无杆泵采油-西南石油大学

1、第四章第四章 无杆泵采油无杆泵采油无杆泵采油无杆泵采油 为了减少抽油杆事故和克服有杆抽油设备中抽油泵为了减少抽油杆事故和克服有杆抽油设备中抽油泵排量降低的不足，排量降低的不足，彻底改变有杆抽油设备的工作方式，彻底改变有杆抽油设备的工作方式，无杆抽油设备得到了快速的发展。无杆抽油设备的特点无杆抽油设备得到了快速的发展。无杆抽油设备的特点是：取消了抽油杆，把驱动机放到井下直接带动抽油泵是：取消了抽油杆，把驱动机放到井下直接带动抽油泵抽油。这样就较好地解决了采油技术发展中对抽油设备抽油。这样就较好地解决了采油技术发展中对抽油设备提出的两个十分重要的要求：增加井下泵的传动功率以提出的两个十分重要的要求

2、：增加井下泵的传动功率以及扩大泵在不同开采条件下的参数及扩大泵在不同开采条件下的参数( (排量和压头排量和压头) )调节范调节范围。围。目前，应用比较广泛的无杆抽油设备有水力活塞泵、目前，应用比较广泛的无杆抽油设备有水力活塞泵、电动潜油离心泵、螺杆泵等电动潜油离心泵、螺杆泵等。 水力活塞泵水力活塞泵第一节第一节 水力活塞泵水力活塞泵 水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备，其井下水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备，其井下部分主要由部分主要由液马达、抽油泵液马达、抽油泵和和滑阀控制机构滑阀控制机构组成。动力组成。动力由地面加压后，经油管或专用动力液管传至井下，通过由地面加压后，经油管或专用动

3、力液管传至井下，通过滑阀控制机构不断改变供给液马达的液体流向来驱动液滑阀控制机构不断改变供给液马达的液体流向来驱动液马达做往复运动，从而带动抽油泵进行抽油。马达做往复运动，从而带动抽油泵进行抽油。 水力活塞泵水力活塞泵 水力活塞泵抽油系统，是由许多不同的机械或设备联合成的水力活塞泵抽油系统，是由许多不同的机械或设备联合成的一个整体。整个系统由两大部分组成，即水力活塞泵抽油装置以一个整体。整个系统由两大部分组成，即水力活塞泵抽油装置以及地面流程。水力活塞泵抽油装置包括：及地面流程。水力活塞泵抽油装置包括：水力活塞泵井下机组、水力活塞泵井下机组、井下管柱结构和井口井下管柱结构和井口。地面流程包括：

4、。地面流程包括：地面高压泵机组地面高压泵机组、高压控高压控制管汇制管汇、动力液处理装置动力液处理装置和和计量装置计量装置与与地面管线地面管线。 水力活塞泵对油层深度、含蜡、稠油、斜井及水平井具有较水力活塞泵对油层深度、含蜡、稠油、斜井及水平井具有较强的适应性，其强的适应性，其主要缺点主要缺点是机组结构复杂，加工精度要求高，动是机组结构复杂，加工精度要求高，动力液处理费用高，计量困难。力液处理费用高，计量困难。一、一、水力活塞泵采油系统及装置水力活塞泵采油系统及装置 1 1、水力活塞泵采油系统水力活塞泵采油系统水力活塞泵水力活塞泵 (1) 按系统井数分，按系统井数分，有单井流程系统、多井集中泵站

5、系统、大有单井流程系统、多井集中泵站系统、大型集中泵站系统。型集中泵站系统。 (2) 按动力液循环分按动力液循环分，主要有闭式循环方式、开式循环方式。，主要有闭式循环方式、开式循环方式。所谓开式循环或闭式循环是指在整个采油系统中乏动力液是否有所谓开式循环或闭式循环是指在整个采油系统中乏动力液是否有自己的独立通道。动力液经地面泵加压使井下泵工作后不与产出自己的独立通道。动力液经地面泵加压使井下泵工作后不与产出液混合，而从特设的乏动力液独立通道排出，再通过地面泵反复液混合，而从特设的乏动力液独立通道排出，再通过地面泵反复循环使用的，称为闭式循环。反之，称为开式循环。开式循环方循环使用的，称为闭式循

6、环。反之，称为开式循环。开式循环方式设备简单，操作容易，但动力液处理费用较高；而闭式循环方式设备简单，操作容易，但动力液处理费用较高；而闭式循环方式设备复杂，操作麻烦，但动力液处理费用低。式设备复杂，操作麻烦，但动力液处理费用低。水力活塞泵一般按如下条件进行分类水力活塞泵一般按如下条件进行分类：水力活塞泵水力活塞泵 (3) 按动力液性质分按动力液性质分，有原油动力液、水基动，有原油动力液、水基动力液。所谓原油动力液和水基动力液是指在整个系力液。所谓原油动力液和水基动力液是指在整个系统中所使用的是以原油还是以添加各种防腐剂和润统中所使用的是以原油还是以添加各种防腐剂和润滑剂的水为动力液。滑剂的水

7、为动力液。 目前，在油田推广应用中，应目前，在油田推广应用中，应优先选用原油做优先选用原油做动力液的开式循环多井集中泵站系统动力液的开式循环多井集中泵站系统。在原油粘度。在原油粘度较高或油井含水较高时，可选用水做动力液的闭式较高或油井含水较高时，可选用水做动力液的闭式循环多井集中泵站系统。循环多井集中泵站系统。水力活塞泵水力活塞泵 1）开式循环单井采油系统开式循环单井采油系统 图4-1 开式水力活塞泵采油系统 图4-2 闭式水力活塞泵采油系统 1-高压控制管汇；2-地面泵； 1-高压控制管汇；2-地面泵； 3-发动机；4-动力液罐；5-井口装置； 3-发动机； 4-动力汽罐； 6-井下泵工作筒

