石油钻采机械第八章 无杆采油设备

第八章无杆采油设备石油钻采机械一、水力活塞泵采油二、电动潜油离心泵采油三、射流泵采油简介四、螺杆泵采油简介4/12/2024第一节水力活塞泵采油〔HydraulicPumping〕水力活塞泵是一种液压传动的无杆抽油设备,由紧密组合成一体的马达和泵组成。实际上水力活塞泵就相当于把液压抽油机的驱动油缸和换向阀移到井下和抽油泵一起连接，取消了抽油杆。地面动力泵通过油管将高压动力液送动力液经管柱泵入井内驱动油缸和换向阀，驱动井下马达从而带动抽油泵抽油工作，而乏动力液和油井采出液那么由生产管柱返出地面。所依据的根本原理就是帕斯卡定律。应用：稠油井和高含蜡井、深井和定向井，且效率较高。表示：见课本P332。无杆采油—水力活塞泵4/12/20241、系统组成井下局部:水力活塞泵的主要机组，它由液动机、水力活塞泵和滑阀控制机构三个部件组成，起着抽油的主要作用；地面局部:地面动力泵、各种控制阀及动力液处理设备等组成，起着供给和处理动力液的作用；中间局部:中心动力油管以及供原油和工作过的乏动力液一起返回到地面的专门通道。一、系统组成及泵的工作原理无杆采油—水力活塞泵4/12/20242、工作过程无杆采油—水力活塞泵4/12/20241、根本结构〔以差动式单作用水力活塞泵为例工作原理：〕二.泵的工作原理无杆采油—水力活塞泵1、液动机活塞；2、活塞杆；3、主控制滑阀；4、水力活塞泵活塞4/12/2024〔1〕下冲程

主控滑阀位于下死点。高压动力液从中心油管经过通道a进入液动机的下缸，作用在活塞的环形端面上；同时，高压动力液经过通道b进入腔室c，再由通道d进入液动机上缸，作用在活塞上端面上。由于活塞上、下两端作用面积不同而产生压差，使液动机带动泵柱塞向下运动。活塞杆实际上是一个辅助控制滑阀，在杆身的上、下部开有控制槽e和f。当活塞杆接近下死点时，上部控制槽e沟通了主控滑阀上、下端的腔室c和g，使高压动力液由控制槽e进入主控滑阀的下端腔室g。因主控滑阀下端面的面积大于上端面的面积，在高压动力液作用下便产生压差，使主控滑阀推向上死点，从而完成下冲程。无杆采油—水力活塞泵4/12/2024

如图(b)，主控滑阀位于上死点。高压动力液从中心油管经过通道a进入液动机下缸。由于主控滑阀堵塞了通道b，使高压动力液不能进入液动机的上缸。液动机上缸通过通道d、主控滑阀中部的环形空间h与抽取的原油相沟通。在液动机上、下缸的压差作用下，液动机活塞带动泵的柱塞向上运动。上缸中工作过的乏动力液和抽取的原油混合后举升到地面。当活塞杆接近上死点时，下部控制槽f使主控滑阀的下腔室和抽取的原油相沟通，主控滑阀便被推向下死点，液动机重新开始转入下冲程，上冲程便结束。(2)上冲程无杆采油—水力活塞泵4/12/2024差动式单作用水力活塞泵的优缺点:优点:

结构简单，并可以自由式安装。缺点:

直径一定时排量较小以及在工作中压力不平衡。无杆采油—水力活塞泵4/12/20242、双作用水力活塞泵上冲程：主滑阀位于下死点，动力液经通道17、8进入上液缸的下腔，推动活塞向上运行，上液缸活塞上端原油经上排出阀排出，井底原油经固定阀、下吸入阀进入下液缸下腔；下液缸活塞上腔乏动力液经22、19和20排到油、套管环空；4/12/2024当活塞组运行到上死点时，高压动力液通过活塞杆下部的控制槽23和孔11作用到主滑阀的下端，由于下端面积大于上端，主滑阀在高压动力液的作用下上移到上死点开始下冲程。下冲程：主滑阀位于上死点，动力液经通道17、主滑阀和活塞杆的环空间隙、孔21以及通道22进入下液缸的上腔，推动活塞向下运行，下液缸下腔原油经排出阀排出，同时上液缸活塞下端阀动力液通过通道8、主滑阀外外表中间的空间以及孔19、20排出到油、套管环空，原油通过上吸入阀进入上液缸上端。4/12/2024

