第三章有杆泵采油(2).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第三章 常规有杆泵采油,2,第一节 抽油装置及泵的工作原理,第二节 抽油机悬点运动规律及悬点载荷,第三节 抽油机平衡、扭矩及功率计算,第四节 泵效计算,第五节 有杆抽油系统设计,第六节 有杆抽油系统工况分析,主要内容,3,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,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下螺杆泵。,有杆泵采油分类,：,常规有杆泵采油,是目前我国应用最广泛的采油方式，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。全国产液量的,60,、产油量的,75%,靠有杆抽油采出。,4,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,5,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。,(1),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，将旋转运动转化成往复运动。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,工作原理,游梁式抽油机分类,后置式和前置式,6,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：,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。,9,异形游梁式抽油机,10,双驴头游梁式抽油机,11,链条式抽油机,12,13,液压增程抽油机,14,下偏杠铃抽油机（节能）,两级平衡抽油机（节能）,15,游梁式抽油机系列型号表示方法,CYJ 12,3.3,70(H)F(Y,，,B,，,Q),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，,10 kN,光杆最大冲程，,m,减速箱曲柄轴最大允许扭矩,kN.m,减速箱齿轮形代号，,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,F,：复合平衡,Y,：游梁平衡,B,：曲柄平衡,Q,：气动平衡,16,(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；,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一般要求,按照抽油泵在油管上的固定方式可分为：,管式泵,和,杆式泵,从用途上分,：常规泵和特种泵（防砂泵、防气泵、抽稠泵、组合泵等）,主要组成,分类,17,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。,18,(3),光杆和抽油杆：,能量传递工具。,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,。,接箍,是抽油杆组合成抽油杆柱时的连接零件。,抽油杆的强度,：,C,级杆,(570MPa),、,D,级杆,(810MPa),光杆主要用于联接驴头钢丝绳与井下抽油杆，并同井口盘根盒配合密封井口。因此，对其强度和表面光洁度要求较高。光杆分为普通型和一端镦粗型两种：普通型光杆两端可互换，当一端磨损后可换另一端使用；一端镦粗型光杆联接性能好但两端不能互换。,19,超高强度抽油杆,(EL,级杆,),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,20,二、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,(,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。,21,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。,抽油泵工作演示,22,（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。