CN101881154B

CN101881154B - 一种机械采油试验平台

Info

Publication number: CN101881154B
Application number: CN 201010217034
Authority: CN
Inventors: 钟功祥; 吕治忠; 彭彩珍; 赵廷胜
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2010-07-05
Filing date: 2010-07-05
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2030-07-05
Also published as: CN101881154A

Abstract

本发明涉及用于油田采油的一种机械采油试验平台，可模拟机械采油系统的工况和工作行为。本发明一种机械采油试验平台，由实验台架、供排流体系统、测控系统三部分组成，所述实验台架主要由抽油机、井筒胎架、井筒总成、抽油杆、冲程损失模拟器、支架等组成；所述供排流体系统主要由储液罐、供液泵、往复泵变频器、供气泵、储气罐、气液分离器、井筒流体输入管线、抽油泵、液体溢流管线组成；所述测控系统由抽油机控制箱、液体流量计、气体流量计、温度变送器、压力变送器、往复泵变频器组成。本发明可实现抽油系统气液两相供排液工况模拟和机械采油系统的工作行为模拟，为机械采油设备结构和性能研究提供很好的实验技术手段。

Description

一种机械采油试验平台

技术领域

本发明涉及用于油田采油的一种机械采油试验平台，可模拟机械采油系统的工况和工作行为，用于机械采油系统的实验研究。

背景技术

机械采油是油田采油的主要方式，占油田采油井的90％以上，提高机械采油系统工作效率和可靠性对提高油田生产经济效益和管理水平有极为重要的作用。而机械采油系统结构复杂，影响其工作效率的因素多，为确保现场机械系统安全高效工作，一方面应研制或改进出具有高效、高可靠性能的机抽设备(包括抽油机、抽油泵、井下气液分离器等设备)，另一方面，应对机械采油系统进行深入研究，研制出现场实用的控制设备对机抽系统进行自动控制，以确保系统能协调工作。长期以来，由于缺乏多功能的机抽试验平台，人们都是凭经验研制或改进机机械采油设备，将设计或改进后的机械采油设备直接用于现场。显然这种方式研制或改进后的机械采油设备不仅不能保证单个设备安全高效工作，也不能保证系统安全高效工作。

目前，国内仅建有结构简单、功能单一机械采油试验平台。由于现有机械采油试验平台没有同时具有真实模拟抽油系统运动规律、真实摸拟井筒内气液两相流状况、模拟抽油杆柱弹性变形、模拟高的供排流体压力、长冲程模拟、井筒及井筒内设备为全尺寸模拟、井筒从0度到90度任意角度模拟，因而现有机械采油试验平台不能满足研制或改进具有高效、高可靠性能的机械采油设备和实用的控制设备的要求。为此，需要研究一种功能完善的机械采油试验平台，为高校和研究院所从事机械采油设备研究提供强有力实验技术手段。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种机械采油试验平台，可模拟机械采油系统的工况和工作行为，用于机械采油系统的实验研究。

本发明的技术方案是：本发明一种机械采油试验平台，由实验台架、供排流体系统、测控系统三部分组成，通过三部分系统相结合，实现抽油系统气液两相供排液工况模拟和直井、定向井(水平井)机械采油系统的工作行为模拟，同时可测试抽油系统效率、抽油机悬点载荷、悬点位移、供排流体压力、温度、流量等参数，并对测试数据进行实时处理和再现。

