聚驱油田有杆泵抽油系统效率计算方法研究 第3页
第2章 有杆泵抽油系统介绍
2.1 有杆泵的系统构造
有杆泵抽油井的系统组成，是以抽油机、抽油杆和抽油泵“三抽”设备为主的有杆抽油系统。其工作过程是：由动力机经传动皮带将高速的旋转运动传递给减速箱，经三轴二级减速后，再由曲柄连杆机构将旋转运动变为游梁的上、下摆动，挂在驴头上的悬绳器通过抽油杆带动抽油泵柱塞做上、下往复运动，从而将原油抽汲至地面[2]。
2.1.1 抽油机
抽油机是有杆泵抽油系统的主要地面设备，按是否有游梁，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。按结构不同可将其分为常规型和前置型两类。
常规型游梁式抽油机是目前矿场上使用最为普遍的抽油机，其特点是支架在驴头和曲柄连杆之间，上、下冲程时间相等。
前置型游梁式抽油机的减速箱在支架的前面，缩短了游梁的长度，使得抽油机的规格尺寸大为减小，并且由于支点前移，使上、下冲程时间不等，从而降低了上冲程的运行速度、加速度和动载荷以及减速箱的最大扭矩和需要的电机功率。
为了提高冲程、节约能源及改善抽油机的结构特性和受力状态，国内外还出现了许多变形抽油机，如异相型、旋转驴头式、大轮式以及辣杆式双游梁等抽油机。
为了减轻抽油机重量，扩大设备的使用范围以及改善其技术经济指标，国内外研制了许多不同类型的无游梁式抽油机。其主要特点多为长冲程低冲次，适合于深井和稠油井采油。目前，无游梁式抽油机主要有：链条式、增距式和宽带式抽油机。
2.1.2 抽油泵
抽油泵是有杆泵抽油系统中的主要设备，主要由工作筒(外筒和衬套)、活(柱)塞及阀(游动阀和固定阀)组成。游动阀又称为排出阀；固定阀又称为吸入阀。抽油泵按其结构不同可分为管式泵和杆式泵。
管式泵是把外筒和衬套在地面组装好后，接在油管下部先下入井内，然后投入固定阀，最后把活塞接在抽油杆柱下端下入泵筒内。其特点是： 结构简单、成本低；在相同油管直径下允许下入的泵径较杆式泵大，因而排量较大；检泵时需起出油管，修井工作量大。因此，管式泵适用于下泵深度不大、产量较高的井。
杆式泵是整个泵在地面组装好后接在抽油杆柱的下端，整体通过油管下入井内，由预先安装在油管预定位置上的卡簧固定在油管上。其特点是： 检泵不需起出油管，检泵方便；结构复杂，制造成本高；在相同油管直径下允许下入的泵径比管式泵小，故排量较小。因此，杆式泵适用于下泵深度较大，但产量较低的井。
由于井液性质的复杂性，对泵往往有特殊要求，因此，从用途上又可将抽油泵分为常规泵和特种泵。特种泵主要有防砂泵、防气泵、抽稠泵、分抽混出泵和双作用泵以及各种组合泵。
2.1.3 光杆与抽油杆
光杆主要用于联接驴头钢丝绳与井下抽油杆，并同井口盘根盒配合密封井口。因此，对其强度和表面光洁度要求较高。光杆分为普通型和一端镦粗型两种：普通型光杆两端可互换，当一端磨损后可换另一端使用；一端镦粗型光杆联接性能好，但两端不能互换。
常用的抽油杆主要有普通抽油杆、玻璃纤文抽油杆和空心抽油杆三种类型。
普通型抽油杆的特点是：结构简单、制造容易、成本低；直径小，有利于在油管中上下运行。因此，它主要用于常规有杆泵抽油方式。
玻璃纤文抽油杆的主要特点是：耐腐蚀，有利于延长寿命；重量轻，有利于降低抽油机悬点载荷和节约能量；弹性模量小，可实现超冲程，有利于提高泵效。
空心抽油杆由空心圆管制成，成本较高，它可用于热油循环和热电缆加热等特殊抽油工艺，也可以通过空心通道向井内添加化学药剂。适用于高含蜡、高凝固点的稠油井。
此外，还有连续杆、钢丝绳杆、不锈钢杆以及非金属带状杆等特殊用途的抽油杆。
2.2 有杆泵抽油系统的耗能情况分析
在有杆泵抽油系统的能量消耗中,一部分做有用功,另一部分转化成热能等其他能量散失而做无用功。从能量消耗区域分,系统的能量消耗可以分成两个部分,一个是地面能量消耗,另一个是地下能量消耗。以抽油机悬点把这一子系统分割成地面与地下两个部分[4]。
2.2.1 地面能量消耗
2.2.1.1 电机耗能
电机是系统中重要的能量转换装置,电机耗能为电机输入能量与输出能量之差,为无用功。它包括电机的铁耗、铜耗、风摩耗、杂耗以及散入电网的部分能量。电机的机电转换效率为电机输出功与电机输入功之比。
2.2.1.2 机械传动能耗
这部分能耗均为无用功。其所散失的能量主要变成了热能和声能。常规抽油机传动部分主要包括皮带轮、传动箱齿轮(3副)、传动箱轴承(3副)、四连杆机构(3副轴承)以及钢丝绳。这部分能耗的大小除与其传动效率有关外,主要与悬点负荷及抽油杆速度有关。
2.2.2 井下能量消耗
2.2.2.1 盘根盆与抽油杆之间摩擦形成的能耗
这部分能耗为无用功,能量散失主要是因摩擦而使机械能转换成热能引起的消耗。
2.2.2.2 抽油杆及油管的能耗
包括杆管磨擦造成的能耗、弹性变形造成的能耗和振动造成的能耗,均为无用功,这些能量绝大部分转变成热能,少部分转变成声能。
2.2.2.3 抽油泵的能耗
主要包括衬套与柱塞之间的磨擦造成的能耗、漏失造成的能耗和泵阀水力损失造成的能耗。在现场漏失所造成的能耗所占的比例最大。漏失部分的能量损失相当于液体进入泵腔内所需能量与漏失量百分比之积。
2.2.2.4 流体举升能耗
这部分能耗主要有三个部分,包括液体由泵入口至井口增加的势能,在计算系统效率时通常把被举升液体由动液面高度及井口套压折算成液柱高度之和的高度至井口部分所增加的势能与井口油压之和视为算式的分子,这部分为有用功;流体流动阻力形成的能耗及流体温度降低造成的能耗为无用功[3]
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