹角改变 载荷大时平衡力矩大，载荷小时力矩小，降低减速箱峰值扭矩 节能2060%.,新型抽油机弯梁式抽油机,抽
7、油机平衡,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。,平衡方式,气动平衡：(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)。,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)：游梁尾部和曲柄上都有平衡重。,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
8、不够。,游梁式抽油机型号表示的意义,CYJ 12-3.3-70(H)B(Y;B;Q),二、链条式抽油机,1.链条式抽油机结构:主要由六大系统组成动力传动系统 换向系统 平衡系统 悬重系统 润滑系统 电控系统,链条式抽油机结构示意图,二、链条式抽油机,2.链条式抽油机的特点冲程长、冲数低、适用于深井和稠油开采90%冲程长度时匀速运动，惯性载荷和动载荷小，平衡程度好峰值扭矩小节电、系统效率高节约钢材运动部件寿命较短现场较难维护,链条式抽油机,皮带式抽油机,链传式抽油机,天轮式抽油机,直线往复式抽油机,第三节 抽油杆Sucker Rod,作用：在抽油装置中抽油杆是中间部分，起连接抽油机与抽油泵，并把
9、抽油机的动力传递给抽油泵的作用。100多年前我国四川盐卤井中使用藤条做的抽油杆1984年美国Samuel M.Jones 第一个获得金属抽油杆专利20世纪70年代以来，发明新材料、新技术、新工艺的新型抽油杆抽油杆的类型：(1)根据化学成份，抽油杆可分为碳钢抽油杆、合金钢抽油杆及玻璃钢抽油杆等类型。(2)根据抽油杆在杆柱中起的作用，抽油杆又可分为光杆、普通抽油杆和加重杆。,第三节 抽油杆Sucker Rod,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,1.光杆,光杆是抽油杆柱中最上端的一根抽油杆，其表面光滑，通过井口密封盘根，上端通
10、过悬绳器和绳辫子与抽油机驴头相连。驴头在下死点时，光杆伸入盘根盒以下的长度称为方入，盘根盒以上到悬绳器之间光杆的长度称为方余，光杆的方入要大于光杆冲程。,2.抽油杆,抽油杆主要有钢制实心抽油杆玻璃纤维抽油杆空心抽油杆连续抽油杆几种类型。钢制抽油杆是常规有杆泵抽油系统常用的类型。常用的抽油杆直径有四种16,19,22,25mm,2.抽油杆,超高强度抽油杆满足深抽和大排量生产,玻璃钢抽油杆耐腐蚀、降低载荷和冲程损失,空心抽油杆解决稠油和高凝油加药、热洗需要,电热抽油杆解决稠油和高凝油电加热需要,连续抽油杆改善断脱和偏磨,柔性抽油杆：如钢丝绳抽油杆,3.加重杆,抽油杆柱在向下运动时，由于原油通过游动
11、阀阻力作用向上顶托活塞，使与泵连接处的几根抽油杆受到压缩力作用发生弯曲，会加速这部分抽油杆的疲劳破坏，为延长抽油杆柱的工作寿命，采用在泵以上几十米的杆柱直径加粗，称为加重杆。杆身直径有35、38、51mm。,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：连接等直径的抽油杆,异径接箍：用于连接不同直径的抽油杆,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
12、油杆柱与油管之间的摩擦力，减少对油管的磨损,扶正器,抽油杆的强度：C级杆(570MPa)、D级杆(810MPa),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,悬绳器,悬绳器是连接光杆与绳辫子的工具，由上下两块扼板组成，光杆穿过下扼板由楔形卡瓦固定在上扼板上，两股钢丝绳穿过上扼板，由楔形卡瓦固定在下扼板上。悬绳器在抽油机工作时，承担整个工作载荷，在测示功图时安装测试传感器。,悬绳器结构示意图,盘根盒,盘根盒又叫光杆密封装置作用：密封光杆与油管之间的环形空间，防止井口漏油。,1弹簧座；2弹簧；3下压帽；4胶皮盘根；5盘根盒；6上压帽；7盘根帽；8撬
13、杆；9装机油；10光杆,井口装置,1.组成：套管头油管头抽油三通光杆密封器（盘根盒）正常抽油时，胶皮闸门打开，上部盘根盒里的胶皮盘根抱住光杆，起密封井口和防喷的作用。当更换上部密封盘根时，关闭下部的胶皮闸门，起临时密封井口的作用。,抽油井口装置示意图,第四节 抽油泵,对抽油泵的要求：结构简单、强度高；工作可靠，使用寿命长材料耐腐蚀和耐磨性强便于起下规格类型能满足不同油田的采油工艺需要（排量、温度、砂、蜡、气）。,抽油泵 Pump,1.泵的工作原理抽油泵主要由泵筒（外筒衬衣套）、柱塞、固定阀和游动阀四部分组成。柱塞上下运动一次称一个冲程，也称一个抽汲周期。一个周期完成进液和排液过程。,（一）抽油
