游梁式抽油機連桿機構(gòu)尺度優(yōu)化及結(jié)構(gòu)設(shè)計-外文翻譯.doc

本科畢業(yè)設(shè)計（論文）外文翻譯譯文學(xué)生姓名： 院 （系）： 機械工程學(xué)院 專業(yè)班級： 機械0702 指導(dǎo)教師： 完成日期： 20 年 月 日 要 求1、外文翻譯是畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容之一，必須學(xué)生獨立完成。2、外文翻譯譯文內(nèi)容應(yīng)與學(xué)生的專業(yè)或畢業(yè)設(shè)計（論文）內(nèi)容相關(guān)，不得少于15000印刷符號。3.外文翻譯譯文用A4紙打印。文章標題用3號宋體，章節(jié)標題用4號宋體，正文用小4號宋體，20磅行距；頁邊距上、下、左、右均為2.5cm，左側(cè)裝訂，裝訂線0.5cm。按中文翻譯在上，外文原文在下的順序裝訂。4、年月日等的填寫，用阿拉伯數(shù)字書寫，要符合關(guān)于出版物上數(shù)字用法的試行規(guī)定，如“2005年2月26日”。5、所有簽名必須手寫，不得打印。最新技術(shù)進展使有桿抽油系統(tǒng)比ESP系統(tǒng)效率更高Latest Technological Advances in Rod Pumping Allow Achieving Efficiencies Higher than with ESP Systems作者： Gabor Takacs , Hadi Belhaj起止頁碼： 1-7出版日期（期刊號）： 2010.11.14 SPE 136880出版單位： SPE外文翻譯譯文：版權(quán)所有2010年，石油工程師學(xué)會本文是作者為參加在阿布扎比國際石油展覽會及會議而準備的論文，該次會議在2010年11月1到4號阿聯(lián)酋阿布扎比舉行。本文是由石油工程學(xué)會組織委員會在審查了論文作者所提交的摘要信息之后所選中的。石油工程學(xué)會人員沒有評閱這些文章內(nèi)容，它由作者進行修改。文章中并不一定非要反映任何石油工程學(xué)會、其工作人員或會員的觀點。在石油工程師學(xué)會會議上提交的論文由石油工程協(xié)會編委會出版評閱。基于商業(yè)目的對論文電子文本的任何部分的復(fù)制、傳播或儲存都是石油工程學(xué)會所禁止的。允許復(fù)制的印刷文本僅限于不超過300字的摘要部分，插圖不能被復(fù)制。摘要必須明確地說明文章是在何處以及由何人所寫。摘要:在油井中，最重要的兩種人工舉升方法是抽油桿泵和電潛泵，成千上萬的這種兩泵遍布世界各地。雖然它們運行特點和應(yīng)用范圍有很大的區(qū)別，但許多情況下，他們其中任何一個都可以在設(shè)定好的油井中應(yīng)用。最終，根據(jù)它們的能源效率和所需最小表面的輸入功率，來選擇恰當?shù)姆椒?。本文為評估這兩種升降機研究方法的有效性和實現(xiàn)最大功效的針對性需求，提供了必要的背景。在泵送系統(tǒng)中對功率流進行了研究，而且功率流被描述為通常范圍內(nèi)的功率損失來源。該系統(tǒng)的整體電源效率是由一個簡單公式來定義的，這個公式將在必要時檢測不同系統(tǒng)單元主要部分的功率損失。徹底的調(diào)查研究各組成部分效率可以找到影響整個系統(tǒng)功率的最明顯因素。正如本文所提到的，獲得最大效率的最重要的舉措是合理的選擇泵的類型，即柱塞尺寸、沖程長度組合和抽速。