無桿泵(Rodless Pump)采油也是油田生產中常見的機械采油方式。無桿泵采油無需抽油桿柱，減少了抽油桿柱斷脫和磨損帶來的作業和修井費用，適用於開采特殊井身結構的油井。隨著我國各大油田相繼進入中後開采期，地質條件越來越復雜，無桿泵將會得到更廣泛的應用。本節介紹潛油電泵、水力活塞泵、射流泵及螺桿泵采油的基礎知識。
壹、潛油電泵電動潛油離心泵(Electric Submersible Pump)簡稱潛油電泵、電潛泵或電泵，是國內外應用最廣泛的無桿泵之壹。地面電源通過變壓器、控制屏和電纜將電能輸送給井下電機，電機帶動多級離心泵的葉輪旋轉，將電能轉換為機械能，把井中的液體舉升到地面上來。
1.系統部件潛油電泵系統主要由電機、保護器、氣液分離器、多級離心泵、電纜、控制屏、變壓器和接線盒等部件組成，如圖6-37所示。
圖6-37 典型潛油電泵系統
1)電機潛油電機用於驅動離心泵，工作原理與地面電機相同。潛油電機頻率60Hz時轉速為3500r/min，功率範圍在5.6～745.7kW內，串聯使用可獲得所需功率。其內充填的潤滑油用於潤滑，並將電機運行產生的熱量傳給井液，冷卻電機。潛油電機必須安裝在井液流過的地方。
2)保護器保護器起到連接電機與泵、隔離電機油與井液、平衡井筒和電機內的壓力的作用。運行時，電機內的潤滑油因溫度升高而膨脹，保護器內有足夠的空間儲存溢出的潤滑油，防止電機壓力過高；油溫下降、體積收縮時，保護器內的油又補充給電機。保護器外殼可作為潤滑油的附加冷卻面，可以罩住承受泵軸重力和各種不平衡力的止推軸承。
3)氣液分離器泵吸入口氣液比超過10%時，泵的特性變差，甚至發生氣鎖。氣液分離器作為泵的吸入口，可以把進泵氣量控制在泵的承受範圍之內，減少氣體對泵的影響。沈降式分離器只能處理氣液比低於10%的井液，且分離效率低於37%。旋轉式分離器能處理氣液比小於30%的井液，且分離效率高達90%以上。可根據泵吸入口遊離氣量選擇分離器，也可由分離器的能力確定泵的最小吸入壓力和產量。
對於氣體含量很高的井，高級氣體處理裝置可使氣液在泵中均勻混合，像單相流壹樣，以防止氣鎖，大大提高泵的氣體處理能力。
4)電纜為井下電機送電的有圓電纜和扁電纜。扁電纜用於電機和套管環形空間較小的井。電纜中可以有多股銅導線或鋁導線，導線之間和導線外的絕緣層必須耐溫、耐壓、耐腐蝕。絕緣層外有鉛護套，並以金屬鎧甲保護。不同型號的電纜壓降不同。
5)控制屏控制屏能自動控制系統的啟動和停機，具有短路、過載、欠載保護功能以及欠載延時自動啟動功能，能隨時測量電流和電壓，跟蹤系統的運行狀況。變頻控制屏可以在30～90Hz內任意改變井下電機的頻率、轉速，靈活調節泵的排量，但不會把電源瞬變傳到井下。軟啟動功能可以減少機組的損壞。控制屏的電壓在600～4900V之間。
6)變壓器變壓器利用電磁感應原理，將電網電壓轉變為井下電機和地面系統所需要的電壓。
7)接線盒井口和控制屏之間必須安裝壹個接線盒。其作用是將沿電纜芯線上升到井口的天然氣放空，防止天然氣直接進入控制屏，使控制屏產生電火花時引起爆炸。
