机械采油常识(复查)(DOC32页).doc
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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作第三章机械采油常识第一节有杆泵抽油机及井口装置在油田开发过程中,油田达到自喷晚期或停喷后,或原始地层压力不足,要对这些井进行采油,就必须安装一种人工举升装置,以维持所需要的井底流压和生产出地质配产要求的产量。人工举升采油有三种方式可供选择,即气举采油、有杆泵采油和无杆泵采油。当前,我国有杆泵采油方式占人工举升井数的90。因此,本节就有杆泵抽油机及井口装置做一简单介绍。一、有杆抽油泵有杆抽油泵按用途可分为常规(标准)抽油泵和特种抽油泵两大类。通常,对于符合抽油泵标准设计和制造的抽油泵称作标准抽油泵或常规抽油泵,而具有专门用途的,如防砂、防气、
2、抽稠油等,或具有与标准结构或尺寸不同的抽油泵称作特殊用途的抽油泵或专用抽油泵。我国抽油泵行业标准是SY/T 5059-91抽油泵。(一)常规抽油泵常规抽油泵又分为管式泵和杆式泵两大类。1.管式抽油泵管式抽油泵是按设计的泵挂深度直接将泵筒连接在井下油管的下端,活塞连接在抽油杆的最下端,见图1-3-1。工作原理:上冲程时,抽油杆柱带动活塞上行,游动阀(排出阀)受自重和油管内液柱压力的作用而关闭,并提升柱塞上部的液体,与此同时柱塞下面的泵筒空间里的压力降低,当其压力低于套管压力时,该空间的液体将顶开油泵固定阀(吸人阀)而进人抽油泵活塞上冲程所让开的泵筒空间。当柱塞下行时,油泵的固定阀靠自重下落而关闭
3、,泵筒内的液体受到压缩,在柱塞继续下行过程中,泵内的压力不断增高,当泵内压力增至超过油管内液柱压力时,将顶开油泵的游动阀使泵筒内的液体进人油管内。由于油泵柱塞在抽油机的带动下,连续做上下往复运动,因而油泵的固定阀和游动阀也将交替地关闭与打开,完成抽油泵的抽汲工作循环。管式抽油泵结构简单,成本低;泵筒壁较厚,承载能力大;在相同的油管尺寸下可安装的管式抽油泵直径比杆式抽油泵大,因而排液量也较大;对于产液量更大的油井还可通过脱接器安装泵径大于油管内径的管式抽油泵。因此在我国得到了广泛的应用。2.杆式抽油泵杆式抽油泵有定筒式顶部固定杆式泵、定筒式底部固定杆式泵及动筒式底部固定杆式泵三种。1)定筒式顶部
4、固定杆式泵这种泵由泵顶部的固定支承装置将泵筒固定在油管内的预定位置上,见图1-3-2。顶部固定方式是杆式泵最常采用的,它不仅使用可靠,而且还具有下列优点:在柱塞运动时可将锁紧装置四周的砂子冲掉,防止砂卡,使起泵作业容易;泵筒可绕顶部锁紧装置这个支点摆动,所以在斜井中下泵时,泵筒和油管都不会损坏;在固定位置深度相同的情况下,泵的沉没度比底部固定的杆式抽油泵更大,所以更适合低产井和低液面并中使用;顶部固定位置使泵本身具有气锚作用,可在含气较多的油井中使用,其缺点为:由于顶部固定,泵筒受内压和液柱向下拉伸的复合载荷,受力状况比较恶劣;柱塞上行程时,泵筒受内部压力高于外部压力,使泵筒内孔增大,漏失量有
5、所增加。2)定筒式底部固定杆式泵这种泵由泵的底部锁紧装置将泵筒固定在油管内的预定位置上,见图1-3-3。底部固定杆式泵应用也较广。它具有泵筒不会因液柱作用而伸长、只受外压、间隙不会增大的特点,适合在深井中使用;泵筒可绕底部锁紧装置这个支点摆动,在斜井中也可使用。但在固定支承套和底部锁紧装置的环形空间处极易沉积砂粒,使起泵作业困难,不宜在含砂井中使用。底部固定,工作时泵筒摆动大,加剧了阀杆、导向套的磨损,故不宜用作长冲程泵。3)动筒式底部固定杆式泵这种泵的泵筒与抽油杆柱连接,并作上下运动,柱塞通过拉管及底部锁紧装置固定在油管内预定位置上的支承套上,见图1-3-4。动筒式底部固定杆式抽油泵,主要用
