游梁式抽油机井抽油装置系统设计及应用

课 程 设 计

课 程 游梁式抽油机井抽油装置系统设计及应用

院 系 石油工程

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游梁式抽油机井抽油装置系统设计及应用 第1章 前 言

1：1 设计的目的及意义

油田开发是一项庞大而复杂的系统工程，必须编制油田开发总体建设方案—油田开发工作的指导性文件。采油工程设计更是总体方案的重要组成部分和方案实施的核心，而游梁式抽油机的设计抽油装置系统设计更是采油课程设计的重中之重。

该课程为石油工程专业采油模块学生必修课，它是石油工程专业主干课《采油工程》的扩展和补充。石油工程学生在学完专业基础课和专业课之后，为加深学生对采油工程深入了解，训练学生系统，全面和综合应用采油工程技术方法和设计能力，开设本课程。目的是为了学生综合应用能力打下基础，培养学生毕业后能更快的适应和应用采油工程理论和技术方法解决采油工程问题。

有杆泵采油包括游梁式有杆泵采油和地面驱动螺杆泵采油两种方法。其中游梁式有杆泵采油方法以结构简单、适应性强和寿命长等特点，成为目前最主要的采油方法。抽油机是有杆泵抽油的主要地面设备，按是否有梁，可将其分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机是通过游梁与曲柄连杆机构将曲柄的圆周运动转变为驴头的上、下摆动。依据详探成果和必要的生产试验资料，在综合研究的基础上对具有工业价值的油田，按石油市场的需求，从油田的实际情况和生产规律出发，提高最终采收率。近些年来，为了满足采油工艺对长冲程、低冲次抽油机的需要，国内近年来研制出多种新型游梁式与无游梁式长冲程、低冲次、节能抽油机。游梁式抽油机的设计受到了抽油机设计工作者的重视，并取得了明显的经济效益，游梁式抽油机的最基本特点是结构简单，制造容易，维修方便，特别是它可以长期在油田全天运转，使用可靠。因此尽管它存在驴头悬点运动的加速度大，平衡效果差，效率低，在长冲程时体积较大和笨重的特点，但依旧是目前应用最广泛的抽油机。 1.2 目前国内外发展趋势

随着油田的开发，抽油机的投入量日益增加。发展高效、节能、可靠性高的抽油机是石油机械装备工业的当务之急，也是生产厂家始终追求的目标。国外在抽油机的开发上投入精力比较多，研究的时间也比较早。除大量开发生产游梁式抽油机外，一些科研和制造公司正在研制和推出各种非传统型号的抽油机。 1.2.1 国外抽油机生产概况

目前，世界各国仍然大面积的应用游梁式抽油机，美国生产游梁式抽油机的厂家有十几家，品种、型号繁多，此外，英国、法国、前苏联、罗马尼亚等国均有生产多种抽油机的厂家。

美国API Spec11E《抽油机规范》中规定，抽油机共有77种规格，悬点最大载荷为9~214 kN，冲程长度0.4~7.6 m。Lufkin公司是美国生产抽油机最早和最大的公司，在1923年生产了美国第一台游梁抽油机，1931年率先研制了两块平衡重的曲柄平衡抽油机，1959年研制了前置式抽油机，也是最早生产前置式气平衡抽油机的一家公司。目前，Lufkin公司生产B、C、M、A等4种系列抽油机，B系列游梁平衡抽油机有8种规格，悬点最大载荷24～49.4 kN，冲程长度0.6~1.21 m。

C系列曲柄平衡抽油机有64种规格，悬点最大载荷24~165.5 kN，冲程长度0.76~4.2 m。M系列前置式抽油机有46种规格，悬点最大载荷64.86~193.68 kN，冲程长度1.62~5.68 m。A系列前置式气平衡抽油机有26种规格，悬点最大载荷78.47~213.1 kN，冲程长度1.62~6.09 m。

俄罗斯生产13种规格游梁抽油机，悬点最大载荷20~200 kN，冲程长度0.6~6 m。还生产20种规格曲柄摇臂式抽油机，悬点最大载荷10~200 kN，冲程长度0.4~6 m。还生产06M型、液压驱动型、平衡液缸型等无游梁抽油机，悬点最大载荷150 kN，最大冲程长度10 m。

