1、,常规有杆泵采油技术,委内瑞拉：70%的油井是有杆泵抽油。 美国：85%的油井是有杆泵抽油。 俄罗斯： 55%以上油井是有杆泵抽油。 中国：80%以上油井采用有杆泵，其产油量占总产油量的75%，有杆泵在我国石油开采中占有重要的地位。,有杆泵抽油是国内外最常见的人工举升方式,本专题主要讲常规有杆泵采油技术,一、抽油装置 二、游梁式抽油机的受力分析 三、泵效计算 四、抽油杆强度计算及杆柱设计,提 纲,一、抽油装置,抽油机,抽油杆,抽油泵,其它附件,(一)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，包括游梁式抽油机和无游梁式抽油机两种。,(一)抽油机,1、游梁式抽油机,游梁,连杆,曲
2、柄机构,动力设备,辅助装置,结构组成：游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置。,工作原理：皮带减速箱将电动机的高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动，再由四连杆机构变为悬绳器的上下往复运动，带动井下抽油杆柱和抽油泵工作，实现抽汲目的。,减速箱,横梁：是连杆和游梁连接的中间部件，它带动游梁做摇摆 运动。,游梁：游梁安装在支架上，前端与驴头相连，后端通过尾轴承和横梁相连。,平衡块：帮助电机做功，减小电动机上下行程的载荷差。,驴头：将游梁前端的往复圆弧运动变为抽油杆柱的垂直往复运动，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,
3、上翻式：驴头穿销为横穿式，可上翻180,侧转式：驴头穿销为立穿式，可侧转180,游梁式抽油机分类,按结构型式一般可分为常规型、异相型、前置型、斜井式等。 按平衡方式又可分为机械平衡式、气平衡式、液力平衡式等。 按驴头结构型式可分为上翻式、侧转式、旋转式、悬挂式和双驴头式等。 按减速器型式可分为齿轮式、链条式和皮带式等。 按驱动方式可分为电动机驱动和内燃机驱动等。,结构特点 曲柄连杆机构和驴头分别位于支架的两侧。 曲柄轴中心基本位于游梁的尾轴承正下方。这样，当驴头处于上、下死点位置时，连杆中心线间的夹角基本为零，这个角被称为抽油机的极位夹角。 曲柄采用常规条形曲柄，平衡块重心与曲柄轴中心连线重合
4、，即两线之间构成的夹角为零，这个角被称为抽油机的平衡相位角。,常规型游梁式抽油机,异相型游梁式抽油机是常规型游梁式抽油机的改进形式，主要采用曲柄偏置结构实现节能目的。,异相型游梁式抽油机结构图 1刹车装置；2电动机；3减速器皮带轮；4减速器；5输出轴；6平衡块；7支架；8曲柄；9连杆；10游梁；11驴头；12悬绳器；13底座,异相型游梁式抽油机,前置型抽油机,抽油机上冲程运行时间大于下冲程运行时间,从而降低了上冲程的运行速度、加速度和动载荷，具有节能效果。,该机型的缺点： 结构不平衡重增加。 减速器安装在支架下方，给安装和维修带来不便。 工作过程中，前冲力较大，影响整机的稳定性。,旋转驴头游梁
5、式抽油机,1旋转驴头；2手摇绞车；3悬绳器及光杆4侧翻驴头用的操作台5支架； 6底座；7直梯；8曲柄及平衡装置；9减速器；10电动机及带传动装置 11刹车装置；12副平衡块；13连杆；14中心轴承；15游梁；16前连杆, 优点：增大了冲程。 缺点：整机结构复杂，制造成本高。,它是一种以提高冲程为主要特点的游梁式抽油机。,1刹车装置；2带传动装置；3减速器；4曲柄；5平衡块；6连杆；7横梁；8游梁； 9转动滑轮；10驴头；11悬绳器；12钢绳；13支架；14扶梯；15底座；16护栏,绳索滑轮式长冲程抽油机,常规型抽油机,结构特点：曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方。 运动特点：上下冲程运行时间
6、相等。,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。 运动特点：上冲程的曲柄转角大于下冲程，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。,异相型抽油机,常规型和异相型的区别,16,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。,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。 平衡方式不同。后置式多采用机械平衡；前置型多为重型长冲程抽油机，采用机械平衡和气动平衡。,后置型和前置型的区别,游梁式抽油机系列型号表示方法,CYJ 123.370(H) F(Y，B，Q),2
