圖5-1采油方法分類
壹.流動石油生產
根據儲層本身的能量，石油從儲層被驅到井底，並從井底提升到地面。這種生產方式稱為自註采油。自噴法生產的油井稱為自噴井。自噴井地面設備簡單，操作方便，產量高，采油速度快，經濟效益好。
(壹)自噴井采油的原理
1.原理油井之所以能自噴，是因為地層能量充足。地層能量水平反映在儲層壓力水平上。打開地層後，原油在較高的地層壓力作用下，從地層深部流向井底，克服了地層的滲流阻力，剩余的壓力就是井底壓力。在井底壓力的作用下，原油從井底沿井筒流向井口，同時溶解在原油中的天然氣開始分離，氣體也會成為舉升原油的能量。
2.自噴井的四種流動過程
從油藏到地面輸油站的自噴流可分為四個基本流動過程——地層滲流、井筒多相管流、噴嘴流和水平管流，如圖5-2所示。
(1)地層滲流:從油層流向井底，流體在多孔介質中滲流，故稱滲流。如果井底壓力大於飽和壓力，則為單相滲流；如果井底壓力小於飽和壓力，則為多相滲流。在滲流過程中，壓力損失約占總壓降的10% ~ 15%。
(2)井筒內多相管流:即垂直管流。從井底到井口，油管中的流體上升。壹般油管某壹段的壓力低於飽和壓力，所以屬於油、氣或油、氣、水多相流。垂直管流的壓力損失最大，占總壓降的30% ~ 80%。
(3)口流:通過節流器的流體稱為口流。噴嘴流速高，其壓力損失占總壓降的5% ~ 30%。
(4)水平管流:流體進入輸油管道後，沿地面管道流動，屬於多相水平管流。水平管流的壓力損失壹般占總壓降的5% ~ 10%。
圖5-2自噴井的四種流動過程
1-地層滲流；2-井筒中的多相管流；3口流量；4—水平管流
這四個流動過程相互聯系、相互制約，處於同壹個動態系統中。從儲層流向井底的殘余壓力稱為井底壓力(井底流壓)。對於某個油藏，在某個生產階段，油藏壓力穩定在某個值，然後井底壓力變大，油井產量就會下降；當井底壓力降低時，油井產量就會增加。可以看出，在油層滲流階段，井底壓力是阻力，而在垂直管流階段，井底壓力是將油氣舉升出地面的動力。油氣被推到井口後剩余的壓力稱為井口油管壓力。井口油管壓力是油氣在井內垂直管流的阻力，也是井口流動的驅動力。
3.垂直管流中的能量來源與消耗
由於壓力損失主要消耗在垂直管流中，下面重點介紹垂直管流。
1)單相垂直管流
當油井井口壓力大於原油飽和壓力時，該井為單相原油。只有當流出井口後的壓力低於飽和壓力時，天然氣才與原油分離。這種油井屬於單相垂直管流。
單相垂直管流的能量來源是井底流壓。能量主要消耗在液體從井底流向井口時，克服相當於井深的液柱壓力和垂直管壁間的摩擦阻力。因此，在單相垂直管流中，能量供應和消耗之間的關系可由以下壓力平衡公式表示:
pf=pH+pfr+pwh
式中，pf——井底流壓；
ph-液柱壓力；
PFR——摩擦阻力；
pwh-井口壓力。
2)多相垂直管流
當井底流壓低於飽和壓力時，油氣壹起進入井底，整個油管為油氣兩相。當井底流壓高於飽和壓力，而井口壓力低於飽和壓力時，溶解在油中的天然氣在井筒中壹定高度，即在飽和壓力點開始分離。油井中有兩個相帶，下面是單相帶，上面是兩相帶。在兩相區，氣體與油分離並膨脹，不斷釋放氣體的彈性膨脹能，參與舉升。因此，多相垂直管流的能量來源是液體和氣體進入井底的壓力能(即流動壓力)；二是隨油流進入井底的遊離氣和舉升過程中從油中分離出來的天然氣的氣體膨脹能。氣體的膨脹能有兩種利用方式:壹種是氣體作用於液體，將液體垂直向上推；另壹種是通過氣體和液體之間的摩擦力把液體帶上去。
