采油工程基本理論

采油工程基本理論員工培訓(xùn)課題：采油工程基本理論

授課對象：兼職教師

課時：4學(xué)時

授課目的：1、了解油井完成及井身結(jié)構(gòu)知識；

2、掌握抽油機、深井泵結(jié)構(gòu)組成和工作原理；

3、會解釋理論示功圖、分析典型示功圖。重點：抽油機、深井泵組成及工作原理難點：理論示功圖和典型示功圖分析主要內(nèi)容油井完成與井身結(jié)構(gòu)

引言

理論示功圖與典型示功圖抽油機與抽油泵結(jié)構(gòu)原理小結(jié)

引言

采油工程是油田開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，是從油田人工補充地下能量到人工舉升（或自噴）的采油過程。目前大部分油田采用機械采油方式。因此，了解油水井井身結(jié)構(gòu)，掌握機械采油知識是管好油水井，保障油田高效合理開發(fā)的基礎(chǔ)。

第一部分油井完成與井身結(jié)構(gòu)一．油井完成油井：是由鉆機鉆開的、用來采出原油的生產(chǎn)井。油井完成是鉆井的最后一道工序，是銜接鉆井和采油工程而又相對獨立的工程。

1.完井的概念是從鉆開油層開始，到下套管注水泥固井、射孔、下生產(chǎn)管柱、排液，直至投產(chǎn)的一項系統(tǒng)工程。2.完井方式：油層與井筒的連通方式。裸眼完井套管或尾管射孔完井襯管完井礫石充填完井（1）.裸眼完井：指在鉆開的生產(chǎn)層位不下入套管的完井方式。裸眼完井有兩種：先期裸眼完井及后期裸眼完井。裸眼完井法的優(yōu)缺點優(yōu)點：裸眼完井法的井底結(jié)構(gòu)最簡單，油層全部裸露，滲濾面積最大，完井液對產(chǎn)層的損害較小。缺點：不能進(jìn)行分層開采，不能采取防止油層出砂措施。因此，裸眼完井法只適用于油層巖石堅硬的單一產(chǎn)層，以及裂縫性和稠油油層等產(chǎn)層。（2）.射孔完井：指鉆開生產(chǎn)層位后下入套管或尾管，再通過射孔建立油流通道。是國內(nèi)外最為廣泛和最主要使用的一種完井方式，包括套管射孔完井和尾管射孔完井。射孔完井法的優(yōu)缺點

優(yōu)點：可以對產(chǎn)層進(jìn)行選擇和調(diào)整，實現(xiàn)分層開采，因而適用于多產(chǎn)層油井。缺點：完井過程中，會對油氣層造成較大損害，滲濾面積小，油流入井阻力大，降低了油井原始生產(chǎn)能力。（3）.襯管完井是鉆頭鉆至油層頂界后，先下套管注入水泥固井，再從套管中下入直徑小一級的鉆頭鉆穿油層至設(shè)計井深。最后在油層部位下入預(yù)選割縫的襯管，依靠襯管頂部的襯管懸掛器（卡瓦封隔器），將襯管掛在套管上，并密封襯管和套管之間的環(huán)形空間，使油氣通過襯管的割縫流入井筒。（4）.礫石充填完井①直接充填先將繞絲篩管或襯管下入油層部位，然后用充填液將在地面上預(yù)先選好的礫石泵送至繞絲篩管與井眼或繞絲篩管與套管之間的環(huán)形空間內(nèi)，形成礫石充填層，阻擋油層砂流入井筒，達(dá)到保護(hù)井壁、防砂入井的目的。②預(yù)制充填在地面預(yù)先將符合油層特性要求的礫石填入具有內(nèi)外雙層繞絲篩管的環(huán)形空間而制成的防砂管，將篩管下入井內(nèi)，對準(zhǔn)出砂層位進(jìn)行防砂。

二、油水井井身結(jié)構(gòu)1.概念

井身結(jié)構(gòu)：指完鉆井深和相應(yīng)井段的鉆頭直徑、下入的套管層數(shù)、直徑和深度、各層套管外的水泥返高和人工井底等。導(dǎo)管：鉆井開始用于建立泥漿循環(huán)，保護(hù)井口附近地層，引導(dǎo)鉆頭正常鉆進(jìn)的鋼管。下入深度2—40M。套管：就是下到井內(nèi)防止井內(nèi)坍塌,保證油流暢通的鋼管。可分為表層套管、技術(shù)套管、油層套管。