7、、无游梁式抽油机,游梁式抽油机的最大特点是可靠性好，但是其冲程长度受限，原因有两个方面：1) 游梁式抽油机增大冲程是通过增大曲柄旋转半径来实现的。增大抽油机冲程就需要增大抽油机的几何尺寸和重量，生产成本上升，经济效益降低。2)游梁式抽油机四连杆机构决定了悬点运动规律的不均匀性。 增大冲程时，系统运行的稳定性更差，因而限制游梁式抽油机的冲程长度。,无游梁式抽油机由于不受四连杆机构的限制而使其具有长冲程的优点。近几年来，我国先后研制和使用了前置式抽油机、链条式抽油机、液压抽油机和气平衡抽油机等，目前主要以链条式抽油机为代表。,链条式抽油机,带传动抽油机,滚筒型抽油机,(二)抽油泵,1）结构简单，强
8、度高，质量好，连接部分密封可靠。 2）制造材料耐磨和抗腐蚀性好，使用寿命长。 3）规格类型能满足油井排液量的需要，适应性强。 4）结构上应考虑防砂、防气，并带有必要的辅助设备。 5）便于起下。,一般要求,(二)抽油泵,分类：按照抽油泵在油管中的固定方式可分为：管式泵和杆式泵,主要组成：泵筒、柱塞及游动阀(排出阀)和固定阀(吸入阀）,A-管式泵,B-杆式泵,管式泵：泵筒和固定阀在地面组装好接在油管下部先下入井内，然后再把柱塞接在抽油杆柱下端下入泵内。,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。,
9、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。,A-管式泵,B-杆式泵,泵的工作原理,(一)泵的抽汲过程,上冲程：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。,泵吸入的条件：泵内压力(吸入压力)低于沉没压力。,A-上冲程,B-下冲程,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
10、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。,下冲程：柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。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。,泵的工作原理,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:,抽油泵的型号及基本参数,例如：公称直径为38mm，泵筒长度为4.5m的厚壁筒，定筒式顶部固定，机械式，金属柱塞长1.5m,加长短
11、节长度为0.6m的杆式泵标记为:,CYB38-RHAM4.5-1.5-0.6,我国的抽油泵型号表示方法如下：,(三) 抽油杆,上经光杆连接抽油机，下接抽油泵的柱塞，其作用是将地面抽油机悬点的往复运动传递给井下抽油泵。,杆体直径分别为13、16、19、22、25、28mm等。 抽油杆的长度一般为8000mm或7620mm。 抽油杆的强度：C级杆(620-794MPa)、 D级杆(794-965MPa)、H级杆（965MPa）,特种抽油杆的种类 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 不锈钢抽油杆 非金属带状抽油杆 铝合金抽油杆 KD级抽油杆 焊接抽油杆,(四
12、) 附属器具,光 杆连接在抽油杆柱顶端的一根特制实心钢杆。它起两个作用：1）通过光杆卡子把整个抽油杆柱悬挂在悬绳器上。2）和井口盘根配合密封井口。,加重杆用于大泵抽油、稠油井和深井，抽油杆柱的下部采用加重杆，防止抽油杆柱下部发生纵向弯曲，减少抽油杆的断脱事故。,(四) 附属器具,抽油杆扶正器: 用于斜井和丛式井，使抽油杆处于油管中心，不直接与油管接触，减少抽油杆的磨损、振动和弯曲。还有用于减少抽油杆振动的减振器、防止抽油杆接箍旋松的防脱器等。,一、抽油装置 二、游梁式抽油机的受力分析 三、泵效计算 四、抽油杆强度计算及杆柱设计,提 纲,游梁式抽油机的受力分析主要是指抽油机驴头悬点上的载荷分析，
13、这是了解抽油机工作状态及抽油泵在井下的工作状态的重要手段。游梁式抽油机的悬点载荷是标志抽油机工作能力的重要参数之一，也是抽油机设计计算和选择使用的主要根据。当抽油系统工作时，作用在抽油机驴头悬点上的载荷主要有三类：静载荷、动载荷以及各种摩擦阻力产生的摩擦载荷。,二、游梁式抽油机的受力分析,1）静载荷,（一） 悬点所承受的载荷,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,作用在柱塞上的液柱载荷,上冲程 游动阀关闭，作用在柱塞上的液柱载荷为：,下冲程 游动阀打开，液柱载荷作用于油管，而不作用于悬点。,沉没压力(泵口压力)对悬点载荷的影响,