,23,第二节 抽油机悬点运动规律,一、简化方法,1简化为简谐运动时悬点运动规律,假设条件,：,r/l,0,、,r/b,0,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：,24,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,25,2,、简化为曲柄滑块机构时悬点运动规律,假设条件：,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,:,26,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,27,二、抽油机悬点载荷计算,1.,静载荷,(,一,),悬点所承受的载荷,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,（即杆柱在空气中的重力）,下冲程,（即杆柱在液体中的重力）,失重系数,28,作用在柱塞上的液柱载荷,上冲程,:,下冲程,:,A-,上冲程,B-,下冲程,游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：,游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。,29,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。,30,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：,增加悬点载荷,:,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。惯性力与质量有关，与悬点加速度的大小成正比，其方向与加速度方向相反。,31,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。,32,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,33,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。,34,抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷,上冲程,：,取,r,/,l,=1/4,时，,下冲程,：,液柱引起的悬点最大惯性载荷,上冲程：,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：,下冲程：,35,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,36,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,。,下冲程,液柱与抽油杆柱,间的摩擦力约为上冲程中,油管与液柱,间摩擦力的,1.3,倍。即：,37,液体通过游动阀产生的阻力：,图,3-12,标准型凡尔的流量系数,f,p,柱塞面积,f,o,阀孔面积,38,杆管摩擦力：,柱塞与衬套之间的摩擦力：,抽油杆柱载荷,、,液柱载荷,及,惯性载荷,是构成悬点载荷的三项基本载荷。稠油井内,摩擦载荷,及大沉没度井的,沉没压力产生的载荷,突出；在低沉没度井内，由于泵的充满程度差，会发生柱塞与泵内液面的撞击，将产生较大,冲击载荷,，从而影响悬点载荷。,39,(,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：,40,2.,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,曲柄滑块运动、杆柱惯性载荷,41,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。,42,(,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,应该是悬点在上下冲程中所做功之和的一半。,下冲程：,上冲程：,平衡条件：,43,(,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,),。,44,(,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,45,3),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。,46,二、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,推导要点：力矩平衡、三角几何关系,47,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,48,(,二,),扭矩因数计算,图,3-17,抽油机几何尺寸与曲销受力图,49,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,(,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50,(,四,),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,:,平均功率：,4.,效率分析,51,(,五,),最大扭矩计算公式,1.,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。