第四章 无杆泵采油

1、第四章 无杆泵采油一般将利用抽油杆柱上下往复运动进行驱动的抽油设备统称为有杆抽油设备（井数多规模大）；凡是不用抽油杆柱传递能量，而是利用电缆或高压液体传递能量的抽油设备统称为无杆抽油设备。利用抽油杆柱旋转运动的井下螺杆泵装置虽然也有抽油杆，但习惯上将其列入无杆抽油设备。本章主要介绍潜油电泵、螺杆泵、水力射流泵和水力活塞泵抽油装置、采油及工艺设计方法。第一节 潜油电泵采油潜油电泵(ESP，Electric Submersible Pump)全称电动潜油离心泵，简称电泵或电潜泵，是将电动机和多级离心泵一起下入油井液面以下的采油设备。主要特点是排液量大、自动化程度高，目前广泛应用于非自喷高产井、高含

2、水井和海上油田。一、潜油电泵采油系统如图4-1所示，潜油电泵采油系统主要由电机、保护器、气液分离器、多级离心泵、电缆、接线盒、控制屏和变压器等部件组成。除了上述基本部件外，还可选用一些附属部件，如单流阀、泄油阀、扶正器、井下压力测量仪表和变速驱动装置等。该系统的工作原理是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，带动多级离心泵叶轮旋转，将电能转换为机械能，把井液举升到地面。图4-1 典型潜油电泵采油系统1. 潜油电泵系统部件1）电机电机用于驱动离心泵转动。井下电机一般为两极三相鼠笼感应电机，工作原理与地面电机相同，在60Hz时的转速为3500rpm(r/min)，目前电机的功率范围

3、为5.5-735kW，根据实际需要电机可以采用几级串联达到特定的功率。电机内充满电机油，用于润滑和导热，运行电机产生的热量由电机油通过电机外壳传给井液，井液将热量带走冷却电机，因此电机必须安装在井液流过的地方。2）保护器保护器主要用于将电机与井液隔开，平衡电机内压力和井筒压力。保护器的作用是连接电机的驱动轴与泵轴，连接电机壳与泵壳；保护器的充油部分与容许压力下的井液连通时，保证电机驱动轴密封，防止井液进入电机；当电机运行时，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因膨胀而溢出的电机油，防止电机内压力上升过高，反之当油温下降收缩时，保护器内的油又补充给电机；保护器中的止推轴承用于

4、承受泵轴重量和各种不平衡力；保护器外壳也作为电机油附加冷却面；可以罩住电机的止推轴承。普遍使用的保护器包括连通式、沉淀式和胶囊式，主要区别在于隔离电机和井液的方式不同。3）气液分离器气液分离器的作用是将游离气从井液中分离，减小气体对泵特性的影响。当泵吸入口气液比超过10时，泵的特性变差，甚至可能发生气锁，因此采用分离器使进泵的气量在泵能承受的范围之内。分离器的分离能力由分离效率描述，分离效率是套管产气量与泵吸入口条件下游离气量之比。分离器主要包括沉降式和旋转式。沉降分离器只能处理泵吸入口气液比在10以下的井液，而且分离效率最高只能达到37。旋转式分离器能处理泵吸入口气液比在30以内的井液，分离

5、效率高达90。分离器应根据泵吸入口游离气量进行选择。如果分离器能力一定，反过来可确定泵的最小吸入压力和井的产能。对于气体含量很高的井，还须选用高级气体处理装置。该装置根据压降越低流体混合越均匀的原理工作。气液混合物在进泵前均匀混合使之接近单相流动，防止气锁，以提高泵效。4）电缆电缆用于向井下电机供电，它由电缆卡子固定在油管上的动力电缆和带电缆头的电机扁电缆组成。电缆主要包括圆电缆和扁电缆，扁电缆主要用于电机或套管环形空间间隔较小的井。电缆中的导线有铜的或铝的，可以有多股，导线之间和导线外部有绝缘层，绝缘层必须耐温、耐压、耐井液浸蚀，有时在绝缘层外有一个铅护套，在护套外用金属铠皮进行铠装保护。不

6、同型号电缆的电压降不同，如图4-2所示。电缆的型号用数字表示。铜线电缆型号有1#、2#、4#、6#、8#、10#，铝线电缆有2/0#、1/0#、2#、4#、6#、8#。图4-2 电缆电压降5）控制屏控制屏主要用于控制井下电机的运行，它由电机启动器、过载和欠载保护、手动开关、时间继电器、电流表组成。控制屏的电压范围为6004900V。控制屏的用途是自动控制潜油电泵系统的启动和停机；具有短路、过载、欠载保护功能，以及欠载延时自动启动功能；通过电器仪表随时测量电流和电压，可以跟踪系统运行状况；应用变频控制屏可以灵活调节和控制产量的大小。变频控制屏可以改变传给井下电机的频率。变频控制屏通过变速驱动装置

7、进行工作，变速驱动装置是一个可编程的集成控制系统。变频控制屏的频率可以在3090Hz内任意变化，改变电机转速，灵活调节泵的排量，这种控制屏不会把电源瞬变传到井下，而且具有软启动功能，减少机组的损坏。6）变压器变压器用于将交流电的电源电压转变为井下电机所需要的电压，它是根据电磁感应原理工作的。一般采用三种变压器：三个单相变压器、三相标准变压器和三相自耦变压器。7）接线盒在井口和控制屏之间必须装一个接线盒。接线盒的作用是连接控制屏到井口之间的电缆；将井下电缆芯线内上升至井口的天然气放空，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。8）压力传感器压力传感器用于测量井下压力和温度。它可以确