8、；7-沉没泵 5-井口装置；6-泵工作筒； 7-沉没泵水力活塞泵水力活塞泵 2）闭式循环单井采油系统闭式循环单井采油系统图4-1 开式水力活塞泵采油系统 图4-2 闭式水力活塞泵采油系统 1-高压控制管汇；2-地面泵； 1-高压控制管汇；2-地面泵； 3-发动机；4-动力液罐；5-井口装置； 3-发动机； 4-动力汽罐； 6-井下泵工作筒；7-沉没泵 5-井口装置；6-泵工作筒； 7-沉没泵水力活塞泵水力活塞泵2水力活塞泵抽油装置 水力活塞泵抽油装置是指用于举升原油的水力活塞泵井下机组、井下管柱结构及井口。水力活塞泵抽油装置的分类方法有两种： 1)根据井底安装方式分为固定式、插入式、投入式三种

9、。 固定式安装方式如固定式安装方式如图图43(a)43(a)所示，整个泵随油管下入井内，优点是在相同尺寸的所示，整个泵随油管下入井内，优点是在相同尺寸的套管情况下，比其他类型泵的泵径大、排量大，缺点是起泵必须起油管。套管情况下，比其他类型泵的泵径大、排量大，缺点是起泵必须起油管。图4-3 水利活塞泵装置类型水力活塞泵水力活塞泵 插入式安装方式如插入式安装方式如图图43(b)所示，一般为同心管闭所示，一般为同心管闭式循环，泵式循环，泵工作筒随大直径油管下入井内，而沉没泵机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。组则用小直径油管下入，插到泵工作筒内。图4-3 水

10、利活塞泵装置类型 投入式安装方式又分单管封投入式安装方式又分单管封隔式和平行管柱式，分别如隔式和平行管柱式，分别如图图443 (c)3 (c)、43(d)43(d)和和43(e)43(e)所示。所示。泵工作筒随油管下至井中，沉没泵工作筒随油管下至井中，沉没泵机组则从油管中投入，使用液泵机组则从油管中投入，使用液力下泵和起泵。投入式安装方式力下泵和起泵。投入式安装方式水力活塞泵的水力活塞泵的优点是优点是起下泵方便，起下泵方便，不用上作业队，节省修井作业费不用上作业队，节省修井作业费用；用；缺点是缺点是泵径受到限制，排量泵径受到限制，排量较小。较小。图4-3 水利活塞泵装置类型水力活塞泵水力活塞泵

11、 (2)根据井下泵液马达与抽油泵端的数目不同，又可分为双液马达泵和双泵端泵。双液马达泵可增大扬程，双泵端泵可增大排量。 最常用的有如下三种，即：开式循环单管封隔器投入式水力活塞泵、闭式循环单管封隔器投入式水力活塞泵、开式循环平行管柱投入式水力活塞泵。水力活塞泵水力活塞泵图4-4 投入式泵的工作原理3 3水力活塞泵抽油装置的工作原理水力活塞泵抽油装置的工作原理 1)1) 开式循环单管封隔器投入式泵的工作原理开式循环单管封隔器投入式泵的工作原理 投入式泵也叫自由泵，即泵随油管下入投入式泵也叫自由泵，即泵随油管下入井内，由封隔器把井筒上、下分隔，沉没泵井内，由封隔器把井筒上、下分隔，沉没泵在油管内液

12、力作用下起下。在油管内液力作用下起下。图图44表示了最表示了最简单的投入式泵油井装置简单的投入式泵油井装置，即开式循环单管，即开式循环单管封隔器投入式水力活塞泵油井装置的基本组封隔器投入式水力活塞泵油井装置的基本组成和工作原理。投入式泵油井装置基本由以成和工作原理。投入式泵油井装置基本由以下部分组成：下部分组成：井口捕捉器、井口四通阀、中井口捕捉器、井口四通阀、中心油管、沉没机组、泵筒、固定阀和封隔器心油管、沉没机组、泵筒、固定阀和封隔器等等。封隔器把套管分为上、下两个空间，中。封隔器把套管分为上、下两个空间，中心油管又把封隔器上部空间分为两个通道。心油管又把封隔器上部空间分为两个通道。 下泵

13、状态下泵状态工作状态工作状态起泵状态起泵状态 起泵结束起泵结束水力活塞泵水力活塞泵 2) 2) 闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵的工作原理闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵的工作原理 闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵如图闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵如图43(e)43(e)所示，所示，它和开式循环单管封隔器式管柱的差别在于：在中心油管旁多它和开式循环单管封隔器式管柱的差别在于：在中心油管旁多了一根小直径的旁通管，它直通泵筒上的乏动力液排出孔，因了一根小直径的旁通管，它直通泵筒上的乏动力液排出孔，因此乏动力液就不再和产出液混合而直接从此旁通管排出地面经此乏动力液就不再和产出液混合而直接从此旁通管

14、排出地面经少许处理后又进入地面泵反复使用，而产出液则从油套管环形少许处理后又进入地面泵反复使用，而产出液则从油套管环形空间返出，使原油处理量减少了一半。空间返出，使原油处理量减少了一半。 所以，所以，闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵的运行成本最闭式循环平行管柱投入式水力活塞泵的运行成本最低低，可以选用优质动力液或水基动力液。但是增加了地面上的，可以选用优质动力液或水基动力液。但是增加了地面上的乏动力液管线和井内管柱的侧管，钢材消耗较多，作业费用也乏动力液管线和井内管柱的侧管，钢材消耗较多，作业费用也较高。较高。 水力活塞泵水力活塞泵3 3）开式循环平行管拄投入式泵的工作原理开式循环平行管拄投入

15、式泵的工作原理 图图43(d)43(d)为开式循环平行管柱投入式水力活塞泵，为开式循环平行管柱投入式水力活塞泵，侧管接通封隔器下部的油套管环形空间，通过此管把聚侧管接通封隔器下部的油套管环形空间，通过此管把聚集在封隔器下部油套管环形空间的气体排出。由于没有集在封隔器下部油套管环形空间的气体排出。由于没有乏动力液的专用通道，所以乏动力液仍必须和产出液混乏动力液的专用通道，所以乏动力液仍必须和产出液混合后从油套管环形空间排出。合后从油套管环形空间排出。此种泵主要用于油井含气此种泵主要用于油井含气较高的情况。较高的情况。水力活塞泵水力活塞泵4水力活塞泵井下机组的工作原理水力活塞泵井下机组的工作原理

