有杆与无杆采油设备概述及对比
机械有杆、无杆采油技术
2.影响泵效的因素
Q/Qt
(1)
抽油杆柱和油管柱的弹性伸缩
入
Sp S
(2) 气体和充不满的影响 V 液
V活
(3B
1 Bl
3.提高泵效的措施
(1)选择合理的工作方式 ①选用大冲程、小冲次，减小气体影响，降低悬点载荷， 特别是稠油的井。 ②连喷带抽井选用大冲数快速抽汲，以增强诱喷作用。
液击现象：泵充不满生产时，柱塞与泵内液面撞击引 起抽油设备受力急剧变化的现象。
2.漏失对示功图的影响 ① 排出部分的漏失
图10-9 泵排出部分漏失
柱塞的有效吸入行程：
Spu BC
泵效：
BC/S
② 吸入部分漏失
图10-10 吸入凡尔漏失
柱塞的有效吸入行程：
SpedDA
泵效：
DA/S
图10-11 吸入凡尔严重漏失
1)上冲程 抽油杆柱带着柱塞向上运动，柱塞上
的游动阀受管内液柱压力而关闭。
泵内压力降低，固定阀在环形空间液 柱压力(沉没压力)与泵内压力之差的作用 下被打开。
泵内吸入液体、井口排出液体。
泵吸入的条件： 泵内压力(吸入压力)低于沉没压力。
A-上冲程
2)下冲程
柱塞下行，固定阀在重力作用下关闭。 泵内压力增加，当泵内压力大于柱塞以上 液柱压力时，游动阀被顶开。
(一)理论示功图及其分析
1.静载荷作用下的理论示功图
循环过程：下死点A加载完成B上 死点C卸载完成D下死点A
图10-5 静载理论示功图
ABC为上冲程静载荷变化线。AB为加载过程， 加载过程中，游动凡尔和固定凡尔处于关闭 状态；在B点加载完毕，变形结束，柱塞与 泵筒开始发生相对位移，固定凡尔打开而吸 入液体。BC为吸入过程（BC=sP为泵的冲 程），游动凡尔处于关闭状态。
04有杆泵及无杆泵采油技术
第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理
2、抽油泵
抽油泵是将机械能转化为流体压能的设备。
主要组成
工作筒(外筒和衬套) 柱塞 游动凡尔(排出阀) 固定凡尔(吸入阀)
柱塞 游动凡尔 工作筒 固定凡尔
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第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理
Hale Waihona Puke 泵的类型按照抽油泵在油管中的固定方式可分为： 管式泵和杆式泵
A-管式泵
B-杆式泵
1—油管；2—锁紧卡；3—柱塞；4—游动凡尔；5—工作筒；6—固定凡尔
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第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理
（1）管式抽油泵： －下泵深度较小的高产油井
特
工作筒在地面组装好后接在油管 柱下端，随油管一起下入井内，
点
然后投入固定凡尔，最后把柱塞
接在抽油杆柱下端下入泵筒内。
柱塞上下抽汲一次为一个冲程在一个冲程内完一分钟内完成的冲程次数叫冲数冲次第一节第一节游梁式抽油装置及泵的工作原理游梁式抽油装置及泵的工作原理泵的理论排量及泵效泵的理论排量及泵效第一节第一节游梁式抽油装置及泵的工作原理游梁式抽油装置及泵的工作原理泵的工作过程泵的工作过程是由三个基本环节所组成即是由三个基本环节所组成即柱塞在柱塞在泵内让出容积泵内让出容积井内液体进泵井内液体进泵和和从泵内排出井内液体从泵内排出井内液体
