第三章 有杆泵采油

第三章有杆泵采油有杆泵一般是指利用抽油杆上下往复运动所驱动的柱塞式抽油泵。

有杆泵采油具有结构简单、适应性强和寿命长的特点，是目前国内外应用最广泛的机械采油方式。

本章将系统地介绍游梁式抽油机有杆抽油装置、采油原理、工艺设计及油井工况分析方法。

第一节有杆抽油装置典型的有杆抽油装置主要由三部分组成，如图3-1所示。

一是地面驱动设备即抽油机；二是安装在油管柱下部的抽油泵；三是抽油杆柱，它把地面设备的运动和动力传递给井下抽油泵柱塞使其上下往复运动，使油管柱中的液体增压，将油层产液抽汲至地面。

就整个有杆抽油生产系统而言，还包括供给流体的油层、用于悬挂抽油泵并作为举升流体通道的油管柱、井下器具（油管锚、气锚、砂锚等）、油套管环形空间及井口装置等。

图3-1 典型的有杆抽油生产系统1-吸入阀；2-泵筒；3-排出阀；4-柱塞；5-抽油杆；6-动液面；7-油管；8-套管；9-三通；10-盘根盒；11-光杆；12-驴头；13-游梁；14-连杆；15-曲柄；16-减速器；17-动力机（电动机）一、抽油机抽油机（pumping unit）是有杆抽油的地面驱动设备。

按其基本结构抽油机可分为游梁式和无游梁式两大类，目前国内外应用最为广泛的是游梁式抽油机（俗称磕头机）。

游梁式抽油机主要由游梁—连杆—曲柄（四连杆）机构、减速机构（减速器）、动力设备（电动机）和辅助装置等四部分组成，如图3-2所示。

游梁式抽油机工作时，传动皮带将电机的高速旋转运动传递给减速器的输入轴，经减速后由低速旋转的曲柄通过四连杆机构带动游梁作上下往复摆动。

游梁前端圆弧状的驴头经悬绳器带动抽油杆柱作上下往复直线运动。

根据结构形式不同游梁式抽油机分为常规型（普通型），异相型、前置型和异型等类型。

常规型和前置型是游梁式抽油机的两种基本型式。

1.常规型抽油机常规型游梁抽油机如图3-2所示。

它是目前油田使用最广的一种抽油机。

其结构特点是：支架位于游梁的中部，驴头和曲柄连杆分别位于游梁的两端，曲柄轴中心基本位于游梁尾轴承的正下方，上下冲程运行时间相等。

图3-2 常规型游梁式抽油机结构1-刹车装置；2-电动机；3-减速器皮带轮；4-减速器；5-输入轴；6-中间轴；7-输出轴；8-曲柄；9-连杆轴；10-支架；11-曲柄平衡块；12-连杆；13-横船轴；14-横船；15-游梁平衡块；16-游梁；17-支架轴；18-驴头；19-悬绳器；20-底座2. 异相型抽油机异相型抽油机是上世纪七十年代发展起来的一种性能较好的抽油机，如图3-3所示。

从外形上看，它与常规型抽油机并无显著差别，故常规型与异相型也称后置型抽油机。

其结构特点是：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）。

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。

图3-3 异相型游梁式抽油机结构1-刹车装置；2-电动机；3-减速器皮带轮；4-减速器；5-曲柄；6-曲柄平衡块；7-支架；8-曲柄平衡重臂；9-连杆；10-游梁；11-驴头；12-悬绳器；13-底座3．前置型抽油机前置型抽油机（mark II pumping unit）如图3-4所示。

其结构特点是：支架位于游梁的一端，驴头和曲柄连杆同位于另一端。

在相同曲柄半径下，前置型的冲程长度明显大于常规型，抽油机的规格尺寸较常规型小巧。

这种抽油机上冲程运行时间长于下冲程运行时间，从而降低了上冲程的运行速度、加速度和动载荷。

前置型多为重型长冲程抽油机，除采用机械平衡方式外，还有采用气动平衡方式。

图3-4 前置型游梁式抽油机结构1-驴头；2-游梁；3-横梁；4-连杆；5-减速器；6-悬挂器；7-曲柄销；8-支架；9-曲柄；10-底座；11-电动机；12-刹车装置我国游梁式抽油机型号表示法如下：例如：规格代号为8-3-37的常规型游梁式抽油机，减速器采用点啮合双圆弧齿轮，平衡方式为曲柄平衡，型号为CYJ8-3-37HB。

