有杆泵采油分析与系统的设计

东北石油大学高等教育自学考试

毕业设计（论

文）

专业：石油工程

考号：

姓名：

题目：有杆泵采油分析与系统的设计

指导教师：

2010 年 9 月 19 日

东北石油大学高等教育自学考试

毕业设计（论文）任务书

题目：有杆泵采油分析与系统的设计

专业：石油工程考号：姓名：本题目应达到的基本要求：

主要内容及参考资料：

签发日期：2010 年 6 月

完成期限：2010 年 9 月

指导教师签名：

摘要

有杆泵采油是最广泛最主要的传统机械采油技术。有杆泵采油包括游梁式有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油两种方法。其中游梁式有杆泵采油方法以其结构简单、适应性强和寿命长等特点。世界抽油机技术发展较快，科研人员研究开发了多种新型抽油机，特别无梁式抽油机的出现解决了很多常规机出现的弊端。。

有杆泵采油的系统设计，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：符合油井及油层的工作条件、充分发挥油层的生产能力、设备利用率较高且有较长的免修期，以及有较高的系统效率和经济效益。

关键词：有杆泵采油；游梁式；新机型；抽油机；系统设计

目录

第1章绪论 (1)

1.1有杆泵采油的现状 (1)

1.2有杆泵采油存在的问题 (1)

第2章有杆泵采油的简介分析 (2)

2.1 有杆泵采油井的系统组成 (2)

2.2 泵的工作原理 (5)

第3章有杆泵采油的泵效影响因素 (6)

3.1 抽油杆和油管弹性伸缩的影响 (6)

3.2 气体和充不满的影响 (8)

3.3 漏失的影响 (9)

3.4 提高泵效的措施 (9)

第4章有杆泵采油系统选择设计 (10)

4.1 井底流压的确定 (11)

4.2沉没度和沉没压力的确定 (11)

4.3下泵深度的确定 (11)

4.4冲程和冲次的确定 (12)

4.5抽油泵的选择 (12)

4.6抽油杆的选择 (13)

4.7抽油机、减速箱、电动机及其它附属设备的选择 (16)

4.8 设计的意义 (16)

第5章结论 (17)

参考文献 (18)

致谢 (19)

第1章绪论

1.1有杆泵采油的现状

大庆油田是全国最大的油田，目前油田常用的抽油机包括：常规游梁式抽油机、前置式抽油机、异相曲柄抽油机、偏置式抽油机、摆杆式抽油机、双驴头式抽油机、复合轮式抽油机、摩擦换向式抽油机、六连杆增程式抽油机、偏轮式抽油机、B游梁式抽油机等等。部分新型节能抽油机正在实验当中，由于大部分新型抽油机各有优缺点，所以还没有大批量投入使用

近年来，随着大庆油田老区块开发的不断深入，油田含水率迅速上升，开发经济效益逐年下降，剩余未动用储量绝大部分是有效厚度较小、储量丰度较低的难采储量。目前，企业在资金紧张、降低基本建设投资和控制生产成本的情况下，对于老区块应何时改变采油方式，才能延长油田的经济开采期；新区块如何根据其地质条件，选择最佳的举升方式，使油田获得更大的经济效益，是企业面临的新问题。因此，开展机械采油方式优选评价研究很有必要。

有杆泵采油系统的效率仅26.5%，系统地面部分的效率为60%左右。影响地面效率的主要因素是抽油机的悬点运动情况和平衡状况，而工作参数的配置影响悬点的运动，抽油机的平衡状况对电动机的工作有直接的影响。此外，传送带，减速器等的传送效率也是影响着地面系统效率的因素。