在实际生产中，由于油管、抽油杆的弹性伸缩、气体进泵、砂、 蜡等各种因素影响，实际产量往往小于理论排量Qt。
泵效：实际产量Q与理论产量Qt的比值
＝ Q
Qt
泵效的大小反映了泵的工作状况，泵效越大，泵的工 作条件越好。
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第一节 游梁式抽油装置及泵的工作原理 （二)泵的理论排量及泵效
采油设备
采油技术设备引言采油是石油工业上游中继钻井之后的工作流程。
在油田开发过程中由于油层自身特点不同，所用的采油方法、采油设备也不同。
而在采油过程中采油设备起到了致关重要的作用。
本文就针对采油设备及相关方面内容进行介绍。
采油法及与之对应的设备一、自喷采油机设备自喷采油：油层物性好、压力高的油井，油气可自喷到地表。
二、自喷原理自喷井的四种流动过程1、渗流：从油层流到井底，流体在多孔介质中渗虑。
如果井底的压力大于油的饱和压力，为单向渗流；如果井底的压力小于油的饱和压力，为多向（混气）渗流。
2、垂直管流：从井底流到井口，流体在油管中上升，一般在油管某断裂处压力已低于油的饱和压力，故属于单项流或多项流。
3、嘴流：通过控制自喷井产量的油嘴，一般流速较高。
4、水平管流：沿地面管线流到转油站，一般为多相管流。
四种流动过程是互相联系、制约的，是一个统一的动力学系统。
对于某一油层，在一定的开采阶段，油层压力稳定于某一数值不变，这时油井压力变大，油井的产量就会减少；油井压力变小，油井的产量就会增加。
可见，在油层渗流阶段，井底压力是阻力，而对于垂直管流阶段，井底压力是把油气举出地面的动力。
井口油管压力对于垂直管流是阻力，而对嘴流是动力。
垂直管流中能量的来源与消耗1、单向垂直管流的能量的来源是井底流动压力，能量消耗在克服井深的液柱压力，及液体从井底流到井口过程中垂直管壁之间的摩擦力。
2、多向垂直管流的能量的来源：1、进入井底的液气所具有的压力（流压）；2、随同油流进入井底的自由气及举升过程中从油中分离出来的天然气所表现的气体膨胀能，能量消耗：1、气体作用于液体上，垂直的推举液体上升，2、气体与液体之间的摩擦作用，携带液体上升。
三、基本设备1、井口设备(1)套管头：在井口装置的下端，作用连接井内各层套管并密封套管间的环形空间。
(2)油管头：装在套管头的上面，包括油管悬挂器和套管四通。
油管悬挂器作用是悬挂油管管柱，密封油管与油层套管间的环形空间；套管四通作用是正反循环洗井，观察套管压力以及通过油套环形空间进行各项作业。
无杆泵采油
重点授课内容提要
第一节 电动潜油离心泵采油
电动潜油离心泵简称潜油电泵或电潜泵或电泵，20 世纪 20 年代中后期开始在美国应用。
（一）系统组成
潜油电机是一般是两极三相鼠笼式异步感应电动机，与其它异步电动机工作原理相同。 其主要特点是，外形呈细长型；定子和转子分节；电机内充满专用润滑油，起润滑、冷却、 增强电机绝缘性能和平衡电机内外压力的作用。
（二）螺杆泵的结构和工作原理 1、螺杆泵的结构
由定子和转子组成。转子是通过精加工、表面镀铬的高强度螺杆；定子就是泵筒，是由 一种坚固、耐油、抗腐蚀的合成橡胶精磨成型，然后被永久地粘接在钢壳体内而成。除单螺 杆泵外，螺杆泵还有多螺杆（双螺杆、三螺杆等泵）。 2、螺杆泵的工作原理
靠空腔排油，即转子与定子间形成的一个个互不连通的封闭腔室，当转子转动时，封闭 空腔沿轴线方向由吸入端向排出端方向运移。封闭腔在排出端消失，空腔内的原油也就随之 由吸入端均匀地挤到排出端。同时，又在吸入端重新形成新的低压空腔将原油吸入。 （三）螺杆泵采油的特点
