水力活塞泵采油教学课件

3本章课后大作业 (1)绘制单作用水力活塞泵工作原理示意图，并说明上下冲程工作原理。4主要内容 8水力活塞泵采油（1）水力活塞泵井设备与工作原理（2）水力活塞泵井生产参数优化设计（3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断5图4-8 开式水力活塞泵采油系统液马达一、水力活塞泵井设备与工作原理高压泵机组高压控制管汇动力液处理装置计量装置地面管线井口抽油泵滑阀控制机构系统组成油井装置地面流程水力活塞泵井下机组井下器具管柱结构6工作原理：动力液地面加压；油管或专用动力液管输送；动力液被传至井下液马达处；滑阀控制机构换向；动力液驱动液马达；液马达做往复运动；液马达通过活塞杆带动抽油泵做往复运动；原油被增压举升。适应条件主要缺点：油层深度与排量范围大；含蜡；稠油；井斜。(1)机组结构复杂，加工精度要求高；(2)地面流程大，投资高(规模效益)；78(2)按动力液循环分类(3)按动力液性质分类水力活塞泵采油系统类型分类：(1)按系统井数分类单井流程系统；多井集中泵站系统；大型集中泵站系统。闭式循环方式：乏动力液不与产出液混合。开式循环方式：乏动力液与产出液混合。原油动力液水力活塞泵采油系统水基动力液水力活塞泵采油系统9(4)按井下泵的安装方式分类固定式安装：整个泵随油管下入井内，优点是泵径大、排量大，缺点是起泵必须起油管。插入式安装：泵工作筒随大直径油管下入井内，而沉没泵机组则用小直径油管下入，插到泵工作筒内。投入式安装：又分单管封隔式和平行管柱式，泵工作筒随油管下至井底，沉没泵机组则从油管中投入，使用液力下泵和起泵，优点是起下泵方便，缺点是泵径受到限制，排量较小。最常用的三种水力活塞泵抽油装置(1)开式循环单管封隔器投入式水力活塞泵采油系统；(2)闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵采油系统；(3)开式循环平行管柱投入式水力活塞泵采油系统。平行旁通管为乏动力液的流道。平行管通到封隔器下部，以排放封隔器下部聚集的气体。1011图4-8 开式水力活塞泵采油系统图4-9 闭式水力活塞泵采油系统12水力活塞泵井下机组(1)液马达：将动力液的压能转换为机械能带动泵工作。(2)泵：将液马达传递给它的机械能转换成液体的压能，用来提高油层产出液的压能。(3)主控滑阀：利用液压差动原理控制液马达和泵柱塞做往复运动的换向控制机构。单作用泵工作原理示意图13(一)单作用泵工作原理下冲程：主控制滑阀位于下死点，如图4-12a所示。这时，高压动力液从中心油管经过通道a。进入液马达下缸，作用在活塞下面的环形面积上。同时，高压动力液还经过通道b 进入腔室c，再由通道d进入液马达上缸，作用在液马达活塞上面的全面积上。单作用泵工作原理示意图14(一)单作用泵工作原理因此，液马达活塞上、下两面都作用有动力液的高压，但由于它上面的面积大于下面的面积，所以上面的总压力大于下面的总压力，就是在这个压力差作用下，液马达进行下冲程。由于液马达活塞和泵活塞用一个活塞杆相连，前者的下冲程必然引起泵活塞的下冲程。此泵是和一般抽油泵结构相同的单作用泵，因此，下冲程时，固定阀(吸入阀)关闭，而游动阀(排出阀)打开，抽油泵排出下冲程中被吸入泵内的油层产出液。随着液马达活塞的下冲程继续进行，活塞杆继续往下。单作用泵工作原理示意图15活塞杆实际上是一个辅助控制滑阀，在杆身的上部和下部开有控制槽e和f。当活塞杆接近下死点时，它的上部控制槽e沟通了主控制滑阀上、下端的腔室c和g，使高压动力液由控制槽e进入主控制滑阀下端腔室g。单作用泵工作原理示意图16由于主控制滑阀上端面的面积小于下端面的面积，在同样的高压动力液作用下，下面的总压力必然大于上面的总压力，所以使主控制滑阀推向上死点。这时，就开始进行上冲程。单作用泵工作原理示意图17上冲程：主控制滑阀位于上死点，如图4-12b所示。这时，高压动力液从中心油管经过通道a进入液马达下缸。由于主控制滑阀位于上死点，堵塞了通道b，使高压动力液不能象下冲程一样由通道d进入液马达上缸。单作用泵工作原理示意图18这时，液马达上缸经过通道d、主控制滑阀中部的环形空间h和抽取的油层产出液相沟通。因此，液马达的上缸充满低压油层产出液，而下缸仍然作用有高压动力液。单作用泵工作原理示意图19这时，在压力差的作用下，液马达的活塞进行上冲程。上缸中工作过的乏废动力液和抽取的油层产出液相混合后，提升到地面。上冲程时，抽油泵的游动阀关闭，固定阀打开，进行吸油过程。随着上冲程的进行，活塞杆继续往上。