單流閥、泄油閥、扶正器、傳感器和變速驅動裝置等為可選附屬部件。單流閥的作用是在停泵時用於保持油管柱充滿流體，易於啟泵，降低功率消耗；防止液體倒流使機組反轉而燒毀電機，損壞軸和軸承。起泵、卸油管時，泄油閥可防止管中的液體流到地面上。泄油閥裝在單流閥上方，與單流閥同時使用。扶正器使泵和電機在井內居中，以便有效冷卻電機，防止電纜的摩擦和損壞。傳感器用於測量井下壓力和溫度，便於自動控制。
2.安裝方式不同安裝方式的潛油電泵系統組成和用途不盡相同。
標準安裝方式(圖6-37)主要用於油井采油，從下至上依次是電機、保護器、氣液分離器、多級離心泵及其他附屬部件。標準安裝方式可以讓產出液從電機旁流過以冷卻電機。
底部吸入口安裝方式從下到上依次是吸入口、泵、排出口、保護器、電機。流體由插到井底的尾管進泵，環空排出。底部吸入口安裝方式可以提高排量和效率，適用於油管摩阻大或泵徑大的井。
底部排出口安裝方式從下到上依次是排出口、泵、吸入口、保護器、電機。流體從油、套管環形空間進泵，由尾管排到下部層位。底部排出口安裝方式適用於油田註水開發或氣井排水采氣。
3.離心泵工作特性井下多級離心泵由單級離心泵串聯組成，是舉升液體的關鍵部件。單級離心泵由裝在泵軸上的葉輪和固定在泵殼上的導輪組成。井下多級離心泵的工作原理與地面多級離心泵相同：葉輪旋轉的離心力使流道中的液體增壓、加速後從出口排出，將機械能轉變為流體的壓能和動能。導輪的流通面積逐漸擴大，使部分動能轉變成靜壓。流體再進入下壹級葉輪、導輪。重復這壹過程，直到泵的出口達到所需要的壓力。
離心泵的特性是指排量、壓頭、功率、效率與轉速的關系。排量是指泵在單位時間內輸送的流體體積。壓頭是指單位質量流體得到的能量，也稱為有效壓頭或揚程。功率是指電機傳給葉輪的功率，稱為泵的軸功率。有效功率是指泵內流體獲得的功率。有效功率與泵軸功率之比為效率。泵軸單位時間內的轉數叫做轉速。
泵的特性曲線壹般是固定轉速，在相對密度為1、粘度為1mPa·s的清水中測得的，稱為泵的標準特性曲線，代表單級泵的工作特性，如圖6-38所示。泵吸入口氣液比小於10%時，可以采用泵的標準特性曲線,否則需減少遊離氣進泵或采用兩相泵的特性進行設計。離心泵的實際工作特性非常復雜。
圖6-38 泵的標準特性曲線
由於各種因素影響，實際壓頭壹般都低於理論壓頭。葉輪流道內的沿程阻力會產生水力損失；高壓液體通過葉輪和導輪間隙的漏失引起容積損失；摩擦會造成機械損失。
氣體占據部分泵腔空間，減少了進泵的液體。氣體使流體密度下降，影響泵的功率及各種能量損失，使泵的特性變差，偏離單相液體的特性。氣量太大會導致泵內流體排不出去，造成排液中斷，這種現象稱為氣鎖。停泵可使泵內氣體上升以消除氣鎖。
當泵內流體的壓力低於飽和蒸汽壓時，會產生小氣泡。氣泡流入高壓區後會冷凝和破碎，產生很大的沖擊力。這種現象和水擊相似，稱作氣蝕。氣蝕會損壞泵，並使泵的工作特性變差、排量和效率下降。足夠的泵吸入壓力可以防止氣鎖和氣蝕。