电动潜油离心泵是由多级组成的，其中每一级包括一个固定的导轮和一个可转动的叶 轮。与普通离心泵相比，在结构上有以下特点：①受套管内径限制，泵外形是细长状，直径 小，长度大，叶轮、导轮级数多；②垂直悬挂运转，轴向卸载，径向扶正。
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类，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。其主要作用是将地 面的电力传输给井下电机。
保护器是利用井液与电机油的密度差异，以防止井液进入电机造成短路而烧毁电机的装 置。
分离器分可为沉降式和旋转（离心）式两种。沉降式分离器是靠重力分异进行油气分离 的，其效果较差，适合于气液比低于 10%的井。旋转式分离器是靠旋转时产生的离心力进 行油气分离的，分离效果较好，在吸入口气液比低于 30%的范围内使用，分离效率可达 90% 以上。
采油机械——有杆泵采油
(2)游梁
游梁的作用：游梁安装在支 架轴承上，作用是绕支点 轴承作摇摆运动来传递动 力，同时也是承受负荷的 主要构件。
游梁安装的要求：为了校准 驴头中心与井口中心一致, 往往在游梁上焊上2—4个 顶丝，并且将游梁上的 “U”型卡子的孔开成长方 形的。亦有在抽油机支架 上焊上2—4个顶丝，用来 调节小轴的轴承位置。
安装时要注意曲柄孔、曲柄孔 键槽、锥形套和键等应有良 好的配合，否则易滚键或断 曲柄销。
(5)曲柄
曲柄的位置：曲柄安装在 减速器输出轴两端共 两个。
曲柄的结构：曲柄上有 4—8 个 圆 孔 ， 调 节 冲 程时可将曲柄销子固 定在任何一个适当的 孔里。图为曲柄和平 衡块的安装图。
(5)曲柄
曲柄的安装:曲柄一端有开口 的大孔,是用它把曲柄安装 在减速器的输出轴上。安 装时键槽孔要对正,然后将 键打入键槽,再将孔旁的差 动螺丝或T型螺丝上紧。曲 柄两侧的两个大铁块叫平 衡块，平衡块是用T型螺丝 与曲柄紧固在一起。平衡 块上面标的箭头处是平衡 块的中心线，它是供调平 衡时应用的。
(3)横梁
横梁的作用：是连接连杆 与游梁之间的桥梁，动 力经过横梁才能带动游 梁作摇摆运动
横梁的形式: 一般有三种, 一种是直形横梁，另一 种是船形横梁，还有一 种是翼形横梁。
横梁结构：多采用型钢焊 接结构，如船形横梁 ( 图 a) ， 也 有 少 数 铸 造 横梁，如翼形横梁(图b)
第4堂开始
普通式抽油机结构简图
2.游梁式抽油机的结构：
(1)驴头
驴头的安装形式： 驴头是装在游梁近
井口端的一个带弧面构 件，由钢板或三角铁焊 接制成。 驴头的作用：
在游梁摆动的情况 下保证光杆始终对准井 口中心位置。
驴头的类型:
有杆泵采油简介
复杂化，因此地面示功图很不规则，需要更加细致
的加以分析，也可能无法做出任何判断。
21
参 考 文 献
张琪.采油工程原理与设计.中国石油大学出版社,2000 采油技术手册.石油工业出版社
22
谢 谢 各 位
10
有杆泵抽油系统工况分析
通常情况下油井生产工况是通过液面和示功图 分析。
动液面测试仪测得环空液面深度，可以算出泵
的沉没度，判断地层供液能力。 泵的工作好坏在地面难以直接观察。例如，泵 失效、管柱断脱等，但是地面设备仍工作，难以判 断。可以利用泵示工图判断泵工作。
11
地面示功图
示功图是由载荷随位移的变化关系曲线所构成的封闭曲线图。原理 ：根据泵上下冲程的负荷，测量游梁钢丝绳（悬绳器）受力判断。 理论示功图：上冲程时，要将 井下的抽油杆、活塞和油管柱内的油 提出，钢丝绳受力大。下冲程是下放 活塞和抽油杆，是进油冲程，钢丝绳 受力小。 存在抽油杆拉伸和还原，示功图 ：加载AB-吸入BC-卸载CD-排出DA。
