无杆泵采油

第四章无杆泵采油第一节电潜泵举升技术一、教学目的熟悉电动潜油离心泵机组系统的技术参数；能够明确该装置的工艺流程和各部分主要功能及作用原理，据油气开采复杂情况对电潜泵油井生产系统进行合理设计。

二、教学重点、难点教学重点：1、电潜泵采油装置及其工作原理；2、电潜泵油井生产系统。

教学难点：1、泵的工作特性；2、潜油电机、电缆、变压器的选择。

三、教法说明课堂讲授并辅助以多媒体课件展示相关的图形和动画。

四、教学内容本节主要介绍两个方面的问题：1.电潜泵采油装置及其工作原理.2.电潜泵油井生产系统设计.（一）电潜泵采油装置及其工作原理潜油电泵全称为电动潜油离心泵，简称电泵。

最早是由苏联人A.S.艾鲁托诺夫（A.S.Arutunoff）研究发明的，当时用于抽地层中的水和矿井里的水。

A.S.艾鲁托诺夫于1923年把这种泵的概念介绍到美国，美国第一台潜油电泵在洛杉矶问世。

1926年美国开始在坎隆斯的鲁赛尔（Russell）油田应用潜油电泵抽油，以此开始了潜油电泵用于原油生产的历史。

美国在潜油电泵的研究制造和使用方面已电泵轴套——减少磨损电泵动力油管——为电机提供动力串联双级旋转式分离器——提高分离效率如图4-1所示，电潜泵采用装置主要有三部分组成：（1）井下部分：是ESP的主要机组，包括潜油电机、保护器、分离器和多级离心泵，起抽油的主要作用；（2）中间部分：由特殊结构的电缆（圆电缆和扁电缆）和油管组成。

（3）地面部分是由控制屏、变压器及辅助设备（电缆滚筒、导向轮、井口支座和挂垫等）组成。

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与水平井以及海上采油；○4在防蜡方面有一定的作用。

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。

1、潜油电机（1）定子系统：定子铁芯、定子绕组、电机壳体作用：产生旋转磁场。

（2）转子系统：转子铁芯、转子绕组、转轴、扶正轴承、短路环作用：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：轴孔、定转子间隙、通油孔作用：电机运行时，润滑油从空心轴内流入，从轴承处各通油孔流出，润滑各轴承；然后进入定转子间隙。

由于转子的高速旋转，润滑油获得离心力以及润滑油重力作用，从而使润滑油下降到电机底部，补充到空心轴内反复循环，起到润滑和冷却作用。

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；○4保证潜油电机的严格密封；○5润滑油循环系统比较特殊。

2、多级离心泵（1）泵的增压原理潜油多级离心泵的工作原理与地面离心泵相同。

当充满在叶轮流道内的液体在离心力作用下，从叶轮中心沿叶片间的流道甩向叶轮四周时，液体受叶片的作用，使压力和速度同时增加，并经导轮的流道被引向次一级叶轮，这样，逐级流过所有的叶轮和导轮，进一步使液体的压能增加获得一定的扬程。

（2）泵的结构结构特点：○1直径小、级数多、长度大；○2轴向卸载、径向扶正；○3泵吸入口装有特殊装置，如油气、油砂分离器等；○4泵出口上部装有单流阀和泄油阀。

（3）泵的工作特性离心泵的特性曲线：扬程、功率和泵效随排量的变化关系曲线。

3、保护器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。

主要是通过隔离腔连接井液与电机油来完成这一功能。

保护器类型：连通式、沉淀式和胶囊式保护器4、油气分离器油气分离器安装在泵的液体吸入口处，当混气流体进入多级离心泵之前，先通过分离器，把自由气体分离出来，防止和减少气体进泵，保证电潜泵具有良好的工作特性。

常用的分离器有两种：沉降式和旋转（离心）式。

5、潜油电缆作用：地面向井下机组传输电力。

潜油电缆结构特点：①要求便于起下，且不易损坏；②要求耐油、气、水，耐高温、高压；③电缆终端有与电机插配的特殊密封接头—电缆头；④为满足油井对机组尺寸的要求，潜油电缆一般采用圆型和扁型，扁型和扁型联接在一起的复合结构；⑤要能适应施工和环境温度，进行起下作业时，电缆保护套层不破裂。

（二）电潜泵油井生产系统设计1、电潜泵油井生产系统设计节点系统分析方法。

（1）油层系统流入动态（IPR）(2) 井筒流动系统气—液多相管流流动规律(3) 潜油离心泵系统H－Q和η－Q特性曲线2、电潜泵油井生产系统设计方法（1）设计任务：满足产量的前提下，确定下泵深度，选择泵型和计算工作参数，使其效率最高，能耗最小。