(2)自噴井采油設備
自噴采油設備包括井口設備和地面工藝設備。
1.井口設備
自噴井的井口裝置自下而上由套管頭、油管頭和采油樹組成，如圖5-3所示。自噴井的井口裝置是其他種類采油井的基本設備，其他采油方式的井口裝置都是以此為基礎的。
圖5-3自噴井井口結構圖
1—清蠟閘門；2-生產門；3—油管頭十字接頭；4-主門；5—套管十字接頭；6—套管閘門；7—背壓閘門；8—潤滑器；9—噴嘴套筒；10-油壓表；11-背壓表；12-套管壓力表；13-單向閥；14-套管頭；15-取樣閥；16-油管頭
1)套管頭
套管頭位於井口裝置的下端，是連接套管和各種井口裝置的部件。它由本體、套管懸掛器和密封組件組成。其作用是支撐技術套管和油層套管的重力，密封各層套管之間的環空，為安裝防噴器、油管頭、采油樹等上部井口裝置提供過渡連接，並通過套管頭本體上的兩個側端口進行擠水泥、監測井液、平衡流體等作業。
2)油管頭
油管頭安裝在采油樹和套管頭之間，上法蘭面是計算補油距離和井深數據的基準面。其功能是支撐油井中油管的重力；與油管懸掛器配合密封油管和套管的環形空間；為連接套管頭和連接采油樹提供過渡；並通過油管頭四通體上的兩個側口(套管閥)完成平衡註液、洗井等作業。
3)聖誕樹
采油樹是指油管頭以上的部分，連接方式有法蘭式和卡箍式。采油樹的作用是控制和調節油井的生產，將油井噴出的油氣導入輸油管道，實現井下工具和儀器的起下鉆。
采油樹的主要部件和附件具有以下功能:
(1)總閘門:安裝在油管頭上，控制油氣流入采油樹的通道。因此正常生產時全開，只有在需要長時間關井或其他情況下才關閉。
(2)油管四通(或三通):其上部和下部分別與清蠟閘門和主閘門相連，其兩側(或壹側)與生產閘門相連。它既是連接部件，又是油氣流出和井下儀器的通道。
(3)生產閘門:安裝在四通或三通油管的兩側，作用是控制油氣向油管的流動。正常生產時，生產閘門始終打開，只有在更換檢查噴嘴或油井關閉時才關閉。
(4)清蠟閘門:安裝在采油樹頂部的閘門。在正常生產過程中保持打開，以觀察油管壓力。可與防噴器連接，用於清蠟或試井，清蠟或試井時打開，清蠟或試井後關閉。
(5)套管四通:其上表面與主閥相通，下部與套管頭相連，左右兩側與套管閘門相連。它是油管和套管收集和分流的主要部件。通過它，空油套管和油套管之間的分流被密封。外壓為套管壓力，內壓為油管壓力。
(6)回壓閘門:安裝在油嘴後的輸油管道上，在檢查和更換油嘴、維修生產閘門和修井作業時關閉，以防止輸油管道中的流體倒流。有些油井在這個位置安裝了單向閥，代替回壓閘門。
(7)防噴管:防噴管由φ63mm(2.5in)油管制成，外套φ89mm(3.5in)油管，在環形空間內循環蒸汽或熱水(油)進行保溫(不進行保溫循環則不需要夾套)，在自噴井內有兩個作用:壹是提升清蠟工具，融化清蠟前後刮蠟器帶來的蠟；第二，提升和下放各種測試和試井工具。
(8)單向閥:防止從井口流出的原油回流到井筒。