表層套管：用來封隔水層；加固上部疏松易塌的不穩(wěn)定巖層；安裝防噴器等井口設(shè)備。下入深度30—150M。

技術(shù)套管：封隔油層上部難以控制的復(fù)雜地層，以便能順利地鉆達(dá)預(yù)定的生產(chǎn)目的層。

油層套管：亦稱生產(chǎn)套管，封隔油、氣、水層，保證油井的正常生產(chǎn)。2．相關(guān)技術(shù)參數(shù)1）套補距：鉆井時的方補心與套管頭的距離。2）套管深度：下入油層套管的深度。3）套管直徑：下入油層套管的公稱直徑。4）人工井底深度：完井時套管內(nèi)最下部水泥頂界面至方補心的距離。5）射開油層頂部深度：射孔井段最上部至方補心的距離。6）射開油層底部深度：射孔井段最下部至方補心的距離。3.注水井結(jié)構(gòu)是指在完鉆井基礎(chǔ)上，在井筒套管內(nèi)下入油管、配水管柱，再配以井口裝置。4.自噴井結(jié)構(gòu)是指在完鉆井基礎(chǔ)上，在井筒套管內(nèi)下入油管及喇叭口，再配以井口裝置。油管柱喇叭口5.抽油機井結(jié)構(gòu)包括井口裝置（采油樹）、地面抽油機設(shè)備、井下抽油泵設(shè)備、抽油桿、油管、套管等組成。

第二部分抽油機與抽油泵結(jié)構(gòu)原理

機械采油分類

有桿泵采油是通過地面動力設(shè)備帶動，并借助抽油桿帶動深井泵采油的一種方法。其中抽油機----深井泵采油是各油田普遍采用的采油方法。按照抽油機的結(jié)構(gòu)和工作原理不同，可分為游梁式抽油機和無游梁式抽油機。游梁式抽油機按結(jié)構(gòu)不同可分為前置式和普通式，普通式又分為常規(guī)型和異相型。普通式的支架在驢頭和曲柄連桿機構(gòu)之間．前置式支架位于游梁的一端，驢頭和曲柄連桿同位于另一端。a.常規(guī)型c.前置型b.異相型一.抽油機結(jié)構(gòu)及原理

抽油機是抽油井地面機械傳動裝置，目前國內(nèi)各油田普遍采用的是游梁式抽油機。它和抽油桿、抽油泵配合使用，能將井下原油抽到地面。由于其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、機械性能穩(wěn)定，并與井下深井泵是通過高強度的抽油桿連接，故承載能力大，且操作簡單。

抽油機抽油桿抽油泵

抽油機、抽油桿、抽油泵被統(tǒng)稱為油田的“三抽”設(shè)備。抽油泵有桿泵抽油裝置

抽油機抽油桿1.抽油機的結(jié)構(gòu)組成動力設(shè)備：主要是電動機，為抽油機提供動力。減速裝置：將電動機的高速旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲚S的低速旋轉(zhuǎn)運動。主要包括減速箱減速和皮帶傳動減速。游梁—連桿---曲柄機構(gòu)：主要包括曲柄、連桿、橫梁、游梁、驢頭等。其作用是把曲柄的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)轶H頭的上下往復(fù)運動。輔助裝置：基礎(chǔ)、底座、支架、固定螺絲等。主要作用是連接和固定抽油機各部件。主要部件的作用（1）驢頭它的作用是保證抽油時光桿始終對準(zhǔn)井口中心位置。驢頭的弧線是以支架軸承為圓心，游梁前臂長為半徑畫弧而得到。修井時可將驢頭從井口移開，方便作業(yè)．移開的方式有三種，即：側(cè)轉(zhuǎn)式、上翻式，可卸式。

(2)游梁游梁固定在支架上，前端安裝驢頭承受井下負(fù)荷，后端連接橫梁、連桿、曲柄、減速箱，傳遞電動機的動力.(3)曲柄連桿機構(gòu)曲柄連桿機構(gòu)的作用是將電動機的旋轉(zhuǎn)運動變成驢頭的往復(fù)運動。曲柄上的孔是調(diào)節(jié)沖程時用的。(4)減速箱是將電動機的高速轉(zhuǎn)動，通過三軸二級減速變成曲柄軸（輸出軸）的低速轉(zhuǎn)動，同時支撐平衡塊。（5）平衡塊平衡塊裝在抽油機游梁尾部或曲柄軸上。它的作用是：當(dāng)抽油機上沖程時，平衡塊向下運動，幫助克服驢頭上的負(fù)荷；在下沖程時，電機使平衡塊向上運動，儲存能量，在平衡塊的作用下，可以減小抽油機上下沖程的負(fù)荷差別。