詳細計算ESP系統(tǒng)中的各部分能量損失并且描述了單獨每個部分損失的相對重要性。由于ESP系統(tǒng)的各組成部分串聯(lián)，一個相對簡單的公式可以用來描述電能損失和水力損失對整個系統(tǒng)效率的影響。由于ESP系統(tǒng)總效率的重要性，對系統(tǒng)效率的公式進行了研究。本次調(diào)查的結(jié)果提供關(guān)于如何設(shè)計一個ESP系統(tǒng)，以提供最高的電源效率的關(guān)鍵信息。通過一個事例說明了提出的計算模型的實際運用，這個事例就是在同井中有桿泵和ESP都能獲得相對較高的產(chǎn)液量（1300萬桶）。詳細的安裝設(shè)計，使得有桿抽油泵和ESP桿有了若干個不同的操作模式。本文論證了使用像高強度抽油桿桿連接這種最新技術(shù)，通過獲得更高能效，有桿抽油桿系統(tǒng)可以成功地和安裝了ESP的桿泵相匹敵。簡介期望能從更深井開采出大量的液體流量，達到這一期望的唯一方法通常是ESP或氣舉，而不是有桿抽油系統(tǒng)。眾所周知，這種情況的主要原因是受抽油桿鋼強度的限制。由于深處的抽油泵單獨受到載荷和壓力，且抽油桿的負載過重超過其自身重量，以至于油桿無法承受而斷裂。這種情況下，有桿泵抽油需要引入更高強度材料的桿作為基本驅(qū)動裝置。抽油桿的疲勞硬度極限是對抽油桿強度最好的定義，因為大多數(shù)抽油桿疲勞斷裂發(fā)生在遠低于抗拉強度處，甚至是所用鋼材的屈服強度處。材料的疲勞是指材料的塑性拉伸破壞，這種破壞歸因于像抽油桿柱的脈動載荷張力一樣的反復(fù)變形。典型的斷裂常發(fā)生在抽油桿的應(yīng)力集中表面（類似于表面缺口缺陷、表面腐蝕缺陷等），并且慢慢以直角的形式發(fā)展成應(yīng)力，即在整個桿材料中。從而承載截面逐步減少，直到剩下的金屬面是過載和斷裂為止。Tenaris桿API D級桿高強度桿最小應(yīng)力，ksi最大應(yīng)力，ksi圖1：古德曼修正圖 這個行業(yè)經(jīng)歷了連續(xù)的技術(shù)進步，從早期抽油機井中使用的木山胡桃木桿技術(shù)發(fā)展成為強鋼筋技術(shù)。作為幾十年前最強的桿API中D級抽油桿，被一些特殊的高強度材料桿所取代，像Norris 97，Trico 66等。最新發(fā)展的抽油桿是由泰納瑞斯1開發(fā)的新型線程桿和優(yōu)質(zhì)桿的聯(lián)接，如果將這項新技術(shù)應(yīng)用在用傳統(tǒng)材料制成的抽油桿上，則會大大的提高抽油桿柱的疲勞壽命。這一技術(shù)的改進歸因于這樣一個事實，通常抽油桿的斷裂損壞多數(shù)發(fā)生的聯(lián)接處。多虧了這些新型特殊強度聯(lián)接桿能夠承受比API中最高強度材料所承受的還要高的應(yīng)力范圍。圖1中古德曼修正圖清晰的說明了非API桿料的優(yōu)越性能，這是現(xiàn)今可用桿材料中的最高疲勞硬度極限。抽油桿桿材料強度的顯著改善恰恰詳細的說明了需要重新核實抽油桿泵安裝深度的極限。本文的目的是解決與此相關(guān)的問題，并具有兩重性：探討抽油桿桿的應(yīng)用率，解除僅僅在幾年前還望而卻步的深處，以及有桿抽油系統(tǒng)的功率損失與ESP系統(tǒng)的功率損失作比較。為了達到本文的要求，首先必須要對這兩種人工舉升裝置（SRP和ESP）的功率損失進行計算。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)設(shè)計的開發(fā)要確保最低功耗的要求，從而使兩個舉升裝置進行利弊比較。