16、水力活塞泵井下机组主要由液马达、泵和主控滑阀三部水力活塞泵井下机组主要由液马达、泵和主控滑阀三部分组成。分组成。 (1)液马达：液马达：将动力液的压能转换为机械能带动泵工作，常将动力液的压能转换为机械能带动泵工作，常用的是往复柱塞式液马达。用的是往复柱塞式液马达。 (2)泵：泵：将液马达传递给它的机械能转换成液体的压能，用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，常用的是往复柱塞泵。来提高油层产出液的压能，常用的是往复柱塞泵。 (3)主控制滑阀：主控制滑阀：利用液压差动原理控制液马达和泵柱塞做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。往复运动的换向控

17、制机构。水力活塞泵水力活塞泵 通常情况下，水力活塞泵机组有通常情况下，水力活塞泵机组有单作用单作用和和双作用双作用两两种。前者在柱塞做往复运动时，只在单一行程排出被增种。前者在柱塞做往复运动时，只在单一行程排出被增压的液体；而后者在上、下行程均排出被增压的液体。压的液体；而后者在上、下行程均排出被增压的液体。通常高排量泵都采用双作用方式。通常高排量泵都采用双作用方式。 水力活塞泵水力活塞泵图图4-5 4-5 单作用泵的工作原理单作用泵的工作原理（a a）下冲程；（）下冲程；（b b）上冲程）上冲程1-1-液马达活塞；液马达活塞；2-2-活塞杆；活塞杆；3-3-主控制滑阀；主控制滑阀；4-4-水

18、力活塞泵活塞水力活塞泵活塞 图4-5是国产水力活塞泵井下机组的结构示意图。该泵为差动式单作用水力活塞泵，它的作用原理如下：水力活塞泵水力活塞泵二、二、常用水力活塞泵的结构特点和工作原理常用水力活塞泵的结构特点和工作原理 1 1长冲程大排量双作用泵长冲程大排量双作用泵 1)1)结构组成结构组成2)2)结构特点结构特点3)3)工作原理工作原理4)优点优点:长冲程、双作用、排量大和效率高。长冲程、双作用、排量大和效率高。图图46 46 长冲程双作用泵原理图长冲程双作用泵原理图1-1-拉杆；拉杆；2-2-换向滑阀；换向滑阀；3-3-吸入阀；吸入阀；4-4-排出阀；排出阀；5-5-换向阀；换向阀；6-6

19、-下活塞；下活塞；7-7-固定阀；固定阀；8-8-上活塞上活塞水力活塞泵水力活塞泵2 2. .长冲程不平衡式单作用泵长冲程不平衡式单作用泵 此类泵是在此类泵是在“基本型基本型”基础上进行局部结构改变而基础上进行局部结构改变而成。其成。其结构特点结构特点是沉没泵中一个活塞直径变小，只有一是沉没泵中一个活塞直径变小，只有一组吸入排出阀，设在小直径活塞一端，大直径活塞一端组吸入排出阀，设在小直径活塞一端，大直径活塞一端的上端始终作用着泵排出压力。的上端始终作用着泵排出压力。工作原理与工作原理与“基本型基本型”相同相同。优点优点有液马达活塞直径比泵端活塞直径大，泵压有液马达活塞直径比泵端活塞直径大，泵

20、压力比小力比小( (泵端活塞与液马达活塞的作用面积之比泵端活塞与液马达活塞的作用面积之比) )，可显，可显著增加泵的举升能力，与著增加泵的举升能力，与“基本型基本型”相比，在相同的井相比，在相同的井口工作压力条件下，口工作压力条件下，泵扬程可提高泵扬程可提高65%-124%65%-124%。适应低液。适应低液面、产量小的油井。面、产量小的油井。 水力活塞泵水力活塞泵3.3.长冲程平衡式单作用泵长冲程平衡式单作用泵 此类泵也是在此类泵也是在“基本型基本型”的基础上，对其结构进行的基础上，对其结构进行局部改变而成。其局部改变而成。其结构特点结构特点是沉没泵的两个活塞中，上是沉没泵的两个活塞中，上端

21、的一个活塞直径比下端活塞直径小，并设计成一定比端的一个活塞直径比下端活塞直径小，并设计成一定比例，使上下行程的负载和工作压力平衡。只有一组吸入例，使上下行程的负载和工作压力平衡。只有一组吸入排出阀组，设在大直径活塞一端，小直径活塞的上端，排出阀组，设在大直径活塞一端，小直径活塞的上端，始终作用着泵的吸入压力。始终作用着泵的吸入压力。工作原理工作原理与与“基本型基本型”相同。相同。优点优点是，与是，与“基本型基本型”相比，显著地降低了泵的压力比相比，显著地降低了泵的压力比和井口工作压力。相同井口工作压力，泵的和井口工作压力。相同井口工作压力，泵的举升能力提举升能力提高高58.5%58.5%。适应

22、低液面、产量较小的油井。适应低液面、产量较小的油井。水力活塞泵水力活塞泵4 4双液马达双作用泵双液马达双作用泵 该泵是在该泵是在“基本型基本型”的基础上增加了一个液马达活的基础上增加了一个液马达活塞。这样，不论是上行程还是下行程都由两个液马达活塞。这样，不论是上行程还是下行程都由两个液马达活塞驱动一个泵端活塞运动。塞驱动一个泵端活塞运动。工作原理工作原理与与“基本型基本型”相同。相同。优点为压力比小、扬程高。在相同井口工作压力条件下，优点为压力比小、扬程高。在相同井口工作压力条件下，泵的泵的扬程比相应的扬程比相应的“基本型基本型”提高提高77.2%77.2%；同理，在相同；同理，在相同的动液面