(6)懸繩器它是連接光桿和驢頭的柔性連接件，還可以供動力儀測示功圖用。2.抽油機工作原理

電動機（或其它動力機）通過傳動皮帶將高速旋轉(zhuǎn)運動傳遞給減速箱的輸入軸，經(jīng)減速箱的三軸二級減速變?yōu)榍牡退傩D(zhuǎn)運動，通過曲柄連桿機構(gòu)帶動游梁作上下往復(fù)運動。游梁前端圓弧狀的驢頭經(jīng)懸繩器帶動抽油桿柱使深井泵活塞作上下往復(fù)直線運動，將井下液體抽出井筒。動力設(shè)備減速機構(gòu)

經(jīng)皮帶產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)榍S的低速旋轉(zhuǎn)運動曲柄連桿機構(gòu)抽油桿柱變?yōu)轶H頭的上下擺動經(jīng)懸繩器上下往復(fù)直線運動帶動3.游梁式抽油機型號CYJY8----3---37HB4.平衡方式特點(1)游梁平衡游梁的尾部裝設(shè)一定重量的平衡塊，平衡方式簡單，適用3噸以下的輕型抽油機。(2)曲柄平衡將平衡塊加在曲柄上，適用于10噸(也叫10型)以上重型抽油機。這種平衡方式減小了游梁平衡引起的抽油機擺動，調(diào)整比較方便。但是，曲柄上有很大的負(fù)荷和離心力。(3)復(fù)合平衡在一臺抽油機上同時使用游梁平衡和曲柄平衡。特點：小范圍調(diào)整時，可調(diào)整游梁平衡，大范圍調(diào)整時，則調(diào)整曲柄平衡塊．這種平衡方式適用于中深井。(4)氣動平衡利用氣體的可壓縮性來儲存和釋放能量達(dá)到平衡的目的，可用于10噸以上重型抽油機，這種平衡方式減少了抽油機的動負(fù)荷及震動，但其裝置精度要求高，加工麻煩。數(shù)字化彎梁變矩抽油機的機型型號CYJW10-3-37HY(S2K)表示額定懸點載荷為100kN，光桿最大沖程3m，減速器齒輪為雙圓弧齒形，額定扭矩37kN·m，第二代數(shù)字化智能控制寬底座無基礎(chǔ)彎梁變矩抽油機。二.抽油泵的結(jié)構(gòu)及原理1.抽油泵分類及結(jié)構(gòu)抽油泵也稱深井泵，是有桿泵采油的專用設(shè)備。是把機械能轉(zhuǎn)化為流體壓能的設(shè)備。下在油井井筒動液面以下一定深度，依靠抽油桿傳遞動力，將原油抽出地面。1）.抽油泵的分類按抽油泵在井內(nèi)安裝的方式不同分為管式泵桿式泵管式泵泵筒、固定閥和襯套在地面組裝好接在油管下部先下入井內(nèi)，最后再把活塞接在抽油桿柱下端下入泵內(nèi)。管式泵特點泵徑較大,排量大,適用于產(chǎn)量高、含砂多、氣量小的淺井；結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，價格低；不適用于深井，檢泵和下泵時須起出油管。桿式泵桿式泵有內(nèi)外兩個工作筒，外工作筒上端裝有錐體座及卡簧，下泵時把外工作筒隨油管先下入井中，然后把裝有襯套、活塞的內(nèi)工作筒接在抽油桿的下端下入到外工作筒中并由卡簧固定。桿式泵特點檢泵方便，起出抽油桿就可以起出泵來檢泵；泵徑小，排量低，用于產(chǎn)量低的深井。泵結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，成本高。不能用于出砂井。2）.管式泵結(jié)構(gòu)管式泵主要由泵筒、固定閥、活塞、游動閥四大部分組成。1工作筒2活塞3上凡爾4下凡爾5固定凡爾6母堵7接箍32mm,38mm,44mm,56mm,28、25mm8防沙槽9凡爾罩(1)工作筒它是由外管、襯套和壓緊接箍組成，外管內(nèi)裝有多節(jié)同心圓柱管的襯套，上、下兩端靠壓緊接箍壓緊，上接箍上連油管；下接箍下連進(jìn)油設(shè)備。(2)活塞是由無縫鋼管制成的空心圓柱體，兩頭有螺紋，活塞外表面鍍鉻并有環(huán)狀防砂槽。(3)游動閥也叫排出閥．由閥球、閥座、開口閥罩組成。單閥泵有一個游動閥，裝在活塞上端，雙閥泵有兩個游動閥，分別裝在活塞的上下端。閥球座在閥座上，上有開口閥罩。(4)固定閥也叫吸入閥，由閥座、閥球和開口閥罩組成。2.抽油泵工作原理如圖（a）所示，當(dāng)活塞上行時，游動閥受油管內(nèi)活塞以上液柱的壓力作用而關(guān)閉，并排出活塞沖程一段液體，固定閥由于泵筒內(nèi)壓力下降，被油套環(huán)形空間液柱壓力頂開，井內(nèi)液體進(jìn)入泵筒內(nèi)，充滿活塞上行所讓出的空間。