6、在含砂较多的油井中。因为工作时泵筒上下运动,不停地搅动井液,砂粒不易沉积在锁紧装置上产生卡泵;在周期开采抽油井停抽时,顶部阀球封闭阀座,油管中的砂粒不会沉积在泵内产生卡泵;固定阀和出油阀都为开式阀罩,流体的局部阻力小,有利于含砂较多的井液排出。但这种泵拉杆稳定差,不宜作长冲程泵和在稠油井中使用。杆式泵与管式泵相比具有起下泵时不起下油管的特点,适合在深井中使用。另外,它还具有形式多样、选择的余地大等优点,在我国正在逐步推广使用。(二)特殊用途有杆抽油泵为满足抽油井复杂开采条件(如稠油、高含砂、油气比大、斜井等)对抽油泵的专门要求,近几年,国内外研制出一些具有特殊用途的抽油泵。1.抽稠油泵稠油的粘
7、度很高,阻力很大,用常规抽油泵无法使抽吸过程顺利进行,为此设计以下几种专门开采稠油的抽油泵。1)流线型管式抽油泵这种泵的结构与管式泵相比,有如下特点:(1)只在柱塞总成的上出油罩内安装出油阀球与座,其阀球直径比同规格抽油泵的阀球直径要小一个等级,这样就扩大了油流通过阀罩的流道面积,减少了油流阻力。(2)阀座的内孔做成圆锥形,减少对油流的阻力;采用母螺纹柱塞,流道面积比外螺纹柱塞面积大,将柱塞下端的孔口做成圆锥形,减少了局部阻力;采用流线形大通道固定阀,与可打捞式的固定阀相比,提高了流通能力。总之,这种泵的设计特点是扩大或改变流道形状,减少对稠油的局部阻力。2)液力反馈抽稠油泵这种泵由两台不同泵
8、径的抽油泵串联而成,中心管将上下柱塞连为一体,见图1-3-5。这种泵的进、出油阀均装在柱塞上,当驴头作下冲程时,柱塞下行,上柱塞与上泵筒的环形腔A体积减小,压力增大。A 腔的原油通过孔b将进油阀关闭,油管内液柱压力通过进油阀加在柱塞上,强迫柱塞克服稠油的阻力下行。驴头作上冲程时,柱塞上行,A 腔增大,压力减小,进油阀打开,出油阀被油管内液柱压力关闭,井下原油经孔b流人A腔。这种泵的设计特点是采用大小柱塞形成A腔和只在大小柱塞上装进出油阀,以达到在下冲程时进油阀关闭,实现液力反馈的目的。这种泵泵筒上没有阀,因此井下可不装泄油器,还可不动泵筒、油管进行井下测试和对稠油层注人热采蒸汽。3)双向进油抽
9、稠油泵这种泵与普通管式泵相比,在泵筒中部开有进油孔,柱塞为整体超长结构,见图1-3-6。柱塞上行时,其底部压力降低,进油阀打开,出油阀在油管内浪往压力作用下关闭。当长柱塞上行程超过泵筒中部开有的进油孔b时,进油这种泵结构原理与液力反馈泵相似,也是由两台不同泵径抽油泵串联而成,见图1-3-7。其特点是在液力反馈泵的基础上增加了环流阀总阀关闭,套管中的液体在沉没压力作用下从泵筒中部进油孔进人泵筒,一方面对泵筒进油孔下部泵筒没充满的空间进行补充,一另一方面将泵筒进油孔下部泵筒空间的气体排出。柱塞下行时,只要往塞表面将泵筒进油孔密封,柱塞出油阀即打开,泵筒进油孔下部的液体从柱塞内孔排至油管。对稠油井、