有桿抽油系統(tǒng)的功率損失系統(tǒng)的功率流井下能量損失：摩擦損失，水力損失輸出功率表面損失：機械損失，電損失輸入功率光桿功率圖2 有桿抽油系統(tǒng)能量損失圖2介紹了能量流和沿有桿抽油系統(tǒng)能量損失的可能來源。泵系統(tǒng)的有效功率，, 是由井下泵完成的，井下泵將開采出來的油液從泵的安裝深度輸送給原動機處，通常是一個電動馬達。系統(tǒng)效率任何人工舉升系統(tǒng)的整個電源效率最好用有限的成份效率來描述。在有桿抽油泵中，以下因素有助于確定數(shù)量和定義固有組件： 光桿所需的電量要很容易測量或計算。該電動機（通常的原動力）效率要是已知的。因為在光桿所需的能量(PRHP)包括系統(tǒng)中井下所有的損失;而表面損失可劃分為機械和電機損失，整個系統(tǒng)的效率通常被定義為： （1）其中：-舉升效率； -表面驅(qū)動力的機械效率； -電動機的整體效率。系統(tǒng)各成分的效率舉升效率光桿功率（PRHP）是由泵做的有效功()和井下泵所有的能量損失的總和。這說明了光桿上產(chǎn)生的機械動力，并且在多方面得以體現(xiàn)。最可靠的解決方案要涉及到測功機卡和執(zhí)行計算卡，但計算模型對其他領(lǐng)域的計算也可用。該泵系統(tǒng)的井下組件的能源效率的特點是油井中能量損失的相對量。這個參數(shù)稱為舉升效率，而且它是有效的液壓功率和光桿所需功率之商：= （2）其中：-用流體上升的液壓功率；HP PRHP-光桿功率；HP表面機械效率機械能量損失發(fā)生在機械傳動系統(tǒng)部分，它們包括抽油機、變速箱和V傳送帶的傳動摩擦損失。由于這些傳動系統(tǒng)的作用，在原動機軸上的機械功率（）常常比光桿所需的（PRHP）要大。因此，很容易用一個機械效率描述這些能量損失：= （3）其中：=電機軸機械功率，HP。電機效率用一個整體效率來描述電動機的全部損失，這個效率是電動機軸上的機械功率和電源平均功率的比值計算： （4）其中：=電機的輸入功率，HP。最大限度地提高系統(tǒng)效率由于系統(tǒng)的效率是由公式一中的三項公式來定義，研究這些單獨項式得出這樣一重要結(jié)論：有桿抽油泵在工作時獲得最大能源效率的可能方法。表面機械效率平均值高，通常超過90為有利條件也就是可以很好的保護抽油機和變速箱。在這個技術(shù)文獻中，對因為變速箱加載此方法的效率提高了機組額定容量達成了共識。至于電機效率，電機采用泵送接近90時，穩(wěn)定的負載下電機可能已到達滿載效率。但由于電機在抽油過程中的循環(huán)加載，其實際的負載值在30至80范圍不等。執(zhí)法機關(guān)等。 2目前電機效率達到78 - 91%美國電氣制造商協(xié)會5馬力-60馬力D級電機。如圖所示，表面機械效率，電機效率，的可能值在相當窄的范圍內(nèi)變化。與此同時，如果選擇型號合適的變速箱和電動馬達，它們可取最大值。一個經(jīng)恰當保養(yǎng)的抽油單元，它的減速器運行在接近其最大扭距范圍內(nèi)能確保機械效率在= 90以上。一個正確選擇電動馬達也能提供相對高的值。因此，該驅(qū)動系統(tǒng)和馬達的綜合效率（）可以在67- 88范圍內(nèi)，如來自麥考伊等人 3。相對于上述效率通常的變化范圍，提升效率，可以在非常廣泛的范圍內(nèi)變化，取決于抽油模式（柱塞尺寸，沖程長度，泵速）的選擇。在可能值的下限，考慮到一個磨損過的泵產(chǎn)生的液體量很小，取得一個可忽略的液壓動力，然而光桿還消耗著一定的能量，加到一個值幾乎為零提升效率上。