第1章1有杆抽油设备

采油机械东北石油大学杨胡坤第1章有杆抽油设备第一节概述第二节游梁式抽油机第三节抽油杆和抽油泵目前，国内外的采油方法可分为自喷采油法和机械采油法两种。自喷采油法的特点是利用地层本身的能量来举升原油，这种方法是最经济的采油方法。但是有些油田地层的原始能量过低，一开始就无法自喷采油，还有一些油井，经过一定时期的自喷开采后，地层能量逐渐下降，也不能保持自喷。这时就必须人为地用机械设备给井内液体补充能量，才能把原油举升至地面，这种开采方法称为机械采油。机械采油又分为两大类，即气举法和抽油泵开采法。气举法的特点是利用压缩气体的能量，把原油举升至地面。而抽油泵法的特点是将各种结构的泵放到井下进行抽油。由于气举法在我国应用很少，我们只讨论各种抽油泵开采法的设备。抽油泵开采法的设备可分为两大类，即有杆抽油设备和无杆抽油设备。机械采油（人工举升）是人为的给井内液体补充能量，将原油举升至地面。机械采油有杆抽油无杆抽油气举抽油机—深井泵装置地面驱动螺杆泵采油装置液压抽油机潜油电泵水力活塞泵射流泵井下驱动螺杆泵电动潜油隔膜泵第一节概述一、组成:1、地面部分：电动机、减速箱、四连杆机构、钢绳、悬绳器。2、井下部分：油管和抽油泵。抽油泵装在油管的底部。3、联系地面和井下的中间部分：抽油杆。图8-1有杆泵抽油装置1-抽油机；2-光杆；3-光杆密封器；4-抽油杆；5-油管；6-套管；7-抽油泵常规抽油机工作原理：电动机通过三角皮带传动带动减速箱。减速箱减速后，由四连杆机构把减速箱输出轴的旋转运动变为游梁驴头的往复运动。用驴头带动光杆和抽油杆作上下往复的直线运动。通过抽油杆再将这个运动传给井下抽油泵中的柱塞。在抽油泵泵筒的下部装有固定阀(吸入阀)，而在柱塞上装有游动阀(排出阀)。当抽油杆向上运动，柱塞作上冲程时，固定阀打开，泵从井中吸入原油。同时，由于游动阀关闭，柱塞将它上面油管中的原油上举到井口。这就是抽油泵的吸入过程。当抽油杆向下运动，柱塞作下冲程时，固定阀关闭而游动阀打开，柱塞下面的油通过游动阀排到它的上面。这就是抽油泵的排出过程。实际上，游梁式抽油机—抽油泵装置相当于一个特殊结构的单缸单作用柱塞泵。只不过将它的水力部分放到井下成为抽油泵。将它的驱动部分放在地面变为游梁式抽油机，两者用又细又长的活塞杆、抽油杆连接起来。二、我国有杆抽油机的技术现状及发展方向1．我国有杆抽油机的技术现状在“七五”和“八五”期间，我国有杆抽油机的技术发展较快。在常规抽油机方面，已经形成了2～16型抽油机系列，可以满足不同井深和不同悬点负荷的需要。同时还研制了各种类型的新型有杆抽油机，如各种节能抽油机、各种长冲程抽油机、斜井抽油机等，此外还研制和应用了高转差率电动机、节能控制柜等产品，从而大大降低了抽油机的能耗，提高了抽油机的经济技术指标。2．我国和世界有杆抽油机技术的发展方向我国抽油机技术发展的总趋势是：无游梁长冲程抽油机、大载荷抽油机、节能抽油机以及改善抽油机平衡方式和提高抽油机适应性。世界抽油机技术发展的总趋势是：自动化、智能化、长冲程、大载荷、精确平衡方式、节约能耗、提高适应性。第二节游梁式抽油机一．抽油机的四杆机构二．抽油机的基本参数1．驴头悬点(挂抽油杆处)的最大允许载荷户Pmax包括静载荷和动载荷。它主要取决于抽油杆柱和油柱的重量，实际上，它表明在一定的抽油杆柱和抽油泵泵径组合时的最大下泵深度。目前，悬点的最大允许载荷Pmax从5～8kN到150～280kN。2．悬点最大冲程长度Smax它主要决定油井的产量以及抽油机的基本尺寸和重量。3．悬点最大冲次nmax当泵径一定时，悬点的最大冲程次数nmax与最大冲程长度Smax共同确定了抽油机的最大产量。由于每一个冲程抽油杆应力变化一次，故冲次过大将会使抽油杆过快地发生疲劳破坏，所以限制了最大冲程次数nmax的进一步提高。4．减速箱曲柄轴最大允许扭矩Mmax它和上述的三个基本参数存在一定关系，特别是和悬点最大冲程长度Smax成正比。