采油設(shè)備綜述

1、采油設(shè)備綜述采油設(shè)備綜述機械設(shè)計制造及其自動化 11-02 班摘要摘要：由于某些地質(zhì)、技術(shù)或經(jīng)濟因素而未能有效的保持地層能力，以及在油田注水后期油井含水上升之后，為了保持油井產(chǎn)量而采用深井泵進行強采。因為我國的油田大多數(shù)處于長期開采后期的老油田，所以，深井泵采油法是一種主要的采油方法， 采油設(shè)備的發(fā)展影響著我國的采油能力和產(chǎn)量。 雖然隨著技術(shù)的發(fā)展，適合于深井、大產(chǎn)量和較復(fù)雜條件的水力活塞泵及電動潛油泵的比例逐漸增加，但目前在機械采油中占絕對多數(shù)的還是游梁式深井泵裝置。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：采油方法、采油設(shè)備、機械采油、游梁式抽油機、抽油泵、有桿泵采油和無桿泵采油等。在油田開發(fā)過程中，油田由于地層能量

2、逐漸下降，到一定時期地層就不能油井保持自噴，有些油田則因為緣是底層能力低或油稠一開始就不能自噴。油井不能保持自噴時， 或雖能自噴但產(chǎn)量過低時， 就必須借助機械能量進行采油。 目前，采用的機械采油方法有氣舉采油和深井泵采油， 深井泵才有包括用游梁式深井泵裝置的有桿泵采油及用水力活塞泵、電動潛油泵和射流泵等無桿泵采油。盡管國內(nèi)外都廣泛采用注水保持低層能量，然而，由于某些地質(zhì)、技術(shù)或經(jīng)濟因素而未能有效的保持地層能力，以及在油田注水后期油井含水上升之后，為了保持油井產(chǎn)量而采用深井泵進行強采。 因為我國的油田大多數(shù)處于長期開采后期的老油田，所以， 深井泵采油法是一種主要的采油方法，采油設(shè)備的發(fā)展影響著我

3、國的采油能力和產(chǎn)量。雖然隨著技術(shù)的發(fā)展，適合于深井、大產(chǎn)量和較復(fù)雜條件的水力活塞泵及電動潛油泵的比例逐漸增加， 但目前在機械采油中占絕對多數(shù)的還是游梁式深井泵裝置。國內(nèi)外采油方法：國內(nèi)外采油方法：1 自噴采油：利用地層自身能量將地層液體舉升到地表面的方法。2 人工舉升采油（機械采油） ：其形式包括很多種，如圖 1-1。3 二次采油：注水增加地層能量；透水。4 三次采油：聚合物調(diào)剖劑；生物降粘劑；鉆水平井。人類有著 1600 年左右的石油開采歷史，直到 1848 年俄國工程師在巴庫東北方的半島開采了第一口現(xiàn)代油井后，人類才步入了現(xiàn)代化的石油開采時代。其中機械采油裝備經(jīng)過了一百多年的發(fā)展， 逐漸形

4、成了當今有桿采油裝備和無桿采油裝備兩大體系。據(jù)統(tǒng)計，全世界約有 100 萬口左右的在產(chǎn)油井，其中使用有桿采油裝備的約占到 90%以上，這些有桿采油裝備的驅(qū)動裝置采用游梁式抽油機的約占到 80%以上。以下是對有桿采油設(shè)備和無桿采油設(shè)備原理結(jié)構(gòu)的具體描述。 （重點描述游梁式抽油機的特點。 ）無桿采油：無桿采油：電動潛油泵、水力活塞泵、氣舉采油和潛油單螺桿泵等。1 電動潛油泵：潛油電泵采油原理是潛油電泵機組下入油井內(nèi)一定深度，在一定的沉沒壓力下，電動機帶動離心泵高速旋轉(zhuǎn)；與此同時，井內(nèi)油流經(jīng)過分離器分離出部分游離的氣體后，進入多級離心泵，油流在多級離心泵多級增壓形成足夠的壓頭，并被舉升至地面。由于受