另一方面，擁有大功率泵，低抽油速度的油井，理想狀況下，在光桿處需要不會多于液壓動力。例如，塔卡克斯4報道94至38的提升效率，據(jù)高爾特5，提升效率可通過選擇最優(yōu)化抽油模式實現(xiàn)相當大的改善，即抽油泵的大小，光桿沖程長度，抽油速度，桿柱的設(shè)計綜合?？傊?，實現(xiàn)整個系統(tǒng)高效率的基本要求是找到提升效率最大可能值。由于這是通過恰當選擇抽油模式，正確選擇泵的大小組合方式，光桿沖程長度實現(xiàn)的，抽油速度是至關(guān)重要的。無論是設(shè)計一個新的抽油系統(tǒng)或改進現(xiàn)有的裝置性能，這一定是有有桿抽油專家努力的首要目標。有桿抽油有桿抽油系統(tǒng)模式被定義為泵的大小，光桿沖程長度，抽油速度，桿柱設(shè)計的綜合。如果考慮到API標準：（a）超過10種柱塞尺寸，（b）約20種行程長度，（三）六種抽油桿尺寸，和（d）抽油速度可以在任何低于20SPM的地方，可組合的數(shù)量是巨大的。為了生產(chǎn)出給定的流體量，然而，大部分理論上可能的抽油模式證明是不切實際的或不經(jīng)濟的，但是消除這些仍有大量選擇需考慮。最優(yōu)設(shè)計從基于提升效率的現(xiàn)存抽油模式中選擇的，從中選取最大效率的。ESP系統(tǒng)中的能量狀況ESP系統(tǒng)中的能量損失如圖3所示，ESP系統(tǒng)中的能量損失。總能量被系統(tǒng)各部分消耗，令有部分能量用于將井下液體提升至表面，（即液壓能量)所有的能量損失發(fā)生在井下和地表部件。在ESP系統(tǒng)中的能量分類可依據(jù)發(fā)生能量損失的地方；因此，可通過井下和井上損失區(qū)別。另外一種能量損失分類方法是根據(jù)他們的屬性將他們分為液壓的和電動的。電機損失泵損失容器損失流量損失背壓損失表面電量損失 圖3 ESP系統(tǒng)中的能量損失系統(tǒng)效率在定義ESP系統(tǒng)的整體能源使用效率時，因素的最小數(shù)量將被用來促進實際應(yīng)用。為此，在井中的液壓損失可用單一效率值表示，液壓損失包括層流和背壓損失，ESP泵的效率和氣體分離器能組合為一個整體。由于馬達和地面設(shè)備的效率是已知的知，ESP裝置的總效率在以下被給出。 （5）其中：ESP泵效率；ESP電機效率；地表電系統(tǒng)效率。油井中的水力損失包括流量損失和背壓水力損失，其定義如下： （6）其中：=舉升油液所需的水力功率，HP；=油管摩擦功率損失，HP；=井口回壓功率損失，HP；ESP的電纜功率效率定義為： （7）其中：=電機的輸入功率，kW；=ESP電纜電源功率損失，kW。在這里提出的公式的優(yōu)點是，雖然它需要項目最小值的測定，它提供了檢測系統(tǒng)組件的可能性，這些組件可能會發(fā)生相當大的能量損失。使用這個公式，因此，有助于達到最佳的經(jīng)濟條件和減少液體提升成本。最大化系統(tǒng)效率由于之前完成了有桿泵抽油，經(jīng)過對基本公式（5）的分析之后，取得最大效率的條件就可以被確定。對每個項目的重要性及其對系統(tǒng)的整體效能的作用的研究可以給出關(guān)于能讓ESP系統(tǒng)高效運行的方法的重要信息。最簡單的情況被表面電效率給出，有一個非常高的值（通常是97），而且在大多數(shù)情況下不會改變。因此，它對整個系統(tǒng)的效率，影響極為輕微，不需要進一步的討論。該項目的量描述井中水力損失，取決于以下參數(shù)：（一）油管的尺寸，（二）所需的抽油速率，以及（c）井口壓力。