什么是无杆泵采油？

有杆泵采油和无杆泵采油的工艺原理有什么区别?~

单螺杆是由定子和转子组成，两者的螺旋状过盈配合形成连续密封腔体，通过转子的旋转运动实现对介质的传送。
螺杆泵有两种传动方式：一种是在地面安装驱动，靠抽油杆传送动力，也就是有杆传动；第二种是在井下安装驱动，就叫无杆运动。

与驱动方式有关。地面驱动单螺杆泵采油系统需要抽油杆传递扭矩和动力，因此属于有杆采油。井下潜油电机驱动单螺杆泵采油系统不需要抽油杆，为无杆泵采油系统。

无杆泵(Rodless Pump)采油也是油田生产中常见的机械采油方式。无杆泵采油无需抽油杆柱，减少了抽油杆柱断脱和磨损带来的作业和修井费用，适用于开采特殊井身结构的油井。随着我国各大油田相继进入中后开采期，地质条件越来越复杂，无杆泵将会得到更广泛的应用。本节介绍潜油电泵、水力活塞泵、射流泵及螺杆泵采油的基础知识。

一、潜油电泵电动潜油离心泵(Electric Submersible Pump)简称潜油电泵、电潜泵或电泵，是国内外应用最广泛的无杆泵之一。地面电源通过变压器、控制屏和电缆将电能输送给井下电机，电机带动多级离心泵的叶轮旋转，将电能转换为机械能，把井中的液体举升到地面上来。

1.系统部件潜油电泵系统主要由电机、保护器、气液分离器、多级离心泵、电缆、控制屏、变压器和接线盒等部件组成，如图6-37所示。

图6-37　典型潜油电泵系统

1)电机潜油电机用于驱动离心泵，工作原理与地面电机相同。潜油电机频率60Hz时转速为3500r/min，功率范围在5.6～745.7kW内，串联使用可获得所需功率。其内充填的润滑油用于润滑，并将电机运行产生的热量传给井液，冷却电机。潜油电机必须安装在井液流过的地方。

2)保护器保护器起到连接电机与泵、隔离电机油与井液、平衡井筒和电机内的压力的作用。运行时，电机内的润滑油因温度升高而膨胀，保护器内有足够的空间储存溢出的润滑油，防止电机压力过高；油温下降、体积收缩时，保护器内的油又补充给电机。保护器外壳可作为润滑油的附加冷却面，可以罩住承受泵轴重力和各种不平衡力的止推轴承。

3)气液分离器泵吸入口气液比超过10%时，泵的特性变差，甚至发生气锁。气液分离器作为泵的吸入口，可以把进泵气量控制在泵的承受范围之内，减少气体对泵的影响。沉降式分离器只能处理气液比低于10%的井液，且分离效率低于37%。旋转式分离器能处理气液比小于30%的井液，且分离效率高达90%以上。可根据泵吸入口游离气量选择分离器，也可由分离器的能力确定泵的最小吸入压力和产量。

对于气体含量很高的井，高级气体处理装置可使气液在泵中均匀混合，像单相流一样，以防止气锁，大大提高泵的气体处理能力。

4)电缆为井下电机送电的有圆电缆和扁电缆。扁电缆用于电机和套管环形空间较小的井。电缆中可以有多股铜导线或铝导线，导线之间和导线外的绝缘层必须耐温、耐压、耐腐蚀。绝缘层外有铅护套，并以金属铠甲保护。不同型号的电缆压降不同。

5)控制屏控制屏能自动控制系统的启动和停机，具有短路、过载、欠载保护功能以及欠载延时自动启动功能，能随时测量电流和电压，跟踪系统的运行状况。变频控制屏可以在30～90Hz内任意改变井下电机的频率、转速，灵活调节泵的排量，但不会把电源瞬变传到井下。软启动功能可以减少机组的损坏。控制屏的电压在600～4900V之间。

6)变压器变压器利用电磁感应原理，将电网电压转变为井下电机和地面系统所需要的电压。

7)接线盒井口和控制屏之间必须安装一个接线盒。其作用是将沿电缆芯线上升到井口的天然气放空，防止天然气直接进入控制屏，使控制屏产生电火花时引起爆炸。

单流阀、泄油阀、扶正器、传感器和变速驱动装置等为可选附属部件。单流阀的作用是在停泵时用于保持油管柱充满流体，易于启泵，降低功率消耗；防止液体倒流使机组反转而烧毁电机，损坏轴和轴承。起泵、卸油管时，泄油阀可防止管中的液体流到地面上。泄油阀装在单流阀上方，与单流阀同时使用。扶正器使泵和电机在井内居中，以便有效冷却电机，防止电缆的摩擦和损坏。传感器用于测量井下压力和温度，便于自动控制。