所述实验台架由抽油机、抽油钢绳、悬绳器、定滑轮、井筒胎架、井筒总成、抽油杆、冲程损失模拟器、下行力钢绳、支架、电动葫芦、重块、导轨、滚轮组成。井筒总成固定在井筒胎架上，通过固定在支架上的电动葫芦起降井筒胎架的一端，实现井筒总成从水平到垂直不同角度的变化；所述井筒胎架两端均有滚轮，可使井筒总成在支架上的垂直导轨和水平导轨上移动，通过链接销可使井筒胎架固定在支架水平导轨上，从而使井筒总成固定于某一预定角度；由此摸拟机械采油系统的井筒从水平到垂直任意角度的井况。所述抽油机通过悬绳器、抽油钢绳、支架水平导轨上的定滑轮、井筒胎架上的定滑轮与冲程损失模拟器、抽油杆、与抽油泵柱塞连接，从而将抽油机动力和运动规律传递给抽油泵；所述抽油杆是通过冲程损失模拟器与抽油钢绳连接的，当抽油机悬点移动一定距离，抽油泵柱塞上流体压力全部传到抽油机悬点上时，抽油泵柱塞才开始随抽油机悬点一起运动，从而实现抽油杆冲程损失模拟(调节冲程损失模拟器内弹簧变形量即可模拟不同冲程损失长度)；抽油杆通过下行钢绳、井筒胎架上定滑轮、支架上定滑轮连接(与模拟下泵深度抽油杆相当重量的)重块，重块随抽油杆往复运动，从而模拟了抽油杆柱重量；井筒采用全尺寸套管，井筒内装有全尺寸油管、抽油泵和气液分离器，从而实现井下设备全尺寸模拟。

所述供排流体系统由储液罐、供液泵(往复式柱塞泵)、供气泵(螺杆式空气压缩机)、储气罐、节流阀、闸阀、单流阀、调压阀、溢流阀、气液分离器、供气管线、供液管线、井筒流体输入管线、套管、抽油泵、油管、油管流体出口管线、套管流体出口管线、液体溢流管线组成。所述供液泵抽取储液罐内的液体，加压后输入供液管线；所述供气泵加压空气后输入供气管线，经气液混合器混合后的气液两相流体经井筒流体输入管线输入井筒；进入井筒的气液两相流体一部分被抽油泵抽入油管，另一部分将通过油套环空套管流体出口管线回输到储液罐；从油管排出的气液两相流体进入气液分离器，分离出来的液体和气体计量后一并流入储液罐，气体通过储液罐出气管排出。由此摸拟机械采油系统的供排流体工况。所述的供排流体系统实现不同供液量和不同气液比的井筒流体模拟、不同下泵深度模拟、不同泵沉没度模拟。

所述测控系统由抽油机控制箱、液体流量计、气体流量计、温度变送器、压力变送器、往复泵变频器组成。采用温度变送器、压力变送器测试供液管线、供气管线、井筒输入管线、套管排出和油管排出流体的温度、压力，气体流量计和液体流量计测试供气管线、供液管线和油管排出流体的气体流量和液体流量，抽油机控制箱里的电流电压传感器测试抽油机输入电流和电压，示功仪测试悬点载荷和位移，变频器控制抽油机转速，实现供液和供气的流量、温度、压力测量，套管和油管排出流体的温度、压力测量，油管排出的气体流量和液体流量测量，抽油机输入电压和电流测量，抽油机悬点载荷和位移的测试，并将各位置传感器测试的流量、压力、温度、电流、电压、位移、载荷、冲次的信号都传输至控制台计算机中进行处理和显示；测控系统实现对抽油机和供液泵的冲次控制。供液和供气流量、温度、压力的测量通过安装在供液和供气管线上的液体流量计、气体流量计、压力变送器、温度变送器测量；套管和油管排出温度、压力测量通过安装在套管和油管排出管线上的压力变送器、温度变送器测量；油管排出的气体流量和液体流量测量首先通过安装在油管排出管线上的气液分离器将油管排出气液两相流体分离成气体和液体，再通过安装于气液分离器液体出口和气体出口上的液体流量计和气体流量计测量；抽油机输入电压和电流测量通过安在抽油机控制箱里的变频器输入端的电流和电压传感器测量；抽油机悬点载荷和位移通过抽油机示功仪测试；测控系统通过抽油机控制箱、往复泵变频器对抽油机和供液泵冲次控制。

