采油设备综述

采油设备综述机械设计制造及其自动化11-02班摘要：由于某些地质、技术或经济因素而未能有效的保持地层能力，以及在油田注水后期油井含水上升之后，为了保持油井产量而采用深井泵进行强采。

因为我国的油田大多数处于长期开采后期的老油田，所以，深井泵采油法是一种主要的采油方法，采油设备的发展影响着我国的采油能力和产量。

虽然随着技术的发展，适合于深井、大产量和较复杂条件的水力活塞泵及电动潜油泵的比例逐渐增加，但目前在机械采油中占绝对多数的还是游梁式深井泵装置。

关键词：采油方法、采油设备、机械采油、游梁式抽油机、抽油泵、有杆泵采油和无杆泵采油等。

在油田开发过程中，油田由于地层能量逐渐下降，到一定时期地层就不能油井保持自喷，有些油田则因为缘是底层能力低或油稠一开始就不能自喷。

油井不能保持自喷时，或虽能自喷但产量过低时，就必须借助机械能量进行采油。

目前，采用的机械采油方法有气举采油和深井泵采油，深井泵才有包括用游梁式深井泵装置的有杆泵采油及用水力活塞泵、电动潜油泵和射流泵等无杆泵采油。

尽管国内外都广泛采用注水保持低层能量，然而，由于某些地质、技术或经济因素而未能有效的保持地层能力，以及在油田注水后期油井含水上升之后，为了保持油井产量而采用深井泵进行强采。

因为我国的油田大多数处于长期开采后期的老油田，所以，深井泵采油法是一种主要的采油方法，采油设备的发展影响着我国的采油能力和产量。

虽然随着技术的发展，适合于深井、大产量和较复杂条件的水力活塞泵及电动潜油泵的比例逐渐增加，但目前在机械采油中占绝对多数的还是游梁式深井泵装置。

国内外采油方法：1自喷采油：利用地层自身能量将地层液体举升到地表面的方法。

2人工举升采油（机械采油）：其形式包括很多种，如图1-1。

3二次采油：注水增加地层能量；透水。

4三次采油：聚合物调剖剂；生物降粘剂；钻水平井。

人类有着1600年左右的石油开采历史，直到1848年俄国工程师在巴库东北方的半岛开采了第一口现代油井后，人类才步入了现代化的石油开采时代。

其中机械采油装备经过了一百多年的发展，逐渐形成了当今有杆采油装备和无杆采油装备两大体系。

据统计，全世界约有100万口左右的在产油井，其中使用有杆采油装备的约占到90%以上，这些有杆采油装备的驱动装置采用游梁式抽油机的约占到80%以上。

以下是对有杆采油设备和无杆采油设备原理结构的具体描述。

（重点描述游梁式抽油机的特点。

）无杆采油：电动潜油泵、水力活塞泵、气举采油和潜油单螺杆泵等。

1电动潜油泵：潜油电泵采油原理是潜油电泵机组下入油井内一定深度，在一定的沉没压力下，电动机带动离心泵高速旋转；与此同时，井内油流经过分离器分离出部分游离的气体后，进入多级离心泵，油流在多级离心泵多级增压形成足够的压头，并被举升至地面。

由于受到套管直径的限制，泵的直径很小，为了保持足够的压头，所以采用多级离心泵的结构，外观看上去比较细长。

2水力活塞泵：水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备，其井下部分主要液压马达、抽油泵和滑阀控制机构组成。