它表示了被实际平衡掉的悬点载荷值。,在平衡条件下：,52,2.,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：,53,三、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，要求电动机维护简单、工作可靠。,54,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。,55,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：,56,（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。,57,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：,58,第四节 泵效计算,泵效：,在抽油井生产过程中，实际产量与理论产量的比值。,影响泵效的因素,(3),漏失影响,(1),抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩,(2),气体和充不满的影响,(4),体积系数的影响,59,一、柱塞冲程,液柱载荷交替地由油管转移到抽油杆柱和由抽油杆柱转移到油管，使杆柱和管柱发生交替地伸长和缩短。,(,一,),静载荷作用下的柱塞冲程,柱塞冲程小于光杆冲程,抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩,泵效小于,1,交变载荷作用,抽油杆柱和油管柱的自重伸长在泵工作的整个过程中是不变的，它们不会影响柱塞冲程。,60,冲程损失计算式：,柱塞冲程：,冲程损失：,抽油杆和油管弹性伸缩如图,3-19,所示。,61,多级抽油杆的冲程损失：,冲程损失的影响因素分析：,(2),抽油杆和油管的性质、组合；,(3),下泵深度；,(4),抽油泵的规格。,(1),油层供液状况和生产流体的性质；,若各级杆及油管的钢级不同，则,E,单独取值,单级抽油杆的冲程损失：,62,(,二,),考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算,当悬点上升到上死点时，抽油杆柱有向下的,(,负的,),最大加速度和向上的最大惯性载荷，抽油杆在惯性载荷的作用下还会带着柱塞继续上行 。,当悬点下行到下死点后，抽油杆的惯性力向下，使抽油杆柱伸长，柱塞又比静载变形时向下多移动一段距离 。,柱塞冲程增加量：,63,由于抽油杆柱上各点所承受的惯性力不同，计算中近似取其平均值，即：,根据虎克定律，惯性载荷引起的柱塞冲程增量为：,因此，考虑静载荷和惯性载荷后的柱塞冲程为：,上死点：,下死点：,64,(,三,),抽油杆柱的振动对柱塞冲程的影响,理论分析和实验研究表明：抽油杆柱本身振动的相位在上下冲程中几乎是对称的，即如果上冲程末抽油杆柱伸长，则下冲程末抽油杆柱缩短。因此，抽油杆振动引起的伸缩对柱塞冲程的影响是一致，即要增加都增加，要减小都减小。其增减情况取决于抽油杆柱自由振动与悬点摆动引起的强迫振动的相位配合。,液柱载荷交变作用,抽油杆柱变速运动,抽油杆柱振动,抽油杆柱变形,65,因此，抽油杆柱振动对柱塞冲程的影响存在着,冲次、冲程配合的有利与不利区域,。,66,二、泵的充满程度,气锁,：抽汲时由于气体在泵内压缩和膨胀，吸入和排出阀无法打开，出现抽不出油的现象。,图,3-20,气体对冲满程度的影响,余隙比：,充满系数：,67,泵充满程度的影响因素分析：,(1),生产流体的性质,气液比,R,愈小，,就越大。增加泵的沉没深度或使用气锚。,(2),防冲距,K,值越小，,值就越大。尽量减小防冲距，以减小余隙。,68,三、泵的漏失,(1),排出部分漏失,(2),吸入部分漏失,(3),其它部分漏失,如油管丝扣、泵的连接部分及泄油器不严等,影响泵效漏失,漏失很难计算，,除了新泵可根据试泵实验测试结果和相关式估算外，泵由于磨损、砂蜡卡和腐蚀所产生的漏失以及油管丝扣、泵的连接部分和泄油器不严等所产生的漏失很难计算,69,柱塞与衬套间隙漏失计算,静止条件下的漏失量：,活塞向上运动时上带液量：,总漏失量为：,所以只考虑柱塞间隙漏失时，漏失系数为：,70,四、提高泵效的措施,(1),选择合理的工作方式,选用大冲程、小冲次，减小气体影响，降低悬点载荷，特别是稠油井。,连喷带抽井选用大冲数快速抽汲，以增强诱喷作用。,深井抽汲时，,S,和,N,的选择一定要避开不利配合区。,(2),确定合理沉没度。,(3),改善泵的结构，提高泵的抗磨、抗腐蚀性能。