表示抽油机的额定悬点载荷为80kN，光杆悬点最大冲程为3m，减速器额定扭矩为37kN·m。

为了增大冲程、节能及改善抽油机的结构特性和受力状态，国内外还发展了许多变形游梁式抽油机，如双驴头、旋转驴头、调径变矩、下偏杠铃以及斜井游梁式抽油机等。

为了扩大有杆抽油方式的适用范围，改善其技术经济指标，国内外还发展了许多不同类型的无游梁抽油机（特别超长冲程抽油机），如链条式、增距式和宽带式抽油机等，多为长冲程和慢冲次，以适应深井和稠油的特殊需要。

二、抽油泵抽油泵（有杆泵sucker rod pump）是有杆抽油系统的井下关键设备，安装在油管柱的下部，沉没在井液中，通过抽油机、抽油杆传递的动力抽汲井内的液体。

它所抽汲的液体中常会含有蜡、砂、气、水及腐蚀性物质，在数百米到上千米的井下工作，泵内压力会高达20MPa 以上。

为了使抽油泵能适应井下复杂的工作环境和恶劣的条件，对抽油泵基本要求是：结构简单、强度高；工作可靠，使用寿命长；便于起下而且规格类型能满足不同油田的采油工艺需要。

1.泵的工作原理抽油泵主要由泵筒、柱塞、固定阀和游动阀四部分组成。

泵筒即为缸套，其内装有带游动阀的柱塞。

柱塞与泵筒形成密封，用于从泵筒内排出液体。

固定阀（standing valve）为泵的吸入阀（intake valve），一般为球座型单流阀，抽油过程中该阀位置固定。

游动阀（traveling valve）为泵的排出阀（exhaust valve），它随柱塞运动。

柱塞上下运动一次称一个冲程，也称一个抽汲周期，其间完成泵进液和排液过程，如图3-5所示。

图3-5 泵的工作原理（a ）上冲程（吸液进泵）； （b ）下冲程（排液出泵）1）上冲程在理想情况下，抽油杆柱向上拉动柱塞，如图3-5（a ）所示。

柱塞上的游动阀受油管内液柱压力一开始就关闭。

此时，泵内（柱塞下面的）容积增大，压力降低，固定阀在油套环空液柱压力（沉没压力）与泵内压力之差的作用下被打开，原油被吸入泵内。

与此同时，如果油管内已逐渐被液体所充满，柱塞上面的一段液体将沿油管排到地面。

所以，上冲程是泵内吸入液体，井口排出液体的过程。

造成吸液进泵的条件是泵内压力（吸入压力）低于沉没压力。

2）下冲程抽油杆柱向下推动柱塞，如图3-5（b ）所示。

固定阀一开始就关闭，柱塞挤压固定阀和游动阀之间的液体，使泵内压力增高。

当泵内压力增加到大于柱塞以上液体压力时，游动阀被顶开，柱塞下面的液体通过游动阀进入柱塞上面，使泵排出液体。

由于有相当于冲程长度的一段光杆从井外进入油管，井口将排挤出相当于这段光杆体积的液体。

所以，下冲程是泵向油管内排液的过程，造成泵排出液体的条件是泵内压力高于柱塞以上的液柱压力。

2.泵的理论排量泵的工作过程是由三个基本环节组成：柱塞在泵内让出容积、原油进泵和从泵内排出原油。

在理想情况下，柱塞上下一次吸入和排出的液体体积相等，即等于柱塞在上行时走过的几何体积A P S 。

所以，泵的理论排量（pump displacement ）为Sn A Q p t 1440 （3-1） 式中 Q t ——泵的理论体积排量，m 3/d ；A p ——柱塞截面积（πD 2/4），m 2；D ——泵径，m ；S ——光杆冲程，m ；n ——冲次，min -1。