单作用泵工作原理示意图20当活塞杆接近上死点时，它下部的控制槽f使主控制滑阀的下腔室和抽取的原油相沟通。单作用泵工作原理示意图21这时，在主控制滑阀上端面作用有高压动力液，下端面作用的是低压的油层产出液。在这个压力差作用下，主控制滑阀就往下运动到下死点。这样，就使液马达重新开始转入下冲程。单作用泵工作原理示意图2223(二)井下机组工作参数计算在水力活塞泵井的设计中，应根据油井的生产和地质情况，确定基本参数计算的内容，它包括以下几项：在液马达处和地面井口处所需的动力液压力；动力液的流量；水力活塞泵的排量、功率和效率。P1-驱动液马达的压力P2-泵排出压力P3-泵吸入压力P4-乏动力液排出压力q1-动力液流量qsc-泵排量ps-井口动力液压力ppr-闭式乏动力液井口压力pwh-产出液井口压力Ae-液马达活塞的截面积Ap-泵柱塞的截面积，Ar-活塞杆截面积。图4-13 闭式与开式动力液压力分析系统24图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力 25图4-14表示了一种双作用水力活塞泵在上、下冲程中的压力作用简图。根据在各截面积上的力的平衡可得到水力活塞泵井下机组的压力平衡方程。图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力26以上冲程为例进行分析。向下作用的力：P Ar +P4(Ae Ar)+P2(Ap Ar)+Fr1其中，Fr为机组的摩擦力。向上作用的力：1 1P(Ae Ar)+P3(Ap Ar)+P Ar以向上作用力为正，根据力的平衡可得到机组上下的压力平衡式：1(P P4)(Ae Ar)(P2 P3)(Ap Ar)Fr =0或1 Pr =0Ap ArAe ArP P4 (P2 P3)（4-13）图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力27令EPAp ArAe Ar=泵与马达柱塞的纯截面积比，对于双作用泵也等于泵与马达排量比。则（4-13）式可写为：1 Pr =0EP P4 (P2 P3)P（4-14）图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力28图4-14 作用在Kobe式A泵上的压力29方程（4-14）是水力活塞泵油井设计与分析的基本方程。利用动力液的单相管流和产出液的多相管流公式就可建立井下与井口压力和排量等的关系。1 Pr =0EP P4 (P2 P3)P（4-14）30主要内容 8水力活塞泵采油（1）水力活塞泵井设备与工作原理（2）水力活塞泵井生产参数优化设计（3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断31二、水力活塞泵井生产参数优化设计(2)决定开式或闭式系统；(3)决定油井气体全部泵出，还是放气；(4)选择合适的井下装置；(5)系统工况参数确定；(6)决定建设泵站还是单井系统；井筒流体物性分布下泵深度井筒压力分布井筒温度分布动力液排量泵效功率与举升效率(7)选择地面泵组；(8)设计动力液系统。(1)油井产能分析；32根据需要的泵排量和下图确定泵型图3-18 国产水力活塞泵举升能力曲线1-长冲程双作用泵；2-平衡式单作用泵；3-双液马达双作用泵；4-变压力比单作用泵33井下机组径向尺寸的确定水力活塞泵井下机组的径向尺寸受到油井直径的限制，特别是对于自由安装式水力活塞泵。油管2in2 1/2 in井下机组的外径 47.5mm 58.5mm由干井下机组径向尺寸很小，所以给水力活塞泵的结构设计带来许多特殊要求。34冲程长度和冲程次数的选择在井下机组径向尺寸很小的条件下，为了保证一定的排量，必须尽可能增加活塞的冲程长度和冲程次数。冲程长度的增加主要受到机组中高精度同心部件的结构工艺性、细长活塞杆的纵向稳定性、工作部件和泵阀的耐久性以及方便等因素的限制。对于自由安装式水力活塞泵，当冲程长度达1m时，它的总长应为55.5m左右。井下机组的长度过大会使起下操作和运输复杂化。实践证明，对于自由安装式井下机组，冲程长度等于1m或少些，基本就能满足工艺要求。对于固定安装式井下机组，根据使用要求的不同，可采用较大的活塞冲程长度。一般情况下，冲程长度可选择在0.41m之间。35冲程次数的增加受到井下机组的使用寿命及泵缸充满系数的限制，泵缸的充满系数取决于油井中原油粘度和机组的沉没度一般的冲程次数在4085次/min范围内变化对于科贝公司生产的井下机组，冲程和冲次之间关系可由下式确定：236泵活塞、液动机活塞以及活塞杆直径比值的确定根据给定的机组工作参数，正确地选择泵活塞、液动机活塞以及活塞杆直径比值是设计计算的重要问题之一。