石油钻采设备及工艺-李振林 §9-2 机械采油及设备

§9-2机械采油及设备一、抽油机二、抽油泵三、抽油井井口装置返回四、水力活塞泵装置五、电动潜油离心泵装置六、其它无杆抽油设备当自喷油井处于开采晚期，油层压力降低到某种程度，油层流到井底的油气所具有的剩余能量已不足以使油液喷出地面时，或油田开发之初，油层的原始压力很低，油液难以喷出地面时，通常向井底下入专用的设备－抽油泵装置，将油井中的油液举升到地面，保持井底和油层之间油液流动的压力差，保证油气源源不断地流向井底。这种采油方式，称作机械采油法或人工举升法。按动力传动方式，抽油泵装置可分为有杆抽油泵装置和无杆抽油泵装置有杆泵（如抽油机－抽油泵装置）的动力，由地面通过抽油机、抽油杆传动油井下的泵装置，实现举升油液的运动。无杆泵装置（如水力活塞泵、电动潜油离心泵等），其动力源由液体、电等传到井底，使井下泵实现举升油液运动。此外，利用地面压气机，向井内注入高压气体，使油液升到地面，即所谓气举法采油，也是一种机械采油方法。抽油机－抽油泵装置包括三部分：地面部分－抽油机，井下部分－抽油泵，抽油机与抽油泵连接部分－抽油杆，习惯上称作“三抽”设备。图示为一种游梁式抽油机－抽油泵装置，其动力一般由电动机（或柴油机、天然气发动机等）发出，通过减速箱、曲柄连杆机构和游梁等，将高速旋转运动变为抽油机驴头的低速上下往复运动。驴头的往复运动通过悬绳器、光杆和抽油杆带动装有游动阀的活塞，在深井泵筒中作上下往复运动，实现抽油。底座电机减速箱四连杆结构驴头钢丝绳光杆卡子悬绳器光杆密封盒取样管流出管油管头套管头光杆接箍表层套管油层套管抽油杆油管泵筒接箍抽油杆接箍22游动阀泵筒金属柱塞固定阀拔出器加长短节油管接箍29固定阀30支撑短节孔管短节34气锚35砂锚37大堵头深井泵的工作原理如图所示。它总是下放到井中液面以下的某一深度，故当柱塞上行时，游动阀受油管内液柱的压力自动关闭，随着柱塞上行，油管上部的一部分液体排出地面；与此同时，柱塞下部泵筒空间内压力降低，井内液体在压差作用下，顶开安装于泵筒上的固定阀球进入泵内，抽油泵进入吸入过程，直至柱塞上止点。当柱塞下行时，泵筒内液体受压缩，压力升高，达到与泵筒外环形空间液柱压力相等后，固定阀球靠自重下落，使固定阀关闭；活塞继续下行，泵内压力进一步升高，当超过油管内液柱压力时，泵内液体即顶开游动阀球，进入油管，抽油泵开始排出过程，直至柱塞下死点。游动阀衬套柱塞固定阀泵吸入过程柱塞上行泵排出过程柱塞下行一、抽油机抽油机属于地面动力传动装置，其作用是1）通过减速箱、曲柄连杆或其它杆件结构，将动力机的旋转运动变为抽油杆和抽油泵柱塞的往复运动，实现抽油泵的吸油和排油过程；2）悬挂抽油杆，承受荷重。抽油机可分为有游梁式抽油机和无游梁式抽油机（链条抽油机、液压抽油机、气动抽油机、曲柄连杆式无游梁抽油机和柔性杆抽油机等）两大类。1.游梁式抽油机以常规型游梁式抽油机为例，其结构如图所示，由动力机、齿轮减速箱、曲柄、平衡块、连杆、游梁、支架和驴头等组成。驴头上装有钢丝绳悬绳器，通过光杆夹和吊环与光杆连在一起。光杆穿过防喷盒与油管内的抽油杆相连接。刹车装置电机减速箱皮带轮减速箱输入轴中间轴输出轴曲柄连杆轴支架平衡块连杆横梁轴横梁平衡板游梁支架轴驴头悬绳器井口密封盒出油三通底座抽油机工作时，驴头在上、下冲程中所承受的载荷相差很大。上冲程时，驴头悬点静载荷主要是抽油泵柱塞以上的液柱重量与抽油杆重量之和，提起这部分重量电机需要作很大的功；而下冲程时，液柱重量转移到固定阀上，驴头仅承受抽油杆的重量，电机不仅无需作功，反而由于抽油杆靠自重下落，使电机处于发电机状态。刹车装置电机减速箱皮带轮减速箱输入轴中间轴输出轴曲柄连杆轴支架平衡块连杆横梁轴横梁平衡板游梁支架轴驴头悬绳器井口密封盒出油三通底座因此，在上、下冲程中，电机的载荷极不均匀，加上悬点运动速度和加速度的变化，更加剧了这种不均匀性。