2.地面工藝主要設備
壹般來說，在自噴井的井口地面流中安裝壹套能控制和調節油氣產量的采油樹；還有壹套對油井產品和井口設備進行加熱和保溫的裝置，以及測量油氣產量的裝置，主要包括加熱爐、油氣分離器、高壓離心泵和地面管道。該系列工藝設備對其他采油方法也具有通用性。
二、機械采油
在油田開發過程中，由於儲層本身壓力很低，或者開發壹段時間後儲層壓力下降，油井不能或不能保持自噴。有時候雖然可以，但是產量很低，所以要用人工能源來采油，也就是用壹定的機械設備(地面和地下)把油氣從井裏開采到地面。機械采油可分為有桿泵采油和無桿泵采油兩大類。
(壹)有桿泵采油
有桿泵采油裝置包括遊梁式抽油機-深井泵裝置和地面驅動螺桿泵采油裝置。
1.遊梁式抽油機-深井泵裝置
1)遊梁式抽油機
遊梁式抽油機的結構見圖5-4。它是有桿泵采油的主要地面機械傳動裝置。它可與抽油桿和深井泵配合使用，將原油抽到地面。使用抽油機的油井通常被稱為“抽油機井”。抽油機的工作特點是連續作業，長年在野外，無人值守。因此，對抽油機的要求應該是強度高、壽命長、有壹定的過載能力、安裝維護簡單、適應性強。
圖5-4遊梁式抽油機結構圖
1飛懸掛裝置；2-發辮；3-汕頭；4-步進梁；5—支撐軸；6束軸；7梁；8-連桿；9—平衡塊；10-曲柄；11-大滑輪；12-皮帶；13-電機；14—輸入軸；15—輸出軸；16—曲柄銷；17-括號；18基；19-光桿
(1)主要組件功能。
①驢頭:安裝在遊梁前端，其作用是保證抽油時抽油桿始終對準井口中心。驢頭的弧線是以支架軸承為中心，以走梁的前臂長度為半徑畫出壹條弧線。
②遊梁:遊梁固定在支架上，前端裝有驢頭，承受井下載荷，後端與連桿、曲柄、減速箱連接，傳遞電機的動力。
(3)曲柄連桿機構:其作用是將電機的旋轉運動轉變為驢頭的上下往復運動。曲柄上有4 ~ 8個孔用來調節行程。
(4)減速器:其作用是將電機的高速旋轉轉化為曲軸的低速旋轉，同時支撐平衡塊。
⑤平衡塊:平衡塊安裝在抽油機的橫梁尾部或曲軸上。它的作用是:當抽油機上沖程時，平衡塊向下運動，幫助克服驢頭上的載荷；在下行沖程中，電機使平衡塊向上運動以儲存能量。在配重的作用下，可以減小抽油機上下沖程的載荷差。
⑥掛繩器:是連接光桿和驢頭的柔性連接器，也可用於測力計示功圖。
(2)工作原理。
電機通過皮帶和變速箱將其高速旋轉運動傳遞給曲軸，帶動曲軸做低速旋轉運動；曲柄通過連桿和橫梁帶動步進梁上下擺動。遊梁前端裝有驢頭，懸掛在驢頭上的掛繩器帶動抽油桿上下垂直往復運動，抽油桿帶動活塞運動，從而將原油泵出井筒。
2)深井泵
深井泵是油井的核心抽油設備。它通過抽油桿和油管下入井中，沈到液面以下壹定深度，通過吸力將原油送到地面。
深井泵主要由工作筒(包括外筒和襯套)、活塞、遊動閥(排出閥)和固定閥(吸入閥)組成，其工作原理如圖5-5所示。
圖5-5泵的工作原理圖
1-排放閥；2-活塞；3—襯套；4-吸入閥
上行程:驢頭上升，抽油桿柱隨活塞上升，活塞上的遊動閥被內部液柱的壓力關閉。如果管道充滿液體，相當於活塞沖程長度的壹段液體將在井口排出。同時，活塞下方泵筒中的壓力降低。當泵內壓力低於下沈壓力(圓形空間液柱壓力)時，固定閥在下沈壓力的作用下打開，原油進入泵內，占據活塞釋放的體積，如圖5-5(a)所示。