5、到套管直徑的限制，泵的直徑很小，為了保持足夠的壓頭，所以采用多級離心泵的結(jié)構(gòu)，外觀看上去比較細長。2 水力活塞泵：水力活塞泵是一種液壓傳動的無桿抽油設(shè)備，其井下部分主要液壓馬達、抽油泵和滑閥控制機構(gòu)組成。動力由地面加壓后，經(jīng)油管或?qū)Ｓ脛恿σ汗軅髦辆?，通過滑閥控制及機構(gòu)不斷改變供給液馬達的液體流向來驅(qū)動液馬達做往復(fù)運動，從而帶動抽油泵進行抽油。水力活塞泵抽油系統(tǒng)，是由許多不同的機械或設(shè)備聯(lián)合成的一個整體。整個系統(tǒng)由兩大部分組成，即水力活塞泵抽油裝置以及地面流程。水力活塞泵的抽油裝置包括：水力活塞泵井下機組、井下管柱結(jié)構(gòu)和井口。地面流程包括：地面高壓泵組、高壓管匯流、動力液處理裝置和計量裝置與地

6、面管線。水力活塞泵對含蠟、稠油、斜井及水平井具有將強的適應(yīng)性，其主要缺點是機組機構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，動力液處理費用高，計量困難。3氣舉采油：是基于U型管的原理，利用高壓壓氣機，從油管與套管的環(huán)形空間裝在油管上的氣舉閥將氣體不斷的注入到油管內(nèi)， 使油管內(nèi)的液體與注入的氣體混合，降低液柱的密度， 減小液柱對井底的回壓， 從而使油層與井底之間形成足夠的壓力差，油層內(nèi)的原油不斷的流入油管內(nèi)，并被舉升到地面。4 潛油單螺桿泵：這種裝置類似于電動潛油泵，自上至下為單螺桿泵、保護器和潛油電動機等。它的螺桿與螺旋輸送機的螺旋槳類似，旋轉(zhuǎn)時推動油液前移；又與專門的襯套配合，在軸向?qū)⒂土鞣指糸_，在徑向?qū)⒂土饕?/p>

7、分為二，使襯套的內(nèi)螺旋面與螺桿表面之間形成一個一個密閉的腔室。 當靠近吸入腔的第一個腔室容積增加時，油液在壓差作用下進入油泵內(nèi)，隨著螺桿的轉(zhuǎn)動，此腔室封閉，油液被推擠，像排出端移動，達到增壓和排油的目的。以上是對無桿采油設(shè)備的幾大典型設(shè)備綜述。有桿采油：有桿采油：三抽設(shè)備（抽油機、抽油桿、抽油泵。 ）抽油機：將電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為抽油桿的往復(fù)運動。抽油桿：把地面驅(qū)動設(shè)備的運動和動力傳遞給抽油泵。抽油泵：吸入并排出一定高壓的原油。抽油機的分類：結(jié)構(gòu)型式：常規(guī)型、前重型、偏置型、斜井式、低絞式、潔動式。減速器傳動方式：齒輪式、鏈條式、皮帶式、行星輪式。驢頭結(jié)構(gòu)驢頭：上翻式、側(cè)翻式、分裝式、整體式

8、、旋轉(zhuǎn)式、大輪式、雙驢頭式、異驢頭式。平衡方式：游梁平衡、曲柄平衡、復(fù)合平衡、液和平衡、氣動平衡、差動平衡。驅(qū)動方式：普通異步電機、多速通異步電機、變壓異步電機、大轉(zhuǎn)差率電機、超轉(zhuǎn)差率電機、天然氣發(fā)動機、柴油機、直線電機。圖圖 1-11-11 1 常規(guī)游梁式抽油機常規(guī)游梁式抽油機( (以此作為示例描述。)：是油田使用歷史最悠久，使用數(shù)量最多的一種抽油機。該機采用具有對稱循環(huán)四桿機構(gòu)或近似對稱循環(huán)四桿機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，操作維護方便，長沖程時平衡效果差，效率低，能耗大。其原理就是四連桿機構(gòu)如圖所示常規(guī)抽油機的組成：主要由驢頭、游梁、曲柄、連桿、平衡重、減速器、制動機構(gòu)、支架、橫梁、懸繩器等

9、組成。 （驢頭：由鋼板焊接而成，為了便于起放抽油桿，將其制成上翻式和側(cè)轉(zhuǎn)式。 ）懸點：在驢頭上的位置是變化的，所受的載荷也是變化的。驢頭懸點上作用有六種載荷：1) P桿:抽油桿自衛(wèi)重,P桿(抽油桿在油中的重量),方向向下。2) P油：油管內(nèi)、柱塞上的油柱重，方向向下。3) P壓：油管外油柱對柱塞下端的壓力，方向向上。4) P桿慣和 P油慣：抽油桿柱和油柱運動產(chǎn)生的慣性載荷，大小與懸點的加速度成正比，方向與加速度相反。5) P振：抽油桿柱和油柱運動產(chǎn)生的振動載荷，大小和方向都是變化的。6) P摩干和 P摩液：柱塞與泵筒間、抽油桿與油管間的半干摩擦力；抽油桿與油柱間、油柱與油管間及油流通過抽油泵閥