水力活塞泵的安装方式可分为固定插入式、套管固定式、平行自由式和套管自由式四种。如图11－13所示。三、水力活塞泵的安装方式无杆采油—水力活塞泵4/12/2024水力活塞泵的井下机组随动力油管从油管中下入井底，动力液从直径较小的动力油管中注入井下机组，原油和乏动力液从动力油管和油管之间的环形空间返回地面，所有自由气都从油管和套管的环形空间导出，如〔a〕所示。1.固定插入式无杆采油—水力活塞泵4/12/2024

2.套管固定式

水力活塞泵井下机组随动力油管下入井底，并固定在一个套管封隔器上，动力液从动力油管送入井下机组，原油和乏动力液从动力油、套管的环形空间返回地面，所有的自由气须经水力活塞泵井下机组导出，如图11－13(b)所示。

无杆采油—水力活塞泵4/12/2024

3.平行自由式

平行自由式安装方式有两个平行管柱。水力活塞泵井下机组从大直径管柱中下入井底，并在一个固定阀座上形成密封，同时上部也进入油管内壁的一个专用环箍处形成密封。原油和乏动力液从小直径管柱中排到地面，自由气不进泵而从套管中直接导出，如图11－13(c)所示。无杆采油—水力活塞泵4/12/2024

4.套管自由式

套管自由式只需一根管柱下到一个套管封隔器上，井下机组从管柱中下至井底并在一个固定阀座上座封，同时上部也进入油管内壁的一个专用环箍处形成密封。动力液从管柱中进入井底，原油及乏动力液从套管中排到地面，自由气必须从水力活塞泵井下机组导出，如图11－13(d)所示。无杆采油—水力活塞泵4/12/2024

固定式泵:如果将泵连接到动力液油管上并同油管一起下放到井中。

自由式泵:如果将泵放置到动力液油管内，并且该泵可以自如地循环到井底，而再返回到地面。

区别:自由式泵的尺寸受动力液油管尺寸限制。固定式泵，只要与套管内径配合得当，任何尺寸的固定式泵都能与油管尺寸相匹配。

两种泵即可以是闭式，也可以是开式系统。

闭式动力液系统:地面及井下动力液始终在密闭导管中，不与采出液相混；

开式动力液系统:动力液与采出液相混，而作为混合动力液返回到地面。油管安置4/12/20241、动力液循环系统闭式循环和开式循环两种。三、动力液循环系统及动力液无杆采油—水力活塞泵4/12/20242〕开式循环动力液与采出液相混，而作为混合动力液返回到地面。开式循环系统只需两个井下通道：一个是泵入动力液的导管；另一个是将乏动力液和采出液一起送到地面的导管。可以采用两根油管柱，也可以采用一根管柱。使用一根管柱时，是利用油管和套管环形空间作为另一个通道。简易和经济是开式系统的重要特点。无杆采油—水力活塞泵4/12/2024油动力液比水动力液性能好，但不利于平安、生态和环境保护。用水动力液，就必须要参加化学添加剂以改善水的某些性能，将造成生产本钱提高，因而限定了水动力液只能在闭式系统中使用。开式系统可用油动力液，但由于动力油的本钱较高，并且运转时需要动力液处理装置，因此也将提高生产本钱。2.动力液(常用的动力液有水和油)无杆采油—水力活塞泵4/12/2024四、水力活塞泵的特点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。其主要缺点是机组结构复杂，加工精度要求高，动力液计量困难。1〕泵排量范围较大〔16-1600m3/d〕；2〕可用于斜井；3〕便于加化学剂；4〕适宜抽重质油；5〕可用于单井或多井；6〕可在温度相对较高的井内工作无杆采油—水力活塞泵4/12/2024项

目适用性应用范围或工艺条件举升高度强不受限制产液量范围宽140mm（51/2in）套管油井可达320m3/d以上，178mm（7in）套管油井可达640m3/d以上高气液化有条件适应气体经单独通道返出时不受限制；气体经泵采出时，震保证沉没度井斜或弯曲强不受限制结

垢较强动力液携带防垢剂，或使用磁防垢器出

砂差动力液含砂<0.01%高凝油井强动力液流量，温度须保证稠油井较强动力液须用稀原油或水基动力液，并保证其流量、温度腐

蚀较强须用动力液携带缓蚀剂分层开采强使用分层开采的泵及管柱五、水力活塞泵应用范围及工艺条件

无杆采油—水力活塞泵4/12/20242、组成井下局部：由工作筒、滑阀、拉杆、排出筒、吸入阀、固定阀、换向槽、封隔器等组成，起抽油的主要作用地面局部：包括地面动力泵、各种控制阀及动力液处理设备，担负提供动力的任务中间局部：动力液由地面→井下机组的中心油管，乏动力液和产出液排至地面的专门通道。无杆采油—水力活塞泵4/12/2024