其结果使抽油机振动加剧，电机、减速箱、抽油泵等效率降低，寿命缩短，抽油杆断裂现象增加，能耗过多。因此，抽油机－抽油泵装置中，都必须采取平衡措施，尽可能消除负功，使电动机等在上下冲程中的负载接近相等，以避免上述不良现象的发生。刹车装置电机减速箱皮带轮减速箱输入轴中间轴输出轴曲柄连杆轴支架平衡块连杆横梁轴横梁平衡板游梁支架轴驴头悬绳器井口密封盒出油三通底座抽油机的平衡采用机械平衡和气动平衡两种方式。机械平衡：根据平衡重装设的位置，可以分为：游梁平衡（平衡重装在游梁尾端）、曲柄平衡（平衡重在装在曲柄上）、复合平衡（游梁平衡和曲柄平衡同时采用）。改变平衡重位置或重量，可以调节平衡的效果。刹车装置电机减速箱皮带轮减速箱输入轴中间轴输出轴曲柄连杆轴支架平衡块连杆横梁轴横梁平衡板游梁支架轴驴头悬绳器井口密封盒出油三通底座复合平衡的游梁式抽油机如图所示，在其游梁尾部和曲柄上都装有平衡重。当驴头作下冲程运动时，平衡重在抽油杆自重和电机的带动下，由低处抬到高处，将能量以位能形式储存起来；而驴头作上冲程运动时，平衡重由高处下落，释放出能量，帮助电动机提起抽油杆及柱塞上的液体柱。这样，只要平衡重配置合理，既可以消除下冲程时电机作负功的现象，又可以减少上冲程时电机的能量消耗，使上、下冲程电机作功接近相等。刹车装置电机减速箱皮带轮减速箱输入轴中间轴输出轴曲柄连杆轴支架平衡块连杆横梁轴横梁平衡板游梁支架轴驴头悬绳器井口密封盒出油三通底座气平衡：是利用气体的可压缩性，使得上下冲程时电机作功接近相等。下冲程时，抽油杆自重和电机带动汽缸活塞压缩气体，将能量以压能的形式储存起来；上冲程时，气体膨胀推动活塞，帮助电机提起抽油杆及液体柱。对于一定的汽缸活塞面积只要气体压力合适，同样可以达到平衡电机作功的目的。经过平衡调整后的抽油机，是否较好地达到了平衡要求，可以通过实际观察和检测确定。平衡较好的抽油机容易启动，无“呜呜”的怪叫声；突然停止运转时，驴头和曲柄可以停留在任何位置；用秒表测得的上下冲程时间相近。相反，如果平衡偏重，驴头总是停留在上死点，曲柄指下方，且上行程速度大于下行程速度；如果平衡重偏轻，则出现相反的情况。现场常用安培表测量电动机三相电流强度。平衡良好的抽油机，驴头上、下行程时，电动机电流强度相近；若上冲程电流大于下冲程电流，表明平衡重偏轻或曲柄平衡半径R偏小；反之，则相反。2.链条抽油机链条抽油机结构如图所示，由传动部分（动力机、皮带、带轮、减速器、刹车和联轴器等）、换向部分（主动链轮、被动链轮、往复架和轨迹链条等）、平衡部分（平衡缸、平衡链轮、空气包、油包、平衡链条和压缩机等）、悬吊部分（天车、钢丝绳、悬绳器等）和机架等五部分组成。链条抽油机的主要特点，是采用了轨迹链条的换向机构，轨迹链条上有一个特殊的链节，其上装有主轴销和滑块，主轴销可在滑块的铜套中转动，滑块与往复架相连，并可在其中作水平滑动。底座电动机减速箱光杆悬绳器钢丝绳天车轮机架轨道被动链轮往返架滑块特殊链节14轨迹链条15主动链轮16皮带轮17平衡柱塞18平衡链条19平衡链轮20油底壳平衡气缸钢丝绳被动（上）链轮往返架特殊链节主动（下）链轮接储能气包工作时，电动机通过三角皮带和减速箱驱动主动（下）链轮旋转，使得垂直布置的环形轨迹链条在主、被动链轮（主、被动链轮齿数相等，垂直布置）之间运转；轨迹链条则通过特殊链节上的主轴销和滑块带动往返架顺着机架上的轨道作往复匀速直线运动；底座电动机减速箱光杆悬绳器钢丝绳天车轮机架轨道被动链轮往返架滑块特殊链节14轨迹链条15主动链轮16皮带轮17平衡柱塞18平衡链条19平衡链轮20油底壳平衡气缸钢丝绳被动（上）链轮往返架特殊链节主动（下）链轮接储能气包若特殊链节自链轮右边向下运动，往返架被拉向下，达极限位置时，特殊链节作复合运动，并绕过链轮，到达链轮的左边，进而带动往返架一起向上运动；达上极限位置后，特殊链节又绕过上链轮到达右边，再带动往返架向下；往返架的上横梁连接着绕过天车轮的钢丝绳，通过悬绳器与光杆带动抽油泵抽油。