采油工程基本理论

采油工程基本理论员工培训课题：采油工程基本理论

授课对象：兼职教师

课时：4学时

授课目的：1、了解油井完成及井身结构知识；

2、掌握抽油机、深井泵结构组成和工作原理；

3、会解释理论示功图、分析典型示功图。重点：抽油机、深井泵组成及工作原理难点：理论示功图和典型示功图分析主要内容油井完成与井身结构

引言

理论示功图与典型示功图抽油机与抽油泵结构原理小结

引言

采油工程是油田开发的重要环节，是从油田人工补充地下能量到人工举升（或自喷）的采油过程。目前大部分油田采用机械采油方式。因此，了解油水井井身结构，掌握机械采油知识是管好油水井，保障油田高效合理开发的基础。

第一部分油井完成与井身结构一．油井完成油井：是由钻机钻开的、用来采出原油的生产井。油井完成是钻井的最后一道工序，是衔接钻井和采油工程而又相对独立的工程。

1.完井的概念是从钻开油层开始，到下套管注水泥固井、射孔、下生产管柱、排液，直至投产的一项系统工程。2.完井方式：油层与井筒的连通方式。裸眼完井套管或尾管射孔完井衬管完井砾石充填完井（1）.裸眼完井：指在钻开的生产层位不下入套管的完井方式。裸眼完井有两种：先期裸眼完井及后期裸眼完井。裸眼完井法的优缺点优点：裸眼完井法的井底结构最简单，油层全部裸露，渗滤面积最大，完井液对产层的损害较小。缺点：不能进行分层开采，不能采取防止油层出砂措施。因此，裸眼完井法只适用于油层岩石坚硬的单一产层，以及裂缝性和稠油油层等产层。（2）.射孔完井：指钻开生产层位后下入套管或尾管，再通过射孔建立油流通道。是国内外最为广泛和最主要使用的一种完井方式，包括套管射孔完井和尾管射孔完井。射孔完井法的优缺点

优点：可以对产层进行选择和调整，实现分层开采，因而适用于多产层油井。缺点：完井过程中，会对油气层造成较大损害，渗滤面积小，油流入井阻力大，降低了油井原始生产能力。（3）.衬管完井是钻头钻至油层顶界后，先下套管注入水泥固井，再从套管中下入直径小一级的钻头钻穿油层至设计井深。最后在油层部位下入预选割缝的衬管，依靠衬管顶部的衬管悬挂器（卡瓦封隔器），将衬管挂在套管上，并密封衬管和套管之间的环形空间，使油气通过衬管的割缝流入井筒。（4）.砾石充填完井①直接充填先将绕丝筛管或衬管下入油层部位，然后用充填液将在地面上预先选好的砾石泵送至绕丝筛管与井眼或绕丝筛管与套管之间的环形空间内，形成砾石充填层，阻挡油层砂流入井筒，达到保护井壁、防砂入井的目的。②预制充填在地面预先将符合油层特性要求的砾石填入具有内外双层绕丝筛管的环形空间而制成的防砂管，将筛管下入井内，对准出砂层位进行防砂。

二、油水井井身结构1.概念

井身结构：指完钻井深和相应井段的钻头直径、下入的套管层数、直径和深度、各层套管外的水泥返高和人工井底等。导管：钻井开始用于建立泥浆循环，保护井口附近地层，引导钻头正常钻进的钢管。下入深度2—40M。套管：就是下到井内防止井内坍塌,保证油流畅通的钢管。可分为表层套管、技术套管、油层套管。

表层套管：用来封隔水层；加固上部疏松易塌的不稳定岩层；安装防喷器等井口设备。下入深度30—150M。

技术套管：封隔油层上部难以控制的复杂地层，以便能顺利地钻达预定的生产目的层。

油层套管：亦称生产套管，封隔油、气、水层，保证油井的正常生产。2．相关技术参数1）套补距：钻井时的方补心与套管头的距离。2）套管深度：下入油层套管的深度。3）套管直径：下入油层套管的公称直径。4）人工井底深度：完井时套管内最下部水泥顶界面至方补心的距离。5）射开油层顶部深度：射孔井段最上部至方补心的距离。6）射开油层底部深度：射孔井段最下部至方补心的距离。3.注水井结构是指在完钻井基础上，在井筒套管内下入油管、配水管柱，再配以井口装置。4.自喷井结构是指在完钻井基础上，在井筒套管内下入油管及喇叭口，再配以井口装置。油管柱喇叭口5.抽油机井结构包括井口装置（采油树）、地面抽油机设备、井下抽油泵设备、抽油杆、油管、套管等组成。

