第四章有杆泵采油 目的要求 1、要求学生掌握区分不同类型抽油设备的结构及其工作原理,着重在不同类型抽油设备的 实际应用范围 2、要求学生了解抽油机悬点的运动规律及悬点载荷的计算,了解抽油杆柱在工作时的受力 情况是相当复杂的,所有用来计算悬点大载荷的公式都只能得到近似结果 3、掌握泵效的计算与分析,了解提高泵效的措施。 课时:8学时 重点授课内容提要 第一节抽油设备及其工作原理 抽油设备:抽油机、抽油杆柱和抽油泵,即“三抽”设备。 游梁式抽油机 (一)抽油机 无游梁式抽油机 游梁式抽油机 (1)分类:游梁式抽油机:常规型:前置型:变型。其中前两个属于基本型。 (2)结构:由游梁-连杆-曲柄机构、诚速箱、动力设备和辅助装置四大部分构成。 常规型游梁式抽油机平衡方式:Φ气动平衡◎机械平衡③气动+机械平衡。前置型游梁式 抽油机:①异相型◎调径变矩型③双驴头型④斜直井型。 (3)工作原理:动力机将高速旋转运动经皮带传递给减速箱,经减速箱减速后,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带动抽油杆做上下做往复运 (4)型号表示:
1 第四章 有杆泵采油 目的要求 1、要求学生掌握区分不同类型抽油设备的结构及其工作原理，着重在不同类型抽油设备的 实际应用范围。 2、要求学生了解抽油机悬点的运动规律及悬点载荷的计算，了解抽油杆柱在工作时的受力 情况是相当复杂的，所有用来计算悬点大载荷的公式都只能得到近似结果。 3、掌握泵效的计算与分析，了解提高泵效的措施。 课时：8 学时 重点授课内容提要 第一节 抽油设备及其工作原理 抽油设备：抽油机、抽油杆柱和抽油泵，即“三抽”设备。 （一） 抽油机 1、游梁式抽油机 （1）分类：游梁式抽油机：常规型；前置型；变型。其中前两个属于基本型。 （2）结构：由游梁-连杆-曲柄机构、减速箱、动力设备和辅助装置四大部分构成。 常规型游梁式抽油机平衡方式:○1 气动平衡○2 机械平衡○3 气动+机械平衡。前置型游梁式 抽油机：○1 异相型○2 调径变矩型○3 双驴头型○4 斜直井型。 （3）工作原理：动力机将高速旋转运动经皮带传递给减速箱，经减速箱减速后，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带动抽油杆做上下做往复运 动。 （4）型号表示： 游梁式抽油机 无游梁式抽油机
CY 8-3-37HB Q’《动平衡 减速箱 减速器额定扭矩,kN·m 光杆最大冲程, YJ一常规型 抽油机类另辑号了CxQ前置型 2、无游梁式抽油机 立 式 抽 多为长冲程、低次,适 合子深并和稠油井油 油 机 (二)抽油泵 1、结构与分类 分奏 结构 按下入方式按用途 工作简(外篱 树套) ◆管式泵)带规泵 ●港(桂) 特种泵(如 ●(游动国◆杆式泵 防秒泵、防气③管式泵()杆式泵 定) 氟、排稠系)4 1-油管;2-锁紧卡;3-活塞 4-游动阀;5-工作筒;6-固定阀
2 2、无游梁式抽油机 i. 立 式 抽 油 机 多为长冲程、低冲次，适 合于深井和稠油井采油 （二） 抽油泵 1、结构与分类 结 构 分 类 按下入方式 按用途 工作筒（外筒+ 衬套） 活塞（柱塞） 阀（游动阀+固 定阀） 管式泵 杆式泵 常规泵 特种泵（如 防砂泵、防气 泵、抽稠泵） 结 构 分 类 按下入方式 按用途 工作筒（外筒+ 衬套） 活塞（柱塞） 阀（游动阀+固 定阀） 管式泵 杆式泵 常规泵 特种泵（如 防砂泵、防气 泵、抽稠泵）
(1)管式泵 工作原理: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。 特点:结构简单、成本低;泵径大,排量大;检泵时需起出油管,修井工作量大。 应用范围:下泵深度不大、产量较高的井。 (2)杆式泵: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。 特点:检泵不需起出油管,检泵方便;结构复杂,制造成本高:排量小 应用范围:下泵深度较大、产量较低的井。 工作原理:活塞上下运动一次称为一个冲程,分为上冲程和下冲程。每分钟内完成上下冲程的次数称为 冲次。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。 上冲程时:①抽油杆柱带动活塞向上运动,游动阀关闭,泵内压力降低。②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。③抽油杆加载伸长,油管卸载而缩短 油管 抽油杆 泵筒 排出凡尔 吸入凡尔 套管 油层 下冲程时:①抽油杆柱带动活塞向下运动,固定阀关闭, ②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,泵内液体排向油 ③抽油杆由于卸载而缩短,油管加载而伸长