8、定井的产能，便于自动控制。9）单流阀和泄油阀单流阀一般装在泵上方两到三根油管处。当井液的气液比较高时，单流阀的位置还应上移，因为在停泵和防止气锁时，需要给泵内气体上升留出必要的空间。其作用是在停泵时保持油管内充满流体，易于起泵，消耗功率最小；操作安全可靠，地面关闸时油管柱内的气体易压缩，形成高压，操作不安全；防止停泵后液体倒流，使机组反转，这时起泵易烧毁电机，损坏轴和轴承，发生脱扣现象。泄油阀是一剪切插销装置，安装在单流阀上方一根油管处。其作用是在泵的油管柱上装有单流阀时，必须同时在单流阀上方装一个泄油阀，以防止起泵时油管柱中的井液在卸油管时流到地面上。10）扶正器扶正器对泵和电机起扶正作用，

9、使机组处于井筒中间，以便电机很好冷却，防止电缆与套管内壁摩擦损坏。扶正器应固定不动。2. 潜油电泵系统的安装方式潜油电泵的主要安装方式分为标准安装（图4-1）、底部吸入口安装和底部排出口安装。潜油电泵的安装方式不同，系统的组成和用途不完全一样。按照标准安装方式，由下往上依次是电机、保护器、气液分离器、多级离心泵及其它附属部件，主要用于油井采油。电机应在射孔段以上，使井液从电机旁流过，冷却电机，如果电机在射孔段以下，应采用电机罩引导流体从电机旁流过，电机罩还起气液分离器的作用。底部吸入口系统用于油管摩阻损失大或泵径大的井。这种系统是从一根插到井底的尾管吸入流体进泵，通过带封隔器的油套管环形空间排

10、出流体，因此提高了排量和效率。该系统的安装方式与标准安装方式不同，泵和电机的位置刚好是颠倒的，从上到下依次是电机、保护器、排出口、泵、吸入口。底部排出口系统用于将上部层位的地层水转注到下部层位，适用于油田注水开发或气井排水采气。这种系统是从油套管环形空间吸入流体进泵，通过尾管排出到下部层位。该系统的安装方式与标准安装方式也不同，泵和电机的位置也是颠倒的，从上到下依次是电机、保护器、吸入口、泵、排出口。潜油电泵也可用于增压泵系统和采注系统。系统的安装方式与标准安装方式相同。二、井下多级离心泵工作特性井下多级离心泵是举升井液的关键部件，其工作原理与地面离心泵相同。井下多级离心泵由许多单级离心泵串联

11、组成。单级离心泵由装在泵轴上的旋转叶轮和固定在泵壳上的导轮组成，导轮的流道面积逐渐扩大，如图4-3所示。图4-3 单级离心泵离心泵工作原理是：叶轮旋转后离心力的作用使叶轮流道中的液体增压和加速，从叶轮流道出口排出，叶轮旋转机械能转变为流体的压能和动能。流体进入导轮，将一部分动能转变成静压。流体进入下一级叶轮，重复这一过程直到最后一级叶轮。1. 离心泵的特性离心泵的特性是指排量、压头、功率、效率与转速之间的关系。泵的排量是指泵在单位时间内输送的流体体积。泵的压头是指单位重量流体通过泵增加的能量，也称为有效压头或扬程。泵的功率是指电机传给叶轮的功率，称为泵的轴功率。泵的有效功率是指泵内流体获得的功

12、率，即为电泵采油系统有效功率。泵的效率是指泵的有效功率与泵轴功率之比。转速是指泵轴单位时间内的转数。液柱压头与压力之间关系为(4-1)式中 H 压头，m；p 压力，MPa；gf 流体压力梯度，MPa/m；L井液平均相对密度。1) 离心泵特性的理论分析离心泵实际的工作特性非常复杂。为了简便起见，假设叶轮的叶片数量无限多，使流体沿叶轮流道表面的切线方向流动；忽略摩阻损失；叶轮流道内完全充满流体；流线上相似的点的速度相同。在这些假设条件下计算的压头称为理论压头。流体在叶轮流道中的流动一般采用速度三角形分析。在叶轮入口或出口，流体的绝对速度是叶轮圆周速度和流体沿叶轮流道表面切线方向流动相对速度的矢量和

13、，如图4-4所示。图4-4 速度三角形分析描述离心泵特性的基本方程可通过动量矩原理导出。动量矩原理是在稳定流动状态下，单位时间内流体流入和流出叶轮的动量矩变化等于作用在流体上的外力矩。外力矩是泵轴的扭矩，它等于泵轴功率和叶轮旋转角速度之比，如果流体通过泵没有能量损失，泵轴功率将完全转变为流体的有效功率。动量矩方程为(4-2)即 (4-3)式中 井液质量流量，kg/s；1、2分别为叶轮入口、出口处绝对速度与叶轮旋转切线方向的夹角，rad；c1、c2 分别为叶轮入口、出口的绝对速度，m/s；R1、R2 分别为叶轮入口、出口的半径，m；叶轮旋转角速度，rad/s。上式是离心泵的基本方程，也称欧拉方程

14、，适用于不可压缩和可压缩流体。由上式可以看出，泵产生的有效压头与流体密度无关。2) 影响离心泵实际压头偏离理论压头的因素离心泵的实际压头一般都低于理论压头。原因在于叶轮的实际叶片数目是有限的，而且在泵内还存在各种能量损失，能量损失包括水力损失、容积损失和机械损失。叶轮数目有限会使叶轮流道中流体形成相对环流，如图4-5所示。相对环流使叶轮出口处的绝对速度下降，吸入口处的绝对速度上升，叶轮实际压头低于理论压头。叶片数越多，叶轮流道越狭窄，相对环流量越小，因此大排量泵的压头低于小排量泵的压头。图4-5 叶轮流道中的相对环流水力损失是指泵的叶轮流道内的沿程阻力，因流道扩大、缩小、吸入口流体冲击损失，排