法国Mape公司生产了12种规格曲柄平衡游梁抽油机，悬点最大载荷160 kN，最大冲程长度4.2 m。还生产H系列长冲程液压驱动抽油机，悬点最大载荷199 kN，最大冲程长度10 m，最大冲次5 min-1。此外，Mape公司还生产立式斜井抽油机和液缸型抽油机，两种抽油机均已形成系列。

加拿大生产的液、电、气组合一体式HEP抽油机，悬点最大载荷72~103.9 kN，冲程长度1.63~4.27 m，具有较好的使用性能。

罗马尼亚按美国API标准生产了51种规格游梁抽油机，悬点最大载荷194 kN，最大冲程长度4.8 m。还生产35种规格前置式抽油机，悬点最大载荷194 kN，最大冲程长度5.4 m，配用7种规格减速器，最大扭矩105.1 kN·m。此外，罗马尼亚还生产前置式气平衡抽油机，悬点最大载荷152 kN，最大冲程长度4.2 m。

目前，世界上抽油机最大下泵深度为4530 m，在美国Reno油田的一口抽油井上使用。俄罗斯抽油机最大下泵深度为4000 m。目前，世界上寿命最长的抽油机是美国Lufkin公司生产的，该公司生产的抽油机寿命一般均在15年以上，其中1台配有2英寸(63.5 mm)蜗轮减速器的小型抽油机，自1921年安装使用以来，到1993年为止已经连续运转了72年，累计运转时间达450000 h，创造了历史上抽油机寿命最高纪录。

目前，全世界生产抽油装置的公司有300多家，其中生产抽油机的公司有150多家。美国抽油机品种规格齐全，技术水平先进，质量较好和较稳定，应用范围较广泛[10,11]。

1.2.2 国内抽油机生产概况

国内抽油机制造厂有数十家，产品类型已多样化，但游梁式抽油机仍处于主导地位。根据公开发表的资料统计，我国现有6大类共45种新型抽油机，并且每年约有30种新型抽油机专利，十多种新试制抽油机，已形成了系列，基本满足了陆地油田开采的需要[12]。各种新型节能游梁式抽油机，如双驴头式抽油机、六连杆抽油机、前置型游梁式抽油机、异相曲柄平衡抽油机、前置式气平衡抽油机、下偏杠铃系列节能抽油机和用窄V形带传动的常规抽油机等均已在全国各个油田

推广应用，并取得了显著的经济效益。长冲程、低冲次的无游梁式抽油机的研制也取得了一些进展，如由胜利油田研制的无游梁链条抽油机，经过国内十几个油田稠油及丛式井的推广使用，在低冲次抽油和抽稠油方面已初见成效。此外，桁架结构的滑轮组增距式抽油机、链条滚筒式抽油机已在某些油田进行了工业试验；齿轮增距式长冲程抽油机的研制工作也取得了新的进展；质量轻、成本低、便于调速和调整冲程的液压抽油机经过几年的研制和工业性试采油，也积累了一定的经验。其它形式新颖的抽油机如数控抽油机、连续抽油杆抽油机、车载抽油机、磨擦式抽油机、六连杆游梁式抽油机和斜直井抽油机、直线电机抽油机等也正处于不断改造和试生产过程中[13~19]。

另外，根据市场供求信息，2007年，大庆油田装备制造集团研制成功新型抽油机——DCYJY-3-53HB抽油机。同时为满足大庆油田建设需要，这个集团还开展了DCYJY10-3-37HB和DCYJY-2.5-26HB低冲次抽油机的系列研发工作，并计划系列开发双驴头低冲次抽油机。 1.2.3 抽油机发展趋势

在市场经济条件下，油田开发必须以经济效益为中心。因此，依靠技术，节能降耗，挖潜增效将是油田开发永恒的主题，也是抽油机发展的方向。通过对我国现有45种新型抽油机的分析研究，可以看出我国抽油机全面系统真实的发展趋向，主要体现在以下16个方面[20~23]：

(1)向多品种方向发展；

(2)科研设计与制造向多方位方向发展； (3)理论与科研向高水平方向发展； (4)向高适应性发展； (5)向高效节能方向发展； (6)向高综合经济效益方向发展； (7)向尽量满足采油工艺需要方向发展； (8)向高技术方向发展； (9)向高可靠性方向发展； (10)向高性能方向发展； (11)向大型化方向发展； (12)向增大冲程方向发展；