3 （1）管式泵 工作原理：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。 特点：结构简单、成本低；泵径大，排量大；检泵时需起出油管，修井工作量大。 应用范围：下泵深度不大、产量较高的井。 （2）杆式泵：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。 特点：检泵不需起出油管，检泵方便；结构复杂，制造成本高；排量小。 应用范围：下泵深度较大、产量较低的井。 工作原理：活塞上下运动一次称为一个冲程，分为上冲程和下冲程。每分钟内完成上下冲程的次数称为 冲次。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。 上冲程时：○1 抽油杆柱带动活塞向上运动，游动阀关闭，泵内压力降低。 ○2 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。 ○3 抽油杆加载伸长，油管卸载而缩短。 下冲程时：○1 抽油杆柱带动活塞向下运动，固定阀关闭。 ○2 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，泵内液体排向油 管。 ○3 抽油杆由于卸载而缩短，油管加载而伸长
油管 抽油杆 泵筒 排出凡尔 吸入凡尔 套管 油层 (3)理论排量 在一个冲程内,排出的液体体积 每分钟的冲数为n,每分钟的排量为 每日排量,也叫理论排量 Q=1440f 上死点 下死点 td2
4 （3）理论排量 在一个冲程内，排出的液体体积:： V f s p 每分钟的冲数为 n,每分钟的排量为： V f sn m p 每日排量，也叫理论排量： 1440 Q f sn t p 2 4 p p f d
(三)抽油杆柱 1、光杆 作用:链接驴头钢丝绳与井下抽油杆,并同井口盘跟配合密封井口。对其强度和表面光洁 度要求较高。 规格:GG25、GG28、GG32、GG38mm.长度3500、4500、5000、6000、800mm 2、抽油杆:有普通钢杆和特种杆两种 (1)普通钢杆:①杆体是实心圆型断面的钢杆,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。主要用于常规有杆泵抽油方式,约占90%左右。 ②一般分为C、D、K三个等级。 ⑤规格为CYG13、CYG16、CYG19、CYG22、CYG25、CYG29mm,长度一般为8000mm 或7620mm 钢级抗拉强度,MPa屈服强度,MPa 使用范国 D 794-965 620 重负荷油井 620-794 412 轻、中负荷油井 588-794 372 轻、中负荷油井并有腐蚀介质的油井 (2)特种杆:1)玻璃钢抽油杆发展:美国从20世纪70年代初开始研制,1978年研制 成功并投入使用。我国从1982年开始研制,1990年研制成功并投入使用。美国有系列产品, 我国只生产直径25mm的玻璃钢抽油杆 主要优点:耐腐蚀,寿命长:重量轻,密度不到钢的1/3,悬点载荷小、耗能低;弹性模 量小,可实现超冲程,泵效高 主要缺点:价格贵,比普通钢抽油杆贵约65%到80%,承受压应力、耐温、耐磨能力低 等 2)空心抽油杆主要用于稠油、高凝油井加热;无油管采油:;添加化学药剂以降粘、降凝、 清防蜡等 我国空心抽油杆行业标准(SY/T5550-1998)
5 （三） 抽油杆柱 1、光杆： 作用：链接驴头钢丝绳与井下抽油杆，并同井口盘跟配合密封井口。对其强度和表面光洁 度要求较高。 规格：GG25、GG28、GG32、GG38mm.长度 3500、4500、5000、6000、8000mm. 2、抽油杆：有普通钢杆和特种杆两种。 （1）普通钢杆：○1 杆体是实心圆型断面的钢杆，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。主要用于常规有杆泵抽油方式，约占 90％左右。 ○2 一般分为 C、D、K 三个等级。 ○3 规格为 CYG13、CYG16、CYG19、CYG22、CYG25、CYG29mm，长度一般为 8000mm 或 7620mm。 钢级 抗拉强度，MPa 屈服强度，MPa 使用范围 D 794-965 620 重负荷油井 C 620-794 412 轻、中负荷油井 K 588-794 372 轻、中负荷油井并有腐蚀介质的油井 钢级 抗拉强度，MPa 屈服强度，MPa 使用范围 D 794-965 620 重负荷油井 C 620-794 412 轻、中负荷油井 K 588-794 372 轻、中负荷油井并有腐蚀介质的油井 （2）特种杆： 1)玻璃钢抽油杆 发展：美国从 20 世纪 70 年代初开始研制，1978 年研制 成功并投入使用。