14、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。,1）静载荷,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:,由于沉没压力和井口回压在上冲程中造成的悬点载荷方向相反，可以相互抵消一部分，所以，在一般近似计算中可以忽略这两项。,1）静载荷,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
15、和液柱的惯性力。如果忽略抽油杆柱和液柱的弹性影响，则可以认为抽油杆柱和液柱各点的运动规律和悬点完全一致。所以，产生的惯性力除与抽油杆柱和液柱的质量有关外，还与悬点加速度的大小成正比，其方向与加速度方向相反。,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；后半冲程惯性力向上，减少悬点载荷。,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，增大悬点载荷。,抽油杆柱引起的悬点最大惯性载荷,上冲程：,取r/l=1/4时，,
16、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：,实际上由于受抽油杆柱和液柱的弹性影响，抽油杆柱和液柱各点的运动与悬点的运动并不一致。所以，上述按悬点最大加速度计算的惯性载荷将大于实际数值。在液柱中含气比较大和冲数比较小的情况下，计算悬点最大载荷时，可忽略液柱引起的惯性载荷。,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的作用于抽油杆柱，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。在低沉没度井内，由于泵的充满程度差，
17、会发生活塞与泵内液面的撞击，将产生较大的冲击载荷，从而影响悬点载荷。各种原因的撞击，虽然可能会造成很大的悬点载荷，是抽油中的不利因素，但现时尚无法预计。故在计算悬点载荷时都不考虑。,3）摩擦载荷,抽油杆柱与油管的摩擦力 （杆管）,上冲程主要受、影响，增加悬点载荷,柱塞与衬套之间的摩擦力 （柱塞与衬套）,液柱与抽油杆柱之间的摩擦力 （杆液）,液柱与油管之间的摩擦力 （管液）,液体通过游动阀的摩擦力 （阀阻力）,下冲程主要受、影响，减小悬点载荷,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
18、抽油杆的运动速度。所以，在抽汲高粘度液体时，不能采用快速抽汲方式，否则将因下行阻力过大抽油杆柱无法正常运行。,把悬点看做简谐运动，则,m油管内径与抽油杆直径比。,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：,杆管摩擦力：,液体通过游动阀产生的阻力：,柱塞与衬套之间的摩擦力：,dp柱塞的直径 de柱塞与衬套之间的间隙,fp柱塞截面积，m2 fo阀孔截面积， m2 由实验确定的阀流量系数，对于常用的标准型阀可查图,受力小结
19、,一般情况下，抽油杆柱载荷、作用在柱塞上的液柱载荷及惯性载荷是构成悬点载荷的三项基本载荷。稠油井内存在摩擦载荷；大沉没度的井沉没压力产生的载荷。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，但现时尚无法预计。故在计算悬点载荷时都不考虑。,(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：,1）计算悬点最大载荷和最小载荷的一般
20、公式,2)计算悬点最大载荷的其它公式,抽油杆在井下工作时，受力情况是相当复杂的，所有用来计算悬点最大载荷的公式都只能得到近似的结果。现将国内外所用的一些比较简便的公式列出，供计算时参考：,应用于一般井深及低冲数油井,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,简谐运动、杆柱惯性载荷,简谐运动、杆柱和液柱惯性载荷,一、抽油装置 二、游梁式抽油机的受力分析 三、泵效计算 四、抽油杆强度计算及杆柱设计,提 纲,三、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