23、条件下，抽相同的液量，的动液面条件下，抽相同的液量，工作压力可降低工作压力可降低44%44%。适应深井、低液面、较大产量的油井。适应深井、低液面、较大产量的油井。水力活塞泵水力活塞泵5.5.无阀心换向机构水力泵无阀心换向机构水力泵 与与“基本型基本型”不同之处不同之处是换向机构完全对称是换向机构完全对称( (图图47)47)，取消了阀心。其取消了阀心。其结构特点结构特点是，是，该泵的换向机构、拉杆、液该泵的换向机构、拉杆、液缸均为对称设计，装好吸入缸均为对称设计，装好吸入排出阀组后，可以与连接件排出阀组后，可以与连接件颠倒组装。颠倒组装。工作原理工作原理与与“基基 本型本型”大同小异。大同小异

24、。 图图47 47 无阀芯换向机构无阀芯换向机构1-1-阀体；阀体；2-2-滑阀；滑阀；3-3-密封环；密封环；4-4-拉杆拉杆水力活塞泵水力活塞泵优点优点: :(1)(1) 大幅度提高了换向操作力的作用面积，操作力显著增加，大幅度提高了换向操作力的作用面积，操作力显著增加，比比“基本型基本型”增加增加1.81.8倍；倍；(2)(2) 减少了摩擦运动副，提高了各运动副的浮动性和对中性；减少了摩擦运动副，提高了各运动副的浮动性和对中性；(3)(3) 增长轴向密封面长度增长轴向密封面长度50%50%，改善间隙密封性能。强化机构导，改善间隙密封性能。强化机构导向，提高了主副阀抗偏磨、抗漏冲蚀能力；向

25、，提高了主副阀抗偏磨、抗漏冲蚀能力； (4)(4) 在相同的现场工作条件下，无阀心换向机构比在相同的现场工作条件下，无阀心换向机构比“基本型基本型”的连续工作周期提高的连续工作周期提高2.72.7倍以上，抗干扰能力显著增强。倍以上，抗干扰能力显著增强。 另外，还可派生出不平衡式、平衡式单作用泵和双液另外，还可派生出不平衡式、平衡式单作用泵和双液马达马达双作用泵。适用范围与双作用泵。适用范围与“基本型基本型”相似。相似。水力活塞泵水力活塞泵6.阀组式双作用泵 1) 结构特点2) 工作原理 3)优点 拉杆直径设计可大一些，从而增加了强度，使换向机构抗干扰能力提高。适应范围与“基本型”类同。 图图4

26、8 48 阀组式水力泵阀组式水力泵1-1-工作筒；工作筒；2-2-沉没泵；沉没泵；3-3-上排出阀；上排出阀；4-4-上吸入阀；上吸入阀；5-5-上活塞；上活塞；6-6-上换向槽；上换向槽；7-7-上三通阀；上三通阀；8-8-先导阀先导阀9-9-下换向阀；下换向阀；10-10-下三通阀；下三通阀；11-11-下活塞；下活塞；12-12-下吸入阀；下吸入阀；13-13-下排出阀；下排出阀；14-14-固定阀固定阀水力活塞泵水力活塞泵7.7.差动式单作用泵差动式单作用泵1)1) 结构特点结构特点2)2)工作原理工作原理3)优缺点优缺点图图4949差动式单作用泵差动式单作用泵1-1-工作筒；工作筒；

27、2-2-沉没泵；沉没泵；3-3-液马达柱塞；液马达柱塞；4-4-上换向槽；上换向槽；5-5-滑阀；滑阀；6-6-下换向槽；下换向槽；7-7-泵端阀球；泵端阀球；8-8-抽油泵柱塞；抽油泵柱塞；9-9-固定阀固定阀水力活塞泵水力活塞泵三、三、水力活塞泵的设计计算水力活塞泵的设计计算 当设计计算水力活塞泵装置时，一般先给出下列的当设计计算水力活塞泵装置时，一般先给出下列的原始数据：原始数据： （1 1）油井的产量（或必需的采液量）；油井的产量（或必需的采液量）； （2 2）油井中动液面深度；油井中动液面深度； （3 3）井下机组的沉没度；井下机组的沉没度； （4 4）井下机组的安装型式和油井中管柱

28、的尺寸；井下机组的安装型式和油井中管柱的尺寸； （5 5）原油特性：粘度、重度、含水量、含砂量、含原油特性：粘度、重度、含水量、含砂量、含蜡量和含气量等。蜡量和含气量等。水力活塞泵水力活塞泵水力活塞泵的设计计算步骤如下：水力活塞泵的设计计算步骤如下：1.1. 井下机组径向尺寸的确定井下机组径向尺寸的确定 一般对于一般对于2 2英寸油管，井下机组的外径不大于英寸油管，井下机组的外径不大于47. 5mm47. 5mm；而对于而对于21/221/2英寸油管，井下机组的外径不大于英寸油管，井下机组的外径不大于58.5mm58.5mm。由于井下机组径向尺寸很小，所以给水力活塞泵的结构由于井下机组径向尺寸

29、很小，所以给水力活塞泵的结构设计带来许多特殊要求。设计带来许多特殊要求。2. 活塞组的冲程长度和冲程次数的选择活塞组的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组的冲程长度和冲程次数。排量，必须尽可能增加活塞组的冲程长度和冲程次数。水力活塞泵水力活塞泵 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维护方便等因素的限制。如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

30、。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，基本上就能满足工艺要求。对于固定安装式井下机组，根据使用要求的不同，可采用较大的活塞组冲程长度。一般情况下，冲程长度可选择在0.41.0m之间。活塞组冲程次数的增加受到井下机组的使用寿命以及泵缸的充满系数的限制。水力活塞泵水力活塞泵 泵缸的充满系数取决于油井中原油粘度和机组的沉没度。假如机组的沉没度是足够的话，可以把冲程次数比正常数值提高0.51倍，而使机组不被到损坏。一般的冲程次数在4085min-1范围内变化。如“科贝”公司生产的井下机组的额定加速度值可由下式确定 （4-1）式中， 每分钟的冲程次数，min-1； S泵活塞的冲程长