2.安装方式不同安装方式的潜油电泵系统组成和用途不尽相同。

标准安装方式(图6-37)主要用于油井采油，从下至上依次是电机、保护器、气液分离器、多级离心泵及其他附属部件。标准安装方式可以让产出液从电机旁流过以冷却电机。

底部吸入口安装方式从下到上依次是吸入口、泵、排出口、保护器、电机。流体由插到井底的尾管进泵，环空排出。底部吸入口安装方式可以提高排量和效率，适用于油管摩阻大或泵径大的井。

底部排出口安装方式从下到上依次是排出口、泵、吸入口、保护器、电机。流体从油、套管环形空间进泵，由尾管排到下部层位。底部排出口安装方式适用于油田注水开发或气井排水采气。

3.离心泵工作特性井下多级离心泵由单级离心泵串联组成，是举升液体的关键部件。单级离心泵由装在泵轴上的叶轮和固定在泵壳上的导轮组成。井下多级离心泵的工作原理与地面多级离心泵相同：叶轮旋转的离心力使流道中的液体增压、加速后从出口排出，将机械能转变为流体的压能和动能。导轮的流通面积逐渐扩大，使部分动能转变成静压。流体再进入下一级叶轮、导轮。重复这一过程，直到泵的出口达到所需要的压力。

离心泵的特性是指排量、压头、功率、效率与转速的关系。排量是指泵在单位时间内输送的流体体积。压头是指单位质量流体得到的能量，也称为有效压头或扬程。功率是指电机传给叶轮的功率，称为泵的轴功率。有效功率是指泵内流体获得的功率。有效功率与泵轴功率之比为效率。泵轴单位时间内的转数叫做转速。

泵的特性曲线一般是固定转速，在相对密度为1、粘度为1mPa·s的清水中测得的，称为泵的标准特性曲线，代表单级泵的工作特性，如图6-38所示。泵吸入口气液比小于10%时，可以采用泵的标准特性曲线,否则需减少游离气进泵或采用两相泵的特性进行设计。离心泵的实际工作特性非常复杂。

图6-38　泵的标准特性曲线

由于各种因素影响，实际压头一般都低于理论压头。叶轮流道内的沿程阻力会产生水力损失；高压液体通过叶轮和导轮间隙的漏失引起容积损失；摩擦会造成机械损失。

气体占据部分泵腔空间，减少了进泵的液体。气体使流体密度下降，影响泵的功率及各种能量损失，使泵的特性变差，偏离单相液体的特性。气量太大会导致泵内流体排不出去，造成排液中断，这种现象称为气锁。停泵可使泵内气体上升以消除气锁。

当泵内流体的压力低于饱和蒸汽压时，会产生小气泡。气泡流入高压区后会冷凝和破碎，产生很大的冲击力。这种现象和水击相似，称作气蚀。气蚀会损坏泵，并使泵的工作特性变差、排量和效率下降。足够的泵吸入压力可以防止气锁和气蚀。

4.潜油电泵井管理为提高运行效率、延长系统寿命，潜油电泵必须在最高效率点附近工作；泵的额定排量和压头要与井的生产能力相协调；电机功率必须满足举升流体的需要。如果油井产能预测不准、油藏动态发生变化、选泵不当，都会使油井生产不协调，造成过载或欠载运行。应取全、取准产量、含水率、生产气油比、油压、套压、电流卡片、动液面和静液面位置等生产资料。控制合理的生产压差，保证泵高效工作。当油井产量在泵的最佳排量范围内时，应连续运转，这是潜油电泵最佳的工作制度。如果泵的排量大于油井的供液能力，可以换成小排量泵、从地面注入部分液体或利用控制屏的欠载延时再启动功能实现自动间歇生产，但频繁启动和停机会降低潜油电泵的寿命。

潜油电泵排量小、含蜡量高的油井可能会结蜡。玻璃油管防蜡、刮蜡片清蜡、热油循环清蜡、热电缆清蜡及化学清蜡等，都能保证潜油电泵井的正常生产。其中玻璃油管和加化学药剂最为有效。刮蜡片清蜡应注意下入深度。加热法会引起电缆起泡，加速电缆绝缘层老化。