,(4),使用油管锚减少冲程损失,(5),合理利用气体能量及减少气体影响,71,气锚分离原理,72,第五节 有杆抽油系统设计,一、抽油杆强度计算及杆柱设计,(,一,),抽油杆强度计算方法,抽油杆设计：抽油杆柱的长度、直径、组合及材料。,抽油杆柱工作时承受着交变负荷所产生的非对称循环应力作用。,在交变负荷作用下，抽油杆柱往往是由于疲劳而发生破坏，而不是在最大拉应力下破坏。因此，抽油杆柱必须根据疲劳强度来进行计算,73,1.,奥金格公式,强度条件：,采用,下部加重杆柱,，既可提高抽油杆刚度和强度，又可克服活塞下行阻力，以减小弯曲。,注意,：,对于深井，通常,多级组合抽油杆柱,第五节 有杆抽油系统设计,74,第五节 有杆抽油系统设计,75,2.,修正古德曼图,图,3-29,修正古德曼图,疲劳安全区,强度条件：,应力范围比：,近年来国内多采用美国石油学会,(API),推荐的方法，即利用修正古德曼图,(Goodman),的方法，如图所示。图中阴影区为安全区。,API,抽油杆强度计算公式的理论依据是修正的古德曼图，图中阴影区为疲劳安全区，抽油杆柱的应用点落在该区内时，杆柱将不会发生疲劳破坏。,抽油杆柱设计及应力分析中常采用应力范围比,第五节 有杆抽油系统设计,76,(,二,),抽油杆柱设计步骤,(2),等强度设计方法,(1),不等强度设计方法,套管,抽油泵,油管,各有优缺点,第五节 有杆抽油系统设计,77,第五节 有杆抽油系统设计,新投产或转抽的油井，需要合理地选择抽油设备；油井投产后，还必须检验设计效果。当设备的工作状况和油层工作状况发生变化时，还需要对原有的设计进行调整。,进行,有杆泵采油井的系统选择设计应遵循的原则,是：,（,1,）符合油层及油井的工作条件,所选的抽油设备，应该适应该井或该地区的自然条件和生产条件，如气候条件、地表条件、流体物性条件、生产维护条件等等。,（,2,）能充分发挥油层的生产能力,所选的抽油设备，应该在其经济寿命期内，能满足油井在开发界限上的最大供液能力，以防止因抽油设备的限制而使油井生产受到影响。,（,3,）设备利用率较高且能满足安全生产的需要,所选的抽油设备，应在使用周期中的大部分时间内有较高的载荷利用率、扭矩利用率、电机功率利用率以及抽油杆应力利用率等经济技术指标，但又不至于因超负荷而造成设备非寿命损坏。,（,4,）有较高的系统效率和经济效益,所选的抽油设备，应尽可能采用先进技术设备，把高指数、低成本、低消耗统筹考虑，并获得尽可能高的经济效益。,三、有杆抽油系统设计,78,有杆抽油系统组成：,有杆抽油系统设计内容：,(1),油层,(2),井筒,(4),地面出油管线,(3),采油设备,(,机、杆、泵等,),(4),工况指标预测。,(1),油井流入动态计算；,(2),采油设备,(,机、杆、泵等,),选择；,(3)抽汲参数,(,冲程、冲次、泵径和下泵深度等,),确定；,有杆抽油系统设计目标：,经济、有效地举升原油。,IPR,井筒多相流规律,运动学和动力学规律,地面多相流规律,第五节 有杆抽油系统设计,79,(1),油井和油层数据；,(2),流体物性参数；,(3),油井生产数据。,有杆抽油系统设计依据：,有杆抽油系统设计理论基础：,有杆抽油系统设计基础数据：,油藏供液能力,节点系统分析方法,第五节 有杆抽油系统设计,80,1,、有杆抽油井生产系统设计思路,(1)IPR,计算,(3),温度场计算,(2),(4),(5),计算,(6),(7),抽油杆柱设计,(8),泵效分析,(9),产量迭代计算,(10),工况指标计算,第五节 有杆抽油系统设计,81,第五节 有杆抽油系统设计,用深井泵采油时，必须正确地选择抽油设备（泵、抽油杆、抽油机和电机）。选择抽油设备主要是确定抽油杆、抽油机、电机及深井泵的类型和大小。油井产量和下泵深度是选择这些设备的基本依据。,这些设备相互之间不是孤立的，而是作为整个有杆泵抽油系统相互联系和制约的。因此，应将有杆泵系统从油层到地面，作为统一的系统来进行合理地选择设计，其步骤为：,1),根据油井产能和设计排量确定井底流压；,2),根据油井条件确定沉没度和沉没压力；,3),应用多相垂直管流理论或相关式确定下泵深度；,4),根据油井条件和设备性能确定冲程和冲次；,5),根据设计排量、冲程和冲次，以及油井条件选择抽油泵；,6),选择抽油杆，确定抽油杆柱的组合；,7),选择抽油机、减速箱、电动机及其它附属设备。,2,、有杆抽油井生产系统设计步骤,82,第五节 有杆抽油系统设计,（,1,）井底流压的确定,井底流压是根据油井产能和设计排量来确定的。当设计排量一定时，根据油井产能便可确定相应排量下的井底流压。设计排量一般是由配产方案给出的。,（,2,）沉没度和沉没压力的确定,沉没度是根据油井的产量、气油比、原油粘度、含水率以及泵的进口设备等条件来确定。确定沉没度的一般原则是,生产气油比较低的稀油井，定时或连续放套管气生产时，沉没度应大于,50m;,生产气油比较高，并且控制套管压力生产时，沉没度应保持在,150m,以上；,当产液量高、液体粘度大,(,如稠油或油水乳化液时,),，沉没度还应更高一些。