采油方式为人工举升。
常见的人工举升有有杆泵采油和无杆泵采油。
2
主要内容
有杆泵采油 采油装置
有杆泵抽油系统工况分析 动液面 示功图
3
有杆泵采油
有杆泵采油包括游梁式抽油机井有杆泵采油和地面 驱动螺杆泵采油，它们都是用抽油杆将地面动力传递给 井下泵。前者是将抽油机悬点的往复运动通过抽油杆传 递给井下柱塞泵，后者是将井口驱动头的旋转运动通过
B C A D
载 荷
B
C
位移 固定凡尔和游动凡尔同时严重漏 失。油井无液，负载变化不大，示 功图近似椭圆形。 位移
A
D
各种机械采油方式比较
各种机械采油方式的比较一、有杆泵1、有杆泵抽油系统的主要优点：（1）多数油田和操作人员都熟悉，有杆泵的安装和操作较熟练；（2）排量范围较好，各种配件齐全，服务及维修方便。
2、有杆泵抽油系统的缺点：（1）各种杆式泵的排量都受油管尺寸和泵挂深度的限制，若油井油气比高、出砂、结蜡或流体中含硫化物或其他腐蚀性物质，深井泵容积效率要降低；（2）抽油杆柱在油管中的磨损将损坏油管，增加了维修作业费用。
二、电潜泵电潜泵是将电动机和泵一起下入油井内液面以下进行抽油的井下采油设备。
地面电源通过变压器、控制屏和潜油电缆将电能输送给井下潜油电机，使电机带动多级离心泵旋转，将电能转换为机械能，把油井中的井液举升到地面。
1、电潜泵举升方式的主要优点：(1) 排量大；(2) 操作简单，管理方便；(3) 能够较好地运用于斜井、水平井以及海上采油；(4) 在防蜡方面有一定的作用。
2、电潜泵举升方式的主要缺点：(1) 下入深度受电机功率、油套管直径、井筒高温等的限制；(2) 比较昂贵，初期投资高；(3) 作业费用高和停产时间过长；(4) 电机、电缆易出现故障；(5) 日常维护要求高。
3、影响电泵工作特性的因素分析（1）含气液体对电泵工作特性的影响扬程、排量及效率下降；游离气体过多时，叶轮流道的大部分空间被气体占据，将会使离心泵停止排液。
（2）液体粘度对电泵工作特性的影响液体粘度大使得泵的举升功率增加；同时泵的扬程、排量和效率也有所下降；油水乳状液含水率(粘度)对电泵的影响。
（3）温度对电泵工作特性的影响流体温度对电机和电缆的绝缘程度有较大的影响；流体温度高需要选择耐温等级高的电机和电缆，增加采油成本。
（4）砂、蜡等对电泵工作特性的影响电泵生产要求含砂小于0.05%；含砂后，泵叶轮磨损，排量下降；蜡沉积堵塞叶导轮流道，井液阻力增加。
泵排量下降；电机负荷增加，严重时过载停机。
（5）其它如沉没度、井下压力等与气体影响有关。
三、螺杆泵1、螺杆泵采油系统的优越性：(1)节省一次投资，螺杆泵与电动潜油泵、水里活塞泵和油梁式(链条式)抽油机相比，由于其结构简单，所以价格低；(2)地面装置结构简单，安装方便；(3)泵效高、节能、管理费用低；(4)适应粘度范围广，可以举升稠油；(5)使用高含砂井；(6)适应高含气井；(7)适用于海上油田丛式井组和水平井，螺杆泵可下在斜直井段，而且设备占地面积小，因此适合海上油田丛式井组甚至水平井的采油井使用；(8)允许井口油较高回压；(9)当发动机或电动机停转时，在某些情况下，砂沉积在泵的上部。
无杆泵采油
二 电潜泵油井生产系统设计
电潜泵油井生产系统设计是以电泵井生产系统为对象， 以油井供液能力（IPR）为依据，以整个系统协调为基 础，把获得规定产量（或给定设备）下的最高效率和最 低能耗作为设计目标，在设计中采用了节点和系统分析