31、度，cm。2254000n S n 当泵活塞和液动机活塞的面积比值等于1:1时，在泵中液流速度小于3m/s，而在泵的出口和液动机槽道中液流速度小于6m/s。水力活塞泵水力活塞泵3. 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。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组所能承受

32、的载荷数值。 水力活塞泵水力活塞泵下面列举一些推荐数值： 泵活塞直径= 、 或 ； 液动机活塞直径= ； 活塞杆直径= 。 上式中的 为油管（下泵用）的名义直径。 应该说明，上述比值的正确确定必须在对水力活塞泵井下机组基本参数进行多次计算和对比基础上进行。2.0d管2.5d管2.0d管4.0d管d管发d液动机的活塞直径液动机的活塞直径泵d活塞泵的活塞直径活塞泵的活塞直径杆d活塞杆直径活塞杆直径发F液动机的活塞面积液动机的活塞面积泵F活塞泵的活塞面积活塞泵的活塞面积杆f活塞杆面积活塞杆面积L井下机组的下泵深度井下机组的下泵深度沉h井下机组在沉没深度井下机组在沉没深度动h混h井下机组到地面罐的混合

33、液管线的水力阻力井下机组到地面罐的混合液管线的水力阻力油h地面动力泵到井下机组的动力液管线的水力阻力地面动力泵到井下机组的动力液管线的水力阻力泵入口前管线中抽取原油的水力阻力泵入口前管线中抽取原油的水力阻力4 4、差动式单作用和双作用水力活塞泵装置基本参数的计算问题、差动式单作用和双作用水力活塞泵装置基本参数的计算问题d d发发F F发发动下p动下pd d杆杆S S下下回混混phL)(回混混phL)(A-A-下冲程下冲程d d泵泵F F泵泵f f杆杆动上pS S上上回混混phL)(油油沉)(hhB-B-上冲程上冲程回混混phL)(下S下冲程时机组机械下冲程时机组机械摩擦力的总和摩擦力的总和上S

34、上冲程时机组机械摩上冲程时机组机械摩擦力的总和擦力的总和动动力液、原油、混动力液、原油、混合液重度合液重度油混QQqq油动混回p混合液管线出口回压混合液管线出口回压动下p 下、上冲程时液动机处下、上冲程时液动机处的动力液压力的动力液压力动上p动下p 下、上冲程时地面动力下、上冲程时地面动力泵处的动力液压力泵处的动力液压力动上p动p 地面动力泵处的动力液地面动力泵处的动力液的平均压力的平均压力d d发发F F发发动下p动下pd d杆杆S S下下回混混phL)(回混混phL)(A-A-下冲程下冲程d d泵泵F F泵泵f f杆杆动上pS S上上回混混phL)(油油沉)(hhB-B-上冲程上冲程回混混

35、phL)(图图 差动式水力活塞泵井下机组的活塞组上作用力简图差动式水力活塞泵井下机组的活塞组上作用力简图地面动力泵处应给出的动力液压力：地面动力泵处应给出的动力液压力： 动力液压力确定动力液压力确定下冲程：下冲程：上冲程：上冲程：地面动力泵处应给出的动力液压力可由下式计算：地面动力泵处应给出的动力液压力可由下式计算：d d发发F F发发动下p动下pd d杆杆S S下下回混混phL)(回混混phL)(A-A-下冲程下冲程d d泵泵F F泵泵f f杆杆动上pS S上上回混混phL)(油油沉)(hhB-B-上冲程上冲程回混混phL)(2 2）动力液量的确定）动力液量的确定3 3）活塞泵的排量计算）活

36、塞泵的排量计算4 4）水力活塞泵的功率和效率的计算）水力活塞泵的功率和效率的计算QHN表油效油升油沉表hhhLH地泵动总qpN总油升油沉油总效总）Nhhh(LNNQ动动动效泵发井机)(NhLqN功率：功率：效率：效率：动动动动）（hLpqN5 5、 水力活塞泵的速度调节和冲程换向水力活塞泵的速度调节和冲程换向 （1 1）水力活塞泵的速度调节）水力活塞泵的速度调节 为了调节液动机活塞的平均速度，只要改变进入液动机的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动力液流量即即可。可。 动力液流量的改变可采用动力液流量的改变可采用容积调节容积调节和和节流调节节流调节两种方法。两种方法。

37、 （2 2）冲程换向）冲程换向 液动机活塞的冲程换向是由液动机活塞的冲程换向是由控制滑阀控制滑阀来实现的。来实现的。 控制滑阀控制滑阀是井下机组最重要的部件，它的正确设计计算在很大程度上决是井下机组最重要的部件，它的正确设计计算在很大程度上决定了井下机组的效率和寿命。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：控制滑阀应满足下列五点要求： (1) (1) 保证液动机活塞的保证液动机活塞的无冲击换向无冲击换向。 (2) (2) 保证换向的活塞组能保证换向的活塞组能到达极限位置到达极限位置( (冲程长度的计算值冲程长度的计算值) )，最大限最大限度的利用动力机和泵的工作容积和尽可能地度

38、的利用动力机和泵的工作容积和尽可能地减少余隙容积减少余隙容积。 (3) (3) 使活塞组的工作循环能保证自动作用的使活塞组的工作循环能保证自动作用的泵阀泵阀关闭滞后最小和冲击关闭滞后最小和冲击最小最小。 (4) (4) 尽量缩短尽量缩短换向时间换向时间和和减少功率损失减少功率损失。 (5) (5) 当液动机活塞和滑阀在任一位置时，保证液动机当液动机活塞和滑阀在任一位置时，保证液动机及时启动及时启动。 工作循环图（可用来确定井下机组的最优计算工况和进行主滑阀的计算） (1) 在差动式单作用水力活塞泵中，下冲程时活塞运动速度比上冲程时大得多； (2) 动力液流量q的峰值相当于动力液同时用在移动活塞