4.潛油電泵井管理為提高運行效率、延長系統壽命，潛油電泵必須在最高效率點附近工作；泵的額定排量和壓頭要與井的生產能力相協調；電機功率必須滿足舉升流體的需要。如果油井產能預測不準、油藏動態發生變化、選泵不當，都會使油井生產不協調，造成過載或欠載運行。應取全、取準產量、含水率、生產氣油比、油壓、套壓、電流卡片、動液面和靜液面位置等生產資料。控制合理的生產壓差，保證泵高效工作。當油井產量在泵的最佳排量範圍內時，應連續運轉，這是潛油電泵最佳的工作制度。如果泵的排量大於油井的供液能力，可以換成小排量泵、從地面註入部分液體或利用控制屏的欠載延時再啟動功能實現自動間歇生產，但頻繁啟動和停機會降低潛油電泵的壽命。
潛油電泵排量小、含蠟量高的油井可能會結蠟。玻璃油管防蠟、刮蠟片清蠟、熱油循環清蠟、熱電纜清蠟及化學清蠟等，都能保證潛油電泵井的正常生產。其中玻璃油管和加化學藥劑最為有效。刮蠟片清蠟應註意下入深度。加熱法會引起電纜起泡，加速電纜絕緣層老化。
為保證潛油電泵長期正常運轉，少出故障，要經常對泵機組進行維護和保養。發現問題必須準確判斷原因，盡快排除故障，提高潛油電泵井的運轉時率，取得更好的經濟效益。
二、水力活塞泵水力活塞泵(Hydraulic Pump)是靠液壓傳遞動力的無桿抽油設備，它是從地面把高壓動力液註入井內，驅動井下馬達運轉。馬達活塞又帶動泵柱塞往復運動，把機械能傳給產出流體，使其獲得足夠的能量到達地面。系統主要由動力液罐、地面泵、控制管匯、井口控制閥和井下泵組成，如圖6-39所示。
圖6-39 水力活塞泵系統
A—動力液罐；B—三缸高壓泵；C—控制管匯；D—井口控制閥；E—井下泵1.動力液系統地面動力液系統按管理的井數分為單井系統和中心站多井系統；按動力液排出方式分為開式和閉式系統。不同系統的設備、地面流程及處理能力不同，選擇時要考慮現有設備、場地和投資成本等因素。
閉式系統中，動力液和地層流體不混合。向動力液中加化學劑的成本低，地面分離設備簡單，但需要動力液返出管線。動力液不能對稠油起稀釋和降粘作用。閉式系統主要用於海洋和城市。
開式系統中，動力液和地層流體混合，由同壹通道返出地面，井身結構簡單。熱動力液可稀釋粘稠的地層流體，但所加潤滑、防腐、除氧等化學劑會被地層流體稀釋，損耗較大。
動力液質量對系統的維修成本和使用壽命影響很大。用原油作動力液潤滑性較好，地面柱塞泵的維護少，需要的化學劑少，成本低。用水作動力液對環境汙染小，安全性好，但無潤滑作用，易產生腐蝕和漏失，還需脫氧處理。動力液可根據現場情況和投資成本選擇。
2.井下泵裝置按動力液的流動方向，井下泵裝置可分為正循環和反循環系統。正循環系統中動力液從裝泵的油管註入，從未裝泵的流動通道返出。反循環系統中動力液從未裝泵的流動通道註入，從裝泵的油管返出，目的是保護套管、降低摩阻。
根據安裝方式，井下泵裝置分為自由式和固定式。自由式裝置操作簡單、方便，改變動力液的流向可完成起、下泵作業。正循環動力液將泵下到井底工作，反循環起出泵維修，減少了停產時間和作業成本。將壓力計裝在泵下部可進行產能測試和中途測試，便於自動化管理。起泵後，能對地層進行各種措施和作業。自由式裝置的井下泵的直徑受油管尺寸限制。固定式裝置的井下泵安裝在油管底部，泵的直徑不受油管尺寸限制，但檢泵、換泵時必須起、下油管。固定式裝置主要用於高產井。