15、出口流体混杂、涡流损失，速度改向损失，各种分离流动损失。水力损失使泵的实际压头低于理论压头，这种影响采用水力效率描述，泵的水力效率等于泵的有效压头与传给叶轮中流体的总压头之比。容积损失是指高压液体通过叶轮和导轮间的间隙产生的漏失损失。它使流体流过叶轮的实际流量大于泵的排量，使泵的实际压头低于理论压头。这种影响采用泵的容积效率描述，泵的容积效率等于泵的实测排量与叶轮排量之比。机械损失是指叶轮外表面与液体间、轴与轴承间的摩擦损失。机械损失对泵的排量和压头无任何影响，但要增加泵轴功率。这种影响采用泵的机械效率描述，泵的机械效率等于叶轮传给液体的功率与泵轴功率之比。因此，泵的效率等于水力效率、容积效率

16、、机械效率三项之积。3) 泵的特性曲线泵的特性曲线是指泵的排量、压头、功率、效率和转速之间的关系曲线。一般的特性曲线是在给定的转速(电机频率60Hz，转速为3500rpm)，在相对密度为1、粘度为1mPa.s的清水的测试条件下，按相关标准测取泵的工作特性，也称为泵的标准特性曲线，如图4-6所示。它表示单级泵的工作特性。由图4-6，泵的特性曲线存在一效率最高的点，称为泵的额定工作点，潜油电泵铭牌上标出的性能参数就是额定工作点对应的参数。在额定工作点附近有一最佳排量范围，在此范围内效率随排量的变化不大。在正常工作条件下，潜油电泵应在接近额定工作点工作，至少不应超出最佳排量范围。当泵的排量为零时，泵

17、轴功率比额定功率小得多，因此在启动泵时最好缓慢增加排量，这种启泵方法称为软启动。图4-6 潜油电泵特性曲线潜油电泵制造厂家不同，其泵的特性不同。前苏联有世界上最大的生产厂家Almetyevsk，美国主要有Reda、Centrilift、Kobe、ODI四家制造厂，我国主要有天津潜油电泵联合公司、沈阳电机厂、大庆等潜油电泵公司。在实际应用中，采用不同型号潜油电泵对应的特性曲线直接进行设计计算。当泵的井下排量已知或已算出时，直接从特性曲线上查出单级泵的压头、功率和效率等。2. 影响泵特性的因素泵的转速、井液相对密度、粘度不同，泵的特性不相同，井液存在气体使泵的特性变差，另外在气蚀情况下工作泵容易损

18、坏，也使泵特性变差。因此，必须预测泵在这些条件下的工作特性。1) 转速、相对密度和粘度对泵特性的影响泵的转速对排量、压头和功率都要产生影响，流体相对密度仅影响泵的功率，但它们不影响泵的效率。这些因素对泵特性的影响遵循如下仿射定律(4-4)式中 q1、H1、Pp1、N1、1 分别为标准特性曲线上的排量、压头、功率、转速、相对密度；q2、H2、Pp2、N2、2 分别为泵的实际排量、压头、功率、转速、相对密度。粘度对泵特性影响的理论研究还未完善。当井液与水的粘度差别很大时，可以采用实验系数进行校正。2) 气体对泵特性的影响气体对泵特性的影响主要有以下三个方面：（1）气体进泵会占据一定的泵容，必然使液

19、体进泵量减少；（2）泵内流体密度与单相液体不同，对泵的功率会产生影响；（3）气体对泵内各种能量损失也要产生影响，使泵的特性偏离单相液体的特性。在泵吸入条件下，游离气体积Vg占气液总体积Vt的份额称为进泵含气率：(4-5)式中 fw 含水率；Rgo、Rs进泵气油比、原油溶解气油比，m3/m3。地面低压实验表明：当泵吸入口气液比小于0.07时，泵的压头排量曲线与单相液体接近，当泵吸入口气液比大于0.07时，泵的特性偏离单相液体的特性。目前普遍把泵吸入口气液比为0.1作为界线。当井液在吸入条件下气液比小于0.1时，可以直接采用泵的标准特性曲线，否则应该安装井下气液分离器和提高吸入压力等方法使进泵的游

20、离气减小，也可以采用两相泵的特性进行设计。根据井下气液分离器的能力，由式（4-5）可以确定出合理的泵吸入口压力，使潜油电泵举升能获得的最大产量。利用标准特性曲线选泵时，应该采用泵吸入口的油、气、水三相总体积排量确定第一级泵。当游离气较少时，可以认为各级泵的特性相同；当游离气较多时，流体总体积随每级泵压力增加而减小，流体密度也不同，为了使每级泵都在最高效率下工作，必须对进入每级泵的流体总体积和密度进行计算，根据这种思路选择的泵称为锥形泵。由于计算比较复杂，一般采用计算机程序完成。泵吸入口的油、气、水三相总体积排量为(4-6)式中 Qm 泵吸入口气液总体积排量，m3/d；QL 标准条件下产液量，m

21、3/d。当泵吸入口的游离气量很大时，潜油电泵会出现气锁。潜油电泵的气锁是泵内存在游离气时，流体密度下降，泵的排出压力相应减少。如果泵排出压力小于排出管柱中流体回压，泵内流体就排不出去，被锁在叶轮中，造成排液中断。一般采用停泵的方法使泵内气体上升来减少气锁的影响。3)气蚀潜油电泵的气蚀是泵内任何一点流体压力低于工作温度下流体饱和蒸汽压时，产生小气泡，气泡流入高压区会冷凝和破碎，这时产生的压力很大，使泵易受到冲击和腐蚀，这种现象和水击相似，称作气蚀。气蚀使泵的工作特性变差，排量和效率下降。为了防止气蚀和气锁，泵的吸入压力必须足够高。泵的净吸入压力定义为泵内不会产生气蚀和气锁的最低吸入压力。3. 轴