39、和移动滑阀时，当活塞在上死点和下死点停住时，动力液仅用在移动滑阀上。 (3) 克服阻力所需的压力p阻, 当上冲程时仅占总压力的较小部分，而当下冲程时几乎占总压力的绝大部分。在滑阀腔室中压力，永远低于液动机中动力液压力； (4) 上、下冲程时，泵的排量不一样； (5) 因为地面动力泵处的压力波动不大，排量几乎不变，所以在一个工作循环中地面动力泵的功率变化很小。6 6、结构设计中的几个特殊问题、结构设计中的几个特殊问题（1 1）元件的密封问题）元件的密封问题 包括：往复运动件、限制可动性件、不动连接件包括：往复运动件、限制可动性件、不动连接件硬密封硬密封：间隙密封和螺旋密封、端面硬密封：间隙密封和

40、螺旋密封、端面硬密封软密封软密封：橡胶密封圈密封、填料密封：橡胶密封圈密封、填料密封 动密封和静密封动密封和静密封（2 2）连接件的同心度连接件的同心度问题问题（3 3）丝扣连接的放松丝扣连接的放松问题问题 实践证明，最可靠的防松措施是提高丝扣连接和支承端面的摩擦力，就实践证明，最可靠的防松措施是提高丝扣连接和支承端面的摩擦力，就是在丝扣连接处，是在丝扣连接处，用强力上扣，使支承端面很好地靠用强力上扣，使支承端面很好地靠住，如有可能要装锁紧住，如有可能要装锁紧螺母。对于承受冲击载荷的零件，还必须考虑附加的螺母。对于承受冲击载荷的零件，还必须考虑附加的防松措施防松措施，如采用环氧，如采用环氧树脂

41、粘结、打洋冲眼、热锡焊和热装丝扣等办法。树脂粘结、打洋冲眼、热锡焊和热装丝扣等办法。 目前水力活塞泵最大下泵深度为目前水力活塞泵最大下泵深度为46004600m m水力活塞泵水力活塞泵7.7. 同心悬挂的两油管柱的强度校核同心悬挂的两油管柱的强度校核 水力活塞泵装置的油管柱不但在自重和液柱重的作水力活塞泵装置的油管柱不但在自重和液柱重的作用下，而且还在地面动力泵的高压动力液的压力作用下。用下，而且还在地面动力泵的高压动力液的压力作用下。油管柱强度是限制水力活塞泵下泵深度的主要因素。油管柱强度是限制水力活塞泵下泵深度的主要因素。当当下泵深度很大时，必须采用高强度钢管，也可采用复合下泵深度很大时，

42、必须采用高强度钢管，也可采用复合钢管柱，即上部用较高强度的钢管，下部用较低强度钢钢管柱，即上部用较高强度的钢管，下部用较低强度钢管。管。为了正确地选择油管和确定下泵深度，必须对油管为了正确地选择油管和确定下泵深度，必须对油管柱进行强度校核。柱进行强度校核。但是，一般来说，在下泵深度低于但是，一般来说，在下泵深度低于1000m1000m时，不需要进行强度校核。时，不需要进行强度校核。水力活塞泵水力活塞泵 在拉伸载荷 作用下，最上端的丝扣连接处是油管柱强度最薄弱的地方，它的许用拉伸载荷可由下式确定： （4-15）式中， 丝扣连接处的拉断载荷； 安全系数，不应低于1.351.5。P拉PPn断拉P断n

43、水力活塞泵水力活塞泵 当同心悬挂两油管柱时，当同心悬挂两油管柱时，下泵深度首先受到外油管柱强度下泵深度首先受到外油管柱强度的限制的限制。当将井下机组压出泵座时，在外油管柱最上端的丝扣。当将井下机组压出泵座时，在外油管柱最上端的丝扣连接处作用有最大拉伸载荷，它等于油管柱重、两管柱的环形连接处作用有最大拉伸载荷，它等于油管柱重、两管柱的环形空间内液柱重和井下机组压出时地面动力泵在外油管柱中造成空间内液柱重和井下机组压出时地面动力泵在外油管柱中造成最大压力等三项的总和。当压出井下机组时，最大压力值一般最大压力等三项的总和。当压出井下机组时，最大压力值一般采用采用10MPa10MPa，但在特殊情况下也

44、可达，但在特殊情况下也可达15MPa15MPa，它和固定密封装置，它和固定密封装置的摩擦力大小有关，而井下机组的的摩擦力大小有关，而井下机组的工作时间、动力液压力大小工作时间、动力液压力大小和原油性质是影响上述摩擦力的主要因素和原油性质是影响上述摩擦力的主要因素。 内油管柱丝扣连接处的最大拉伸载荷发生在井下机组正常内油管柱丝扣连接处的最大拉伸载荷发生在井下机组正常工作时，它等于工作时，它等于管柱重管柱重、液柱重液柱重和和动力液动力液最大工作压力所产生最大工作压力所产生的载荷的载荷三项的总和三项的总和，必要时也要进行核算。，必要时也要进行核算。水力活塞泵水力活塞泵四、四、水力活塞泵的使用范围和发

45、展趋势水力活塞泵的使用范围和发展趋势 水力活塞泵的一个重要优点是具有较高的效率水力活塞泵的一个重要优点是具有较高的效率，而且随，而且随着油井动液面的降低，它的效率减小不多；它的基本工作参着油井动液面的降低，它的效率减小不多；它的基本工作参数数排量和压头可在大范围内平滑地调节，而其效率并无多排量和压头可在大范围内平滑地调节，而其效率并无多大变化；自由安装式水力活塞泵可利用动力液进行起下操作，大变化；自由安装式水力活塞泵可利用动力液进行起下操作，使起下操作机械化不仅可大大减轻繁重的体力劳动，而且可使起下操作机械化不仅可大大减轻繁重的体力劳动，而且可减少停井时间，增加原油产量，延长油管寿命和降低建井