方法。
（一）电潜泵油井生产系统 油层系统 井筒流动系统 潜油离心泵系统 流入动态（IPR） 气—液多相管流流动规律 H－Q和η－Q特性曲线
(5) 日常维护要求高。
(一) 潜油电机
(1) 定子系统
作用：产生旋转磁场。
主要 结构 组成 及其 作用 (2) 转子系统 作用：产生感应电流而受力转动，并输出机械扭矩。 (3) 止推轴承 作用：承受电机的轴向力。
(4) 润滑油循环系统
作用：电机运行时，润滑各轴承；对电机润滑和冷却。
潜油电机主要结构特点： (1) 两极、三相鼠笼式异步感应电机； (2) 外廓尺寸细长； (3) 转子和定子分节；
(9) 计算各段的级数和泵内增温； (10) 计算泵功率、效率、级数和总的增温； (11) 计算泵出口温度； (12) 计算电泵井泵以上流体温度的分布； (13) 根据离心泵所需的功率选择潜油电机； (14) 电缆电压降计算，确定地面电压，选择控制屏； (15) 计算变压器的容量，确定变压器的型号和规格； (16) 电潜泵抽油井生产工况参数的预测与优化。
2.泵的结构
上接头
壳 体
叶 轮 导 轮
转 轴
轴 套 下接头 泵吸入口
图4-2 潜油多级离心泵结构示意图
结构特点：
直径小、级数多、长度大；
轴向卸载、径向扶正；
泵吸入口装有特殊装置，如油气、油砂分离器等； 泵出口上部装有单流阀和泄油阀。
3.泵的工作特性
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有杆采油装备与无杆采油装备概述及对比
人类有着1600年左右的石油开采历史，直到1848年俄国工程师F.N. Semyenov在巴库东北方的Aspheron半岛开采了第一口现代油井后，人类才步入了现代化的石油开采时代。
其中机械采油装备经过了一百多年的发展，逐渐形成了当今有杆采油装备和无杆采油装备两大体系。
据统计，全世界约有100万口左右的在产油井，其中使用有杆采油装备的约占到90%以上，这些有杆采油装备的驱动装置采用游梁式抽油机的约占到80%以上。
（兰石以往出口抽油机型全部为游梁式抽油机。
）
一. 机械采油装备概述
机械采油装备基本可归纳为两大类，有杆采油装备和无杆采油装备。
1.有杆采油设备：位于地面的动力设备通过一系列的机械传动带动抽油杆柱，再由抽油杆柱带动井下抽油泵活塞上、下往复运动或旋转运动，将井内原油抽至地面的采油设备。
可分为：
1) 杆式抽油泵：检泵方便，但结构复杂，制造成本较高，在相同的油管直径下允许下入的泵径较管式泵要小，适用于下泵深度较大，产量较小的油井。
该泵地面驱动装置为游梁式或非游梁式抽油机。
2）管式抽油泵：结构简单，成本低，在相同油管直径下允许下入的泵径比杆式泵大，因而排量大。
但检泵时必须拆卸油管，修井工作量大，故适用于下泵深度不大，产量较高的井。
该泵地面驱动装置为游梁式或非游梁式抽油机。
3）地面驱动螺杆泵：能够输送高粘度、高含砂量的原油，适应高气油比、中等深度低产井
原油的需要，工艺简单、管理方便、低生产成本、具有高举升性能。
但螺杆泵缺点为油井抽油杆易断脱、油管漏失、结蜡严重、螺杆泵定子脱落、磨损严重等故障频繁。
该泵的驱动装置为螺杆泵电机，安置在地面采油树上。
2.无杆采油设备：不用抽油杆柱传递能量，而是用电缆或高压液体传递能量的采油设备统称为无杆采油设备。
其中可细分为：
1）电泵类：
a.电动潜油离心泵：是一种井下工作的多级离心泵，排量大、操作简单、管理方便、在防蜡方面有一定作用。