第二部分抽油机与抽油泵结构原理

机械采油分类

有杆泵采油是通过地面动力设备带动，并借助抽油杆带动深井泵采油的一种方法。其中抽油机----深井泵采油是各油田普遍采用的采油方法。按照抽油机的结构和工作原理不同，可分为游梁式抽油机和无游梁式抽油机。游梁式抽油机按结构不同可分为前置式和普通式，普通式又分为常规型和异相型。普通式的支架在驴头和曲柄连杆机构之间．前置式支架位于游梁的一端，驴头和曲柄连杆同位于另一端。a.常规型c.前置型b.异相型一.抽油机结构及原理

抽油机是抽油井地面机械传动装置，目前国内各油田普遍采用的是游梁式抽油机。它和抽油杆、抽油泵配合使用，能将井下原油抽到地面。由于其设备结构简单、机械性能稳定，并与井下深井泵是通过高强度的抽油杆连接，故承载能力大，且操作简单。

抽油机抽油杆抽油泵

抽油机、抽油杆、抽油泵被统称为油田的“三抽”设备。抽油泵有杆泵抽油装置

抽油机抽油杆1.抽油机的结构组成动力设备：主要是电动机，为抽油机提供动力。减速装置：将电动机的高速旋转运动转变为输出轴的低速旋转运动。主要包括减速箱减速和皮带传动减速。游梁—连杆---曲柄机构：主要包括曲柄、连杆、横梁、游梁、驴头等。其作用是把曲柄的旋转运动转变为驴头的上下往复运动。辅助装置：基础、底座、支架、固定螺丝等。主要作用是连接和固定抽油机各部件。主要部件的作用（1）驴头它的作用是保证抽油时光杆始终对准井口中心位置。驴头的弧线是以支架轴承为圆心，游梁前臂长为半径画弧而得到。修井时可将驴头从井口移开，方便作业．移开的方式有三种，即：侧转式、上翻式，可卸式。

(2)游梁游梁固定在支架上，前端安装驴头承受井下负荷，后端连接横梁、连杆、曲柄、减速箱，传递电动机的动力.(3)曲柄连杆机构曲柄连杆机构的作用是将电动机的旋转运动变成驴头的往复运动。曲柄上的孔是调节冲程时用的。(4)减速箱是将电动机的高速转动，通过三轴二级减速变成曲柄轴（输出轴）的低速转动，同时支撑平衡块。（5）平衡块平衡块装在抽油机游梁尾部或曲柄轴上。它的作用是：当抽油机上冲程时，平衡块向下运动，帮助克服驴头上的负荷；在下冲程时，电机使平衡块向上运动，储存能量，在平衡块的作用下，可以减小抽油机上下冲程的负荷差别。

(6)悬绳器它是连接光杆和驴头的柔性连接件，还可以供动力仪测示功图用。2.抽油机工作原理

电动机（或其它动力机）通过传动皮带将高速旋转运动传递给减速箱的输入轴，经减速箱的三轴二级减速变为曲柄的低速旋转运动，通过曲柄连杆机构带动游梁作上下往复运动。游梁前端圆弧状的驴头经悬绳器带动抽油杆柱使深井泵活塞作上下往复直线运动，将井下液体抽出井筒。动力设备减速机构