潜油电泵全称为电动潜油离心泵，简称电泵，是重要的机械采油方法。电动潜油离心泵装置可以在较深的不同状况的油井中大量的提取原油，其流量范围为31.8～9539.3m3/d，最大下泵深度可达4500m，油水比范围宽，原油含量可从0～100%，被认为是一种经济有效特别适用于海上油井和高产油井的无杆抽油设备。第二节潜油电泵采油无杆采油—潜油电泵4/12/2024(1)地面局部:包括变压器、控制屏、接线盒和特殊井口装置等。(2)中间局部:主要有油管和电缆。(3)井下局部:主要有多级离心泵、油气别离器、潜油电机和保护器，起抽油作用。一般多级离心泵在上面，之间是保护器下面是电机，三者的轴用花键连接，壳体用法兰连接。有的下面还装有探测器，测定井内压力及液面起升情况。1.系统组成一、系统组成及设备装置无杆采油—潜油电泵4/12/20242、系统工作过程地面电源电机所需工作电压变压器控制屏输入井下电机电缆离心泵旋转带动把井液通过分离器输入泵内由泵叶轮使井液增压经油管举升到地面无杆采油—潜油电泵4/12/20241、多级离心泵二.系统的设备装置无杆采油—潜油电泵由于井经有限、井深，为了提高扬程，故采用多级离心泵。与地面离心泵的构成相同，每一级都包含一个装在轴上随同轴一起转动的叶轮和一个固定在壳体上的导轮。叶轮多为闭式、单吸、径向或混合式叶轮，起转能作用；导轮起导液、扶正和降速增压的作用。叶轮的型号决定了泵的排量；叶轮的级数决定了泵的扬程和电机所需的功率。

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叶轮有固定式和浮动式两种。

浮动式叶轮可以轴向窜动，每级叶轮产生的轴向力被叶轮和导轮上的止推轴承承受。整节泵所产生的轴向推力由保护器中的止推轴承承受。

固定式叶轮固定在泵轴上，既不能轴向窜动，也不能靠在导轮的止推垫上。叶轮及压差所产生的全部推力，都由装在保护器内的止推轴承承受。无杆采油—潜油电泵4/12/2024无杆采油—潜油电泵对于大流量的泵，叶轮一般采用固定式安装，即叶轮固定在泵轴上，叶轮及压差所产生的全部轴向力，由安装在保护器内的止推轴承承受；对于深井，流量变化范围较大的泵，叶轮采用浮动式安装结构，即叶轮可以沿泵轴轴向窜动。4/12/20242、多级离心泵结构特点：1〕外廓尺寸细长〔直径小长度大〕直径小是受井内套管空间和电缆限制(一般外径92～150mm)长度大是级数多，最多的达700多级，一般600～900m水柱的泵长6～7m，高压泵达15m长，应充分利用井径最大限度的增加叶轮直径以降低级数。2〕轴向卸载，径向扶正泵的级数多，每节一般由上百级，由一根直径只有17～30mm、长度达7.5m的泵轴带动，因此，每一级导轮中心孔和泵轴之间都装有青铜衬套，成为对泵的径向扶正轴承。每一级叶轮的进、出口端的受力不平衡，需要止推轴承承受。3〕必须安装启动单流阀和卸油用溢流阀，无杆采油—潜油电泵4/12/2024

保护器是电泵机组正常运转不可缺少的重要部件之一。根据结构和作用原理不同，可将其分为活塞式、橡皮囊式和重液隔离式三种类型。

作用：1〕密封电机轴的动力输出端，防止井液进入电机2〕在电泵机组启、停过程中，为电机油的热胀冷缩提供一个补偿油的储藏空间。3〕通过连接电机驱动轴与泵轴，起传递扭矩的作用4〕保护器内的止推轴承可承受泵的轴向力。〔2〕保护器无杆采油—潜油电泵4/12/2024〔3〕油气别离器自由气进入离心泵后，将使泵的排量、扬程和效率下降，工作不稳定，而且容易发生气蚀损害叶片。因此，常用气体别离器作为泵的吸入口，以便将气体别离出来。按别离方式不同，别离器分可为沉降式和旋转式两种类型。旋转式别离器是靠旋转时产生的离心力进行油气别离的，别离效果较好。Rgl<30%,别离效率>90%,适用于低含砂井。沉降式别离器是靠重力分异进行油气别离的，其效果较差。当Vg/Vl<10%，别离效率最高为37%，当Vg/Vl>10%，别离效率会下降。无杆采油—潜油电泵4/12/2024〔4〕潜油电动机和普通的交流电动机相比饺，潜油电动机具有以下的结构特点：1.外廓尺寸细长。2.转子和定子分节。3.保证电动机的严格密封并需充油。4.润滑油循环系统比较特殊。〔结构图12〕4/12/2024潜油电缆作为电泵机组输送电能的通道局部，长期工作在高温、高压和具有腐蚀性流体的环境中，因此，要求潜油电缆具有较高的芯线电性、绝缘层的介电性，较好的整体抗腐、耐磨以及耐高温等稳定的物理化学性能。