10、的液體摩擦力。方向與抽油桿的運動方向相反。游梁式抽油機的平衡：上、下沖程時，懸點載荷不一樣，發(fā)動機的載荷在上、下沖程時也不一樣。上沖程時，發(fā)動面付出很大的能量，而下沖程時，發(fā)動機作負功。載荷的不均勻，將影響四連桿機構(gòu)、減速器、發(fā)動機的效率和壽命；也惡化了抽油桿的工作條件，使抽油桿的斷裂次數(shù)顯著增加。設(shè)置平衡是為了盡可能消除負功， 使減速器、 發(fā)動機的載荷變均勻。 避免以上缺點。 可采用機械平衡方式、氣動平衡方式和復(fù)合平衡方式。常規(guī)游梁式抽油機缺點及其影響因素：常規(guī)游梁式抽油機自誕生以來，歷經(jīng)百年使用，經(jīng)歷了各種工況和各種地域油田的考驗，經(jīng)久不衰。目前仍在國內(nèi)外油田普遍使用。常規(guī)機以其結(jié)構(gòu)簡單、

11、制造容易、可靠性高、耐久性好、維修方便、適應(yīng)現(xiàn)場工況等優(yōu)點，在采油機械中占有舉足輕重的地位。但是由于常規(guī)機的結(jié)構(gòu)特征，決定了它平衡效果差，曲柄凈扭矩脈動大，存在負扭矩、載荷率低、工作效率低和能耗大等缺點。在采油成本中，抽油機電費占 30左右，年耗電量占油田總耗電量的 2030，為油田電耗的第二位，僅次于注水。抽油機的懸點載荷狀況是影響抽油機能耗的主要因素。人們普遍認為，游梁機工作效率不高的主要原因是其載荷特性與所用普通三相異步電動機的轉(zhuǎn)矩特性不相匹配， 電機的負載率過低致使電機以較低的效率運行。抽油機的結(jié)構(gòu)和抽油泵工作的特點，形成了抽油機特有的負荷特性：帶有沖擊的周期交變載荷。在抽油機運行的一

12、個周期內(nèi)：上沖程時，懸點要提升沉重的抽油桿和油液柱需要減速器傳遞很大的正向轉(zhuǎn)矩：下沖程時，輸出軸放下落的懸點負荷(抽油桿自重)正向拖動，使主動軸反向做功，減速器要傳遞較大的反向轉(zhuǎn)矩。電機在一個沖程中的某些時段被下落的抽油桿反向拖動，運行于再生發(fā)電狀態(tài)，抽油桿下落所釋放的機械能有部分轉(zhuǎn)交成了電能回饋電網(wǎng)， 但所回饋的電能不能全部被電網(wǎng)吸收。 引起附中能量損失。目前游梁式抽油機主要采用曲柄平衡，即使在平衡良好的情況下，減速器輸出軸仍然存在較大正峰值轉(zhuǎn)矩和較大的負轉(zhuǎn)矩。平衡程度越差，其正、負轉(zhuǎn)矩的峰值越大， 抽油機的能耗也就反之增加。負轉(zhuǎn)矩的存在必然導致電動機運行于再生發(fā)電狀態(tài)，電能回饋電網(wǎng)造成電力

13、系統(tǒng)的附加能量損失，這樣一栗實際上使異步電機的運轉(zhuǎn)參與了抽油機的平衡運動， 因為抽油桿下落時所釋放的機械能能除了部分轉(zhuǎn)變成平衡重的位能，還有部分通過電機的再生發(fā)電狀態(tài)轉(zhuǎn)化成了電能，但所產(chǎn)生電能又不能被電網(wǎng)全部吸收，造成了能量的浪費。同時負轉(zhuǎn)矩的存在又加速了曲柄銷的破壞，使減速器的齒輪經(jīng)常受反向負荷，降低了抽油機的使用壽命。由于以上原因，各種類型的抽油機不斷出現(xiàn)。由于以上原因，各種類型的抽油機不斷出現(xiàn)。2 前置式抽油機：前置式抽油機平衡后的理論凈扭矩曲線是一條比較均勻的接近水平的直線，因此其運行平穩(wěn)，減速箱齒輪基本無反向負荷，連桿、游梁不易疲勞損壞，機械磨損小，噪聲比常規(guī)式抽油機低，整機壽命長。