,由于稠油不仅进泵阻力大，而且脱出的溶解气不易与油分离，往往被液流带入泵内而降低泵的充满程度，因此，稠油井需要有较高的沉没度。这样，既有利于克服进泵阻力，又可减少脱气，以便保持较高的充满程度。一般情况下，稠油井的沉没度应在,200m,以上。,沉没度,hs,可采用大庆油田推荐的经验公式：,当,fw0.7,时,，,当,fw0.7,时,，,83,第五节 有杆抽油系统设计,（,3,）下泵深度的确定,当井底流压,Pwf,和泵吸入口压力,Pin,后，应用多相管流计算方法，可求出泵吸入口在油层中部以上的高度,Hp,下泵深度,L,层中部深度,H,减去,Hp,最大下泵深度通常受三个方面的限制：,悬点最大允许载荷（,Pmax,）；,减速箱输出轴最大允许扭矩（,Mmax,）；,抽油杆的许用应用。,（,4,）冲程和冲次的确定,冲程和冲次是确定抽油泵直径、计算悬点载荷的前提，选择时应遵循下述原则：,1),一般情况下应采用大冲程、小泵径的工作方式，这样既可以减小气体对泵效的影响，也可以降低液柱载荷，从而减小冲程损失。,2),对于原油比较稠的井，一般是选用大泵径、大冲程和低冲次的工作方式。,3),对于连抽带喷的井，则选用高冲次快速抽汲，以增强诱喷作用。,4),深井抽汲时，要充分注意振动载荷影响的,s,和,n,配合不利区。,5),所选择的冲程和冲次应属于抽油机提供的选择范围之内。,84,第五节 有杆抽油系统设计,（,5,）抽油泵的选择,抽油泵的选择包括泵径、泵的类型及其配合间隙的选择。,泵径,dp,是根据前面确定的冲程,s,、冲次,n,、配产方案给出的设计排量,Q,以及统计给出的泵效,由下式计算得出。,泵型取决于油井条件：在,1000 m,以内的油井，含砂量小于,0.2%,，油井结蜡较严重或油较稠，应采用,管式泵,；产量较小的中深或深井，可采用,杆式泵,。,活塞和衬套的配合间隙，要根据原油粘度、井温以及含砂量等资料来选择，参见下表。,表 活塞与衬套的配合间隙选择,配合等级,配合尺寸mm,适 用 条 件,一 级,0.02-0.07,下泵深度大，含砂少，粘度较低的油井,二 级,0.07-0.12,含砂不多的油井,三 级,0.12-0.17,含砂多，粘度高的浅井,85,第五节 有杆抽油系统设计,（,6,）抽油杆的选择,抽油杆的选择主要包括确定抽油杆柱的长度、直径、组合及材料。当下泵深度确定后，抽油杆柱的长度就确定下来。抽油杆的制造材料决定了抽油杆的强度及其它性能，应根据油井中的流体性质和井况来确定。不同直径抽油杆的组合，应保证各种杆径的抽油杆在工作时都能够满足强度要求。,（,7,）抽油机、减速箱、电动机及其它附属设备的选择,选择抽油机时，要使计算的悬点最大载荷小于所选择抽油机的许用载荷，同时所选择的抽油机能够提供前面确定的冲程冲次。,选择减速箱时，要使计算的最大扭矩小于所选择减速箱的许用扭矩。,选择电动机时，要使计算的电机最大功率小于所选择电动机的许用功率。,其它附属设备要根据油井具体情况和某些特殊要求进行选择。此外，还要考虑这些设备应满足以后调参以及油井条件变化的需要。,86,第五节 有杆抽油系统设计,3,、有杆抽油井生产系统设计方法,有杆抽油系统设计方法可分为,不限定产量,和,给定产量,两种情况下的设计。,（,1,）不限定产量的设计,不限定产量时的设计实际上是在一定的设备条件下，寻求发挥设备最大潜力的抽油设计方案。步骤为：,计算,IPR,曲线及最大产量,Qmax,；,取稍小于,Qmax,的产量作为初设产量,Q,；,由,IPR,曲线计算初设产量,Q,对应的井底流压；,以井底流压为起点应用多相管流公式计算井筒中的压力分布及相应的充满系数，直到压力低于保证最低沉没的压力为止；,由 曲线选定充满系数及泵吸入口压力，即可确定下泵深度；,初设抽油杆直径从井口回压,Ph,向下进行杆,-,管环空多相流计算，确定液柱载荷；,给定泵径和初定泵效，确定冲程,s,和冲次,n,；,进行杆柱设计，若下泵深度过大而超应力，则减小,Q,转入；,根据设计出的杆柱重新计算泵效及相应的产量,Q,；,若 ，则以 作为新设计产量,Q,转入；,进行扭矩、功率、电耗等计算，并检查工况指标是否超过设备的额定值，如果超过额定值，则再减小,Q,转入；,设计结束,87,第五节 有杆抽油系统设计,（,2,）给定产量的设计,不限定产量时的设计实际上是在一定的设备条件下，寻求发挥设备最大潜力的抽油设计方案。步骤为：,以规定的产量作为设计产量，不再先假设产量；,进行杆柱设计，若杆柱超过应力，则应选高强度杆或重新确定能满足规定的抽汲参数组合,（,Dp,s,n,）,；若最后仍无法满足，则停止设计，说明配产不合理，有杆抽油方式无法实现配产任务；,如果抽油机超扭矩和超载荷，则可更换大型抽油机，重新进行设计；,能够基本满足规定产量的抽汲参数可能会有多个组合，则应以系统的效率高、能耗低作为参数的选择依据。88,第六节 有杆抽油系统工况分析,(1),了解油层生产能力及工作状况，分析是否已发挥了油层潜力，分析、判断油层不正常工作的原因；,(2),了解设备能力及工作状况，分析设备是否适应油层生产能力，了解设备潜力，分析判断设备不正常的原因；,(3),分析检查措施效果。