本发明的优点和有益效果有：

1、本发明一种机械采油试验平台，由实验台架、供排流体系统、测控系统三部分组成。通过三部分系统相结合，可真实模拟机械采油系统的工况和工作行为；实现从水平到垂直不同角度的井筒模拟；实现抽油系统动力传递和运动规律模拟；实现抽油杆柱重量和抽油杆弹性变形引起的抽油泵冲程损失模拟；实现井筒和井下设备为全尺寸模拟；实现不同液量、不同气量和不同气液比的井筒流体模拟；实现不同下泵深度模拟；实现不同泵沉没度模拟。

2、可测试抽油系统效率、抽油机悬点载荷、悬点位移、供排流体压力、温度、流量等参数，并对测试数据进行实时处理和再现。

3、本发明试验平台具有供液供气量大、供液供气压力高、排出流体压力高、抽油机冲程大等特点，能真实模拟现场机械采油系统工况和工作行为。主要技术参数为：(1)最大供液流量：52m³/d；(2)最大供气量：43200m³/d；(3)最大供液压力：15MPa；(4)最大供气压力：1.3MPa；(5)最大供气液混合流体压力：1.3MPa；(6)最大排出压力：10MPa；(7)最大功率：255kW；(8)抽油机参数：冲程：2.5、2.1、1.7m，冲次：5、7、9，悬点载荷：6×10⁴N；(9)抽油泵参数：泵径：44m，冲程：3m；(10)套管：7英寸标准套管，油管：2.5英寸；(11)台架总体尺寸(长×宽×高)：24.7m×3.8m×23.1m；

本发明试验平台可为机械采油设备及系统的结构和性能研究提供很好的实验技术手段，满足高校和科研院所研究机械采油设备及系统的需要。利用本发明试验台可缩短开发机械采油系统设备、控制和管理开发周期，同时可提高开发产品的可靠性和成功率。

附图说明

图1是本发明一种机械采油试验平台的实验台架示意图；

图2是本发明一种机械采油试验平台的供排流体系统流程图。

图中，1.抽油机，2.抽油钢绳，3.定滑轮，4.定滑轮，5.井筒胎架，6.井筒总成，7.定滑轮，8.抽油杆，9.冲程损失模拟器，10.下行力钢绳，11.定滑轮，12.定滑轮，13.支架，14.电动葫芦，15.定滑轮，16.重块，17.水平导轨，18.垂直导轨，19.悬绳器，20.抽油机控制箱，21.储液罐，22.闸阀，23.供液泵，24.供气泵，25.储气罐，26.节流阀，27.供气管线， 28.供液管线，29.液体流量计，30.气体流量计，31.单流阀，32.单流阀，33闸阀，34.气液混合器，35.闸阀，36.井筒流体输入管线，37.套管，38.抽油泵，39.套管出口，40.油管，41.井口，42.油管出口，43.井下气液分离器，44.井筒流体入口，45.油管流体出口管线，46.套管流体出口管线，47.闸阀，48.闸阀，49.调压阀，50.溢流阀，51.气液分离器，52.液体流量计，53.气体流量计，54.闸阀，55.调压阀，56.液体溢流管线，57.闸阀，58.节流阀，59.往复泵变频器，60.滚轮，61.滚轮，62.温度变送器，63.压力变送器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作具体描述：

在图1、图2中，本发明一种机械采油试验平台，由实验台架、供排流体系统、测控系统三部分组成，通过三部分系统相结合，实现抽油系统气液两相供排流体工况模拟和直井、定向井(水平井)机械采油系统的工况和工作行为模拟，同时可测试抽油系统效率、抽油机悬点载荷、悬点位移、供排流体压力、温度、流量等参数，并对测试数据进行实时处理和再现。

