泵抽采油法

K.E.Brown,The Technology of Artificial Lift Methods. Vol.1st ed.,Petroleum Publ.Co.,Tulsa,1980.

有桿泵是最常用的單缸單作用抽油泵（圖1），其排油量取決于泵徑和泵的沖程、沖數(shù)。有桿泵分桿式泵、管式泵兩類。一套完整的有桿泵機(jī)組包括抽油機(jī)、抽油桿柱和抽油泵（圖2）。

抽油機(jī)主要是把動(dòng)力機(jī)(一般是電動(dòng)機(jī))的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)抽油桿和泵，抽油機(jī)有游梁式和無游梁式兩種。前者使用最普遍，中國一些礦場(chǎng)使用的鏈條抽油機(jī)屬后一種（見彩圖）。抽油桿柱是連接抽油機(jī)和抽油泵的長(zhǎng)桿柱,長(zhǎng)逾千米,因交變載荷所引起的振動(dòng)和彈性變形，使抽油桿懸點(diǎn)的沖程和泵的柱塞沖程有較大差別。抽油泵的直徑和沖程、沖數(shù)要根據(jù)每口油井的生產(chǎn)特征，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算來優(yōu)選。在泵的入口處安裝氣體分離裝置──氣錨，或者增加泵的下入深度，以降低流體中的含氣量對(duì)抽油泵充滿程度（即體積效率）的影響。

有桿泵是一個(gè)自重系統(tǒng),抽油桿的截面增加時(shí),其載荷也隨著增大。各種材質(zhì)制成的抽油桿的下入深度，都是有極限的，要增加泵的下入深度，主要須改變抽油桿的材質(zhì)、熱處理工藝和級(jí)次。根據(jù)抽油桿的彈性和地層流體的特征，在選擇工作制度時(shí)，要選用沖程、沖數(shù)的有利組合。有桿泵的工作深度在國外已超過3000m,抽油機(jī)的載荷已超過25t，泵的排量與井深有關(guān),有些淺井日排量可以高達(dá)400m3,一般中深井可達(dá)200m3,但抽油井的產(chǎn)量主要根據(jù)油層的生產(chǎn)能力。有桿抽油機(jī)泵組的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,維修管理方便,在中深井中泵的效率為50%左右，適用于中、低產(chǎn)量的井。目前世界上有85%以上的油井用機(jī)械采油法生產(chǎn)，其中絕大部分用有桿泵。

無桿泵適用于大產(chǎn)量的中深井或深井和斜井。在工業(yè)上應(yīng)用的是電動(dòng)潛油泵、水力活塞泵和水力噴射泵。

電動(dòng)潛油泵 是一套多級(jí)離心泵和電動(dòng)機(jī)直接連接的機(jī)泵組。由動(dòng)力電纜把電送給井下的電機(jī)以驅(qū)動(dòng)離心泵，把井中的流體泵送到地面，由于機(jī)泵組是在套管內(nèi)使用，機(jī)泵的直徑受到限制,所以采取細(xì)長(zhǎng)的形狀（圖3）。為防止井下流體(特別是水)進(jìn)入電樞使電機(jī)失效，需采取特殊的密封裝置，并在泵和電動(dòng)機(jī)的連接部位加裝保護(hù)器。泵的排量受井眼尺寸的限制,揚(yáng)程決定于泵的級(jí)數(shù),二者都取決于電動(dòng)機(jī)的功率。電動(dòng)潛油泵適用于中、高產(chǎn)液量，含氣和砂較少的稀油或含水原油的油井。一般日排量為100～1000m3、揚(yáng)程在2000m以內(nèi)時(shí)，效率較高,可用于斜井。建井較簡(jiǎn)單，管理方便，免修期較長(zhǎng)，泵效率在60%左右；但不適用于高含氣的井和帶腐蝕性流體的井，下井后泵的排量不能調(diào)節(jié)，機(jī)泵組成本較高，起下作業(yè)和檢修都比較復(fù)雜。