下沖程:當驢頭下行時，抽油桿柱隨活塞下移，吸入泵內的液體被壓縮，泵內壓力升高。當該壓力等於環形空間中的液柱壓力時，固定閥因其自身重量而關閉。當活塞繼續下降時，泵中的壓力繼續上升。當泵內壓力超過活塞上方液柱壓力時，浮閥被推開，活塞下部的液體通過浮閥進入上部油管，即液體從泵中排出，如圖5-5(b)所示。
3)抽油桿和井口裝置
(1)抽油桿。
抽油桿是抽油機的重要組成部分，與抽油機相連，又與深井泵相連，在中間起傳遞動力的作用。抽油桿在工作過程中承受多種載荷，上下運動時受力極不均勻，上升時受力大，下降時受力小。這種反復動作的結果，很容易使金屬疲勞，折斷抽油桿。因此，要求抽油桿具有高強度、耐磨性和抗疲勞性。
抽油桿壹般是實心圓鋼制成的桿。兩端有粗鍛頭，下面有連接螺紋和扳手的方段。抽油桿柱的頂部抽油桿稱為光桿。光桿與井口密封盤根盒配合使用，密封井口。
(2)井口裝置。
抽油機井的井口裝置類似於自噴井，承受的壓力較低。主要由套管三通(或套管三通)、油管三通(或油管三通)、橡膠閘板和光桿密封段(或密封盤根盒)組成。其他附件的數量和連接方式視各油田的具體情況而定。但無論采取何種形式，抽油機井井口裝置都必須具有測量示功圖、動態液面、取樣和觀察壓力的功能，並應便於操作和管理。圖5-6所示為抽油機井摻水井口裝置。
圖5-6抽油機摻水井口裝置
1-橡膠閘門；2-管道排氣閥；3-主門；4—套管測試閘門；5—套管閘門；6—背壓閘門；7—直通閥(小循環)；8—熱清洗閥；9—混水閥(大循環)；10-單向閥；11-混水控制閥；12-閘閥的生產；13-油壓表；14-光桿密封段；15-套管壓力表；16-外殼出口閥
2.地面驅動螺桿泵抽油裝置
20世紀70年代末，螺桿泵開始用於原油開采。螺桿泵是壹種容積式泵，按驅動形式可分為地面驅動螺桿泵和井下驅動螺桿泵。
地面驅動螺桿泵設備如圖5-7所示。它由地面驅動系統、抽油桿柱、抽油桿柱扶正器和螺桿泵組成。其工作原理是螺桿泵通過空腔(即轉子和定子之間形成的封閉空腔)排油。當轉子旋轉時，封閉的空腔沿軸向從吸入端向排出端移動。當封閉空腔在排出端消失時，空腔內的原油將被均勻地從吸入端擠壓到排出端，同時在吸入端形成壹個新的低壓空腔，將原油吸走。就這樣，封閉的空腔不斷形成、移動、消失，原油不斷被填充、擠壓、排出，使井內原油不斷被吸入，通過油管舉升到井口。
圖5-7螺桿泵采油示意圖
1-電氣櫃；2-電機；3帶；4-變速箱；5方形夾子；6—專用井口；7—套管壓力計；8—抽油桿；9—管道；10-抽油桿扶正器；11和16-油管扶正器；12-定子；13—轉子；14-定位銷；15-油管防脫裝置；17-篩管；18—套管；19插頭
螺桿泵采油裝置結構簡單，占地面積小，有利於海上平臺和叢式井的采油。只有壹個運動部件(轉子)，適用於稠油井和出砂井；排量均勻，無脈動排油特性；閥內沒有閥件和復雜的流道，水力損失小；泵的實際揚程受液體粘度的影響很大，粘度增大，泵的揚程大大降低。
(2)無桿泵采油
無桿泵采油包括氣舉采油、電動潛油離心泵采油、井下驅動螺桿泵采油、液壓活塞泵采油和噴射泵采油。
1.氣舉采油
