石油鉆采機械第八章 無桿采油設(shè)備

第八章無桿采油設(shè)備石油鉆采機械一、水力活塞泵采油二、電動潛油離心泵采油三、射流泵采油簡介四、螺桿泵采油簡介4/12/2024第一節(jié)水力活塞泵采油〔HydraulicPumping〕水力活塞泵是一種液壓傳動的無桿抽油設(shè)備,由緊密組合成一體的馬達(dá)和泵組成。實際上水力活塞泵就相當(dāng)于把液壓抽油機的驅(qū)動油缸和換向閥移到井下和抽油泵一起連接，取消了抽油桿。地面動力泵通過油管將高壓動力液送動力液經(jīng)管柱泵入井內(nèi)驅(qū)動油缸和換向閥，驅(qū)動井下馬達(dá)從而帶動抽油泵抽油工作，而乏動力液和油井采出液那么由生產(chǎn)管柱返出地面。所依據(jù)的根本原理就是帕斯卡定律。應(yīng)用：稠油井和高含蠟井、深井和定向井，且效率較高。表示：見課本P332。無桿采油—水力活塞泵4/12/20241、系統(tǒng)組成井下局部:水力活塞泵的主要機組，它由液動機、水力活塞泵和滑閥控制機構(gòu)三個部件組成，起著抽油的主要作用；地面局部:地面動力泵、各種控制閥及動力液處理設(shè)備等組成，起著供給和處理動力液的作用；中間局部:中心動力油管以及供原油和工作過的乏動力液一起返回到地面的專門通道。一、系統(tǒng)組成及泵的工作原理無桿采油—水力活塞泵4/12/20242、工作過程無桿采油—水力活塞泵4/12/20241、根本結(jié)構(gòu)〔以差動式單作用水力活塞泵為例工作原理：〕二.泵的工作原理無桿采油—水力活塞泵1、液動機活塞；2、活塞桿；3、主控制滑閥；4、水力活塞泵活塞4/12/2024〔1〕下沖程

主控滑閥位于下死點。高壓動力液從中心油管經(jīng)過通道a進(jìn)入液動機的下缸，作用在活塞的環(huán)形端面上；同時，高壓動力液經(jīng)過通道b進(jìn)入腔室c，再由通道d進(jìn)入液動機上缸，作用在活塞上端面上。由于活塞上、下兩端作用面積不同而產(chǎn)生壓差，使液動機帶動泵柱塞向下運動?；钊麠U實際上是一個輔助控制滑閥，在桿身的上、下部開有控制槽e和f。當(dāng)活塞桿接近下死點時，上部控制槽e溝通了主控滑閥上、下端的腔室c和g，使高壓動力液由控制槽e進(jìn)入主控滑閥的下端腔室g。因主控滑閥下端面的面積大于上端面的面積，在高壓動力液作用下便產(chǎn)生壓差，使主控滑閥推向上死點，從而完成下沖程。無桿采油—水力活塞泵4/12/2024

如圖(b)，主控滑閥位于上死點。高壓動力液從中心油管經(jīng)過通道a進(jìn)入液動機下缸。由于主控滑閥堵塞了通道b，使高壓動力液不能進(jìn)入液動機的上缸。液動機上缸通過通道d、主控滑閥中部的環(huán)形空間h與抽取的原油相溝通。在液動機上、下缸的壓差作用下，液動機活塞帶動泵的柱塞向上運動。上缸中工作過的乏動力液和抽取的原油混合后舉升到地面。當(dāng)活塞桿接近上死點時，下部控制槽f使主控滑閥的下腔室和抽取的原油相溝通，主控滑閥便被推向下死點，液動機重新開始轉(zhuǎn)入下沖程，上沖程便結(jié)束。(2)上沖程無桿采油—水力活塞泵4/12/2024差動式單作用水力活塞泵的優(yōu)缺點:優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)簡單，并可以自由式安裝。缺點:

