水力活塞泵采油

1、2 水力活塞泵采油 （1）水力活塞泵井設(shè)備與工作原理 （2）水力活塞泵井生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 （3）水力活塞泵采油生產(chǎn)管理與故障診斷 3 本章課后大作業(yè) (1)繪制單作用水力活塞泵工作原理示意 圖，并說明上下沖程工作原理。 4 主要內(nèi)容 8水力活塞泵采油 （1）水力活塞泵井設(shè)備與工作原理 （2）水力活塞泵井生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 （3）水力活塞泵采油生產(chǎn)管理與故障診斷 5 圖4-8 開式水力活塞泵采油系統(tǒng) 液馬達 一、水力活塞泵井設(shè)備與工作原理 高壓泵機組 高壓控制管匯 動力液處理裝置 計量裝置 地面管線 井口 抽油泵 滑閥控制機構(gòu) 系 統(tǒng) 組 成 油井 裝置 地面 流程 水力活塞泵井下機組 井下器具管

2、柱結(jié)構(gòu) 6 工作原理： 動力液地面加壓； 油管或?qū)Ｓ脛恿σ汗茌斔停?動力液被傳至井下液馬達處； 滑閥控制機構(gòu)換向； 動力液驅(qū)動液馬達； 液馬達做往復(fù)運動； 液馬達通過活塞桿帶動抽油泵做往復(fù)運動； 原油被增壓舉升。 適 應(yīng) 條 件 主要缺點： 油層深度與排量范圍大； 含蠟； 稠油； 井斜。 (1) 機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高； (2) 地面流程大，投資高(規(guī)模效益)； 7 8 (2) 按動力液循環(huán)分類 (3) 按動力液性質(zhì)分類 水力活塞泵采油系統(tǒng)類型分類： (1) 按系統(tǒng)井數(shù)分類 單井流程系統(tǒng)；多井集中泵站系統(tǒng)；大型集中泵站系統(tǒng)。 閉式循環(huán)方式：乏動力液不與產(chǎn)出液混合。 開式循環(huán)方式：乏動力液

3、與產(chǎn)出液混合。 原油動力液水力活塞泵采油系統(tǒng) 水基動力液水力活塞泵采油系統(tǒng) 9 (4) 按井下泵的安裝方式分類 固定式安裝：整個泵隨油管下入井內(nèi)，優(yōu)點是泵徑 大、排量大，缺點是起泵必須起油管。 插入式安裝：泵工作筒隨大直徑油管下入井內(nèi)，而沉 沒泵機組則用小直徑油管下入，插到泵工作筒內(nèi)。 投入式安裝：又分單管封隔式和平行管柱式，泵工 作筒隨油管下至井底，沉沒泵機組則從油管中投 入，使用液力下泵和起泵，優(yōu)點是起下泵方便，缺 點是泵徑受到限制，排量較小。 最常用的三種水力活塞泵抽油裝置 (1) 開式循環(huán)單管封隔器投入式水力活塞泵采油系統(tǒng)； (2) 閉式循環(huán)平行管柱投入式水力活塞泵采油系統(tǒng)； (3)

4、開式循環(huán)平行管柱投入式水力活塞泵采油系統(tǒng)。 平行旁通管為乏動力液的流道。 平行管通到封隔器下部，以排放封隔器下部聚集的氣體。 10 11 圖4-8 開式水力活塞泵采油系統(tǒng)圖4-9 閉式水力活塞泵采油系統(tǒng) 12 水力活塞泵井下機組 (1) 液馬達：將動力液的壓能轉(zhuǎn)換為機械能 帶動泵工作。 (2) 泵：將液馬達傳遞給它的機械能轉(zhuǎn)換成 液體的壓能，用來提高油層產(chǎn)出液的壓能。 (3) 主控滑閥：利用液壓差動原理控制液馬 達和泵柱塞做往復(fù)運動的換向控制機構(gòu)。 單作用泵工作原理示意圖13 (一)單作用泵工作原理 下沖程： 主控制滑閥位于下死點， 如圖4-12a所示。 這時，高壓動力液從中心 油管經(jīng)過通道a