10、含气井使用双向泵虽然损失一部分有效冲程;但与常规泵相比泵效还是得到大幅度提高,其原因是泵筒中部开进油孔,改善了进油状况,提高了泵筒开孔下部的泵筒内腔的充满程度。该泵采用在泵筒上开孔,除完成二次进油及排气功能外,还可不动油管柱对稠油井进行蒸汽吞吐。因为油管和套管通过泵筒上的二次进油孔相互连通,只要把超长柱塞提至油管中即可对稠油层实施蒸汽吞吐工艺。由于泵筒上开有二次进油孔,因此井下可不装泄油器,降低油井修井费用。4)环流抽稠油泵这种泵结构原理与液力反馈泵相似,也是由两台不同泵径抽油泵串联而成,见图1-3-7。其特点是在液力反馈泵的基础上增加了环流阀总成,增大了流道面积;缩短了井下原油进人A腔的路程
11、,减少了液流阻力,既保留了液力反馈泵的优点,又提高了泵的充满系数,更宜于抽汲稠油。井下可不装泄油器,只要将活塞总成提出,不动管柱就能进行井下测试和对稠油层实施蒸汽吞吐工艺。但因增加了环流阀总成,使得泵的外形尺寸增大,只能用于177. 8mm及以上套管的稠油井。5) VR一S抽稠油泵这种泵的设计特点是依靠机械力的作用迫使锥形阀开启,解决了在抽汲稠油时,阀球不能及时开启,与阀座不能形成可靠密封和球在阀罩中阻止稠油流动的一系列问题(见图1-3-8)。由于不是依靠压差开启锥形阀,所以能较好地解决热采转抽的蒸汽锁和一般气锁问题,极大地提高了抽神泵的容积效率。另外,锥形阀的倒装,连接器与柱塞头的刮砂作用,
12、也使这种泵在含砂较多的稠油井能正用。2.防砂泵1)三管抽油泵这种泵属于底部固定杆式抽油泵(见图1-3-9),适宜用于含砂严重的油井,对于新投产的井和加砂压裂后初次抽油的井尤为适用。为保持一定的泵效,三管泵的冲次一般比常规泵要高。随泵挂的加深,三个泵筒也应相应加长,以增加密封长度。2)防砂卡抽油泵这种泵在抽汲过程中,排出到泵上部的井液把大部分较小的砂粒带到地面,而较大的砂粒在下沉过程中,被滑阀遮挡,不能落回泵筒,而是姐比沙卜套与泵筒间的环形通道沉到泵下面的沉砂管内。若因故停抽,滑阀使泵筒上端关闭,泵上方油管内井液中的砂粒,也通过环形通道下沉到沉砂管内。所以这种抽油泵在抽极和停抽时均能有效地防止砂
13、卡和砂埋(见图1-3-10)。3.防气抽油泵常规抽油泵在油气比大的油井中使用,油液充满程度差,泵效低,还往往出现“气锁”,使抽油泵无法正常工作。更有危害的是在这种油井中抽油常发生“液面冲击”,加速了抽油杆柱、阀杆、阀罩、泵阀、油管等井下设备的损坏。为此,人们专门设计了适合在油气比大的油井使用的抽油泵。1)两级压缩抽油泵这种泵活塞由细长的上柱塞与直径较大的下柱塞串联起来,将泵筒分成上下两个工作腔,下工作腔比上工作腔的环形面积大得多。上出油阀和中出油阀,下出油阀和进油阀分别构成这两个工作腔的进出油阀,泵由底部固定装置固定(见图1-3-11)。2)机械启闭阀抽油泵机械启闭阀抽油泵的结构示意图见图1-
14、3-2。这种泵与常规抽油泵比较其结构上有以下几个特点:(1)柱塞上的出油阀为一倒装的锥形阀,锥形阀体与抽油杆刚性连接,所以此阀的开启不是靠压差,而是依靠抽油杆上下机械移动来完成。(2)泵筒出油阀为一正装的锥形阀,锥形阀中心开一小孔,与阀杆滑动配合。(3)柱塞较短,一般为0. 5m左右,上段为硬柱塞,下段为软柱塞,提高了密封性能,增加了与泵筒的摩擦力。其工作过程为:上冲程时,抽油杆提升,使柱塞出油阀关闭,并带动柱塞上行。此时下腔室压力下降,当其压力低于泵的人口压力时,进油阀打开进油。与此同时,上腔室压力上升,如果井液油气比大,油气虽被压缩但压力增加小,此时常规泵往往打不开柱塞出油阀而发生“气锁”