水力活塞泵 利用地面泵注入液體驅(qū)動(dòng)井下液壓馬達(dá)帶動(dòng)井下泵，把井下的液體泵出地面。水力活塞泵的工作原理與有桿泵相似，只是往復(fù)運(yùn)動(dòng)用液壓馬達(dá)和換向閥來實(shí)現(xiàn)（圖4）。水力活塞泵的井下泵有單作用和雙作用兩種，地面泵都用高壓柱塞泵。流程有兩種：①開式流程。單管結(jié)構(gòu)，以低粘度原油為動(dòng)力液，既能減少管道摩擦阻力，又可降低抽出油的粘度，并與采出液混在一起采出地面。②閉式流程。用輕油或水為動(dòng)力液,用水時(shí)要增添潤滑劑和防腐劑,自行循環(huán)不與產(chǎn)出的液體相混，工作過程中只需作少量的補(bǔ)充。水力活塞泵可以單井運(yùn)轉(zhuǎn)，也可以建泵組集中管理，排量適應(yīng)范圍寬，從每日幾十到上千立方米等，適用于深井、高揚(yáng)程井、稠油井、斜井。優(yōu)點(diǎn)是可任意調(diào)節(jié)排量，起下泵可不起油管，操作和管理方便。泵效率可達(dá)85%以上。缺點(diǎn)是地面要多建一條高壓管線,動(dòng)力液要處理,增加了建井和管理成本。 水力射流泵 帶有噴嘴和擴(kuò)散器的抽油泵（圖5）。水力射流泵沒有運(yùn)動(dòng)零件,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低，管理方便，但效率低，不高于30～35%，造成的生產(chǎn)壓差太小，只適用于高壓高產(chǎn)井。一般僅在水力活塞泵的前期即油井的壓力較高、排量較大時(shí)使用；當(dāng)壓力降低、排量減少時(shí)，改用水力活塞泵。

有桿泵采油是指游梁式有桿泵采油方法，該方法以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，成為目前最主要的機(jī)械采油方法。

機(jī)械采油設(shè)備

游梁式有桿泵采油系統(tǒng)主要由抽油機(jī)、抽油桿和抽油泵“三抽”設(shè)備組成。其工作過程是：由動(dòng)力機(jī)經(jīng)傳動(dòng)皮帶將高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給減速箱，經(jīng)三軸二級(jí)減速后，再由曲柄連桿機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橛瘟旱纳稀⑾聰[動(dòng)，掛在驢頭上的懸繩器通過抽油桿帶動(dòng)抽油泵柱塞做上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而將原油抽汲到地面。

（1）抽油機(jī)

抽油機(jī)是有桿泵采油的主要地面設(shè)備，按是否有游梁，可將其分為游梁式抽油機(jī)和無游梁式抽油機(jī)。

游梁式抽油機(jī)是通過游梁和曲柄連桿機(jī)構(gòu)將曲柄的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)轶H頭的上、下擺動(dòng)。按結(jié)構(gòu)不同可將其分為常規(guī)型和前置型兩類。常規(guī)型游梁式抽油機(jī)是目前礦場(chǎng)上使用最為普遍的抽油機(jī)，其特點(diǎn)是支架在驢頭和曲柄連桿之間，上、下沖程時(shí)間相等。前置型游梁式抽油機(jī)的減速箱在支架的前面，縮短了游梁的長(zhǎng)度，使得抽油機(jī)的規(guī)格尺寸大為減少，并且由于支點(diǎn)前移，使上、下沖程時(shí)間不等。為提高沖程、節(jié)約能源及改善抽油機(jī)的結(jié)構(gòu)特性和受力狀態(tài)，國內(nèi)外還出現(xiàn)了許多變形抽油機(jī)，如異相型、旋轉(zhuǎn)驢頭式、大輪式以及六桿式雙游梁等抽油機(jī)。

為減輕抽油機(jī)重量，擴(kuò)大設(shè)備的使用范圍以及改善其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，國內(nèi)外研制了許多不同類型的無游梁式抽油機(jī)。其特點(diǎn)多為長(zhǎng)沖程低沖次，適合于深井和稠油井采油。目前，無游梁式抽油機(jī)主要有：鏈條式、增距式和寬帶式抽油機(jī)。