當油氣能量不足以維持油井流動時，為了使油井繼續產油，將氣體(天然氣或空氣)人為地壓入井底，利用氣體的膨脹能量將原油舉升到地面。這種采油方法稱為氣舉采油。氣舉模式有兩種:環形進氣模式和中央進氣模式。
氣舉采油法的井口和井下設備相對簡單，管理和調整像自噴井壹樣方便。
1)
以環形空間的進氣方式為例。當油井停止生產時，油管和套管中的液位處於同壹位置。啟動壓縮機，將壓縮氣體(空氣或天然氣)註入油套的環空，環空內的液面將被向下擠壓(如果液體被擠壓到油層內，環空內的液體將全部進入油管)，油管內的液面上升。當環空液面下降到管鞋時，壓縮機將達到最大壓力，稱為氣舉啟動壓力。當壓縮氣體進入油管時，油管內的原油與氣體混合，液面不斷上升，直至噴出地面。
在註入之前，井底壓力總是大於儲層壓力。噴射後氣體不斷壓入環形空間，油管內混氣液體不斷噴射，混氣液體密度越來越小，管鞋壓力急劇下降。當井底壓力低於油藏壓力時，原油將從油藏流入井底。由於油藏產油，油管內混合氣體和液體的比重略有增加，因此壓縮機壓力再次上升，經過壹段時間後趨於穩定。穩定的壓縮機壓力稱為氣舉工作壓力。此時油層持續穩定產油，井口持續產油。
2)氣舉模式
氣舉有兩種方式:
(1)環形空間進氣方式。這種氣舉方法也稱為反向舉升。這意味著從石油套管的環形空間註入壓縮氣體，並從油管中抽取原油。
(2)中央進氣模式。與環空進氣方式正好相反，即氣體從油管註入，原油從油套管環空返回。這種氣舉方法也稱為正舉升。
當油中含有蠟和砂時，如果采用中央進氣，實際工作中往往采用環形進氣，因為環形空間內的油流速低，砂容易沈降，管道外壁的蠟也很難清除。
3)氣舉采油的特點
氣舉采油的優點:井下設備壹次性投資低，維護工作量小；井下無摩擦部件，適用於含砂、含蠟、含水的井；不受礦液中腐蝕性物質和高溫的影響；易於在斜井、轉彎井和海上平臺使用；易於集中管理和控制。缺點:氣舉采油必須有充足的氣源；如果連續氣舉在高壓下工作，安全性差；氣舉不適用於高產井、結蠟井和套管損壞的稠油井；小油田、單井氣舉采油效果差。
圖5-8潛油電泵井裝置示意圖
2.采油用電動潛油離心泵
電動潛油離心泵(簡稱esp或電泵)屬於無桿抽油設備。它是用油管把離心泵和潛油電機下入井中，潛油電機帶動離心泵把油舉到地面。該電泵排量和揚程調節範圍大，適應性強，地面工藝流程簡單，管理方便，易於自動化，經濟效益高。
電泵設備由地面、中部和井下三部分組成，如圖5-8所示。
地面部分由變壓器、接線盒、控制櫃(配電盤)、電纜和井口裝置組成，主要起控制、保護和記錄作用。
中間部分主要是電纜，包括電力電纜和引線電纜。電力電纜將地電流傳輸到地下引線電纜；引線電纜的作用是連接電源電纜和電機。
井下部分壹般自上而下依次為放油閥、單向閥和井下單元。井下裝置包括多級離心泵、油氣分離器、保護器和潛水電機。有些電泵井還在潛油電機下部裝有監控裝置，可以測量井底壓力、溫度、電機絕緣和液面升降，並將信號傳輸到地面控制臺。