21、系数的影响,（一）柱塞冲程损失,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。,1)静载荷作用下的柱塞冲程损失,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。,冲程损失计算式：,柱塞冲程：,冲程损失：,多级抽油杆的冲程损失：,冲程损失的影响因素分析：,油层供液状况和生产流体的性质； 抽油杆和油管的性质、组合； 3) 下泵深度； 4) 抽油泵的规格。,2)考虑惯性载荷后柱塞冲程的计算,柱塞冲程增加量：,当悬点上升到上死点时，抽油杆柱有向下的(负
22、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 。,抽油杆柱的惯性载荷使得泵效增加。,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：,上冲程：,下冲程：,3)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
23、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,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。,（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。,气体对冲满程度的影响,余隙比：,充满系数：,Vp上冲程活塞让出的容积 Vl每冲程吸入泵内的液体体积 R 泵内气液比,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
24、减小防冲距，以减小余隙。,（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,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。,（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，特别是稠油的井。 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
25、程损失 5)合理利用气体能量及减少气体影响,一、抽油装置 二、游梁式抽油机的受力分析 三、泵效计算 四、抽油杆强度计算及杆柱设计,提 纲,四、抽油杆强度计算及杆柱设计,抽油杆设计内容：抽油杆柱长度、直径、组合及材料。,抽油杆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。,.奥金格公式,强度条件：,1）抽油杆强度计算方法,折算应力,许用应力,原则：抽油杆内的折算应力小于疲劳破坏下的许用应力强度。,修正古德曼图,修正古德曼图,强度条件：,应力范围比：,抽油杆柱的许用最大应力的
26、计算公式：,要保证抽油杆柱不发生疲劳破坏，抽油杆的最大应力不应超过许用最大应力，即,1）抽油杆强度计算方法,2）抽油杆柱设计方法,由下向上计算每段杆柱顶端面的最大、最小载荷,计算每段杆柱顶端面的应力范围比PLi。,确定顶端面应力范围比为PL的第一级杆长L1，第二级杆长 L2=L-L1，杆径加粗一级继续计算。,L1,确定顶端面应力范围比为PL的第二级杆长L2，第三级杆长 L3=L-L1-L2，杆径加粗一级继续。,L,L1,L3,2）抽油杆柱设计方法,不等强度设计方法,除最上面一极杆柱的上端面外，其余各级杆柱的上端面都处于许用应力范围比的上限。 例如从上到下各级杆长：200m，500m，800m
27、各级杆柱上端面的应力范围比：35%，90%，90% 此时杆柱在安全范围内最轻。,2）抽油杆柱设计方法,如最上面一极杆柱上端面处的应力范围比与其余各级杆柱的上端面的应力范围比相差很多，则降低许用应力范围比，重新设计，直到各级杆柱的上端面的应力范围比接近为止。 例如从上到下各级杆长：400m，400m，700m 各级杆柱上端面的应力范围比：71%，72%，69% 此时各级杆柱强度近似相等。,等强度设计方法,2）抽油杆柱设计方法,对于深井，通常多级组合抽油杆柱；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。合理的抽油杆组合比例不仅应保证各级抽油杆的PL100%，而且各级抽油杆的PL值应该比较接近。同时，为了有效地使用抽油杆，PL还应保持较高的数值。,2）抽油杆柱设计方法,谢 谢！,