并满足以下条件：○1泵的实际排量在所选泵的推荐范围内；○2下泵深度不大于油层中部深度；○3δ-≥pcDD○4进泵气液比%8<piR（2）设计步骤：○1油层产能分析；○2抽油设备的初选，包括离心泵、电机、电缆等；○3井筒流体压力、温度、流体物性分布计算；○4下泵深度的确定；○5离心泵特性曲线的校正；○6泵的增压要求量计算；○7计算设计排量和扬程下所需要的泵的级数；○8电缆电压降计算，确定地面电压，选择控制屏；○9计算变压器的容量，确定变压器的型号和规格；○10电潜泵抽油井生产工况参数的预测与优化。

（3）多级离心泵的选择与计算1）总动压头的计算H=H a+H pwh+H Ft=H p+H pwh+H Ft-H piH——油井总动压头（m）；H p——泵挂深度（m）；H pwh——油压折算压头（m）；H Ft——油管摩阻损失压头（m）；H pi——泵吸入口压力（m）；H a——垂直举升高度（m）。

2）多级离心泵的选择实际上就是计算出排量和扬程后，选择泵型号并计算所需要的泵叶导轮的级数。

所以，根据计算出的油井产量和绘出的泵的工作特性曲线就可以选出合适的泵型。

所需要的泵叶导轮的级数由下式计算： S t =H/h S t ——泵的总级数；h ——泵的单级扬程（m ），可以从泵的工作特性曲线查得。

（4）潜油电泵的选择与计算当多级离心泵型号、扬程及所需要的级数确定以后，电机功率由下式计算。

ηρ8813/l H Q N '= 式中： N ——潜油电机功率（KW ）； Q ——泵额定排量（m 3/d ）； H ′——泵额定扬程（m ）； ρl ——井液平均相对密度； η——泵的效率（%）。

电机功率也可用单级功率、总级数和井液平均相对密度来计算： N=N 1﹒S t ﹒ρlN 1——泵的单级功率（KW ），可从泵的特性曲线上查得： 按所需要的功率和套管尺寸选择出电机的型号。

（5）潜油电缆的选择与计算潜油电缆的规格直接关系到潜油电泵机组能否在最佳状态和最经济条件下运行。

因此需认真选择。

电缆型号可以根据井底温度、电机功率、电压和电流进行选择。

电缆的电压降对采油成本有直接影响，而电压降和电缆的截面积和长度有关。

所以在选择电缆时，应尽可能选择截面积比较大的电缆，以保持较小的电压降。

变压器主要用于初级电压与电动楞电压不相符合的地方。

电潜泵所使用的变压器有三个单相变压器组、三相标准变压器和三相自耦变压器三种。

自耦变压器可以把440/480V初级电压转换为800-1000V的次级电压。

在初级电压比较高的情况下，较经济的办法是使用三个单相变压器组，把初级电压变为所需电压。

变压器的选择主要依据整个系统所需的容量来确定。

变压器容量（KVA）=3I(U+ΔU)/1000式中：U——电机额定电压（V）；ΔU——电缆压降损失（V）；I——电机额定电流（A）。

对于一口下电泵的井，如果预计将来需要换更大排量的电泵，则选择规格大一些，有适度上限的变压器，可能会更经济些。

（7）选择控制屏控制屏是根据现场使用条件和机组性能要求来进行选择的。

但主要还是根据电机的功率、额定电流和地面所需要的电压来选择控制屏的容量，以保证电机在满载情况下长期使用。

为了适应油井以后换更大一些的电泵，建议一开始选择时，其容量选择得较大一些。

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①扬程、排量及效率下降；②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①液体粘度大使得泵的举升功率增加；②同时泵的扬程、排量和效率也有所下降。

（3）温度对电泵工作特性的影响①流体温度对电机和电缆的绝缘程度有较大的影响；②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①电泵生产要求含砂小于0.05%；含砂后，泵叶轮磨损，排量下降。

②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）。

③其它如沉没度、井下压力等与气体影响有关。

五、教学后记通过本节的学习，绝大多数同学都熟悉了动潜油离心泵机组系统的技术参数；明确了装置的工艺流程和各部分主要功能及作用原理；能够油气开采复杂情况对电潜泵油井生产系统进行合理设计。

六、教学参考书1、张琪，采油工程原理与设计；七、复习思考题。