（2）抽油泵

抽油泵是有桿泵抽油系統(tǒng)中的主要設(shè)備，主要由工作筒(外筒和襯套)、活(柱)塞及閥(游動(dòng)閥和固定閥)組成。抽油泵按其結(jié)構(gòu)不同可分為管式泵和桿式泵。管式泵適用于下泵深度不大、產(chǎn)量較高的井。桿式泵適用于下泵深度較大，但產(chǎn)量較低的井。

由于井液性質(zhì)的復(fù)雜性，對(duì)泵往往有特殊要求，因此，從用途上又可將抽油泵分為常規(guī)泵和特種泵。特種泵主要有防沙泵、防氣泵、抽稠油泵、分抽混出泵和雙作用泵以及各種組合泵等。

（3）光桿和抽油桿

光桿主要用于連接驢頭鋼絲繩與井下抽油桿，并同井口密封盒配合密封井口。常用的抽油桿主要有普通抽油桿、玻璃纖維抽油桿和空心抽油桿三種。普通抽油桿的特點(diǎn)：機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、成本低、直徑小，有利于在油管中上下運(yùn)動(dòng)。因此，它主要用于常規(guī)有桿泵抽油方式。玻璃纖維抽油桿的特點(diǎn)是：耐腐蝕，有利于延長(zhǎng)壽命；重量輕，有利于降低抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷和節(jié)約能量；彈性模量小，可實(shí)現(xiàn)超沖程，有利于提高泵效。空心抽油桿由空心圓管制成，成本較高，它可用于熱油循環(huán)和熱電纜加熱等特殊抽油工藝，也可以通過空心通道向井內(nèi)添加化學(xué)藥劑。適用于高含蠟、高凝固點(diǎn)的稠油井。

機(jī)械采油優(yōu)點(diǎn)

(1)其設(shè)計(jì)方法及設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理方便，操作和搬遷容易，對(duì)一般油井都比較適用。并可用于小井眼油井和分層開采的油井，可把油井開采至非常低的壓力。

(2)通常采取自然排氣，因此有利于天然氣從井內(nèi)排出，比較容易消除氣體影響。

(3)具有較大的靈活性，當(dāng)油井的產(chǎn)能變化時(shí)，能通過調(diào)節(jié)泵徑和其它工作參數(shù)，使泵的排量同油井的產(chǎn)能相適應(yīng)。

(4)能方便地進(jìn)行各種地面和井下測(cè)試，可及時(shí)準(zhǔn)確地分析地面和井下設(shè)備的工作狀況。

(5)適用于開采高粘原油，同時(shí)也比較容易處理井下結(jié)蠟、結(jié)垢和腐蝕等問題。

機(jī)械采油缺點(diǎn)

(1)在井身彎曲的油井中往往產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，使抽油桿和油管的損壞頻率升高，因此會(huì)影響油井的正常生產(chǎn)，同時(shí)使采油成本增加。

(2)當(dāng)井液含砂和其它固體顆粒較多時(shí)，極易出現(xiàn)卡泵。另外在油氣比過高時(shí)，排氣會(huì)使泵效降低，甚至?xí)贡冒l(fā)生“氣鎖”而失效。

(3)下泵深度受抽油桿強(qiáng)度的限制，并且隨著下泵深度的增加，泵效很快下降，事故頻率也隨之升高。當(dāng)泵下到一定深度后，泵就會(huì)完全失效。

(4)設(shè)備體積較大，在市區(qū)使用引人注目，在海上油井上使用顯得過于笨重。電源必須架設(shè)到井口，因此不宜在沼澤、水網(wǎng)等地理?xiàng)l件比較復(fù)雜的地區(qū)使用。

(5)極易受結(jié)蠟的影響，而且還不能采用涂料油管來防蠟和防腐。

無桿泵采油是不借助抽油桿來傳遞動(dòng)力的抽油設(shè)備。目前無桿泵的種類很多，如水力活塞泵、電動(dòng)潛油離心泵、射流泵、振動(dòng)泵、螺桿泵等。目前應(yīng)用最廣泛的還是游梁式抽油機(jī)深井泵裝置。因?yàn)榇搜b置結(jié)構(gòu)合理、經(jīng)久耐用、管理方便、適用范圍廣。

機(jī)械采油潛油電泵

潛油電泵的全稱是電動(dòng)潛油離心泵(簡(jiǎn)稱電泵)。它以排量大、自動(dòng)化程度高等顯著的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于原油生產(chǎn)中，是目前重要的機(jī)械采油方法之一。