按完井方式，井下泵裝置分為套管式和平行式。套管式裝置用於開式動力液系統中，油、套環形空間作為流動通道。如果氣量太大，可在環空中加裝排氣管。大套管中可用同心管插入式套管裝置，兩油管間的環空做流動通道，外油管和套管的環空排放氣體。平行式裝置在開式系統中是采用兩根平行油管完井；閉式系統還要添加動力液排出管。氣體從油管外、套管內的通道排出。平行式裝置主要用於需排放氣體、保護套管或套管已經損壞的井。
與地面動力液系統相對應，井下裝置也分為開式和閉式。目前，常用套管自由式正循環開式動力液系統裝置和平行自由式正循環開式動力液系統裝置。
3.工作原理井下水力活塞泵包括馬達和泵以及連接它們的空心活塞桿。馬達和泵可以有多個。單作用泵僅在上沖程或下沖程向地面排液，雙作用泵在上沖程和下沖程都向地面排液。圖6-40所示為單作用井下泵裝置。
圖6-40 單作用井下泵裝置
註入井中的高壓動力液驅動水力活塞泵上的馬達往復運動，將高壓勢能轉變為機械能。馬達驅動泵，又將機械能轉變為液體的靜壓，使產出液具有足夠的能量流到地面上來。
馬達由馬達缸套、馬達活塞、馬達閥、閥桿和馬達排出口組成。下沖程中馬達閥向下，高壓動力液進入馬達活塞的上腔，活塞下腔的低壓動力液從馬達排出口排出。下沖程末，馬達閥向上換位，動力液反向流動。上沖程中，高壓動力液進入馬達活塞下腔，馬達活塞上腔的低壓動力液排出。上沖程末，馬達閥向下換位，動力液倒流，開始下壹個循環。
馬達閥也稱為倒向閥，在各個交替的半沖程中，改變動力液的流向。馬達閥通過換位交替地將動力液註入馬達活塞的上、下腔，推動馬達活塞往復運動，帶動泵柱塞運動。
泵的主要部件是缸套、柱塞、吸入閥、排出閥和平衡管。下沖程中，馬達活塞帶動泵柱塞作向下運動，泵柱塞下腔的壓力上升，吸入閥關閉，排出閥打開，泵排出高壓流體。同時泵柱塞上腔的壓力下降，排出閥關閉。泵腔內壓力降到吸入閥開啟壓力時，吸入地層流體。上沖程中，馬達活塞帶動泵柱塞向上運動。同樣靠泵內上、下腔容積的改變，控制泵腔內壓力的升降、吸入閥和排出閥的開關，把井下液體舉升到地面上來。
馬達活塞面積越大，泵的排出壓頭越高；泵柱塞的面積越大，泵的排量越高。
水力活塞泵也存在余隙和氣鎖。吸入流體含遊離氣時，在泵排出沖程末端，氣體被壓縮在余隙的流體中。泵柱塞反向運動時，余隙中的氣體膨脹，壓力下降緩慢，泵吸入閥打開滯後，泵的有效沖程減少。嚴重時始終不能打開吸入閥，泵抽不出油來，這就是氣鎖。
4.排量若視驅動馬達的動力液為不可壓縮液體，馬達實際排量就等於動力液流量。馬達有效排量是馬達排出口的流量。有效排量與實際排量之比即為馬達效率，其大小與漏失有關。漏失又取決於配合間隙、動力液的粘度、磨損等。馬達實際排量比額定排量小很多時，馬達閥的動作不協調；實際排量接近額定排量時，馬達的使用壽命較短。
泵的有效排量是吸入條件下泵排出地層流體的體積流量。遊離氣占據空間，溶解氣會使液體膨脹，致使地面排量與泵的井下排量不同。泵的實際排量是指吸入條件下通過泵的地層流體的體積流量。有效排量與實際排量之比即為漏失效率。漏失效率用以描述漏失、氣體降低有效沖程或造成間歇氣鎖等綜合影響。泵的額定排量是吸入條件、額定轉速下的實際排量。實際排量應小於額定排量。以額定排量選擇水力活塞泵，必須滿足排量要求，並與油井的產能相協調；要有足夠的舉升壓力以保證所需的井口剩余壓力。