46、成减少停井时间，增加原油产量，延长油管寿命和降低建井成本，如自由安装式水力活塞泵起下只需一个工人即可，而且本，如自由安装式水力活塞泵起下只需一个工人即可，而且从从2000m2000m处用动力液提升，一般只需处用动力液提升，一般只需303060min60min，下放只需，下放只需252535min35min，水力活塞泵的，水力活塞泵的主要工作部件易于标准化主要工作部件易于标准化，它的采，它的采用用便于实行矿场自动化便于实行矿场自动化。水力活塞泵水力活塞泵 1 1水力活塞泵特别适用下列的开采条件水力活塞泵特别适用下列的开采条件 1 1）深井和超深井的开采深井和超深井的开采 水力活塞泵在深井和超深井

47、中能高效率地工作，随着抽水力活塞泵在深井和超深井中能高效率地工作，随着抽井动液面降低，排量和效率改变不显著。井动液面降低，排量和效率改变不显著。 2 2）斜井和方向井的开采斜井和方向井的开采 水力活塞泵在斜井和方向井中开采也很有效，甚至在井水力活塞泵在斜井和方向井中开采也很有效，甚至在井斜达斜达7070的情况下它的工作和起下操作也无多大困难。由于的情况下它的工作和起下操作也无多大困难。由于水力活塞泵的地面设备很紧凑，平衡性好，适用于固定式平水力活塞泵的地面设备很紧凑，平衡性好，适用于固定式平台或栈桥的海上油井开采。水力活塞泵的地面设备可解决海台或栈桥的海上油井开采。水力活塞泵的地面设备可解决海

48、上油井开采的安全防火问题。上油井开采的安全防火问题。水力活塞泵水力活塞泵 3）小眼油井的开采小眼油井的开采 目前，已用目前，已用53/4英寸（英寸（134mm）套管柱的油井代替）套管柱的油井代替65/8英英寸（寸（168mm）套管柱的油井，并正在发展）套管柱的油井，并正在发展43/4英寸（英寸（121mm）或更小套管柱的油井。这样可以加速钻井速度，减少投资。或更小套管柱的油井。这样可以加速钻井速度，减少投资。在这样情况下水力活塞泵在技术上特别有效。在这样情况下水力活塞泵在技术上特别有效。 4）粘油井的开采粘油井的开采 粘油井（粘度达几百和几千厘泊）的开采，用有杆抽油粘油井（粘度达几百和几千厘泊

49、）的开采，用有杆抽油设备有时是不可能的，用电动潜油离心泵开采效率低。采用设备有时是不可能的，用电动潜油离心泵开采效率低。采用水力活塞泵时，可利用热动力液对原油进行加热，粘度降低水力活塞泵时，可利用热动力液对原油进行加热，粘度降低几十倍，也可采用其它方法降低原油粘度，因此，水力活塞几十倍，也可采用其它方法降低原油粘度，因此，水力活塞泵开采粘油井是有效的。泵开采粘油井是有效的。水力活塞泵水力活塞泵 5）多蜡井的开采多蜡井的开采 实践表明，用水力活塞泵开采多蜡井时，发现油管实践表明，用水力活塞泵开采多蜡井时，发现油管壁上石蜡的沉积量很小，这是因为井中原油已在水力活壁上石蜡的沉积量很小，这是因为井中原

50、油已在水力活塞泵井下机组出口处，和废动力液混合，降低了单位体塞泵井下机组出口处，和废动力液混合，降低了单位体积液体的含气量和含蜡量，石蜡的影响因而减轻。利用积液体的含气量和含蜡量，石蜡的影响因而减轻。利用热动力液或往动力液中加入石蜡溶剂，可以完全消除石热动力液或往动力液中加入石蜡溶剂，可以完全消除石蜡的影响。蜡的影响。水力活塞泵水力活塞泵 水力活塞泵的水力活塞泵的缺点是需向井中下放双层油管缺点是需向井中下放双层油管（指插（指插入固定式和平行管自由式入固定式和平行管自由式) )，这样一方面，这样一方面增加了设备的金增加了设备的金属消耗量和投资属消耗量和投资，提高了井下修理劳动量和维修费用；，提高

51、了井下修理劳动量和维修费用；另一方面另一方面又限制了井下机组的尺寸又限制了井下机组的尺寸，使结构复杂化。为，使结构复杂化。为了消除这个缺点，可采用套管固定式或套管自由式，即了消除这个缺点，可采用套管固定式或套管自由式，即采用单油管柱带封隔器方案。但是，上述方案使用的前采用单油管柱带封隔器方案。但是，上述方案使用的前提条件必须保证套管柱的平直和密封性，同时油井的油提条件必须保证套管柱的平直和密封性，同时油井的油气比要低或动液面高允许采用大的沉没度。如这些条件气比要低或动液面高允许采用大的沉没度。如这些条件不具备时，可考虑采用双平行油管柱即平行管自由式，不具备时，可考虑采用双平行油管柱即平行管自由

52、式，可以减少设备的重量，但它的排量受到限制。可以减少设备的重量，但它的排量受到限制。水力活塞泵水力活塞泵 水力活塞泵在某些油区特别是开采松散砂石的油层水力活塞泵在某些油区特别是开采松散砂石的油层时，需专门准备动力液。在冬夭严寒季节时，水力活塞时，需专门准备动力液。在冬夭严寒季节时，水力活塞泵的地面设备和管线的操作有一定的困难。水力活塞泵泵的地面设备和管线的操作有一定的困难。水力活塞泵的下泵深度受油管强度的限制。上述的缺点在采取相应的下泵深度受油管强度的限制。上述的缺点在采取相应措施后是可以克服的。措施后是可以克服的。 水力活塞泵的使用寿命要比有杆泵长一倍水力活塞泵的使用寿命要比有杆泵长一倍。我

53、国从。我国从1966年开始在矿场上试验水力活塞泵采油，目前，在一年开始在矿场上试验水力活塞泵采油，目前，在一些油田上已得到较大规模的推广使用，水力活塞泵在井些油田上已得到较大规模的推广使用，水力活塞泵在井下连续运转时间最一长已达一年半左右。下连续运转时间最一长已达一年半左右。水力活塞泵水力活塞泵2.2. 水力活塞泵的发展趋势水力活塞泵的发展趋势 1 1）用在大排量和深井的开采用在大排量和深井的开采 近十几年来，单台水力活塞泵的排量比过去增加了近十几年来，单台水力活塞泵的排量比过去增加了3 3倍倍以上，因此对大排量油井的适应性大大增加。为了能在深以上，因此对大排量油井的适应性大大增加。为了能在深