动力由地面加压后，经油管或专用动力液管传至井下，通过滑阀控制及机构不断改变供给液马达的液体流向来驱动液马达做往复运动，从而带动抽油泵进行抽油。

水力活塞泵抽油系统，是由许多不同的机械或设备联合成的一个整体。

整个系统由两大部分组成，即水力活塞泵抽油装置以及地面流程。

水力活塞泵的抽油装置包括：水力活塞泵井下机组、井下管柱结构和井口。

地面流程包括：地面高压泵组、高压管汇流、动力液处理装置和计量装置与地面管线。

水力活塞泵对含蜡、稠油、斜井及水平井具有将强的适应性，其主要缺点是机组机构复杂，加工精度要求高，动力液处理费用高，计量困难。

3气举采油：是基于U型管的原理，利用高压压气机，从油管与套管的环形空间装在油管上的气举阀将气体不断的注入到油管内，使油管内的液体与注入的气体混合，降低液柱的密度，减小液柱对井底的回压，从而使油层与井底之间形成足够的压力差，油层内的原油不断的流入油管内，并被举升到地面。

4 潜油单螺杆泵：这种装置类似于电动潜油泵，自上至下为单螺杆泵、保护器和潜油电动机等。

它的螺杆与螺旋输送机的螺旋桨类似，旋转时推动油液前移；又与专门的衬套配合，在轴向将油流分隔开，在径向将油流一分为二，使衬套的内螺旋面与螺杆表面之间形成一个一个密闭的腔室。

当靠近吸入腔的第一个腔室容积增加时，油液在压差作用下进入油泵内，随着螺杆的转动，此腔室封闭，油液被推挤，像排出端移动，达到增压和排油的目的。

以上是对无杆采油设备的几大典型设备综述。

有杆采油：三抽设备（抽油机、抽油杆、抽油泵。

）抽油机：将电动机的旋转运动转化为抽油杆的往复运动。

抽油杆：把地面驱动设备的运动和动力传递给抽油泵。

抽油泵：吸入并排出一定高压的原油。

抽油机的分类：结构型式：常规型、前重型、偏置型、斜井式、低绞式、洁动式。

减速器传动方式：齿轮式、链条式、皮带式、行星轮式。

驴头结构驴头：上翻式、侧翻式、分装式、整体式、旋转式、大轮式、双驴头式、异驴头式。

平衡方式：游梁平衡、曲柄平衡、复合平衡、液和平衡、气动平衡、差动平衡。

驱动方式：普通异步电机、多速通异步电机、变压异步电机、大转差率电机、超转差率电机、天然气发动机、柴油机、直线电机。

图1-11常规游梁式抽油机(以此作为示例描述。

)：是油田使用历史最悠久，使用数量最多的一种抽油机。

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，长冲程时平衡效果差，效率低，能耗大。

其原理就是四连杆机构如图所示常规抽油机的组成：主要由驴头、游梁、曲柄、连杆、平衡重、减速器、制动机构、支架、横梁、悬绳器等组成。

（驴头：由钢板焊接而成，为了便于起放抽油杆，将其制成上翻式和侧转式。

）悬点：在驴头上的位置是变化的，所受的载荷也是变化的。

驴头悬点上作用有六种载荷：1) P杆:抽油杆自卫重,P’杆(抽油杆在油中的重量),方向向下。

2) P油：油管内、柱塞上的油柱重，方向向下。

3)P压：油管外油柱对柱塞下端的压力，方向向上。

4)P杆惯和P油惯：抽油杆柱和油柱运动产生的惯性载荷，大小与悬点的加速度成正比，方向与加速度相反。

5)P振：抽油杆柱和油柱运动产生的振动载荷，大小和方向都是变化的。

6)P摩干和P摩液：柱塞与泵筒间、抽油杆与油管间的半干摩擦力；抽油杆与油柱间、油柱与油管间及油流通过抽油泵阀的液体摩擦力。

方向与抽油杆的运动方向相反。

游梁式抽油机的平衡：上、下冲程时，悬点载荷不一样，发动机的载荷在上、下冲程时也不一样。

上冲程时，发动面付出很大的能量，而下冲程时，发动机作负功。

载荷的不均匀，将影响四连杆机构、减速器、发动机的效率和寿命；也恶化了抽油杆的工作条件，使抽油杆的断裂次数显著增加。

设置平衡是为了尽可能消除负功，使减速器、发动机的载荷变均匀。

避免以上缺点。

可采用机械平衡方式、气动平衡方式和复合平衡方式。

常规游梁式抽油机缺点及其影响因素：常规游梁式抽油机自诞生以来，历经百年使用，经历了各种工况和各种地域油田的考验，经久不衰。

目前仍在国内外油田普遍使用。

常规机以其结构简单、制造容易、可靠性高、耐久性好、维修方便、适应现场工况等优点，在采油机械中占有举足轻重的地位。

但是由于常规机的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄净扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。