如圖（b）所示，當(dāng)活塞下行時，由于泵筒內(nèi)液柱受壓，壓力增高，而使固定閥關(guān)閉。在活塞繼續(xù)下行中，泵內(nèi)壓力繼續(xù)升高，當(dāng)泵筒內(nèi)壓力超過油管內(nèi)液柱壓力時，游動閥被頂開，液體從泵筒內(nèi)經(jīng)過空心活塞上行進(jìn)入油管。

深井泵工作原理示意圖

在一個沖程中，深井泵應(yīng)完成一次進(jìn)油和—次排油．活塞不斷運動，游動閥與固定閥不斷交替關(guān)閉和頂開，井內(nèi)液體不斷進(jìn)入工作筒，從而上行進(jìn)入油管，最后達(dá)到地面。3.理論排量和泵效

深井泵在理想情況下，活塞一個沖程可以排出的液量，在數(shù)值上等于活塞上移一個沖程時所讓出的體積。其計算公式如下：

Q理=K×S×N=1440×（πD2/4）×S×N

Q理——深井泵理論排量

K——排量系數(shù)；K=1440×F=1440×（πD2/4）

S———沖程，米；

N——沖次，次／分．

實際產(chǎn)量往往小于理論產(chǎn)量，因此泵效就是來衡量泵工作情況好壞的一個指標(biāo)。各種直徑泵排量系數(shù)是一定的，抽油井的實際產(chǎn)量與泵的理論排量的百分比叫做泵效。

η=（Q實/Q理）×100%4.影響泵效的因素泵效的高低反映了泵性能的好壞及抽油參數(shù)的選擇是否合適等。影響泵效的因素有：(1)地質(zhì)因素

1)油井出砂：砂子磨損閥球、閥座、活塞及襯套等部件，導(dǎo)致泵效降低。固定閥和游動閥砂卡或砂埋也影響泵效。

2)氣體的影響：油層能量低、供液不足或氣體過多的井，當(dāng)泵入口處的壓力低于飽和壓力時，進(jìn)入泵內(nèi)的將是油氣混合物，進(jìn)入泵內(nèi)油的體積減少，使泵效降低．另外，活塞在下死點時固定閥和游動閥之間的余隙中存在著高壓油氣混合物，在活塞上行時，油氣混合物膨脹，固定閥不能立即打開，使泵效降低。3)油井結(jié)蠟：由于活塞上行時，泵內(nèi)壓力下降，在泵的入口處及泵內(nèi)極易結(jié)蠟，使油流阻力增大．影響泵效．

4)原油粘度高：由于油稠，油流阻力大，固定閥和游動閥不易打開和關(guān)閉，抽油桿不易下行，影響泵的沖程，降低泵的充滿系數(shù)．使泵效降低．

5)原油中含腐蝕性的水和硫化氫氣體，腐蝕泵的部件，使之漏失，影響泵效。（2）設(shè)備因素泵的制造與安裝質(zhì)量，襯套與活塞配合不當(dāng)，閥球與閥座不嚴(yán)使泵效降低。（3）工作方式影響油井工作制度不合理使泵效降低。

第三部分理論示功圖與典型示功圖一、理論示功圖示功圖概念：是由動力儀測繪出的一條表示懸點載荷與懸點位移之間的關(guān)系曲線圖，曲線所圍成的面積表示抽油泵在一個沖程中所做的功。理論示功圖：是認(rèn)為抽油泵不受任何外界因素影響，泵能夠完全充滿，光桿僅承受靜載荷不考慮慣性力時所繪制的示功圖。