前兩個都涉及到在油管流壓下降，它們確定井下油管浪費的能量。油管中的壓力降越低，效率越高，這由傳統(tǒng)的ESP設(shè)計程序保證，可使摩擦水頭損失限制到低于實際管長的10?？朔趬毫Φ哪芰客ǔ１３衷谧畹拖薅纫詼p少水力損失，但如果油在井口卡住則能量可能是非常巨大的。總之，一個足夠高的水力效率通常是被適當?shù)陌惭b設(shè)計程序保證，但當生產(chǎn)控制是由表面節(jié)流器執(zhí)行時，極低值也可能出現(xiàn)。ESP泵的效率，是由制造和選定的離心泵的類型決定的。水泵的選擇取決于：（a）規(guī)定的流速，和（b）可用泵的性能曲線。因為流速方面任何離心泵效率可以在非常廣泛的范圍有所不同（從零到最大），這對（a）最初選擇具有最高的效率泵，及（b）檢查低效運作是絕對重要的。電動機的效率，主要取決于電機的實際負載，如電動機輕載，則效率下降。如果井的流體流速被固定，驅(qū)動ESP系統(tǒng)所需能量也為常量，我們不得不選擇一個最高效率的電動機。相同容量，但具有所需電壓和電流的不同組合的馬達是可用的，最終選擇高度影響ESP電纜的工作。如果選擇一個具有高電流要求電機時，電壓下降，電能在電纜中浪費增加，降低了電纜的效率，另一方面，低電流需求降低功率損失，提高了效率。由于這適用于任何電纜尺寸，最佳條件只能在考慮了所有可能的電纜尺寸后才能獲得。根據(jù)先前對公式5中ESP系統(tǒng)的效率不同條件的討論?？梢缘贸鼋Y(jié)論，如果：（a）泵，及（b）一個電動馬達，都有可能的最高效率;以及（c）已選的提供最少的功率損失的線纜，可得到最高能效系統(tǒng)。SRP和ESP裝置功率效率比較介紹 表1 油井主要數(shù)據(jù)的調(diào)查射孔深度，ft7000產(chǎn)液量,blpd1300套管尺寸，in6 5/8井底靜壓，psi1800泵掛深度，ft6900產(chǎn)液指數(shù),bpd/psi0.9井口壓力，psi100含水率，%90生產(chǎn)氣油比，sct/STB50油比重0.86前幾節(jié)的討論使我們了解了有桿抽油方式，ESP裝置可按最優(yōu)功率效率設(shè)計。類似的，對現(xiàn)有裝置的運行進行評估來進行改善，系統(tǒng)低效率的原因可精確定點并可對功率損失高于可接受范圍的組件進行檢測。所有這些考慮可以改善系統(tǒng)效率，能增加人工舉升操作的盈利能力。 為了闡述本論文主旨，這是一個最近的例子，客戶想要在已給的表1的井獲得每天1300桶的液體流量。根據(jù)在井中注水的數(shù)據(jù)，動態(tài)液面在預(yù)期液體率大約是6120英尺，由被Lea et al.提出的公式計算得出，消耗在將液體提升到表面的有用的流體能量為58.12馬力。有桿抽油系統(tǒng)設(shè)計所前所述，抽油桿泵最大功率利用效率出現(xiàn)在舉升效率最大值。樣井的安裝設(shè)計計算遵循最優(yōu)化步驟，在4詳細假設(shè)：（一）傳統(tǒng)抽油機，（二）泰納瑞斯PC棒，（三）非腐蝕性環(huán)境運轉(zhuǎn)系數(shù)sf= 1和（四）一根固管繩索，幾個API的錐形桿；適用于一系列條件的可能的抽油模式如表2所示都能從一定深度以設(shè)計速率提油。表二包含，除了可能的抽油模式的參數(shù)，由West design 8 計算所需桿錐度的百分比，以及與各錐段相對負荷。預(yù)測的最小和最大的光桿負載以及所需要的光桿馬力可采用TP的11升的API 9的方法模型計算出來。