在采油成本中，抽油机电费占30％左右，年耗电量占油田总耗电量的20～30％，为油田电耗的第二位，仅次于注水。

抽油机的悬点载荷状况是影响抽油机能耗的主要因素。

人们普遍认为，游梁机工作效率不高的主要原因是其载荷特性与所用普通三相异步电动机的转矩特性不相匹配，电机的负载率过低致使电机以较低的效率运行。

抽油机的结构和抽油泵工作的特点，形成了抽油机特有的负荷特性：带有冲击的周期交变载荷。

在抽油机运行的一个周期内：上冲程时，悬点要提升沉重的抽油杆和油液柱需要减速器传递很大的正向转矩：下冲程时，输出轴放下落的悬点负荷(抽油杆自重)正向拖动，使主动轴反向做功，减速器要传递较大的反向转矩。

电机在一个冲程中的某些时段被下落的抽油杆反向拖动，运行于再生发电状态，抽油杆下落所释放的机械能有部分转交成了电能回馈电网，但所回馈的电能不能全部被电网吸收。

引起附中能量损失。

目前游梁式抽油机主要采用曲柄平衡，即使在平衡良好的情况下，减速器输出轴仍然存在较大正峰值转矩和较大的负转矩。

平衡程度越差，其正、负转矩的峰值越大，抽油机的能耗也就反之增加。

负转矩的存在必然导致电动机运行于再生发电状态，电能回馈电网造成电力系统的附加能量损失，这样一栗实际上使异步电机的运转参与了抽油机的平衡运动，因为抽油杆下落时所释放的机械能能除了部分转变成平衡重的位能，还有部分通过电机的再生发电状态转化成了电能，但所产生电能又不能被电网全部吸收，造成了能量的浪费。

同时负转矩的存在又加速了曲柄销的破坏，使减速器的齿轮经常受反向负荷，降低了抽油机的使用寿命。

由于以上原因，各种类型的抽油机不断出现。

2前置式抽油机：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。

3偏置式抽油机：又称异相曲柄平衡式抽油机，特点是平衡块中心线相对于曲柄中心偏转一个角度，这种机型国外60年代发展起来并得到API的承认。

试验表明，经优化设计的偏置式抽油机节电可达20％。

4链条式抽油机：是一种无梁抽油机，具有惯性载荷小，冲程长度大的特点，重量轻，节省电能的优点。

包括传动部分、换向部分、悬吊部分和机架等组成。

主要的结构特点是采用链条为换向机构。

轨迹链条上有一个特殊的链节，其上装有向外的主轴销和滑块。

主轴销可在滑块的套筒中转动，滑块与往返架相连，并可在其中做水平运动。

5下偏杠铃游梁复合平衡抽油机：是在原常规游梁抽油机的游梁尾端，利用变矩原理增加简单的下偏杠铃所形成的一种新型节能抽油机。

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。

6液压抽油机：是在常规式游梁抽油机的基础上发展生产的新一代抽油设备，它不仅保持了常规机的优点，还具有运行参数可调，节能，系统效率高等特点，是一种新型节能抽油机。

主要特点:能耗低、调参方便、体积小、重量轻、便于安装维修和搬运、平衡效果好、具有超载和断载保护装置，并能自动停机报警、产品通过美国石油学会 API Spec 11E 认证，并获得API会标使用权。

7双驴头游梁式抽油机：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，克／]ItT原机构的死角，增加游梁摆角，冲程提高20％～70％，。