22、向止推力轴向止推力是作用在叶轮上的各种轴向不平衡力的总和，包括下止推力和上止推力。下止推力是作用在和吸入口面积相等的环形面积上的排出压力与吸入压力所产生的压力差，使泵承受向下止推力，其大小与排量成反比。上止推力是由于叶轮入口和出口速度大小、方向改变产生的向上的推力，其大小与排量成正比。随着排量的增加，叶轮轴向止推力的方向从向下过渡到向上，因此叶轮的轴向止推力可能为向下方向的力，也可能为零，或者为向上方向的力。当叶轮固定在泵轴上时，叶轮的轴向止推力都由保护器中的止推轴承承担，这种叶轮叫固定式叶轮。为了消除叶轮的轴向止推力，一般采用浮动式叶轮，它可以轴向窜动，窜动范围由装在导轮上的上下止推垫片控制

23、。泵在最高效率点工作时，叶轮的轴向止推力接近于零，在最佳排量范围内工作时，叶轮处于浮动状态，超出此范围会使叶轮和止推垫片磨损，如图4-7所示。因此，在选泵时应使泵在最佳排量范围内工作。图4-7 浮动式叶轮工作状态三、潜油电泵系统设计设计的潜油电泵系统应满足：第一，必须使泵在最高效率点附近工作，至少不应超出最佳排量范围；第二，泵的额定排量必须和井的产能协调，额定压头必须等于井的总动压头；第三，电机功率必须满足泵举升流体所需的功率。在设计之前应收集和分析有关油井、生产、流体和电源数据。当井液的气液比较高时，选泵较复杂，应采用计算机完成。对于不含气油井或气液比较小的油井，可以按如下步骤选泵：1）确定

24、井的产量在给定的泵挂深度下确定井的产量，同时计算泵吸入压力、进泵含气率和总流体体积；（1）根据一系列假设的泵吸入压力，由式(4-5)计算进泵含气率，如图4-8所示；（2）根据分离器的分离能力和泵对气体的处理能力，确定出泵吸入压力和进泵含气率；（3）由泵吸入压力计算井底压力，如图4-9所示，泵以下的压力分布根据地层气液比和套管尺寸进行计算；（4）由井的流入动态曲线确定产量；（5）由式(4-6)计算泵吸入口总流体体积。当给定产量时，同样可以确定出泵挂深度和其它参数。图4-8 进泵含气率与压力的关系 图4-9 潜油电泵井压力分布2）确定总动压头总动压头是泵在设计排量下工作时所需产生的总压头，它等于泵

25、排出口压头与泵吸入口压头之差。泵排出口压头等于井口剩余压头、油管摩阻、井口到泵挂深度处的液柱高度产生的压头之和，泵以上油管压力分布根据进泵含气率和油管尺寸按单相或多相液体管流方法计算。(4-7)式中 H 泵的总动压头，m；pd、ps 分别为泵的排出和吸入压力，MPa。3）选泵根据总流体体积、套管内径和各种泵的标准特性曲线，选择排量接近最高效率点的最高泵效的泵。根据总流体体积，从选择的泵的标准特性曲线上读出单级泵的压头、功率和效率。泵的级数由下式计算(4-8)式中 n 离心泵的级数；H、Hsp 分别为泵的总动压头和单级泵的压头，m。4）选择电机电机应根据套管内径、功率、电压和井温进行选择。根据套

26、管内径选择最大外径的电机，其寿命长，可靠性强，成本低。电机电压应根据功率、电缆和控制屏进行最佳选择。对于特定的功率，如果选择的电机电压小，那么小直径电缆的电压降会很大，大直径电缆的成本高或受套管尺寸限制，如果选择高电压的电机，可以采用一根小直径便宜的电缆，但需要一台较贵的高电压控制屏，在深井选择高电压电机可以降低成本。井温对电机选择影响很大，井温高电机寿命短，成本也高。电机功率由下式计算(4-9)式中 Pp 电机功率，kW；泵效。5）选择保护器保护器应根据电机和泵的规格、电机功率和井温进行选择。保护器一般与电机和泵属同一系列。电机功率和井温大，需要的容量也大。6）选择电缆电缆必须根据套管内径、

27、电压降、电流、井温和腐蚀条件进行选择。套管内径限制电缆的规格，电缆的电压降一般应小于30V/304.8m，电流不能超过电缆的最大载流能力。根据电流和井温从电缆电压降图4-2上可以确定出电缆型号和电压降，根据井液腐蚀条件确定是否选择铠装和铅护套电缆。7）选择控制屏控制屏应根据地面电压和电机电流进行选择。为了适应将来采用较大排量的泵，选择容量较大的控制屏较好。控制屏的地面电压等于电机电压、电缆电压降和其它部件的电压降之和。8）选择变压器变压器应根据变压器的容量、地面所需电压和电流进行选择。地面所需电压等于电机电压、电缆电压降、变压器电压降和其它部件电压降之和，变压器的电压降一般取控制屏地面电压的2

28、.5。变压器的容量由下式计算BYQ (4-10)式中 BYQ变压器的容量，kVA；U、U电机额定电压、电缆电压降，V；I 电机额定电流，A。9）选择附属部件。【例4-1】 选泵设计。已知：平均地层压力11MPa，原油饱和压力8MPa，生产气油比65m3/m3，泵口温度50，含水率0.8，产液指数52m3/(MPa.d)，油层中深1120m，泵深950m，井口油压1.2MPa，套管内径139.7mm，油管内径62mm，气相对密度0.6，气体偏差系数0.86，油相对密度0.86，网路电源电压为6000V，频率f为50Hz。解 1）确定泵吸入口压力进泵含气率与泵吸入口压力有关，对特定的分离器，允许的