3. 抽油泵类型和结构按抽油泵在油管中的固定方式分为管式泵和杆式泵两大类型。

通常对于符合抽油泵标准设计和制造的抽油泵称为常规泵；而具有专门用途，如稠油泵、防气泵、防砂卡泵等，与标准结构不同的泵称为特殊泵或专用泵。

抽油泵又分为整筒泵和组合泵（衬套泵）。

组合泵的外筒内装有多节衬套组成泵筒，并与金属柱塞配套；而整筒泵没有衬套；与软密封柱塞配套。

SYS5059-91标准抽油泵的基本型式如图3-6所示。

图3-6 抽油泵基本型式1—定筒式杆式泵；厚壁泵筒，顶部定位，组合泵筒，顶部定位2—定筒式杆式泵；薄壁泵筒，顶部定位，薄壁泵筒，顶部定位，软密封柱塞3—定筒式杆式泵；厚壁泵筒，底部定位，组合泵筒，底部定位4—定筒式杆式泵；薄壁泵筒，底部定位，薄合泵筒，底部定位，软密封柱塞5—动筒式杆式泵；厚壁泵筒，底部定位，组合泵筒，底部定位6—动筒式杆式泵；薄壁泵筒，底部定位，薄合泵筒，底部定位，软密封柱塞7—厚壁泵筒或组合泵筒管式泵8—厚壁泵筒管式泵，软密封柱塞1）管式泵图3-6中7和8为管式泵（tubing pump）的结构图。

管式泵一般将泵筒在地面组装好后由油管接箍直接连接在油管下部下入到设计的泵挂深度处，然后投入可打捞的固定阀装置，最后把柱塞连接在抽油杆柱下端下入泵筒内。

检泵打捞固定阀时，通常采用两种方法：一种是利用柱塞下部的卡扣或丝扣起抽油杆柱时捞上来；另一种是柱塞下部无打捞装置，在起出抽油杆柱和柱塞后，用绞车、钢丝绳下入专门的打捞工具将固定阀捞出。

管式泵的结构简单、成本低，在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量大。

但起下泵作业时，需要起下全部油管，且修井作业时间长，费用高。

故管式泵适用于下入深度不大，产量较高的油井。

2）杆式泵杆式泵（insert pump）是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”。

杆式泵又按其固定方式分为以下三种：（1）定筒式顶部固定杆式泵。

其柱塞经阀杆与抽油杆连接，并作上下运动。

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，如图3-6中1、2所示。

（2）定筒式底部固定杆式泵。

其柱塞与抽油杆柱连接，并作上下运动。

由泵的底部锁紧装置将泵筒固定在油管内的预定位置上，如图3-6中3、4所示。

（3）动筒式底部固定杆式泵。

其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的支承套上，如图3-6中5、6所示。

杆式泵与管式泵相比结构复杂，制造成本高。

在相同油管直径下允许下入的泵径较管式泵小。

但杆式泵是整泵通过油管下井，泵内各精密部件得到良好保护，不易损伤柱塞；起下泵时无需起下油管，检泵方便；可用于深井。

另外，它还有形式多样，选择余地大等优点。

在国外，大部分有杆泵井都使用杆式泵，目前我国也正在逐步推广使用。

3 ) 组合泵为了减少磨损、防止砂卡，国内常用带环状槽的金属柱塞。

金属柱塞与其相配合的衬管其加工要求高，制造不便，易于磨损。

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。

这类泵在长途运输和使用中易发生“错缸”即衬管错位。

4 ) 整筒泵（软密封柱塞泵）前面介绍的都是金属柱塞泵。

软密封柱塞泵只是柱塞与金属柱塞不同，其余结构与金属柱塞泵相同。

软密封柱塞泵具有在压力作用下能扩大直径和材质较软的特点，柱塞与泵筒内表面可以不经表面硬化处理。