54、井和超深井中工作，增加下泵深度，采用了双联液动机或井和超深井中工作，增加下泵深度，采用了双联液动机或小比例泵的结构。在一定的套管尺寸范围内，采用双泵端小比例泵的结构。在一定的套管尺寸范围内，采用双泵端泵或串联的两个双泵端泵的方法，使水力活塞泵更加扩大泵或串联的两个双泵端泵的方法，使水力活塞泵更加扩大了它的排量和井深的使用范围。了它的排量和井深的使用范围。水力活塞泵水力活塞泵图4-13 串联双泵端泵(左)和大排量双泵端泵(右)示意图水力活塞泵水力活塞泵2）集中动力泵站和控制分站集中动力泵站和控制分站 例如某油田原有例如某油田原有5口井各装一台三缸地面动力泵和一个动口井各装一台三缸地面动力泵和一个

55、动力油罐。后来增加到力油罐。后来增加到18口井，把口井，把5台地面动力泵集中到一个动台地面动力泵集中到一个动力泵站，采用了力泵站，采用了800m3的动力油罐。动力液通过一个排出集管的动力油罐。动力液通过一个排出集管分送到分送到5个动力液控制分站，每一个分站可以控制个动力液控制分站，每一个分站可以控制45口井。这口井。这样，原来样，原来5口井所用的口井所用的5台地面动力泵可以操作台地面动力泵可以操作18口井。口井。 集中动力泵站的推广，有可能采用大功率卧式多缸地面动集中动力泵站的推广，有可能采用大功率卧式多缸地面动力泵（如力泵（如184kW的卧式五缸柱塞泵）和成套动力液控制管汇，的卧式五缸柱塞泵

56、）和成套动力液控制管汇，来分配、控制和测量每口井的动力液流量。采用组合式管汇，来分配、控制和测量每口井的动力液流量。采用组合式管汇，可以适应不同数量的油井。可以适应不同数量的油井。水力活塞泵水力活塞泵3 3）采用闭式动力液系统采用闭式动力液系统 闭式动力液系统由于动力液能保持清洁，因此闭式动力液系统由于动力液能保持清洁，因此减少减少了动力液处理和维护费用了动力液处理和维护费用，而且使水力活塞泵的液动机，而且使水力活塞泵的液动机部分磨损减轻，部分磨损减轻，寿命延长寿命延长。常用的闭式系统包括三条管。常用的闭式系统包括三条管柱：柱：大管柱装水力活塞泵大管柱装水力活塞泵井下机组；井下机组；一个管柱出

57、原油一个管柱出原油；一个管柱返回废动力液一个管柱返回废动力液。现在大多数油井可以每一条管。现在大多数油井可以每一条管柱单独下放。由于采取了一系列新的改进（如减小油管柱单独下放。由于采取了一系列新的改进（如减小油管接头直径，改进接头设计和采用专门的内密封装置结接头直径，改进接头设计和采用专门的内密封装置结构），使闭式动力液系统的采用更加方便。构），使闭式动力液系统的采用更加方便。闭式动力液闭式动力液系统因占地面积小，适用于海上平台抽油。系统因占地面积小，适用于海上平台抽油。水力活塞泵水力活塞泵4 4）用于单井同时分采多油层用于单井同时分采多油层 为了加速多油层的新油田开发，节省大量的投资和为了加

58、速多油层的新油田开发，节省大量的投资和材料消耗，近年来飞速发展单井同时分采多油层的采油材料消耗，近年来飞速发展单井同时分采多油层的采油法。水力活塞泵在这方面的应用也很广泛，出现了不少法。水力活塞泵在这方面的应用也很广泛，出现了不少用于单井同时分采多油层的水力活塞泵方案。用于单井同时分采多油层的水力活塞泵方案。第二节第二节 水力射流泵水力射流泵水力射流泵水力射流泵一、一、水力射流泵采油系统水力射流泵采油系统 水力射流泵水力射流泵( (也称喷射泵也称喷射泵) )是是利用射流原理将注入井利用射流原理将注入井内的高压动力液的能量传递给井下油层产出液的无杆水内的高压动力液的能量传递给井下油层产出液的无杆

59、水力采油设备。力采油设备。射流泵采油系统与水力活塞泵一样，也是射流泵采油系统与水力活塞泵一样，也是由地面由地面( (包括动力液供给和产出液收集处理系统包括动力液供给和产出液收集处理系统) )和井下和井下( (包括动力液及产出液在井筒内的流动系统和射流泵包括动力液及产出液在井筒内的流动系统和射流泵) )两两大部分组成。地面部分和井筒流动系统与水力活塞泵开大部分组成。地面部分和井筒流动系统与水力活塞泵开式采油系统相同，动力液在井下与油层产出液混合后返式采油系统相同，动力液在井下与油层产出液混合后返回地面。回地面。水力射流泵水力射流泵图图4-14 4-14 射流泵结构示意图射流泵结构示意图1-1-提

60、升打捞系统提升打捞系统;2-;2-工作筒工作筒;3-;3-沉没泵沉没泵; ;4-4-测压室测压室;5-;5-喷嘴喷嘴;6-;6-喉管喉管; ;7-7-扩散管扩散管;8-;8-油气进排系统油气进排系统;9-;9-固定阀固定阀 射流泵主要由喷嘴、喉管及扩散管组成射流泵主要由喷嘴、喉管及扩散管组成。喷嘴是。喷嘴是用来将流经的高压动力液的压能转换为高速流动液体用来将流经的高压动力液的压能转换为高速流动液体的动能，并在嘴后形成低压区。高速流动的低压动力的动能，并在嘴后形成低压区。高速流动的低压动力液与被吸入低压区的油层产出液在喉管子混合，流经液与被吸入低压区的油层产出液在喉管子混合，流经截面不断扩大的扩