所述实验台架由抽油机1、抽油钢绳2、悬绳器19、第一定滑轮3、第二定滑轮4、第三定滑轮7、第四定滑轮11、第五定滑轮12、第六定滑轮15、井筒胎架5、井筒总成6、抽油杆8、冲程损失模拟器9、下行力钢绳10、支架13、电动葫芦14、重块16、水平导轨17、垂直导轨18、第一滚轮60、第二滚轮61组成。井筒总成6固定在井筒胎架5上，通过固定在支架13上的电动葫芦14起降井筒胎架5的一端，实现井筒总成6从水平到垂直不同角度的变化；所述井筒胎架5两端有第一滚轮60和第二滚轮61，可使井筒总成6在支架13上的垂直导轨18和水平导轨17上移动，通过链接销可使井筒胎架5固定在支架13水平导轨17上，从而使井筒总成6固定于某一预定角度；由此摸拟机械采油系统的井筒从水平到垂直任意角度的井况。所述抽油机1通过悬绳器19、抽油钢绳2、支架水平导轨17上的第一定滑轮3，井筒胎架上的第二定滑轮4和第四定滑轮11、冲程损失模拟器9、抽油杆8，与抽油泵38的柱塞连接，从而将抽油机1动力和运动规律传递给抽油泵38。所述抽油杆8是通过冲程损失模拟器9与抽油钢绳2连接的，当抽油机1悬点移动一定距离，抽油泵38柱塞上流体压力全部传到抽油机1悬点上时，抽油泵38柱塞才开始随抽油机1悬点一起运动，从而实现抽油杆冲程损失模拟(调节冲程损失模拟器9内弹簧允许变形量即可模拟不同冲程损失长度)。抽油杆8通过下行力钢绳10、井筒胎架5上第三定滑轮7和第五定滑轮12、支架上第六定滑轮15连接(与模拟下泵深度抽油杆相当重量的)重块16，重块16随抽油杆8往复运动，从而模拟了抽油杆柱重量。井筒总成6由全尺寸套管37、油管40、抽油泵38、井口41和井下气液分离器43组成，从而实现井下设备全尺寸模拟。

所述供排流体系统由储液罐21、供液泵23、供气泵24、储气罐25、气液混合器34、第一节流阀26、第二节流阀58、第一闸阀22、第二闸阀33、第三闸阀35、第四闸阀47、第五闸阀48、第六闸阀54、第七闸阀57、第一单流阀31、第二单流阀32、第一调压阀49、第二调压阀55、溢流阀50、气液分离器51、供气管线27、供液管线28、井筒流体输入管线36、套管37、抽油泵38、油管40、油管流体出口管线45、套管流体出口管线46、液体溢流管线56组成。所述供液泵23抽取储液罐21内的液体，加压后输入供液管线28；所述供气泵24加压空气后输入供气管线27，经气液混合器34混合后的气液两相流体经井筒流体输入管线36输入井筒总成6内；进入井筒总成6的气液两相流体一部分被抽油泵38抽入油管40，另一部分将通过油管40与套管37之间环空、套管流体出口管线46回流到储液罐21；从油管40排出的气液两相流体进入气液分离器51，分离出来的液体和气体计量后一并流入储液罐21，气体通过储液罐21出气管排出；由此摸拟机械采油系统的供排流体工况。所述供排流体系统实现不同供液量和不同气液比的井筒流体模拟、不同下泵深度模拟、不同泵沉没度模拟。

在图1、图2中，所述测控系统由抽油机控制箱20、第一液体流量计29、第二液体流量计52、第一气体流量计30、第二气体流量计53、温度变送器62、压力变送器63、往复泵变频器59组成。温度变送器62、压力变送器63测试供气管线27、供液管线28、井筒流体输入管线36、油管流体出口管线45和套管流体出口管线46中的流体温度、压力；第一气体流量计30、第二气体流量计53和第一液体流量计29、第二液体流量计52测试供气管线27、供液管线28和油管出口管线45的气体流量和液体流量；抽油机控制箱20中的电流、电压传感器测试抽油机输入电流和电压；变频器控制抽油机的转速；供液和供气流量、温度、压力是通过安装在供液管线28和供气管线27上的液体流量计29、气体流量计30、压力变送器63、温度变送器62测量；套管37和油管40排出流体的温度、压力是通过安装在套管流体出口管线46和油管流体出口管线45上的压力变送器63、温度变送器62测量；油管40排出的气体流量和液体流量的测量，首先通过安装在油管流体出口管线45上的气液分离器51将油管排出的气液两相流体分离成气体和液体，再通过安装于气液分离器液体出口和气体出口上的液体流量计52和气体流量计53测量；抽油机1输入电流和电压是通过安在抽油机控制箱20里的变频器输入端的电流和电压传感器测量；抽油机1悬点载荷和位移通过抽油机示功仪测试；所述抽油机1和供液泵23冲次通过抽油机控制箱20、往复泵变频器59调节。各位置传感器测试的流量、压力、温度、电流、电压、冲次等信号都传输至控制台计算机中进行处理和显示。