我国从 1982 年开始研制，1990 年研制成功并投入使用。美国有系列产品， 我国只生产直径 25mm 的玻璃钢抽油杆。 主要优点：耐腐蚀，寿命长；重量轻，密度不到钢的 1/3，悬点载荷小、耗能低；弹性模 量小，可实现超冲程，泵效高。 主要缺点：价格贵，比普通钢抽油杆贵约 65％到 80％，承受压应力、耐温、耐磨能力低 等。 2)空心抽油杆 主要用于稠油、高凝油井加热；无油管采油；添加化学药剂以降粘、降凝、 清防蜡等。 我国空心抽油杆行业标准(SY/T5550-1998)
匚规格杆体直径杆体壁厚长度 KG22 22 4 KG25 KG28 7500 KG32 3 5 7200 KG36 36 5.5 KG40 40 3)超高强度抽油杄承载能力比D级杆高20%左右,适应于深井、稠油井和大泵强采井。 1964年美国 oilwell公司首先研制成功,我国1990年研制成功 4)连续抽油杆最早研制连续抽油杆的是加拿大Pro-Rod公司,开始于1965年,1968年研 制成功。 (3)加重杆 加重杆的规格尺寸 「加重杆规格, 量,kNm 34.93 0.0730 0.0876 0.1561 长度一般7620mm。作用是防止抽油杆柱下部发生纵向弯曲,用于大泵井、稠油井、深井。 (4)附属器具:扶正器、减振器和防脱器 第二节抽油机悬点的运动规律 抽油机悬点的运动规律是很复杂的,在进行一般分析与应用时,通常进行简化处理 而进行精确运动学和动力学分析以及抽油机结构设计时,则必需按四连杆的实际运动规 律来研究 (一)简化为简谐运动 条件:r/1→0r/b→0
6 规格 杆体直径 杆体壁厚 长度 KG22 22 4 8000 7500 7200 KG25 25 4 KG28 28 4.5 KG32 32 5 KG36 36 5.5 KG40 40 6 规格 杆体直径 杆体壁厚 长度 KG22 22 4 8000 7500 7200 KG25 25 4 KG28 28 4.5 KG32 32 5 KG36 36 5.5 KG40 40 6 3)超高强度抽油杆 承载能力比 D 级杆高 20％左右，适应于深井、稠油井和大泵强采井。 1964 年美国 oilwell 公司首先研制成功，我国 1990 年研制成功。 4)连续抽油杆 最早研制连续抽油杆的是加拿大 Pro-Rod 公司，开始于 1965 年，1968 年研 制成功。 （3）加重杆 加重杆的规格尺寸 加重杆规格，mm 重量，kN/m 34.93 0.0730 38.10 0.0876 50.60 0.1561 加重杆规格，mm 重量，kN/m 34.93 0.0730 38.10 0.0876 50.60 0.1561 长度一般 7620mm。作用是防止抽油杆柱下部发生纵向弯曲，用于大泵井、稠油井、深井。 （4）附属器具：扶正器、减振器和防脱器。 第二节 抽油机悬点的运动规律 抽油机悬点的运动规律是很复杂的，在进行一般分析与应用时，通常进行简化处理， 而进行精确运动学和动力学分析以及抽油机结构设计时，则必需按四连杆的实际运动规 律来研究。 （一）简化为简谐运动 条件：r/l→0 r/b→0
r(I-cosp) v,=.orsino orco驴 (二)简化为曲柄滑块机构 条件: D 0.25 r(-cos o+ λsin2p ar(sin+sin 2o) a,=tor(coso+acos 2p)
7 r(1 cos) b a s A rsin b a vA cos 2 r b a a A （二）简化为曲柄滑块机构 条件： 0.25 l r ) 2 sin (1 cos 2 r b a sA sin 2 ) 2 (sin r b a vA (cos cos 2 ) 2 r b a aA
VA= or(sin+sin 2o) a,=or(cosf+ncos2p) 简语振动 简谐振动 曲制块 曲柄滑块 一精确分析 一0精确分析 osφ+cos2p) 630=or(+2)=502( a amn I80° o2r(1-)=-5o2(1- 第三节抽油机悬点载荷计算 悬点承受的载荷:静载荷和动载荷 静载荷:由抽油杆柱重力、液柱重力、沉没压力、井口回压在悬点上产生的载荷 动载荷:抽油杄柱运动时由于振动、惯性以及摩擦在悬点上产生的载荷 光杆(地面)示功图:反映悬点载荷随其位移变化规律的图形。实际抽油井的光杆(地 面)示功图由动力仪测得