潜油电缆包括潜油动力电缆和潜油电机引接线。动力电缆分为圆电缆和扁电缆两种类型，而电机引接线只有扁电缆一种。井径较大者用圆电缆，井径较小者可用扁电缆。〔5〕电缆无杆采油—潜油电泵4/12/2024

控制屏是对潜油电泵机组的启动、停机以及在运行中实行一系列控制的专用设备，可分为手动和自动两种类型。它可随时测量电机的运行电压、电流参数，并自动记录电机的运行电流，使电泵管理人员及时掌握和判断潜油电机的运行状况。〔6〕控制屏无杆采油—潜油电泵4/12/2024

1)为防止短路烧坏电机，提供短路速断保护；

2)

欠载时实际排量将小于设计排量，电机将因工作时产生的热量不能全部散发而烧坏，因此控制屏提供欠载保护；3)

过载时电机超负荷运转容易烧坏，因此控制屏还提供过载保护；4)潜油电泵不允许反转，因此三相电机的相序要正确，对此控制屏提供了相序保护；5)控制屏还设有延时再启动装置，对于间歇生产的井实行自动延时再启动控制。控制屏的功能无杆采油—潜油电泵4/12/2024二、潜油电泵机组的型号表示4/12/2024三、潜油电动离心泵的适用范围及特点使用电泵的实践说明，对于强水淹井，高产井、浅井和中深井、深井以及方向井、多砂和多蜡井，电泵的使用效果都很好。其排量范围为16m3/d－14310m3/d；最大下泵深度可达4600m，井下最高工作温度可达230℃。无杆采油—潜油电泵4/12/2024水平电泵——用于高压注液井〔Reda公司制造，排量4769m3/d，排出压力27.6MPa)低排量高泵效电泵——外径101.6mm、400级用于水平井的电泵——美国ODI公司制造出可使电泵通过12º/30m弯曲段的专用装置，并已成功应用滑片式电泵无杆采油—潜油电泵4/12/20242、潜油电泵机组改进电泵轴套——减少磨损电泵动力油管——为电机提供动力串联双级旋转式别离器——提高别离效率无杆采油—潜油电泵4/12/2024射流泵属于水力泵，1852年由英国的James创造本世纪50年代用于原油开采，70年代在国外得到普遍应用。近年来我国开始使用。第三节射流泵采油简介无杆采油—射流泵4/12/20241.系统组成地面局部、中间局部和井下局部。地面局部和中间局部与水力活塞泵相同，所不同的是水力射流泵只能安装成开式动力液循环系统。井下局部是射流泵，它是由喷嘴、喉管和扩散管三局部组成。

射流泵是一种特殊的水力泵，它没有运动件，是靠动力液与地层流体之间的动量转换实现抽油的。一、系统组成及泵的工作原理无杆采油—射流泵4/12/2024无杆采油—射流泵4/12/2024喉管处：d喉管>d喷嘴，动力液和地层流体在喉管内充分混合后，速度水头降低，而压力水头有所上升。此时动力液失去动量和动能，地层流体得到动量和动能。但是，由于此时总水头仍主要是以速度水头的形式存在，压力水头还缺乏以将混合液举升到地面。扩散管：射流泵的最终工作断面为精细制造的扩散管断面，由于扩散管断面的面积逐渐增大，使得速度水头转换为压力水头，从而将混合液举升到地面。2.工作原理喷嘴处：动力液的总压头几乎全部变为速度水头。混合室：原油那么被动力液抽汲，与动力液混合后流入喉管。无杆采油—射流泵4/12/2024

按工作流体的种类分类，射流泵可分为液体射流泵和气体射流泵(喷射泵)两种。

3.分类无杆采油—射流泵4/12/2024无杆采油—射流泵4/12/20241930年，Moinean创造，并在美国获得第一个专利，31-32年在法国制造。我国1986年开始研究地面驱动螺杆泵。在我国的一些油田中稠油开采的相当突出的问题，稠油中含有出砂，含气现象，使油井工作条件及为复杂。在开采高粘含砂含气的原油时，螺杆泵具有独特的优势。它是一种容积式泵，运动件〔