同时，曲柄轴的最大允许扭矩Mmax，也确定了减速箱的尺寸和重量。三、游梁式抽油机的分类1．按基本参数分(1)根据悬点最大允许载荷Pmax的变化范围，可把抽油机分为下列几种：轻型Pmax≤30kN中型30kNPmax≤100kN重型Pmax100kN(2)根据悬点最大冲程次数nmax的变化范围，可把抽油机分为下列几种；低冲次nmax≤6min-l中等冲次6min-1nmax≤15min-1高冲次nmax15min-1(3)根据悬点最大冲程长度Smax的变化范围，可把抽油机分为下列几种：短冲程Smax≤1m中等冲程lmSmax≤3m长冲程3mSmax≤6m超长冲程Smax6m(4)根据减速箱曲柄轴最大允许扭矩MMAX一的变化范围，可把抽油机分为下列几种：小扭矩Mmax≤10kN·m中等扭矩10kN·mMmax≤30kN·m大扭矩30kN·mMmax≤60kN·m超大扭矩Mmax60kN·m如果将扭矩和冲程次数两个基本参数相乘，就得到抽油机的功率。所以，也可根据抽油机所需的最大功率Nmax，把抽油机分为下列几种：小功率Nmax≤5kW中等功率5kWNmax≤25kW大功率25kWNmax≤100kW超大功率Nmax＞100kW2．按结构分(1)常规式：驴头和曲柄连杆机构分别位于抽油机支架前后两边的抽油机。常规机又分为:对称循环和非对称循环抽油机。非对称循环抽油机有：异相机、双驴头抽油机和摆杆抽油机等等。(2)前置式：驴头和曲柄连杆机构都位于支架的前边的抽油机。常规游梁式抽油机是油田使用历史最悠久，使用数量最多的一种抽油设备。它主要由刹车装置、电动机、皮带、减速器、曲柄装置、连杆、尾轴承座、游梁、中央轴承座、驴头、悬绳器、支架、底座等部件组成。该机采用具有对称循环四杆机构或近似对称循环四杆机构，结构简单，运行可靠，操作维护方便，但长冲程时平衡效果差，效率低，能耗大，不符合节能要求，基本停止生产。123456789101112前置式抽油机平衡后的理论净扭矩曲线是一条比较均匀的接近水平的直线，因此其运行平稳，减速箱齿轮基本无反向负荷，连杆、游梁不易疲劳损坏，机械磨损小，噪声比常规式抽油机低，整机寿命长。前置式抽油机可配置较小功率的电动机，节能效果显著。与常规式抽油机相比，具有体积小、重量轻、节省钢材的优点。下偏杠铃游梁抽油机是在常规抽油机的基础上在后臂增加了一个下偏杠铃装置。该机继承和保留了原常规游梁式抽油机的全部优点，这种类型可用于新机制造，又可用于现场在用的常规抽油机（含偏置机）的节能改造，其改造技术是目前最简单易行的，节能效果也较明显。偏轮机在游梁尾部装有一个偏轮结构；在偏轮与游梁中心和支架之间增设推杆，在游梁尾部、横梁、推杆与偏轮之间用轴承连接。它打破常规机四连杆机构的框架，以游梁尾部的偏轮为中心，形成独特的六连杆体系，偏轮杆件均为刚性连接，保持了常规机的特点。该机是将常规机游梁与横梁的铰链连接，改为变径圆弧的后驴头、钢丝绳与横梁之间的软连接，构成变参数四杆机构来传递运动和扭矩，增加游梁摆角，冲程提高20%~70%，。由于采用变径圆弧的游梁后臂，使其实现负载大时平衡力矩大，负载小时平衡力矩小的工作状态。从而使减速器输出扭矩波动小，达到加强平衡，降低能耗的目的。这种机型是目前除常规机以外发展最迅速的机型。此外，还有很多新型游梁式抽油机，例如大轮式抽油机、重锤式游梁液压抽油机、大圈式抽油机，调径变矩游梁平衡抽油机、悬挂偏置游梁平衡抽油机、斜井抽油机、活动式抽油机、低矮型游梁抽油机、前置式气动平衡游梁式抽油机等3．按平衡方式分机械平衡气动平衡曲柄平衡游梁平衡复合平衡机械平衡需要的金属多，重量大，调整不方便。但其结构简单，因而是目前应用最广的一种。图8-3b为空气平衡抽油机，它用气缸活塞来平衡，在气缸外有一气包，以使气体压力比较均匀。采用气体平衡的抽油机比机械平衡的抽油机可以轻35％～40％，调整也方便。但其结构较复杂，多用于重型长冲程的抽油机。