理論示功圖是在理想條件下繪制出來的：假定油管無漏失.泵工作正常。油層供液能力充足，泵能夠完全充滿。光桿只承受抽油桿柱與活塞以上液柱重量的靜載荷，不考慮慣性力。不考慮砂、蠟、稠油的影響。不考慮油井連噴帶抽。認(rèn)為進(jìn)入泵內(nèi)的流體是不可壓縮的，凡爾是瞬時開閉的。在這種條件下繪制出的示功圖是一個平行四邊形。

彈性抽油桿靜載時的示功圖AB線段為增載線：即驢頭從下死點A開始上行，游動閥關(guān)閉，固定閥關(guān)閉，活塞以上油管內(nèi)液柱重P液和桿重P小都作用在驢頭懸點上，并使桿(伸長)管(縮短)發(fā)生彈性變形，直到B點極限，活塞并沒有跟著光桿發(fā)生位移，而這一段變形量就稱為沖程損失，包括桿損和管損，此過程中固定閥并沒有打開。BC線段為上載荷線：即桿管彈性變形結(jié)束，載荷增至最大(P大=P液+P小)，活塞跟著光桿同步上升至上死點C，此過程中固定閥打開，泵筒進(jìn)液，井口排液，這樣上沖程完畢，開始下沖程。CD線段為卸載線：即驢頭開始下行，游動閥開始打開，固定閥開始關(guān)閉，此時懸點載荷在變小，桿管與前一過程發(fā)生相反的彈性變形，(即桿縮短、管伸長)，直至D點活塞并沒有跟著桿一起下行，其沖程損失為D′C′。DA線為下載荷線：即桿管彈性變形結(jié)束，載荷降至最小(P小)，活塞開始跟著光桿同步下行至下死點A，此過程中固定閥關(guān)閉，游動閥打開，油管進(jìn)液。圖中AD、BC均為活塞實際沖程長度，B′C、OC′為光桿實際沖程長度。二、典型示功圖

典型示功圖是指某一因素十分明顯，其示功圖形狀代表了該因素影響下的基本特征，因此典型示功圖分析是示功圖分析的基礎(chǔ)。1.泵工作正常圖形特征∶左右、上下曲線平行，接近理論示功圖。成因分析∶供液充足，沉沒度大。泵閥不漏，泵效高，出油好。

泵工作正常時的示功圖2.供液不足圖型特征∶卸載線和加載線平行，越左移說明充滿越不好，也就是供液能力越差，形成的圖形為“刀把”形。成因分析：（1）深井泵的工作制度或抽汲參數(shù)組合不合理，（2）當(dāng)砂、蠟同時堵塞了部分進(jìn)油孔道。3.氣體影響圖形特點∶卸載線成一圓弧狀。成因分析∶在抽汲過程中氣體進(jìn)入泵內(nèi)。氣鎖現(xiàn)象：如果氣體大量進(jìn)入泵筒，上沖程時氣體膨脹，全部占滿柱塞讓出的容積，固定凡爾打不開。下沖程時，氣體壓縮，但壓力仍低于游動凡爾上部壓力，游動凡爾也打不開，所以這種情況下雙凡爾均打不開，柱塞運動對氣體壓縮和膨脹，泵不排油，這種現(xiàn)象稱為“氣鎖”。4.凡爾漏失（1）固定閥（吸入部分）漏失圖形特征∶圖形的左下角變圓，右上角變尖，而且漏失越嚴(yán)重，圖形的左下角變得愈圓，右上角變得愈尖。成因分析∶固定凡爾與凡爾座配合不嚴(yán)、凡爾球被砂子刺壞或凡罩內(nèi)積有砂、蠟等臟物，使凡爾球的起落失靈等原因造成的漏失。

固定凡爾漏失的示功圖（2）游動閥（排出部分）漏失圖形特征∶卸載線與增載線陡，圖形的左下角變尖，右上角變圓。當(dāng)漏失特別嚴(yán)重時，增載線、卸載線和最大載荷線便構(gòu)成了一條向下方彎曲的圓滑弧線。成因分析∶排出閥球與閥座配合不嚴(yán)；活塞與泵的襯套配合不當(dāng)；或長期磨損使間隙變大；閥爾罩內(nèi)積有臟物、砂、蠟，使閥球起落失靈等原因造成的漏失。（3）排出閥和吸入閥同時漏失圖形特征∶在上沖程過程中，排出部分漏失起主導(dǎo)作用，使圖形左上角和右上角變圓。在下沖程過程中，吸入部分漏失起