15、。由于此泵在阀杆上设计有推块和放气孔,当柱塞接近上死点和换向上升一小段距离时,均能让柱塞出油阀上下腔连通,提前将上腔室的气体排至油管中,从而有效地避免了“气锁”的发生。下冲程时,抽油杆柱下行,它不受油气比大的影响,首先将柱塞出油阀打开,使上下腔室连通。当下行15mm后,推动柱塞下行,这样,下腔室的油、气很容易就进人了上腔室、在柱塞接近下死点和柱塞离开下死点的一段时间内,放气孔又将柱塞出油阅的上下腔连通,完成排气,保证上冲程时将柱塞出油阀及时打开。3)环形阀抽油泵这种泵是在常规抽油泵的基础上进行改造而成的,其结构示意图见图1-3-13。首先,取消上出油阀,在泵的出口处装一环形阀;其次,在环形阀中
16、间固定一摩擦环,以增加环形阀与拉杆之间的摩擦力。上冲程时,环形阀在拉杆摩擦力的带动下,及时打开,出油阀在油管液柱压力作用下关闭,上泵腔排油与此同时,下泵腔体积增大,压力下降,进油阀打开进油。下冲程时,在油气比大的油井中,常规抽油泵往往因进油阀上面的压力低于油管液柱压力,使出油阀打不开。而此时,环形阀抽油泵的环形阀在拉杆摩擦力作用下及时关闭,并承受油管液柱压力,使环形阀以下泵腔处于低压,出油阀由于柱塞上面泵体积增大,压力降低而迅速打开进油。4.其他特殊用途的抽油泵1)大排量双作用抽油泵这种泵在一个往复冲程中可完成两次汲油和两次排油的过程,因而比泵径和工作参数完全相同的抽油泵大幅度地提高了产液量。
17、当油层压力高、油井供液相当充足,以至较大的常规泵也满足不了排液量的要求时,可采用大排量双作用泵。但由于下冲程时有排油过程,杆柱下行阻力较大,不宜在原油粘度过大或出砂的油井中使用。其结构示意图见图1-3-14。2)整筒过桥抽油泵与常规泵相比,它增加了环形阀总成、过桥接头、过桥管及油管锚总成,除泵的上部与油管相连接外,下部还通过油管锚将泵锚固在套管上,大大增加了油管和泵筒的刚度(见图1-3-15)。下冲程时,在阀杆下行摩擦力的带动下环形阀关闭,泵上面的液柱重量通过环形阀过桥接头、过桥管、油管锚作用在套管上,这时的油管弹性伸长比常规泵要小得多。与此同时,由于环形阀及时关闭,柱塞和环形阀之间的空间不再
18、受上部液柱压力的作用,压力较低,使进油阀能迅速打开,从而可提高泵的充满系数。上冲程时,由于受液柱压力作用,初始阶段环形阀没有及时打开,所以抽油杆载荷没有立即被加上,这使抽油杆换向时产生的惯性力与液柱对抽油杆作用力不在同一时刻发生,减少了抽油杆弹性伸长。同时,油管因载荷降低所产生的弹性收缩也比常规泵小得多。这种泵可在3000m的泵挂深度下有效地工作。3)斜井抽油泵为使抽油泵能在斜井中正常工作,它采用具有导向筋的阀罩限制了阀球升降时的摆动幅度,合理地解决了泵以较大倾角安装时阀球关闭滞后问题;将泵下接头下部油管进口堵死,使原油从大筛管人泵,气体由套管放出,排除了气体上升减慢问题的出现;增加外管,提高
19、泵体的刚度,从而减少了泵筒的变形,让柱塞运动自如。斜井抽油泵可在泵挂点斜度达250左右的斜井中使用。其结构示意图见图1-3-16。4)螺杆抽油泵螺杆抽油泵(见图1-3-17)按基本结构型式分为单筒式和串联式,按驱动方式可分为地面驱动和井下驱动两类,目前广泛采用的是地面驱动螺杆泵。(1)结构:地面驱动螺杆泵抽油装置主要由驱动系统、连接器、抽油杆及井下抽油装置组成。(2)工作原理:螺杆泵是一种螺旋式空腔累进泵,地面动力通过抽油杆驱动转子在定子之中转动,转子与定子啮合,形成一系列被定子与转子之间的接触线所密封的腔室。随着转子的转动,泵人口处不断形成的敞开室在沉没压力作用下依次被井液充满,并逐渐成为密