图8-3前置式抽油机(a)机械平衡抽油机(b)空气平衡抽油机三、游梁式抽油机的表示方法石油行业标准中规定游梁式抽油机型号由字母和数字两部分组成。字母为“抽油机的汉语拼音宇头组成，数字为抽油机的规格代号。其表示方法和含义如下：例如CYJl0-3-37HB所表示的抽油机为：常规型曲柄平衡游粱式抽油机，悬点的最大允许载荷为100kN，悬点最大冲程长度为3m，减速箱曲柄轴最大允许扭矩为37kN·m，其规格代号为：10-3-37四、游梁式抽油机的结构目前，最广泛应用的游粱式抽油机是机械平衡式抽油机。图8-4为曲柄平衡游梁式抽油机空间结构示意图。它主要由游粱、驴头、横梁、连杆、曲柄、减速箱、制动机构、支架、底座、悬绳器、平衡重及原动机组成。这种抽油机根据原动机安装的位置不同，有两种方案：一种是将原动机放在抽油机底座尾部，另一种是将原动机放在游粱支架下面，使底座减短，根据减速箱安放位置不同，也有两种：一种是减速图8-4曲柄平衡游梁式抽油机箱直接放在底座上，其优点是抽油机重量轻但为保证曲柄及平衡重自由旋转的要求，工作时需要将抽油机安装在较高的基础上，另一种结构是将减速箱架高，使曲柄及平衡重可自由旋转，而基础则可降低到和地面一样高，安装修井都很方便。1．驴头驴头用来将游梁前端的住复圆弧运动变为抽油杆的垂直直线往复运动。驴头弧面半径R(图8-5)应等于前臂长度。为了保证在一定冲程长度下，将圆弧运动变为直线运动，圆弧面长度应为：S弧=(1.2～1.3)Smax图8-6侧转式驴头驴头用钢板焊成。2型抽油机(“2”指驴头悬点的最大允许载荷为20kN)驴头在修井时可翻到游粱上面，而3型以上的抽油机已改为沿垂直轴侧转，称为侧转式驴头。这种结构操作方便、安全，如图8-6所示，其宽度b应保证在修井时让开的位置可使大钩上下自由起吊。2．游梁游梁用型钢组合焊成，也有用普通工字钢制成。它用一个中间短轴和两个辅承支在抽油机支架上。由于游梁负担抽油机的全部载荷，所以要有一定的强度和刚度。图8-7为不同结构的游粱。d在工字钢上加两块加强板，制造不太复杂，断面近似等强度，金属使用较合理。e是一种将驴头和游粱焊在一起的桁架式结构，比一般游梁都轻些，但驴头是固定的，修井时不够方便，在制造和装配上也增加了一定困难。图8-7各种结构的游梁a为用工字钢制成的游梁，结构简单易制造，但材料利用不够合理。b为一个等强度断面的游粱，材料利用合理，制造麻烦。c是用型钢焊制的。3．横梁及连杆横梁及连杆可分为两种结构：一种是将横梁及连杆制造在一起，如图8-8所示，其特点是连接件很少，结构很简单，用在小型抽油机上，它由改变后臂长度来调节冲程长度。图8-8横梁与连杆的焊接结构另一种结构是单独横梁，如图8-9所示，一般用于大型抽油机中，它由改变曲柄和连杆的连接点位置来调节冲程长度。图8-9抽油机的横梁1-连杆；2-游梁；3-密封圈；4-横梁轴；5-轴承架；6-横梁横梁的制造方法有三种：一是用型钢直接制成，二是焊接，三是铸造。为了使横梁和连杆的连接点与横梁和游梁的连接点在同一水平线上，往往将横梁作成弓形，这样就增加了抽油机四连杆在工作中的刚性，改善了连杆与横梁连接销子的工作条件。连杆结构如图8-10所示，一般用无缝钢管制成，两端焊有连杆头。正常工作时，上端连杆图8-10抽油机连杆1-连杆体；2-连杆上头；3-销子；4-衬套；5-螺钉；6-止动螺钉；7-丝堵；8-连杆下头体部；9-曲柄销；10-轴承；11-曲柄销衬套；12-键；13-连杆螺钉头和横梁无转动，用销子相连。下端连杆头和曲柄用曲柄销子连接，在连杆销处安有滚动轴承。曲柄销子和曲柄间一般用圆锥面相连，在销子头上用一螺母固死销子和曲柄，在曲柄上有3~5个锥孔，用以改变冲程长度。4．平衡重由于游梁式抽油机上、下冲程的载荷很不均匀，上冲程时，驴头需提起抽油杆柱和油柱，而下冲程时，抽油杆依靠自重就可以下落，这样就使发动机做功极不均匀。为了使上、下冲程发动机做功均匀，采用了平衡重的结构。游梁式抽油机平衡重分两类：一类为游梁平衡重，装在游梁尾部，一般作成片状，在