5、 。進入液馬達 下缸，作用在活塞下面的環(huán)形 面積上。 同時，高壓動力液還經(jīng)過 通道b 進入腔室c ，再由通道d 進入液馬達上缸，作用在液馬 達活塞上面的全面積上。 單作用泵工作原理示意圖14 (一)單作用泵工作原理 因此，液馬達活塞上、下 兩面都作用有動力液的高壓， 但由于它上面的面積大于下面 的面積， 所以上面的總壓力大于下 面的總壓力， 就是在這個壓力差作用 下，液馬達進行下沖程。 由于液馬達活塞和泵活 塞用一個活塞桿相連， 前者的下沖程必然引起 泵活塞的下沖程。 此泵是和一般抽油泵結(jié) 構(gòu)相同的單作用泵，因此， 下沖程時，固定閥( 吸入閥) 關(guān)閉，而游動閥( 排出閥)打 開，抽油泵排出下沖

6、程中被 吸入泵內(nèi)的油層產(chǎn)出液。 隨著液馬達活塞的下沖 程繼續(xù)進行，活塞桿繼續(xù)往 下。 單作用泵工作原理示意圖15 活塞桿實際上是一個 輔助控制滑閥， 在桿身的上部和下部 開有控制槽e和f。 當活塞桿接近下死點 時，它的上部控制槽e溝通 了主控制滑閥上、下端的 腔室c和g， 使高壓動力液由控制 槽e進入主控制滑閥下端腔 室g。 單作用泵工作原理示意圖16 由于主控制滑閥上端面 的面積小于下端面的面積， 在同樣的高壓動力液作 用下，下面的總壓力必然大 于上面的總壓力， 所以使主控制滑閥推向 上死點。這時，就開始進行 上沖程。 單作用泵工作原理示意圖17 上沖程： 主控制滑閥位于上死 點，如圖4-1

7、2b所示。 這時，高壓動力液從中 心油管經(jīng)過通道a進入液馬 達下缸。 由于主控制滑閥位于上 死點，堵塞了通道b，使高 壓動力液不能象下沖程一樣 由通道d進入液馬達上缸。 單作用泵工作原理示意圖18 這時，液馬達上缸經(jīng) 過通道d、主控制滑閥中 部的環(huán)形空間h和抽取的 油層產(chǎn)出液相溝通。 因此，液馬達的上缸 充滿低壓油層產(chǎn)出液， 而下缸仍然作用有高 壓動力液。 單作用泵工作原理示意圖19 這時，在壓力差的作用 下，液馬達的活塞進行上沖 程。 上缸中工作過的乏廢動 力液和抽取的油層產(chǎn)出液相 混合后，提升到地面。 上沖程時，抽油泵的游 動閥關(guān)閉，固定閥打開，進 行吸油過程。隨著上沖程的 進行，活塞桿繼

8、續(xù)往上。 單作用泵工作原理示意圖20 當活塞桿接近上死點 時，它下部的控制槽f使主控 制滑閥的下腔室和抽取的原 油相溝通。 單作用泵工作原理示意圖21 這時，在主控制滑閥上 端面作用有高壓動力液， 下端面作用的是低壓的 油層產(chǎn)出液。 在這個壓力差作用下， 主控制滑閥就往下運動到下 死點。 這樣，就使液馬達重新 開始轉(zhuǎn)入下沖程。 單作用泵工作原理示意圖22 23 (二)井下機組工作參數(shù)計算 在水力活塞泵井的設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)油井的生產(chǎn)和地質(zhì)情 況，確定基本參數(shù)計算的內(nèi)容，它包括以下幾項： 在液馬達處和地面井口處所需的動力液壓力； 動力液的流量； 水力活塞泵的排量、功率和效率。 p1-驅(qū)動液馬達的壓力