为保证潜油电泵长期正常运转，少出故障，要经常对泵机组进行维护和保养。发现问题必须准确判断原因，尽快排除故障，提高潜油电泵井的运转时率，取得更好的经济效益。

二、水力活塞泵水力活塞泵(Hydraulic Pump)是靠液压传递动力的无杆抽油设备，它是从地面把高压动力液注入井内，驱动井下马达运转。马达活塞又带动泵柱塞往复运动，把机械能传给产出流体，使其获得足够的能量到达地面。系统主要由动力液罐、地面泵、控制管汇、井口控制阀和井下泵组成，如图6-39所示。

图6-39　水力活塞泵系统

A—动力液罐；B—三缸高压泵；C—控制管汇；D—井口控制阀；E—井下泵1.动力液系统地面动力液系统按管理的井数分为单井系统和中心站多井系统；按动力液排出方式分为开式和闭式系统。不同系统的设备、地面流程及处理能力不同，选择时要考虑现有设备、场地和投资成本等因素。

闭式系统中，动力液和地层流体不混合。向动力液中加化学剂的成本低，地面分离设备简单，但需要动力液返出管线。动力液不能对稠油起稀释和降粘作用。闭式系统主要用于海洋和城市。

开式系统中，动力液和地层流体混合，由同一通道返出地面，井身结构简单。热动力液可稀释粘稠的地层流体，但所加润滑、防腐、除氧等化学剂会被地层流体稀释，损耗较大。

动力液质量对系统的维修成本和使用寿命影响很大。用原油作动力液润滑性较好，地面柱塞泵的维护少，需要的化学剂少，成本低。用水作动力液对环境污染小，安全性好，但无润滑作用，易产生腐蚀和漏失，还需脱氧处理。动力液可根据现场情况和投资成本选择。

2.井下泵装置按动力液的流动方向，井下泵装置可分为正循环和反循环系统。正循环系统中动力液从装泵的油管注入，从未装泵的流动通道返出。反循环系统中动力液从未装泵的流动通道注入，从装泵的油管返出，目的是保护套管、降低摩阻。

根据安装方式，井下泵装置分为自由式和固定式。自由式装置操作简单、方便，改变动力液的流向可完成起、下泵作业。正循环动力液将泵下到井底工作，反循环起出泵维修，减少了停产时间和作业成本。将压力计装在泵下部可进行产能测试和中途测试，便于自动化管理。起泵后，能对地层进行各种措施和作业。自由式装置的井下泵的直径受油管尺寸限制。固定式装置的井下泵安装在油管底部，泵的直径不受油管尺寸限制，但检泵、换泵时必须起、下油管。固定式装置主要用于高产井。

按完井方式，井下泵装置分为套管式和平行式。套管式装置用于开式动力液系统中，油、套环形空间作为流动通道。如果气量太大，可在环空中加装排气管。大套管中可用同心管插入式套管装置，两油管间的环空做流动通道，外油管和套管的环空排放气体。平行式装置在开式系统中是采用两根平行油管完井；闭式系统还要添加动力液排出管。气体从油管外、套管内的通道排出。平行式装置主要用于需排放气体、保护套管或套管已经损坏的井。

与地面动力液系统相对应，井下装置也分为开式和闭式。目前，常用套管自由式正循环开式动力液系统装置和平行自由式正循环开式动力液系统装置。

3.工作原理井下水力活塞泵包括马达和泵以及连接它们的空心活塞杆。马达和泵可以有多个。单作用泵仅在上冲程或下冲程向地面排液，双作用泵在上冲程和下冲程都向地面排液。图6-40所示为单作用井下泵装置。

图6-40　单作用井下泵装置

注入井中的高压动力液驱动水力活塞泵上的马达往复运动，将高压势能转变为机械能。马达驱动泵，又将机械能转变为液体的静压，使产出液具有足够的能量流到地面上来。

马达由马达缸套、马达活塞、马达阀、阀杆和马达排出口组成。下冲程中马达阀向下，高压动力液进入马达活塞的上腔，活塞下腔的低压动力液从马达排出口排出。下冲程末，马达阀向上换位，动力液反向流动。上冲程中，高压动力液进入马达活塞下腔，马达活塞上腔的低压动力液排出。上冲程末，马达阀向下换位，动力液倒流，开始下一个循环。

马达阀也称为倒向阀，在各个交替的半冲程中，改变动力液的流向。马达阀通过换位交替地将动力液注入马达活塞的上、下腔，推动马达活塞往复运动，带动泵柱塞运动。

泵的主要部件是缸套、柱塞、吸入阀、排出阀和平衡管。下冲程中，马达活塞带动泵柱塞作向下运动，泵柱塞下腔的压力上升，吸入阀关闭，排出阀打开，泵排出高压流体。同时泵柱塞上腔的压力下降，排出阀关闭。泵腔内压力降到吸入阀开启压力时，吸入地层流体。上冲程中，马达活塞带动泵柱塞向上运动。同样靠泵内上、下腔容积的改变，控制泵腔内压力的升降、吸入阀和排出阀的开关，把井下液体举升到地面上来。