底座电动机减速箱光杆悬绳器钢丝绳天车轮机架轨道被动链轮往返架滑块特殊链节14轨迹链条15主动链轮16皮带轮17平衡柱塞18平衡链条19平衡链轮20油底壳平衡气缸钢丝绳被动（上）链轮往返架特殊链节主动（下）链轮接储能气包链条抽油机采用气动平衡法，即在往返架的下横梁上连接着一根平衡链条，链条绕过固定于气缸柱塞杆上的平衡链轮，再固定到机架上。当往返架上行时，抽油杆柱靠自重下落，促使柱塞上行并压缩气包内的气体，使压力增高，储存能量；当往返架下行时，抽油杆柱向上运行，气包内的压缩气体膨胀，推动柱塞下行，帮助提起抽油杆柱。这样，抽油机作往返运动时，电机负载就比较均匀。底座电动机减速箱光杆悬绳器钢丝绳天车轮机架轨道被动链轮往返架滑块特殊链节14轨迹链条15主动链轮16皮带轮17平衡柱塞18平衡链条19平衡链轮20油底壳平衡气缸钢丝绳被动（上）链轮往返架特殊链节主动（下）链轮接储能气包二、抽油泵抽油泵实际上相当于单作用柱塞泵的液力端，适用于从深井、超深井、高产井和多油层井中提取原油。1.基本型抽油泵基本型抽油泵主要有三类：管式泵（油管泵）、杆式泵（插入泵）、套管泵（大尺寸插入泵）。如图所示，它们都是由工作筒、柱塞、固定（吸入）阀、游动（排出）阀组成。管式泵（油管泵）、杆式泵（插入泵）、套管泵（大尺寸插入泵）之间的基本区别仅在于工作筒的安装方式：油管泵的工作筒连接在油管的底部，作为油管整体的一部分下入井中；插入泵的工作筒则是整个井下泵装置的一部分，作为一个整体，用抽油杆柱下入油管或套管中。管式泵管式泵的泵筒与油管直接连接，并与油管具有大致相同的内径。其主要优点是可以采用较大直径的工作筒和柱塞，可以获得较大的产液量。管式泵的游动阀和柱塞可以安装在一起，通过抽油杆取出。固定阀有固定式和活动式两种，固定式的固定阀安装在油管的底部，检修时，需将油管柱全部从井中提出。活动式的固定阀可以在工作筒下入井中之前装在工作筒上，也可以在下入工作筒之后再从地面投下，并用柱塞推动就位，采用摩擦锥等形式固定；检修时，可以用连接在柱塞底部的阀打捞器拔出，但检修工作筒时也必须提出全部油管柱。所以，管式泵的缺点是检修比较困难。油管抽油杆套管柱塞游动阀工作筒固定阀杆式泵杆式泵有两个泵筒，一个是外工作筒，另一个是内工作筒。外工作筒带有锁紧卡簧和锥体座等，连接在油管下部，随油管先下入井中。内工作筒与柱塞、游动阀及固定阀连成一体，通过抽油杆直接下放到外工作筒内，坐落在锥体座上，由锁紧弹簧等卡住，与外工作筒连成一体。优点：只要提起抽油杆，就可以提起内工作筒及其内的柱塞和两种阀，便于检修。由于内泵筒是通过油管下入井中的，所以直径必然比管式泵小，其产液量一般也相对较小。套管泵用套管代替油管出油时所用的抽油泵，都属于套管泵，它实际上是一种较大型的杆式泵，与一般杆式泵的安装及操作方式基本相同。套管泵用抽油杆下入井中，并在泵筒的底部或顶部装有封隔器，以便在泵筒和套管之间建立液体密封。套管泵排量大，适用于浅井特别是高产井。2.双作用抽油泵双作用抽油泵如图所示，其柱塞上、下行程都向地面排液。双作用抽油泵具有上、下两个柱塞，二者由连通管连接，形成“工”字形柱塞总成。连通管在一个密封元件中运动，并形成两个密封腔室。上腔室由密封元件与上柱塞形成，与连通管内腔相通；下腔室由密封元件与下柱塞形成，与泵筒和油管之间的环形空间沟通。两个液腔室的长短，随“工”形柱塞总成的上、下位移而变化。柱塞上行时，游动阀在液柱重量作用下关闭，而固定阀打开，井液进入泵筒，并经下柱塞和连通管上升，再经连通管上的油口进入上腔室，抽油泵吸油。与此同时，下腔室内的井液被迫经过泵筒上的油口进入泵筒与油管间的环形空间，即抽油泵向油管排液。随着柱塞上提，井液升到地面。下行时，固定阀关闭，下柱塞下部空间及上腔室内的液体被挤入连通管，并推开游动阀进入油管。随着下腔室增大，压力降低，泵筒与油管环形空间又有一部分井液返回泵内。