14、前置式抽油機可配置較小功率的電動機，節(jié)能效果顯著。與常規(guī)式抽油機相比，具有體積小、重量輕、節(jié)省鋼材的優(yōu)點。3 偏置式抽油機：又稱異相曲柄平衡式抽油機，特點是平衡塊中心線相對于曲柄中心偏轉(zhuǎn)一個角度，這種機型國外 60 年代發(fā)展起來并得到 API 的承認。試驗表明，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的偏置式抽油機節(jié)電可達 20。4 鏈條式抽油機：是一種無梁抽油機，具有慣性載荷小，沖程長度大的特點，重量輕，節(jié)省電能的優(yōu)點。包括傳動部分、換向部分、懸吊部分和機架等組成。主要的結(jié)構(gòu)特點是采用鏈條為換向機構(gòu)。軌跡鏈條上有一個特殊的鏈節(jié)，其上裝有向外的主軸銷和滑塊。主軸銷可在滑塊的套筒中轉(zhuǎn)動，滑塊與往返架相連，并可在其中做水平運動

15、。5 下偏杠鈴游梁復(fù)合平衡抽油機：是在原常規(guī)游梁抽油機的游梁尾端，利用變矩原理增加簡單的下偏杠鈴所形成的一種新型節(jié)能抽油機。 該機繼承和保留了原常規(guī)游梁式抽油機的全部優(yōu)點，這種類型可用于新機制造，又可用于現(xiàn)場在用的常規(guī)抽油機(含偏置機)的節(jié)能改造，其改造技術(shù)是目前最簡單易行的，節(jié)能效果也較明顯。6 液壓抽油機：是在常規(guī)式游梁抽油機的基礎(chǔ)上發(fā)展生產(chǎn)的新一代抽油設(shè)備，它不僅保持了常規(guī)機的優(yōu)點，還具有運行參數(shù)可調(diào)，節(jié)能，系統(tǒng)效率高等特點，是一種新型節(jié)能抽油機。主要特點:能耗低、調(diào)參方便、體積小、重量輕、便于安裝維修和搬運、平衡效果好、具有超載和斷載保護裝置，并能自動停機報警、產(chǎn)品通過美國石油學會 A

16、PI Spec 11E 認證，并獲得 API 會標使用權(quán)。7 雙驢頭游梁式抽油機：該機是將常規(guī)機游梁與橫梁的鉸鏈連接，改為變徑圓弧的后驢頭、 鋼絲繩與橫梁之間的軟連接， 構(gòu)成變參數(shù)四桿機構(gòu)來傳遞運動和扭矩，克ItT 原機構(gòu)的死角，增加游梁擺角，沖程提高 2070， 。由于采用變徑圓弧的游梁后臂，使其實現(xiàn)負載大時平衡力矩大，負載小時平衡力矩小的工作狀態(tài)。從而使減速器輸出扭矩波動小，達到加強平衡，降低能耗的目的。這種機型是目前除常規(guī)機以外發(fā)展最迅速的機型。此外， 還有很多新型游梁式抽油機， 例如大輪式抽油機、 重錘式游梁液壓抽油機、大圈式抽油機，調(diào)徑變矩游梁平衡抽油機、懸掛偏置游梁平衡抽油機、斜井抽油機、活動式抽油機、低矮型游梁抽油機、前置式氣動平衡游梁式抽油機等，這里不再贅述。有桿抽油的井下抽油泵：有桿抽油的井下抽油泵：管式泵、桿式泵等。桿式抽油泵：檢泵方便，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，在相同的油管直徑下允許下入的泵 徑 較 管 式 泵 要 小 ，適 用 于 下 泵 深 度 較 大 ，產(chǎn) 量 較 小 的 油井 。 該泵地面驅(qū)動裝置為游梁式或非游梁式抽油機。管式抽油泵 ： 結(jié)構(gòu)簡單，成本低，在相同油管直徑下允許下入的泵徑比桿式泵大，因而排 量大。但檢泵時必須