直徑一定時排量較小以及在工作中壓力不平衡。無桿采油—水力活塞泵4/12/20242、雙作用水力活塞泵上沖程：主滑閥位于下死點，動力液經(jīng)通道17、8進(jìn)入上液缸的下腔，推動活塞向上運行，上液缸活塞上端原油經(jīng)上排出閥排出，井底原油經(jīng)固定閥、下吸入閥進(jìn)入下液缸下腔；下液缸活塞上腔乏動力液經(jīng)22、19和20排到油、套管環(huán)空；4/12/2024當(dāng)活塞組運行到上死點時，高壓動力液通過活塞桿下部的控制槽23和孔11作用到主滑閥的下端，由于下端面積大于上端，主滑閥在高壓動力液的作用下上移到上死點開始下沖程。下沖程：主滑閥位于上死點，動力液經(jīng)通道17、主滑閥和活塞桿的環(huán)空間隙、孔21以及通道22進(jìn)入下液缸的上腔，推動活塞向下運行，下液缸下腔原油經(jīng)排出閥排出，同時上液缸活塞下端閥動力液通過通道8、主滑閥外外表中間的空間以及孔19、20排出到油、套管環(huán)空，原油通過上吸入閥進(jìn)入上液缸上端。4/12/2024

水力活塞泵的安裝方式可分為固定插入式、套管固定式、平行自由式和套管自由式四種。如圖11－13所示。三、水力活塞泵的安裝方式無桿采油—水力活塞泵4/12/2024水力活塞泵的井下機組隨動力油管從油管中下入井底，動力液從直徑較小的動力油管中注入井下機組，原油和乏動力液從動力油管和油管之間的環(huán)形空間返回地面，所有自由氣都從油管和套管的環(huán)形空間導(dǎo)出，如〔a〕所示。1.固定插入式無桿采油—水力活塞泵4/12/2024

2.套管固定式

水力活塞泵井下機組隨動力油管下入井底，并固定在一個套管封隔器上，動力液從動力油管送入井下機組，原油和乏動力液從動力油、套管的環(huán)形空間返回地面，所有的自由氣須經(jīng)水力活塞泵井下機組導(dǎo)出，如圖11－13(b)所示。

無桿采油—水力活塞泵4/12/2024

3.平行自由式

平行自由式安裝方式有兩個平行管柱。水力活塞泵井下機組從大直徑管柱中下入井底，并在一個固定閥座上形成密封，同時上部也進(jìn)入油管內(nèi)壁的一個專用環(huán)箍處形成密封。原油和乏動力液從小直徑管柱中排到地面，自由氣不進(jìn)泵而從套管中直接導(dǎo)出，如圖11－13(c)所示。無桿采油—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個套管封隔器上，井下機組從管柱中下至井底并在一個固定閥座上座封，同時上部也進(jìn)入油管內(nèi)壁的一個專用環(huán)箍處形成密封。動力液從管柱中進(jìn)入井底，原油及乏動力液從套管中排到地面，自由氣必須從水力活塞泵井下機組導(dǎo)出，如圖11－13(d)所示。無桿采油—水力活塞泵4/12/2024

固定式泵:如果將泵連接到動力液油管上并同油管一起下放到井中。

自由式泵:如果將泵放置到動力液油管內(nèi)，并且該泵可以自如地循環(huán)到井底，而再返回到地面。

區(qū)別:自由式泵的尺寸受動力液油管尺寸限制。固定式泵，只要與套管內(nèi)徑配合得當(dāng)，任何尺寸的固定式泵都能與油管尺寸相匹配。

兩種泵即可以是閉式，也可以是開式系統(tǒng)。

閉式動力液系統(tǒng):地面及井下動力液始終在密閉導(dǎo)管中，不與采出液相混；

開式動力液系統(tǒng):動力液與采出液相混，而作為混合動力液返回到地面。油管安置4/12/20241、動力液循環(huán)系統(tǒng)閉式循環(huán)和開式循環(huán)兩種。三、動力液循環(huán)系統(tǒng)及動力液無桿采油—水力活塞泵4/12/20242〕開式循環(huán)動力液與采出液相混，而作為混合動力液返回到地面。開式循環(huán)系統(tǒng)只需兩個井下通道：一個是泵入動力液的導(dǎo)管；另一個是將乏動力液和采出液一起送到地面的導(dǎo)管?？梢圆捎脙筛凸苤部梢圆捎靡桓苤?。使用一根管柱時，是利用油管和套管環(huán)形空間作為另一個通道。簡易和經(jīng)濟(jì)是開式系統(tǒng)的重要特點。無桿采油—水力活塞泵4/12/2024油動力液比水動力液性能好，但不利于平安、生態(tài)和環(huán)境保護(hù)。用水動力液，就必須要參加化學(xué)添加劑以改善水的某些性能，將造成生產(chǎn)本錢提高，因而限定了水動力液只能在閉式系統(tǒng)中使用。開式系統(tǒng)可用油動力液，但由于動力油的本錢較高，并且運轉(zhuǎn)時需要動力液處理裝置，因此也將提高生產(chǎn)本錢。2.動力液(常用的動力液有水和油)無桿采油—水力活塞泵4/12/2024四、水力活塞泵的特點水力活塞泵對油層深度、含蠟、稠油、斜井及水平井具有較強的適應(yīng)性。其主要缺點是機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度要求高，動力液計量困難。1〕泵排量范圍較大〔16-1600m3/d〕；2〕可用于斜井；3〕便于加化學(xué)劑；4〕適宜抽重質(zhì)油；5〕可用于單井或多井；6〕可在溫度相對較高的井內(nèi)工作無桿采油—水力活塞泵4/12/2024項