三、水力射流泵水力射流泵(Hydraulic Jet Pump)簡稱射流泵。其生產系統由地面儲液罐、地面高壓泵和井下射流泵組成。射流泵與水力活塞泵的井下總成可以互換。射流泵的井下裝置也分為自由式和固定式，均采用開式動力液系統。
射流泵井下無運動部件，對於高溫深井、高產井、含砂、含腐蝕性介質、稠油以及高氣油比油井具有較強的適應性。其結構緊湊，還可適用於斜井、水平井。射流泵能自由投撈，靈活方便，可進行產能測試，維護費用低。
1.射流泵的結構及工作原理射流泵是通過兩種流體之間的動量交換傳遞能量的。典型的套管自由式井下射流泵如圖6-41所示，主要由噴嘴、喉管和擴散管等元件組成。噴嘴相當於射流泵的馬達，將動力液高壓勢能轉變為高速動能。喉管是直徑比噴嘴出口大的長圓筒，高速動力液與低速產出液在其中完全混合，交換動量。擴散管的橫截面沿流動方向逐漸增大，將動能轉變為靜壓，使混合流體獲得足夠的能量上升到地面上來。
圖6-41 套管自由式井下射流泵
2.壓力損失射流泵的能量損失包括摩阻損失和混合損失，其大小與流體性質、流量、壓力及泵的結構參數等有關。噴嘴、吸入腔室、喉管和擴散管中都存在摩阻損失。設計得當可以消除吸入腔室的摩阻損失。混合損失主要發生在喉管內，其他部位很少，喉管長度是影響混合損失的主要參數。選泵時必須考慮這些影響因素，摩阻損失、混合損失之和最小為最佳選擇。同時，所選泵必須滿足井對排量和舉升高度的要求，在不出現氣蝕時效率最高。
3.氣體影響氣體要占據體積，使泵的液體排量下降。氣體也對泵內壓力損失產生影響。吸入腔室的壓力下降會導致脫氣，產生滑脫。氣體造成混合速度、濃度分布極不均勻，使泵效下降。泵的結構不同，氣體的影響程度差別較大。同時，氣體的舉升作用有利於降低排出管的壓力損失。
氣蝕對射流泵的正常工作影響很大。噴嘴和喉管之間的環形面積是產液進泵的吸入面積。環形面積越小，吸入流體的速度越高，喉管入口處的壓力越低。吸入壓力低於流體的蒸氣壓時產生小氣泡。氣泡進入喉管的高壓區就會冷凝和破碎，對泵產生沖蝕，這種現象稱為氣蝕。當氣蝕發生時，增加動力液流量不會提高產量。對壹定的產量和吸入壓力，剛好能避免氣蝕的環形面積稱為最小氣蝕面積。
射流泵需要較高的吸入壓力以避免氣蝕，所以應用受到限制。射流泵在最高效率點工作時，壹般要求較大的沈沒度。為了在較低的吸入壓力下不發生氣蝕，犧牲泵效可使射流泵用於更多的低壓深井，所以射流泵泵效較低，所需輸入功率比水力活塞泵高。
四、螺桿泵螺桿泵(Progressing Cavity Pump)是壹種新型機械采油裝置。其工作可靠、容積效率高、抗磨蝕性能好，適用於高粘、高含砂、高含氣原油的開采。隨著合成橡膠及粘結技術的發展，螺桿泵采油成為稠油冷采、聚合物驅油田的主要舉升方式。
螺桿泵裝置可分為地面驅動和井下驅動兩類。地面驅動螺桿泵主要由驅動系統、連接器、抽油桿柱及井下泵組成，抽油桿柱旋轉驅動井下螺桿泵。井下驅動螺桿泵的電機、保護器和螺桿泵裝在井下，典型系統如圖6-42所示。
圖6-42 井下驅動螺桿泵