经皮带产生高速旋转运动变为曲柄轴的低速旋转运动曲柄连杆机构抽油杆柱变为驴头的上下摆动经悬绳器上下往复直线运动带动3.游梁式抽油机型号CYJY8----3---37HB4.平衡方式特点(1)游梁平衡游梁的尾部装设一定重量的平衡块，平衡方式简单，适用3吨以下的轻型抽油机。(2)曲柄平衡将平衡块加在曲柄上，适用于10吨(也叫10型)以上重型抽油机。这种平衡方式减小了游梁平衡引起的抽油机摆动，调整比较方便。但是，曲柄上有很大的负荷和离心力。(3)复合平衡在一台抽油机上同时使用游梁平衡和曲柄平衡。特点：小范围调整时，可调整游梁平衡，大范围调整时，则调整曲柄平衡块．这种平衡方式适用于中深井。(4)气动平衡利用气体的可压缩性来储存和释放能量达到平衡的目的，可用于10吨以上重型抽油机，这种平衡方式减少了抽油机的动负荷及震动，但其装置精度要求高，加工麻烦。数字化弯梁变矩抽油机的机型型号CYJW10-3-37HY(S2K)表示额定悬点载荷为100kN，光杆最大冲程3m，减速器齿轮为双圆弧齿形，额定扭矩37kN·m，第二代数字化智能控制宽底座无基础弯梁变矩抽油机。二.抽油泵的结构及原理1.抽油泵分类及结构抽油泵也称深井泵，是有杆泵采油的专用设备。是把机械能转化为流体压能的设备。下在油井井筒动液面以下一定深度，依靠抽油杆传递动力，将原油抽出地面。1）.抽油泵的分类按抽油泵在井内安装的方式不同分为管式泵杆式泵管式泵泵筒、固定阀和衬套在地面组装好接在油管下部先下入井内，最后再把活塞接在抽油杆柱下端下入泵内。管式泵特点泵径较大,排量大,适用于产量高、含砂多、气量小的浅井；结构简单，加工方便，价格低；不适用于深井，检泵和下泵时须起出油管。杆式泵杆式泵有内外两个工作筒，外工作筒上端装有锥体座及卡簧，下泵时把外工作筒随油管先下入井中，然后把装有衬套、活塞的内工作筒接在抽油杆的下端下入到外工作筒中并由卡簧固定。杆式泵特点检泵方便，起出抽油杆就可以起出泵来检泵；泵径小，排量低，用于产量低的深井。泵结构复杂，加工难度大，成本高。不能用于出砂井。2）.管式泵结构管式泵主要由泵筒、固定阀、活塞、游动阀四大部分组成。1工作筒2活塞3上凡尔4下凡尔5固定凡尔6母堵7接箍32mm,38mm,44mm,56mm,28、25mm8防沙槽9凡尔罩(1)工作筒它是由外管、衬套和压紧接箍组成，外管内装有多节同心圆柱管的衬套，上、下两端靠压紧接箍压紧，上接箍上连油管；下接箍下连进油设备。(2)活塞是由无缝钢管制成的空心圆柱体，两头有螺纹，活塞外表面镀铬并有环状防砂槽。(3)游动阀也叫排出阀．由阀球、阀座、开口阀罩组成。单阀泵有一个游动阀，装在活塞上端，双阀泵有两个游动阀，分别装在活塞的上下端。阀球座在阀座上，上有开口阀罩。(4)固定阀也叫吸入阀，由阀座、阀球和开口阀罩组成。2.抽油泵工作原理如图（a）所示，当活塞上行时，游动阀受油管内活塞以上液柱的压力作用而关闭，并排出活塞冲程一段液体，固定阀由于泵筒内压力下降，被油套环形空间液柱压力顶开，井内液体进入泵筒内，充满活塞上行所让出的空间。

如图（b）所示，当活塞下行时，由于泵筒内液柱受压，压力增高，而使固定阀关闭。在活塞继续下行中，泵内压力继续升高，当泵筒内压力超过油管内液柱压力时，游动阀被顶开，液体从泵筒内经过空心活塞上行进入油管。

深井泵工作原理示意图

在一个冲程中，深井泵应完成一次进油和—次排油．活塞不断运动，游动阀与固定阀不断交替关闭和顶开，井内液体不断进入工作筒，从而上行进入油管，最后达到地面。3.理论排量和泵效

深井泵在理想情况下，活塞一个冲程可以排出的液量，在数值上等于活塞上移一个冲程时所让出的体积。其计算公式如下：

Q理=K×S×N=1440×（πD2/4）×S×N

Q理——深井泵理论排量

K——排量系数；K=1440×F=1440×（πD2/4）

S———冲程，米；

N——冲次，次／分．

实际产量往往小于理论产量，因此泵效就是来衡量泵工作情况好坏的一个指标。各种直径泵排量系数是一定的，抽油井的实际产量与泵的理论排量的百分比叫做泵效。

η=（Q实/Q理）×100%4.影响泵效的因素泵效的高低反映了泵性能的好坏及抽油参数的选择是否合适等。影响泵效的因素有：(1)地质因素

1)油井出砂：砂子磨损阀球、阀座、活塞及衬套等部件，导致泵效降低。固定阀和游动阀砂卡或砂埋也影响泵效。

2)气体的影响：油层能量低、供液不足或气体过多的井，当泵入口处的压力低于饱和压力时，进入泵内的将是油气混合物，进入泵内油的体积减少，使泵效降低．另外，活塞在下死点时固定阀和游动阀之间的余隙中存在着高压油气混合物，在活塞上行时，油气混合物膨胀，固定阀不能立即打开，使泵效降低。3)油井结蜡：由于活塞上行时，泵内压力下降，在泵的入口处及泵内极易结蜡，使油流阻力增大．影响泵效．