典型的潛油電泵井系統(tǒng)主要由三部分組成：(1)地面部分，包括變壓器、控制屏、接線盒和特殊井口裝置等。(2)中間部分，主要有油管和電纜。(3)井下部分，包括多級(jí)離心泵、油氣分離器、潛油電機(jī)和保護(hù)器。上述三部分的核心是潛油電機(jī)、保護(hù)氣、油氣分離器、多級(jí)離心泵、潛油電纜、控制屏和變壓器七大部件。工作時(shí)，地面電源通過變壓器變?yōu)殡姍C(jī)所需要的工作電壓，輸入到控制屏內(nèi)，然后經(jīng)由電纜將電能傳給井下電機(jī)，使電機(jī)帶動(dòng)離心泵旋轉(zhuǎn)，把井液通過分離器抽入泵內(nèi)，經(jīng)泵的液體由泵的葉輪逐級(jí)增壓，經(jīng)油管舉升到地面。

機(jī)械采油水力活塞泵

水力活塞泵是一種液壓傳動(dòng)的無桿抽油設(shè)備，它是由地面動(dòng)力泵通過油管將動(dòng)力液送到井下驅(qū)動(dòng)油缸和換向閥，從而帶動(dòng)抽油泵抽油工作的一種人工舉升采油設(shè)備。

水力活塞泵系統(tǒng)由三部分組成：井下、地面和中間部分。井下部分是水力活塞泵的主要機(jī)組，它由液動(dòng)機(jī)、水力活塞泵和滑閥控制機(jī)構(gòu)三個(gè)部件組成，起著抽油的主要作用；地面部分由地面動(dòng)力泵、各種控制閥及動(dòng)力液處理設(shè)備等組成，起著供給和處理動(dòng)力液的作用；中間部分有中心動(dòng)力油管以及提供原油和工作過的乏動(dòng)力液一起返回到地面的專門通道。

工作時(shí)候，動(dòng)力液過濾后經(jīng)動(dòng)力泵加壓，在經(jīng)排出管線及井口四通閥，沿中心油管送入井下，驅(qū)動(dòng)井下機(jī)組中的往復(fù)式液動(dòng)機(jī)工作。液動(dòng)機(jī)通過活塞帶動(dòng)抽油泵的柱塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使泵不斷地抽取原油。經(jīng)液動(dòng)機(jī)工作后的乏動(dòng)力液和抽取的原油一起，從油管的環(huán)形空間排回到地面，在通過井口四通閥，流入油氣分離器進(jìn)行油氣分離。分離出的氣體排走，油則流回儲(chǔ)罐。一部分油送到集油站，另一部分油濾清后再進(jìn)入地面動(dòng)力泵作動(dòng)力液使用。

機(jī)械采油螺桿泵采油

螺桿泵是一種利用抽油桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行抽油的人工舉升采油方法。自1930年發(fā)明螺桿泵以來，螺桿泵技術(shù)工藝不斷改進(jìn)和完善，特別是合成橡膠技術(shù)和黏結(jié)技術(shù)的發(fā)展，使螺桿泵在石油開采中已得到了廣泛的應(yīng)用。目前

在采用聚合物驅(qū)油的油田中，螺桿泵己成為常用的人工舉升方法。

螺桿泵是依靠空腔排油即轉(zhuǎn)子在泵筒(定子)中做行星運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。轉(zhuǎn)子和定子就位后，形成了一個(gè)個(gè)互不連通的封閉腔。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，封閉腔沿軸線方向由吸入端向排出端方向運(yùn)動(dòng)，封閉腔在排出端消失，其中在空腔內(nèi)所充滿的液體也就隨著它的運(yùn)動(dòng)由吸入端均勻地推擠到排出端，同時(shí)又在吸入端重新形成新的低壓空封閉腔，將液體吸入。這樣封閉腔不斷地形成、運(yùn)動(dòng)、消失，液體也不斷地充滿、擠壓、排出，把井中的原油不斷地吸入，通過油管舉升到井口。由于螺桿泵設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，沒有閥的磨損，不會(huì)由于砂子、鹽、蠟或其它影響因素而阻塞。