29、进泵含气率一定，为了获得进泵含气率与泵吸入口压力的关系曲线，必须计算不同压力下的含气率。先以吸入口压力4MPa为例，说明其计算步骤。（1）计算原油溶解气油比。常用Standing公式（1-95）计算地层原油饱和压力下的溶解气油比，即= 37.4m3/m3在选泵计算中，由上式计算出的溶解气油比通常需用式（4-11）进行校正。(4-11)泵吸入口压力与饱和压力的比值为 原油溶解气油比校正系数为则 m3/ m3（2）计算体积系数。泵口条件下的天然气体积系数为由式（1-96），相应原油体积系数为（3）由式（4-6）计算进泵含气率。分别取不同泵吸入口压力pi，计算相应的进泵含气率fg列入表4-1。表4-

30、1 不同泵吸入口压力下的进泵含气率pi，MPa2.04.06.08.0fg0.3250.1570.1050.06（4）根据井下分离器确定泵吸入口压力。如果潜油电泵机组使用旋转式分离器，应取进泵含气率0.25，从上表可标值得出此潜油电泵抽油时对应的泵吸入口压力为2.65MPa。2）计算油层中部流压忽略气体的影响，按单相流计算：MPa3）根据油井产能确定其产液量由于流压明显低于饱和压力，根据该井基本数据可知，该井在井底附近为油、气、水三相渗流。根据流压4.3MPa，由【例1-4】流入动态数据表其产液量QL为335m3/d。4）多级离心泵的选择根据垂管单相液流方法计算泵排出口压力为10.65MPa，

31、油井总动压头为m由潜油电泵特性曲线，选用排量为320m3/d的泵比较合适，其单级扬程为4.1m/级，泵效为0.64。泵级数201选用400系列N80型泵，排量为320 m3/d，需组装201级，扬程823.1m。考虑分离器的分离效率，分离器选择旋转式分离器。5. 潜油电机的选择由式（4-10）计算电机功率kW从潜油电泵使用说明书提供的电机性能参数，选用450系列52.2kW电机比较合适，其电压1290V，电流为43A。选用胶囊式保护器，其工作原理是一个外胶囊保护一个内胶囊，而内胶囊又保护着潜油电机，这样除外胶囊与井液接触外，其它胶囊处于电机油的工作环境，既可以满足潜油电机的工作要求，又可有效的

32、降低保护器的几何长度尺寸。6）潜油电缆的选择根据电机功率及电压和电流，耐压为3000V的4号扁电缆为宜，其电缆压降损失为21V/304.8m，总长度为1000m。所以 7）变压器的选择变压器容量为kVA根据计算结果选用SSQY 1256/1.36型变压器，变压器的容量为125kVA，一次电压为6000V，二次电压为1360V/380V。8）控制柜的选择根据电机的额定电流及电压，选用电压为1500V，电流为90A的控制柜。由于此井已进入高含水开采期，其粘度对泵工作特性的影响不大，所以在本例中可以不进行粘度校正。四、潜油电泵井的节点分析方法潜油电泵井生产系统如图4-10。一般取井底为解节点，将系统

33、分为流入和流出两个子系统。流入子系统包括从地层至井底，用流入曲线反映流入子系统动态；流出子系统包括从井口至泵排出口的油管、泵本身以及井底至泵吸入口，用流出曲线反映流出子系统动态。图4-10 潜油电泵井生产系统潜油电泵井节点分析方法步骤如下：1）假设一系列不同的产量。2）对每一产量，根据地层流入动态方法计算井底压力，绘制流入曲线。3）计算流出曲线。对每一产量，进行以下计算：（1）由井口向下直到泵排出口，根据垂直管两相流方法确定泵排出压力；（2）由泵特性曲线读出每级压头；（3）假设各种级数，对每种级数计算泵吸入压力；（4）由泵入口向下直到井底，根据垂直管两相流方法计算井底压力；（5）将流出曲线迭加

34、在流入曲线上。4）读出流入和流出曲线交点处泵吸入口压力和产量。5）对不同级数下产量，由泵特性曲线确定泵的每级功率，计算总功率。6）绘制产量与功率的关系曲线。7）选择合适的排量。排量必须在最佳泵效范围内，并经济可行。不同离心泵级数的潜油电泵井节点分析曲线如图4-11所示，产量与级数和功率关系如图4-12所示。图4-11 节点分析曲线 图4-12 产量与级数和功率的关系第二节螺杆泵采油螺杆泵（PCP，Progressing Cavity Pump）是以液体产生的旋转位移为泵送基础的一种新型机械采油装置。它融合了柱塞泵和离心泵的优点，无阀、运动件少、流道简单、过流面积大、油流扰动小。在开采高粘度、高

35、含砂和含气量较大的原油时，同其它采油方式相比具有灵活可靠、抗磨蚀及容积效率高等特点。随着合成橡胶和粘结技术的发展，使螺杆泵也成为稠油出砂冷采、聚合物驱油的油田主要的人工举升方式。生产厂家主要有美国的Centrilift（Baker Hughes公司的分部）、Amoco、Reda等几个大公司，它们以其雄厚的经济、技术实力，很快就研制成功并进入批量生产阶段，在技术及产品上均处于世界领先地位。在加拿大主要由Corod公司，法国PCM公司，英国的Moyno泵有限责任公司、美国的Kois & Moyno公司，我国现加工制造螺杆泵的厂家有北京石油机械厂、唐山玉联有限责任公司、上海东方、潍坊生建、胜利高原、

36、天津螺杆机械有限责任公司等多家，应用及配套技术也相对成熟，现已成熟的螺杆泵采油配套技术有：管柱防脱技术，杆柱防脱技术、管柱、杆柱扶正技术、螺杆泵井清、防蜡解堵工艺技术。这些配套技术的成功应用使螺杆泵在稠油开采领域得到了较广泛的应用。一、螺杆泵采油系统螺杆泵采油系统按驱动方式可划分为地面驱动和井下驱动两大类，而地面驱动按不同驱动形式又可分为皮带传动和直接传动两种形式，如图4-13所示，井下驱动也可分为电驱动和液压驱动两种形式，如图4-14所示。在整个螺杆泵采油系统中，地面驱动发展较早、也较成熟，但是井下驱动避免了地面驱动扭矩的损失、设备也比较少，具有较高的采油效率，国内正处于试验阶段。图4-13

