机采技术优化方案

2005年11月机采管理及优化技术主讲：庞海峰一、常规举升工艺技术简介二、举升参数的优化三、机采井的节能降耗四、抽油机井的功况诊断五、机采井指标计算方法大庆油田自1981年大面积转抽以来，宣告了自喷开采阶段的结束，随之油田进入了强采即“机械采油〞阶段。前言自1859年第一口现代油井在美国小镇“梯特斯维尔〞钻成后，即拉开了采油工程技术开展的序幕。1、抽油机2、电动潜油离心泵

3、地面驱动螺杆泵机采阶段大庆油田在用的举升方式主要有三种：一、常规举升工艺技术简介在20世纪30年代前苏联人依据力学理论中的“四连杆〞机构创造了游梁式抽油机。〔一〕、抽油机抽油机1、根本术语：异相型游梁式抽油机：驴头和曲柄连杆机构分别位于支架前后，平衡角不为零的游梁式抽油机。悬点载荷：抽油机驴头悬点的实际载荷，KN。额定悬点载荷：抽油机正常工作允许的最大悬点载荷，KN。光杆最大冲程：调整抽油机冲程调节机构，使光杆能获得的最大位移，m。最高冲次：动力机输出轴上装最大直径胶带轮时，抽油机所获得的冲次，min-1。减速器扭矩：减速器输出轴的实际扭矩，KN.m。抽油机a.常规型；b.前置型；c.异相型；2、游梁式抽油机类别CYJ：常规型游梁式抽油机；CYJQ：前置型游梁式抽油机；CYJY：异相型游梁式抽油机；Y：游梁平衡。在游梁上加平衡重的平衡方式；B：曲柄平衡。在曲柄上加平衡重的平衡方式；F：复合平衡。同时采用游梁平衡和曲柄平衡的平衡方式；Q：气动平衡。用气缸平衡的平衡方式；H：点啮合双圆弧齿形。渐开线齿形不标注。

3、游梁式抽油机代号抽油机4、型号表示法

例：规格代号为8-3-37的常规型游梁式抽油机，减速器采用点啮合双圆弧齿轮，平衡方式为曲柄平衡，型号为CYJ8-3-37HB

抽油机5、常规游梁式抽油机根本参数游梁式节能抽油机对于有游梁的抽油机而言，指在平衡状态下，只要是满足其净扭矩曲线波动范围小〔与常规机比较〕、且趋于平稳，无负净扭矩值出现的抽油机，我们将其定义为节能抽油机。1、节能抽油机的定义：游梁式节能抽油机2、三种机型的净扭矩曲线比照图：对于非节能抽油机而言，其本身的结构设计就允许其做负功，这是一种正常现象；对于节能抽油机而言那么是因为其失去平衡而出现了做负功，这是一种不正常现象。3、对有游梁抽油机电机做负功的科学解释：抽油机的开展方向1、存在问题⑴目前在用抽油机体积大、能耗高、系统效率相对较低。⑵多数“节能抽油机〞的应用形不成规模，导致其售后效劳跟不上，最终夭折。2、开展方向“简化结构、减小体积、降低能耗、延长使用寿命〞是未来抽油机追求的目标。电机直驱抽油泵的运动，已开始了这方面的尝试。一、常规举升工艺技术简介〔二〕、电动潜油离心泵电动潜油离心泵，简称电泵，由前苏联人A.S.艾鲁托诺夫先生创造，1923年电泵被引入美国，美国第一台潜油电泵在洛杉矶问世。1926年美国开始在坎隆斯的鲁赛尔油田应用潜油电泵抽油。我国是从1964年首先在沈阳机电局开始研制40方/日潜油电泵的，通过现场试验，各项技术指标没有到达要求，另外由于当时的一些其它原因，被迫停止研制。1981年天津电机厂首先研制成功200方/日800米扬程潜油电泵。潜油电泵是井下工作的多级离心泵，同油管一起下入井内，地面电源通过变压器、控制屏、接线盒和动力电缆将电能输送给井下潜油电机，使潜油电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的井液举升到地面。电动潜油离心泵

1、工作原理：潜油电泵由三大局部七大件组成:电动潜油离心泵

井下局部：包括潜油电机、保护器、别离器、多级离心泵〔俗称井下四大件〕。中间局部：潜油电缆〔分大扁电缆和小扁电缆〕。地面局部：包括控制屏和变压器。电动潜油离心泵

潜油电泵供电流程：地面电源变压器控制屏潜油电缆潜油电机潜油电泵抽油工作流程：别离器〔吸入口〕多级离心泵单流阀测压阀〔泄油阀〕井口出油干线电动潜油离心泵

①隔离井液。密封潜油电机轴的动力输出端,防止井液进入潜油电机。②压力平衡。保护器的充油腔体与油井相连通,从而平衡潜油电机和保护器中各密封部位两端的压差。③承受轴向力。内设一个推力轴承,承担作用在泵轴、别离器轴和保护器轴向下的轴向力。④传递扭矩。保护器连接潜油电机轴与泵轴(或别离器轴),连接潜油电机壳体与潜油泵壳体(或别离器壳体)，起到传递电机轴到泵轴的扭矩，包括传递壳体的反向扭矩。保护器的作用:一是作为井液进入多级离心泵的吸入口；二是当混合气液体进入离心泵之前，先通过别离器进行气、液两相别离。被别离出的气体进入油、套管环形空间，液体那么进入离心泵内，这样就可防止气体对泵产生气蚀，减少气体对泵工作性能的影响，从而提高泵效和延长泵的使用寿命，使潜油电泵机组能够正常运转。别离器的作用：油气别离器是潜油电泵机组的四大部件之一，它位于保护器和多级离心泵之间。油气别离器有两个根本作用：电动潜油离心泵