泵活塞和液动机活塞的直径比值，一方面取决于下泵深度，即下泵深度愈大比值愈小；另一方面又受到地面动力泵排出压力的限制。泵活塞直径=d管/1.75，d管/2，d管/2.5液动机活塞直径=d管/2活塞杆直径=d管/43738液动机活塞的速度调节和冲程换向一般不需要经常改变井下机组的工况或活塞组的平均速度。为了调节液动机活塞的平均速度，只要改变进入液动机的动力液流量即可，而动力液流量的改变可采用容积调节和节流两种方法。容积调节用作粗略调节，利用选择相应排量的地面动力泵或进行地面动力泵排量的有级调节（换柱塞直径或变冲程次数），它的优点是无功率损失。39节流调节用作准确调节，在地面动力泵的排出管线上装节流阀，用以改变动力液的流动阻力，将多余的液量引回地面动力泵的吸入管线，同时利用稳压器维持节流阀中的压力降不变，使活塞平均速度稳定。节流调节法的优点是安装和使用方便，缺点是引起功率损失和装置总效率的降低。因此应该设法使准确调节时多余的液量最小，在这方面成组驱动比单独驱动优越得多。40液动机活塞的冲程换向是由控制滑阀来实现的。控制滑阀是井下机组最重要的部件，它的正确设计在很大程度上决定了井下机组的效率和寿命。控制滑阀应满足下列五点要求：（1）保证液动机活塞的无冲击换向；（2）保证换向的活塞组能到达极限位置（冲程长度的计算值），最大限度地利用液动机和泵的工作容积和尽可能地减少余隙容积；（3）使活塞组的工作循环能保证自动作用的泵阀关闭滞后最小和冲击最小；（4）尽量缩短换向时间和减少功率损失；（5）当液动机活塞和滑阀在任一位置时，保证液动机及时启动。41当液动机活塞换向时，它的速度调节是利用主滑阀对进、出液动机的动力液进行节流来达到的。为了保证无冲击换向，必须使主滑阀运动提前，即比液动机活塞到达死点时有一定的提前值，把动力液引入或放出主滑阀腔室。因此，当液动机活塞接近一个死点时，主滑阀就开始堵塞动力液引入（或放出）液动机的通孔，增加液流阻力，减少液流流量，使液动机活塞速度减慢，直到液动机通孔完全被堵塞，液动机活塞就完全停止。42液动机的加速由于主滑阀逐步打开通孔而进行得很平稳。液动机活塞制动和加速的平稳性给泵阀的开关创造了有利条件。液动机活塞的加速制动段所需的时间和路程可分别进行计算。液动机活塞速度的变化规律取决于主滑阀腔室的通孔形状和主滑阀的速度，后者有时作成随位移能平滑地或有级地减小。假如活塞组的质量较大和速度较大，为了使其在换向前能平滑地制动，在液动机缸体的死点附近装有缓冲装置。43主滑阀的控制是由辅助滑阀或活塞杆来实现的，后者和液动机活塞刚性联接，辅助滑阀控制主滑阀的冲程换向和动力液进入主滑阀腔室的提前值，它也是用节流调节主滑阀的速度，利用在辅助滑阀或活塞杆的不同区段上采用不同断面的节流槽，就可使主滑阀获得一定的速度变化规律。44由于地面泵和整个液压系统的强度条件，动力液的压力不能超过一定数值。在选择活塞杆直径比值时，必须特别注意它的强度，因为活塞杆的强度实际上限制了井下机组的活塞所能承受的载荷数值。45结构设计中的几个特殊问题1.元件的密封问题；2.连接件的同心度问题；3.油管柱强度问题。46主要内容 8水力活塞泵采油（1）水力活塞泵井设备与工作原理（2）水力活塞泵井生产参数优化设计（3）水力活塞泵采油生产管理与故障诊断47目前，有以下对水力活塞泵进行工况诊断的方法：一、直观分析判断法直观分析判断法能够作出比较准确的定性判断和大体的定量分析，对水力活塞泵采油井的管理十分必要。但该方法一直停留在人工观察井口动力液压力变化，凭经验进行工况诊断的水平，由于各人经验的相互差异，增大了分析诊断结果的误差，导致盲目起换泵的工作量的增加而影响油井产量，因此这种方法远远不能满足水力活塞泵生产现代化管理水平的需要。48二、压力系统分析法水力活塞泵采油井的工况可以采用压力系统分析（即节点分析）法来进行诊断。为了得出比较精确的定量分析数据，需要编制程序进行什算，其核心是计算泵吸入压力P4。对于开式系统49对于闭式系统计算出P4后，可计算出油层中部压力和生产压差，同时能够分析判断泵效、泵深和工作参数是否合理以及油井的生产潜力。50三、对比分析法该方法是对水力活塞泵泵内压力分布进行分析，总结出液马达活塞理论运动规律，根据多口油井测试、检泵对比资料，整理得出几种在矿场上常见的典型工况模版。应用计算机采集井口动力液压力和流量随时间的变化曲线，对比典型工况模版，进行泵况诊断分析。END