14、泵的结构,1.抽油泵的基本组成：抽油泵主要由泵筒、吸入阀、活塞、排出阀四大部分组成。2.抽油泵的分类：按照抽油泵在井下的固定方式，可分为管式泵和杆式泵。,管式泵(Tubing Pump),结构特点：管式泵是把外筒、衬套和吸入阀在地面组装好并接在油管下部先下入井中，然后把装有排出阀的活塞用抽油杆柱通过油管下入泵中。优点：结构简单，成本低在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量较大缺点：起下泵作业时，它需起下全部油管修井时间长，费用高适用范围：下入深度较小，产量较高的井,杆式泵(insert Pump),结构特点杆式泵有内外两个工作筒，外工作筒上端装有锥体座及卡簧，下泵时把外工作筒随油管
15、先下入井中，然后把装有衬套、活塞的内工作筒接在抽油杆的下端下入到外工作筒中并由卡簧固定。将整个泵在地面组装成套后，随抽油杆柱插入油管内的预定位置固定，故又称为“插入式泵”。优点：起下泵作业时，可不起下油管，检泵方便。缺点：结构复杂，制造成本高适用范围：深井，单井产量相对低的井,按照泵筒结构形式划分,组合泵为了便于加工和保证质量，衬管分段加工，然后组装在泵筒内，这类泵称为衬管泵或组合泵。整筒泵（软密封柱塞泵）柱塞为材质较软的非金属材料，泵筒为整体泵筒。密封性和耐磨性好，加工要求低，易制造。整筒泵与组合泵相比具有：泵效高、冲程长、形式多、规格全、重量轻、装卸方便、不会发生“衬套错位卡泵”等优点。,
16、（二）泵的工作原理,1.上冲程：抽油杆柱带着活塞向上运动，活塞上的游动阀受阀球自重和管内压力作用而关闭。泵内由于容积增大而压力降低，固定阀在环形空间液柱压力与泵内压力之差的作用下被打开。井中原油进泵，同时在井口排出液体。泵内吸液，井口排液的过程造成吸液进泵的条件:泵内压力(吸入压力)沉没压力,泵的工作原理上冲程图,（二）泵的工作原理,2.下冲程：抽油杆柱带着活塞向下运动，固定阀关闭，活塞挤压泵中液体使泵内压力升高到高于活塞上方压力时，游动阀被顶开，泵中液体排到活塞上方的油管中去。泵排出液体的过程造成泵排出液体的条件:泵内压力柱塞以上的液柱压力,泵的工作原理下冲程图,（二）泵的工作原理,冲程光杆
17、从上死点到下死点的距离称为光杆冲程长度，简称光杆冲程或悬点冲程。冲次曲柄转一周中，悬点完成一个上冲程和一个下冲程，活塞上下抽汲一次，称为一个冲次。冲速每分钟的冲次数称为冲数或冲速。,（三）泵的理论排量,假设：活塞的冲程等于光杆的冲程；活塞让出的体积完全被原油充满抽油系统无漏失。即：柱塞上下一次吸入和排出的液体体积相等活塞上下一次，向上抽汲的液体体积为:每分钟排量为:每日体积排量为:每日质量排量为:,泵的质量理论排量，t/d；,式中:,泵的体积理论排量，m3/d；,第五节 水力活塞泵,水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备,由紧密组合成一体的马达和泵组成。实际上水力活塞泵就相当于把液压抽油机的驱
18、动油缸和换向阀移到井下和抽油泵一起连接，取消了抽油杆。地面动力泵通过油管将高压动力液送动力液经管柱泵入井内驱动油缸和换向阀，驱动井下马达从而带动抽油泵抽油工作，而乏动力液和油井采出液则由生产管柱返出地面。原理帕斯卡（Blaise Pascal）定律封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将毫无损失地传递至流体的各个部分和容器壁。根据帕斯卡原理，在水力系统中的一个活塞上施加一定的压强，必将在另一个活塞上产生相同的压强增量。,水力活塞泵,主要缺点：,出砂、稠油、含蜡；,斜井及水平井。,(1)机组结构复杂，加工精度要求高；,(2)地面流程工程量大，投资高(规模效益)。,主要优点,井下泵泵效高，
19、总效率可达4060%；,扬程高，泵挂深，目前国内下入深度最深已达3542m；,产量的适应范围比较大，可达30500m3/d；,1、系统组成 井下部分:水力活塞泵的主要机组，它由液动机、水力活塞泵和滑阀控制机构三个部件组成，起着抽油的主要作用；地面部分:地面动力泵、各种控制阀及动力液处理设备等组成，起着供给和处理动力液的作用；中间部分:中心动力油管以及供原油和工作过的乏动力液一起返回到地面的专门通道。,一、水力活塞泵采油系统组成和类型,Jet Pumps System,液马达,高压泵机组,井下管柱结构,井口,高压控制管汇,计量装置,动力液处理装置,地面管线,抽油泵,滑阀控制机构,系统组成,油井装