9、 p2-泵排出壓力 p3-泵吸入壓力 p4-乏動力液排出壓力 q1-動力液流量 qsc-泵排量 ps-井口動力液壓力 ppr-閉式乏動力液井口壓力 pwh-產(chǎn)出液井口壓力 ae-液馬達活塞的截面積 ap-泵柱塞的截面積， ar-活塞桿截面積。 圖4-13 閉式與開式動力液壓力分析系統(tǒng) 24 圖4-14 作用在kobe式 a泵上的壓力 25 圖4-14表示了一種 雙作用水力活塞泵 在上、下沖程中的 壓力作用簡圖。 根據(jù)在各截面積上 的力的平衡可得到 水力活塞泵井下機 組的壓力平衡方程 。 圖4-14 作用在kobe式a泵上的壓力 26 以上沖程為例進行分析。 向下作用的力： p ar + p4

10、( ae ar ) + p2 ( ap ar ) + fr 1 其中，fr為機組的摩擦力。 向上作用的力： 1 1 p ( ae ar ) + p3 ( ap ar ) + p ar 以向上作用力為正，根據(jù)力 的平衡可得到機組上下的壓 力平衡式： 1 ( p p4 )( ae ar ) ( p2 p3 )( ap ar ) fr = 0 或 1 pr = 0 ap ar ae ar p p4 ( p2 p3 ) （4-13） 圖4-14 作用在kobe式a泵上的壓力 27 令 e p ap ar ae ar = 泵與馬達柱塞的純截面積 比，對于雙作用泵也等于泵 與馬達排量比。則（4-13） 式

11、可寫為： 1 pr = 0 e p p4 ( p2 p3 ) p （4-14） 圖4-14 作用在kobe式a泵上的壓力 28 圖4-14 作用在kobe式a泵上的壓力 29 方程（4-14）是水力活塞泵油 井設(shè)計與分析的基本方程。利 用動力液的單相管流和產(chǎn)出液 的多相管流公式就可建立井下 與井口壓力和排量等的關(guān)系。 1 pr = 0 e p p4 ( p2 p3 ) p （4-14） 30 主要內(nèi)容 8水力活塞泵采油 （1）水力活塞泵井設(shè)備與工作原理 （2）水力活塞泵井生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 （3）水力活塞泵采油生產(chǎn)管理與故障診斷 31 二、水力活塞泵井生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 (2) 決定開式或閉式系統(tǒng)

12、； (3) 決定油井氣體全部泵出，還是放氣； (4) 選擇合適的井下裝置； (5) 系統(tǒng)工況參數(shù)確定； (6) 決定建設(shè)泵站還是單井系統(tǒng)； 井筒流體物性分布 下泵深度 井筒壓力分布 井筒溫度分布 動力液排量 泵效 功率與舉升效率 (7) 選擇地面泵組； (8) 設(shè)計動力液系統(tǒng)。 (1) 油井產(chǎn)能分析； 32 根據(jù)需要的泵排量和下圖確定泵型 圖3-18 國產(chǎn)水力活塞泵舉升能力曲線 1-長沖程雙作用泵；2-平衡式單作用泵； 3-雙液馬達雙作用泵；4-變壓力比單作用泵 33 井下機組徑向尺寸的確定 水力活塞泵井下機組的徑向尺寸受到油井直徑的限 制，特別是對于自由安裝式水力活塞泵。 油管 2in 2