,目的：,油层与抽油设备协调，油井高效生产。,89,一、抽油井液面测试与分析,（一）动液面、静液面及采油指数,静液面（,L,s,或,H,s,）：,对应于油藏压力。,动液面（,L,f,或,H,f,）：,对应于井底压力流压。,生产压差：,与静液面和动液面之差相对应的压力差。,沉没度,h,s,：,根据气油比和原油进泵压力损失而定。,第六节 有杆抽油系统工况分析,90,采油指数：,折算液面,：,把在一定套压下测得的液面折算成套管压力为零时的液面，即：,？,第六节 有杆抽油系统工况分析,91,(,二,),液面位置的测量,测量仪器,：回声仪,测量原理,：利用声波在环形空间流体介质中的传播速度和测得的反射时间来计算其位置,1.,有音标的井,图,3-26,声波反射曲线,第六节 有杆抽油系统工况分析,92,2.,无音标井,根据波动理论和声学原理，声波在气体中的传播速度为：,利用气体状态方程确定气体密度：,因为：,则：,声波速度为：,简化为：,第六节 有杆抽油系统工况分析,93,(,三,),含水井油水界面及工作制度与含水的关系,含水井正常抽油时，,油水界面稳定在泵的吸入口处。,低气油比含水油井,：在泵下加深尾管来降低流压，提高产量。,低含水高气油比井,(,除带喷者外,),：加深尾管会降低泵的充满系数，因为进入尾管后从油中分出的气体将全部进入泵内。,第六节 有杆抽油系统工况分析,94,抽油井工作制度与含水的变化关系,当油层和水层压力相同,(,或油水同层,),时,，油井含水不随工作制度而改变；,当出油层压力高于出水层压力时，,增大总采液量,(,降流压,),，将引起油井含水量的上升；,当水层压力高于油层压力时,，加大总采液量，将使油井含水量下降。,确定含水井工作制度时,：对油水层压力相同及水层压力高于油层压力的井，把产液量增大到设备允许的抽汲量是合理的。利用油井在不同工作制度下产液量与含水的变化情况来判断油水层的压力关系。,第六节 有杆抽油系统工况分析,95,抽油泵工作状况的好坏，直接影响抽油井的,系统效率,，因此，需要经常进行分析，以采取相应的措施。分析抽油泵工作状况常用,地面实测示功图,，,即悬点载荷同悬点位移之间的关系曲线图,，它实际上直接反映的是光杆的工作情况，因此又称为,光杆示功图或地面示功图,。由于抽油井的情况较为复杂，在生产过程中，深井泵将受到制造质量、安装质量，以及砂、蜡、水、气、稠油和腐蚀等多种因素的影响，所以，实测示功图的形状很不规则。为了正确分析和解释示功图，常需要以理论示功图及典型示功图为基础，进而分析和解释实测示图。,第六节 有杆抽油系统工况分析,96,二、地面示功图分析,示功图：,载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。,地面示功图或光杆示功图：,悬点载荷与位移关系的示功图。,(,一,),理论示功图及其分析,1.,静载荷作用下的理论示功图,循环过程：下死点,A,加载完成,B,上死点,C,卸载完成,D,下死点,A,图,3-28,静载理论示功图,ABC,为上冲程静载荷变化线。,AB,为加载过程，加载过程中，游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态；在,B,点加载完毕，变形结束，柱塞与泵筒开始发生相对位移，固定凡尔打开而吸入液体。,BC,为吸入过程（,BC=s,P,为泵的冲程），游动凡尔处于关闭状态。,CDA,为下冲程静载荷变化线。,CD,为卸载过程，游动凡尔和固定凡尔处于关闭状态；在,D,点卸载完毕，变形结束，柱塞与泵筒发生向下相对位移，游动凡尔被顶开、排出液体。,DA,为排出过程，固定凡尔处于关闭状态。,第六节 有杆抽油系统工况分析,97,2.,考虑惯性载荷后的理论示功图,图,3-29,考虑惯性和振动后的理论示功图,考虑惯性载荷后的理论示功图,考虑振动载荷后的理论示功图,第六节 有杆抽油系统工况分析,98,图,3-30,有气体影响的示功图,(,二,),典型示功图分析,典型示功图,：,某一因素的影响十分明显，其形状代表了该因素影响下的基本特征的示功图。,1.,气体和充不满对示功图的影响,气体影响示功图,充满系数：,第六节 有杆抽油系统工况分析,99,充不满影响的示功图,充不满现象：,地层产液在上冲程末未充满泵筒的现象。,液击现象：,泵充不满生产时，柱塞与泵内液面撞击引起抽油设备受力急剧变化的现象。,图,3-31,充不满的示功图,第六节 有杆抽油系统工况分析,100,2.,漏失对示功图的影响,排出部分的漏失,图,3-32,泵排出部分漏失,柱塞的有效吸入行程：,泵效：,第六节 有杆抽油系统工况分析,101,吸入部分漏失,图,3-33,吸入凡尔漏失,柱塞的有效吸入行程：,泵效：,第六节 有杆抽油系统工况分析,102,第六节 有杆抽油系统工况分析,103,吸入部分和排出部分同时漏