潛油電機安裝在地下單元的最下部，是電泵的動力。地面的高壓電通過電纜傳輸到潛水電機。潛油電機將電能轉化為機械能輸出，通過軸驅動電泵工作。保護器安裝在潛水電機的上部，以平衡電機內的壓力，潤滑和密封電機。油氣分離器通常安裝在保護器的上端和多級離心泵的下端，用於分離原油中的遊離氣，提高泵效。多級離心泵由固定部分和旋轉部分組成。旋轉部分有泵軸，軸上安裝大量葉輪。當電機帶動泵軸上的葉輪高速旋轉時，葉輪內充滿的液體在離心力的作用下被甩到葉輪周圍，使井液加速，使井液具有動能，由導流殼引入二級葉輪，這樣逐級疊加後可獲得壹定的升力，井液被舉升到地面。
電泵機組的工作過程可以簡單描述為:地面電源通過電潛泵專用電纜輸入到井下的潛油電機，潛油電機帶動多級離心泵旋轉，通過離心泵多級葉輪的離心作用，將底部原油舉升抽至地面。
實踐表明，電泵對強水淹井、高產井、不同深度井、定向井、砂井和含蠟井均有良好的效果。其排量範圍為16 ~ 14365438+100 m3/d；最大抽水深度可達4600米，井下最高工作溫度可達230℃。
3.井下驅動螺桿泵采油
與地面驅動螺桿泵不同，井下驅動螺桿泵是在井底提供動力，沒有抽油桿。其工作原理是:通過油管將泵、電機和保護器下入井內液面以下，電機通過偏心聯軸器帶動螺桿旋轉，螺桿安裝在套管內，螺桿和套管形成的腔室是隔離的。當螺桿旋轉時，這些腔室逐漸由下向上移動，使液體壓力不斷提高，從而將井液送到地面。
就目前情況來看，地面驅動螺桿泵技術成熟；井下驅動螺桿泵具有許多優點，但仍處於試驗階段。
4.液壓活塞泵采油
液壓活塞泵是壹種帶液壓傳動的無桿泵抽裝置，是液壓傳動在抽油設備中的應用。與有桿泵相比，其根本特征是改變了能量傳遞方式。液壓活塞泵由地面、中間和井下三部分組成，如圖5-9所示。
圖5-9開式液壓活塞泵采油系統
1-高壓控制管匯；2-地面動力泵；3引擎；4—動力液處理罐；5—井口裝置；6—井下泵工作筒；7-潛水泵
地面部分包括動力液處理罐、發動機、地面動力泵、高壓控制管匯、閥組和井口裝置，負責提供動力。
中間部分是動力液從地面到井下機組的中心油管，是將廢動力液和產出液排到地面的專用通道。
井下部分由工作筒和液下泵組成，主要起抽油作用。
液壓活塞泵的工作原理是:電機帶動地面動力泵，儲液罐中的液體經動力泵增壓後進入中央油管。高壓動力液進入井下液壓活塞泵後，帶動泵工作，擦洗液和做功後的動力液通過外油管返回地面。
水力活塞泵排量範圍大(16 ~ 1600 m3/d)，對油層深度、含蠟量、稠油、斜井、水平井適應性強。它可用於各種條件下的油井開采，並能在溫度較高的井中工作。但機組結構復雜，加工精度高，動力液測量困難。
圖5-10噴射泵工作原理圖
5.噴射泵采油裝置
噴射泵分為地面部分、中間部分和地下部分。地面部分和中間部分與液壓活塞泵相同，不同的是液壓噴射泵只能作為開式動力液體循環系統安裝。井下部分為噴射泵，由噴嘴、喉管和擴散器組成，如圖5-10所示。
噴射泵的工作原理:動力液從油管註入，經噴射泵上部流向噴嘴噴出，進入與地層液體相通的混合室。在噴嘴處，幾乎所有動力液體的總壓頭都變成了速度壓頭。進入混合室的原油被動力液擦洗，與動力液混合後流入喉道，在喉道中動量和動能得到轉換，然後通過截面逐漸擴大的擴散管將速度頭轉換為壓力頭，從而將混合液提升到地面。
噴射泵的特點:井下設備無動力部件；噴射泵可以位於與液壓活塞泵相同的工作缸中；不受提升高度的限制；適用於高產液井；初期投資高；腐蝕和磨損會損壞噴嘴；地面設備的維護成本相當高。