13、1/2 in 井下機組的外徑 47.5mm 58.5mm 由干井下機組徑向尺寸很小，所以給水力活塞泵的結(jié)構(gòu) 設(shè)計帶來許多特殊要求。 34 沖程長度和沖程次數(shù)的選擇 在井下機組徑向尺寸很小的條件下，為了保證一 定的排量，必須盡可能增加活塞的沖程長度和沖程次 數(shù)。 沖程長度的增加主要受到機組中高精度同心部件 的結(jié)構(gòu)工藝性、細長活塞桿的縱向穩(wěn)定性、工作部件 和泵閥的耐久性以及方便等因素的限制。 對于自由安裝式水力活塞泵，當沖程長度達1m 時，它的總長應(yīng)為55.5m左右。井下機組的長度過 大會使起下操作和運輸復(fù)雜化。 實踐證明，對于自由安裝式井下機組，沖程長度 等于1m或少些，基本就能滿足工藝要求。對

14、于固定安 裝式井下機組，根據(jù)使用要求的不同，可采用較大的 活塞沖程長度。 一般情況下，沖程長度可選擇在0.41m之間。 35 沖程次數(shù)的增加受到井下機組的使用壽命及泵缸充 滿系數(shù)的限制，泵缸的充滿系數(shù)取決于油井中原油粘度 和機組的沉沒度 一般的沖程次數(shù)在4085次/min范圍內(nèi)變化 對于科貝公司生產(chǎn)的井下機組，沖程和沖次之間 關(guān)系可由下式確定： 2 36 泵活塞、液動機活塞以及活塞桿直徑比值的確定 根據(jù)給定的機組工作參數(shù)，正確地選擇泵活塞、 液動機活塞以及活塞桿直徑比值是設(shè)計計算的重要問 題之一。 泵活塞和液動機活塞的直徑比值，一方面取決于 下泵深度，即下泵深度愈大比值愈??；另一方面又受 到地

15、面動力泵排出壓力的限制。 泵活塞直徑=d管/1.75， d管/2， d管/2.5 液動機活塞直徑=d管/2 活塞桿直徑=d管/4 37 38 液動機活塞的速度調(diào)節(jié)和沖程換向 一般不需要經(jīng)常改變井下機組的工況或活塞組的 平均速度。 為了調(diào)節(jié)液動機活塞的平均速度，只要改變進入 液動機的動力液流量即可，而動力液流量的改變可采 用容積調(diào)節(jié)和節(jié)流兩種方法。 容積調(diào)節(jié)用作粗略調(diào)節(jié)，利用選擇相應(yīng)排量的地 面動力泵或進行地面動力泵排量的有級調(diào)節(jié)（換柱塞 直徑或變沖程次數(shù)），它的優(yōu)點是無功率損失。 39 節(jié)流調(diào)節(jié)用作準確調(diào)節(jié)，在地面動力泵的排出管線 上裝節(jié)流閥，用以改變動力液的流動阻力，將多余的液 量引回地面動

16、力泵的吸入管線，同時利用穩(wěn)壓器維持節(jié) 流閥中的壓力降不變，使活塞平均速度穩(wěn)定。 節(jié)流調(diào)節(jié)法的優(yōu)點是安裝和使用方便，缺點是引起 功率損失和裝置總效率的降低。 因此應(yīng)該設(shè)法使準確調(diào)節(jié)時多余的液量最小，在這 方面成組驅(qū)動比單獨驅(qū)動優(yōu)越得多。 40 液動機活塞的沖程換向是由控制滑閥來實現(xiàn)的。 控制滑閥是井下機組最重要的部件，它的正確設(shè)計 在很大程度上決定了井下機組的效率和壽命。 控制滑閥應(yīng)滿足下列五點要求： （1）保證液動機活塞的無沖擊換向； （2）保證換向的活塞組能到達極限位置（沖程長度的 計算值），最大限度地利用液動機和泵的工作容積和盡可 能地減少余隙容積； （3）使活塞組的工作循環(huán)能保證自動作用