20、置,地面流程,水力活塞泵井下机组,一、水力活塞泵采油系统组成和类型,开式水力活塞泵采油系统,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,地面流程,井口,井下器具管柱结构,水力活塞泵井下机组,油井装置,液马达,抽油泵,滑阀控制机构,1.动力液系统及动力液,1)动力液系统按系统管理井数分：单井系统和中心站多井系统。按动力液排出方式分：开式：设备简单、操作容易、动力液费用高闭式：设备复杂、操作麻烦、动力液成本低按动力液流动方向分正循环系统：动力液从油管注入、环空采出反循环系统：很少应用（从未装泵的通道注入，装泵的油管通道产出）,开式水力活塞泵采油系统,闭式水力活塞泵采油系统,1.动
21、力液系统及动力液,2)动力液原油动力液：杂质1015ppm，润滑性好，成本低水基动力液：杂质15m，防腐剂+润滑剂，易腐蚀油田优先选用原油作动力液（开式循环多井系统）当原油粘度高或油井含水高时优先用水基动力液（闭式）,2.井下泵装置类型,水力活塞泵的安装方式可分为固定插入式套管固定式平行自由式套管自由式,2.井下泵装置类型,1.固定插入式水力活塞泵的井下机组随动力油管从油管中下入井底，动力液从直径较小的动力油管中注入井下机组，原油和乏动力液从动力油管和油管之间的环形空间返回地面，所有自由气都从油管和套管的环形空间导出，如（a）所示。,2.井下泵装置类型,2.套管固定式 水力活塞泵井下机组随动力
22、油管下入井底，并固定在一个套管封隔器上，动力液从动力油管送入井下机组，原油和乏动力液从动力油、套管的环形空间返回地面，所有的自由气须经水力活塞泵井下机组导出，如图1113(b)所示。,2.井下泵装置类型,3.平行自由式平行自由式安装方式有两个平行管柱。水力活塞泵井下机组从大直径管柱中下入井底，并在一个固定阀座上形成密封，同时上部也进入油管内壁的一个专用环箍处形成密封。原油和乏动力液从小直径管柱中排到地面，自由气不进泵而从套管中直接导出，如图1113(c)所示。,2.井下泵装置类型,4.套管自由式套管自由式只需一根管柱下到一个套管封隔器上，井下机组从管柱中下至井底并在一个固定阀座上座封，同时上部
23、也进入油管内壁的一个专用环箍处形成密封。动力液从管柱中进入井底，原油及乏动力液从套管中排到地面，自由气必须从水力活塞泵井下机组导出，如图1113(d)所示。,水力活塞泵的结构,(1)柱塞泵：将液马达传递给他的机械能转换为液体的压能，用来提高油层的产出液的压能，常用往复式柱塞泵。(2)液马达：将动力液的压能转换为机械能带动泵工作，常用往复式液马达。,水力活塞泵系统的工作原理：高压动力液经动力液管柱注入井中，驱动水力活塞泵上的液马达，使动力液高压势能为往复运动的机械能。液马达驱动泵，泵将机械能液体的静压，使产出流体采到地面。,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
24、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。,（1）下冲程,主控滑阀位于下死点。高压动力液从中心油管经过通道a进入液动机的下缸，作用在活塞的环形端面上；同时，高压动力液经过通道b进入腔室c，再由通道d进入液动机上缸，作用在活塞上端面上。由于活塞上、下两端作用面积不同而产生压差，使液动机带动泵柱塞向下运动。活塞杆实际上是一个辅助控制滑阀，在杆身的上、下部开有控制槽e和f。当活塞杆接近下死点时，上部控制槽e沟通了主控滑阀上、下端的腔室c和g，使高压动力液由控制槽e进入主控滑阀的下端腔室g。因主控滑阀下端面的面积大于上
25、端面的面积，在高压动力液作用下便产生压差，使主控滑阀推向上死点，从而完成下冲程。,无杆采油水力活塞泵,如图(b)，主控滑阀位于上死点。高压动力液从中心油管经过通道a进入液动机下缸。由于主控滑阀堵塞了通道b，使高压动力液不能进入液动机的上缸。液动机上缸通过通道d、主控滑阀中部的环形空间h与抽取的原油相沟通。在液动机上、下缸的压差作用下，液动机活塞带动泵的柱塞向上运动。上缸中工作过的乏动力液和抽取的原油混合后举升到地面。当活塞杆接近上死点时，下部控制槽f使主控滑阀的下腔室和抽取的原油相沟通，主控滑阀便被推向下死点，液动机重新开始转入下冲程，上冲程便结束。,(2)上冲程,无杆采油水力活塞泵,水力活塞泵的使用范围,深井与超深井定向井小井眼油井稠油多蜡,