电动潜油离心泵

潜油泵由多级叶轮、导壳组成,叶轮、导壳的结构形式决定潜油泵的排量,叶轮、导壳的级数是决定潜油泵的扬程和匹配潜油电机功率的重要因素。潜油泵的叶轮、导壳通常由镍铸铁制成,它具有耐腐蚀、耐磨、铸造性能好和切削加工性能好等优点。泵轴一般由蒙乃尔K合金钢制造,这种材料具有较高的强度,较好的耐腐蚀性和耐磨性,并具有良好的刚性和塑性。潜油泵的结构

电动潜油离心泵

潜油泵的工作原理与地面使用的普通离心泵一样。当机组启动后,潜油电机带动潜油泵轴上的叶轮高速旋转,叶轮叶片驱使叶轮流道内的液体转动,这局部转动的液体在离心力的作用下向叶轮外缘流去,这局部向叶轮外缘流动的液体对叶轮吸入口处的液体产生一种吸力,在这一过程中,叶轮中的液体绕流叶片,在液体绕流运动中叶轮的叶片对液体作用一升力,使液体获得能量而流出叶轮,这时液体的动能与压能均增大。工作原理

潜油电泵的启动和停机,以及运行中的一系列控制,需要专门的控制设备来完成。潜油电泵专用控制柜分为手动、自动两种控制方式,供电电源为交流50Hz,工作电压为400-2500V,额定电流最大为150A。控制柜具有短路保护、单相保护、三相过流保护和欠载停机、延时自动启动功能。通过仪表可随时测量电机运行电压、电流参数,并自动记录电机运行电流,从而使电泵管理人员及时掌握和判断潜油电机的运行状况。控制柜的工作原理电动潜油离心泵

电动潜油离心泵

电泵控制柜一、常规举升工艺技术简介〔三〕、地面驱动螺杆泵20世纪30年代中期法国的moineau创造了单螺杆泵，做为容积泵的螺杆泵，以其地面驱动装置简单、体积小，能耗低，对较恶劣的工作环境适应性强等优势越来越受到油田采油工程技术人员的重视。也正因如此螺杆泵这种举升方式在油田中的应用规模才日趋扩大。地面驱动螺杆泵螺杆泵是有别于“活塞式抽油泵和电动潜油泵〞的一种容积式泵，如下图〔1：2结构〕：e—转子偏心距mmd—转子截圆直径mmT—〔T=2t〕定子导程mm螺杆泵的三个根本结构参数：地面驱动螺杆泵1、螺杆泵采油系统的组成：电控局部：电控箱是螺杆泵的控制局部，控制电机的启、停。该装置能自动显示、记录螺杆泵正常生产时的电流、电压等数据，有过、欠载自动保护功能。地面驱动局部：地面驱动装置是螺杆泵系统的主要地面设备，是把动力传递给井下泵转子，使转子实现星行运动，实现抽吸液体的机械装置。地面驱动螺杆泵

它是借助于单螺旋线的转子与双螺旋线的定子配合时产生的空腔实现抽吸液体入泵举升液体出井。2、螺杆泵的工作原理：3、螺杆泵的型号表示方法：地面驱动螺杆泵

例：GLB300-21表示抽油杆地面驱动的螺杆泵，每转排量为300ml，泵的总级数为21。4、螺杆泵设备参数地面驱动螺杆泵★螺杆泵井供排关系的协调问题（也就是合理沉没度的控制）没有从根本上得到解决，一定程度的影响了其产能效益的发挥。★螺杆泵井旋转杆的挠曲变形的合理扶正问题没有从根本上得到解决，一定程度的缩短了其工作时效（检泵周期）。★螺杆泵井的功况诊断技术尚未完善，给其日常管理带来了一些不便。5、存在问题地面驱动螺杆泵6、开展方向进一步完善其配套技术，开展漂浮度变化对泵效及定子橡胶老化的定量化研究；开展旋转过程中的挠曲变形与不同心摆动对抽油杆运动影响程度的研究，建立、完善螺杆泵井抽油杆的扶正理论；开展螺杆泵工况诊断技术研究。总之，地面螺杆泵在未来的开展中，首先应解决定子橡胶的使用寿命问题，我认为伴随着材料科学的开展我们会寻求到能够替代橡胶的新材料，开发出非金属、非橡胶定子的长寿命新型螺杆泵。四、抽油机井的功况诊断泵功图建立的根本理论在示功图的智能诊断中，实现建立泵功图的根本理论是“S.Glbbs波动方程〞。l、S.Glbbs波动方程1966年S.Glbbs将井下抽油泵处的负荷变化假象成以应力波的形式沿抽油杆柱传递到地面，由此推导并建立了抽油杆系一维阻尼波动方程。c—粘滞阻尼系数