目適用性應(yīng)用范圍或工藝條件舉升高度強不受限制產(chǎn)液量范圍寬140mm（51/2in）套管油井可達(dá)320m3/d以上，178mm（7in）套管油井可達(dá)640m3/d以上高氣液化有條件適應(yīng)氣體經(jīng)單獨通道返出時不受限制；氣體經(jīng)泵采出時，震保證沉沒度井斜或彎曲強不受限制結(jié)

垢較強動力液攜帶防垢劑，或使用磁防垢器出

砂差動力液含砂<0.01%高凝油井強動力液流量，溫度須保證稠油井較強動力液須用稀原油或水基動力液，并保證其流量、溫度腐

蝕較強須用動力液攜帶緩蝕劑分層開采強使用分層開采的泵及管柱五、水力活塞泵應(yīng)用范圍及工藝條件

無桿采油—水力活塞泵4/12/20242、組成井下局部：由工作筒、滑閥、拉桿、排出筒、吸入閥、固定閥、換向槽、封隔器等組成，起抽油的主要作用地面局部：包括地面動力泵、各種控制閥及動力液處理設(shè)備，擔(dān)負(fù)提供動力的任務(wù)中間局部：動力液由地面→井下機組的中心油管，乏動力液和產(chǎn)出液排至地面的專門通道。無桿采油—水力活塞泵4/12/2024

潛油電泵全稱為電動潛油離心泵，簡稱電泵，是重要的機械采油方法。電動潛油離心泵裝置可以在較深的不同狀況的油井中大量的提取原油，其流量范圍為31.8～9539.3m3/d，最大下泵深度可達(dá)4500m，油水比范圍寬，原油含量可從0～100%，被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)有效特別適用于海上油井和高產(chǎn)油井的無桿抽油設(shè)備。第二節(jié)潛油電泵采油無桿采油—潛油電泵4/12/2024(1)地面局部:包括變壓器、控制屏、接線盒和特殊井口裝置等。(2)中間局部:主要有油管和電纜。(3)井下局部:主要有多級離心泵、油氣別離器、潛油電機和保護(hù)器，起抽油作用。一般多級離心泵在上面，之間是保護(hù)器下面是電機，三者的軸用花鍵連接，殼體用法蘭連接。有的下面還裝有探測器，測定井內(nèi)壓力及液面起升情況。1.系統(tǒng)組成一、系統(tǒng)組成及設(shè)備裝置無桿采油—潛油電泵4/12/20242、系統(tǒng)工作過程地面電源電機所需工作電壓變壓器控制屏輸入井下電機電纜離心泵旋轉(zhuǎn)帶動把井液通過分離器輸入泵內(nèi)由泵葉輪使井液增壓經(jīng)油管舉升到地面無桿采油—潛油電泵4/12/20241、多級離心泵二.系統(tǒng)的設(shè)備裝置無桿采油—潛油電泵由于井經(jīng)有限、井深，為了提高揚程，故采用多級離心泵。與地面離心泵的構(gòu)成相同，每一級都包含一個裝在軸上隨同軸一起轉(zhuǎn)動的葉輪和一個固定在殼體上的導(dǎo)輪。葉輪多為閉式、單吸、徑向或混合式葉輪，起轉(zhuǎn)能作用；導(dǎo)輪起導(dǎo)液、扶正和降速增壓的作用。葉輪的型號決定了泵的排量；葉輪的級數(shù)決定了泵的揚程和電機所需的功率。

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葉輪有固定式和浮動式兩種。

浮動式葉輪可以軸向竄動，每級葉輪產(chǎn)生的軸向力被葉輪和導(dǎo)輪上的止推軸承承受。整節(jié)泵所產(chǎn)生的軸向推力由保護(hù)器中的止推軸承承受。