4)原油粘度高：由于油稠，油流阻力大，固定阀和游动阀不易打开和关闭，抽油杆不易下行，影响泵的冲程，降低泵的充满系数．使泵效降低．

5)原油中含腐蚀性的水和硫化氢气体，腐蚀泵的部件，使之漏失，影响泵效。（2）设备因素泵的制造与安装质量，衬套与活塞配合不当，阀球与阀座不严使泵效降低。（3）工作方式影响油井工作制度不合理使泵效降低。

第三部分理论示功图与典型示功图一、理论示功图示功图概念：是由动力仪测绘出的一条表示悬点载荷与悬点位移之间的关系曲线图，曲线所围成的面积表示抽油泵在一个冲程中所做的功。理论示功图：是认为抽油泵不受任何外界因素影响，泵能够完全充满，光杆仅承受静载荷不考虑惯性力时所绘制的示功图。

理论示功图是在理想条件下绘制出来的：假定油管无漏失.泵工作正常。油层供液能力充足，泵能够完全充满。光杆只承受抽油杆柱与活塞以上液柱重量的静载荷，不考虑惯性力。不考虑砂、蜡、稠油的影响。不考虑油井连喷带抽。认为进入泵内的流体是不可压缩的，凡尔是瞬时开闭的。在这种条件下绘制出的示功图是一个平行四边形。

弹性抽油杆静载时的示功图AB线段为增载线：即驴头从下死点A开始上行，游动阀关闭，固定阀关闭，活塞以上油管内液柱重P液和杆重P小都作用在驴头悬点上，并使杆(伸长)管(缩短)发生弹性变形，直到B点极限，活塞并没有跟着光杆发生位移，而这一段变形量就称为冲程损失，包括杆损和管损，此过程中固定阀并没有打开。BC线段为上载荷线：即杆管弹性变形结束，载荷增至最大(P大=P液+P小)，活塞跟着光杆同步上升至上死点C，此过程中固定阀打开，泵筒进液，井口排液，这样上冲程完毕，开始下冲程。CD线段为卸载线：即驴头开始下行，游动阀开始打开，固定阀开始关闭，此时悬点载荷在变小，杆管与前一过程发生相反的弹性变形，(即杆缩短、管伸长)，直至D点活塞并没有跟着杆一起下行，其冲程损失为D′C′。DA线为下载荷线：即杆管弹性变形结束，载荷降至最小(P小)，活塞开始跟着光杆同步下行至下死点A，此过程中固定阀关闭，游动阀打开，油管进液。图中AD、BC均为活塞实际冲程长度，B′C、OC′为光杆实际冲程长度。二、典型示功图

典型示功图是指某一因素十分明显，其示功图形状代表了该因素影响下的基本特征，因此典型示功图分析是示功图分析的基础。1.泵工作正常图形特征∶左右、上下曲线平行，接近理论示功图。成因分析∶供液充足，沉没度大。泵阀不漏，泵效高，出油好。

泵工作正常时的示功图2.供液不足图型特征∶卸载线和加载线平行，越左移说明充满越不好，也就是供液能力越差，形成的图形为“刀把”形。成因分析：（1）深井泵的工作制度或抽汲参数组合不合理，（2）当砂、蜡同时堵塞了部分进油孔道。3.气体影响图形特点∶卸载线成一圆弧状。成因分析∶在抽汲过程中气体进入泵内。气锁现象：如果气体大量进入泵筒，上冲程时气体膨胀，全部占满柱塞让出的容积，固定凡尔打不开。下冲程时，气体压缩，但压力仍低于游动凡尔上部压力，游动凡尔也打不开，所以这种情况下双凡尔均打不开，柱塞运动对气体压缩和膨胀，泵不排油，这种现象称为“气锁”。4.凡尔漏失（1）固定阀（吸入部分）漏失图形特征∶图形的左下角变圆，右上角变尖，而且漏失越严重，图形的左下角变得愈圆，右上角变得愈尖。成因分析∶固定凡尔与凡尔座配合不严、凡尔球被砂子刺坏或凡罩内积有砂、蜡等脏物，使凡尔球的起落失灵等原因造成的漏失。

固定凡尔漏失的示功图（2）游动阀（排出部分）漏失图形特征∶卸载线与增载线陡，图形的左下角变尖，右上角变圆。当漏失特别严重时，增载线、卸载线和最大载荷线便构成了一条向下方弯曲的圆滑弧线。成因分析∶排出阀球与阀座配合不严；活塞与泵的衬套配合不当；或长期磨损使间隙变大；阀尔罩内积有脏物、砂、蜡，使阀球起落失灵等原因造成的漏失。（3）排出阀和吸入阀同时漏失图形特征∶在上冲程过程中，排出部分漏失起主导作用，使图形左上角和右上角变圆。在下冲程过程中，吸入部分漏失起