四、抽油机井的功况诊断

在此利用在光杆处所得到的光杆载荷与时间的关系曲线以及光杆位移与时间的关系曲线作为边界条件来求解S.Glbbs方程，就可得到抽油杆任意截面处的示功图，直至泵功图。

理论标准泵功图为一矩形泵功图2、S.Glbbs波动方程的经典求解方法

*别离变量法求解。*变步长有限差分法求解在两个以截断傅立叶级数表示的边界条件下，即：悬点动载荷函数光杆位移函数

其特解为：位移与深度、时间的函数

应用计算机确定抽油杆及抽油泵示功图的一般计算步骤

①计算傅立叶系数②计算阻尼系数C③计算特殊函数3、泵功图建立理论的开展现状伴随着人们对有杆泵系统工作原理认识的逐步深入，示功图智能诊断理论被不断的完善，目前已诞生的诊断理论已到达了三种，即：⑴微分方程〔S.Glbbs波动方程〕⑵传递函数⑶状态方程使用微分方程模型时的特点

①便于用数字计算机求解；②特别适用于线性系统，对于非线性系统的判断准确率较低；③计算过程烦琐，所用时间相对较长。

①便于用数字计算机求解②不但适用于线性系统，也可适用于非线性系统；

③不但适用于恒参数系统，也可适用于变参数系统；④不但适合单输入、单输出系统，也适用于多输入、输出系统。

应用状态方程来表示的数学模型时的优势

批量井快速诊断阻尼系数的选择诊断结束后按功况类别查看三个月单井功图信息可按两种诊断方法进行诊断开井数除以不包括方案关井在内的抽油机井总数的百分数第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法式中：Kc—抽油机井利用率，%；—开井生产井数，口；—总井数，口；—方案关井数，口1、利用率(1〕开井生产井数是指在统计期内月连续生产24h以上，并有产液量的抽油机井；间歇抽油机井有间歇抽油制度，并有产液量的井。〔2〕方案关井包括测压或钻井关井；方案或试验关井；间开井恢复压力期间关井；油田内季节性关井或压产关井。注：指统计井生产天数之和与日历天数之和的比率

第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法式中：fr—抽油机井有效生产时率，%；—统计期内统计井的日历天数之和，d；—统计期内统计井的生产天数之和，d；

2、时率抽油机井的实际产液量与泵的理论排量的比值叫做泵效。第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法式中：ηd—单井泵效，%；QS—单井实际日产液量，m3/d；QL—单井抽油泵理论日产液量，m3/d；D——抽油泵的直径，m；S——使用的光杆冲程，m；n——抽油机的冲次，次/min；3、泵效泵效大于80%和连喷带抽井不参加平均泵效的统计。抽油井在生产过程中油套管环形空间中的液面深度叫做动液面。第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法式中：Hd——单井动液面，m；Hc——单井实测动液面深度，m；Hb——单井套补距，m；Hzd——单井折算动液面，m；Pt——单井的套压，MPa；g——重力加速度，g=9.8m/s2；4、动液面单井泵挂深度是指抽油井井口至抽油泵吸入阀之间的深度。第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法La=h1+h2

式中：La—单井泵挂深度，m；h1—该井补心高差，m；h2—该井吸入阀以上至油管挂长度，m。5、泵挂深度漂浮度是指抽油泵吸入阀漂浮在动液面以下的深度。第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法6、漂浮度平均漂浮度不得以平均泵挂深度减平均动液面算出。式中：—单井冲程利用率，%；—单井实际冲程长度，m；—单井设备铭牌最大冲程长度，m；—平均冲程利用率，%；—统计井实际冲程长度之和，m；—统计井设备铭牌最大冲程长度之和，m。第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法7、冲程利用率

式中：—单井冲次利用率，%；—单井实际冲次，min-1；—单井设备铭牌最大冲次，min-1；—平均冲次利用率，%；—统计井实际冲次之和，min-1；—统计井设备铭牌最大冲次之和，min-1。第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法8、冲次利用率

式中：—单井扭矩利用率，%；—单井实际最大扭矩，kN·m；—单井设备铭牌扭矩，kN·m；—平均扭矩利用率，%；—统计井实际最大扭矩之和，kN·m；—统计井设备铭牌扭矩之和，kN·m。第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法9、扭矩利用率

10、平衡率第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法式中：—单井平衡率，%；—抽油机下冲程最大电流，A；—抽油机上冲程最大电流，A；—统计井的平均平衡率，%；—统计期内平衡总井数，口。在85%~100%之间的抽油机井为平衡。11、系统效率第二采油厂工程技术大队五、机械采油技术经济指标计算和统计方法电器测试参量：三相线/相电流、三相