Claims

1.一种机械采油试验平台，由实验台架、供排流体系统、测控系统三部分组成，其特征在于：所述实验台架由抽油机(1)、抽油钢绳(2)、悬绳器(19)、第一定滑轮(3)、第二定滑轮(4)、第三定滑轮(7)、第四定滑轮(11)、第五定滑轮(12)、第六定滑轮(15)、井筒胎架(5)、井筒总成(6)、抽油杆(8)、冲程损失模拟器(9)、下行力钢绳(10)、支架(13)、电动葫芦(14)、重块(16)、水平导轨(17)、垂直导轨(18)、第一滚轮(60)、第二滚轮(61)组成；其中，第一定滑轮(3)、支架(13)固定于水平导轨(17)上；第六定滑轮(15)、垂直导轨(18)、电动葫芦(14)固定于支架(13)上；第二定滑轮(4)、第三定滑轮(7)、第四定滑轮(11)、第五定滑轮(12)、井筒总成(6)、第一滚轮(60)、第二滚轮(61)固定于井筒胎架(5)上；冲程损失模拟器(9)与抽油杆(8)连接；抽油机(1)通过悬绳器(19)、抽油钢绳(2)、第一定滑轮(3)、第二定滑轮(4)、第四定滑轮(11)、冲程损失模拟器(9)与抽油杆(8)连接；重块(16)通过下行力钢绳(10)、第六定滑轮(15)、第五定滑轮(12)、第三定滑轮(7)与抽油杆(8)连接；井筒总成(6)固定在井筒胎架(5)上，通过固定在支架(13)上的电动葫芦(14)起降井筒胎架(5)的一端，实现井筒总成(6)从水平到垂直不同角度的变化；所述井筒胎架(5)两端有第一滚轮(60)和第二滚轮(61)，可使井筒总成(6)在支架(13)上的垂直导轨(18)和水平导轨(17)上移动，通过链接销可使井筒胎架(5)固定在支架(13)水平导轨(17)上，从而使井筒总成(6)固定于某一预定角度，由此摸拟机械采油系统的井筒从水平到垂直任意角度的井况；所述供排流体系统由储液罐(21)、供液泵(23)、供气泵(24)、储气罐(25)、气液混合器(34)、第一节流阀(26)、第二节流阀(58)、第一闸阀(22)、第二闸阀(33)、第三闸阀(35)、第四闸阀(47)、第五闸阀(48)、第六闸阀(54)、第七闸阀(57)、第一单流阀(31)、第二单流阀(32)、第一调压阀(49)、第二调压阀(55)、溢流阀(50)、气液分离器(51)、供气管线(27)、供液管线(28)、井筒流体输入管线(36)、套管(37)、抽油泵(38)、油管(40)、油管流体出口管线(45)、套管流体出口管线(46)、液体溢流管线(56)组成；其中，储液罐(21)、第一闸阀(22)、供液泵(23)、供液管线(28)、第一单流阀(31)依次连接，供液管线(28)再与第二节流阀(58)、第七闸阀(57)、液体溢流管线(56)依次连接构成供液系统；供气泵(24)、储气罐(25)、第一节流阀(26)、供气管线(27)、第二单流阀(32)、第二闸阀(33)依次连接构成供气系统；供液系统、供气系统与气液混合器(34)连接后，再与第三闸阀(35)、井筒流体输入管线(36)、井筒流体入口(44)依次连接构成供流体系统；油管出口(42)、油管流体出口管线(45)、第五闸阀(48)、第一调压阀(49)、气液分离器(51)、第二调压阀(55)、第六闸阀(54)依次连接组成排出流体管线系统；套管出口(39)、套管流体出口管线(46)、第四闸阀(47)、溢流阀(50)依次连接组成井筒溢流管线系统；所述供液泵(23)抽取储液罐(21)内的液体，加压后输入供液管线(28)；所述供气泵(24)加压空气后输入供气管线(27)，经气液混合器(34)混合后的气液两相流体经井筒流体输入管线(36)输入井筒总成(6)内；进入井筒总成(6)的气液两相流体一部分被抽油泵(38)抽入油管(40)，另一部分将通过油管(40)与套管(37)之间环空、套管流体出口管线(46)回流到储液罐(21)；从油管(40)排出的气液两相流体进入气液分离器(51)，分离出来的液体和气体计量后一并流入储液罐(21)，气体通过储液罐(21)出气管排出；由此摸拟机械采油系统的供排流体工况；所述测控系统由抽油机控制箱(20)、第一液体流量计(29)、第二液体流量计(52)、第一气体流量计(30)、第二气体流量计(53)、温度变送器(62)、压力变送器(63)、往复泵变频器(59)组成；其中，抽油机控制箱(20)与抽油机(1)的电动机连接；5组温度变送器(62)和压力变送器(63)分别安装在供气管线(27)、供液管线(28)、井筒流体输入管线(36)、油管流体出口管线(45)和套管流体出口管线(46)上；还有一压力变送器(63)安装在气液分离器(51)排气管线上；第一液体流量计(29)安装在供液管线(28)上；第一气体流量计(30)安装在供气管线(27)上；第二液体流量计(52)安装在气液分离器(51)的排液管线上；第二气体流量计(53)安装在气液分离器(51)的排气管线上；往复泵变频器(59)与供液泵(23)的电动机连接；5组温度变送器(62)和压力变送器(63)分别测试供气管线(27)、供液管线(28)、井筒流体输入管线(36)、油管流体出口管线(45)和套管流体出口管线(46)中的流体温度、压力；第一气体流量计(30)、第二气体流量计(53)和第一液体流量计(29)、第二液体流量计(52)分别测试供气管线(27)、供液管线(28)和油管流体出口管线(45)的气体流量和液体流量；抽油机控制箱(20)中的电流、电压传感器测试抽油机(1)输入电流和电压；变频器控制抽油机(1)的转速。