为了使抽油机工作达到平衡状态，在下冲程把抽油杆自重做的功和电机输出的能量储存起来所采取的形式，称之为平衡方式。目前常用的平衡方式有气动平衡和机械平衡。

气动平衡是通过游梁带动的活塞压缩气包中的气体，把下冲程中做的功储存成为气体的压缩能。在上冲程中被压缩的气体膨胀，将储存的压缩能转换成膨胀能帮助电动机做功。

机械平衡是以增加平衡重块的位能来储存能量，而在上冲程中平衡重降低位能来帮助电动机做功的平衡方式。机械平衡有三种类型，即游梁平衡、曲柄平衡和复合平衡。

1) 游梁平衡是在游梁尾部加平衡重，适用于小型抽油机。

2) 曲柄平衡(旋转平衡)是将平衡重加在曲柄上。这种平衡方式便于调节平衡，并且可避免在游梁上造成过大的惯性力，适用于大型抽油机。

3) 复合平衡(混合平衡)在游梁尾部和曲柄上都加有平衡重，是上述两种方式的

组合，多用于中型抽油机。

1.2有杆泵采油存在的问题

有杆泵抽油机是油田的主要采油设备，其不但使用数量大，用电量大，而且系统效率低，节电潜力巨大，虽然也有很多节能型抽油机用于油田，也确实起到了一定的节能效果，但由于多方面原因，大部分节能机不能很好的适应油田的生

产，具体有以下5种原因：①部分新型机的易损件不是通用件，坏了之后不便维修。②部分新型机造价太高，油田投资巨大。③目前各种新型抽油机，传动元件的使用寿命尚不理想。实践证明，新型抽油机的可靠性是决定抽油机成败的关键。④油田工人一时很难熟悉一些新型机，日常维护困难。⑤一些新型机虽然节能但维修费用高，入不敷出。

第2章有杆泵采油的基本系统组成及泵的工作原理2.1 有杆泵采油井的系统组成

有杆泵采油井是以抽油机、抽油杆和抽油泵“三抽”设备为主的有杆抽油系统。其工作过程是：由动力机经传动皮带将高速的旋转运动传递给减速箱，经三轴二级减速后，再由曲柄连杆机构将旋转运动变为游梁的上、下摆动，挂在驴头上的悬绳器通过抽油杆带动抽油泵柱塞做上、下往复运动，从而将原油抽汲至地面。

图2.1有杆泵采油井的系统组成

1-吸入阀；2-泵筒；3-活塞；4-排出阀；5-抽油杆；6-油管；7-套管；8-三通；

9-盘根盒；10-驴头；11-游梁；12-连杆；13-曲柄；14-减速箱；15-动力机（电动机）

2.1.1抽油机

抽油机是有杆泵采油的主要地面设备，按是否有游梁，可将其分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。

游梁式抽油机是通过游梁与曲柄连杆机构将曲柄的圆周运动转变为驴头的上、下摆动。按结构不同可将其分为常规型和前置型两类。

常规型游梁式抽油机是目前矿场上使用最为普遍的抽油机，其特点是支架在驴头和曲柄连杆之间，上、下冲程时间相等。

前置型游梁式抽油机的减速箱在支架的前面，缩短了游梁的长度，使得抽油机的规格尺寸大为减小，并且由于支点前移，使上、下冲程时间不等，从而降低了上冲程的运行速度、加速度和动载荷以及减速箱的最大扭矩和需要的电机功率。

为了提高冲程、节约能源及改善抽油机的结构特性和受力状态，国内外还出现了许多变形抽油机，如异相型、旋转驴头式、大轮式以及六杆式双游梁等抽油机。为了减轻抽油机重量，扩大设备的使用范围以及改善其技术经济指标，国内外研制了许多不同类型的无游梁式抽油机。其主要特点多为长冲程低冲次，适合于深井和稠油井采油。目前，无游梁式抽油机主要有：链条式、增距式和宽带式抽油机。

2.1.2抽油泵

抽油泵是有杆泵抽油系统中的主要设备，主要由工作筒(外筒和衬套)、活(柱)塞及阀(游动阀和固定阀)组成，如图2.2所示。游动阀又称为排出阀；固定阀又称为吸入阀。抽油泵按其结构不同可分为管式泵和杆式泵。

图2.2 抽油泵结构示意图

（a）管式泵；（b）杆式泵

1-油管；2-锁紧卡；3-活塞；4-游动阀；5-工作筒；6-固定阀

如图2.2（a）所示，管式泵是把外筒和衬套在地面组装好后，接在油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后把活塞接在抽油杆柱下端下入泵筒内。其特点是：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；检泵时需起出油管，修井工作量大。因此，管式泵适用于下泵深度不大、产量较高的井。