20、封腔向泵排出端移动,将井液排出。(3)特点:结构简单,占地面积小,利于海上平台和丛式并组采油。它只有一个运动件(转子)不会出现常规抽油泵那样的阀卡、气锁、蜡卡等现象,适合稠油井和出砂井应用。它无脉动排油特征,泵内无阀件和复杂的流道。水力损失小。在相同举升参数下,螺杆泵系统效率为有杆泵的1 .7倍,能量消耗小。泵的实际扬程受液体粘度影响大,粘度上升,泵的扬程下降较大。应用过程中的工艺较复杂。二、抽油机随着采油设备技术研究的深人,抽油机在最初的雏形上有了长足的发展,从采油方式上可分为有杆类采油设备和无杆类采油设备两种。有杆类采油设备又可分为抽油杆往复运动类(如游梁式和无游梁式抽油机)和旋转运动类(
21、如电动潜油螺杆泵),无杆类采油设备也可分为电动潜油离心泵、液压驱动类(如水力活塞泵)和气举采油设备。尽管抽油机的种类很多,结构形式各异,但在油田上普遍被采用的抽油机种类并不太多。这里把油田常用的抽油机,尤其是最近几年新发明的专利节能抽油机,以及中国石油天然气集团公司在对全国抽油机全面考查、综合评定后的7种向全国推广的机型和很有潜力的节能抽油机,做一个简要介绍。(一)游梁式抽油机1.常规曲柄平衡抽油机其结构见图1-3-18。(1)工作原理:电动机通过皮带和减速器带动曲柄作匀速圆周运动,曲柄通过连杆带动四杆机构(由曲柄、连杆、支架及游梁所组成的四边形铰链机构)的游梁以支架上中央轴承为支点,做上下摆
22、动,带动游梁前端的驴头悬点连接抽油杆柱、油泵柱塞做上下往复直线运动,实现机械采油。(2)特点:常规曲柄平衡抽油机结构简单,运行可靠,操作维护方便,但长冲程时平衡效果较差,能耗高。2.常规复合平衡抽油机其结构见图1-3-19。该机结构与常规曲柄平衡抽油机基本相同,其不同点是在游梁尾端加装了游梁配重块,构成复合平衡。曲柄平衡块和游梁配重块共同对抽油机载荷起平衡作用,称之为复合平衡。其工作原理和常规曲柄平衡抽油机相同。游梁配重块起着削减一定载荷峰值的作用,与常规曲柄平衡抽油机相比平衡效果有所改善。其特点基本上与常规曲柄平衡抽油机相同,只是调整游梁配重块时不太方便。3.异相曲柄复合平衡抽油机其结构见图
23、1-3-20。其工作原理和常规曲柄平衡抽油机相同。与常规复合平衡抽油机相比,该机的结构特点体现在以下两个方面:上冲程悬点运动较下冲程缓慢,相应地降低了上冲程悬点的加速度,从而降低了上冲程悬点的惯性载荷,使得能耗降低。曲柄中心与平衡重中心线间有一相位角,从而使曲柄轴上的平衡扭矩与悬点负荷引起的扭矩相差一相位角,经平衡后产生的曲柄轴净扭矩曲线比较平缓,峰值扭矩降低,因此提高了减速器的寿命,降低能耗。4.前里式曲柄平衡抽油机其结构见图1-3-21。其四连杆机构的几何尺寸和角度发生了变化,该机型的基本结构与常规曲柄平衡抽油机相比,有较大改变。其一,将横梁铰接点由常规机型的游梁尾端移至中央轴承与驴头之间
24、。其二,平衡块和连杆铰接点分别置于曲柄两端,减速器输出轴在曲柄中间,且曲柄中心线与平衡块中心线偏离了一个相位角,结构紧凑。工作原理:电动机输出动力,通过皮带、减速器带动曲柄旋转,通过四连杆机构变成悬点的上下往复运动,驱动井下泵工作。上冲程时,曲柄落下,释放位能,下冲程时,曲柄平衡块举升,储存位能。该机具有结构新颖、性能可靠、运动平稳、冲次较低、冲程较大、节能等特点,同时又具有体积小、重量轻、节省钢材的优点。5.下偏杠铃游梁复合平衡抽油机(推广机型之一)下偏杠铃游梁复合平衡抽油机是在原常规游梁抽油机的游梁尾端,增加简单的下偏杠铃装置后诞生的一种新型节能抽油机。它有两种结构形式,内插式结构和后翘式
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