2.根据权利要求1所述的机械采油试验平台，其特征在于：抽油机(1)悬点载荷和位移通过抽油机示功仪测试；抽油机(1)和供液泵(23)冲次通过抽油机控制箱(20)、往复泵变频器(59)调节；各位置传感器测试的流量、压力、温度、电流、电压、冲次信号都传输至控制台计算机中进行处理和显示。

3.根据权利要求1所述的机械采油试验平台，其特征在于：所述抽油机(1)通过悬绳器(19)、抽油钢绳(2)、支架水平导轨(17)上的第一定滑轮(3)、井筒胎架上的第二定滑轮(4)和第四定滑轮(11)、冲程损失模拟器(9)、抽油杆(8)，与抽油泵(38)的柱塞连接，从而将抽油机(1)动力和运动规律传递给抽油泵(38)；所述抽油杆(8)是通过冲程损失模拟器(9)与抽油钢绳(2)连接的，当抽油机(1)悬点移动一定距离，抽油泵(38)柱塞上流体压力全部传到抽油机(1)悬点上时，抽油泵(38)柱塞才开始随抽油机(1)悬点一起运动，从而实现抽油杆冲程损失模拟；抽油杆(8)通过下行力钢绳(10)、井筒胎架(5)上第三定滑轮(7)和第五定滑轮(12)、支架上第六定滑轮(15)连接重块(16)，重块(16)随抽油杆(8)往复运动，从而模拟了抽油杆柱重量；所述井筒总成(6)由全尺寸套管(37)、油管(40)、抽油泵(38)、井口(41)和井下气液分离器(43)组成；其中，井下气液分离器(43)、抽油泵(38)、井口(41)依次连接后，装于套管(37)中连接组成井筒总成(6)。