如图2.2(b)所示，杆式泵是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，由预先安装在油管预定位置上的卡簧固定在油管上。其特点是：检泵不需起出油管，检泵方便；结构复杂，制造成本高；在相同油管直

径下允许下入的泵径比管式泵小，故排量较小。因此，杆式泵适用于下泵深度较大，但产量较低的井。

由于井液性质的复杂性，对泵往往有特殊要求，因此，从用途上又可将抽油泵分为常规泵和特种泵。特种泵主要有防砂泵、防气泵、抽稠泵、分抽混出泵和双作用泵以及各种组合泵。

2.1.3光杆与抽油杆

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。

常用的抽油杆主要有普通抽油杆、玻璃纤维抽油杆和空心抽油杆三种类型。

普通型抽油杆的特点是：结构简单、制造容易、成本低；直径小，有利于在油管中上下运行。因此，它主要用于常规有杆泵抽油方式。

玻璃纤维抽油杆的主要特点是：耐腐蚀，有利于延长寿命；重量轻，有利于降低抽油机悬点载荷和节约能量；弹性模量小，可实现超冲程，有利于提高泵效。

空心抽油杆由空心圆管制成，成本较高，它可用于热油循环和热电缆加热等特殊抽油工艺，也可以通过空心通道向井内添加化学药剂。适用于高含蜡、高凝固点的稠油井。

2.1.4连续抽油杆

主要技术特点(1)物理性能好,重量轻。

在横截面积相同的情况下,抗拉强度,破断拉力和承载能力均比同面积的常规抽油杆大,而质量却减小,减小抽油杆负荷10%以上,电机能耗下降15%~25%。

(2)弹性横量小,柔性好。

连续杆较常规钢杆弹性横量小、柔性好,并且结构伸长极小,可使抽油泵柱塞超行程工作,减少冲程损失,可提高泵效15%以上。

(3)泵工作效率高。

由于同截面的条件下,连续杆承载能力大,所以在不改变抽油机悬点负荷的情况下,使用连续杆代替常规钢杆可对井下抽油泵升级和增加下泵深度,提高产液量,同时起下作业连续,方便省时、省力。

(4)连续抽油杆与油管走向吻合,无较大偏磨点。

连续抽油杆和油管在井筒的走向较常规钢杆吻合,改变了常规抽油杆、油管

的点接触状态,消除了常规抽油杆工作过程中的接箍产生的活塞效应,使杆、管磨损达到最小,减少井下抽油杆断脱事故率。

2.1.5应用范围

针对中原濮城油田高含水开发后期,油井井下技术状况差,油藏埋藏深,且普遍存在偏磨、腐蚀等严重的状况,为充分发挥连续抽油杆较常规抽油杆诸多卓越的性能,主要从两个方面进行措施选井。

2.2 泵的工作原理

泵的活塞上、下运动一次称为一个冲程，可分为上冲程和下冲程。此外，冲程还是描述抽油泵的工作参数，即指悬点(或活塞)在上、下死点间的位移，称为光杆冲程(或活塞冲程)，用s(或s

)来表示。每分钟内完成上、下冲程的次数称

P

为冲次，用n来表示。

2.2.1上冲程

抽油杆柱带动活塞向上动（图2.3 左），活塞上的游动阀受管内液柱压力作用而关闭，甭内压力随之降低。固定阀在沉没压力与泵内压力构成的压差作用下，克服重力而被打开，原油进泵而井口排油。与此同时，抽油杆由于加载而伸长，油管卸载而缩短。

2.2.2下冲程

抽油杆柱带动活塞向下运动（图2.3右），固定阀一开始就关闭，泵内压力逐渐升高。当泵内压力升高到大于活塞以上液柱压力和游动阀重力时，游动阀被顶开，活塞下部的液体通过游动阀进入活塞上部，泵内液体排向油管。于此同时，抽油杆由于卸载而缩短，油管加载而伸长。

图 2.3 泵的工作原理

左：上冲程；右：下冲程 1-排出阀；2-活塞；3-衬套；4-吸入阀