37、 地面驱动螺杆泵采油系统1-电控箱；2-电机；3-皮带；4-方卡子；5-减速箱； 6-压力表；7专用井口；8-抽油杆；9-抽油杆扶正器； 10-油管扶正器；11-油管；12-螺杆泵；13-套管；14-定位销；15-油管防脱器；16-筛管；17-丝堵；18-油层图4-14 井下驱动螺杆泵采油系统1-扶正器；2-套管；3-潜油电机；4-保护器；5-潜油减速器； 6-电缆护罩；7-螺杆泵；8-螺杆泵排出头；9-引接电缆；10-油管；11-单向阀；12-泄油阀；13-动力电缆；14-地面电缆；15-井口装置；16-接线盒；17-控制柜；18-变压器1. 地面驱动螺杆泵系统地面驱动螺杆泵装置是利用抽油杆

38、传递地面电机的扭矩，带动井下螺杆泵转动来举升原油。就其驱动方式而言，它是一种旋转运动的有杆泵。其装置主要由驱动系统、联接器、抽油杆及井下抽油装置组成。但随着丛式井、定向井及斜井的日益增多，地面驱动螺杆泵开始暴露出其缺陷，由于不断的扭转常使抽油杆接箍松脱，丝扣损坏，特别是在下泵较深，负荷较大的井中更为严重；另外，在丛式井、定向井和斜井中，常规的地面驱动系统还要经受抽油杆损坏和抽油杆与油管偏磨产生的漏失问题，增加了油井因抽油杆失效所造成的损失，使油井作业费用增加。1）电控箱电控箱由控制系统、监测和保护系统组成。电控箱完成螺杆泵整机的控制，起着监控和保护作用。电控箱装有JD-5-V系列保护器，实现电

39、动机的过载、短路、断相、堵转及三相电流严重不平衡自动的保护功能，动作灵敏可靠。（1）控制系统合上空气开关后，按下启动按钮，交流接触器得电吸合，接通主电路，使电动机运行，螺杆泵便可正常运转。当准备停止工作时，只需按下常闭按钮，交流接触器失电断开主电路，电动机停止运转，螺杆泵便停止工作。（2）监测和保护系统电控箱配有电流表，可监测电动机工作时电流。当电动机启动时或不需要测量电流时，电流表按钮短路，起保护电流表的作用，按下即可读表，得到电流数。2）地面驱动装置地面驱动装置是指油管头下法兰以上与地面出油管线相连接部分设备的总称，是为井下螺杆泵提供动力和适宜的转速，承受杆柱的轴向载荷，为油井产出液进入地

40、面输油管线提供通道，并密封产出液、防止其渗漏到井场。根据原动机不同可分为电动机机械驱动、内燃机驱动和气动驱动三种方式；按装置调速方式可分为无级调速驱动装置和有级调速驱动装置。无级调速方式根据实现方法的不同又有机械式无级调速、变频电动机式无级调速。有的产品还将驱动装置和电控箱进行机电一体化技术集成，对驱动装置实行远距离集中监测控制管理。目前国内油田主要应用的是电动机机械驱动、有级调速、井口法兰连接的地面驱动装置。3）螺杆泵井口目前螺杆泵井口主要有25、28、36和38四种型号，分别适应25、28、36和38四种光杆。其特点是简化了采油树，减小了地面驱动装置的振动，使用、维修、保养方便。4）抽油杆

41、柱抽油杆柱是螺杆泵采油系统中的主要组成部分，是动力传递的重要环节。螺杆泵井同抽油机井用抽油杆柱不同，螺杆泵用抽油杆不仅承受杆柱自身重量、举升液体的载荷，而且要传递扭矩。要求抽油杆柱具备同等级别普通抽油杆相同的机械性能的同时，还具有承受扭矩、防反转卸扣的机械性能。螺杆泵用抽油杆可以分为以下几种类型：实心抽油杆、实心防脱抽油杆、空心抽油杆和空心防脱抽油杆。5）辅助器具油管锚。由于螺杆泵的工作负载表现为扭矩，转子扭矩通过定子作用在油管上，使用油管锚可以防止油管转动，减轻油管磨损。抽油杆扶正器。由于螺杆泵转子具有偏心，所以高速转动的抽油杆柱会造成井口振动和杆柱与管柱摩擦，在抽油杆上安装扶正器是解决该问

42、题的主要手段，特别是高转速的螺杆泵井。抽油杆扶正器一般采用抗磨损的尼龙材料制造。油管扶正器。由于螺杆泵转子离心力的作用，定子受到周期性冲击产生振动，为减小或消除定子的振动需要在定子附近安装油管扶正器。安装时直接套在油管上，一般在定子上提拉短节处安装较为适宜，而对于采用反扣油管的管柱，则需在定子上、下接头处分别安装扶正器。目前油管扶正器的材料主要使用橡胶。2. 井下驱动螺杆泵系统多数井下驱动螺杆泵装置其驱动方式为电动或液压马达，它是另一种形式的潜油电泵（无杆泵）。其井下部分由电机、保护器和螺杆泵组成，潜油电动螺杆泵井下机组主要由四极潜油电机、电机保护器、行星齿轮减速器、减速器保护器、螺杆泵组成。