8 sin 2 ) 2 (sin r b a vA (cos cos2 ) 2 r b a a A (cos cos 2 ) 2 r b a a A (1 ) 2 (1 ) 2 2 max 0 l s r r b a a A (1 ) 2 (1 ) 2 2 min 180 l s r r b a a A 第三节 抽油机悬点载荷计算 悬点承受的载荷：静载荷和动载荷 静载荷：由抽油杆柱重力、液柱重力、沉没压力、井口回压在悬点上产生的载荷。 动载荷：抽油杆柱运动时由于振动、惯性以及摩擦在悬点上产生的载荷。 光杆（地面）示功图：反映悬点载荷随其位移变化规律的图形。实际抽油井的光杆（地 面）示功图由动力仪测得
(一)悬点承受的载荷 1、静载荷(1)抽油杆柱的重力产生的悬点载荷 上冲程:W,=P,f,L8方向向下 下冲程:W=(P,-P)48方向向下 (2)液柱重力产生的悬点载荷 上冲程,W=P(-,)L8方向向下 下冲程:液柱的重力作用于油管上,不在悬点产生载荷 (3)沉没压力产生的悬点载荷 上冲程: P=(P,-4,)f 方向向上 下冲程: 0 (4)井口回压产生的悬点载荷 上冲程: Phu=p,o-f) 方向向下 下冲程 PM=P方向向上 2、动载荷(1)抽油杆柱振动产生的悬点载荷 ①液柱振动不明显,一部忽略液柱的振动载荷
9 （一）悬点承受的载荷 1、静载荷 （1）抽油杆柱的重力产生的悬点载荷 上冲程： W f Lg r s r 方向向下 下冲程： W f Lg r s l r ( ) ' 方向向下 （2）液柱重力产生的悬点载荷 上冲程： W f f Lg l l p r ( ) 方向向下 下冲程：液柱的重力作用于油管上，不在悬点产生载荷。 （3）沉没压力产生的悬点载荷 上冲程： i s i p P ( p p ) f 方向向上 下冲程： Pi 0 （4）井口回压产生的悬点载荷 上冲程： ( ) hu h p r P p f f 方向向下 下冲程： hd h r P p f 方向向上 2、动载荷 （1）抽油杆柱振动产生的悬点载荷 ○1 液柱振动不明显，一部忽略液柱的振动载荷
②抽油杆柱的自由振动在悬点处产生的振动载荷。 F≈8 (-1)” sin[(2n+1)o0( n2a=(2n+1 最大振动载荷: 由于存在阻尼,振动将会随时间逐渐衰减,出现最大振动载荷的时间: (2)抽油杆柱与液柱的惯性产生的悬点载荷 抽油杆柱在上、下冲程中产生的最大惯性载荷分别为 wSo2(1+2)=W, (1+λ) 1790 方向向下 W I rd g 02(1-4)=W,2(1-4) 1790 方向向上 液柱在上冲程中产生的最大惯性载荷为 1=m5m(+4k=m(1+4)E 1790 方向向下 液柱在下冲程中不随悬点运动,没有惯性载荷。 (3)摩擦载荷 ①抽油杆柱与油管的摩擦力:上下冲程都存在,在直井内通常不超过抽油杆重量的15 ②柱塞与衬套之间的摩擦力:上下冲程都存在,泵径不超过70mm时,一般小于1717N ③抽油杆柱与液柱之间的摩擦力:发生在下冲程,方向向上,是稠油井内抽油杆柱下行遇 阻的主要原因 由液柱与油管之间的摩擦力:发生在上冲程,方向向下; ⑤液体通过游动阀的摩擦力:高粘度大产量油井内,液体通过游动阀产生的阻力往往是造 成抽油杆柱下部弯曲的主要原因。 10
10 ○2 抽油杆柱的自由振动在悬点处产生的振动载荷。 sin[(2 1) ] (2 1) 8 ( 1) 0 0 2 2 n t a n Ef v F n n r v 最大振动载荷： v a Ef F r v max 由于存在阻尼，振动将会随时间逐渐衰减，出现最大振动载荷的时间： a L tm （2）抽油杆柱与液柱的惯性产生的悬点载荷 抽油杆柱在上、下冲程中产生的最大惯性载荷分别为 (1 ) 1790 (1 ) 2 2 2 sn W s g W I r r ru 方向向下 (1 ) 1790 (1 ) 2 2 2 sn W s g W I r r rd 方向向上 液柱在上冲程中产生的最大惯性载荷为 (1 ) 1790 (1 ) 2 2 2 sn W s g W I l l lu 方向向下 液柱在下冲程中不随悬点运动，没有惯性载荷。 （3）摩擦载荷 ○1 抽油杆柱与油管的摩擦力：上下冲程都存在，在直井内通常不超过抽油杆重量的 1.5％; ○2 柱塞与衬套之间的摩擦力：上下冲程都存在，泵径不超过 70mm 时，一般小于 1717N； ○3 抽油杆柱与液柱之间的摩擦力：发生在下冲程，方向向上，是稠油井内抽油杆柱下行遇 阻的主要原因； ○4 液柱与油管之间的摩擦力：发生在上冲程，方向向下； ○5 液体通过游动阀的摩擦力：高粘度大产量油井内，液体通过游动阀产生的阻力往往是造 成抽油杆柱下部弯曲的主要原因