(13)向长冲程无游梁抽油机方向发展； (14)向精确平衡方向发展；

(15)液压抽油机向功能回收型方向发展； (16)向标准化、系列化、通用化方向发展。

1：3 设计的主要内容 1. 抽油泵的选择

（1） 油井产能的选择 （2） 冲程及冲次的选择 （3） 泵径的计算 （4） 泵型的确定

（5） 活塞和衬套配合间隙的确定 2. 抽油杆的选择

（1） 抽油杆长度的确定 （2） 悬点载荷的计算 （3） 抽油杆强度的确定 （4） 抽油杆组合的确定 3. 抽油机的选择

（1） 抽油机选择原则

（2） 计算并校核减速箱扭矩

（3） 计算出电动机功率并选电机 第2章 抽油泵的选择 2．1 油井产能计算

1. 单相液体渗流时的流入动态 （1） 符合线性渗流时的流入动态 根据达西定律，定压边界圆形油层中心一口井及圆形封闭地层中心一口井的产量分别为

qo?2πKOh(pe?pwf)μoBo(lnrerw?S)

qo?2πKoh(pe?pwf)μoBo(lnrerw?12?S)

式中 qo-油井产量（地面），m3s; Ko-油层的有效渗透率，m2; h-油层有效厚度，m; μo-地层油的粘度，Pa?s; Bo-原油体积系数； pe-供给边缘压力，Pa; pwf-井底流动压力，Pa;

re-油井供油（泄油）半径，m； rw-井底半径，m;

S-表皮系数，与油井完善程度有关。 在非圆形封闭泄油面积的情况下，其产量公式可根据泄油面积形状和油井位置进行校正，即令公式中的rerw?CxA12rw，其中Cx值按泄油面积形状和井的位置查表求的

实际生产中，油井的平均地层压力pR有时比供给边界压力pe易求得因此 （2） 符合非线性渗流时的流入动态

当油井产量很高时，在井底附近将不再符合线性渗流，而呈现高速非线性渗流。根据渗流力学中非线性渗流二项式，油井产量与生产压差之间的关系可表示为

pR?pwf?Aqo?Bqo

2变形得

pR?pwfqo?A?Bqo

式中 A，B-与油层及流体物性等有关的系数。

因此，在系统试井时，如果单相液流呈非线性渗流，可由试井资料绘制

(pR?pwf)qo与qo的关系曲线，该关系曲线为一直线，直线的斜率为B，截距

为A。求得A,B后，便可利用原式预测非达西渗流范围内的油井流入动态。 2. 油气两相渗流时的流入状态 （1） 沃格尔方程

当地层压力低于饱和压力时，油藏的驱动类型为溶解气驱，此时整个油藏均处于气液两项流动

qoqomax?1?0.2pwfpR?0.8(pwfpR)

（2） 斯坦丁方程

斯坦丁给出0.5≤FE≤1.5范围内的量纲一的流入动态曲线

qoq(FE?1)omax?1?0.2pwfpR?0.8(pwfpR)

2p??pR?(pR?pwf)FEwf

（3） 哈里森方程

哈里森提供了1≤FE≤2.5范围内的量纲一的IPR曲线。该曲线可用来计算高流动效率井的IPR曲线和预测低流压下的产量。因哈里森未提供相应的方程，所以只能用查图法计算。

3. 单相与两相同时存在时的组合型流入动态 4. 三相渗流时油井流入状态 2．2 冲程及冲次的确定

冲程和冲次是确定抽油泵直径、计算悬点载荷的前提，选择时应遵守下述原则： 1） 一般情况下应采用大冲程、小泵径的工作方式，这样既可以减小气体对泵效的影响，也可以降低液柱载荷，从而减小冲程损失。

2） 对于原油比较稠的井，一般是选用大泵径、大冲程和低冲次的工作方式。 3） 对于连抽带喷的井，则选用高冲次快速抽汲，以增强诱喷作用。 4） 深井抽汲时，要充分注意振动载荷影响的s和n配合不利区。 5） 所选择的冲程和冲次应属于抽油机提供的选择范围之内。 2．3 泵径的计算

泵径dp是根据前面确定的冲程s、冲次n、陪产方案给出的设计排量Q以及统计

2给出的泵效η，由Q?360πdpsnηv计算得出。

2．4 泵型的确定

泵型取决于油井条件：井深小于1000m，含砂量小于0.2%，油井结蜡较严重或油较稠，应采用管式泵；产量较小的中深井或深井，可采用杆式泵。 2．5 活塞和衬套的配合间隙的确定

活塞和衬套的配合间隙，要根据原油粘度、井温及含沙量等资料来选择。

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