螺桿泵由能轉動的單螺桿(轉子)和固定襯套(定子)組成。如圖6-43所示，E為螺桿偏心距，襯套內表面由橡膠制成，螺桿沿襯套內表面滾動使螺桿軸線繞襯套軸線旋轉，因此螺桿與傳動軸必須采用萬向軸或偏心聯軸節連接。
圖6-43 螺桿泵結構示意圖
電纜把電源動力傳給井下電機，電機帶動螺桿泵旋轉，使產出液體獲得足夠的能量排到地面。螺桿在襯套內偏心旋轉時形成壹系列密封腔。當泵吸入端的密封腔容積增大時，腔內壓力下降，流體進入。隨著螺桿轉動，這個腔室開始封閉，並向排出口移動，壓力不斷上升。當壹個密封腔消失時，另壹個同樣的密封腔形成，因此排量非常均勻。對於相同級數的螺桿泵，排量隨著壓頭的增加而下降。不同型號的螺桿泵特性不壹樣，壹般用清水測試獲得，用於選擇和設計。
思 考 題
1.為什麽我們最希望采用自噴采油方法？
2.什麽是流入動態關系？單相流和溶解氣驅的IPR曲線形狀怎樣？
3.無因次IPR曲線有何特點？Vogel方程描述什麽關系？
4.什麽是采油指數？單相滲流和油氣兩相滲流的采油指數有何異同？
r=pb=20MPa，井底流壓為12MPa時的產油量為60m3/d。(1)計算該井的最大產量；(2)計算井底流壓為10MPa時的產量，並繪制IPR曲線。(3)若FE=0.8，結果會怎樣變化？
6.試述兩相垂直管流的流動型態及其特點？
7.62mm內徑油管中的液體流量為0.8m3/s，氣體流量為0.6m3/s,持液率為0.7，計算其滑脫速度。
8.油嘴有何作用？油嘴流動的特點是什麽？
9.怎樣才能達到臨界流動狀態？
10.什麽是協調工作點？油井如何才能達到協調生產？
11.有哪幾類節點？節點分析方法的基本思路如何？
12.基本的氣舉系統包括哪幾個部分？
13.試述氣舉閥的類型、作用及其工作原理。
14.簡述氣舉裝置的類型及其適用條件。
15.試述連續氣舉的卸載過程。
16.常規間歇氣舉的每個循環周期可分為哪些階段？
17.簡述連續氣舉與間歇氣舉的異同。
18.何為氣舉的啟動壓力和工作壓力？
19.抽油機有哪些類型？
20.遊梁式抽油機主要由哪些部件組成？其型號如何表示？
21.試述抽油泵的類型、基本結構及工作原理。
22.有桿泵抽油過程中下沖程油井出油嗎？出多少？泵的理論排量如何計算？
=Wr+WL。
24.某井下泵深度Lp=1200m，泵徑D=56mm，沖程S=3m，沖次n=12min-1，抽油桿直徑22mm，油管內徑、外徑分別為62mm、73mm，產出液體平均密度ρL=850kg/m3。計算懸點最大和最小載荷。
25.抽油機為什麽要調平衡？有哪幾種平衡方式？平衡的基本原理如何？
26.分析影響泵效的主要因素以及提高泵效的措施。
27.氣體影響與供液不足的典型示功圖有何異同？
28.說明連抽帶噴、固定閥嚴重漏失和抽油桿斷脫時的典型示功圖特征，如何判別？
29.何謂光桿功率、水功率和有桿抽油系統效率？
30.無桿泵采油包括哪些方法？各有何特點？
31.潛油電泵系統包括哪些部件？
32.潛油電泵井中,為什麽產出液體必須從電機外流過？
33.潛油電泵井中,為什麽需采用高效率的井下氣液分離器？
34.水力活塞泵的開式系統和閉式系統各有何特點？
35.采油方法有哪些？各自的采油原理是什麽？