马达活塞面积越大，泵的排出压头越高；泵柱塞的面积越大，泵的排量越高。

水力活塞泵也存在余隙和气锁。吸入流体含游离气时，在泵排出冲程末端，气体被压缩在余隙的流体中。泵柱塞反向运动时，余隙中的气体膨胀，压力下降缓慢，泵吸入阀打开滞后，泵的有效冲程减少。严重时始终不能打开吸入阀，泵抽不出油来，这就是气锁。

4.排量若视驱动马达的动力液为不可压缩液体，马达实际排量就等于动力液流量。马达有效排量是马达排出口的流量。有效排量与实际排量之比即为马达效率，其大小与漏失有关。漏失又取决于配合间隙、动力液的粘度、磨损等。马达实际排量比额定排量小很多时，马达阀的动作不协调；实际排量接近额定排量时，马达的使用寿命较短。

泵的有效排量是吸入条件下泵排出地层流体的体积流量。游离气占据空间，溶解气会使液体膨胀，致使地面排量与泵的井下排量不同。泵的实际排量是指吸入条件下通过泵的地层流体的体积流量。有效排量与实际排量之比即为漏失效率。漏失效率用以描述漏失、气体降低有效冲程或造成间歇气锁等综合影响。泵的额定排量是吸入条件、额定转速下的实际排量。实际排量应小于额定排量。以额定排量选择水力活塞泵，必须满足排量要求，并与油井的产能相协调；要有足够的举升压力以保证所需的井口剩余压力。

三、水力射流泵水力射流泵(Hydraulic Jet Pump)简称射流泵。其生产系统由地面储液罐、地面高压泵和井下射流泵组成。射流泵与水力活塞泵的井下总成可以互换。射流泵的井下装置也分为自由式和固定式，均采用开式动力液系统。

射流泵井下无运动部件，对于高温深井、高产井、含砂、含腐蚀性介质、稠油以及高气油比油井具有较强的适应性。其结构紧凑，还可适用于斜井、水平井。射流泵能自由投捞，灵活方便，可进行产能测试，维护费用低。

1.射流泵的结构及工作原理射流泵是通过两种流体之间的动量交换传递能量的。典型的套管自由式井下射流泵如图6-41所示，主要由喷嘴、喉管和扩散管等元件组成。喷嘴相当于射流泵的马达，将动力液高压势能转变为高速动能。喉管是直径比喷嘴出口大的长圆筒，高速动力液与低速产出液在其中完全混合，交换动量。扩散管的横截面沿流动方向逐渐增大，将动能转变为静压，使混合流体获得足够的能量上升到地面上来。

图6-41　套管自由式井下射流泵

2.压力损失射流泵的能量损失包括摩阻损失和混合损失，其大小与流体性质、流量、压力及泵的结构参数等有关。喷嘴、吸入腔室、喉管和扩散管中都存在摩阻损失。设计得当可以消除吸入腔室的摩阻损失。混合损失主要发生在喉管内，其他部位很少，喉管长度是影响混合损失的主要参数。选泵时必须考虑这些影响因素，摩阻损失、混合损失之和最小为最佳选择。同时，所选泵必须满足井对排量和举升高度的要求，在不出现气蚀时效率最高。

3.气体影响气体要占据体积，使泵的液体排量下降。气体也对泵内压力损失产生影响。吸入腔室的压力下降会导致脱气，产生滑脱。气体造成混合速度、浓度分布极不均匀，使泵效下降。泵的结构不同，气体的影响程度差别较大。同时，气体的举升作用有利于降低排出管的压力损失。

气蚀对射流泵的正常工作影响很大。喷嘴和喉管之间的环形面积是产液进泵的吸入面积。环形面积越小，吸入流体的速度越高，喉管入口处的压力越低。吸入压力低于流体的蒸气压时产生小气泡。气泡进入喉管的高压区就会冷凝和破碎，对泵产生冲蚀，这种现象称为气蚀。当气蚀发生时，增加动力液流量不会提高产量。对一定的产量和吸入压力，刚好能避免气蚀的环形面积称为最小气蚀面积。