在有些高凝油、稠油情况下还需要加装一套原油稀释系统，由稀释管线向井下油层注入稀释液。
该泵驱动装置是电机，与泵成一体结构，由电缆给电机供电。
b.电动潜油螺杆泵：具有地面螺杆泵的优点和工作范围，又避免了地面驱动螺杆泵的缺点，驱动电机与泵为一体，下放至井下，由电缆给电机供电。
c.电动潜油往复泵：由直线电机驱动柱塞往复运动，从而将原油提升至地面。
优点与有杆系统的管式抽油泵相同。
驱动电机与泵为一体，下放至井下，由电缆给电机供电。
以上三种电动潜油泵有着共同的缺点，即电机均在井下，下泵深度受电机功率、油套管直径、井筒高温等限制，工作环境非常恶劣（高温、强腐蚀），设备比较昂贵、初期投资高，作业费用高、电机电缆易出现故障、日常维护要求高。
电机工作电压等级达到了1140V，地面变配电设备投资较高。
2）水力泵类：
a.水利活塞泵：由地面动力泵将动力液增压后经油管或专用通道泵入井下，驱动马达做上下往复运动，来帮助井下柱塞泵抽油。
对高气油比、出砂、高凝油、含蜡、稠油、深井、斜井及水平井具有较强的适应性。
优点是可任意调节排量，起下泵可不起油管，操作和管理方便。
泵效率可达85%以上。
缺点是地面要多建一条高压管线,动力液要处理,增加了建井和管理成本。
b.水力射流泵：是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并将原油带出地面。
射流泵没有运动部件，结构紧凑，泵排量范围大，对定向井、水平井和海上丛式井的举升有良好的适应性。
缺点是射流泵的效率远低于容积式泵的效率，地面要多建一条高压管线,动力液要处理,增加了建井和管理成本。
3.其他采油设备：近些年出现了一种新型智能提捞式抽油机。
该设备由地面智能抽油主机、柔性抽油杆、无缝对接油管、井下抽油器组成。
地面智能主机系统由电动滚筒及智能控制系统构成，柔性抽油杆为特殊封装工艺的复合钢丝绳，井下抽油器为软柱塞式结构，配备液位测量传感器。
实际工作过程中，油管作为泵筒，地面主机将电机动力通过滚筒、钢丝绳传递给软柱塞，使其在油管内进行往复运动，将井底液体提升至井口直接进入集输流程。
地面控制系统可
以根据井况随时设定井下抽吸深度距离及上下工作界面，通过液位传感器自动判断液面情况，满足工作条件即完成一次抽吸，否则不动作，克服了传统抽油机供液不足情况下“空抽”难题，节能效果明显，有效提高油井提高采收率。
该设备适用于供液能力差、产量低、能耗高、设备负载率低的低产油井。
因此设备刚出现不久，还没有发现投放市场使用，所以这种设备的稳定性还待实际使用过程的检验。
二. 机械采油设备优缺点分析
经过前文所述各种设备的适用范围和优缺点，经过分析比较可以看出：
1.有杆采油装备：优点是适用范围广，井深井浅、稠油稀油均可正常工作，运行可靠，维护费用较低，地面驱动设备多为抽油机，运行稳定，停机检修频率低，维护成本低，电力和油井自产天然气均可作为抽油机的动力能源。
能可靠建设成无人值守油井，稳定产出原油。
仅需定期巡检即可。
缺点是地面驱动装置比较庞大，钢材消耗量大，能源利用率较低。
2.无杆采油装备：优点是电泵和水力泵的产量大，缺点是电泵均安置在井下，工作环境恶劣，运行故障率高，线缆容易受损，停机检修频率高，地面高压供电设备成本较高。
水力泵产出液含水高，且地面高压动力液的产出设备建设投资和维护管理费用高，设备定期巡检频率高。
经过广大油田开发者一百多年的生产实践产生了一个基本统一的观念，就是有杆系统和游梁式抽油机的组合工作运行稳定、产出原油稳定、人工成本低廉、无需过多操心，所以才有了全世界近90%的采油装备为有杆采油这个现实。