43、地面电能通过电缆传递给井下电机，带动螺杆泵旋转，将井液排到地面。采用液压马达的井下驱动螺杆泵装置主要用于油井测试过程中。潜油电动螺杆泵工作原理是动力及引接电缆将电力传送至井下潜油电机，潜油电机通过齿轮减速器和双万向节驱动螺杆泵在低速下转动，井液经过泵增压后，通过油管举升到地面。潜油电动螺杆泵井下机组主要由四极潜油电机、电机保护器、行星齿轮减速器、减速器保护器、螺杆泵组成，如图4-15所示。潜油电动螺杆泵的关键部件包括：（1）四极电机；（2）潜油减速器；（3）减速器保护器；（4）双万向节等。图4-15井下驱动螺杆泵目前电动潜油单螺杆泵有单螺杆、双螺杆和三螺杆等3种形式，其采油系统为上下2个左右旋

44、转的转子并联。电动潜油单螺杆泵见表4-1。表4-1 国外电动潜油单螺杆泵潜油电机减速器螺杆泵转速，rpm厂家极数频率，Hz转速，rpm类型减速比6601000齿轮变速2500Amoco4601700单行星齿轮4425460（77）1750（2200）齿轮箱4:1550Reda Pumps16:11382502915双行星齿轮3:19721167Baker HughesCentrilift6035009:132438911.5:1254304二、井下螺杆泵的结构及工作原理1井下螺杆泵的结构螺杆泵由一个能转动的单螺杆(转子)和一个固定的衬套 (定子)组成，如图4-16所示。螺杆采用单线螺杆，其任意

45、位置处的横截面积都是相同的圆面积。螺杆横截面的中心位置与它的轴线距离称为螺杆的偏心距。螺杆的螺线有左旋和右旋两种，对于不同的螺旋方向，电机转动方向应不同。图4-16 螺杆泵结构示意图衬套是采用弹性橡胶制成，其内表面是双线螺旋面。衬套螺旋面的导程是螺杆螺距的两倍。衬套任意位置的横截面积由两个半圆面积和一个矩形面积组成，两个半圆面积等于螺杆横截面积，矩形的长度是螺杆偏心距的四倍，宽度等于螺杆直径。衬套管内螺旋面是这个面积绕轴线转动和沿轴线平移的结果，衬套内螺旋面的螺旋方向要与螺杆螺旋面相同。2. 螺杆泵的工作原理螺杆在衬套中的运动有两种：一是螺杆本身的自转；另一种是螺杆沿衬套内表面滚动使螺杆轴线绕

46、衬套轴线旋转。因此螺杆与中间传动轴必须采用万向轴或偏心联轴节连接。当转子在定子衬套中位置不同时，它们的接触点是不同的。液体完全被封闭，液体封闭的两端的线即为密封线，密封线随着转子的旋转而移动，液体即由吸入侧被送往压出侧。转子螺旋的峰部越多，也就是液力封闭数越多，泵的排出压力就越高。转子截面位于衬套长圆形断面两端时，转子与定子的接触为半圆弧线，而在其他位置时，仅有两点接触。由于转子和定子是连续啮合的，这些接触点就构构成了空间密封线，在定子衬套的一个导程内形成一个封闭腔室；这样，沿着螺杆泵的全长，在定子衬套内螺旋面和转子表面形成一系列的封闭腔室。当转子转动时，转子-定子副中靠近吸入端的第一个腔室的

47、容积，在它与吸入端的压力差作用下，举升介质便进入第一个腔室。随着转子的转动，这个腔室开始封闭，并沿轴向向排出端移动，封闭腔室在排出端消失，同时在吸入端形成新的封闭腔室。由于封闭腔室的不断形成、运动和消失，使举升介质通过一个一个封闭腔室，从吸人端挤到排出端，压力不断升高，排量保持不变。螺杆泵就是在转子和定子组成的一个个密闭的独立的腔室基础上工作的。转子运动时（作自转和公转），密闭空腔在轴向沿螺旋线运动，按照旋向，向前或向后输送液体。螺杆泵是一种容积泵，所以它具有自吸能力，甚至在气、液混输时也能保持自吸能力。以上概述了单头螺杆泵的举升原理，多头螺杆泵的工作原理与单头螺杆泵基本相似，只是多头螺杆泵的

48、头数增加，密封腔室增多，泵的排量也相应地增大。螺杆泵的转子比定子少一个头，它们之间的螺距与头数成正比，如图4-17所示。定子齿廓的螺距是转子螺距的2倍，它等于半径为2E的螺旋线转过去360后，沿轴向移动的距离，转子的螺距则是半径为E的螺旋线位移的距离。图4-17 多头螺杆泵转子和定子截面图91）螺杆泵的理论排量螺杆泵的基本特性包括排量和压头。一个密封腔的横截面积在各个位置都相同，密封腔的横截面积等于衬套横截面积减去螺杆横截面积。螺杆每旋转一周，流体运动一个导程。因此螺杆泵的理论排量为(4-12)式中 Qt 螺杆泵理论排量，m3/d；A 密封腔横截面积，m2；V 流体速度，m/s；E 螺杆偏心距

49、，m；Dr 螺杆直径，m；Ps 衬套导程，m；n 电机转速，rpm。螺杆泵的实际排量为(4-13)式中 螺杆泵的实际排量，m3/d；v螺杆泵的容积效率（一般取0.7左右）。螺杆泵的实际排量小于理论排量，对于相同级数的泵，压头增加，排量要下降，这种现象称为滑脱。因滑脱漏失的流量Q与压力p、泵级数、密封线数、流体粘度、螺杆和衬套间的配合方式有关，如图4-18所示。图4-18 螺杆泵滑脱漏失2）螺杆泵的压头和级数泵的压头与泵的级数、密封线数目有关。对于每个密封腔，螺杆泵和衬套间的接触线称为密封线。正常情况下，一级泵的长度是衬套导程的1.11.5倍。泵级数和密封线数增加，泵的压头会增大。一般采油用螺杆