射流泵需要较高的吸入压力以避免气蚀，所以应用受到限制。射流泵在最高效率点工作时，一般要求较大的沉没度。为了在较低的吸入压力下不发生气蚀，牺牲泵效可使射流泵用于更多的低压深井，所以射流泵泵效较低，所需输入功率比水力活塞泵高。

四、螺杆泵螺杆泵(Progressing Cavity Pump)是一种新型机械采油装置。其工作可靠、容积效率高、抗磨蚀性能好，适用于高粘、高含砂、高含气原油的开采。随着合成橡胶及粘结技术的发展，螺杆泵采油成为稠油冷采、聚合物驱油田的主要举升方式。

螺杆泵装置可分为地面驱动和井下驱动两类。地面驱动螺杆泵主要由驱动系统、连接器、抽油杆柱及井下泵组成，抽油杆柱旋转驱动井下螺杆泵。井下驱动螺杆泵的电机、保护器和螺杆泵装在井下，典型系统如图6-42所示。

图6-42　井下驱动螺杆泵

螺杆泵由能转动的单螺杆(转子)和固定衬套(定子)组成。如图6-43所示，E为螺杆偏心距，衬套内表面由橡胶制成，螺杆沿衬套内表面滚动使螺杆轴线绕衬套轴线旋转，因此螺杆与传动轴必须采用万向轴或偏心联轴节连接。

图6-43　螺杆泵结构示意图

电缆把电源动力传给井下电机，电机带动螺杆泵旋转，使产出液体获得足够的能量排到地面。螺杆在衬套内偏心旋转时形成一系列密封腔。当泵吸入端的密封腔容积增大时，腔内压力下降，流体进入。随着螺杆转动，这个腔室开始封闭，并向排出口移动，压力不断上升。当一个密封腔消失时，另一个同样的密封腔形成，因此排量非常均匀。对于相同级数的螺杆泵，排量随着压头的增加而下降。不同型号的螺杆泵特性不一样，一般用清水测试获得，用于选择和设计。

思　考　题

1.为什么我们最希望采用自喷采油方法？

2.什么是流入动态关系？单相流和溶解气驱的IPR曲线形状怎样？

3.无因次IPR曲线有何特点？Vogel方程描述什么关系？

4.什么是采油指数？单相渗流和油气两相渗流的采油指数有何异同？

r=pb=20MPa，井底流压为12MPa时的产油量为60m3/d。(1)计算该井的最大产量；(2)计算井底流压为10MPa时的产量，并绘制IPR曲线。(3)若FE=0.8，结果会怎样变化？

6.试述两相垂直管流的流动型态及其特点？

7.62mm内径油管中的液体流量为0.8m3/s，气体流量为0.6m3/s,持液率为0.7，计算其滑脱速度。

8.油嘴有何作用？油嘴流动的特点是什么？

9.怎样才能达到临界流动状态？

10.什么是协调工作点？油井如何才能达到协调生产？

11.有哪几类节点？节点分析方法的基本思路如何？

12.基本的气举系统包括哪几个部分？

13.试述气举阀的类型、作用及其工作原理。

14.简述气举装置的类型及其适用条件。

15.试述连续气举的卸载过程。

16.常规间歇气举的每个循环周期可分为哪些阶段？

17.简述连续气举与间歇气举的异同。

18.何为气举的启动压力和工作压力？

19.抽油机有哪些类型？

20.游梁式抽油机主要由哪些部件组成？其型号如何表示？

21.试述抽油泵的类型、基本结构及工作原理。

22.有杆泵抽油过程中下冲程油井出油吗？出多少？泵的理论排量如何计算？

=Wr+WL。

24.某井下泵深度Lp=1200m，泵径D=56mm，冲程S=3m，冲次n=12min-1，抽油杆直径22mm，油管内径、外径分别为62mm、73mm，产出液体平均密度ρL=850kg/m3。计算悬点最大和最小载荷。

25.抽油机为什么要调平衡？有哪几种平衡方式？平衡的基本原理如何？

26.分析影响泵效的主要因素以及提高泵效的措施。

27.气体影响与供液不足的典型示功图有何异同？

28.说明连抽带喷、固定阀严重漏失和抽油杆断脱时的典型示功图特征，如何判别？

29.何谓光杆功率、水功率和有杆抽油系统效率？

30.无杆泵采油包括哪些方法？各有何特点？

31.潜油电泵系统包括哪些部件？

32.潜油电泵井中,为什么产出液体必须从电机外流过？

33.潜油电泵井中,为什么需采用高效率的井下气液分离器？

34.水力活塞泵的开式系统和闭式系统各有何特点？

35.采油方法有哪些？各自的采油原理是什么？

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