固定式葉輪固定在泵軸上，既不能軸向竄動，也不能靠在導(dǎo)輪的止推墊上。葉輪及壓差所產(chǎn)生的全部推力，都由裝在保護(hù)器內(nèi)的止推軸承承受。無桿采油—潛油電泵4/12/2024無桿采油—潛油電泵對于大流量的泵，葉輪一般采用固定式安裝，即葉輪固定在泵軸上，葉輪及壓差所產(chǎn)生的全部軸向力，由安裝在保護(hù)器內(nèi)的止推軸承承受；對于深井，流量變化范圍較大的泵，葉輪采用浮動式安裝結(jié)構(gòu)，即葉輪可以沿泵軸軸向竄動。4/12/20242、多級離心泵結(jié)構(gòu)特點：1〕外廓尺寸細(xì)長〔直徑小長度大〕直徑小是受井內(nèi)套管空間和電纜限制(一般外徑92～150mm)長度大是級數(shù)多，最多的達(dá)700多級，一般600～900m水柱的泵長6～7m，高壓泵達(dá)15m長，應(yīng)充分利用井徑最大限度的增加葉輪直徑以降低級數(shù)。2〕軸向卸載，徑向扶正泵的級數(shù)多，每節(jié)一般由上百級，由一根直徑只有17～30mm、長度達(dá)7.5m的泵軸帶動，因此，每一級導(dǎo)輪中心孔和泵軸之間都裝有青銅襯套，成為對泵的徑向扶正軸承。每一級葉輪的進(jìn)、出口端的受力不平衡，需要止推軸承承受。3〕必須安裝啟動單流閥和卸油用溢流閥，無桿采油—潛油電泵4/12/2024

保護(hù)器是電泵機組正常運轉(zhuǎn)不可缺少的重要部件之一。根據(jù)結(jié)構(gòu)和作用原理不同，可將其分為活塞式、橡皮囊式和重液隔離式三種類型。

作用：1〕密封電機軸的動力輸出端，防止井液進(jìn)入電機2〕在電泵機組啟、停過程中，為電機油的熱脹冷縮提供一個補償油的儲藏空間。3〕通過連接電機驅(qū)動軸與泵軸，起傳遞扭矩的作用4〕保護(hù)器內(nèi)的止推軸承可承受泵的軸向力?！?〕保護(hù)器無桿采油—潛油電泵4/12/2024〔3〕油氣別離器自由氣進(jìn)入離心泵后，將使泵的排量、揚程和效率下降，工作不穩(wěn)定，而且容易發(fā)生氣蝕損害葉片。因此，常用氣體別離器作為泵的吸入口，以便將氣體別離出來。按別離方式不同，別離器分可為沉降式和旋轉(zhuǎn)式兩種類型。旋轉(zhuǎn)式別離器是靠旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力進(jìn)行油氣別離的，別離效果較好。Rgl<30%,別離效率>90%,適用于低含砂井。沉降式別離器是靠重力分異進(jìn)行油氣別離的，其效果較差。當(dāng)Vg/Vl<10%，別離效率最高為37%，當(dāng)Vg/Vl>10%，別離效率會下降。無桿采油—潛油電泵4/12/2024〔4〕潛油電動機和普通的交流電動機相比餃，潛油電動機具有以下的結(jié)構(gòu)特點：1.外廓尺寸細(xì)長。2.轉(zhuǎn)子和定子分節(jié)。3.保證電動機的嚴(yán)格密封并需充油。4.潤滑油循環(huán)系統(tǒng)比較特殊?！步Y(jié)構(gòu)圖12〕4/12/2024潛油電纜作為電泵機組輸送電能的通道局部，長期工作在高溫、高壓和具有腐蝕性流體的環(huán)境中，因此，要求潛油電纜具有較高的芯線電性、絕緣層的介電性，較好的整體抗腐、耐磨以及耐高溫等穩(wěn)定的物理化學(xué)性能。

潛油電纜包括潛油動力電纜和潛油電機引接線。動力電纜分為圓電纜和扁電纜兩種類型，而電機引接線只有扁電纜一種。井徑較大者用圓電纜，井徑較小者可用扁電纜?！?〕電纜無桿采油—潛油電泵4/12/2024