17、的泵閥關(guān)閉 滯后最小和沖擊最??； （4）盡量縮短換向時間和減少功率損失； （5）當液動機活塞和滑閥在任一位置時，保證液動機 及時啟動。 41 當液動機活塞換向時，它的速度調(diào)節(jié)是利用主滑閥 對進、出液動機的動力液進行節(jié)流來達到的。 為了保證無沖擊換向，必須使主滑閥運動提前，即 比液動機活塞到達死點時有一定的提前值，把動力液引 入或放出主滑閥腔室。 因此，當液動機活塞接近一個死點時，主滑閥就開 始堵塞動力液引入（或放出）液動機的通孔，增加液流 阻力，減少液流流量，使液動機活塞速度減慢，直到液 動機通孔完全被堵塞，液動機活塞就完全停止。 42 液動機的加速由于主滑閥逐步打開通孔而進行得很平 穩(wěn)。 液

18、動機活塞制動和加速的平穩(wěn)性給泵閥的開關(guān)創(chuàng)造了 有利條件。 液動機活塞的加速制動段所需的時間和路程可分別進 行計算。 液動機活塞速度的變化規(guī)律取決于主滑閥腔室的通孔 形狀和主滑閥的速度，后者有時作成隨位移能平滑地或有 級地減小。 假如活塞組的質(zhì)量較大和速度較大，為了使其在換向 前能平滑地制動，在液動機缸體的死點附近裝有緩沖裝 置。 43 主滑閥的控制是由輔助滑閥或活塞桿來實現(xiàn)的， 后者和液動機活塞剛性聯(lián)接， 輔助滑閥控制主滑閥的沖程換向和動力液進入主滑閥 腔室的提前值，它也是用節(jié)流調(diào)節(jié)主滑閥的速度，利用在 輔助滑閥或活塞桿的不同區(qū)段上采用不同斷面的節(jié)流槽， 就可使主滑閥獲得一定的速度變化規(guī)律。

19、44 由于地面泵和整個液壓系統(tǒng)的強度條件，動力液 的壓力不能超過一定數(shù)值。在選擇活塞桿直徑比值時 ，必須特別注意它的強度，因為活塞桿的強度實際上 限制了井下機組的活塞所能承受的載荷數(shù)值。 45 結(jié)構(gòu)設(shè)計中的幾個特殊問題 1. 元件的密封問題； 2. 連接件的同心度問題； 3. 油管柱強度問題。 46 主要內(nèi)容 8水力活塞泵采油 （1）水力活塞泵井設(shè)備與工作原理 （2）水力活塞泵井生產(chǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計 （3）水力活塞泵采油生產(chǎn)管理與故障診斷 47 目前，有以下對水力活塞泵進行工況診斷的方法： 一、直觀分析判斷法 直觀分析判斷法能夠作出比較準確的定性判斷和大體 的定量分析，對水力活塞泵采油井的管理十分

20、必要。但該 方法一直停留在人工觀察井口動力液壓力變化，憑經(jīng)驗進 行工況診斷的水平，由于各人經(jīng)驗的相互差異，增大了分 析診斷結(jié)果的誤差，導(dǎo)致盲目起換泵的工作量的增加而影 響油井產(chǎn)量，因此這種方法遠遠不能滿足水力活塞泵生產(chǎn) 現(xiàn)代化管理水平的需要。 48 二、壓力系統(tǒng)分析法 水力活塞泵采油井的工況可以采用壓力系統(tǒng)分析（即 節(jié)點分析）法來進行診斷。為了得出比較精確的定量分析 數(shù)據(jù)，需要編制程序進行什算，其核心是計算泵吸入壓力 p4。 對于開式系統(tǒng) 49 對于閉式系統(tǒng) 計算出p4后，可計算出油層中部壓力和生產(chǎn)壓 差，同時能夠分析判斷泵效、泵深和工作參數(shù)是否 合理以及油井的生產(chǎn)潛力。 50 三、對比分析法 該方法是對水力活塞泵泵內(nèi)壓力分布進行分析，總結(jié) 出液馬達活塞理論運動規(guī)律，根據(jù)多口油井測試、檢泵對 比資料，整理得出幾種在礦場上常見的典型工況模版。