50、泵单级举升扬程不超过70m，即单级最大工作压差不超过0.69MPa，目前螺杆泵单级工作压差设计为0.5MPa左右。泵的级数由实际需要的举升压头和单级泵的举升压头决定。单级工作压差主要靠定子和转子间的过盈配合来实现，如图4-19所示，而且也与其结构参数、工作参数和定子橡胶的机械物性等有关。图4-19 定子和转子间的过盈配合91-定子钢套；2-定子橡胶；3-转子；a-转子外径；b-定子内径；-过盈量螺杆泵在井下工作时定子和转子的总过盈为(4-14)式中 螺杆泵在井下工作时总过盈，mm；1给定的初始过盈（由泵的外特性确定），mm；2热膨胀产生的过盈（试验确定），mm；3原油溶胀造成的过盈（试验确定）

51、，mm。定、转子初始扭矩小于规定值，其中小排量螺杆泵为60Nm；中排量螺杆泵为100Nm。额定工作压力下泵平均容积效率不得低于0.5，最高效率点不得低于0.7。不同泵型的初始过盈值列入表4-2。表4-2 不同泵型的初始过盈推荐表泵型初始过盈值，mm泵型初始过盈值，mmGLB40-420.150.30GLB280-200.210.42GLB75-400.150.30GLB500-140.210.42GLB120-270.200.40GLB800-140.240.48GLB200-330.250.50GLB（2:3）1200-140.330.68根据大量的试验结果，总结出定、转子初始过盈值的经验公

52、式：(4-15)三、螺杆泵的工作特性螺杆泵的型号不同，其特性不一样，一般用清水测试获得，包括容积效率i、 扭矩M、系统效率与扬程p的特性关系曲线，如图4-20所示。利用泵的特性曲线就能设计选择螺杆泵。螺杆泵的特性曲线受泵的结构参数、工作参数、转子和定子的加工质量、定子橡胶的物理机械性能以及举升介质的影响。图4-20 GLB500-20C螺杆泵特性曲线扭矩与扬程基本成正比关系，可按下式计算：（4-16）式中 M不同压力下的扭矩，Nm；M0零压力下的启动扭矩，Nm；螺杆泵单位举升压力下的扭矩系数，Nm/MPa；p泵举升压差，MPa。系统效率与扬程的关系为：（4-17）式中 系统效率；D转子截圆直径

53、，m；E偏心距，m。四、螺杆泵系统设计以地面驱动螺杆泵为例，介绍螺杆泵的选型。螺杆泵系统要达到长寿命、低能耗、高产能，所选泵型的排量应相对较高和级数相对较小，这就要求在设计之前应收集和分析有关油井、生产、流体和电源数据，根据井的地质和生产参数合理确定排量、级数和扭矩。螺杆泵系统工艺设计步骤如下：1）选择适当的泵挂深度泵挂深度除了应考虑不能超过泵的最大举升扬程外，还应考虑不能超过橡胶许用温度。螺杆泵橡胶许用温度为（4-18）式中 t，t0分别表示螺杆泵橡胶适应的温度和地表四季平均温度，；L下泵深度，m；n螺杆泵转速，rpm；地温梯度，/100m。2）确定泵进出口压差（1）根据井的产量和井口压力计

54、算泵排出压力，对稠油应考虑采用油的粘温曲线计算油管沿程摩阻；（2）由井的流入动态曲线确定井底压力；（3）根据井底压力计算泵吸入压力；（4）根据泵排出压力和吸入压力计算泵进出口压差。3）选泵（1）根据井的产量确定泵的额定排量；（2）根据泵排出压力、求出泵级数；螺杆泵级数为（4-19）式中 K螺杆泵定子级数，级；p螺杆泵单级承压能力，MPa。（3）根据泵特性曲线、额定排量和泵级数选择一泵型。如果没有相应的泵型，则需要调整参数重新计算。4）确定地面驱动总扭矩抽油杆柱所承受的扭矩包括举升液体所需扭矩、克服抽油杆柱与井液摩阻的扭矩、克服螺杆泵内转子与定子间摩擦阻力的扭矩。因此，驱动抽油杆柱所需总扭矩为（

55、4-20）式中 M 总扭矩，Nm；抽油杆角速度，rad/s；L 抽油杆长度，m；p泵进出口压差，MPa；n电机转速，rpm；Dti、Dto油管内、外径，m。总扭矩应在选择泵型驱动头的允许扭矩范围内。一般情况下，零压头排量与理论排量误差在5%内；在实际工况温度和额定扬程工作条件下的泵效应大于0.5；在实际工况温度和1.3倍额定扬程以上的工作条件下的泵效应小于0.95；在实际工况温度和额定扬程工作条件下，转子工作扭矩应小于1.5倍的视有功扭矩。5）选择电机根据表4-9初选电机，电动机功率按下式计算：（4-21）式中 k1功率系数(一般取2.0，若地层含砂量达到1.0则取5)；Qt螺杆泵的理论排量，

56、m3/d；k2负荷率（0.80.9）。6）选择电控箱按前面计算的电动机功率和要求的功能，选择电控箱，其功率为（4-22）式中 P控控制箱的铭牌功率，kW；P电、P线分别表示电动机铭牌功率和动力线损失的功率，kW。若电控箱离电动机距离小于20m，则不用考虑P线。根据驱动装置电动机型号，再配电控箱。7）对抽油杆进行强度校核。8）确定转数。根据产液量和泵型初选转数。影响地面驱动采油螺杆泵转速的主要因素是介质粘度、磨蚀条件和定子橡胶的疲劳。介质粘度影响泵的充满系数。图4-21比较了不同动力粘度的牛顿液体排量与理论排量。若把曲线重新整理，可得到牛顿液体下获得较高容积效率的泵最佳转速，如图4-22所示。图4-21 牛顿液体排量与理论排量之比9 图4-22 动力粘度与泵速的变化9井下螺杆泵的转速分为4挡。根据井液粘度和螺杆泵的容积效率，