控制屏是對潛油電泵機組的啟動、停機以及在運行中實行一系列控制的專用設(shè)備，可分為手動和自動兩種類型。它可隨時測量電機的運行電壓、電流參數(shù)，并自動記錄電機的運行電流，使電泵管理人員及時掌握和判斷潛油電機的運行狀況?！?〕控制屏無桿采油—潛油電泵4/12/2024

1)為防止短路燒壞電機，提供短路速斷保護(hù)；

2)

欠載時實際排量將小于設(shè)計排量，電機將因工作時產(chǎn)生的熱量不能全部散發(fā)而燒壞，因此控制屏提供欠載保護(hù)；3)

過載時電機超負(fù)荷運轉(zhuǎn)容易燒壞，因此控制屏還提供過載保護(hù)；4)潛油電泵不允許反轉(zhuǎn)，因此三相電機的相序要正確，對此控制屏提供了相序保護(hù)；5)控制屏還設(shè)有延時再啟動裝置，對于間歇生產(chǎn)的井實行自動延時再啟動控制?？刂破恋墓δ軣o桿采油—潛油電泵4/12/2024二、潛油電泵機組的型號表示4/12/2024三、潛油電動離心泵的適用范圍及特點使用電泵的實踐說明，對于強水淹井，高產(chǎn)井、淺井和中深井、深井以及方向井、多砂和多蠟井，電泵的使用效果都很好。其排量范圍為16m3/d－14310m3/d；最大下泵深度可達(dá)4600m，井下最高工作溫度可達(dá)230℃。無桿采油—潛油電泵4/12/2024水平電泵——用于高壓注液井〔Reda公司制造，排量4769m3/d，排出壓力27.6MPa)低排量高泵效電泵——外徑101.6mm、400級用于水平井的電泵——美國ODI公司制造出可使電泵通過12o/30m彎曲段的專用裝置，并已成功應(yīng)用滑片式電泵無桿采油—潛油電泵4/12/20242、潛油電泵機組改進(jìn)電泵軸套——減少磨損電泵動力油管——為電機提供動力串聯(lián)雙級旋轉(zhuǎn)式別離器——提高別離效率無桿采油—潛油電泵4/12/2024射流泵屬于水力泵，1852年由英國的James創(chuàng)造本世紀(jì)50年代用于原油開采，70年代在國外得到普遍應(yīng)用。近年來我國開始使用。第三節(jié)射流泵采油簡介無桿采油—射流泵4/12/20241.系統(tǒng)組成地面局部、中間局部和井下局部。地面局部和中間局部與水力活塞泵相同，所不同的是水力射流泵只能安裝成開式動力液循環(huán)系統(tǒng)。井下局部是射流泵，它是由噴嘴、喉管和擴(kuò)散管三局部組成。

射流泵是一種特殊的水力泵，它沒有運動件，是靠動力液與地層流體之間的動量轉(zhuǎn)換實現(xiàn)抽油的。一、系統(tǒng)組成及泵的工作原理無桿采油—射流泵4/12/2024無桿采油—射流泵4/12/2024喉管處：d喉管>d噴嘴，動力液和地層流體在喉管內(nèi)充分混合后，速度水頭降低，而壓力水頭有所上升。此時動力液失去動量和動能，地層流體得到動量和動能。但是，由于此時總水頭仍主要是以速度水頭的形式存在，壓力水頭還缺乏以將混合液舉升到地面。擴(kuò)散管：射流泵的最終工作斷面為精細(xì)制造的擴(kuò)散管斷面，由于擴(kuò)散管斷面的面積逐漸增大，使得速度水頭轉(zhuǎn)換為壓力水頭，從而將混合液舉升到地面。2.工作原理噴嘴處：動力液的總壓頭幾乎全部變?yōu)樗俣人^。混合室：原油那么被動力液抽汲，與動力液混合后流入喉管。無桿采油—射流泵4/12/2024

按工作流體的種類分類，射流泵可分為液體射流泵和氣體射流泵(噴射泵)兩種。

3.分類無桿采油—射流泵4/12/2024無桿采油—射流泵4/12/20241930年，Moinean創(chuàng)造，并在美國獲得第一個專利，31-32年在法國制造。我國1986年開始研究地面驅(qū)動螺桿泵。在我國的一些油田中稠油開采的相當(dāng)突出的問題，稠油中含有出砂，含氣現(xiàn)象，使油井工作條件及為復(fù)雜。在開采高粘含砂含氣的原油時，螺桿泵具有獨特的優(yōu)勢。它是一種容積式泵，運動件〔