大多數(shù)情況下需要2 管配以大的泵達到所需要的液體流量。在許多情況下，達到要求速率后用星號表示，抽油桿脫落問題被預(yù)測，泵速超過臨界速度將被需要，這些情況可經(jīng)進一步研究消除。如果假設(shè)其它兩個效率的均值(見公式1)，舉升效率對系統(tǒng)的整體效率的影響是很容易看到。前所示，平面機械和電機損失可以被轉(zhuǎn)換成約= 0.7的綜合效率。整個系統(tǒng)的效率基于該值，連同可能的抽油模式，詳情見表3。表中還包含了所需的抽油機尺寸和有桿抽油裝置所需的總的地面能量需求。表2： C-1824D-365-216抽油機的抽油模式計算柱塞尺寸沖程沖次抽油桿尺寸鉆桿柱光桿載荷凈扭矩峰值功率提升效率長度載荷最大值載荷最小值表3：標準井的SRP系統(tǒng)的功率損失沖次沖程柱塞尺寸序號抽油機表4 標準井的ESP系統(tǒng)的功率損失ESP系統(tǒng)設(shè)計傳統(tǒng)的裝置設(shè)計步驟是需要考慮對供應(yīng)商單方面提供的ESP裝置和設(shè)備進行評估。估算結(jié)果如表4所示，表中給出了13種可能出現(xiàn)的情況的性能數(shù)據(jù)。該泵所選的是需要105馬力304級垂直深度1200的泵。泵的效率=57%。所的120馬力電機的運行效率是=83%。在不同的ESP系統(tǒng)流量和背壓損失的水力損失是相同的，這由于它們有相同的固定液體流量。用一個效率為=92%來計算2的管柱。如表所示，對四個所有電壓和電流的要求提供了不同的組合電機進行了研究。最后，根據(jù)現(xiàn)有的ESP對電纜的影響對電纜尺寸進行了評估并且計算相應(yīng)的電纜效率值。在某些情況下，尺寸較小的導(dǎo)體會使過高的電壓（超過30 V/ 1.000英尺）降低甚至消失。正如所見，由于不同的電纜規(guī)格有不同數(shù)量的功率損失，所以電纜效率（）的變化范圍很廣泛。最好的和最差情況下的系統(tǒng)效率相差約8，而該系統(tǒng)的最佳功率要求要比系統(tǒng)的最低效率少24千瓦。設(shè)計對比對SRP系統(tǒng)和ESP系統(tǒng)的電源狀況作詳細的評估后比較它們的優(yōu)點。表5包含了最好和最差的工作狀態(tài)下舉升方法的主要參數(shù)。運行模式的比較表明，最好的ESP裝置需要的輸入功率比最好的有桿抽油系統(tǒng)多大約40%；后者是樣例的最優(yōu)化解決方案，從6900英尺深度生產(chǎn)1300桶/每天。表5：SRP系統(tǒng)和ESP系統(tǒng)的效率對比最差最好操作方式輸入功率效率輸入功率效率ESP系統(tǒng)SRP系統(tǒng)總結(jié)本文研究了兩種最重要的人工舉升方法的能源效率：抽油桿桿泵和電潛泵。在深井中產(chǎn)生較高液體流量的情形下，來比較SRP和ESP兩種裝置的效率。得出以下主要結(jié)論：特殊的高強度抽油桿材料的發(fā)展使有桿抽油裝置在以往不可能達到的深度和生產(chǎn)速度范圍內(nèi)得以應(yīng)用。SRP系統(tǒng)和ESP系統(tǒng)的能量效率對比表明了這些裝置對影響優(yōu)化運行最高能效的重要因素的依賴。以在6900英尺深處生產(chǎn)1300桶油液為例，抽油桿桿泵抽油系統(tǒng)比ESP裝置的效率更高。符號對照泵掛深度，ft電源電能，HP水力功率，HP電機機械功率，HP注水井井口壓力，psi光桿功率，HP參考文獻1. 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